全 文 ：第 !" 卷第 # 期
!$$" 年 # 月
生 态 学 报
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/012 !"，.02 #
-342，!$$"
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基金项目：国家基金委员会重点基金资助项目（5$678$!"）；国家重点基础研究发展计划 #"7 资助项目（!$$"&95$"!$"）；中国科学院地理科学
与资源研究所知识创新工程资助项目（&:,)+;%$5;<$）
收稿日期：!$$6;$";$=；修订日期：!$$6;作者简介：郑明国，（<#"< >），男，湖北钟祥人，博士生，主要从事遥感和地理信息系统的应用以及侵蚀产沙建模研究2 (;?@A1：BC?DEBC?DF
<672 G0?
’通讯作者 &0HH3I40JKAJD @LMC0H2 (;?@A1：G@ANDF ADIJHH2 @G2 GJ
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G0?
黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响
郑明国<，!，7，蔡强国<，!，’，陈\ 浩<，!
（<2中国科学院地理科学与资源研究所，北京\ <$$<$<；!2中国科学院陆地水循环和地表过程实验室，北京\ <$$<$<；
72中国科学院研究生院，北京\ <$$$7#）
摘要：根据晋西离石试验站的观测结果和相关文献的数据，研究了黄土丘陵沟壑区植被对坡面小区、全坡面、小流域及中大流域
5 个空间尺度水沙关系的影响。对梁峁坡坡面小区言，由于植被提高了土壤抗蚀性，因此植被不仅通过减水来减沙，也通过改
变水沙关系来减沙。但在全坡面尺度，土壤侵蚀以沟蚀为主，由于植被措施难以改变沟道的各种水利参数，也难以有效控制切
沟沟壁的重力侵蚀，导致水流进入沟道后仍然可以获取充足的泥沙，因此认为植被不会改变全坡面尺度的水沙关系。同样对于
各级流域，由于植被措施难以改变沟道的输沙能力和黄土丘陵沟壑区流域泥沙来源充沛的特点，因此植被措施也不会改变其水
沙关系，植被的减沙效应仅通过减水来实现。对离石试验站的一对水土保持对比沟的研究表明，即使在沟道已有茂密植被生长
的情况下，高含沙水流的输沙能力也没有改变，这使得两者的水沙关系统计上可以认为完全一致。由于大流域水沙关系主要取
决于沟道或河道的特性，而植被等坡面措施很难改变沟道或河道特性，因此认为流域尺度越大，植被越难以改变其水沙关系。
关键词：水沙关系；植被；尺度；黄土丘陵沟壑区
文章编号：<$$$;$#77（!$$"）$#;78"!;<$\ 中图分类号：]#5=，-<852 <\ 文献标识码：%
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水土流失是典型的多重尺度变异过程［>］。在不同空间尺度上，主导的侵蚀产沙过程不同，泥沙侵蚀搬运
的机理亦不同，水沙过程会呈现不同的规律［E］，故对应不同空间尺度，各种水土保持措施的减蚀机理可能存
在差异，这导致各种水保措施的减蚀效益在不同空间尺度上也可能不同。植被是重要的水土保持措施，已有
大量的植被减水减沙研究的报道，但一方面许多研究在小区或坡面尺度上展开，然而坡面或小区很难代表整
个流域的景观要素变异和水文过程，利用径流小区实验数据外推到大尺度上很难反映出水土流失的尺度变异
性［>］。如一些研究发现，尽管由于如土地利用、气候等的变化，坡面侵蚀速率发生了变化，但对流域出口产沙
量并无显著变化［F G ?］，所以坡面减蚀效果最好的植被或其它措施在流域尺度未必也有最好的水土流失防治效
果。另一方面，植被与水土流失过程的关系随着尺度的不同会发生变化［H］，在不同空间尺度上，植被及其它
水保措施是通过减水而减沙、还是通过改变水沙关系来减沙这一问题，涉及到在更大空间尺度上对坡面试验
结果评价问题，需要在不同尺度给出明确的答案。本文在一种新的流域水沙关系模型基础上，对黄土丘陵沟
壑区植被在不同空间尺度的减沙机制问题进行了探讨。
)* 研究区概况及数据来源
黄土丘陵沟壑区是黄河泥沙的主要来源，是黄土高原水土流失最严重的地区，多年平均土壤侵蚀模数达
>IIII " $ J1E以上［K］。本区气候干燥，年平均雨量约 ?II 11，其中 KIL以上集中在 K G M 月份。降雨大多为历
时短、范围小的局部暴雨［N］。表土主要是马兰黄土，土质输送，粉粒含量一般在 HIL以上［K］。地表被切割成
