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本期期刊速讀內容來自《中國科學》雜志2019年第49卷第11期中華人民共和國成立70周年專題文章《近70年來中國自然地理與生存環境基礎研究的重要進展與展望》節選，作者陳發虎，傅伯杰，夏軍等。 流域是地球系統的縮微，是由“水-土-氣-生-人”構成的一個具有層次結構和整體功能的復雜系統(Cheng等，2014； Li等，2018a)。流域也是開展水土流失等自然地理學要素過程和以流域模型為主的自然地理綜合體研究的重要方面。本小節將回顧流域模型的發展，介紹黑河流域生態-水文-經濟集成模型；回顧土壤侵蝕的研究歷程，闡述土壤侵蝕的研究內容與方法；簡述歷史時期黃土高原的水土流失問題，分析“退耕還林”政策的利弊影響；最后，闡述流域徑流形成與轉化的非線性機理，以及蒸散發的研究進展。流域模型是認識水土資源時空演化規律及成因的重要手段，是流域水土資源綜合管理的重要工具，是自然地理及其分支學科水文地理學的研究熱點。半個世紀以來，流域模型迅速發展，顯著提升了人們對流域復雜行為與過程的理解(Lutz等，2014)。國內自主研發了一系列流域模型，主要包括分別基于蓄滿產流和超滲產流理念發展的“新安江模型”和“陜北模型”(趙人俊，1984)，結合水文循環機理與水文非線性系統理論的“分布式時變增益水循環模型”(夏軍等，2003)，基于模塊化結構的“水循環模擬系統(HIMS)”(劉昌明等,2008)，基于能水循環過程的“大流域分布式水文模型(WEP-L)”(Jia等，2006)及在此基礎上發展的“自然-社會”二元水循環模型(王浩等，2013)，耦合冰凍圈水文過程的分布式生態水文模型GBEHM(Yang等，2015),以及耦合地表水-地下水-生態過程和水資源管理模塊的三維分布式生態水文模型HEIFLOW(Tian等，2018)。這些模型在流域生態水文過程認識、水資源管理以及洪水預報等方面發揮了舉足輕重的作用，促進了中國流域水文科學的迅速發展。近年來，在國家自然科學基金委員會重大研究計劃——“黑河計劃”的支持下，由程國棟領銜的多學科研究團隊針對中國干旱區內陸河流域的典型特征，成功研制了黑河流域生態-水文-經濟集成模型。該集成模型包括了兩大系統，即自然系統模型(流域生態水文模型GBEHM和HEIFLOW)與經濟系統模型，以及連接自然系統和經濟系統的界面模型——土地利用和水資源模型。基于先進的代理建模技術，該集成模型被成功地嵌入到一個兼容聯合國可持續發展目標(SDGs)的流域決策支持系統，真正實現以科學模型為骨架的流域發展可持續性決策支持。該集成模型在功能完備性、適應性，以及模擬與預測能力等方面具有明顯的優勢(Gao等，2018；Li等，2018b；Tian等，2018)，也實現了水-生態-經濟的耦合，從而可更好地服務于流域綜合管理和可持續發展目標(程國棟和李新，2015)。土壤侵蝕是指水、風等外營力對土壤的消損過程，可導致水土流失，引起土地退化，影響糧食安全，并淤積河道，加劇洪水災害風險，威脅水安全。從全球角度來說，土壤侵蝕是土壤功能和可持續發展最大的威脅(FAO和ITPS，2015)。目前國際上關注全球土壤侵蝕評價(Borrelli等，2017)、人類活動對土壤侵蝕的影響(Wang等，2016)，以及土壤侵蝕與碳氮磷循環(VanOost等，2007；Quinton等，2010)等幾個方面。中國水土流失的大規模研究始于20世紀50年代,黃秉維(1955)基于考察結果編制了黃河中游土壤侵蝕分區圖，朱顯謨(1956)提出了土壤侵蝕分類系統。中國土壤侵蝕第一個定量研究出現在1953年(劉善建,1953)。龔時旸和蔣德麒(1978)研究小流域泥沙來源，認為黃土高原溝間地和溝谷地土壤流失量各占一半左右，對20世紀80年代以小流域為單元的水土保持實踐起到了重要的指導作用。錢寧等(1980)提出黃河下游河道淤積主要是由粒徑>0.05mm的粗泥沙造成，主要來自黃河中游的粗沙多沙區。水利部于1985年組織了第一次土壤侵蝕遙感調查，促進了1991年水土保持法的頒布。通過多年研究朱顯謨提出了黃土高原水土保持的“28字方略”。唐克麗(1985)科學論證了“退耕還林還草是控制水土流失最有效措施”的觀點，也有力促進了1999年退耕還林(草)重大生態工程的實施。21世紀以來，中國土壤侵蝕研究在侵蝕動力、過程、預報與研究方法等方面得到了全面發展。Liu B Y等(2002)建立了中國土壤流失方程(CSLE)，在陡坡侵蝕預報和其他水土保持措施因子提取方面比美國通用土壤流失方程(USLE)更準確方便，用于全國水土流失調查，完成了土壤侵蝕定量制圖(圖9)。