多時間尺度小流域侵蝕產(chǎn)沙對土地利用/覆被格局的變化響應(yīng)

梁 越，秦 偉，張 勤，丁 琳，許海超，石晨雨，安樂平

多時間尺度小流域侵蝕產(chǎn)沙對土地利用/覆被格局的變化響應(yīng)

梁 越1,2，秦 偉1,2※，張 勤1,2，丁 琳1,2，許海超1,2，石晨雨1,2，安樂平3

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048；2. 水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京 100048；3. 黃河水土保持天水治理監(jiān)督局，天水 741000）

為闡明多時間尺度小流域侵蝕產(chǎn)沙對土地利用/覆被格局的變化響應(yīng)機制，該研究基于呂二溝流域1982—2020年逐日降雨、水沙實測資料和土地利用/覆被數(shù)據(jù)，綜合運用K-均值聚類法、多元回歸分析等方法，從年際和年內(nèi)月際2個時間尺度對比分析了不同土地利用/覆被格局下的流域侵蝕產(chǎn)沙變化及其與泥沙連通性指數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明：1）1982—2020年間，呂二溝流域由耕地為主體向農(nóng)林草復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、泥沙連通性指數(shù)顯著下降，可將整個研究期劃分為1982—1985年、1986—1990年、1991—2000年和2001—2020年共4個階段，分別對應(yīng)土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。2）隨著以林草地增加為主的土地利用/覆被變化，流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙能力減弱。相較土地利用/覆被格局Ⅰ，土地利用/覆被格局Ⅳ的年均徑流深顯著降低；后期土地利用/覆被格局（Ⅲ和Ⅳ）下的汛期月產(chǎn)流產(chǎn)沙能力顯著小于前期（土地利用/覆被格局Ⅰ）。3）基于月降雨量、月最大日降雨量和月侵蝕性降雨日數(shù)3個降雨指標(biāo)，可將研究期內(nèi)的汛期月降雨劃分為4種類型：小雨量、弱侵蝕性的A型，中雨量、弱侵蝕性的B型，大雨量、中侵蝕性的C型，大雨量、強侵蝕性的D型；在大雨量中侵蝕性的C型降雨下，不同土地利用/覆被格局間的月際徑流深和產(chǎn)沙模數(shù)均不存在顯著差異（>0.05）。年際和月際尺度下，小流域產(chǎn)沙模數(shù)均與泥沙連通性指數(shù)呈指數(shù)遞增關(guān)系，但C雨型下的關(guān)系減弱。研究為干旱半干旱區(qū)流域土地利用/覆被格局優(yōu)化配置和功能提升提供科學(xué)依據(jù)。

土壤；侵蝕；泥沙；土地利用/覆被格局；小流域；連通性指數(shù)；降雨

0 引 言

流域是水文響應(yīng)和水土流失防治的基本單元[1-2]。以植被為主體的土地利用/覆被是影響流域侵蝕產(chǎn)沙強度與過程的重要因素，流域內(nèi)林草植被等土地利用斑塊的類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)及其分布格局等，都會改變下墊面條件、水文特性和水沙關(guān)系[3-4]，進而影響流域侵蝕產(chǎn)沙[5-7]。長期以來，學(xué)者們探索了流域侵蝕產(chǎn)沙對植被覆蓋數(shù)量變化的響應(yīng)與定量關(guān)系，但限于流域內(nèi)植被等地表覆被與地形對土壤侵蝕和泥沙產(chǎn)輸?shù)膹?fù)雜耦合影響，土地利用/覆被格局的流域侵蝕產(chǎn)沙影響機制與定量作用尚不明確。中國黃土高原、歐洲地中海等干旱半干旱地區(qū)普遍面臨著水土資源稀缺的客觀現(xiàn)狀與流域阻蝕減沙的現(xiàn)實需求，如何優(yōu)化配置流域內(nèi)的林草植被等土地利用格局，以便在相同水土資源消耗的約束下更大發(fā)揮其水土保持功能，成為生態(tài)、地理等學(xué)科領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。

植被等土地利用/覆被格局是一定空間范圍內(nèi)不同大小、形狀的若干景觀單元的排列與配置[6]。由于流域尺度地形地貌和土地利用結(jié)構(gòu)的空間分布復(fù)雜性，針對坡面尺度的土地利用/覆被格局定性描述方式很難適用。為此，學(xué)者們嘗試通過景觀格局指數(shù)（包括形狀、連接性、多樣性、邊界/斑塊密度等）來表征流域的植被等土地利用/覆被格局，并探索侵蝕產(chǎn)沙對其的變化響應(yīng)關(guān)系[8]?，F(xiàn)有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在黃河中游河龍區(qū)間的中大流域，土地利用斑塊的連結(jié)度、聚集度、豐富度、平均面積等可被視為影響流域侵蝕產(chǎn)沙的主導(dǎo)格局因子[9]；在中國北方風(fēng)水蝕交錯區(qū)的內(nèi)蒙古鄂爾多斯市典型中尺度流域的西柳溝，土地利用的最大斑塊指數(shù)（largest patch index）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon's diversity index）與流域侵蝕產(chǎn)沙呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而其蔓延度指數(shù)（contagion index）、聚集度指數(shù)（aggregation index）和斑塊結(jié)合度指數(shù)（Patch cohesion index）的增大則可發(fā)揮阻蝕減沙作用[10]。由于常規(guī)景觀指數(shù)立足生物過程，較少關(guān)注流域土壤侵蝕和水沙產(chǎn)輸過程，因此對流域侵蝕產(chǎn)沙過程與變化的解釋能力不足，限制了其在土地利用/覆被格局與流域侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系研究中的深化應(yīng)用。通過考慮植被等土地利用/覆被與地形疊置格局的流域侵蝕產(chǎn)沙過程耦合影響，學(xué)者們提出了泥沙連通性指數(shù)[11]、方向滲透性指數(shù)（directional leakiness index，DLI）[12]、景觀空間負荷對比指數(shù)（location weighted landscape contrast index，LCI）[13]、平均匯流路徑長度指數(shù)（mean flow length index，MFLI）[14]等主要面向侵蝕產(chǎn)沙影響研究的景觀格局表征指標(biāo)，并辨析了其與流域侵蝕產(chǎn)沙的協(xié)同關(guān)系。其中，泥沙連通性指數(shù)最為常見，并先后被進行了不同程度地改進，越來越多地用于評價不同空間尺度的侵蝕產(chǎn)沙時空變化，取得了良好效果[15-17]?？v觀已有報道，主要涉及基于侵蝕產(chǎn)沙模型模擬[15-16]和基于實測水沙統(tǒng)計分析[10,18]的2類研究。其中，模型模擬解決了多情景連續(xù)水沙觀測資料在許多地區(qū)難以獲取的問題，但卻限于所用模型在參數(shù)和算法上未充分考慮植被等土地利用/覆被與地形疊置格局的流域侵蝕產(chǎn)沙影響，加之缺乏景觀格局的有效表征等問題，依然不能明晰流域侵蝕產(chǎn)沙與土地利用/覆被格局的定量關(guān)系；統(tǒng)計分析則主要受制于缺乏流域侵蝕輸沙實測資料以及足夠的典型土地利用格局情景等挑戰(zhàn)，空間尺度上更多集中于設(shè)有水文測站的大中流域，尤其在水土流失嚴(yán)重且植被等土地利用/覆被格局變化劇烈的黃土高原地區(qū)，針對50 km2以下小流域的多時間尺度系統(tǒng)研究還較為缺乏。此外，以往研究在時間尺度上主要關(guān)注多年和年際變化，且多集中于某一時間尺度，而流域多時間尺度侵蝕產(chǎn)沙的變化及其對土地利用/覆被格局響應(yīng)規(guī)律的系統(tǒng)研究還鮮見報道。例如，基于黃河中游河口-龍門區(qū)間多個水文站控制流域的土地利用和徑流泥沙數(shù)據(jù)，學(xué)者們探討了流域多年平均水沙變量對土地利用/覆被變化的響應(yīng)及其時空格局[9,19]；在黃土高原中小流域，通過探索景觀指數(shù)與流域年尺度水沙變量的關(guān)系，研究闡明了下墊面景觀格局變化對流域年尺度侵蝕產(chǎn)沙的作用機理[10,20]；近年來，有學(xué)者深入分析了事件尺度水沙特性與泥沙連通性指數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)泥沙連通性指數(shù)是影響洪水事件水文過程的重要因素[18]。