很多大小不等的沟道小流域，这些小流域的土壤组成、地貌形态、侵蚀方式及产沙输沙特性基本相同［N］，都自
成一个产沙的基本单元，也是流域集中治理的基本单元。
本文数据来自相关文献及离石试验站观测资料。离石试验站位于晋西离石王家沟流域，流域地形破碎，
沟壑纵横，主要农作物包括玉米、谷子等，自然条件和社会经济状况在黄土丘陵沟壑区具有典型的代表性。试
验站内布设的一对水土保持对比沟———羊道沟和插财主沟被选择进行小流域尺度的研究，大局梁小区和松树
梁小区被选择用于梁峁坡坡面尺度的研究，羊道沟流域的全坡面（包括梁峁坡和沟坡两个地形单元）小区用
于进行全坡面尺度的研究，基本情况分别可见表 > 和表 E。
在黄土丘陵沟壑区，自峁顶向下，地面坡度逐渐变陡，主导侵蚀方式也发生变化，峁顶以溅蚀、片蚀为主，
梁峁坡上部以细沟侵蚀为主，下部以浅沟为主，沟缘线以下沟坡部分以切沟侵蚀和重力侵蚀为主［M］。切沟的
FK?FO M 期 O O O 郑明国O 等：黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响 O
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表 !" 羊道沟和插财主沟流域地貌特性及观测数据情况
#$%&’ !" (’)*+’,- .*’&) )$-$ $,) /$-’012’) 3043’0-*’1 540 6$,7)$4748 $,) 92$:$*;28748 /$-’012’)1
地点
/)(-",).
观测年限
012’34’5
#’3,)5
暴雨记录次数
6781’3 )9
3’()35’5
’4’."2
流域面积
:3’-
（;8<）
主沟长度
=-,. +7**>
*’.+"!（8）
平均宽度
?-"’32!’5
%,5"! （8）
沟壑密度
@3-,.-+’
5’.2,">
（;8 $ ;8<）
平均比降
=’-.
2*)#’ （A）
流域坡度分级
B’3(’." -3’- 9)3 5,99’3’."
2*)#’ +3)7#（A）
C D
EF（G）
EH D
IC（G）
J IC（G）
插财主沟
K!-(-,L!7+)7
271%-"’32!’5
EMFH D NC OM C& EMI NNH 羊道沟
Q-.+5-)+)7
271%-"’32!’5
EMFH D NC EEP C& 表 <" 坡面小区特性及观测数据情况
#$%&’ <" =>3’0*+’,-$& 3&4-1 3043’0-*’1 $,) 1’)*+’,- .*’&) )$-$
地点
/)(-",).
空间尺度
B*)" ">#’
地面覆盖
/-.5 ()4’3
坡度
R*)#’
+3-5,’."
坡向
R*)#’
-2#’("
坡长
R*)#’
*’.+"!
（8）
土质
R),*
面积
:3’-
（8<）
观测年限
012’34’5
#’3,)5
松树梁
R).+2!7*,-.+
梁峁坡坡面
B*)" -" ,."’3S
+7**> -3’-
谷子
T-38*-.5
ICG 6U *)’22
大局梁
@-V7*,-.+
梁峁坡坡面
B*)" -" ,."’3S
+7**> -3’-
刺槐林地
W)1,.,- T)3’2"
IEG 6U 黄土
*)’22
EMFN D EMFM
EMHI D EMHP
羊道沟
Q-.+5-)+)7
全坡面
U.",3’ !,**2*)#’
上部为农地，
下部为荒坡
T-38*-.5 -" 7##’3 2*)#’2
-.5 %-2"’ *-.5 -"
*)%’3 2*)#’2
6U EOF 黄土
*)’22
PEHN EMHI D EMHO
重力侵蚀以小型滑塌和崩塌为主，重力侵蚀物质很少在沟底堆积［EC］，往往 E、< 年或 E、< 次大暴雨就可将其搬
运走［EE］。切沟以上级别的沟道，重力侵蚀的规模变大，滑塌和崩塌、滑坡和红土泻溜等重力侵蚀方式均占据
一定比例，大型的重力侵蚀，可使产沙滞后期变长［EC］。如羊道沟上部左侧曾发生已一大型滑坡，几十年来被
搬运的泥沙还不足 ECA ［M］。重力侵蚀是黄土高原侵蚀产沙的重要方式之一［EC］。重力侵蚀和具有高强度搬
运能力的高含沙水流之间存在极强的耦合关系，这保证了重力侵蚀物质的迅速搬运，这种耦合关系被认为是
黄河中游极高的侵蚀产沙强度的最重要原因［E<］。
<" 结果与讨论
<& !" 基于大流量的水沙关系模型
黄土丘陵沟壑区，许多流域存在较好的水沙关系［M］。对次洪径流深 !和产沙模数 "的拟合，一般采用幂
函数或者线性函数形式，通常都有很高的决定系数。研究区也有类似回归结果（表 I），但拟合结果显示，尤其
