一种区分中国黄土高原不同水土保持措施对径流减少贡献的新方法

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：A novel approach for disentangling the contributions of different soil and water conservation measures to streamflow reduction on the Loess Plateau, China

　　

研究区域：黄河中游的延河流域（Yanhe River Basin, YHRB）是黄土高原黄土丘陵沟壑区的典型代表，以严重水土流失和大规模实施水土保持措施（Soil and Water Conservation Measures, SWCMs）为特征。研究焦点：气候变化和人为活动，尤其是SWCMs，是黄土高原水文变异的主要驱动因素。然而，不同措施对径流的单独影响仍未得到很好解析。为解决这一问题，研究人员开发了一种新的归因框架，将植被恢复、梯田和淤地坝的动态SWCM数据整合到传统Budyko框架中。利用YHRB 1976–2015年的长期水文气象和SWCM实施数据，研究人员定量评估了特定SWCMs对径流减少的贡献。区域新水文见解：SWCMs（即Budyko归因中的非气候组分）主导了YHRB的径流减少，占天然径流的12.5%（1976–1985）和34.6%（2006–2015），且其影响随时间增强。贡献模式也发生了转变：淤地坝在早期几十年占主导，植被恢复在后期占优，而梯田显示出持续增加的效果。这些结果揭示了不同措施在政策和生态恢复下角色的变化。所提出的方法还为优化保护策略提供了实践指导，例如适应性植被管理和老旧淤地坝升级，以平衡土壤保持与可持续水资源。

**论文解读：基于动态Budyko框架的黄土高原水土保持措施对径流减少贡献的分离研究**

**研究背景与意义**

径流变化不仅影响社会经济用水，还关乎河流生物多样性、泥沙输移、生态系统健康及水文功能。在黄土高原，气候变化与人类活动，特别是水土保持措施（SWCMs），是水文变异的主要驱动因素。然而，不同措施对径流的单独影响尚未得到有效分离。现有归因方法，如水文模型和经验方法，存在数据需求大、无法显式表征多种措施同时实施时的个体贡献等局限。因此，亟需一个统一的时间显式框架来量化各类SWCMs对径流变化的贡献。本研究以黄河中游延河流域（YHRB）为典型区域，该区域土壤侵蚀严重，实施了梯田、淤地坝和植被恢复（如退耕还林还草工程GFGP）等多项措施，且径流显著下降。研究人员开展了一项基于Budyko假设的归因研究，旨在（1）构建动态Budyko归因框架；（2）量化1976–2015年气候变化和各项SWCMs的贡献；（3）揭示不同措施相对重要性的时间演变，为适应性保护和水资源管理提供依据。该论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

**关键技术方法**

研究人员主要采用了以下关键方法：首先，基于Budyko假设的M-C-Y（Mezentsev-Choudhury-Yang）函数，利用9年滑动平均处理水文气象数据，计算流域特征参数m_o。其次，将卫星遥感归一化植被指数（NDVI）、累积梯田面积比例（CTA_pt）和累积淤地坝控制面积比例（CDA_pt）作为SWCMs指标，建立多元线性回归模型（m_r = 1.11 + 3.60×NDVI + 4.02×CTA_pt + 0.93×CDA_pt）来模拟m_o。然后，基于Budyko分解方法，将径流变化归因于气候变化和流域下垫面变化，并进一步沿径流生成路径（植被→梯田→淤地坝）顺序分解，分别量化植被变化、梯田和淤地坝对径流减少的贡献。数据来源包括延河流域甘谷驿水文站1957–2015年日径流数据、中国气象局和黄河水利委员会的气象数据、AVHRR GIMMS NDVI3g数据集，以及陕西省淤地坝数据集和梯田面积历史清查数据。

