申报2021年度陕西省科学技术奖励(自然奖)项目公示内容
项目3
郑粉莉
一、项目名称：水蚀方式演变过程及其阻控途径
二、提名者：杨凌农业高新技术产业示范区管理委员会
三、项目简介：
土壤侵蚀是制约人类生存和社会可持续发展的重大环境问题，是多种生态问题的集中反映。中国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失面积大357万km2，占国土总面积的37.2%，每年平均土壤侵蚀约50亿t，占全球土壤侵蚀总量的1/5，平均每年造成我国经济损失相当于GDP总量的3.5%。而其中水蚀是我国分布最广、危害最严重的水土流失类型，总面积161万km2，占国土总面积的17%；水蚀区平均侵蚀模数约为3800 t km-2 a-1，远远大于土壤允许流失量，也远大于世界上其它土壤侵蚀严重的国家。因此，开展水蚀过程及其阻控途径研究，对于掌握土壤侵蚀规律和调控机理，开展水土流失预警和土壤侵蚀治理，实现生态环境的可持续发展和美丽中国建设具有重要意义。该项目以流域水蚀方式演变驱动过程为主线，基于30多年的动态观测和科学研究，针对水蚀方式（溅蚀、片蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、切
沟侵蚀）演变过程机理开展系统研究，揭示了水蚀方式演变过程的驱动机制及其关键影响因子，针对性提出了多种阻控途经，研究结果加深了对土壤水蚀过程机理的认识，丰富土壤水蚀基础理论，为流域尺度能预测沟蚀的侵蚀预报模型研发提供了理论指导，也为流域土壤侵蚀防治和生态建设提供了重要科学依据。取得如下重要科学发现：
第一，创建了一系列土壤侵蚀定量估算的新技术新方法。提出了基于立体摄影测量技术的坡面侵蚀沟水流参数测定方法；建立了基于三维激光扫描技术的侵蚀沟发育过程动态监测方法；构建了稀土元素示踪土壤侵蚀量的通用模型，优化了该项示踪技术；研发了核素示踪侵蚀-搬运-沉积-产沙连续动态监测方法。
第二，揭示了坡面细沟与细沟间侵蚀过程机理。明确了溅蚀过程团聚体破坏机理，分离了各方向溅蚀对坡面总溅蚀的贡献；量化了雨滴打击、地表径流和近地表土壤水文条件对坡面面蚀的相对贡献；明晰了不同下垫面特征对坡面细沟和细沟间侵蚀过程的影响；揭示了细沟与细沟间侵蚀过程的水动力学机制。
第三，定量刻画了片蚀-细沟-沟蚀侵蚀方式演变过程。提出了鉴别细沟、浅沟和切
沟的临界地形临界模型；重现了片蚀-细沟-切沟侵蚀演变过程；明确了降雨、汇流和地形对浅沟侵的影响；阐明了坡面溅蚀片蚀-细沟侵蚀-浅沟侵蚀各侵蚀垂直分带水沙传递关系及其关键驱动因子。
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第四，针对性提出了多种水蚀方式的阻控途径。揭示了植被恢复和土壤改善对面蚀和沟蚀的阻控机制；明确了人工草被与秸秆覆盖措施对面蚀和沟蚀防治的机理。
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四、客观评价：（包括该项目科技成果鉴定意见、国内外对该项目研究成果的引用情况）
项目执行期间，以上成果主笔出版专著6部和参编专著8部，发表相关学术论文178篇，其中SCI论文43篇、中文核心论文135篇。研究成果受到国内外同行专家的广泛重视和认可，5篇代表性论文/3部代表性著作总他引970次，其中SCI他引372次，单篇最高他引294次，单篇最高SCI他引175次。发表在Soil & Tillage Rearch的代表作3为ESI高被引论文。
1）对科学发现1土壤侵蚀定量估算的新技术新方法研究的客观评价
土壤侵蚀领域世界著名专家美国农业部国家土壤侵蚀研究实验室主任Chihua Huang高级专家和国际知名专家美国农业部国家泥沙实验室前主任Matt Romkens高级专家，在对中美合作研究的官方评价中强调了本课题组所开展的GPS、三维激光扫描、立体摄影测量等技术的对比研究（代表作1），对于浅沟和沟道侵蚀的准确量化具有重要意义。我国土壤侵蚀领域著名专家、中国农业大学雷廷武教授课题组和北京师范大学张光辉教授课题组分别在农业机械学报（陈展鹏等, 2014）和中国水土保持科学（朱良君等, 2013）发表论文对本研究所提出的三维激光扫描和GPS技术对滑坡堆积体和地表微地貌精确测量进行了充分验证。该项目出版的专著《黄土高原沟蚀演变过程与侵蚀产沙》（代表作2）对
高精度GPS和三维激光扫描（LiDAR）对沟蚀演变动态监测的可行性和精度进行了详细探讨，并利用这些新技术新方法对细沟、浅沟、切沟的形态演变过程进行了定量研究。世界水土保持学会主席李锐研究员在水土保持通报（李锐, 2011）发表论文，认为本研究“成功地应用GPS技术和LiDAR技术动态监测了沟蚀发育过程，确定了各侵蚀形态发生的临界阈值，并据此建立了侵蚀形态演变过程的预测模型”。
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2）对科学发现2坡面细沟与细沟间侵蚀过程机理的客观评价
该项目发表在Soil & Tillage Rearch（Shen et al. 2016）上关于细沟与细沟间侵蚀的水力学机理的研究论文（代表作3）被他人引用162次，为ESI前1%高被引论文。
