黄土高原生态环境脆弱、水土流失严重，深刻影响着区域生态安全和社会经济发展^[1]。为保障生态安全，近50多年来持续不断开展了水土流失综合治理，1999年国家更开始了大规模退耕还林(草)工程。黄土高原植被覆盖经历了持续增加期(1981—1989年)、相对稳定期(1990—1998年)、迅速下降期(1999年—2001年)、迅速上升期(2002—2006年)，致使21世纪初期生态环境大幅改善^{[2, 3]}，生态效应正在呈现。在拦蓄地表径流泥沙^{[4, 5]}，降低产流次数，增加径流时空分布均匀性，减少高含沙水流发生频率等方面起到了积极作用^{[6, 7, 8]}。另一方面，黄土高原经受着降水量减少、低温上升的干旱化过程^{[9, 10, 11]}。气候变化和人类活动的综合影响，深刻影响着黄土高原地区流域径流汇集和泥沙输移等生态过程^{[12, 13]}，径流量和泥沙量均显著减少^{[14, 15]}。由于黄土高原流域土地利用/覆被结构、格局变化对水沙影响的复杂性和多样性，生态恢复背景下的水沙响应机理和规律仍需进一步探讨。

北洛河上游吴旗县域所在地，是典型黄土丘陵沟壑区，也是黄河下游粗泥沙集中来源区。1999年积极响应国家退耕还林(草)政策，生态环境建设取得了重大成绩，吴旗县成为“全国退耕还林第一县”^[16]。该区水沙变化过程对植被恢复响应的研究具有很好典型性。本文通过分析径流、输沙要素的演变趋势，对比其阶段特征，估算人类活动对径流量和输沙量变化的贡献率，以期服务于区域生态环境效应评价和生态建设合理决策。

图 1 北洛河上游流域位置 Fig. 1 The geographic location of the upper reaches of Beiluo River and study area

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北洛河(面积25154 km²)，流经陕、甘两省共19个县(市)，于陕西大荔县注入渭河，黄河的二级支流，其上游吴旗水文站控制部分(图 1)，位于东经107°38′57″—108°32′49″、北纬36°33′33″—37°24′27″之间，总面积为3408 km²，是黄土高原典型丘陵沟壑区，地形破碎、沟壑纵横，山高坡陡，河长275 km，主河道平均比降1.6‰。暖温带半干旱气候，多年平均降雨418 mm(1963—2009年)，汛期占年降雨量的71.8%，多暴雨。土层深厚，以黄绵土为主要土壤类型，抗蚀性差，是黄河中游产、输沙模数较高的多沙粗沙地区^[6]。为了遏制严重的水土流失，流域从20世纪60年代开展了大规模的水土流失综合治理，2004年底，共修建淤地坝95座，控制面积为21.6%^[17]，经过近年来持续开展的生态建设，该区已经形成了以落叶阔叶林及灌木草丛为主的次生植被。

采用了吴旗(金佛坪)水文站1963—2009年水文站实测日流量、日含沙量数据，其中吴旗站缺1968年数据。采用周边定边、吴旗、志丹、华池和环县5个气象站点日降雨数据，通过泰森多边形获得流域的面降雨量和降雨侵蚀力^[18]。径流和输沙数据由黄河水利委员会及水文年鉴提供，相应时期的日降雨数据则来源于国家气象局数据共享网站。数据经过严格的反复验证和插补处理。

采用Pettit非参数检验法^{[19, 20, 21]}确定突变发生的确切时间。其原理：利用Mann-Whitney 的统计量U_t,N来对同一个总体的两个样本进行检验。统计量U_t,N的通过下式计算：

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式中,j和t=2，…，N。令x_j－x_k=θ，则sgn(θ)值由下式确定：

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检验中的统计量K_t和相关概率的显著性检验的计算公式分别如下：

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流域所处地理位置不同，导致其所受大气环流模式和气候类型存在一定的差异，最终影响流域的产水产沙量及其时空特征。日益增强的人类活动，通过改变径流组分和能量分布而影响了产水输沙过程。区分这两大因素对流域产水输沙变化量的贡献率，有助于理解黄土高原地区水土保持和退耕还林(草)背景下的生态水文过程，对治理措施进行合理布设和优化。双累积曲线法、修正系数法、水文法是近年来文献中经常使用的估算气候变化和人类活动影响程度的方法。本文使用3种方法，便于相互印证估算结果。

(1)双累积曲线法，要求两变量发生于同一物理过程，具有因果关系。采用累积降雨量(累积降雨侵蚀力)-累积径流深(累积输沙量)的曲线斜率进行判断，曲线斜率发生转折，就认为人类活动改变了流域下垫面的产流和侵蚀产沙水平^[22]。设ΔQ_T为前后期实测径流均值变化量，计算式为：