**研究结果**

**3.1 延河流域水文气象变量趋势分析**
基于Mann-Kendall检验和Pettitt检验，发现1957–2015年降水量呈不显著下降趋势（斜率-0.70 mm·yr^-1），潜在蒸散发（PET）先降后升，径流呈显著下降趋势（斜率-0.34 mm·yr^-1，p<0.01），1996年后发生显著突变，径流量减少32%。

**3.2 延河流域SWCMs趋势分析**
NDVI在2002年发生显著突变，之后快速增加16.9%；梯田面积比例（CTA_pt）持续增长，1980年代末发生显著突变，增幅275.6%；淤地坝控制面积比例（CDA_pt）先快速增加后稳定再逐渐下降，1970年代达到峰值约30%，后因淤积降至20%左右。

**3.3 动态Budyko方法整合SWCMs的性能**
基于多元线性回归得到的模拟流域参数m_r与观测参数m_o高度一致（R²=0.79，NSE=0.71，Pbias=-2%），且基于m_r模拟的径流与观测径流吻合良好（R²=0.59，NSE=0.53，Pbias=6.1%），表明m_r可有效替代m_o用于径流模拟和SWCMs贡献量化。

**3.4 延河流域径流减少归因**
与基准期（1957–1975）相比，四个变化期（P1980、P1990、P2000、P2010）模拟径流减少量分别为13.6×10⁶ m³、30.6×10⁶ m³、73.2×10⁶ m³和83.0×10⁶ m³，与观测值除P1990外误差在可接受范围。气候变化贡献波动：P1980和P1990增加径流，P2000减少径流，P2010无显著影响。SWCMs贡献：淤地坝在P1980、P1990、P2000中为主要贡献者，P2010中植被变化成为主导（占SWCMs减少的47.9%），而梯田影响持续增加，从P1980的5.03%升至P2010的9.75%。SWCMs总贡献从12.41%升至34.57%。

**讨论与结论**

讨论部分指出，SWCMs（人类活动）是YHRB径流减少的主导因素，时间解析归因揭示了各驱动因素方向和强度的演变。植被效应从增加径流转为减少，与NDVI趋势一致；梯田持续减少径流；淤地坝效果随时间减弱，因有效库容损失。主导SWCM从淤地坝转向植被变化，这与政策时间线（早期工程措施为主，后期GFGP增强植被）和措施自身效果演化有关。此外，研究还讨论了未来管理策略，如适应性植被管理、梯田维护和淤地坝升级。不确定性分析指出，Budyko框架的长期平衡假设、数据质量、参数估计以及措施间的相互作用可能引入误差。

研究结论部分翻译如下：本研究开发了一个基于Budyko的归因框架，整合了植被恢复、梯田和淤地坝的时变SWCM指标，并应用于黄河中游延河流域。结果表明，过去四十年径流显著下降，SWCMs成为相对于气候变化的主导驱动因素，且其影响随时间增强。各项措施的贡献显著演变：淤地坝在早期几十年主导径流减少，梯田影响持续增加，而植被恢复在最近时期成为主导贡献者，超过淤地坝。此外，由SWCMs指标估算的m_r接近m_o，可作为径流模拟的实用代理。需承认若干局限性：Budyko框架应用于多年尺度，依赖长期水文气象记录和一致的SWCM数据集，可能因测量和插值误差引入不确定性；顺序分解虽提供可解释的归因，但未显式解析植被、梯田和淤地坝间潜在的非线性相互作用。未来工作可纳入气候结构附加指标，测试替代函数形式和交互项，并利用季节分辨的Budyko或弹性分析进行敏感性评估。通过在一个统一归因框架内分离单个SWCM类型的贡献，本研究为评估过去SWCM有效性并指导适应性恢复和基础设施管理提供了实用工具。研究结果强调需平衡泥沙控制效益与可持续水资源，包括适应性植被管理和老旧淤地坝的针对性升级。更广泛地，该框架可推广至黄土高原其他流域，并为多种保护措施同时演变时的径流变化归因提供通用方法。