劉曉燕，黨素珍，高云飛，楊勝天

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003；2.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.黃河上中游管理局，陜西 西安 710021；4.北京師范大學(xué)，北京 100875）

1 研究背景

黃河是中國第二大河，干流全長5464 km，流域面積79.5萬km2。1919—1959年，黃河陜縣斷面實測輸沙量16 億t/a，汛期7—9月含沙量60 kg/m3、最大716 kg/m3（1953年），是世界上輸沙量最大、含沙量最高的大河［1］，也由此成為最復(fù)雜難治的大河。黃土高原是黃河泥沙的主要來源地，其入黃沙量約占黃河陜縣斷面泥沙通量的97%。

不過，目前黃土高原嚴重水土流失的局面已發(fā)生巨大改變。20年退耕禁牧、40年農(nóng)牧業(yè)人口結(jié)構(gòu)調(diào)整和60 余年水土流失治理，使黃土高原的植被覆蓋狀況在2000年以來得到快速和大幅的改善［2-3］。與之相伴，黃土高原的入黃沙量也大幅減少，其中2000—2019年只有3.18億t/a（潼關(guān)2.45億t/a）。在此背景下，如何客觀評價黃土高原林草植被變化對流域產(chǎn)沙的影響、預(yù)測黃河未來沙情，事關(guān)未來黃河水沙調(diào)控工程的布局及其運用方式，因此成為近年黃河主管部門亟待解決的問題。

圍繞黃土高原植被與土壤侵蝕的關(guān)系，已有大量研究成果。其中，在植被變化對坡溝侵蝕的影響規(guī)律和調(diào)控機制方面，已經(jīng)取得的共識可概括為兩方面［4-5］：一是依靠植物葉莖及枯落物削減降雨動能、增大地表慥率和降雨入滲量等，削減地表徑流量及其流速，二是通過植物根系固結(jié)和地表覆蓋提高地表土壤的抗蝕力。在可遏制侵蝕的植被蓋度閾值方面，焦菊英認為［6］，在十年一遇的暴雨條件和20°～35°的坡度下，林地的有效蓋度為57%～76%，草地為63%～83%。通過綜合分析各家觀測和分析成果，景可［7］和張光輝［8］認為，50%～60%的植被蓋度就能夠穩(wěn)定減少泥沙，植被蓋度大于70%后侵蝕極其微弱。

不過，以上成果多是基于坡面小區(qū)的觀測數(shù)據(jù)提煉而成，反映的是植被變化對“本地”侵蝕強度的影響。但是，植被變化對流域產(chǎn)沙的影響范圍不僅表現(xiàn)在“本地”，而且將通過改變地表徑流的流量及其歷時，改變其下游坡面-溝谷-河道的侵蝕［9-11］，進而改變流域的產(chǎn)沙強度。此外，以往關(guān)注的目標是土壤侵蝕，而非流域產(chǎn)沙，侵蝕雖是產(chǎn)沙的前提，但流域侵蝕量往往大于流域產(chǎn)沙量。在坡面和溝道共存的流域尺度上，迄今研究文獻不多，定量成果更少。本文以黃土高原黃土丘陵溝壑區(qū)的中小流域為樣本，以流域產(chǎn)沙量為關(guān)注指標，通過對降雨、水沙和林草等數(shù)據(jù)的科學(xué)界定和處理，在流域尺度上分析了林草覆蓋變化對流域產(chǎn)沙的影響規(guī)律及其機制，提出了可基本遏制流域產(chǎn)沙的林草覆蓋閾值，旨在為黃河流域綜合規(guī)劃、重大工程布局及其運用原則等宏觀決策提供科學(xué)支撐。

2 研究區(qū)地貌概況

黃土高原地貌復(fù)雜多樣，包括黃土丘陵溝壑區(qū)（簡稱黃丘區(qū)）、黃土高塬溝壑區(qū)（簡稱黃土塬區(qū)）、黃土階地區(qū)、黃土丘陵林區(qū)和風(fēng)沙區(qū)等9個類型區(qū)；因地形、地貌和海拔等差異，黃丘區(qū)又被細分成5個副區(qū)（以下簡稱丘*區(qū)）［12］。黃丘區(qū)水土流失最嚴重，黃土塬區(qū)次之，其地理位置見圖1；兩區(qū)的地表物質(zhì)均為黃土，二者在地貌上的最大差別在于地形：前者主要由梁峁坡、溝谷坡和溝（河）床組成，后者主要由平整的塬面和邊壁幾近垂直的深溝組成。

圖1 研究區(qū)位置與地形概況

丘1～3 區(qū)的面積最為廣大，其中丘1 區(qū)主要分布在黃河河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間（簡稱河龍間）中北部，丘2區(qū)主要分布在河龍間南部、涇河流域北部、北洛河上游和汾河上中游地區(qū)，丘3區(qū)分布在渭河上游和涇河流域西部。丘1區(qū)和丘2區(qū)的梁峁坡度較大、溝谷面積較大，大于25°的陡坡面一般可占30%～50%；丘3區(qū)梁茆坡度較緩、溝谷面積較小，大于25°的陡坡面積占15%～20%，在丘1區(qū)的北部，地表土壤多為風(fēng)沙或砂礫石或砒砂巖，故圖1將其特別標注。