对于径流深较大的洪水，线性函数的拟合结果远好于幂函数。对于全坡面，幂函数的决定系数高于线性函数，
但图 E（-）显示对较大的洪水，线性函数拟合效果也是明显优于幂函数，删除 EMHI 年 F 月 次暴雨属于年度首次暴雨，可能由于雨前积累了大量松散物质，故该次暴雨平均含沙量异常地高），线性函数
的决定系数为 C& MN，而幂函数为 C& MI，故可认为对全坡面和小流域，至少对径流深较大的洪水，线性函数更符
合水沙关系的实际。
众多的研究表明，黄土丘陵沟壑区不同尺度流域都具有一个共同的输沙特点，即当流量小于某一临界值
时，含沙量变幅极大，当流量超过该临界值时，含沙量的变幅明显缩小，逐渐趋于一个稳定值［N，O］。对一次洪
水过程来说，其平均含沙量应该主要是由其大流量时的挟沙情况所决定，涨水初期和落水后段的小流量时段
PNFI X 生X 态X 学X 报X X X !""#：$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
对次洪的平均含沙量应该影响很小。而由上述，一次洪水过程中的大流量时段含沙量是稳定的，所以历次洪
水的平均含沙量应该相差不大，且和超过临界流量后的稳定含沙量接近。事实上全坡面也具有流量超过某一
临界值后含沙量稳定的特点!，因此对径流深较大的洪水，其平均含沙量便和羊道沟、插财主沟一样趋于稳定
（图 /（0）和图 1（0））。故可用正比关系式即 ! 2 "#形式来表示次暴雨的水沙关系，回归结果见表 1，结果好
于幂函数形式，决定系数和 $ 2 %& 3 ’形式几乎完全相同。
表 !" 研究区次暴雨径流深（#，44）和输沙模数（!，" $ 546）的回归结果
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站名
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方程 >?#8’::,). )6
羊道沟
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/* EB F* G11 ! 2 H6/* G1# I 6CB* H1 F* BH/ ! 2 H//* F1! F* BCB
插财主沟
J!-(-,K!9+)9 :90%-"’8:!’A ! 2 6EC* D#
/* EF F* G/B ! 2 CHD* E/# I //H* /C F* BCD ! 2 CCG* EC! F* BCH
全坡面
>.",8’ !,**:*)#’ #*)" ! 2 1D6* H#
/* 6/ F* BE ! 2 C6B* FE# 3 GF* HG F* GEB ! 2 C1C* BE! F* GEG
图 /L 全坡面次暴雨水沙关系
M,+& /L ;9.)==N:’A,4’." O,’*A 8’*-",).:!,# -" ’.",8’ !,**:*)#’ :(-*’:
（-）径流深与侵蚀模数 89.)== A’#"! P’8:9: ’8):,). 8-"’，（0）径流深与次暴雨平均含沙量 89.)== A’#"! P’8:9: 4’-. :")84 :’A,4’." ().(’."8-",).
L L 由上述，! 2 "#模型中的 "值是次暴雨过程中流量超过临界值后的稳定含沙量和历次洪水的平均含沙
量。黄土地区侵蚀物质充沛，产沙强度是由水流的输沙能力所决定，可以认为每次洪水过程中水流基本都达
到输沙能力，故 "值也表示流域平均每单位径流深的输沙能力。
7& 7" 对梁峁坡坡面小区的影响
植被冠层可以直接截流降雨，根系和枯枝落叶层可以疏松土壤，增加雨水入渗，减少径流，同时还可以通
过固土作用和改良土壤理化性质以提高土壤的抗蚀抗冲能力［B，/1］。这表明，在坡面尺度上，植被不仅通过减
水而减沙，而且由于植被增加了土壤抗蚀性，单位径流的侵蚀和输沙能力变小，植被也通过改变水沙关系来减
沙，因此坡面尺度上植被的减水率应大于减沙率。研究区人工造林和人工种草小区 /BCC Q /BGG 年的观测资
料表明，人工林地小区平均减水减沙率分别为 1F& GR和 GG& GR，人工草地平均减水减沙率分别为 C& HR和
DD& ER ［/E］。松树梁和大局梁小区除地面覆盖类型一个是农耕地，一个是刺槐林地外，其它情况基本相同（表
6）。图 6 显示，两个小区的水沙关系迥然不同，刺槐林地小区的每单位径流产沙远小于农耕地小区，对于较大
CDC1L B 期 L L L 郑明国L 等：黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响 L