針對上述背景，為探索多時間尺度下流域侵蝕產(chǎn)沙特征變化及其對土地利用/覆被格局的響應(yīng)機理，本研究選取黃土高原典型小流域甘肅省天水市呂二溝，基于流域1982—2020年逐日降雨、徑流、輸沙實測資料和多時相土地利用/覆被空間分布數(shù)據(jù)，采用泥沙連通性指數(shù)表征流域土地利用/覆被格局影響，從年際和年內(nèi)月際2個時間尺度，對比分析不同土地利用/覆被格局下的流域侵蝕產(chǎn)沙變化及其與泥沙連通性指數(shù)的關(guān)系，嘗試建立兩者的協(xié)同關(guān)系，從而闡明不同降雨條件下小流域侵蝕產(chǎn)沙對土地利用/覆被格局的變化響應(yīng)機制，以期為干旱半干旱地區(qū)的小流域景觀格局與水土保持措施優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呂二溝流域地處甘肅省天水市，是黃河最大一級支流渭河的二級支溝，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，介于105°41'～105°45'E，34°30'～34°35'N（圖1）。該流域呈南北流向，主溝道長5.8 km，總面積12.01 km2，流域形狀系數(shù)0.25，溝道平均比降7.24%，相對高差532 m。流域內(nèi)溝壑縱橫，溝壑密度達3.82 km/km2，溯源侵蝕較為嚴(yán)重。流域地處溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，多年平均氣溫在1 ℃左右，多年平均降水517 mm（1982—2020年），85%以上的降雨集中在6—9月，且多為暴雨。流域內(nèi)的土壤以黃土質(zhì)灰褐土為主。流域上游耕地較少、植被覆蓋較好，下游耕地分布較廣、植被覆蓋度低。主要農(nóng)作物有小麥（）、玉米（）、馬鈴薯（）等，林地多為刺槐（）、油松（）、沙棘（）等，草本植物主要包括白羊草（）、鐵桿蒿（）、冰草（）等。自1953年開始，開始實施水土保持重點工程，經(jīng)過幾十年治理，截至2020年，流域林草植被覆蓋提高至62%以上，耕地面積占比減少為36%，水土流失得到有效治理，形成以植被措施為主、溝道工程為輔的水土保持措施體系。同時，由于建設(shè)時間較久，多數(shù)溝道工程措施已在21世紀(jì)初失去直接攔沙能力，且自1980年之后流域總體上沒有新修建的淤地壩。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用黃河水利委員會天水水土保持科學(xué)試驗站定位觀測的呂二溝小流域1982—2020年逐日降雨、徑流和泥沙作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，降雨數(shù)據(jù)由流域內(nèi)外布設(shè)的5個雨量站實測取得，徑流和泥沙數(shù)據(jù)由流域溝口布設(shè)的水文站測定（圖1）。分析中使用的月尺度和年尺度降雨、徑流、輸沙數(shù)據(jù)，則是由日尺度數(shù)據(jù)逐月、逐年加和獲得。

為分析降雨和水沙特征，選用并計算如下特征指標(biāo)：

1）降雨特征指標(biāo)：降雨量（P，mm）；侵蝕性降雨量（12，mm），即日降雨量不小于12 mm的降雨量總和；侵蝕性降雨日數(shù)（12），即日降雨量不小于12 mm的天數(shù)[21]；年/月最大日降雨量（，mm），即當(dāng)年/月最大的日降雨量。以上降雨指標(biāo)均針對年、月尺度，基于逐日降雨資料統(tǒng)計計算確定。

2）水沙特征指標(biāo)：徑流深（，mm），即流域單位面積的徑流量；徑流系數(shù)（R，%），即單位降雨量的流域徑流深，反映流域降雨產(chǎn)流能力；產(chǎn)沙模數(shù)（SY，t/km2），即流域單位面積的產(chǎn)沙量；產(chǎn)沙系數(shù)（C，t/(km2·mm)），即單位降雨量的流域產(chǎn)沙模數(shù)，表征流域降雨產(chǎn)沙能力[19,22]。

本研究根據(jù)呂二溝流域不同年份（1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年）的土地利用類型，分析流域土地利用時空變化。土地利用類型分布數(shù)據(jù)采用地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)（https://data.casearth.cn/）提供的1980—2020全球30 m地表覆蓋精細分類產(chǎn)品V1.0。數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）是由5 m間距等高線的1∶1萬數(shù)字地形圖通過ArcGIS的3D分析功能生成。

2.2 研究方法

2.2.1 泥沙連通性指數(shù)計算

將地貌單元的水沙輸移分解為上方水沙向其匯集和該單元向最近沉積區(qū)輸移2個過程，利用坡度、植被蓋度因子、上坡匯流面積、下坡匯流長度等因子計算上述2個過程的輸出概率，提出了連通性指數(shù)（I）[11]。I集中反映了流域內(nèi)地形與土地利用/覆被的疊置格局對侵蝕產(chǎn)沙過程的耦合影響。相較流域內(nèi)土地利用/覆被斑塊連接性、多樣性、密度、形狀等常規(guī)景觀格局指數(shù)，I對一定地形和下墊面條件下流域潛在水沙輸移能力的表征作用更佳[8]。

I采用BORSELLI等[11]提出的算法計算：

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

第一步，根據(jù)不同年份（1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年）的土地利用類型組成與分布，分析流域土地利用變化過程，選取典型土地利用/覆被格局情景。

第二步，采用M-K趨勢檢驗法探明年降雨、徑流和輸沙的變化趨勢，分析流域年、月尺度的降雨、徑流和輸沙變化，并以月降雨量、最大日降雨量、侵蝕性降雨日數(shù)為特征指標(biāo)，采用K-均值聚類法劃分月降雨類型。

第三步，在ArcGIS軟件中，基于流域DEM提取坡度、上方匯流面積、下坡匯流長度等地形指標(biāo)，并結(jié)合不同時期土地利用，采用空間分析模塊計算獲得流域I分布，并通過配對樣本檢驗分析不同時期流域I的變化差異。

第四步，通過單因素方差分析和Tukey檢驗，評價不同典型土地利用/覆被格局下的徑流深（，mm）、徑流系數(shù)（R，%）、產(chǎn)沙模數(shù)（SY，t/km2）和產(chǎn)沙系數(shù)（C，t/(km2·mm)）等徑流、輸沙特征指標(biāo)的變化差異，并采用多元回歸分析建立年、月尺度下徑流輸沙特征指標(biāo)與降雨特征指標(biāo)、I的協(xié)同關(guān)系。所有統(tǒng)計分析均通過SPSS完成，并利用R繪制統(tǒng)計分析圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土地利用/覆被及其泥沙連通性變化

