黄土高原上坡侵蚀的区域机制以及水土保持的途径

黄土高原多尺度降雨侵蚀机理与空间分异特征研究基于32站7年观测数据揭示，降雨强度、坡度及土地利用是侵蚀主控因素，暴雨致侵蚀风险激增35倍，裸地比林地侵蚀量大7倍。东南-西北梯度呈现降雨驱主导向转变：东南部土地利用调控作用显著，西北部降雨主导；侵蚀路径分异为沙区径流-土地利用协同、平原则地形-土地利用互作、山地-沟壑区径流主导。研究成果为全球干旱区侵蚀治理提供理论支撑。

何麒麟|张鹏|李斌斌|沈楠|杨明毅|张丰宝

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学水土保持与荒漠化控制国家重点实验室，邮编712100

摘要

在气候变化的影响下，黄土高原的土壤侵蚀现象加剧，气候、土壤和植被的明显东南-西北梯度导致了侵蚀过程的区域差异。然而，这些空间变异背后的机制尚未得到充分理解。通过32个监测站七年来的观测数据（涵盖了672次自然降雨事件），对不同地貌子区域的坡面径流和土壤流失量进行了量化分析。研究结果表明，土壤侵蚀主要受降雨、坡度和土地利用的影响，而极端降雨和不当的土地管理会显著增加侵蚀风险。从轻微降雨到暴雨，径流深度增加了九倍以上，土壤流失量增加了三十五倍以上；裸露土地的土壤流失量是森林土地的七倍以上。研究发现，控制侵蚀的主要因素存在东南-西北的转变：在降雨驱动下径流生成作用增强，而土地利用和植被的影响减弱。土壤流失路径表现出明显的区域特征——在沙质地区主要受径流和土地利用的共同影响，在河谷平原地区受地形-土地利用相互作用的影响，在丘陵沟壑和山区则受径流动力学的影响。这些结果阐明了干旱地区侵蚀空间变异的关键机制，并为评估侵蚀风险和支持适应极端气候条件的土地管理策略提供了坚实的框架。

引言

土壤侵蚀是一种基本的地貌过程，它驱动着土地退化和河流系统中的沉积物重新分布，导致土壤肥力下降和下游水质恶化（Prăvălie, 2021; Wuepper et al., 2020）。在干旱地区，脆弱的土壤结构、稀疏的植被以及密集的土地利用与日益极端的水文气候条件相互作用，加剧了侵蚀风险（Eekhout and de Vente, 2022; Lin et al., 2025b）。中国黄土高原是全球干旱地区面临严重侵蚀问题的典型代表。在气候变化背景下，高度易侵蚀的黄土沉积物、复杂的地形、长期的人类活动以及大规模的生态恢复共同导致了土壤侵蚀的显著空间异质性（Fu et al., 2023; Wu et al., 2024）。理解这种空间异质性及其主要驱动因素对于制定针对特定地区的管理策略以及改善干旱地区的土壤和水资源保护至关重要（Wuepper et al., 2024），从而为全球干旱地区的侵蚀控制和土地可持续性提供见解。

黄土高原为研究干旱环境中的侵蚀过程提供了独特的自然实验室。多尺度分析显示，大多数地区以轻微到中度的侵蚀为主，中度侵蚀集中在高原中部，而重度侵蚀主要发生在东北部（如陕西）和西南部（青海-甘肃边界）（Wu et al., 2024）。这些模式遵循明显的环境梯度：降水量和降雨侵蚀力从东南向西北逐渐减弱（Dai et al., 2023; Jia et al., 2022）；丘陵沟壑地形由于坡度长且陡峭，加剧了径流驱动的侵蚀，而内蒙古西部、陕西中部和陕西南部的平坦地区侵蚀潜力较低（Sun et al., 2014）。土壤可蚀性（K值，图1）也系统性地变化，从西北部的风成沙土到东南部的沙质黄土、典型黄土和粘质黄土（Liu, 1964）。人类活动进一步改变了侵蚀模式。“退耕还林”计划大大增加了中部地区的植被覆盖，减少了侵蚀强度（Song et al., 2024; Tian et al., 2023a）。尽管有大量的空间模式记录，但侵蚀的主要环境和人为驱动因素及其在地貌和气候梯度上的变化仍缺乏量化。填补这一空白需要明确这些因素如何相互作用，以解释黄土高原上侵蚀异质性的形成。