! 王兴奎&黄土丘陵沟壑区高含沙水流的形成和汇流过程&北京：清华大学硕士学位论文，/BGF& E6 Q CB&
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的次暴雨，大局梁小区刺槐栽种第 / 0 1 年后单位径流产沙又远小于第 2 0 3 年，表明小区土壤抗蚀性逐渐
提高。
图 45 植被对小区尺度水沙关系的影响
6,+& 45 788’("9 )8 :’+’"-",). ). ;<.)88=9’>,?’." @,’*> ;’*-",).9!,# -" ’A#’;,?’."-* #*)"9
（-）大局梁小区 B-C<*,-.+ #*)" （D）松树梁小区 E).+9!<*,-.+ #*)"
!& "# 对全坡面的影响
图 2（D）显示，当次洪径流深大于 F ?? 后，对全坡面，次洪平均含沙量基本稳定。坡面上产生的水流和
泥沙主要通过切沟汇入更高级别沟道，可以认为，若梁峁坡的来水含沙量超过了切沟的输沙能力，则泥沙会在
切沟内沉积，若小于切沟的输沙能力，则会从切沟的重力侵蚀物质中获取补充，以达到其输沙能力。由于重力
侵蚀物质充沛，这保证了对于较大的次暴雨，水流都能达到由沟坡地形、泥沙性质等因素限制下的稳定输沙能
力，故其平均含沙量保持稳定。
植被种植后，要想改变全坡面尺度的水沙关系，要么通过改变泥沙性质、沟道地形、沟道底部的粗糙程度
等改变切沟的输沙能力，或者控制重力侵蚀的发生，使水流进入沟道后不能获取充足的泥沙。植被可以有效
地控制面蚀，但却不能完全控制重力侵蚀和沟谷侵蚀［24］，这使得植被种植后沟坡区仍然能为水流提供充足的
沙源。由于重力侵蚀堆积物质没有分选性，因此植被种植不会改变沟道内泥沙的颗粒性质。植被能够有效减
小溅蚀和面蚀的强度，甚至由于减小径流，也可以抑制细沟的产生；浅沟的深度为几十厘米到 2 0 4 米［2F］，在
这一深度，根系对土壤的各种作用仍可进行，而且根系的拦截会使得泥沙在浅沟中滞留，反复进行的结果会改
变变浅沟的微地形条件，使浅沟变缓变平，径流挟沙力变小，从而改变梁峁坡的水沙关系。但黄土高原切沟的
深度一般在一、二米到十几米，宽几米到几十米［2F］，王家沟的切沟宽度一般为 2G 0 3G?，切深 F 0 4G?［2G］，这一
深度已基本超出根系对土壤的作用范围，同时在较短的时间范围内，植被等坡面治理措施也难以对切沟的地
形条件有明显的改观。从平均状况看，切沟中的土壤湿度整体都偏低［2H］，且由于雨季高含沙水流的冲刷作用
以及重力侵蚀的频繁发生，在沟道内人工种植植被成活率较低，野外观测也表明，即使在草木生长的旺季，许
多切沟沟道内仍然植被稀疏，因此沟道底部的粗糙程度被改造的可能性也不大。在沟道地形、泥沙性质、沟道
底部的粗糙程度均不变的情况下，可以认为切沟的输沙能力也不变。尽管植被等坡面措施可以使发生在梁峁
坡上的面蚀、细沟甚至浅沟侵蚀减小，使得进入沟坡的水流含沙量降低，但水流进入切沟后，由于重力侵蚀仍
然提供了充足的沙源，水流在沟坡区会补充更多的泥沙，以达到和植被种植前相同的输沙能力，使得相同的水
流条件下全坡面产沙也相同，即植被种植前后全坡面的水沙关系保持不变。
!& $# 对小流域的影响
!& $& %# 羊道沟和插财主沟
羊道沟和插财主沟是王家沟流域上游的两个毗邻小流域，流向一致且自然条件非常近似（表 2）。羊道沟
完全未经治理，人类的垦殖活动正常进行，农地占流域面积的 FI& IJ，天然荒坡在频繁放牧下，植被稀疏，覆
H/F3 5 生5 态5 学5 报5 5 5 4/ 卷5
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盖度在 /01以下［2］。插财主沟治理前水土流失与羊道沟流域基本相同，从 3245 年开始进行以林草为主多项
措施相结合的水土流失综合集中治理。梁峁坡中上部治理措施包括草田轮作、修建梯田和地埂，下部人工种
植牧草（草木栖），沟坡治理主要是造林并采取封禁措施使荒坡植被得以恢复，主要树种包括刺槐、柳树、山杏
等，封禁几年后沟谷郁闭度就达到 0& 51 60& 71以上，夏秋两季沟谷内林草茂密，林下有薄层枯枝落叶层［2］。
观测期间羊道沟年均产沙模数为 80733 " $ 9:8，插财主为 740/ " $ 9:8，由于插财主沟治理措施中无淤地坝等沟
道措施，因此羊道沟和插财主沟是研究坡面水保措施及植被对流域水沙关系影响的非常好的样本。
图 /; 羊道沟和插财主沟次暴雨水沙关系比较
<,+& /; =):#->,?). )@ >A.)@@B?’C,:’." D,’*C >’*-",).?!,# )@ "%) ?"AC,’C %-"’>?!’C?