3.1.1 流域土地利用/覆被變化過程

由圖2和表1可知，1985—2020年間，呂二溝流域土地利用組成與分布發(fā)生了較大變化，其中尤以2000年以前變化最為明顯。1985年時，耕地是流域內(nèi)分布最廣的土地利用類型，面積占比達71.2%，且分布較為集中，而林地和草地分布較少，主要散布于流域上游海拔較高的梁峁地帶；1990年之后，由于開展了20 世紀(jì)80年代中期啟動的水土流失綜合治理以及20 世紀(jì)90年代末期啟動的退耕還林/草工程，流域內(nèi)的林草植被逐漸增加，耕地大幅減少，到2000年時，流域內(nèi)的耕地占比降至40.4%，林地占比則由1985年的23.1%增至36.7%，主要分布于流域中上游，草地占比則由1985年的4.90%增至21.9%，并在整個流域呈破碎化散步。2000年之后，林草仍有小幅增加，但各類土地利用均總體較為穩(wěn)定。整個過程中，建設(shè)用地略有增加，但面積占比始終很?。?.8%～1.70%），且主要分布于流域下游的溝道附近。

總體來講，20世紀(jì)80年代中期至今，呂二溝流域的土地利用結(jié)構(gòu)從耕地為主體向農(nóng)林草復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，2000年以前土地利用變化劇烈，2000年后基本趨于平穩(wěn)。為此，將整個具有水沙觀測資料的研究期劃分為1982—1985年、1986—1990年、1991—2000年和2001—2020年4個階段，并將各階段對應(yīng)的土地利用/覆被情景分別命名為“土地利用/覆被格局Ⅰ”、“土地利用/覆被格局Ⅱ”、“土地利用/覆被格局Ⅲ”和“土地利用/覆被格局Ⅳ”。

3.1.2 流域泥沙連通性變化過程

I主要反映地形和土地利用/覆被共同決定的流域泥沙產(chǎn)輸能力。伴隨土地利用/覆被變化，近40年來，呂二溝流域不同特征年份的I總體呈下降趨勢（圖3和圖4）；根據(jù)方差分析結(jié)果，1985—2005年間，受耕地減少、林草地增加的土地利用/覆被變化驅(qū)動，流域I隨時段推進顯著降低（<0.05），尤其是流域中下游的I迅速減小，整個流域的平均I從1985年的-2.58降至2005年的-2.97；2005年之后，由于土地利用/覆被變化較小，因此流域I也基本趨于穩(wěn)定，隨時段推進流域I并無顯著性變化（>0.05）。

圖2 呂二溝流域土地利用分布的時間演化

表1 1985—2020年呂二溝流域土地利用類型面積的時間變化

注：不同字母表示不同年份均值之間存在顯著性差異（P<0.05）。

圖4 1985—2020年呂二溝流域不同年份的泥沙連通性指數(shù)（IC）分布

3.2 年尺度流域降雨和水沙變化及其對土地利用/覆被格局的響應(yīng)特征

3.2.1 流域年尺度降雨和水沙變化

呂二溝流域1982—2020年的年際降雨和水沙特征指標(biāo)的統(tǒng)計結(jié)果表明（圖5），平均年降雨量和年侵蝕性降雨量分別為581.9和317.9 mm；最小年降雨量和最小年侵蝕性降雨量分別為361.8和139.2 mm，均發(fā)生在1996年；最大年降雨量和最大年侵蝕性降雨量分別為950.1和610.1 mm，均發(fā)生在2003年；年降雨超過800 mm 和年侵蝕性降雨超過500 mm的年份，均只有2 a，占整個統(tǒng)計序列總年數(shù)的5%。

圖5 1982—2020年呂二溝流域降雨量、水沙變量和泥沙連通性指數(shù)

由圖5可知，流域各年徑流深介于1.1～135.3 mm，平均值為23.7 mm；年徑流深超過平均值（23.7 mm）和100 mm 的年份分別有14和2 a，相應(yīng)占整個統(tǒng)計序列總年數(shù)的36%和5%；年徑流深小于10 mm 的年份共有18 a，占整個統(tǒng)計序列總年數(shù)的46%。各年徑流系數(shù)介于0.24%～16.87%，平均為3.44%，徑流系數(shù)大于5%的年份僅有5 a，占整個統(tǒng)計序列總年數(shù)的13%。

流域各年產(chǎn)沙模數(shù)的最小值和最大值分別為14.6 和11 230.8 t/km2，年產(chǎn)沙模數(shù)超過5 000 t/km2（強度侵蝕及以上）[24]的年份有4 a，占整個統(tǒng)計序列總年數(shù)的10.3%，對應(yīng)4 a的總降雨量、總徑流深和總產(chǎn)沙模數(shù)，分別占1982—2020年流域降雨、徑流和產(chǎn)沙總量的14.3%、39.8%和44.4%。各年產(chǎn)沙系數(shù)介于0.03～14.00 t/(km2·mm)，平均值為2.46 t/(km2·mm)，產(chǎn)沙系數(shù)大于5 t/(km2·mm)的年份僅有8 a，占整個統(tǒng)計序列總年數(shù)的21%。

流域年徑流深、徑流系數(shù)、產(chǎn)沙模數(shù)和產(chǎn)沙系數(shù)的最大值均發(fā)生在1984年，而最小值均發(fā)生在2015年，整個研究期內(nèi)的變異系數(shù)分別達1.3、1.1、1.4和1.3，均遠大于年降雨量（0.2）和年侵蝕性降雨量（0.3）的變異系數(shù)，表明流域年際水沙的變化波動程度強于降雨，也一定程度上反映出除氣候外的其他因素（如土地利用/覆被格局等）對研究期內(nèi)流域水沙變化的影響。

3.2.2 流域年尺度水沙對土地利用/覆被格局的響應(yīng)

呂二溝流域的年均徑流深和徑流系數(shù)均隨土地利用/覆被變化而不斷減小，且相互間存在顯著差異（<0.05）（圖6）。呂二溝流域在土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時的年均徑流深和徑流系數(shù)分別為68.5、38.4、10.8、17.5 mm和9.2%、5.8%、2.0%、2.4%。相較1982—1985年的土地利用/覆被格局Ⅰ，在1986—2020年間的土地利用/覆被格局Ⅲ和Ⅳ下，流域年均徑流深分別降低84.2%和74.5%，年均徑流系數(shù)分別降低78.1%和73.9%，而土地利用/覆被格局Ⅰ和Ⅱ下徑流深和徑流系數(shù)之間并無顯著性差異（>0.05）（圖6）。

呂二溝流域在土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ下的年均產(chǎn)沙模數(shù)分別為4 448.8、2 233.2、819.4和1 421.0 t/km2，年際產(chǎn)沙系數(shù)分別為5.9、3.4、1.7和1.9 t/(km2·mm)，相較1982—1985年的土地利用/覆被格局Ⅰ，在1986—2020年間的土地利用/覆被格局Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ下，流域年產(chǎn)沙模數(shù)分別降低49.8%、81.6%和68.1%，年均產(chǎn)沙系數(shù)分別降低41.4%、71.6%和66.8%，但不同土地利用/覆被格局之間并無顯著性差異（>0.05）。

注：“Ⅰ”、“Ⅱ”、“Ⅲ”、“Ⅳ”分別指的是1982—1985年的“土地利用/覆被格局”、1986—1990年的“土地利用/覆被格局Ⅱ”、1991—2000年的“土地利用/覆被格局Ⅲ”、2001—2020年的“土地利用/覆被格局Ⅳ”；圖中不同字母代表不同土地利用/覆被格局之間存在顯著差異性（P<0.05）。

3.2.3 流域年尺度輸沙與連通性指數(shù)的關(guān)系

呂二溝流域年際產(chǎn)沙模數(shù)和降雨指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果表明（表2），大多數(shù)降雨指標(biāo)均與年產(chǎn)沙模數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，其中相關(guān)性最好的單項降雨指標(biāo)是年降雨量（P），且復(fù)合降雨指標(biāo)與年產(chǎn)沙模數(shù)的相關(guān)性與年降雨量類似。

因此，通過非線性回歸建立呂二溝流域年際產(chǎn)沙模數(shù)與年降雨量的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)年際產(chǎn)沙模數(shù)與年降雨量的冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)方程的2分別為0.67和0.69。

鑒于流域水沙對土地利用/覆被格局存在明顯的變化響應(yīng)，且受降雨影響，故采用I表征流域土地利用/覆被格局變化，并結(jié)合降雨指標(biāo)，構(gòu)建流域產(chǎn)沙與I和降雨的協(xié)同關(guān)系。選取與年輸沙關(guān)系最緊密的年降雨量，通過非線性回歸建立呂二溝流域年際產(chǎn)沙模數(shù)（SY）與I、年降雨量的綜合定量關(guān)系：

表2 年產(chǎn)沙模數(shù)和降雨指標(biāo)的Pearson相關(guān)分析

注：*、**和***分別代表通過了0.05、0.01和0.001水平的顯著性檢驗；12為年侵蝕性降雨量，P為年最大日降雨量。

Note:*,**and***represent significant level at<0.05,<0.01 and<0.001;12means annual erosive rainfall amount，Pmeans annual largest daily rainfall amount.

