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本期期刊速读内容来自《中国科学》杂志2019年第49卷第11期中华人民共和国成立70周年专题文章《近70年来中国自然地理与生存环境基础研究的重要进展与展望》节选，作者陈发虎，傅伯杰，夏军等。 流域是地球系统的缩微，是由“水-土-气-生-人”构成的一个具有层次结构和整体功能的复杂系统(Cheng等，2014； Li等，2018a)。流域也是开展水土流失等自然地理学要素过程和以流域模型为主的自然地理综合体研究的重要方面。本小节将回顾流域模型的发展，介绍黑河流域生态-水文-经济集成模型；回顾土壤侵蚀的研究历程，阐述土壤侵蚀的研究内容与方法；简述历史时期黄土高原的水土流失问题，分析“退耕还林”政策的利弊影响；最后，阐述流域径流形成与转化的非线性机理，以及蒸散发的研究进展。流域模型是认识水土资源时空演化规律及成因的重要手段，是流域水土资源综合管理的重要工具，是自然地理及其分支学科水文地理学的研究热点。半个世纪以来，流域模型迅速发展，显著提升了人们对流域复杂行为与过程的理解(Lutz等，2014)。国内自主研发了一系列流域模型，主要包括分别基于蓄满产流和超渗产流理念发展的“新安江模型”和“陕北模型”(赵人俊，1984)，结合水文循环机理与水文非线性系统理论的“分布式时变增益水循环模型”(夏军等，2003)，基于模块化结构的“水循环模拟系统(HIMS)”(刘昌明等,2008)，基于能水循环过程的“大流域分布式水文模型(WEP-L)”(Jia等，2006)及在此基础上发展的“自然-社会”二元水循环模型(王浩等，2013)，耦合冰冻圈水文过程的分布式生态水文模型GBEHM(Yang等，2015),以及耦合地表水-地下水-生态过程和水资源管理模块的三维分布式生态水文模型HEIFLOW(Tian等，2018)。这些模型在流域生态水文过程认识、水资源管理以及洪水预报等方面发挥了举足轻重的作用，促进了中国流域水文科学的迅速发展。近年来，在国家自然科学基金委员会重大研究计划——“黑河计划”的支持下，由程国栋领衔的多学科研究团队针对中国干旱区内陆河流域的典型特征，成功研制了黑河流域生态-水文-经济集成模型。该集成模型包括了两大系统，即自然系统模型(流域生态水文模型GBEHM和HEIFLOW)与经济系统模型，以及连接自然系统和经济系统的界面模型——土地利用和水资源模型。基于先进的代理建模技术，该集成模型被成功地嵌入到一个兼容联合国可持续发展目标(SDGs)的流域决策支持系统，真正实现以科学模型为骨架的流域发展可持续性决策支持。该集成模型在功能完备性、适应性，以及模拟与预测能力等方面具有明显的优势(Gao等，2018；Li等，2018b；Tian等，2018)，也实现了水-生态-经济的耦合，从而可更好地服务于流域综合管理和可持续发展目标(程国栋和李新，2015)。土壤侵蚀是指水、风等外营力对土壤的消损过程，可导致水土流失，引起土地退化，影响粮食安全，并淤积河道，加剧洪水灾害风险，威胁水安全。从全球角度来说，土壤侵蚀是土壤功能和可持续发展最大的威胁(FAO和ITPS，2015)。目前国际上关注全球土壤侵蚀评价(Borrelli等，2017)、人类活动对土壤侵蚀的影响(Wang等，2016)，以及土壤侵蚀与碳氮磷循环(VanOost等，2007；Quinton等，2010)等几个方面。中国水土流失的大规模研究始于20世纪50年代,黄秉维(1955)基于考察结果编制了黄河中游土壤侵蚀分区图，朱显谟(1956)提出了土壤侵蚀分类系统。中国土壤侵蚀第一个定量研究出现在1953年(刘善建,1953)。龚时旸和蒋德麒(1978)研究小流域泥沙来源，认为黄土高原沟间地和沟谷地土壤流失量各占一半左右，对20世纪80年代以小流域为单元的水土保持实践起到了重要的指导作用。钱宁等(1980)提出黄河下游河道淤积主要是由粒径>0.05mm的粗泥沙造成，主要来自黄河中游的粗沙多沙区。水利部于1985年组织了第一次土壤侵蚀遥感调查，促进了1991年水土保持法的颁布。通过多年研究朱显谟提出了黄土高原水土保持的“28字方略”。唐克丽(1985)科学论证了“退耕还林还草是控制水土流失最有效措施”的观点，也有力促进了1999年退耕还林(草)重大生态工程的实施。21世纪以来，中国土壤侵蚀研究在侵蚀动力、过程、预报与研究方法等方面得到了全面发展。Liu B Y等(2002)建立了中国土壤流失方程(CSLE)，在陡坡侵蚀预报和其他水土保持措施因子提取方面比美国通用土壤流失方程(USLE)更准确方便，用于全国水土流失调查，完成了土壤侵蚀定量制图(图9)。