丘4區(qū)分布在黃土高原與青藏高原接壤的湟水流域和劉家峽水庫以上的沿黃地區(qū)。該區(qū)地形與丘3 區(qū)差別不大，但海拔多在2500 m 以上，且很少發(fā)生日降雨大于50 mm 的暴雨，例如，在湟水流域58座雨量站1951年以來的逐日降雨量數(shù)據(jù)中，僅8.5%的站年觀測到暴雨，但該比例在丘1區(qū)和丘2區(qū)高達40%～50%。

溝（河）床形態(tài)是丘5區(qū)與以上4個副區(qū)在地形上的最大差別［13］。丘5區(qū)大體是黃土丘陵和黃土盆地的結(jié)合產(chǎn)物，其中黃土盆地由小平原和深溝組成，河（溝）床普遍表現(xiàn)出陡然下切的現(xiàn)象。丘5區(qū)主要分布在涇河的馬蓮河上游、祖厲河、清水河中游和洮河下游。

黃土塬主要分布在涇河中下游、北洛河中下游和河龍間南部，如著名的董志塬和洛川塬等。不過，在黃土丘陵溝壑區(qū)的第2、第3和第5副區(qū)內(nèi)，也散布著一些面積不大的黃土塬，俗稱殘塬。

因降雨、植被和地形等條件不同，黃土丘陵區(qū)各地水土流失背景情況相差很大。據(jù)水土流失治理和水資源開發(fā)活動相對較少的1954—1969年實測數(shù)據(jù)，黃河循化-青銅峽和河口鎮(zhèn)-潼關(guān)區(qū)間的黃土高原年均入黃沙量約19億t；基于該區(qū)黃土高塬溝壑區(qū)、風(fēng)沙區(qū)、土石山區(qū)和平原等類型區(qū)的侵蝕模數(shù)，推算黃土丘陵溝壑區(qū)沙量約占黃土高原入黃沙量的81%。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

面對約20萬km2的整個黃土丘陵溝壑區(qū)，研究其林草植被覆蓋變化與流域產(chǎn)沙的響應(yīng)關(guān)系，需更關(guān)注影響流域產(chǎn)沙的最關(guān)鍵因素、兼顧次要或從屬因素。因此，更加聚焦流域泥沙的產(chǎn)地，科學(xué)提取和定義降雨、產(chǎn)沙和植被等指標的內(nèi)涵，是本研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 林草數(shù)據(jù)眾所周知，林草地的面積、植被蓋度和植被類型，是決定流域產(chǎn)沙強度的關(guān)鍵因素，尤以面積和蓋度最為重要。任何改變植被的面積、蓋度和類型的活動，都可能導(dǎo)致流域水土流失加劇或減緩。不過，如果林草植被的變化發(fā)生在流域內(nèi)的城鎮(zhèn)用地、石山區(qū)、河川地和平原，顯然對流域產(chǎn)沙影響甚微。因此，剔除此類地塊后的其它地塊，才是流域尺度上研究黃土丘陵溝壑區(qū)林草植被與產(chǎn)沙關(guān)系時最值得關(guān)注的區(qū)域，本文將其稱為“易侵蝕區(qū)”。

對照《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T21010-2007），黃丘區(qū)的易侵蝕區(qū)包括五種土地類型：林地、草地、耕地（含坡耕地和梯田）、未利用土地（實際是蓋度小于5%的裸地）和水域。不過，在本文研究區(qū)內(nèi)，未利用土地和水域的面積占比一般不足1%，因此易侵蝕區(qū)實際上主要包括林地、草地、耕地等三種土地利用類型。在降雨、土壤、地形條件一定情況下，易侵蝕區(qū)的產(chǎn)沙強度顯然主要取決于林草植被覆蓋狀況和坡耕地的梯田化程度。

本文采用的林草地面積（Av，km2），是易侵蝕區(qū)內(nèi)的林地和草地的面積之和。利用空間分辨率為30～56 m的衛(wèi)星遙感影像，通過土地利用分析，提取了研究區(qū)各流域的易侵蝕區(qū)面積及其林草地面積。在不同時段采用的遙感影像數(shù)據(jù)源分別為：1977—1979年，Landsat MSS，空間分辨率56 m；1997—1999年，Landsat TM，空間分辨率30 m；2010年，中國環(huán)境星CCD，空間分辨率30 m；2016年，中國資源三號衛(wèi)星，空間分辨率30 m。遙感影像的時相為6—9月，該時段是黃土高原的植被生長期，也是主要產(chǎn)沙期。

林草地的植被蓋度（Vc，%），是林草葉莖的正投影面積（Als）占易侵蝕區(qū)內(nèi)林草地面積（Av）的比例，簡稱林草蓋度，即：

在大空間尺度上，采用遙感影像提取植被歸一化指數(shù)（NDVI），可計算出林草蓋度［14］，計算公式為：

式中：NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區(qū)的NDVI值；NDVIveg為植被完全覆蓋區(qū)的NDVI值。在研究區(qū)內(nèi)，按照空間均衡的原則，選擇了192個樣地，采用照相法獲取植被蓋度，與利用公式（2）計算的植被蓋度進行了對比，精度為91.7%。

