郭宗俊，吳磊，張慧勇，劉帥

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

流域侵蝕是最受關(guān)注的環(huán)境問題之一[1-2]，大多數(shù)研究運(yùn)用模型方法探究侵蝕及泥沙輸移過程的規(guī)律[3-4]。 其中，RUSLE（Revised Universal Soil Loss Equation）模型被廣泛應(yīng)用于模擬流域多年侵蝕情況，且已在黃土高原較多流域中得到檢驗(yàn)；而在泥沙輸移的研究中，Borselli 等[5]提出了泥沙連通性指數(shù)（Index of Connectivity，IC），該指數(shù)可用于識別泥沙連通路徑并評估坡面泥沙輸移的可能性；徑流侵蝕功率則主要描述降雨徑流對流域侵蝕過程的驅(qū)動(dòng)，并在不同流域中得到運(yùn)用[6-7]，其代表了徑流能量對泥沙輸移的影響，能夠明確流域不同位置的侵蝕潛能差異。IC 和土壤侵蝕模型是研究流域泥沙輸移的有效工具[8]，兩者的結(jié)合可以克服僅依靠侵蝕模型而不能充分表達(dá)輸沙潛力時(shí)空特征的缺點(diǎn)[9]，同時(shí)借助徑流侵蝕功率能夠表達(dá)徑流所造成流域侵蝕的能力，將三者相結(jié)合來確定侵蝕泥沙來源、范圍和流域內(nèi)關(guān)鍵的侵蝕產(chǎn)沙區(qū)域以及分析泥沙連通性和侵蝕之間的聯(lián)系是探索流域侵蝕產(chǎn)沙模式的關(guān)鍵[10]，因此，本研究將結(jié)合RUSLE、IC 和基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型的徑流侵蝕功率開展。

植被恢復(fù)改變了流域的下墊面情況，進(jìn)而改變了流域土壤侵蝕和泥沙輸移的空間格局[11]。黃河流域經(jīng)過長時(shí)間的治理和恢復(fù)，包括退耕還林還草、糧食換綠和三北防護(hù)林等措施與計(jì)劃的實(shí)施[12-13]，其生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)，流域侵蝕和泥沙輸移的環(huán)境發(fā)生了較大變化。以往的一些研究評估了植被恢復(fù)所引起的土壤水文性質(zhì)響應(yīng)[14]，也明確了植被狀況對泥沙的形成和遷移具有顯著影響[15-17]。然而，就流域尺度而言，植被恢復(fù)如何影響流域侵蝕和泥沙連通性以及它們之間的關(guān)系仍不夠明確，識別流域中侵蝕和泥沙輸移過程對植被變化的響應(yīng)是有必要的，可有效解釋流域尺度中水文要素與植被的關(guān)聯(lián)[18-20]。

延河流域水土流失嚴(yán)重，以往在延河流域開展的水沙研究十分廣泛[21-23]，但對該流域侵蝕產(chǎn)沙過程的整體識別和探究還不充分；另外，由于近年來開展的生態(tài)措施，延河流域植被條件持續(xù)向好，探究其植被變化所產(chǎn)生的影響可為流域進(jìn)一步管理提供建議。因此，本研究結(jié)合RUSLE、IC 和基于SWAT 模型的徑流侵蝕功率方程，建立了綜合模型方法框架，進(jìn)行長序列的侵蝕過程模擬以識別流域的侵蝕過程及其規(guī)律，并評估植被變化對土壤侵蝕和泥沙輸移的影響，本研究的方法和結(jié)果可為進(jìn)一步的生態(tài)措施實(shí)施和生態(tài)文明建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