由式（4）可以看出，小流域年際產(chǎn)沙強度分別隨年降雨量和泥沙連通性指數(shù)呈冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)遞增關(guān)系，綜合定量關(guān)系的2達0.88，表明年降雨量和泥沙連通性指數(shù)可共同解釋88%的年際產(chǎn)沙模數(shù)變化。式（4）的2遠大于呂二溝流域年際產(chǎn)沙模數(shù)與年降雨量定量關(guān)系的2，這表明引入泥沙連通性指數(shù)確實可以有效提高對流域年產(chǎn)沙的解釋力。

將呂二溝流域從土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ時期的年均降雨量和土地利用/覆被格局Ⅳ的平均泥沙連通性指數(shù)（I）代入式（4）中計算，與實際年產(chǎn)沙模數(shù)比較，結(jié)果表明，在假設(shè)年降雨量不變的條件下，呂二溝流域從土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轉(zhuǎn)變到土地利用/覆被格局Ⅳ，流域的產(chǎn)沙模數(shù)將分別減少70.2%、59.7%和64.8%。

3.3 月尺度流域降雨和水沙變化及其對土地利用/覆被格局的響應(yīng)特征

3.3.1 流域月尺度降雨和水沙變化

統(tǒng)計分析表明，流域多年平均的汛期月降雨量和月侵蝕性降雨量分別介于8.3～296.8和0～260.9 mm，平均值為82.6和51.8 mm，最大值均發(fā)生在2020年8月，變異系數(shù)分別達0.6和0.9，均大于年際降雨變異。流域多年平均的汛期月徑流深和月徑流系數(shù)分別介于0～41.3 mm 和0～35.54%，最大值均發(fā)生在2003年10月，平均值為4.5 mm和4.05%。汛期月產(chǎn)沙模數(shù)和月產(chǎn)沙系數(shù)分別介于0～3 802.5 t/km2和0～29.69 t/(km2·mm)，最大值均發(fā)生在2007年8月，平均值為313.3 t/km2和2.41 t/(km2·mm)?？傮w上，流域汛期月尺度的水沙特征指標(biāo)變異程度強于年尺度，且水沙特征指標(biāo)變異程度強于降雨指標(biāo)，產(chǎn)沙特征指標(biāo)變異程度強于產(chǎn)流，同時汛期的月際降雨、徑流和產(chǎn)沙最大值分別出現(xiàn)在不同時期，反映出由于下墊面等其他因素影響，而導(dǎo)致的年內(nèi)月際降雨與水沙異步變化。

3.3.2 月尺度降雨類型

采用K-均值聚類法，根據(jù)月降雨量、月最大日降雨量和月侵蝕性降雨日數(shù)將研究期內(nèi)156個汛期月劃分為4種降雨類型（表3）。其中，A型降雨呈小雨量、弱侵蝕性，B型降雨呈中雨量、弱侵蝕性，C型降雨呈大雨量、中侵蝕性，D型降雨呈大雨量、強侵蝕性，不同雨型的月降雨量、月最大日降雨量和月侵蝕性降雨日數(shù)均表現(xiàn)為A型

表3 不同汛期（7—10月）月降雨類型的統(tǒng)計特征

3.3.3 流域月尺度水沙對土地利用/覆被格局的響應(yīng)

不同土地利用/覆被格局下，呂二溝流域汛期的月際徑流深和徑流系數(shù)變化與年際尺度類似，土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ所對應(yīng)的流域汛期月均徑流深分別為11.7、5.9、1.8和4.0 mm、月均徑流系數(shù)分別為11.9、6.4、1.9、3.0%，土地利用/覆被格局Ⅰ的汛期月均徑流深和徑流系數(shù)分別是土地利用/覆被格局Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的2.0、6.3、2.9倍和1.9、6.3、4.0倍，均顯著大于之后的3種土地利用/覆被格局（<0.05）（圖7）。

流域在土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ下的汛期月均產(chǎn)沙模數(shù)分別為713.4、377.4、112.0和317.9 t/km2。排除降水差異影響后，流域在土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ下的汛期月均產(chǎn)沙系數(shù)分別為6.4、3.2、1.0和2.2 t/(km2·mm)，最初土地利用/覆被格局Ⅰ所對應(yīng)的產(chǎn)沙系數(shù)顯著大于后期3種土地利用/覆被格局（<0.05）。

圖7 呂二溝流域不同土地利用/覆被格局下的汛期月際水沙特征指標(biāo)變化

3.3.4 流域月尺度水沙對降雨類型和土地利用/覆被格局的響應(yīng)

A和B 2種月降雨類型下，呂二溝流域在土地利用/覆被格局Ⅰ時的汛期月均徑流深分別為5.4 和9.1 mm，均顯著高于土地利用/覆被格局Ⅲ和Ⅳ（<0.05），分別達9.2～21.9和6.6～7.7倍；月均徑流系數(shù)分別為12.7%和9.8%，顯著高于其他3種土地利用/覆被植被格局（<0.05），分別達4.3～30.5和1.2～6.2倍（圖8）。A和B 2種月降雨類型下，流域在土地利用/覆被格局Ⅰ時的月均產(chǎn)沙模數(shù)分別為75.0和650.4 t/km2，顯著高于其他3種土地利用/覆被植被格局（<0.05），分別達3.1～6.7和2.7～13.0倍；B型降雨下，流域月均產(chǎn)沙系數(shù)為6.2 t/(km2·mm)，顯著高于土地利用/覆被植被格局Ⅲ和Ⅳ（<0.05），達5.4～17.8倍。

圖8還表明，在C型降雨下，伴隨月降雨量、月最大日降雨量和月侵蝕性降雨日數(shù)的增大，不同土地利用/覆被格局間的徑流、輸沙特征指標(biāo)大小關(guān)系有所變化。具體而言，當(dāng)處于土地利用/覆被格局Ⅰ時，流域月均徑流深和月均徑流系數(shù)分別達到18.4 mm和13.4%，流域月均產(chǎn)沙模數(shù)和月均產(chǎn)沙系數(shù)分別達1 201.8 t/km2和9.0 t/(km2·mm)，單因素方差分析的結(jié)果表明，C型月降雨類型下，呂二溝流域在不同土地利用/覆被格局下的汛期月均徑流深（=0.131）和月均產(chǎn)沙模數(shù)（=0.439）之間均不存在顯著性差異。

以上結(jié)果反映出，土地利用覆被/格局對流域年內(nèi)水沙的調(diào)控作用大小受月降雨狀況影響，在雨量大、侵蝕性強的降雨月份，流域土地利用/覆被格局的水沙影響將會減弱。