（-）径流深与产沙模数 >A.)@@ C’#"! E’>?A? ?#’(,@,( ?’C,:’." D,’*C（F）径流深与次洪平均含沙量 >A.)@@ C’#"! E’>?A? :’-. ?")>: ?’C,:’."
().(’.">-",).;
图 /［3G］表明对于较小的洪水，径流深和产沙模数的关系比较散乱，随着洪水径流深的变大，次洪平均含
沙量趋于稳定，径流深和产沙模数的关系也逐渐趋于线性。与坡面情况完全不同（图8（-）），插财主沟的水沙
关系并没有随流域治理的进行表现出明显的变异。图 /（-）中径流深大于 3 ::的洪水，两个流域的点据完全
混杂在一起。但表 / 中两个流域按 ! H "#形式回归后的系数略有差异。按 $ H %& 形式进行回归计算时，径
流深最大的几次洪水对回归结果有很大影响。图 / 中插财主沟径流深最大的一次洪水（3252 年 G 月 85 日）
有 / 个较大的洪峰，前两个洪峰时含沙量都很大，但第 / 个洪峰含沙量却很小，这表明由于该次洪水量级较
大，后期没有得到充足的泥沙供应，第 / 次洪峰时的含沙量远低于水流的输沙能力，这使得该次洪水的流量含
沙量关系没有表现出大流量时含沙量稳定的特点，这与一般的洪水过程迥然不同，该次洪水的平均含沙量
（IG8 9+ $ :/）也因此较低。删除这次洪水数据后，插财主沟回归系数变为 50G& /7，与羊道沟的回归系数
533J 0/ 几乎相等［3G］。
为进一步验证两流域水沙关系相同，即表 / 中的两个流域按 $ H %&形式的回归结果相同，设计了以下的
检验方法。首先将两个流域的产沙模数数据合并形成因变量 !，然后构造两个自变量 #3和 #8。#3由两个流域
的径流深数据合并得到，#8按以下形式构建：对应于 ! 中羊道沟的产沙模数，#8取对应洪水事件的径流深，对
应于 !中插财主沟的产沙模数，#8全部取 0。这样对 / 个变量按 ! H "#3 K ’#8形式回归，"值完全由插财主沟的
数据决定，’值反映了表 / 中的两个流域回归系数的差，若两个流域水沙关系相同，则 ’ 应显著地等于 0。对
羊道沟和插财主沟全部数据按以上方法 (检验结果（) H 0* 03）表明在 0* 04 的显著性水平上必须拒绝 ’等于 0
的原假设，但删除插财主沟 3252 年 G 月 85 日的数据后，回归分析结果为 ! H 50G* /7#3 K /* 54#8，对系数 ’进行
(检验的结果（) H 0* 77）表明不能拒绝 ’等于 0 的原假设，因此可认为表 / 中的两个流域水沙关系相同。
流域尺度的沟道规模比切沟更大，植被等坡面措施更加难以改变其地形条件，但插财主沟的沟床上已有
茂密植被生长，显然对水流强度会有明显影响。在黄土高原，仅通过雨滴溅蚀就能在坡面形成高含沙水流，故
GG4/; 2 期 ; ; ; 郑明国; 等：黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响 ;
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从坡面细沟、浅沟、切沟到河道，整个侵蚀过程都是在高含沙水流的作用下进行的［/0］。植被可以使梁峁坡坡
面很难发生高含沙水流，但由于水流在切沟内能够获取充足的泥沙来源，故插财主沟流域治理后，沟道内仍然
可以观测到高含沙水流，事实上在黄土高原，即使林地面积在 123以上时，仍然不能避免高含沙水流的发
生［/0］。进入高含沙水流范畴后，含沙量的进一步变大，不但不要求水流强度的增大，而且只要更弱的水流强
度即可维持输沙平衡［/0］，换言之，高含沙水流的输沙能力并不一定随水流强度降低而减小［/4］。因此在洪水
后期在流量非常小时也能观测到非常高的含沙量。前文所述流量超过某一临界值后含沙量趋于稳定也可看
作水流强度超过该临界后径流输沙能力并不随水流强度的减弱而变低。因此尽管植被增加了插财主沟沟床
的粗糙程度，减弱了水流强度，但由于水流强度仍然在该临界值以上，故水流强度的降低并没有导致输沙能力
的变小，使得插财主沟治理后，沟道的输沙能力没有变化。
由于水流在切沟中仍然可以获取充足的泥沙，同时由于冲沟沟道本身的重力侵蚀作用，可以认为，插财主
沟治理后，沟道内仍能为水流提供充足的泥沙来源。在沟道输沙能力没有变化，且泥沙来源仍然充沛的条件
下，可以认为插财主沟治理后与治理前相比仍然是有多少水，就产多少沙，即水沙关系仍然保持不变，植被及