延河位于黃河流域中部地區(qū)（圖1），是黃河的一級支流，也是黃河主要泥沙來源之一，流域總面積為7 725 km2，其中黃土丘陵溝壑區(qū)占流域的94.6%以上，主要土壤類型為黃綿土（約85%），還包括部分沖積土、黑壚土、黏土。流域處于半干旱地區(qū)，屬于大陸性季風(fēng)氣候，夏季氣溫較高，降雨較多，冬季寒冷干燥，降水稀少[24]。流域多年平均降水量為435 mm，多集中于6—9 月[25]。流域內(nèi)溝道密布，地形破碎，梁峁起伏，溝壑密度在2.1～4.6 km·km-2之間[26]。流域內(nèi)植被具有明顯的地帶過渡性，從南向北依次為森林區(qū)、森林草原區(qū)和草原區(qū)。由于惡劣的自然條件和不合理的耕作方式，延河流域內(nèi)土壤侵蝕嚴(yán)重。目前，流域內(nèi)開展了大規(guī)模水土保持工作，包括退耕還林還草、淤地壩等措施，侵蝕問題得到了一定的控制。

圖1 延河流域DEM及子流域劃分Figure 1 The DEM and subbasin division of Yanhe watershed

延河子流域劃分見圖1。研究區(qū)數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）、100 m 分辨率土地利用數(shù)據(jù)、1∶10萬土壤數(shù)據(jù)、250 m 分辨率NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)包括多站點(diǎn)1985—2020 年日數(shù)據(jù)（降雨、氣溫、風(fēng)速、日照），以及甘谷驛水文站點(diǎn)的實(shí)測日流量數(shù)據(jù)，其詳細(xì)來源可見表1。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)和裸地，氣象數(shù)據(jù)用于構(gòu)建SWAT 模型的氣象數(shù)據(jù)庫以及RUSLE 模型的降雨侵蝕力空間分布，NDVI 則作為重要的影響因素被考慮在各模型的構(gòu)建中。

表1 數(shù)據(jù)及來源Table 1 Date and source

綜合模型方法框架包括RUSLE、IC和基于SWAT的徑流侵蝕功率方程，其構(gòu)建流程和分析思路見圖2，旨在識別流域侵蝕過程中的兩個(gè)重要關(guān)系：（1）泥沙連通性和徑流侵蝕功率與侵蝕的變化關(guān)系；（2）泥沙連通性和徑流侵蝕功率與植被的互聯(lián)關(guān)系。其中，借助嵌套流域理論對泥沙連通性和徑流侵蝕功率進(jìn)行了表達(dá)。嵌套流域理論是在流域空間分級基礎(chǔ)上，體現(xiàn)水文過程尺度效應(yīng)的重新劃分。本研究借助SWAT 模型劃分了水文響應(yīng)單元和子流域，并根據(jù)子流域分布進(jìn)行了嵌套流域的劃分，以研究徑流侵蝕功率和泥沙連通性的尺度效應(yīng)。

圖2 模型方法框架流程圖Figure 2 Flow chart of the model methodology framework

1.2 基于RUSLE 模型的侵蝕計(jì)算方法

采用通用土壤流失方程RUSLE 計(jì)算流域年侵蝕模數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中：A是土壤侵蝕模數(shù)，t·hm-2·a-1；R是降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K是土壤可蝕性因子，t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；L是坡長因子，無量綱；S是坡度因子，無量綱；C是植被覆蓋與管理因子，無量綱；P是保持措施因子，無量綱。

（1）降雨侵蝕力（R）采用侵蝕性日降雨的計(jì)算方法[27]，該方法在黃土高原運(yùn)用廣泛。包括延河流域內(nèi)和周邊共12 個(gè)氣象站點(diǎn)的日降雨數(shù)據(jù)被用于獲取逐站點(diǎn)R值，并進(jìn)行整個(gè)流域的空間插值得到逐年的R值柵格圖層。

（2）土壤可蝕性因子（K）用于評價(jià)土壤受侵蝕的難易程度，該因子的大小與土壤質(zhì)地、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量等多因素有關(guān)。K值根據(jù)各類型土壤的不同組分進(jìn)行計(jì)算[28]。

（3）坡度和坡長（LS）是用于衡量地形對土壤侵蝕影響的重要指標(biāo)，利用流域的DEM 數(shù)據(jù)可以獲取坡度因子和坡長因子[29]。

（4）植被覆蓋因子（C）的計(jì)算方法很多，包括土地利用賦值法、標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)法和遙感數(shù)據(jù)法等。本研究采用了基于NDVI 的遙感數(shù)據(jù)法，首先由NDVI 值計(jì)算出流域的植被覆蓋度（f），再根據(jù)植被覆蓋度計(jì)算C值[30]，其公式如下：