林草蓋度能夠反映林草地自身的植被蓋度，但不能反映林草植被對全流域易侵蝕區(qū)土地的保護程度。為此，引入“易侵蝕區(qū)林草植被有效覆蓋率（Ve，%）”的概念，它是指林草葉莖的正投影面積Als占流域易侵蝕區(qū)面積Ae的比例，用Ve表示（%），簡稱“林草有效覆蓋率”，計算公式為：

式中采用公式（2）可得到Vc?；谶b感影像，通過土地利用分析，可得到Av和Ae。

對比可見，林草蓋度和林草有效覆蓋率的核心區(qū)別在于林草植被保護對象的空間尺度：前者為坡面尺度、是人眼能直觀感受的信息；后者為流域尺度，需通過計算才能準確認識到。如果易侵蝕區(qū)內(nèi)沒有耕地等其它類型用地，二者數(shù)值相等。

在黃土丘陵區(qū)的易侵蝕區(qū)內(nèi)，有的山上分布有少量油松、楊樹和棗樹等人工喬木。不過，若非蓋度較大、或栽種在魚鱗坑或梯條田上，它們對地表土壤的保護作用不大，2000年以前更是如此。鑒于此，對于2000年以后的林草地，首先利用遙感提取的土地利用分析和梯田分析結(jié)果（見3.4節(jié)），將與梯田重復(fù)的地塊均計入梯田，并把蓋度小于30%的喬木地塊的植被蓋度記為0（即忽略其水保作用）。

3.2 降雨數(shù)據(jù)從《中華人民共和國水文年鑒》（黃河流域卷）和國家氣象中心共享網(wǎng)站，采集了研究區(qū)698個雨量站1966—2018年的降雨數(shù)據(jù)，使樣本流域每座雨量站的控制面積達到200～350 km2。

為科學(xué)描述對產(chǎn)沙更敏感的雨量及其雨強，統(tǒng)計了各雨量站日降雨大于10 mm、25 mm和50 mm的年降水總量，分別用P10、P25和P50表示。逐年統(tǒng)計各雨量站的P10、P25和P50，然后根據(jù)雨量站控制面積進行加權(quán)平均，即得到各水文分區(qū)的面平均降雨量，計算公式如下（以P50為例）：

式中：A為水文站集水面積；P50i為單站日降水大于50 mm的年降水總量，mm；fi為單個雨量站的控制面積；i為雨量站編號；n為區(qū)內(nèi)的雨量站個數(shù)。

“降雨量/小時或分鐘”是表征雨強的科學(xué)因子，但在1990年代前的黃土高原，只有少數(shù)雨量站可做到逐小時記錄降雨量。為此，并考慮到可致流域明顯產(chǎn)沙的降雨均發(fā)生在汛期，采用P50/P10表征流域汛期降雨的集中程度，簡稱暴雨占比。統(tǒng)計表明，研究區(qū)的中東部和北部的多年平均暴雨占比（P50/P10）一般在0.11～0.16、偶見0.4～0.5；六盤山以西的渭河上游、祖厲河、洮河下游和清水河流域一般在0.05～0.08；在最西部的湟水流域，暴雨占比一般只有0.02～0.03。

3.3 水沙數(shù)據(jù)借鑒“徑流系數(shù)”的內(nèi)涵和計算方法，引入“產(chǎn)沙指數(shù)（Si）”的概念，以表征流域的產(chǎn)沙能力。產(chǎn)沙指數(shù)是指流域易侵蝕區(qū)內(nèi)單位降雨在單位面積上的產(chǎn)沙量，其中降雨指標采用對流域產(chǎn)沙更敏感的P25，即：

若把產(chǎn)沙量的單位由重量（t）改為體積（m3），產(chǎn)沙指數(shù)可以成為無量綱指標。不過，從物理意義角度，更傾向于采用“t/（km2·mm）”作為產(chǎn)沙指數(shù)的量綱。在產(chǎn)沙劇烈的黃河多沙粗沙區(qū)，1970年代以前的產(chǎn)沙指數(shù)Si一般達150～250 t/（km2·mm）；即使在水土流失較輕的渭河上游和祖厲河，Si也達100～150 t/（km2·mm）。

流域產(chǎn)沙量（Ws）是把口斷面實測輸沙量、淤地壩和水庫的攔沙量、灌溉引沙量的總和。從各水庫的管理部門，采集了水庫的逐年淤積量數(shù)據(jù)。黃土丘陵區(qū)現(xiàn)有以攔沙和造田為目的的淤地壩5.4萬座，其中大中型淤地壩1.4 萬座，利用每座淤地壩的建成時間、控制面積和庫容等信息，以及1989年、1999年、2008年、2011年和2016年等典型時間節(jié)點的實測淤積量數(shù)據(jù)，并結(jié)合前人研究成果［15］，測算了各流域淤地壩在不同時段的攔沙量［16-17］。樣本流域的供水量很小，灌溉引沙量極少，可忽略。

黃土高原土壤侵蝕主要包括水力侵蝕、重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕等類型，其中水力侵蝕發(fā)生在降雨期間，但其它類型的侵蝕事件全年都有發(fā)生，其中大部分重力侵蝕發(fā)生在暴雨過后的幾天內(nèi)；而且，在流域可能發(fā)生產(chǎn)沙事件的5—10月份，林草植被的蓋度也相差很大。因此，基于場次降雨的降雨和產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)，研究植被變化與流域產(chǎn)沙的關(guān)系，效果并不理想?？紤]到本文著眼于從宏觀上回答植被變化與流域產(chǎn)沙的關(guān)系，而非服務(wù)于場次降雨的產(chǎn)沙預(yù)報，因此采用的產(chǎn)沙量和輸沙量均是流域把口斷面全年沙量的總和，相應(yīng)的降雨量指標也采用日降雨大于25 mm的年降水總量。