其它坡面理措施仅通过减水来减沙［/5］。在 /1 -的观测时段内，与羊道沟相比，插财主沟共减水 11& 63，减沙
16& /3，减水率与减沙率接近正说明了这一点。
图 78 插财主沟和王家沟次暴雨过程的稳定含沙量比较
8 9,+& 7 8 :!’ ;"-<*’ ;’=,>’." ().(’."?-",). )@ "%) ;"A=,’= %-"’?;!’=;
=A?,.+ ;,.+*’ @*)% ’B’.";
由于径流深较小的洪水可能洪峰流量都小于达到
稳定含沙量所需要的临界流量，随机选取了插财主沟一
次径流深较大的次暴雨，并与羊道沟径流深相同的一次
次暴雨进行比较（图 7）。插财主沟该次洪水前期影响
雨量是 77& 4 >>，径流深 /0& 0 >>，洪峰流量 /C D7 >D $
;，平均含沙量是 E12 F+ $ >D；羊道沟该次洪水前期影响
雨量是 1E& / >>，径流深 /0& D >>，洪峰流量 DC 775 >D $
;，平均含沙量是 E/6 F+ $ >D；从图 7 可以看出，插财主沟
的稳定含沙量为 512 F+ $ >D左右，羊道沟为 E12 F+ $ >D左
右，洪水过程中流量很小时含沙量就已经达到了稳定含
沙量，绝大部分径流含沙量都可以用稳定含沙量表征，
因此稳定含沙量和次洪平均含沙量差异不大，这验证了
前述可用稳定含沙量代替次洪平均含沙量的观点。这
两次洪水的径流深相同，前期含水量接近，尽管羊道沟
的洪峰流量远大于插财主沟，但仍然出现了插财主沟的
平均含沙量大于羊道沟的情况，其原因可能与前期沟道滞留物质有关。当雨强较大时，黄土物质不论粗细，均
可自坡面外移，不发生分选，但进入沟道后，由于比降减小，如果流量不大，则粗颗粒泥沙会在沟床落淤，若流
量较大，水流将冲刷沟床，补充前期落淤的粗颗粒泥沙，使含沙量继续增加，物质组成不断变粗［4］。对高含沙
水流的研究表明，不同粒径的泥沙随总含沙量的变化方式不同，随总含沙量的变大，小于 2C 2/ >> 的细颗粒
的百分比趋向于某一极限后不再增大，2& 21 G 2& / >>粗颗粒泥沙随总含沙量变大而变大，为线性关系，而大
于 2& / >>的泥沙只有在含沙量大于 E22 F+ $ >D后，才大量进入悬浮状态，在总含沙量中的百分比迅速提
高［/6］。正是因为如此，黄土高原地区的砂黄土地带的高含沙水流的挟沙力和极限含沙量要大于黄土和粘黄
土带［02］。当大于 2& / >>的泥沙进入高含沙水流后，会使得含沙量进一步增加，但黄土中粒径大于 2C / >>
的泥沙含量很少，所以研究区所观察到的稳定含沙量应该是在此种泥沙供应条件限制下的稳定含沙量。由于
黄土中所有粒径的泥沙都能进入沟道，在多次小强度降雨之后，沟道中可能淤积较多的粒径在 2C / >> 以上
的泥沙，此时如果发生大强度的暴雨则可能其稳定含沙量要比一般情况下更高。在插财主沟 /6E0 年 5 月 /1
日降雨之前，5 月 0 日、/0 日、/7 日分别发生了径流深为 2& /、2& /、2& D >>的小强度降雨，而羊道沟 /6EE 年 4
451D 8 生8 态8 学8 报8 8 8 05 卷8
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月 /0 日之前 1 月 /2 日已有一次径流深为 /1& / 33的洪水，故羊道沟该次降雨之前沟道中不可能有很多粗颗
粒物质滞留，而插财主沟该次降雨之前沟道中应该有大量的粗颗粒物质，尤其是粒径大于 4& / 33的泥沙，正
是这一原因使得其稳定含沙量大于羊道沟。
!& "& !# 桥子东沟和桥子西沟
桥子东沟、西沟流域位于甘肃省天水市，是藉河左岸支沟罗玉沟内的一对相邻支沟，也属黄土丘陵沟壑
区，桥子东沟面积 /& 25 637，干沟长 7& 40 63，平均比降 /5& 58；桥子西沟流域面积 /& 49 637，干沟长 7& /7
63，平均比降 /5& :8。两个流域自然条件基本相似［7/］，多年平均降水量 ;79& : 33，径流均全部发生在汛
期!。治理以前两流域土地利用均以坡耕地为主，主要农作物有小麦、玉米等。/91; 年开始进行水土保持措
施监测对比。桥子东沟为治理流域，治理措施主要是种植植被和修建梯田，植被类型主要包括刺槐、山杏和草
地，无沟道工程措施。到 744/ 年，桥子东沟坡耕地面积仅占流域面积 1& 2/8，梯田占 02& /78，与 /91; 年比，