式中：Ni為第i個(gè)單元的NDVI 值；Nmax為流域NDVI 的最大值，一般指純植被像元的NDVI 值；Nmin為流域NDVI的最小值，一般指全裸土像元的NDVI值。

（5）水土保持措施因子（P）根據(jù)土地利用類型賦值。水體和城鎮(zhèn)的P值設(shè)定為1 和0.01，森林和草地的P值分別設(shè)定為0.7 和1；在耕地中，通常認(rèn)為坡度越大，保持措施效果越好，根據(jù)已有研究對不同坡度的耕地進(jìn)行了P因子賦值[31]，范圍在0.1～0.8之間。

1.3 基于IC的泥沙連通性計(jì)算方法

IC 被定義為單位量的泥沙通過坡溝系統(tǒng)從流域上部坡面到達(dá)河道的潛能，能夠反映泥沙路徑的連續(xù)性和連通程度[32]，目前該指數(shù)已被開發(fā)為可靠的指標(biāo)，用于表達(dá)泥沙從流域上游坡面到達(dá)下游河道的可能性，IC（IC）的計(jì)算公式如下：

式中：Dup是上坡組分；Ddn是下坡組分是上坡區(qū)域的平均權(quán)重因子；-S是上坡區(qū)域的平均坡度；A是上坡區(qū)域面積；di是第i個(gè)單元沿著匯流路徑到出口的距離；Wi是第i個(gè)單元的阻抗因子；Si是第i個(gè)單元的坡度。其中，W因子被考慮為流域逐年的C因子，從而表達(dá)植被變化對IC 的影響；匯流路徑的出口設(shè)置為逐個(gè)嵌套的流域出口，以表達(dá)不同嵌套流域的IC。

泥沙輸移比（Sediment Delivery Ratio，SDR）作為流域泥沙研究的重要指標(biāo)，可由IC 計(jì)算，其表達(dá)式可以呈現(xiàn)整個(gè)流域的泥沙輸移比情況[33]：

式中：SDRi是第i個(gè)單元的泥沙輸移比；SDRmax是流域理論上最大的泥沙輸移比，通常取為1；IC0和k是計(jì)算泥沙輸移比的修正系數(shù)。

1.4 基于SWAT模型的徑流侵蝕功率計(jì)算方法

本研究構(gòu)建了7 個(gè)基于不同年代土地利用的SWAT 模型（1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015年，整體研究時(shí)段為1985—2020），逐個(gè)模型分別模擬并率定5 年，如1985 年土地利用模型模擬了1985—1989 年子流域的月徑流情況，然后對每個(gè)子流域進(jìn)行徑流侵蝕功率的計(jì)算。計(jì)算方法參考龔珺夫等[34]開發(fā)的徑流侵蝕功率計(jì)算方法，將子流域的年徑流過程概化為以月為時(shí)間步長的暴雨，其公式如下：

式中：Eyear為年徑流侵蝕功率，m4·s-1·km-2；Q′m，year為最大月流量模數(shù)，m3·s-1·km-2；Qm，year為年內(nèi)最大月流量，m3·s-1；A′為子流域的控制面積，km2，即上游至下游的嵌套流域面積；Hyear為年平均徑流深，m；Qyear為年平均流量，m3·s-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域徑流侵蝕功率時(shí)空分布

7個(gè)基于不同年份土地利用的SWAT模型的率定方式基于SWAT-CUP 中的SUFI-2 算法，率定的參數(shù)則通過敏感性分析共選取12 個(gè)相對敏感的參數(shù)，其敏感性排序如下：徑流曲線數(shù)（CN2）、土壤有效含水量（SOL_AWC）、地表徑流滯后系數(shù)（SURLAG）、植物蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)（EPCO）、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)（ESCO）、基流α 因子（ALPHA_BF）、主河道水力傳導(dǎo)系數(shù)（CH_K2）、主河道的曼寧系數(shù)（CH_N2）、地下水延遲系數(shù)（GW_DELAY）、初始土壤蓄水量（FFCB）、淺層含水層初始水深（SHALLST）、土壤飽和導(dǎo)水率（SOL_BD）。模型都通過了率定要求（表2），并可以相互驗(yàn)證，模擬月值和實(shí)測值的對比見圖3。