采用P25計算產(chǎn)沙指數(shù)，并不意味著小于該量級的降雨對流域產(chǎn)沙沒有貢獻。王萬忠認為［18］，在黃土高原人工草地上，日降雨大于10.9 mm的降雨即可引起侵蝕。不過，從流域尺度上看，日降雨大于25 mm的年降雨總量對流域產(chǎn)沙更敏感［19］。而且，流域的P25與P10往往有非常好的呼應(yīng)關(guān)系，以佳蘆河為例，1966—2018年，該流域年均P25和P10分別為134 mm和247 mm，兩者逐年的相關(guān)系數(shù)R2高達0.86。

同理，引入“產(chǎn)洪系數(shù)（FLi）”的概念，以表征流域的產(chǎn)洪能力，計算公式為：

式中：A為水文站集水面積，km2；Wf為年洪水水量。本文采用的Wf為扣除基流后的汛期6—9月徑流量，其中基流為“年內(nèi)最枯月徑流量×4”。采用水文站集水面積A（而非易侵蝕區(qū)面積Ae）計算產(chǎn)洪系數(shù)，主要考慮流域洪水不僅來自易侵蝕區(qū)，也來自流域內(nèi)的其它區(qū)（例如硬化地面的產(chǎn)洪能力更高），而洪水是泥沙輸送的動力。

“產(chǎn)沙指數(shù)”和“產(chǎn)洪系數(shù)”概念的引入，使不同流域面積和不同降雨條件的流域有了統(tǒng)一的產(chǎn)沙或產(chǎn)洪能力評判標準，從而可彌補單個流域?qū)崪y數(shù)據(jù)不足的缺陷。

本文采用的徑流量、輸沙量和含沙量數(shù)據(jù)均來自《中華人民共和國水文年鑒》（黃河流域卷）。

3.4 梯田數(shù)據(jù)修建梯田也是影響流域產(chǎn)沙的重要人類活動。研究表明，梯田不僅可大幅減少自身產(chǎn)沙量，而且還可截留上方來沙，并通過減少坡面徑流下溝實現(xiàn)溝谷減沙［10，20］。

利用空間分辨率為2.1 m的遙感影像，提取了各流域2012年和2017年的梯田面積。針對梯田紋理特征，選擇中國資源三號衛(wèi)星為信息源，通過全色（2.1 m）和多光譜（5.8 m）融合，空間分辨率達到2.1 m。影像時相主要為1—5月、部分10—12月，以盡可能減少茂密植被對梯田識別的影響。

采集了各縣統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到2012年以前各支流的梯田面積。

引入“梯田覆蓋率”概念，指流域梯田面積占易侵蝕區(qū)面積的比例。進而，引入“林草梯田有效覆蓋率（Vet，%）”的概念，它是流域的林草有效覆蓋率與梯田覆蓋率之和。

3.5 樣本流域選擇本研究旨在分析林草植被變化與流域產(chǎn)沙的關(guān)系，因此，需嚴格篩選樣本流域，盡可能減少其它因素的干擾，以保證流域產(chǎn)沙量的變化主要是林草變化驅(qū)動的結(jié)果。

（1）樣本流域內(nèi)應(yīng)無淤地壩和水庫，或壩庫的攔沙量可準確獲取，以盡可能準確掌握流域的真實產(chǎn)沙量。

（2）樣本流域內(nèi)應(yīng)沒有沖積性河道，以盡可能減少河道沖淤對產(chǎn)沙量還原的影響。

（3）要盡可能減少梯田的干擾。植被和梯田都是影響流域產(chǎn)沙的關(guān)鍵下墊面因素，因此，要構(gòu)建植被與產(chǎn)沙的關(guān)系，樣本流域應(yīng)盡可能沒有梯田或梯田極少?，F(xiàn)有研究表明［10］，當梯田覆蓋率小于3%時，梯田對流域產(chǎn)沙的影響不足3%。因此，在構(gòu)建林草有效覆蓋率與產(chǎn)沙指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系時，我們以“梯田覆蓋率≤3%”為原則對樣本進行了控制，并將梯田覆蓋率等量計入林草有效覆蓋率。

（4）樣本流域的地表出露土壤應(yīng)盡可能均為黃土。

（5）應(yīng)根據(jù)地形特點，分別對樣本流域構(gòu)建響應(yīng)關(guān)系。

最終選用的48個樣本流域，覆蓋了研究區(qū)的大部分流域，見表1。由表可見，大部分流域的易侵蝕區(qū)面積在2000 km2以內(nèi)。

表1 樣本流域概況

4 林草變化與流域產(chǎn)沙的響應(yīng)關(guān)系

基于坡面小區(qū)上的觀測數(shù)據(jù)（注：小區(qū)面積一般為5 m×20 m），前人將不同降雨條件下的實測侵蝕量與相應(yīng)的植被蓋度直接建立關(guān)系［6-10］，以認識植被變化對土壤侵蝕的影響規(guī)律。借鑒該思路，在流域?qū)用嫔希绻蚜饔虻摹耙浊治g區(qū)”視為“地表起伏明顯的超大坡面”，也可以直接建立流域的林草有效覆蓋率與產(chǎn)沙指數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系。