林地面积增加 4& ;1 637，森林覆被率达到 00& 028 !，林草分布较为合理，易发生侵蚀的沟坡均有植被［77］。而
桥子西沟一直没有进行人为的正向干扰，没有采取任何水土保持措施，植被稀疏!。桥子东沟的治理措施发
挥了很好的减水减沙效益，野外观测表明，在梯田和林草地内，由于水流流速减缓，有泥沙落淤，表明其径流挟
沙能力变小。同样在流域出口，在相同降水条件下，已治理小流域的径流量、产沙量、洪峰流量、最大输沙率等
指标均小于未治理小流域［7/］。观测期间桥子东沟平均年径流总量为 /7444 32，平均年输沙量为 2554 "，桥子
西沟平均年径流总量为 7/144 32，平均年输沙量为 :244 "!，植被等措施的减水率为 00& 98，减沙率为 09&
18，平均每单位径流输沙量桥子东沟为 24; 6+ $ 32，桥子西沟为 22; 6+ $ 32，这说明植被和梯田等坡面措施仅
改变了桥子东沟的径流量，即降雨和径流之间的关系，并使得坡面水流的输沙能力减弱，但对流域言，坡面措
施并没有改变沟道的输沙能力，/91: < 7440 年间的两个流域次暴雨水沙关系的回归分析结果也充分证明了
这一点，桥子东沟的回归关系式为!：
! = 22;" /2#/" 420 （$7 = 4" 91;） （/）
桥子西沟的回归关系式为：
! = 220" :0#/" 4;4 （$7 = 4" 9;0） （7）
以上两式中指数非常接近于 /，说明该区流域尺度的水沙关系也可以用 ! = %# 形式来表示。指数和系
数均非常接近，表明两个流域具有相同的水沙关系，桥子东沟植被等坡面治理措施并没有改变它的水沙关系。
!& $# 对中大流域的影响
对小流域言，坡面汇流占主导地位，坡面来水来沙对流域汇水汇沙有显著影响，而当流域面积增加时，坡
面过程对其汇水汇沙影响减小，沟道过程对其水沙特性起着决定作用，因此对于泥沙输移言，小流域主要受坡
面过程的影响，而大流域主要受沟道过程的影响［//］。>!,) 地区的研究表明，小流域产沙与降雨特性、植被盖
度有很好的相关性，但大流域产沙与河道水流特性之间存在很好的相关性，?,..’@)"- 地区的研究也有相似的
结论［72］。可以认为流域面积越大，水沙关系受坡面性质的影响越小，大流域水沙关系主要取决于沟道或河道
的特性，而植被等坡面措施很难显著改变大流域的沟道或河道性质，因此植被等坡面措施对大流域水沙关系
的改变将更加困难，其对流域减沙的作用主要是依靠减水的方式来实现的。
渭河流域是黄河最大的一级支流，流域水土流失面积 0:05/ 637。截至 /995 年底，全流域累计修建水平
梯田 ;71; 637，造林 :;55 637，人工种草 74;0 637，植被等坡面措施累计面积占流域水土流失面积的 2/& 08，
另外有大量的淤地坝和水库修建，扣除这些因素的减沙量后，坡面措施对流域出口的减水减沙计算表明，/9;0
< /959 年坡面措施共减水 /249 万 32，减沙 74: 万 "；/9:4 < /9:9 年减水 090/ 万 32，减沙 1/2 万 "；/914 <
/919 年减水 /2/// 万 32，减沙 /:00 万 "；/994 < /995 年减水 /2902 万 32，减沙 7002 万 "［70］。0 个时段单位径
流的减沙量分别为 527，541 ，:;7，;:/ 6+ $ 32，差异并不明显。表明对应不同治理程度的各个时段，坡面措施
9:;2A 9 期 A A A 郑明国A 等：黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响 A
! 秦富仓&黄土地区流域森林植被格局对侵蚀产沙过程的调控研究&北京：北京林业大学博士学位论文，7445& 27 < /:5&
!""#：$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
减少相同径流量会导致大致相同的减沙量，植被等因素并没有改变河道单位径流的输沙量。
/0 世纪 10 年代初期对窟野河阿腾席热站（控制面积 220 34/）、王道恒塔站（控制面积 2521 34/）、温家
川站（控制面积 5678 34/）站流量和输沙率的关系分析表明，发现不同治理程度的点群混杂在一起，并认为这
反映了流域治理前后水沙关系不变的特性!。对各项水保措施拦沙量计算表明，窟野河流域 /0 世纪 90 年代
坝地拦沙仅占总减沙量的 0& 2/:，50 年代坝地拦沙占 0& 70:"，因此可认为窟野河流域减沙主要由植被及各