表2 模擬結(jié)果評價(jià)Table 2 Evaluation of simulation results

圖3 月徑流模擬值與實(shí)測值Figure 3 Monthly runoff simulation value and measured value

在建模過程中，子流域劃分采取了相同的模式，只針對土地利用進(jìn)行了不同的建模，最終流域被劃分為50 個(gè)子流域，模型經(jīng)過率定符合要求后，通過模型獲取流域內(nèi)各個(gè)子流域的月徑流量，最后依據(jù)公式（6）～公式（8）計(jì)算出其年徑流侵蝕功率。其中，依據(jù)面積大小共選取了12級嵌套流域進(jìn)行分析（表3），徑流侵蝕功率是基于這些嵌套流域進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算過程是將每一級的嵌套流域作為一個(gè)單獨(dú)的流域出口進(jìn)行分析，將其上游的徑流納入計(jì)算，最后在ArcGIS平臺(tái)繪制出逐年徑流侵蝕功率空間分布圖。

表3 嵌套流域劃分Table 3 Nested watershed division

年徑流侵蝕功率具有顯著的時(shí)空變異性（圖4）。年徑流侵蝕功率在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為整體的下降趨勢，1985 年最大子流域徑流侵蝕功率為13.28×10-4m4·s-1·km-2，2000 年最大徑流侵蝕功率下降到10.06×10-4m4·s-1·km-2，但2005 年侵蝕功率空間分布圖顯示子流域侵蝕功率有一定的增大，為19.36×10-4m4·s-1·km-2，而到2020 年最大徑流侵蝕功率僅有4.40×10-4m4·s-1·km-2。

圖4 子流域侵蝕功率的時(shí)空變化Figure 4 Spatiotemporal variation of erosion power in subbasins

在空間尺度上，年徑流侵蝕功率呈現(xiàn)出支流大而干流小的特點(diǎn)（圖4），上游子流域的侵蝕功率最大，并且干流子流域的侵蝕功率很小，而支流子流域的侵蝕功率很大，即使它們位于中游或下游地區(qū)。流域內(nèi)上游至下游一些子流域的侵蝕功率年際變化見圖5，位于上游的7號和14號子流域侵蝕功率較大，其次是中游地區(qū)的31 號和40 號子流域，流域下游的43 號和50 號子流域侵蝕功率非常小，表現(xiàn)出上游到下游逐漸減小的規(guī)律。同時(shí)，侵蝕功率隨著子流域控制面積的增大而減?。▓D6），兩者滿足冪函數(shù)關(guān)系，說明在一定范圍內(nèi)的匯流面積對徑流侵蝕功率有較大影響，但超過特定閾值后，這種影響快速降低，如圖顯示延河流域的面積閾值應(yīng)在1 000 km2以內(nèi)。

圖5 子流域侵蝕功率年際變化趨勢Figure 5 Annual variation trend of erosion power in subbasins

圖6 子流域多年平均侵蝕功率與控制面積的關(guān)系Figure 6 Relationship between average erosion power and control area in subbasins

2.2 嵌套流域IC空間分布

IC 的空間分布呈現(xiàn)出“坡面小溝谷大”的特點(diǎn)（圖7），由于泥沙的傳遞路徑在流域內(nèi)的各處不盡相同，遠(yuǎn)離河流的坡面泥沙需要經(jīng)過長距離輸移，泥沙輸移較困難，使得其IC 較低，減少了產(chǎn)沙的發(fā)生；在靠近河流的溝谷地區(qū)，泥沙很容易被輸送，其區(qū)域內(nèi)的IC 較高。整個(gè)流域的IC 變化范圍非常大（-13.11～1.95），表現(xiàn)為中游較小、上游和下游較大的空間格局。IC 的計(jì)算考慮了侵蝕泥沙到達(dá)流域出口的輸移距離，而即使針對不同的流域出口，位于上游的嵌套流域總是具有較大的IC，最大的IC 出現(xiàn)在嵌套流域2 中，說明上游地區(qū)的侵蝕泥沙較容易到達(dá)河道，隨后通過水文過程輸出流域形成產(chǎn)沙。因此，綜合IC的分布和大小程度而言，嵌套流域6以上的區(qū)域應(yīng)該是延河流域侵蝕產(chǎn)沙防治的重點(diǎn)。最小的IC 出現(xiàn)在嵌套流域7中（圖7），位于中游地區(qū)；而下游地區(qū)的IC 仍然較大，因此需要根據(jù)流域不同區(qū)域的特征進(jìn)行不同泥沙管理措施。