坡面是侵蚀开始和实施控制措施的基本地貌单元。大多数关于黄土高原的研究采用水文数据和RUSLE模型在区域尺度上进行（Song et al., 2024; Tian et al., 2023a），而坡面尺度的实地监测则提供了基于过程的侵蚀响应见解。元分析表明，地形因素（如坡度坡度和朝向）对侵蚀的控制作用比植被更强，这突显了黄土高原上的显著空间变异（Jia et al., 2025）。从南到北的模拟实验进一步证明了径流生成和土壤流失的明显区域差异（Shen et al., 2021; Sun et al., 2021）。然而，自然降雨条件下的实地观测仍然零散，且空间范围仅限于内蒙古北部（Yu et al., 2022）、高原中部的杨光沟（Zhou et al., 2016）、西部的李家沟（Cui et al., 2024）和南部的王东沟（Chen et al., 2018）等少数流域。多站点、坡面尺度的数据集非常有限，长期监测也仅限于少数几个县（如西峰、绥德、天水）（Wang and Shao, 2001; Yan et al., 2013; Zhang et al., 2023）。这种系统性、跨区域的坡面监测数据的缺乏限制了人们对黄土高原坡面侵蚀过程及其驱动因素的机制理解。

为解决这一问题，中国水利部在黄土高原建立了全面的水土保持监测网络，能够长期观测自然降雨条件下的径流和土壤流失情况。这些监测点覆盖了多种地貌类型，包括沟壑区、丘陵沟壑区、河谷平原、土岩山地和沙质地带，为系统性的跨区域比较提供了基础。本研究的具体目标包括：（1）识别不同地貌区域的坡面径流和土壤流失特征；（2）量化降雨、地形、土地利用和土壤性质对径流和土壤流失的影响；（3）揭示黄土高原上坡面侵蚀区域差异的关键因素。通过整合不同地貌类型的基于过程的监测数据，本研究加深了对黄土高原坡面侵蚀过程的理解，并为全球干旱地区的侵蚀减缓提供了可借鉴的见解。

研究区域

黄土高原（北纬33°41′～41°16′，东经100°52′～114°33′）位于中国北部，具有典型的大陆性季风气候（图1），年平均气温为4.3–14.3°C，降水量在111至918毫米之间。地表覆盖以草地、农田和森林为主，下层为具有强持水能力的多孔低密度黄土。第四纪黄土和河流沉积物形成了厚度为50–200米的含水层系统，同时梯田和拦沙坝也起到了重要作用

不同降雨强度下的径流和土壤流失响应

径流深度随降雨强度的增加而逐渐增加（图2），在轻雨条件下为0.53毫米，而在中雨、大雨、暴雨和暴雨条件下分别增加到1.19毫米、2.05毫米、4.11毫米和5.42毫米。暴雨条件下的径流深度是轻雨条件的九倍以上。随着降雨强度的增加，径流深度的置信区间也扩大，暴雨条件下的径流深度范围为4.02–6.83毫米，表明径流响应更为强烈且变化更大

坡面侵蚀的总体特征和控制机制

在全球干旱和半干旱地区，坡面侵蚀主要受事件驱动，短暂但强度高的风暴与地形和土地利用相互作用时会产生显著影响（Eekhout and de Vente, 2022; Fiener et al., 2013; Prăvălie, 2021）。黄土高原也遵循这一全球模式：大多数降雨事件引起的侵蚀作用较弱，但极端风暴会引发径流和土壤流失的突然增加，占年沉积物输出量的大部分（Bai et al.

结论

本研究表明，黄土高原的坡面侵蚀受到不同区域过程的共同影响，而非单一主导机制。径流生成从湿润地区的土地利用调节转变为干旱地区的降雨驱动，这反映了气候梯度在塑造水文响应中的作用。土壤流失路径也有所不同：在沙质地区以土地利用和径流为主，在河谷平原地区受地形-土地利用相互作用的影响，在其他地区则主要受径流驱动

作者贡献声明

何麒麟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。张鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。李斌斌：数据收集与整理。沈楠：软件与方法论研究。杨明毅：方法论研究，数据收集。张丰宝：撰写 – 审稿与编辑，资金争取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFF1300805和2022YFF1300804）、国家自然科学基金（U2443212和42361144707）、水土保持与荒漠化控制国家重点实验室开放基金项目（Z2010025001-KJ2521）以及中央高校基本科研业务费（2023HHZX001、B250201075和B250201072）的支持。