生态脆弱区植被恢复减弱气候对泥沙连通性的控制

《CATENA》：Vegetation restoration weakens climatic control on sediment connectivity in ecologically fragile regions

　　

• 在气候和植被变化的背景下，泥沙连通性显著下降。
• 植被和土壤水分成为泥沙连通性的关键调节因子。
• 植被恢复对气候效应的影响起到了越来越强的缓冲作用。
• 人类干预在区域尺度上进一步加剧了泥沙连通性的下降。

**引言**

泥沙由土壤侵蚀产生，是地表系统中生物地球化学循环和能量流动的重要载体，在生态安全和可持续发展中发挥着至关重要的作用（Borrelli 等，2017；Shi 等，2025）。识别坡面和流域尺度内的泥沙来源、潜在汇区和输运路径已成为泥沙连通性研究的主要焦点（Heckmann 等，2018；Wang 和 Zhang，2022）。泥沙连通性指数（IC）反映了流域内泥沙转移的难易程度和连续性，为评估泥沙路径、确定水土流失易发区域以及开展水土保持工作提供了有效的指标（Najafi 等，2021；Wang 等，2022；Shi 等，2025）。该指标受气候、植被、土壤、地形和人类活动的动态交互作用所调控，这些因素在不同尺度上改变泥沙过程（Heckmann 等，2018；Liu 等，2022；Shi 等，2025）。随着气候变化加剧和人口压力增大，土壤侵蚀日益恶化，全球每年泥沙流失量超过600亿吨，土地退化不断加速（Borrelli 等，2017；Bezak 等，2024）。然而，泥沙连通性对气候与植被耦合变化的长期响应仍不清楚。弥合这一知识空白对于改善易蚀地区的水土保持、泥沙调控和生态水文学韧性至关重要（Hooke 和 Souza，2021；Wang 等，2022）。

近几十年来，泥沙连通性已成为评估不同条件下坡面和流域尺度侵蚀与泥沙输运动态及其时空变化的重要框架（Borselli 等，2008；Zanandrea 等，2021；Wang 等，2022；Liu 等，2024；Shi 等，2025）。其格局受多种环境驱动因子控制，特别是气候变化和人为活动，其时空变异性造成了泥沙连通性的异质性（Heckmann 等，2018；Llena 等，2019；Najafi 等，2021；Michalek 等，2023）。这些驱动因子通过结构性和功能性路径控制泥沙连通性。地形改造（如水库、淤地坝和梯田）主要通过改变泥沙转移路径来影响结构性连通性（Bertocco 等，2025）。相比之下，植被、土壤水分和降水侵蚀性通过影响泥沙活化、阻遏和输运效率来控制功能性连通性（Wu 等，2023）。在这些驱动因子中，气候变化和植被动态在生态脆弱和人为改造区域尤为重要，因为它们共同改变水文过程和地表条件（Liu 等，2022；Wang 等，2022；Tiwari 等，2025）。然而，在气候与植被交互条件下泥沙连通性的长期演化仍缺乏充分的量化研究，这限制了恢复效果的准确评估和针对性侵蚀控制策略的制定（Zanandrea 等，2021；Shi 等，2025）。

气候变化通过改变降水量、强度、持续时间和空间异质性，成为地表过程的动态驱动力，进而通过改变径流、侵蚀和泥沙输运来影响泥沙连通性（Hooke 和 Souza，2021；Michalek 等，2023）。降水量和强度的增加可以增强水流动能和泥沙移动，而极端降雨事件及其不均匀分布可以加剧土壤侵蚀和泥沙连通性的空间差异（Xu 等，2021；Wang 和 Zhang，2022）。蒸散和潜在蒸散可能通过调节陆地与大气之间的水热交换以及植被生长和地表条件来进一步影响泥沙连通性（Haghighi 等，2018；Eekhout 和 de Vente，2022）。气候因子与植被动态的交互作用在长时间尺度上塑造泥沙连通性，但其机制仍缺乏充分的理解（Heckmann 等，2018；Eekhout 和 de Vente，2022）。

泥沙连通性受植被的强烈影响，因为植被调控生态水文过程并降低地表径流速度（Liu 等，2022；Hooke 和 Souza，2021；Wang 等，2022）。植被通过树冠、枯落物和根系效应减少径流量和能量，提高土壤抗侵蚀能力，从而降低泥沙连通性（Zhang 等，2023；Liu 等，2024；Zhao 等，2024）。这些效应主要通过增加树冠截留、枯落物覆盖、根系固结、地表粗糙度和入渗来实现，从而减少径流速度、水流剪切力和泥沙输运能力（Zhang 等，2014；Yamasaki 等，2021）。植被生长和群落演替也可以改变表层土壤性质，影响水文路径，并通过景观单元限制泥沙移动（Chen 等，2023；Tiwari 等，2025）。此外，由降水和地形决定的植被格局在泥沙连通性的时空变化中发挥重要作用（Llena 等，2019）。植被斑块排列和配置的变化可以改变泥沙来源和汇区的时空分布，并影响降雨分配、径流汇聚、土壤剥蚀和泥沙输运能力，从而导致泥沙连通性的变化（Zhang 等，2014；Yamasaki 等，2021）。此外，垂直植被结构的复杂性可以增强径流截留和抗侵蚀能力，进一步影响泥沙连通性（Chen 等，2021）。