2.3 嵌套流域侵蝕規(guī)律

為更明確識別徑流侵蝕功率和泥沙連通性對流域侵蝕的影響，繪制了嵌套流域的多關(guān)系曲線見圖8。首先，在嵌套流域中，面積的尺度效應(yīng)對徑流侵蝕功率的影響非常大，侵蝕功率隨嵌套流域控制面積的增大而減小，兩者滿足冪函數(shù)關(guān)系（R2=0.82），在小于某個(gè)閾值時(shí)，侵蝕功率較大，因此需要關(guān)注小尺度中的徑流事件以防止嚴(yán)重侵蝕；同時(shí)IC 與嵌套流域控制面積也滿足較好的線性相關(guān)性（R2=0.84），即流域的控制面積越大，IC 值通常越小，上游的泥沙越難以離開該流域，但這種變化并不劇烈。此外，IC 與侵蝕保持了更強(qiáng)烈的線性相關(guān)性（圖8），即使這種關(guān)系以平均情況描述。我們可以得到一種觀點(diǎn)是，高侵蝕現(xiàn)象通常伴隨著高泥沙連通性。在實(shí)地研究中發(fā)現(xiàn)[32]，高連通性區(qū)域觀察到泥石流，并貢獻(xiàn)37%以上的侵蝕泥沙，而低連通性區(qū)域則成為泥沙的沉積區(qū)，識別這些區(qū)域?qū)α饔蚰嗌彻芾砜赡芫哂嘘P(guān)鍵作用。另外，即使徑流侵蝕功率和侵蝕過程間并沒有表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相關(guān)性，但徑流仍然是流域泥沙運(yùn)動(dòng)的重要?jiǎng)幽芎兔浇?，未來研究可能需要關(guān)注更細(xì)致時(shí)間尺度或事件尺度的徑流-侵蝕過程的研究，以揭示其過程的動(dòng)態(tài)規(guī)律。

圖8 徑流侵蝕功率和泥沙連通性的尺度效應(yīng)及與侵蝕模數(shù)的相關(guān)關(guān)系Figure 8 Scale effect of runoff erosion power and sediment connectivity and their correlation with erosion modulus

3 討論

3.1 植被變化對侵蝕的影響

總體而言，1985—2020 年間流域的土地利用空間格局有較大變化（表4），包括耕地向林地、草地的大量轉(zhuǎn)化。耕地占比在2000 年之前穩(wěn)定在43%左右，而在2010 年前后快速減少；同時(shí)期內(nèi)，草地占比穩(wěn)定在45%，但在2010 后迅速增加到52%，面積增加高達(dá)53 480 hm2；林地則呈現(xiàn)出整體的上升趨勢，這主要得益于退耕還草、植樹造林等生態(tài)工程的開展。流域的NDVI 呈現(xiàn)總體上升趨勢（圖9a1～圖9a6），但在2000 年前變化較小，維持在0.30～0.35 之間；而2000 年至今，NDVI 顯著上升，達(dá)0.70 左右（圖9b），表明流域植被在快速增加。