3.3.5 流域月尺度輸沙與連通性指數(shù)的關(guān)系

呂二溝流域汛期月產(chǎn)沙模數(shù)和降雨指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果表明（表4），大多數(shù)月尺度降雨指標(biāo)均與年產(chǎn)沙模數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，其中相關(guān)系數(shù)較大的單項降雨指標(biāo)是月最大日降雨量（P）和月降雨量（P），相關(guān)系數(shù)較大的復(fù)合降雨指標(biāo)是PP。

因此，通過非線性回歸分析，分別嘗試建立呂二溝流域汛期月際產(chǎn)沙模數(shù)（SY）與P、P和PP等月降雨指標(biāo)的綜合定量關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)汛期月際產(chǎn)沙模數(shù)（SY）與P、P和PP月降雨指標(biāo)的定量方程2分別為0.36、0.38和0.34，而汛期SY與P和P雙指標(biāo)的多元回歸方程2為0.34。

現(xiàn)流域汛期月際產(chǎn)沙模數(shù)與月降雨指標(biāo)定量關(guān)系并不理想，且由于流域土地利用/覆被格局對流域的影響，因此優(yōu)選與小流域月尺度產(chǎn)沙模數(shù)關(guān)系較高的降雨變量P、P和PP，構(gòu)建了小流域汛期月尺度產(chǎn)沙模數(shù)（SY）與月降雨指標(biāo)和I的多元函數(shù)關(guān)系，結(jié)果表明，小流域汛期月尺度產(chǎn)沙模數(shù)（SY）與月最大日降雨量（P）、月降雨量（P）及泥沙連通性指數(shù)（I）的多元函數(shù)關(guān)系效果最佳：

與式（5）相比，小流域汛期月尺度產(chǎn)沙模數(shù)（SY）與P和I、P和I、PP和I的多元定量關(guān)系的2分別為0.54、0.47和0.59，效果相對較差。由式（5）可以看出，小流域月尺度產(chǎn)沙與月最大日降雨量和月降雨量存在冪函數(shù)遞增關(guān)系，與I呈良好指數(shù)遞增關(guān)系。

前述分析可知，呂二溝小流域汛期月際產(chǎn)沙模數(shù)與土地利用/覆被格局的關(guān)系受制于降雨類型，因此針對不同雨型，采用非線性回歸分析，分別構(gòu)建了流域汛期月際產(chǎn)沙模數(shù)（SY）與月最大日降雨量（）、月降雨量（P）和泥沙連通性指數(shù)（I）的綜合定量關(guān)系。

如式（6）～式（8）所示，對于A型和B型降雨，流域汛期月際產(chǎn)沙模數(shù)與月最大日降雨量、月降雨量及泥沙連通性指數(shù)的關(guān)系良好，2較高，而在C型降雨時，關(guān)系并不理想，2僅0.45；此外，C型降雨下I的系數(shù)（3.95）也遠小于A型（6.29）和B型降雨（9.15），表明C型降雨下汛期月際產(chǎn)沙對I變化的響應(yīng)程度小于A型和B型降雨。

以上結(jié)果說明，I能較好反映土地利用/覆被格局的小流域侵蝕產(chǎn)沙影響，可用于定量評估不同土地利用/覆被格局下的小流域侵蝕產(chǎn)沙變化。伴隨I增大，小流域年際和年內(nèi)月際產(chǎn)沙均呈指數(shù)遞增，但其緊密和響應(yīng)程度受降雨影響。尤其在年內(nèi)月尺度，不同雨型下，月產(chǎn)沙強度與降雨、I的關(guān)系差異較大，隨著月降雨量及其侵蝕性增大，泥沙連通性指數(shù)與月際產(chǎn)沙模數(shù)間的定量關(guān)系減弱，土地利用/覆被格局的侵蝕產(chǎn)沙影響降低。

4 討 論

由于流域地形地貌在短期內(nèi)相對穩(wěn)定，且呂二溝流域過去40余年溝道治理措施實施相對較少，因此流域下墊面條件的改變基本由林草植被增加為主的土地利用/覆被變化所致。具體而言，20世紀(jì)80年代初期，呂二溝流域的土地利用以耕地為主體，伴隨20世紀(jì)80年代中期開始實施植物措施為主的水土流失綜合治理，林草地面積快速增加，土地利用/覆被格局發(fā)生劇烈變化，直至2000年之后逐漸趨于穩(wěn)定，整個變化過程中，尤以坡耕地分布較廣的流域中、下游變化最為明顯（圖2）。流域中、下游的植被增加不僅通過冠層攔截降雨，削減降雨動能以及根系促進入滲和提高抗蝕性等方式減少了其覆蓋區(qū)域的水土流失，還會由于減少地表產(chǎn)流、增加徑流阻力、攔截過濾泥沙等功能，從而阻斷上坡匯流輸移路徑、阻控下方匯流沖刷，發(fā)揮了減少非覆蓋區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙的異地水土保持作用[7,25-27]。此外，流域中少量的包括淤地壩在內(nèi)的溝道治理措施也發(fā)揮了攔截徑流泥沙，并減弱下游溝道侵蝕的作用[3-4,28]。通過上述過程，最終改變整個流域的泥沙連通性，影響流域在降雨過程中的侵蝕產(chǎn)沙。

本研究從年際和年內(nèi)月際2個時間尺度對比分析了不同土地利用/覆被格局下的流域侵蝕產(chǎn)沙變化，闡明了小流域侵蝕產(chǎn)沙對土地利用/覆被格局的變化響應(yīng)機制。就日尺度水沙來講，由于日尺度水沙的變異性較強，數(shù)據(jù)量巨大，系統(tǒng)的分析較為復(fù)雜繁瑣。因此，從不同土地利用/覆被格局（“土地利用/覆被格局Ⅰ”、“土地利用/覆被格局Ⅱ”、“土地利用/覆被格局Ⅲ”、“土地利用/覆被格局Ⅳ”）中分別選擇一個典型年份，對其日尺度輸沙率的變化做了初步的分析。呂二溝小流域日尺度輸沙率有很多是0，表明每年中有很長時間沒有徑流輸沙（圖9）；隨著以林地、草地增加為主的土地利用/覆被變化，小流域日尺度輸沙率不斷下降，變異性降低，1995年和2010年流域的日尺度輸沙率顯著小于1985年和1990年（<0.05）。流域日尺度輸沙率變化的結(jié)果表明，雖然流域侵蝕產(chǎn)沙的變化特征會隨時間尺度的改變而發(fā)生變化，呈現(xiàn)出一定的時間尺度效應(yīng)，但以林草地增加為主的土地利用/覆被變化的減沙效應(yīng)是基本一致的。

圖9 呂二溝流域不同年份的日輸沙率變化

流域林草植被等土地利用/覆被格局對徑流、輸沙的影響，很大程度受制于降雨條件[28]。一方面可能由于當(dāng)降雨量或降雨強度超過一定閾值時，產(chǎn)流急劇增加，徑流的水蝕能量與功率將超出植被等地表覆被的滯緩和攔截能力，從而導(dǎo)致明顯不同于常態(tài)降雨條件下的侵蝕產(chǎn)沙結(jié)果[7]；另一方面，在極端強降雨事件中，流域內(nèi)的老式梯田，退耕草地等常態(tài)降雨事件中充當(dāng)泥沙“匯”的部分土地利用斑塊，將可能因遭受洪水徑流的強烈沖刷而轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗌场霸础盵29-30]。此外，大量坡面徑流匯集進入溝緣線以下的溝坡、溝道后，將加劇溝谷重力侵蝕，形成大量泥沙物源，并將原本在溝道內(nèi)的沉積泥沙帶出流域出口，形成沖刷作用極強的高含沙水流，從而導(dǎo)致產(chǎn)沙峰值[31]，因此，即使在流域植被覆蓋條件較好的情況下，強降雨也會導(dǎo)致較大的侵蝕產(chǎn)沙量，土地利用/覆被格局對侵蝕產(chǎn)沙的調(diào)控作用降低。本研究中，在小雨量的A型降雨和中雨量的B型降雨下，呂二溝流域在土地利用/覆被格局Ⅲ和Ⅳ時的汛期月均徑流深和產(chǎn)沙模數(shù)均顯著小于土地利用/覆被植被格局Ⅰ（<0.05）；但由于強降雨的影響，在大雨量的C型降雨時土地利用/覆被格局的侵蝕產(chǎn)沙影響減弱，不同格局情景間的月際徑流深和產(chǎn)沙模數(shù)均未見顯著差異（圖8），并導(dǎo)致泥沙連通性指數(shù)與月際產(chǎn)沙模數(shù)的關(guān)系不再緊密（式（8））。因此，隨著降雨增大、增強，小流域土地利用/覆被格局的侵蝕產(chǎn)沙影響減弱，有關(guān)其作用變化的閾值降雨，以及極端暴雨事件下的小流域水土保持措施功能特征與優(yōu)化配置還需持續(xù)關(guān)注。