一般認為，地形是影響土壤侵蝕的重要因素［6，8］。因此，圖2分別給出了黃丘第1～3副區(qū)樣本流域在三種暴雨占比情況下的林草有效覆蓋率～產(chǎn)沙指數(shù)響應(yīng)關(guān)系，所用數(shù)據(jù)均為1966—1999年數(shù)據(jù)，三種暴雨占比大體為該區(qū)汛期降雨的常見情況。為盡可能減少雨型和暴雨落區(qū)（涉及地形和土壤差異）對流域產(chǎn)沙的影響、凸顯植被與產(chǎn)沙的關(guān)系，圖中85%的數(shù)據(jù)為2～3年數(shù)據(jù)的均值，其它為單年數(shù)值（均為暴雨占比約為0.3的情景，因為此類大暴雨年不多）；凡采用2～3年均值者，選用數(shù)據(jù)年份的暴雨占比均大體相同，且年份相距不超過6～8年（以避免林草狀況相差太大）。丘3區(qū)的暴雨占比總體較小，且早在1970年代就已建成了大量梯田、1960年代以前無實測的林草有效覆蓋率數(shù)據(jù)，因此，按“梯田覆蓋率≤3%”的原則，可上圖的數(shù)據(jù)不多。

圖2 基于早期下墊面的丘1～3區(qū)林草有效覆蓋率～產(chǎn)沙指數(shù)關(guān)系

由圖2可見：盡管三個副區(qū)的地形有所不同，但相同林草覆蓋狀況下的產(chǎn)沙指數(shù)并無顯著差異，該認識與汪麗娜的研究成果基本一致［21］：基于1959—1969年黃土丘陵區(qū)20多條支流的實測數(shù)據(jù)，她發(fā)現(xiàn)各支流輸沙量與流域起伏度之間未表現(xiàn)出趨勢性的變化特征。

在涇河流域上中游和河龍間南部的丘1區(qū)～丘3區(qū)，還分布一些面積不大的黃土殘塬。以塬面面積占流域面積之比小于10%為原則，將此類支流的實測數(shù)據(jù)也點繪在圖2中，結(jié)果表明，在流域尺度上，有殘塬分布的黃丘區(qū)林草～產(chǎn)沙關(guān)系與其它黃丘區(qū)并無明顯差異。該結(jié)論與相關(guān)研究基本吻合［22］：當塬面占比小于20%時，高塬區(qū)的流域產(chǎn)沙驅(qū)動力將逐漸趨同于黃丘區(qū)。

2000年以來，在自然修復(fù)為主、人工植栽為輔的模式下，黃土高原林草地的面積、蓋度和類型都較20世紀后期發(fā)生了較大變化。同時，很多地區(qū)的梯田面積也大幅增加，這為在“梯田覆蓋率≤3%”原則下繪制關(guān)系圖帶來困難。以圖2中的擬合線為背景，控制梯田覆蓋率小于6%，將2009—2018年的實測數(shù)據(jù)點繪在圖3中，并將橫坐標改為“林草梯田有效覆蓋率”。由圖3可見，無論雨強大小，近十年流域的林草梯田有效覆蓋率與產(chǎn)沙指數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系仍與圖2相似。

在丘4區(qū)，可利用的樣本流域不多，且2000年以前的水庫攔沙量和梯田數(shù)據(jù)匱乏，因此僅提取了該區(qū)的9 對可靠的數(shù)據(jù)，見圖3（左）。由圖可見，由于丘4 區(qū)的地形和土壤等要素與丘1～3 區(qū)相近，只不過海拔更高、暴雨更少，故其林草與產(chǎn)沙的關(guān)系趨勢與丘1～3區(qū)并無二異。

在分析了地形和植被格局對林草有效覆蓋率—產(chǎn)沙指數(shù)關(guān)系影響的基礎(chǔ)上，嚴格遵照“梯田覆蓋率小于3%”的原則，進一步細分不同的暴雨占比情景，分別選用了121 對、111 對、77 對和69 對數(shù)據(jù)，重新點繪了不同雨強情況下的林草—產(chǎn)沙關(guān)系線，結(jié)果見圖4。圖4中的林草有效覆蓋率Ve范圍為5.7%～95%，梯田覆蓋率已等量計入“林草有效覆蓋率”。對于暴雨占比為0.38～0.67的高雨強情景，因可利用的數(shù)據(jù)年份少，故69 對數(shù)據(jù)均為單年的數(shù)值，導(dǎo)致雨型和降雨落區(qū)的影響難以削弱、點據(jù)略顯散亂。對于暴雨占比為0.28～0.32、0.14～0.24和0～0.09的三種情景，采用單年數(shù)據(jù)的比例分別為33%、29%和8%，其它為2年或3年的均值（但樣本年的暴雨占比相近），因此點群越來越收斂。由圖4可見：