土壤侵蚀领域著名专家澳大利亚堪培拉大学Peter Kinnell教授（论文h指数28）发表在Journal of Hydrology（Kinnell, 2020）的特邀综述论文中评价了该成果，认为本科学发现中所采取的研究方法有效地模拟了不同下垫面条件下的坡面细沟和细沟间侵蚀过程，区分了雨滴打击和地表径流对坡面侵蚀的相对贡献。该项目发表在Hydrological Process （Xiao et al., 2017）上关于土壤剥蚀速率对径流水力学参数响应的结果（代表作4）被西班牙瓦伦西亚大学Artemi Cerda教授（论文h指数72）课题组、国内土壤侵蚀领域著名专家西安理工大学李占斌教授课题组、中国科学院水利部水土保持研究所王占礼研究员课题组发表在Ecological Engineering（Parhizkar et al., 2021）、Earth Surface Proces
s and Landforms（Shen et al., 2020）、Soil & Tillage Rearch（Wu et al., 2019）、Catena（Wang et al., 2020）上的论文多次印证，并对该论文中“断面单位能量即过水断面势能和动能之和是预测坡面土壤剥蚀率的重要参数”的研究发现进行了积极地评价与引用。该项目出版的专著《黄土坡面土壤侵蚀过程与模拟》（代表作5）对黄土坡面细沟间侵蚀与细沟侵蚀发生发展过程、侵蚀搬运机制、影响因素及其防治进行了详细阐述，被他人引用185次。国内土壤侵蚀领域知名专家中国科学院地理科学与资源研究所蔡强国研究员课题组、中国科学院南京土壤研究所史学正研究员课题组、西北农林科技大学吴发启教授课题组等分别在应用基础与工程科学学报（盛贺伟, 2017）、水土保持学报（刘柳松, 2009）、农业工程学报（郑子成, 2009）发表论文，肯定并重点引用了本研究中对坡面侵蚀过程的一系列重要发现，如“细沟侵蚀主要有溯源侵蚀、沟底下切和沟壁扩张3种形式”、“在裸露休闲地被雨滴分散的土壤比薄层水流冲刷土壤数量大数十倍”、“黄土坡面细沟发育在降雨13 min内趋于稳定”等。
3）对科学发现3片蚀-细沟-沟蚀侵蚀方式演变过程的客观评价
作文结构
该项目出版的专著《水蚀过程与预报模型》（代表作6）以翔实的资料和鲜明的观点论述了溅蚀、细沟间侵蚀与细沟侵蚀、坡面汇流汇沙与细沟侵蚀和浅沟侵蚀过程、墚坡与沟坡系统侵蚀产沙过程与动力学机理、坡面汇流汇沙与坡面侵蚀方式演变，被他人引用88次。中国水利水电科学研究院王浩院士团队在水利学报（蔡静雅等, 2020）发表论文证实了本研究的发现，认为“沟壑侵蚀多年平均侵蚀量占
青菜炒鸡蛋年总侵蚀量的比例达49%”。国内水土保持领域著名专家福建农林大学黄炎和教授课题组在森林与环境学报（黄炎和等, 2015）的论文，充分肯定了本研究的发现“输砂率随着流速呈线性函数增加，说明随着流量和坡度的增大，坡面水流流速增大，挟沙能力增强，坡面侵蚀产沙量增大”。该学习通超星
项目发表在Agriculture, Ecosystems & Environment（Zheng et al., 2005）上有关黄土高原不同侵蚀方式演变的研究论文（代表作7）被中国科学院生态环境研究中心傅伯杰院士课题组发表在Journal of Hydrology（2007）、Progress in Physical Geography（2007）和Agriculture, Ecosystems and Environment（2018）上的论文和国内地理科学领域著名专家中国科学院地理科学与资源研究所刘纪远研究员课题组发表在Journal of Geographic Science（2013）上的论文多次引用，其中本研究提出的黄土高原土壤侵蚀方式演变过程和植被退化的关系被多次验证。沟蚀研究领域著名专家美国北卡莱罗纳州立大学Garey Fox教授（论文h指数28）在Environmental Management（2016）上发表的论文中肯定了本研究得出的“沟蚀演变不仅会加剧侵蚀产沙过程，也会改变养分流失过程”的研究结论。
4）对科学发现4不同水蚀方式的阻控途径的客观评价
该项目发表在Pedosphere（Zheng，2006）上有关黄土高原植被变化对土壤侵蚀影响的研究论文（代表作8）被他人引用294次，SCI他引175次。被中国科学院生态环境研究中心傅伯杰院士课题组发表在Water Resources Rearch（Zhang et al., 2019）、Hydrological Process（Wei et al., 2009）春娃娃
上的论文和国内土壤学著名专家中国科学院南京土壤研究所张甘霖研究员课题组发表在Soil & Tillage Rearch（Yang et al., 2009）上的论文引用，其中有关“植被破坏引起的森林和草地向耕地变化的过度加剧了土壤侵蚀量；且人类毁林开荒导致的侵蚀产沙量是自然侵蚀产沙量的数百倍；植被覆盖和土地利用变化对侵蚀方式演变有重要影响，且这种影响与降雨和土壤特性有关”的结论在相关研究结果印证。
五、代表性论文专著目录
>狮子女和摩羯男