降雨條件除了改變侵蝕產(chǎn)沙量之外，還會對含沙量產(chǎn)生一定的影響。由以往研究結(jié)果可知，降雨強度和降雨歷時是流域事件尺度水沙變量的主要影響因素[32-34]，而降雨強度則與次含沙量的相關(guān)性最為顯著[28,33]。因此，相比普通的降雨事件，暴雨事件除了誘發(fā)侵蝕產(chǎn)沙峰值[29]之外，也可能會導(dǎo)致較高的次洪水事件含沙量。在1982 —1985年（“土地利用/覆被格局Ⅰ”），整個時期內(nèi)沒有出現(xiàn)日降雨量大于50 mm的暴雨日，而在1986—1990年（“土地利用/覆被格局Ⅱ”）和1991—2000年（“土地利用/覆被格局Ⅲ”），暴雨日分別發(fā)生了2次和1次，而在2001—2020年（“土地利用/覆被格局Ⅳ”），暴雨日的發(fā)生次數(shù)在11次以上?？傮w而言，隨著時段的推進，暴雨日數(shù)不斷增大，因此呂二溝流域后期次洪水事件的含沙量不斷上升；此外，由于流域中少量的溝道治理措施在研究期的前期（1982—2000年）尚能發(fā)揮攔截徑流泥沙，降低徑流含沙量的作用[4]；而到了研究期后期（2001 —2020年）溝道工程措施由于失去直接攔沙能力，且自1980年之后流域沒有新修建的淤地壩，因此導(dǎo)致了較高的汛期月平均含沙量和年含沙量，也出現(xiàn)了后期相比前期減沙效益弱于減水效益的現(xiàn)象。

泥沙連通性指數(shù)（I）一定程度上反映了流域內(nèi)地形與土地利用/覆被空間分異及綜合影響，相較單純考慮土地利用/覆被斑塊大小、形狀和位置關(guān)系的連接性、多樣性等常規(guī)景觀格局指數(shù)，與流域侵蝕產(chǎn)沙間具有更加緊密的協(xié)同關(guān)系[8,35-37]。近年來，學(xué)者們利用泥沙連通指標(biāo)分析流域水沙對土地利用/覆被格局的變化響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)兩者間存在良好的正向協(xié)同，并建立了不同的定量關(guān)系[18,37-38]，這在本研究的結(jié)果中也再次得到印證。本研究探討了不同土地利用/覆被格局下的流域徑流、輸沙變化，并建立了年、月尺度的流域產(chǎn)沙模數(shù)與泥沙連通性指數(shù)、降雨量間的定量協(xié)同關(guān)系。然而，受制于小流域土地利用/覆被變化的復(fù)雜性，尚不能精準(zhǔn)區(qū)分土地利用/覆被變化類型、數(shù)量、分布以及植被覆蓋程度等不同因素對流域侵蝕產(chǎn)沙變化的定量貢獻。在未來可結(jié)合模型模擬和GIS空間分析等方法，通過設(shè)計固定覆蓋比例和植被類型的典型植被格局，更加全面揭示流域植被格局對泥沙連通性和侵蝕產(chǎn)沙的影響機制和定量關(guān)系，為干旱半干旱地區(qū)小流域水土保持措施優(yōu)化配置和功能提升提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié) 論

本研究分析了呂二溝流域1982—2020年多時間尺度下流域侵蝕產(chǎn)沙特征變化，并探討其對土地利用/覆被格局的響應(yīng)機理。結(jié)論如下：

1）20世紀(jì)80年代中期至今，呂二溝流域由耕地為主體向農(nóng)林草復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，流域平均連通性指數(shù)（I）總體顯著下降，不同時期的流域I之間存在顯著性差異（<0.05）。根據(jù)流域土地利用/覆被格局的變化情況，將整個研究期劃分為“土地利用/覆被格局Ⅰ”（1982—1985年）、“土地利用/覆被格局Ⅱ”（1986—1990年）、“土地利用/覆被格局Ⅲ”（1991—2000年）和“土地利用/覆被格局Ⅳ”（2001—2020年）4種土地利用/覆被格局情景。

2）近40年來，隨著以林地、草地增加為主的土地利用/覆被變化，流域年產(chǎn)流、產(chǎn)沙能力減弱。呂二溝流域在土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時的年均徑流深和徑流系數(shù)分別為68.5、38.4、10.8、17.5 mm和9.2%、5.8%、2.0%、2.4%；呂二溝流域在土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年均產(chǎn)沙模數(shù)和產(chǎn)沙系數(shù)分別為4 448.8、2 233.2、819.4、1 421.0 t/km2和5.9、3.4、1.7、1.9 t/(km2·mm)，但相互并無顯著差異。

3）研究期內(nèi)156個汛期月可劃分為4種降雨類型。其中，A型降雨呈小雨量、弱侵蝕性，B型降雨呈中雨量、弱侵蝕性，C型降雨呈大雨量、中侵蝕性，D型降雨呈大雨量、強侵蝕性。呂二溝流域土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所對應(yīng)的汛期月際徑流深和產(chǎn)沙模數(shù)分別為11.7、5.9、1.8、4.0 mm和713.4、377.4、112.0、317.9 t/km2，且土地利用/覆被格局Ⅲ和Ⅳ均顯著小于土地利用/覆被格局Ⅰ（<0.05），但C型降雨下的不同時期月產(chǎn)沙模數(shù)和產(chǎn)沙系數(shù)間差異均不顯著，表明隨降雨增大，流域土地利用/覆被格局的侵蝕產(chǎn)沙影響明顯減弱。

4）建立了年際和年內(nèi)汛期月際流域產(chǎn)沙模數(shù)與降雨指標(biāo)、I的綜合定量關(guān)系。小流域產(chǎn)沙隨雨量增多呈冪函數(shù)增長，而隨I增大呈指數(shù)遞增，且響應(yīng)程度受降雨影響。尤其對于C型降雨，流域月產(chǎn)沙模數(shù)與I關(guān)系減弱，表明流域產(chǎn)沙對土地利用/覆被格局變化的響應(yīng)程度降低。

[1] 傅伯杰，徐延達，呂一河. 景觀格局與水土流失的尺度特征與耦合方法[J]. 地球科學(xué)進展，2010，25(7)：673-681. Fu Bojie, Xu Yanda, Lv Yihe. Scale characteristics and coupled research of landscape pattern and soil and water loss[J]. Advances in Earth Science, 2010, 25(7): 673-681. (in Chinese with English abstract)

[2] 魏艷紅，焦菊英. 黃土丘陵溝壑區(qū)不同土地利用方式下小流域侵蝕產(chǎn)沙特征[J]. 水土保持學(xué)報，2021，35(3)：96-103. Wei Yanhong, Jiao Juying. Characteristics of erosion and sediment yield in small watersheds under different land use patterns in hilly and gully region of the Loess Plateau in China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2021, 35(3): 96-103. (in Chinese with English abstract)