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式中, ₁、 ₂分别为前、后期实测径流平均值。

通过双累积曲线方法分析因素影响贡献率时，首先对基准期(第一时期)累积降雨量∑P₁与累积径流量∑Q₁进行回归：

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式中,k、b为回归系数。

然后，将措施期(第二时期)的累积降雨量∑P₂代入(6)式，计算下垫面未改变情况下的累积径流量∑Q′₂，反推逐年理论径流量Q′，与同期实测径流量Q₂比较，两系列均值之差即为人类活动引起的径流变化量ΔQ_H，公式为：

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人类活动影响贡献率即为ΔQ_H/ΔQ_T×100%，气候变化影响贡献率为(1－ΔQ_H/ΔQ_T)×100%。

同理，使用降雨侵蚀力，可以估算气候变化和人类活动对输沙量变化程度的贡献率。

(2)修正系数法，核心是基于降雨量-产流量关系曲线，确定选定降雨量下基准期和措施期径流深的比值^[23]。基准期和措施期降雨产流关系式如下：

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通过(8—9)式，某降雨条件下的修正系数α_Q，是该降水量下基准期和措施期的径流量之比：

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建立P-α_Q曲线，查措施期降雨量对应的修正系数，与对应的实测径流量之积，为人类活动未改变条件下的年径流量理论值。措施期实测径流量均值与理论均值之差即认为是人类活动造成的径流变化量(ΔQ_H)，与实测径流均值变化量(ΔQ_T)之比，即为人类活动影响贡献率。

同理可以估算出人类活动对输沙变化影响贡献率。

(3)水文法，即经验公式法，是水土保持减水减沙效应计算中常用的方法^[24]。

以基准期降雨、径流数据为基础，建立降雨—径流量经验关系式，把措施期降雨数据代入关系式，估算下垫面条件不变时的径流量。估算值和实测值的均值之差即为人类活动引起的变化量，占基准期和措施期径流均值变化量的比例，即为人类活动影响贡献程度。

同理，采用降雨侵蚀力-输沙量关系式，可以估算人类活动对输沙变化影响贡献率。

北洛河上游流域的降雨量、径流量和输沙量变化趋势如图 2所示，趋势检验结果如表 1所示。近50年来，流域降雨量存在着不显著的减少趋势，径流量和输沙量则呈现0.01水平的极显著减少趋势，20世纪60年代径流量均值为34.3 mm，2000年后径流量均值为18.9 mm。年输沙模数20世纪60年代均值为13.9×10³t/km²，2000年后为3.5 ×10³t/km²。M-K检验表明，1963—2009年的年降雨量年均变率为-1.23 mm/a，径流量和输沙模数年均变率分别为-0.28 mm/a、180 t km^-2 a^-1。

Pettit分析表明，95%置信水平上，年降水量无突变发生。年径流量和输沙量的突变时间均发生于2002年，且分别达到0.05和0.01的显著水平，如图 3所示。Man-Kendall的突变分析结果如图 4所示，从图上可以看出径流量在1981年和2002年左右发生了两次明显的减少性突变，而输沙量于1979年和2004年发生了突变。从这两个要素的突变趋势来看，流域输沙量的突变时间与径流量基本保持了高度一致性。

图 2 北洛河上游吴旗站控制区年降水量、径流量、输沙量变化趋势 Fig. 2 The trend of annual precipitation,runoff and sediment

图选项

图 3 北洛河上游吴旗控制区径流量和输沙量Pettit突变性检验 Fig. 3 Pettit test for detecting changes of annual runoff and sediment

图选项

“---”表示5%显著性，“—”表示10%显著性

图 4 北洛河上游吴旗控制区径流量和输沙量Mann-Kendall突变性检验 Fig. 4 Mann-Kendall abrupt change of annual runoff and sediment

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参考黄土高原地区水土流失治理进程，考察流域径流量和输沙量原序列分布特征，以及其他研究结果^{[25, 26, 27]}，将本研究数据序列分为基准期(1963—1979)，水土保持效应期(1980—2002)和退耕还林效应期(2003—2009)三时段来分析其演变程度。

三阶段年降水量、年径流深和年输沙模数变异程度如表 2所示。与基准期比，年降水量均值、极值比和离散系数在1980—2002年的水土保持效应期减少或减弱了5.0%、16.5%和18.5%，退耕还林期进一步减少了10.4%，39.8%和23.5%。相应地，年径流量和年输沙模数均值呈逐阶段下降趋势，而其极值比和离散系数却在第二阶段的水土保持效应期表现最大。这是由于1994年8月30—31日吴旗、志丹地区受到百年一遇暴雨的影响，虽然年降水量仅为490 mm，年径流深却高达88 mm，输沙模数达到59325 t/km²，对阶段极值比和离散系数统计产生了极大影响。