圖3 基于現(xiàn)狀下墊面的丘1～3區(qū)林草有效覆蓋率～產(chǎn)沙指數(shù)關(guān)系

圖4 丘1～4區(qū)林草變化對流域產(chǎn)沙的影響

（1）在流域尺度上，產(chǎn)沙指數(shù)Si隨林草有效覆蓋率Ve的增大而減小，二者呈指數(shù)相關(guān)。黃丘區(qū)是以水蝕為主的地區(qū)，坡面流是產(chǎn)沙的主要驅(qū)動力和輸沙動力［23］。通過不同坡度和不同流量的162組室內(nèi)水槽試驗，孫一和張旭發(fā)現(xiàn)［24-25］，植被蓋度越大、流速越小，坡面流的流速與植被蓋度呈指數(shù)關(guān)系，該結(jié)論與本文圖4揭示的現(xiàn)象基本吻合。

（2）在Ve=5.7%～20%范圍內(nèi)，在相同的林草覆蓋狀況下，Si的變幅較大，之后逐漸收斂，這與Rogers 的試驗結(jié)果基本一致［26］。事實上，即使在面積不大的同一流域內(nèi)，相同植被狀況下的產(chǎn)沙量有時也相差30%～50%。產(chǎn)生該現(xiàn)象，與降雨的雨型和落區(qū)（地形差異）有關(guān)：當植被較好時，雨型和地形的影響會被“掩蓋”。由此啟示，若林草植被對地表的覆蓋程度達不到20%以上，改善植被對遏制流域產(chǎn)沙的作用是不穩(wěn)定的。

（3）在Ve≤40%范圍內(nèi)，Si隨Ve增大而迅速降低；但當Ve大于40%后，Si隨植被改善而遞減的速度變緩。Ve大于60%后，75%的樣本點的Si值已不足7 t/km2·a。

以上采用的植被指標主要反映了林草地蓋度和面積的綜合情況。毋庸置疑，植被類型及其結(jié)構(gòu)也是影響流域產(chǎn)沙的重要因素，進而影響散點圖的收斂程度。圖3雖做了一些分析，但在近年的樣本流域中，很難找到Ve＜30%的情景。因此，大空間尺度上，如何改進Ve＜30%時的散點圖，仍需進一步研究。

若將圖4中的4 條擬合線繪制在同一圖內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖5）：當Ve≤40%～50%時，暴雨占比越大，相同植被狀況下的Si越大；但當Ve大于50%～60%后，4 條線的差別逐漸變小。由此可見，雨強對流域產(chǎn)沙的敏感度與植被狀況有關(guān)，植被越好，產(chǎn)沙對雨強越不敏感。由于流域的單位面積產(chǎn)沙量是產(chǎn)沙指數(shù)與降雨量P25的乘積，因此，對于林草有效覆蓋率大于50%～60%的流域，決定其產(chǎn)沙量的首要因素是有效降雨的雨量，雨強次之，該認識與植被良好的黃土高原云巖河和合水川等流域的實測結(jié)果基本吻合［19］。

圖5 雨強對林草～產(chǎn)沙關(guān)系的影響

圖6 丘5區(qū)林草變化對流域產(chǎn)沙的影響

在丘1～4區(qū)的385對數(shù)據(jù)中，暴雨占比變化在0～0.5區(qū)間。對其進行回歸分析，可以得到產(chǎn)沙指數(shù)與林草有效覆蓋率的響應(yīng)關(guān)系式，見式（7），其中參數(shù)a和b與暴雨占比（PI）有關(guān)，見式（8）和式（9）。

仍以圖2中的擬合線為背景，圖6給出丘5區(qū)在不同暴雨占比情況下的林草—產(chǎn)沙關(guān)系。因樣本流域不夠多，故圖中包括了梯田覆蓋率大于3%時的數(shù)據(jù)，因此橫坐標改為“林草梯田有效覆蓋率”（注：圖中凡Vet大于60%者，梯田覆蓋率均大于15%）。分析圖6可見：丘5區(qū)的林草梯田有效覆蓋率Vet與產(chǎn)沙指數(shù)之間也呈指數(shù)關(guān)系，當Vet小于45%～50%時，Si隨Vet增大而迅速減?。恢骃i趨于穩(wěn)定。

值得注意的是，在相同Vet情況下，丘5區(qū)的產(chǎn)沙指數(shù)總體偏大，尤其在低雨強時更突出。產(chǎn)生該現(xiàn)象，與丘5區(qū)獨特地形和產(chǎn)沙機制有關(guān)［13］：該區(qū)溝壑密度雖然與丘3～4區(qū)相似（表1），但地形差別很大，大體是黃土丘陵和黃土臺塬的結(jié)合產(chǎn)物，地表光滑的黃土丘陵群包圍著一片黃土盆地或階地是其地形特點；泥沙不僅產(chǎn)自周邊丘陵，更有相當部分源自黃土盆地的河（溝）岸崩塌或滑坡，后者產(chǎn)沙量占比高達30%～67%；從支毛溝，到干溝和河道，隨著匯入水量的增加，產(chǎn)沙強度逐級增大。在丘5區(qū)實地考察看到，即使是流量不大的水流，也能引起溝（河）道的擴張和下切。

5 植被改善對流域產(chǎn)沙的削減機制

為深入認識黃土丘陵區(qū)林草植被變化對流域產(chǎn)沙的調(diào)控機制，我們采集了圖4中各樣本流域的汛期洪量數(shù)據(jù)，分析了林草植被變化對流域產(chǎn)洪能力的影響，結(jié)果見圖7。對比圖4和圖7可見：