[3] 晏清洪，原翠萍，雷廷武，等. 降水和水土保持對黃土區(qū)流域水沙關(guān)系的影響[J]. 中國水土保持科學(xué)，2013，11(4)：9-16. Yan Qinghong, Yuan Cuiping, Lei Tingwu, et al. Effects of precipitation and erosion control practices on the rainfall-runoff-sediment delivery relationships of typical watersheds in the hilly-gully region on the Loess Plateau[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2013, 11(4): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[4] 原翠萍，雷廷武，張滿良，等. 黃土丘陵溝壑區(qū)小流域治理對侵蝕產(chǎn)沙特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(3)：36-43. Yuan Cuiping, Lei Tingwu, Zhang Manliang, et al. Sediment yields from the parallel watersheds in the hilly-gully regions of loess plateau[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(3): 36-43. (in Chinese with English abstract)

[5] 許炯心. 無定河流域侵蝕產(chǎn)沙過程對水土保持措施的響應(yīng)[J]. 地理學(xué)報，2004，59(6)：972-981. Xu Jiongxin. Response of erosion and sediment producing processes to soil and water conservation measure in the Wuding River Basin[J]. Acta Geographica Sinica, 2004, 59(6): 972-981. (in Chinese with English abstract)

[6] 秦偉，曹文洪，郭乾坤，等. 植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的研究評述[J]. 生態(tài)學(xué)報，2017，37(14)：4905-4912. Qin Wei, Cao Wenhong, Guo Qiankun, et al. Review of the effects of vegetation patterns on soil erosion and sediment yield[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(14): 4905-4912. (in Chinese with English abstract)

[7] 丁琳，許海超，秦偉，等. 不同坡面草被格局下的侵蝕產(chǎn)沙量及其連通性指數(shù)表征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(9)：119-128. Ding Lin, Xu Haichao, Qin Wei, et al. Erosion and sediment yield under different grass cover patterns and its characterization of connectivity index[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(9): 119-128. (in Chinese with English abstract)

[8] 劉宇，呂一河，傅伯杰，等. 景觀格局-土壤侵蝕研究中景觀指數(shù)的意義解釋及局限性[J]. 生態(tài)學(xué)報，2011，31(1)：267-275. Liu Yu, Lv Yihe, Fu Bojie, et al. Implication and limitation of landscape metrics in delineating relationship between landscape pattern and soil erosion[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(1): 267-275. (in Chinese with English abstract)

[9] 王計平，楊磊，衛(wèi)偉，等. 黃土丘陵區(qū)景觀格局對水土流失過程的影響—景觀水平與多尺度比較[J]. 生態(tài)學(xué)報，2011，31(19)：5531-5541. Wang Jiping, Yang Lei, Wei Wei, et al. Effects of landscape patterns on soil and water loss in the hilly area of loess plateau in China: Landscape-level and comparison at multiscale[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(19): 5531-5541. (in Chinese with English abstract)

[10] 王金花，李占斌，張榮剛，等. 水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)流域景觀格局變化及水沙響應(yīng)關(guān)系[J]. 中國水土保持科學(xué)，2016，14(3)：68-75. Wang Jinhua, Li Zhanbin, Zhang Ronggang, et al. Relationships between landscape, runoff, and sedimentation in wind-water erosion crisscross region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 14(3): 68-75. (in Chinese with English abstract)

[11] Borselli L, Cassi P, Torri D. Prolegomena to sediment and flow connectivity in the landscape: A GIS and field numerical assessment[J]. Catena, 2008, 75(3): 268-277.

[12] Ludwig J A, Bartley R, Hawdon A A, et al. Patch configuration non-linearly affects sediment loss across scales in a grazed catchment in north-east Australia[J]. Ecosystems, 2007, 10(5): 839-845.

[13] 陳利頂，傅伯杰，徐建英，等. 基于“源-匯”生態(tài)過程的景觀格局識別方法—景觀空間負荷對比指數(shù)[J]. 生態(tài)學(xué)報，2003，23(11)：2406-2413. Chen Liding, Fu Bojie, Xu Jianying, et al. Location-weighted landscape contrast index: A scale independent approach for landscape pattern evaluation based on “Source-Sink” ecological processes[J]. Acta Ecologica Sinica, 2003, 23(11): 2406-2413. (in Chinese with English abstract)

[14] Mayor G, Bautista S, Small E E, et al. Measurement of the connectivity of runoff source areas as determined by vegetation pattern and topography: A tool for assessing potential water and soil losses in drylands[J]. Water Resources Research, 2008, 44(10): W10423

[15] Cavalli M, Trevisani S, Comiti F, et al. Geomorphometric assessment of spatial sediment connectivity in small Alpine catchments[J]. Geomorphology, 2013, 188: 31-41.

[16] Zhao G J, Gao P, Tian P, et al. Assessing sediment connectivity and soil erosion by water in a representative catchment on the Loess Plateau, China[J]. Catena, 2020, 185: 104284.

[17] Liu W, Shi C X, Ma Y Y, et al. Evaluating sediment connectivity and its effects on sediment reduction in a catchment on the Loess Plateau, China[J]. Geoderma, 2022, 408: 115566.

[18] Zou Y W, Huang X, Hou M T, et al. Linking watershed hydrologic processes to connectivity indices on the Loess Plateau, China[J]. Catena, 2022, 216: 106341.

[19] Gao G Y, Zhang J J, Liu Y, et al. Spatio-temporal patterns of the effects of precipitation variability and land use/cover changes on long-term changes in sediment yield in the Loess Plateau, China[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2017, 21(9): 4363-4378.

[20] Chen C L, Zhao G J, Zhang Y T, et al. Linkages between soil erosion and long-term changes of landscape pattern in a small watershed on the Chinese Loess Plateau[J]. Catena, 2023, 220: 106659.

[21] 章文波，謝云，劉寶元. 利用日雨量計算降雨侵蝕力的方法研究[J]. 地理科學(xué)，2002，22(6)：705-711. Zhang Wenbo, Xie Yun, Liu Baoyuan. Rainfall erosivity estimation using daily rainfall amounts[J]. Scientia Geographica Sinica, 2002, 22(6): 705-711. (in Chinese with English abstract)

[22] Gao G Y, Ma Y, Fu B J, et al. Multi-temporal scale changes of streamflow and sediment load in a loess hilly watershed of China[J]. Hydrological Processes, 2016, 30: 365-382.

[23] Qin W, Guo Q K, Cao W H, et al. A new RUSLE slope length factor and its application to soil erosion assessment in a Loess Plateau watershed[J]. Soil & Tillage Research, 2018, 182: 10-24.

[24] 中華人民共和國水利部. 土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)：SL190-2007[S]. 北京：中國水利水電出版社，2008：8.

[25] 閆帥旗，朱冰冰，邊熇. 不同覆蓋位置下草地坡面水流路徑長度變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(3)：116-123. YAN Shuaiqi, ZHU Bingbing, BIAN He. Variation characteristics of flow length of grass slope under different grass strip positions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(3): 116-123. (in Chinese with English abstract)

[26] LIANG Y, JIAO J Y, TANG B Z, et al. Response of runoff and soil erosion to erosive rainstorm events and vegetation restoration on abandoned slope farmland in the Loess Plateau region, China[J]. Journal of Hydrology, 2020, 584: 124694.