表4 各年份土地利用情況（%）Table 4 Land use in different years（%）

流域植被的持續(xù)恢復(fù)改變了侵蝕發(fā)生的環(huán)境，流域侵蝕情況得到控制且持續(xù)向好。模擬結(jié)果表明，在空間尺度上（圖10），高侵蝕地區(qū)集中在上游，即使在多年平均條件下，仍然有9 個(gè)上游子流域侵蝕模數(shù)超過80 t·hm-2·a-1，屬于極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)，并且2 號子流域的侵蝕模數(shù)高達(dá)238 t·hm-2·a-1，屬于劇烈侵蝕區(qū)；低侵蝕地區(qū)則集中在流域中南部。在時(shí)間尺度上，流域的侵蝕模數(shù)逐步減少，2000 年前流域的平均侵蝕模數(shù)較大，多個(gè)年份的侵蝕模數(shù)超過80 t·hm-2·a-1，最高可達(dá)144 t·hm-2·a-1（1985 年），而在2015 年左右大幅下降至10～30 t·hm-2·a-1（圖11），包括一些早期為高侵蝕區(qū)的子流域其侵蝕模數(shù)下降率高達(dá)80%以上。此外，侵蝕和NDVI 在時(shí)間上呈強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)趨勢（圖11），兩者的擬合關(guān)系較明確（R2=0.641 9），植被增加可為侵蝕的衰減提供合理的解釋。另外，一些研究認(rèn)為氣候因素特別是降雨的減少是黃河流域近年來泥沙減少的重要原因[35-36]，但在構(gòu)建延河流域RUSLE 模型時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)降雨侵蝕力變化并不大，近10 年的降雨侵蝕力水平與研究時(shí)段的早期水平相當(dāng)。在遼西地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)對侵蝕影響最大的是地表徑流，其次是降雨侵蝕力，最后是植被覆蓋；但在降雨一定的前提下，植被則是最關(guān)鍵的因素[37]，因此植被恢復(fù)仍可作為流域泥沙管理的重要手段。

圖10 子流域多年平均侵蝕模數(shù)Figure 10 Average annual erosion modulus of subbasins

圖11 1985—2020流域平均侵蝕模數(shù)和NDVI年際變化趨勢Figure 11 Annual variation trend of average erosion modulus and NDVI of watershed from 1985 to 2020

3.2 植被變化對泥沙輸移比的影響

IC 和NDVI 具備更強(qiáng)的相關(guān)性，其線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98（圖12）。本研究使用的IC 屬于結(jié)構(gòu)泥沙連通性，其計(jì)算式表明地形因素決定了IC 的上限，即考慮為泥沙輸移主要受到地形因素的限制[38]。而IC 的低值則受到阻抗因素（如C因子）變化的影響，延河流域的平均IC 下降，這與流域內(nèi)植被的增加密切相關(guān)，IC 的表征反映了植被對于泥沙路徑的阻礙作用，如延河流域較平坦的中游地區(qū)，作為城市所在區(qū)域且較早開展植被恢復(fù)措施，植被覆蓋度較高（圖9b1～圖9b3），其IC 較低；而在地勢起伏、地形破碎的上游地區(qū)以及坡陡谷窄的下游地區(qū)，植被稀少導(dǎo)致IC 較大。IC 呈現(xiàn)“坡面小溝谷大”的分布特點(diǎn)，也與植被覆蓋的時(shí)空分布相關(guān)聯(lián)，實(shí)際上，流域早期的植被覆蓋較低，侵蝕泥沙有較大概率直接從坡面和溝坡進(jìn)入河道后進(jìn)行輸移，其IC 一般較高，然而隨著植被增加和相關(guān)水土保持措施的實(shí)施，大部分侵蝕泥沙被截留，泥沙路徑的連通程度受到阻礙，IC 逐漸減?。▓D12），但上述情況多發(fā)生于坡面，而溝谷自然成為IC 較高的區(qū)域。

圖12 1985—2020流域平均IC及SDR與NDVI的年際變化關(guān)系Figure 12 The interannual variation relationship between average IC,SDR,and NDVI in the watershed from 1985 to 2020

通過式（5）獲取了流域近40 年的泥沙輸移比（圖12），流域平均SDR有下降趨勢，2015 年后的SDR普遍在0.5 以下，這說明流域的一系列植被恢復(fù)舉措取得了成效，更多的泥沙被截留在流域內(nèi)，即植被恢復(fù)對減少流域侵蝕產(chǎn)沙具有積極的影響[39]。IC 和SDR的減小也說明侵蝕泥沙的輸移受到了更大的阻礙，泥沙路徑的連通程度受到增加植被的阻礙或許是兩者減小的重要原因。因此，植被恢復(fù)對于流域泥沙管理至關(guān)重要，研究植被恢復(fù)如何影響流域侵蝕和產(chǎn)沙能夠幫助理解流域的泥沙演變規(guī)律，未來更應(yīng)該著重于這種研究的定量識別。