除气候和植被外，人类活动通过改变地表性质和泥沙输运路径来影响泥沙连通性（Heckmann 等，2018；Zhang 等，2023）。土地利用和土地覆盖变化可以改变植被格局，重塑泥沙来源与汇区之间的关系（Llena 等，2019；Bettoni 等，2023）。人为引起的景观改造，如道路建设和采矿，可能暴露表土、加剧侵蚀并增加泥沙连通性（Barbosa-Briones 等，2024；Xu 等，2024）。相比之下，黄土高原流域尺度研究表明，淤地坝和梯田可以通过截断输沙路径和增强泥沙滞留来减少产沙量（Zhao 等，2017；Zhang 和 She，2021；Ma 等，2024）。人类扰动和植被生长也可以改变土壤水分以及持水和入渗能力，这可能影响径流量和土壤侵蚀强度，从而在时间上影响泥沙连通性（Luo 等，2024）。尽管已有这些发现，但在气候和植被变化共同作用下控制泥沙连通性的主导长期机制仍缺乏充分的理解。具体而言，植被恢复是否能够通过持续的生态水文调节来削弱气候对泥沙连通性的控制作用仍不清楚。

黄土高原粗砂丘陵流域（CSHC）是全球侵蚀最严重的区域之一，这与其脆弱的地理条件和强烈的人类扰动有关（Zhang 等，2021）。该地区是黄河的主要泥沙来源区，贡献了黄河总输沙量的70%以上（Zhao 等，2021）。自20世纪90年代以来，大规模植被恢复改善了植被覆盖度和结构，减少了土壤侵蚀，并对黄河输沙量的持续下降做出了贡献（Wang 等，2016；Zhao 等，2021；Wang 等，2022）。然而，生态改善与气候变化相结合改变了降水格局、地表条件和水文响应，导致径流与泥沙输运之间出现日益增大的不匹配（Zhang 等，2020；Zou 等，2022）。总之，尽管已有大量关于黄土高原土壤侵蚀和植被恢复的研究，但在气候和植被变化交互作用下泥沙连通性的长期动态仍缺乏充分的理解。我们假设植被恢复可以削弱气候对泥沙连通性的控制作用。利用33年的数据集和一个综合框架（结合趋势分析、机器学习、因果推断和结构方程模型），我们旨在：(1) 量化泥沙连通性的时间趋势，(2) 确定主导控制因子，以及 (3) 阐明气候和植被调控泥沙连通性的机制和路径。该框架为长期泥沙连通性动态提供了更全面的理解，并为生态脆弱地区的适应性流域管理提供了新的见解。

**研究区**

粗砂丘陵流域（35°25′2″–40°39′22″N, 107°13′48″–112°53′49″E）位于黄河中游，跨越都兰站与龙门水文站之间的区域（图1a）。该流域面积为1.30×10? km2，占黄河流域总面积的15%，海拔从373米到2810米不等（Zhang 和 She，2021）。该地区属温带大陆性季风气候，年降水量为300……

**粗砂丘陵流域泥沙连通性的年代际变化与趋势**

过去三十年间，粗砂丘陵流域的泥沙连通性表现出显著的时间变异性。年平均IC值从?6.17到7.27不等，平均值为3.07，变异系数为34.64%（图2a）。较高的IC值主要出现在北部和中部子区域，而南部和西南部区域则以较低的IC值为主。从1991年到2023年，平均IC显著下降（p < 0.01），总斜率为?0.027单位/年（图2b）。

**气候和植被变化下的泥沙连通性长期下降**

过去三十年间，粗砂丘陵流域的泥沙连通性表现出显著且持续的下降趋势，这很大程度上可归因于气候变率与生态恢复的叠加效应（Zhao 等，2021；Liu 等，2022；Wang 等，2022；Michalek 等，2023）。自1999年启动的退耕还林工程导致了大规模植被恢复，逐步改变了地表过程，减少了径流并中断了泥沙输运……

**结论**

本研究调查了黄土高原粗砂丘陵流域在气候变化和植被恢复背景下泥沙连通性的长期动态和主导驱动因子。从1991年到2023年，泥沙连通性显著下降（?0.027单位/年，p < 0.01），主要受大规模植被恢复和不同气候条件的驱动。与降水相比，植被表现出更持久且空间范围更广的影响，表明植被介导的过程在……

**CRediT 作者贡献声明**

王城树：撰写——原始草稿，可视化，方法论，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。
舍东利：撰写——审阅与编辑，概念化。
黄轩：形式分析。
何其林：数据整理。
张鹏：数据整理。
杜敏：形式分析。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能对本研究中报告的工作产生不当影响。

**致谢**

本研究得到江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20251489）和中央高校基本科研业务费专项资金（B250201074）的支持。

王城树 | 舍东利 | 黄轩 | 何其林 | 张鹏 | 杜敏