种坡面措施造成的，正是由于这一原因才导致流域治理前后水沙关系保持不变。
!" 结论
在梁峁坡坡面，植被不仅通过减水来减沙，而且通过改变水沙关系来减沙，因此其减蚀率大于减水率，可
以认为在这一尺度上植被的减蚀效益是最高的。而在全坡面及其以上尺度，植被难以改变沟道输沙能力，而
且由于不能很好控制重力侵蚀的发生，也难以改变研究区侵蚀物质充沛的特点，因此植被难以改变其水沙关
系，仅通过减水来减沙，使得减水率等于减沙率。且流域尺度越大，植被越不可能改变流域的水沙关系。因此
认为，在黄土丘陵沟壑区，包括植被在内的各种坡面治理措施，对流域尺度的土壤流失防治言，次洪期间减水
率最高的具有最好的效果。
研究区对比小流域的次暴雨案例分析表明，由于前期小洪水的影响，在径流深相同的情况下，治理流域的
次洪平均含沙量甚至可能大于非治理流域。从理论上说，由于植被的减水作用，使得治理流域相同降雨条件
下出现小洪水的概率变大，这样在较大洪水发生以前，治理流域沟道内更可能存储有充足的粗颗粒泥沙，使得
较大洪水的平均含沙量可能要高于非治理流域。但羊道沟和插财主沟观测数据表明这一现象并非普遍存在，
这可能是由于王家沟位于典型黄土地带，黄土中粗颗粒泥沙含量较少，因此需要较多的小洪水事件沟道中才
能累积一定的粗颗粒泥沙。但对于砂黄土地带，由于粗颗粒泥沙含量较多，沟道中粗颗粒泥沙容易累积，因此
在植被种植后，对较大的洪水事件，可能会普遍观测到次洪平均含沙量反而变大的现象。
对于泥沙来源充沛，流域输沙仅取决于径流输沙能力的区域，若植被种植后仍然有充足的沙源存在，由于
短时间尺度内植被对沟道地形等特性显著改变的可能性不大，可以断定在这样的流域，植被很难改变其水沙
关系。
由于土地利用和土地覆盖的变化一般发生在坡面，对沟道地形等特性影响很小，如果这种变化和植被措
施一样，不能很好地控制重力侵蚀的发生，使得水流仍然有充足的泥沙来源，可以认为，这样的土地利用和土
地覆盖的变化也不会改变黄土丘陵沟壑区流域的水沙关系，其对流域产沙的影响仅是通过改变降雨和径流关
系，即次暴雨的产流量来实现的。
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［7 ］< T-**,.+ U I& J,.3,.+ *-.F @G’，’E)G,). -.F G’F,4’." P,’*FG ,. E,D’E S-G,.G& KPFE)S,)*)+,-，;111，7;0：//2 /70&
［8 ］< OE)GG’E W O，X@"!’EQ@EF W U，Y**’P B M，!" #$& J-E+’ZG(-*’ #-""’E.G )Q ’E)G,). -.F G’F,4’." "E-.G#)E" ,. E,D’E .’"%)E3G，%,"! ’[-4#*’G QE)4
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［6 ］< \@ \ J，M- ] M，?@ A B，!" #$% X’G’-E(! E’D,’% )Q "!’ E’*-",).G!,# S’"%’’. D’+’"-",). -.F G),* *)GG& H("- I()*)+,(- C,.,(-，/006，/6（1）：2;29
2;72&
［9 ］< ^).+ C >，B,-.+ U =& R!’ G),* *)GG -.F "E’-"4’." ,. - G4-** %-"’EG!’F ,. *)’GG -E’- ,. "!’ 4,FF*’ E’-(!’G )Q >’**)% X,D’E& C(,’.(’ ,. V!,.-，;195，
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0582 < 生< 态< 学< 报< < < /9 卷<
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"
曹如轩&黄河多沙支流河道的输沙模型&见：黄河水沙变化研究论文集（第五卷）&黄河水沙变化研究基金会，;112& /59 _ 20;&
焦恩泽&窟野河水沙变化趋势初步分析&见：黄河水沙变化研究论文集（第三卷）&黄河水沙变化研究基金会：;112，2;0 _ 227&
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