圖7 黃丘1～4副區(qū)林草植被變化對流域產(chǎn)洪的影響規(guī)律

（1）隨著林草有效覆蓋率的增大，流域的產(chǎn)洪系數(shù)也呈指數(shù)降低，但產(chǎn)洪系數(shù)隨植被改善而降低的幅度明顯小于產(chǎn)沙指數(shù)的降幅。以P50/P10為0.14～0.24的情景為例，當Ve由15%增加到50%，流域的產(chǎn)沙指數(shù)降低92%，但產(chǎn)洪系數(shù)僅降低78%，意味著植被改善對洪水的影響小于對沙量的影響。

（2）與圖4相似，在Ve≤40%～45%范圍內(nèi)，產(chǎn)洪系數(shù)隨Ve增大而迅速降低；Ve大于40%～45%后，產(chǎn)洪系數(shù)隨植被改善而遞減的速度變緩。不過，即使林草有效覆蓋率大于60%，流域的產(chǎn)洪系數(shù)仍然較高——這與產(chǎn)沙指數(shù)的表現(xiàn)明顯不同。由此可見，僅靠改善林草植被并不能消滅流域的洪水，因此也難以遏制以溝壑產(chǎn)沙為主的丘5區(qū)產(chǎn)沙。

與植被變化對產(chǎn)洪產(chǎn)沙的影響方式不同：林草植被蓋度與洪水含沙量幾乎呈直線關(guān)系，見圖8，圖中的沙峰含沙量是該流域在選用數(shù)據(jù)年份的年最大含沙量。當林草地的植被蓋度從20%增大到70%，洪水期間的沙峰含沙量可降低50%以上。正是由于洪量和含沙量的共同減少，才使得植被～產(chǎn)沙關(guān)系曲線的斜率更大，見圖2～圖4。

林草植被的改善，不僅引起產(chǎn)洪量和含沙量的降低，而且植物葉莖、枯落物和根系等必然會增大地表的慥率，從而降低坡面流的流速。通過室內(nèi)水槽試驗，張旭發(fā)現(xiàn)［25］，當植被蓋度小于15%時，增加植被蓋度對水流的阻力系數(shù)影響極小，之后阻力系數(shù)隨植被蓋度增加而增大；當蓋度大于55%后，阻力系數(shù)急劇增加，見圖9，可以在一定程度上解釋圖4看到的Ve大于60%后Si值大多趨于零的原因。

由此可見，林草植被改善是通過對流域產(chǎn)洪量和含沙量的共同減少、以及坡面阻力的增大，實現(xiàn)對流域產(chǎn)沙量的削減。削減洪水和增大阻力均將導(dǎo)致黃丘區(qū)水蝕動力降低，而含沙量降低則是地表物質(zhì)補給困難的直接反應(yīng)。

圖8 植被變化對洪水含沙量的影響

圖9 植被蓋度變化對地表阻力的影響［26］

6 可有效遏制流域產(chǎn)沙的林草覆蓋閾值

進一步分析圖2～圖5可見，當林草有效覆蓋率Ve大于60%后，無論雨強和地形如何，丘1～4區(qū)的流域產(chǎn)沙指數(shù)都很小，此時的產(chǎn)洪系數(shù)也處于較低水平（圖7）。不過，作圖過程中也發(fā)現(xiàn)，在林草有效覆蓋率≥60%的89 對數(shù)據(jù)中，盡管Si平均值為5.1 t/km2·mm，但仍有13 對數(shù)據(jù)的Si達到10～21 t/km2·mm，因此，需對“流域產(chǎn)沙得到有效遏制”的內(nèi)涵進行定義。

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007），黃土高原區(qū)的容許土壤流失量為1000 t/km2·a。土壤流失量和流域產(chǎn)沙量的內(nèi)涵有所差異，尤其在現(xiàn)狀下墊面條件下，流域產(chǎn)沙量往往小于土壤流失量［17，27］。不過，鑒于尚無“容許產(chǎn)沙模數(shù)”的國家標準，本文將“產(chǎn)沙模數(shù)≤1000 t/km2·a”作為流域產(chǎn)沙基本得到遏制的標準。黃土丘陵區(qū)和黃土高塬區(qū)是黃河泥沙的主要產(chǎn)區(qū)、面積為18.1萬km2和2.6 萬km2，若其產(chǎn)沙模數(shù)控制在1000 t/km2·a 以下，潼關(guān)來沙即可控制在2.5 億t/a 以下，該數(shù)字接近現(xiàn)狀徑流條件下實現(xiàn)黃河下游沖淤平衡的沙量［28］。

據(jù)統(tǒng)計，研究區(qū)各流域多年平均P25為60～160 mm，自西向東遞增。若P25為80 mm、100 mm、120 mm、140 mm、160 mm，則與產(chǎn)沙模數(shù)1000 t/km2·a相應(yīng)的產(chǎn)沙指數(shù)Si分別為12.5、10、8.3、7.1和6.3 t/km2·mm。因此，從偏安全角度，本文將“Si≤7 t/km2·mm”作為基本遏制流域產(chǎn)沙的標志，相應(yīng)的林草有效覆蓋率Ve即為可基本遏制流域產(chǎn)沙的Ve閾值。基于圖4，按“產(chǎn)沙指數(shù)≤7 t/km2·mm”的標準，對于不同降雨條件的丘1～4 區(qū)，可基本遏制流域產(chǎn)沙的林草有效覆蓋率閾值為55%～65%，東部閾值較高、西部較低。