3.3 適用性和局限性評價(jià)

總體上，構(gòu)建的模型方法框架能夠較好地應(yīng)用于流域研究，首先在模型的構(gòu)建上，RUSEL、SWAT 和IC模型都易于建立，且SWAT 模型通過了水文站實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證。此外，上述模型已在延河流域得到一些運(yùn)用[19，40-41]，RUSLE、IC和SDR結(jié)果則與已有研究保持一致[42-43]，三者的結(jié)合在該流域創(chuàng)新應(yīng)用是可行的。

同時(shí)模型方法框架也存在一定局限：首先，聯(lián)合IC 和徑流侵蝕功率主要分析了坡面侵蝕泥沙的傳遞和輸移過程，缺少對河道泥沙輸移更詳細(xì)的描述。其中，IC 雖在一定程度上反映了河道的泥沙路徑，但這種泥沙路徑通常被認(rèn)為是連通的，因?yàn)楹拥乐械哪嗌齿斠浦饕軓搅鞯膭?dòng)力驅(qū)動(dòng)影響[44]，植被或地表的阻礙作用影響較小，因此構(gòu)建的IC 在表達(dá)河道泥沙輸移時(shí)缺乏對徑流驅(qū)動(dòng)的考慮。此外，研究所涉及的泥沙連通性只具備結(jié)構(gòu)特征，其計(jì)算過程依賴于地形和景觀指標(biāo)，缺乏動(dòng)態(tài)特征的表達(dá)，如徑流和降雨等動(dòng)態(tài)要素，為此本研究結(jié)合徑流侵蝕功率表達(dá)了子流域徑流對侵蝕過程的影響，補(bǔ)充了這一不足，但仍需重點(diǎn)關(guān)注泥沙連通性的動(dòng)態(tài)特征。在后續(xù)流域泥沙研究中，還應(yīng)關(guān)注更細(xì)致時(shí)間尺度或事件尺度的泥沙過程，因?yàn)檠芯拷Y(jié)果發(fā)現(xiàn)徑流侵蝕功率和侵蝕過程間沒有較好的關(guān)聯(lián)性，但在以往的事件尺度研究中發(fā)現(xiàn)徑流影響了侵蝕的發(fā)展和衰減，并且徑流的產(chǎn)與匯極大地影響了泥沙的輸移和沉積[45]，大流域尺度或大時(shí)間尺度的研究可能難以表達(dá)這些過程。

4 結(jié)論

（1）持續(xù)的植被恢復(fù)導(dǎo)致侵蝕大幅度衰減，兩者的年際變化呈負(fù)相關(guān)，影響該流域侵蝕過程的關(guān)鍵因素是植被而非降雨，應(yīng)更加關(guān)注植被變化對于侵蝕響應(yīng)的定量識別。

（2）流域IC 和SDR的下降與流域植被增加聯(lián)系緊密，植被增加阻礙了泥沙路徑的連通，并且植被的時(shí)空變化也影響了這種路徑的時(shí)空格局，造成IC 在坡面較小而溝谷較大的特征。

（3）流域IC 與侵蝕具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，需要重點(diǎn)關(guān)注流域內(nèi)高連通性區(qū)域，這些區(qū)域更容易發(fā)生侵蝕，嵌套流域6 以上的區(qū)域則是延河侵蝕產(chǎn)沙防治的重點(diǎn)。

（4）徑流侵蝕功率具有較強(qiáng)尺度效應(yīng)，并呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，在嵌套流域面積小于1 000 km2時(shí)，侵蝕功率非常大，可能會(huì)造成強(qiáng)烈的侵蝕事件，需要關(guān)注小尺度中的徑流事件以防止嚴(yán)重侵蝕。

（5）模型方法框架具備一定的可行性和適用性，其提供了識別流域侵蝕過程的綜合思路，可提供流域泥沙管理的關(guān)鍵信息，為政府開展流域內(nèi)不同區(qū)域的針對性水土保持措施布設(shè)以及生態(tài)治理工作提供科學(xué)依據(jù)。