土壤侵蝕示蹤技術也在這一階段取得了重要進展。例如，張信寶等(1988)推動了137Cs方法在中國土壤侵蝕研究中的應用，田均良等(1992)完善了稀土元素(REE)示蹤方法。位于黃河中上游的黃土高原是黃河重要的來水區和主要的來沙區，黃河泥沙的90%來源于黃土高原，因此黃土高原水土流失具有全球典型性(任美鍔，2006)。從中華人民共和國成立初期到20世紀末，長期的農業開發導致天然林草植被大面積喪失，再加上黃土高原土質疏松，易于侵蝕，嚴重的水土流失導致地形切割破碎(Fu，1989；Shi和Shao，2000)，生態環境愈來愈惡化。1999年國家實施退耕還林還草工程以來，黃土高原土地覆蓋類型發生了顯著變化，林地、草地面積增加了11.5%，農地減少了10.8%(Feng等，2013)。黃土高原植被覆蓋影響黃河水沙變化(劉昌明，2013；Wang等,2016)，局部水土流失得到一定控制，2000～2008年，年土壤侵蝕從3362t km?2減至2405t km?2，平均年生態減沙5.74×108t(Fu等，2011)。黃土高原整體生態環境仍十分脆弱，黃土高原氣候干旱化會導致其土壤干燥化、土壤水植被承載力趨于弱化(郭忠升和邵明安，2003)，但黃土高原植被恢復導致水土過程和功能的改變對當地和黃河下游的影響利弊共存，受水分限制的影響出現高度治理區林草植被退化的現象(邵明安等，2010)。研究也發現，隨森林覆蓋率增加，徑流量反而顯著減少(Feng等，2012)，年徑流量減少10.3mm(折合水量61.8×108m3)。與1956～2000年間相比，在相近降雨情況下，2003年以來河口鎮-潼關區間天然徑流量減少約47%，2010～2012年黃河中游多沙粗沙區來水來沙銳減(劉昌明，2013)。黃土高原植被恢復應綜合考慮區域的產水、耗水和用水的綜合需求，目前黃土高原植被恢復已接近自然-社會-經濟水資源可持續利用閾值(Feng等，2016)。黃土高原植被的減水減沙及其組合影響黃河下游大型水利工程安全運行、取水工程功能發揮、河道泥沙沖淤平衡乃至現行河道的健康和生命(Wang等，2016)。降雨形成河川徑流的過程稱為徑流形成與轉化,由降雨準確推斷徑流是水文地理學的核心問題之一。國際上關于流域徑流形成與轉化的機理研究聚焦在降水-產流和土壤水的蒸散發過程的定量化上。20世紀70年代國際上水文學的主流理論是J.Dooge的水文系統線性理論，認為降水-產匯流過程是線性化的(Beven,2001)。土壤水的蒸散發過程則基于Monteith改進的Penman方程，即Penman-Monteith模型(Monteith,1965)，其奠定了流域水循環研究的基礎。中國的流域徑流形成與轉化機理研究始于20世紀60年代(趙人俊和莊一翎，1963；劉昌明等，1965)。在濕潤區，降雨-徑流的關系主要是基于蓄滿產流理論，在干旱和半干旱地區則采用超滲產流理論。20世紀90年代以來，受控于土壤濕度、降雨強度和下墊面組合的時變非線性產流規律被發現(Xia，1991；Xia等，1997),從理論上揭示了水文非線性系統響應函數的物理機制，創建了水文時變增益非線性系統模型，顯著提高了徑流估算的準確性(圖10)。在流域徑流形成與轉化過程中，土壤-植物-大氣系統(SPAC)是聯系下墊面、土壤、植被的關鍵物理過程，其中蒸散發是徑流形成與“五水”轉化研究中的一個薄弱環節。中國蒸散發的研究開始于20世紀50年代以來開展的農田水量平衡、水面蒸發和蒸滲儀觀測，鄧根云(1979)和傅抱璞(1981)等對Penman蒸發公式、Budyko公式進行了改進，用于水文預報和農業灌溉指導。20世紀90年代以后微氣象、遙感技術逐步應用于不同尺度的蒸散發研究，也開發了系列數學計算模型。Liu C M等(2002)和Mo等(2005)通過大量野外觀測實驗和模擬研究，揭示了華北平原蒸散發時空變化規律，確定年尺度土壤蒸發與總蒸散發比例約為30%。在SPAC系統水分能量轉換研究的基礎上，提出了與植被動態過程、流域空間變異性相聯系的蒸散發估算模型(Mo等，2004)。集成單元時變增益非線性機理和SPAC系統界面過程水熱交換的非線性機制，通過DEM和GIS，將機理認識拓廣到流域空間分異性的水文模擬，同時耦合了水庫閘壩及調水工程、工農業取用水等人類活動，構建了基于物理過程的流域水循環模擬系統平臺(夏軍等，2004)，用于預測和評估變化環境下流域水文水資源的響應，以及徑流形成過程與流域下墊面、人類活動和氣候變化的相互作用機制。
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