[27] 張清春，劉寶元，翟剛. 植被與水土流失研究綜述[J]. 水土保持研究，2002，9(4)：96-101. Zhang Qingchun, Liu Baoyuan, Zhai Gang. Review on relationship between vegetation and soil and water loss[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2002, 9(4): 96-101. (in Chinese with English abstract)

[28] 晏清洪，原翠萍，雷廷武，等. 降雨類型和水土保持對黃土區(qū)小流域水土流失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(2)：169-175. YAN, Qinghong, Yuan Cuiping, Lei Tingwu, et al. Effect of rainstorm patterns and soil erosion control practices on soil and water loss in small watershed on loess plateau[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(2): 169-175. (in Chinese with English abstract)

[29] Zhang J Q, Yang M Y, Zhang F B, et al. Fingerprinting sediment sources after an extreme rainstorm event in a small catchment on the Loess Plateau, PR China[J]. Land Degradation & Development, 2017, 28: 2527-2539.

[30] 焦菊英，王志杰，魏艷紅，等. 延河流域極端暴雨下侵蝕產(chǎn)沙特征野外觀測分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(13)：159-167. Jiao Juying, Wang Zhijie, Wei Yanhong, et al. Characteristics of erosion sediment yield with extreme rainstorms in Yanhe Watershed based on field measurement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 159-167. (in Chinese with English abstract)

[31] 鄭明國，蔡強國，陳浩. 黃土丘陵溝壑區(qū)植被對不同空間尺度水沙關(guān)系的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2007，27(9)：3572-3581. Zheng Mingguo, Cai Qiangguo, Chen Hao. Effect of vegetation on runoff-sediment relationship at different spatial scale levels in Gullied-hilly Area of the Loess Plateau, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(9): 3572-3581. (in Chinese with English abstract)

[32] 秦偉，左長清，晏清洪. 紅壤裸露坡地次降雨土壤侵蝕規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(2)：124-132. Qin Wei, Zuo Changqing, Yan Qinghong, et al. Regularity of individual rainfall soil erosion in bare slope land of red soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 124-132. (in Chinese with English abstract)

[33] 晏清洪，原翠萍，雷廷武，等. 黃土丘陵溝壑區(qū)呂二溝流域水沙關(guān)系變化分析[J]. 中國水土保持科學(xué)，2013，11(5)：1-8. Yan Qinghong, Yuan Cuiping, Lei Tingwu. Variation in the rainfall-runoff-sediment delivery relationships of Lu’ergou Watershed in the hilly-gully region on the Loess Plateau[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2013, 11(5): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[34] 張興義，喬寶玲，李健宇，等. 降雨強度和坡度對東北黑土區(qū)順坡壟體濺蝕特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(16)：110-117. ZHANG Xingyi, QIAO Baoling, Li Jianyu, et al. Effects of rainfall intensity and slope on splash erosion characteristics of downslope ridge on farmland in black soil areas of Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(16): 110-117. (in Chinese with English abstract)

[35] 劉時城. 延河流域不同尺度水文連通性研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017. Liu Shicheng. Research on Hydrological Connectivity at Different Scales in Yanhe River Catchment[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[36] López-Vicente M, Poesen J, Navas A, et al. Predicting runoff and sediment connectivity and soil erosion by water for different land use scenarios in the Spanish Pre-Pyrenees[J]. Catena, 2013, 102: 62-73.

[37] Sougnez N, van Wesemael B, Vanacker B. Low erosion rates measured for steep, sparsely vegetated catchments in southeast Spain[J]. Catena, 2011, 84: 1-11.

[38] Tian X J, Zhao G J, Mu X M, et al. Hydrologic alteration and possible underlying causes in the Wuding River, China[J]. Science of the Total Environment, 2019, 693: 133556.

Response of sediment yield under different temporal scales to land use/cover pattern changes in typical watershed of Loess Plateau

LIANG Yue1,2, QIN Wei1,2※, ZHANG Qin1,2, DING Lin1,2, XU Haichao1,2, SHI Chenyu1,2, AN Leping3

(1., China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 2. Research Center on Soil and Water Conservation of the Ministry ofWater Resources, Beijing 100048, China;3.Yellow River Soil and Water Conservation Tianshui Governance and Supervision Bureau, Tianshui 741000, China)

The influence of land use/cover patterns on soil erosion and sediment transport can be one of the most important indicators to optimize the soil and water conservation measures in a watershed. However, it is still lacking in the quantitative evaluation of the land use/cover pattern and their impacts on soil erosion and sediment yield at the watershed scale. This study aims to explore the long-term changes in the sediment yield on the interannual and intermonthly temporal scales from 1982 to 2020, together with their responses to the land and use/cover pattern. A typical watershed was selected in the Loess Plateau, and the Lyuergou watershed. The M-K trend analysis was employed to elucidate the long-term temporal trends of annual rainfall, runoff, and sediment yield in the study area. An investigation was explored on the changes in the runoff and sediment under different vegetation patterns using the land use/cover pattern. The index of connectivity was chosen to characterize the impacts of the land use/cover pattern on soil erosion and sediment yield. Accordingly, quantitative relationships were also established between the index of connectivity and sediment yield. In addition, the monthly rainfall amount, the maximum daily rainfall amount, and erosive rainfall days were selected as the indices to classify the rainfall types. The results indicated thatthe Lyuergou watershed experienced cropland abandonment and vegetation restoration, where the index of connectivity decreased significantly during 1982-2020. Consequently, the whole study period was divided into four stages: 1982-1985, 1986-1990, 1991-2000, and 2001-2020, corresponding to the land use/cover pattern Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, and Ⅳ, respectively. The average annual sediment yield varied consistently, as the land use/cover pattern changed. Significantly downward trends were found in the average annual sediment yield and runoff depth, whereas, the annual rainfall amount showed no significant changing trend. Specifically, the annual runoff depth and sediment yield of land use/cover pattern Ⅳ decreased by 74.5% and 68.1%, respectively, compared with the land use/cover pattern Ⅰ, respectively. The average monthly runoff depth and sediment yield in the flood season were 11.7, 5.9, 1.8, 4.0 mm and 713.4, 377.4, 112.0, 317.9 t/km2in the land use/cover pattern Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, and Ⅳ, respectively. The runoff depth and sediment yield under the later land use/cover pattern (Ⅲ and Ⅳ) were significantly lower as opposed to those in the early land use/cover pattern Ⅰ. The erosive rainfall in the flood season was classified into four types: type A (minor rainfall amount, and weaker rainfall erosivity), type B (medium rainfall amount, and weaker rainfall erosivity), type C (great rainfall amount, and medium rainfall erosivity), and type D (great rainfall amount, and larger rainfall erosivity). Type A, B and C contributed to the most sediment yield on the small watershed. However, there was no significant difference in the monthly runoff depth and sediment yield among different land use/cover patterns under type C. The sediment yield on both interannual and intermonthly scales increased exponentially withindex of connectivity, whereas the relationships were weaker under type C. The finding can provide a strong reference to the optimal allocation of land use/cover patterns and soil and water conservation measures in arid and semi-arid areas.

soils; erosion; sediments; land use/cover pattern; small watershed; index of connectivity; rainfall

2023-01-11

2023-02-28

國家自然科學(xué)基金項目“黃土高原小流域植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的定量表征與耦合關(guān)系”（41877073）；國家自然科學(xué)基金項目“黃河流域水土保持率變化機制及閾值”（U2243212）

梁越，博士，工程師，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：ly8868130@163.com

秦偉，博士，教授級高級工程師，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：qinwei_office@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.202301056

S157.1；U412.14

A

1002-6819(2023)-08-0155-12

梁越，秦偉，張勤，等. 多時間尺度小流域侵蝕產(chǎn)沙對土地利用/覆被格局的變化響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39(8)：155-166. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301056 http://www.tcsae.org

LIANG Yue, QIN Wei, ZHANG Qin, et al. Response of sediment yield under different temporal scales to land use/cover pattern changes in typical watershed of Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(8): 155-166. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301056 http://www.tcsae.org