在圖4中，樣本流域的面積變幅為500～5000 km2，故需論證空間尺度變化對林草—產(chǎn)沙關(guān)系的影響。為此，在暴雨占比為0.075和0.15的數(shù)據(jù)中，選擇流域面積相差較大的兩組數(shù)據(jù)重新繪圖，結(jié)果表明（圖10），流域面積大小對林草有效覆蓋率—產(chǎn)沙指數(shù)關(guān)系的影響并不明顯，這是因為“產(chǎn)沙指數(shù)”的計算公式已經(jīng)“剝離”了面積和降雨因素，而且流域的“易侵蝕區(qū)”剔除了極低效的產(chǎn)沙區(qū)?；跓o定河岔巴溝小流域在天然時期的場次洪水觀測數(shù)據(jù)，Zhang也發(fā)現(xiàn)［29］，含沙水流的水沙關(guān)系并不隨空間尺度變化而變化。

圖10 流域面積變化對林草有效覆蓋率～產(chǎn)沙指數(shù)關(guān)系的影響

綜上分析可見，對于黃土丘陵溝壑區(qū)的第1～4副區(qū)，無論流域面積大小，只要林草植被的有效覆蓋率超過55%～65%（東高西低），流域產(chǎn)沙均可得到有效遏制。

不過，對于丘5區(qū)，“將產(chǎn)沙模數(shù)控制在1000 t/（km2·a）以下”是很難實現(xiàn)的目標?；趫D7，即使林草有效覆蓋率大于60%，流域的產(chǎn)洪系數(shù)仍然較高。對比丘5區(qū)的泥沙來源及其產(chǎn)生機制可見［13］，只要有徑流存在，河（溝）床產(chǎn)沙就難以遏制。例如，在丘5區(qū)的安家溝流域（面積8.56 km2），2018年林草梯田有效覆蓋率為73%，但產(chǎn)沙指數(shù)仍高達64 t/（km2·mm）。顯然，流域的河（溝）床產(chǎn)沙占比越高，僅靠植被改善而削減產(chǎn)沙的難度越大。

需要指出，以“產(chǎn)沙指數(shù)≤7 t/（km2·mm）”和多年平均降雨量（P25）為標準提出的“可基本遏制流域產(chǎn)沙的林草閾值”，是一個宏觀的、多年平均的概念，并不意味著在極端降雨年份的產(chǎn)沙量也極少。以河龍間南部植被良好的云巖河上游為例，在過去的60年中，該區(qū)的林草有效覆蓋率基本維持在60%～90%（其中2013年90%），平均產(chǎn)沙模數(shù)為410 t/（km2·a），但2013年汛期的P25達到550.4 mm、是多年均值的3.2倍，因此該年的實際產(chǎn)沙強度達3791 t/km2——事實上2013年的產(chǎn)沙指數(shù)只有6.9 t/（km2·mm）。

7 結(jié)論

利用在黃土丘陵溝壑區(qū)實測的流域降雨、水沙和植被等數(shù)據(jù)，本文分析了林草植被變化對流域產(chǎn)沙的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在黃土丘陵區(qū)的流域尺度上，流域產(chǎn)沙能力均隨林草有效覆蓋率的增大而減小，二者大體呈指數(shù)關(guān)系。林草有效覆蓋率≤40%～45%時，產(chǎn)沙指數(shù)隨林草有效覆蓋率增大而迅速降低；之后，產(chǎn)沙指數(shù)遞減的速率越來越緩。

（2）雨強對流域產(chǎn)沙的敏感度與植被狀況有關(guān)，當Ve≤40%～50%時，雨強越大，相同植被狀況下的Si越大；但當Ve大于50%～60%后，決定流域產(chǎn)沙量的首要因素是有效雨量，雨強次之。

（3）林草植被改善是通過對流域產(chǎn)洪量和含沙量的共同減少、以及地表阻力的增大，實現(xiàn)對流域產(chǎn)沙的削減。削減洪水和增大水流的阻力均將降低黃丘區(qū)地表的水蝕動力，而含沙量降低則是地表物質(zhì)補給困難的直接反映。

（4）對于黃土丘陵溝壑區(qū)的第1～4副區(qū)，流域林草有效覆蓋率需大于20%，才能明顯發(fā)揮改善植被的減沙作用；要實現(xiàn)產(chǎn)沙模數(shù)≤1000 t/（km2·a）的目標，流域的林草有效覆蓋率需達55%～65%以上，東高西低。不過，對于丘5區(qū)，因產(chǎn)沙機制特殊，即使林草和梯田的有效覆蓋率達到60%以上，也難以有效遏制產(chǎn)沙。

與現(xiàn)有研究相比，因成果的服務(wù)對象不同，因此本研究的時空尺度更宏觀，或許更有助于詮釋黃河近年來沙大幅減少的原因和趨勢；同時，由于本文采用的林草信息均來自遙感影像，更方便與黃土高原目前推廣應(yīng)用的信息采集方式銜接。