土壤侵蚀示踪技术也在这一阶段取得了重要进展。例如，张信宝等(1988)推动了137Cs方法在中国土壤侵蚀研究中的应用，田均良等(1992)完善了稀土元素(REE)示踪方法。位于黄河中上游的黄土高原是黄河重要的来水区和主要的来沙区，黄河泥沙的90%来源于黄土高原，因此黄土高原水土流失具有全球典型性(任美锷，2006)。从中华人民共和国成立初期到20世纪末，长期的农业开发导致天然林草植被大面积丧失，再加上黄土高原土质疏松，易于侵蚀，严重的水土流失导致地形切割破碎(Fu，1989；Shi和Shao，2000)，生态环境愈来愈恶化。1999年国家实施退耕还林还草工程以来，黄土高原土地覆盖类型发生了显著变化，林地、草地面积增加了11.5%，农地减少了10.8%(Feng等，2013)。黄土高原植被覆盖影响黄河水沙变化(刘昌明，2013；Wang等,2016)，局部水土流失得到一定控制，2000～2008年，年土壤侵蚀从3362t km−2减至2405t km−2，平均年生态减沙5.74×108t(Fu等，2011)。黄土高原整体生态环境仍十分脆弱，黄土高原气候干旱化会导致其土壤干燥化、土壤水植被承载力趋于弱化(郭忠升和邵明安，2003)，但黄土高原植被恢复导致水土过程和功能的改变对当地和黄河下游的影响利弊共存，受水分限制的影响出现高度治理区林草植被退化的现象(邵明安等，2010)。研究也发现，随森林覆盖率增加，径流量反而显著减少(Feng等，2012)，年径流量减少10.3mm(折合水量61.8×108m3)。与1956～2000年间相比，在相近降雨情况下，2003年以来河口镇-潼关区间天然径流量减少约47%，2010～2012年黄河中游多沙粗沙区来水来沙锐减(刘昌明，2013)。黄土高原植被恢复应综合考虑区域的产水、耗水和用水的综合需求，目前黄土高原植被恢复已接近自然-社会-经济水资源可持续利用阈值(Feng等，2016)。黄土高原植被的减水减沙及其组合影响黄河下游大型水利工程安全运行、取水工程功能发挥、河道泥沙冲淤平衡乃至现行河道的健康和生命(Wang等，2016)。降雨形成河川径流的过程称为径流形成与转化,由降雨准确推断径流是水文地理学的核心问题之一。国际上关于流域径流形成与转化的机理研究聚焦在降水-产流和土壤水的蒸散发过程的定量化上。20世纪70年代国际上水文学的主流理论是J.Dooge的水文系统线性理论，认为降水-产汇流过程是线性化的(Beven,2001)。土壤水的蒸散发过程则基于Monteith改进的Penman方程，即Penman-Monteith模型(Monteith,1965)，其奠定了流域水循环研究的基础。中国的流域径流形成与转化机理研究始于20世纪60年代(赵人俊和庄一翎，1963；刘昌明等，1965)。在湿润区，降雨-径流的关系主要是基于蓄满产流理论，在干旱和半干旱地区则采用超渗产流理论。20世纪90年代以来，受控于土壤湿度、降雨强度和下垫面组合的时变非线性产流规律被发现(Xia，1991；Xia等，1997),从理论上揭示了水文非线性系统响应函数的物理机制，创建了水文时变增益非线性系统模型，显著提高了径流估算的准确性(图10)。在流域径流形成与转化过程中，土壤-植物-大气系统(SPAC)是联系下垫面、土壤、植被的关键物理过程，其中蒸散发是径流形成与“五水”转化研究中的一个薄弱环节。中国蒸散发的研究开始于20世纪50年代以来开展的农田水量平衡、水面蒸发和蒸渗仪观测，邓根云(1979)和傅抱璞(1981)等对Penman蒸发公式、Budyko公式进行了改进，用于水文预报和农业灌溉指导。20世纪90年代以后微气象、遥感技术逐步应用于不同尺度的蒸散发研究，也开发了系列数学计算模型。Liu C M等(2002)和Mo等(2005)通过大量野外观测实验和模拟研究，揭示了华北平原蒸散发时空变化规律，确定年尺度土壤蒸发与总蒸散发比例约为30%。在SPAC系统水分能量转换研究的基础上，提出了与植被动态过程、流域空间变异性相联系的蒸散发估算模型(Mo等，2004)。集成单元时变增益非线性机理和SPAC系统界面过程水热交换的非线性机制，通过DEM和GIS，将机理认识拓广到流域空间分异性的水文模拟，同时耦合了水库闸坝及调水工程、工农业取用水等人类活动，构建了基于物理过程的流域水循环模拟系统平台(夏军等，2004)，用于预测和评估变化环境下流域水文水资源的响应，以及径流形成过程与流域下垫面、人类活动和气候变化的相互作用机制。
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