流量或输沙历时曲线，可以用图示方法全面展示阶段流量或输沙的情势特征。用日径流量和日输沙量构建流域不同阶段流量历时曲线和输沙历时曲线，如图 5所示。与基准期相比，丰水期(5%)和平水期(50%)径流量呈逐阶段减少趋势，且减少程度逐渐增大。水土流失治理结果使径流量分别减少了17.0%、5.2%，而退耕还林效应则使径流量减少程度分别达40.2%、26.8%。枯水期(95%)径流量则表现出相反效应，与基准期比较，水土流失的治理，使枯水径流量增加了94.2%，而退耕还林建设则使枯水径流量进一步增大了128.1%。同时输沙量呈逐阶段显著减少趋势。与基准期比，水土保持综合治理使得丰水期、平水期、枯水期年输沙模数分别减少了34.6%、40.1%和100%，而退耕还林生态建设使其进一步分别减少了95.7%、96.8%以及100%。上述结果表明，水土保持措施及生态措施治理，在本流域逐步表现出了削洪和补枯的良好生态效应，同时减少了流域侵蚀和河道输沙，且效果越来越明显。

图 5 北洛河上游吴旗水文控制站不同时段日径流深、日输沙模数历时曲线 Fig. 5 Duration curves of runoff and sediment during 1963—1979,1980—2002,2003—2009

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采用双累积曲线法、修正系数法、水文法估算的人类活动对流域径流、输沙变化的贡献程度如表 3所示。三种方法都是在建立基准期(受人类活动影响较小的时期)降雨量-径流量和降雨侵蚀力-输沙量关系基础上，通过措施期实测的水沙量与实际气候条件对应的估算水沙量的差异，来推求水土保持措施和退耕还林(草)工程实施对水沙变化的影响幅度，从而反映了人类活动对水沙变化的贡献率。3种方法相互印证，使获取结果更加可靠。人类活动对水沙变化影响程度的估算以修正系数法最大，而后一时期则以双累积曲线法估算结果最大，原因可能是拟合方程函数的差异导致。

1 963—1979年，年均径流量为1.06×10⁸ m³(31.2mm)，年均输沙量为0.39 ×10⁸ t (11540 t km^-2 a^-1)。1980—2002年水土保持措施实施，多年平均径流量为0.96×10⁸ m³(28.2mm)，年均输沙量为0.35×10⁸ t (10132 t km^-2 a^-2)。20多年水土流失综合治理结果，使年均径流量减少了0.10×10⁸ m³(3 mm)，其中人类活动对其贡献程度为38.2%。年均输沙量减少了0.04×10⁸ t(1408 t km^-2 a^-1)，其中人类活动对其贡献了51.4%。

2003—2009年，退耕还林(草)工程措施对环境改善发挥重大作用，多年平均径流量为0.54×10⁸ m³(16.0mm)，年均输沙量为0.06×10⁸ t (1731 t km^-2 a^-1)。6a中生态治理效应显著，较1963—1979年的基准期年均径流量减少了0.52×10⁸m³(15.2mm)，其中人类活动对其贡献程度为74.7%。年均输沙量减少了0.33×10⁸ t(9683.1t km^-2 a^-1)，其中人类活动对其贡献了86.7%。

虽然人口的增加，城镇化的发展，以及大规模的开采资源是径流量和输沙量增加的重要原因，但是大面积的植被恢复对流域产流过程中的削洪补枯以及大幅度减少侵蚀和河道输沙应该起到了关键作用。

本文以黄土丘陵沟壑区退耕还林程度最大的北洛河上游为研究对象，利用该流域1963—2009年的降雨量、流量、输沙率数据，对流域的径流量及输沙量的变化规律进行了分析，结果表明：

(1)Mann-Kendal趋势检验法和Pettit突变检验表明，1963—2009年降水量未呈现显著的趋势性变化，径流、输沙从1979年和2002年开始突变性减少。

(2)历时曲线分析结果可知，径流量在高流量减少幅度大，分别为17.0%和40.2%，输沙量在常流量降低幅度大，分别减少40.1%和96.8%。在人类活动的综合作用下，2003—2009年减少的幅度大于1980—2002年。

(3)水土保持效应气候变化和人类活动均引起的径流量减少，但是贡献率不同，各占61.8%和38.2%，在减沙方面，气候变化和人类活动的影响分别占25.3%和74.7%；退耕还林期的径流量衰减中气候变化和人类活动的影响各占48.6%和51.4%。对于此时段输沙量的减少，气候变化和人类活动的影响各占13.3%和86.7%。

上述的3种方法只是分离了降水与非降水要素的减水减沙效应，并未考虑温度升高而引起的蒸散发的增加，最终结果可能高估了人类活动的贡献率。同时，在现实情况中，降雨等气候条件具有周期性变化，前期人类活动对降雨-径流(输沙)之间关系的扰动可能导致计算结果不够精确。