nature geoscience：人为变化导致黄河泥沙输移减少

早期径流量和输沙量数据来自1951-2010年黄河沿线主要测量站水文。从水文局获得了黄土高原上12条支流的数据。梯田、大坝和水库在内的水土保持措施记录由YRCC、黄河水文年鉴和第一次全国水资源普查公报提供。利用1978年夏季或秋季（Landsat MSS）、1998年（Landsat TM）和2010年（HJ-CCD）的遥感图像，分别以56m、30m和30m的空间分辨率提取和计算植被覆盖率，包括森林和草原面积信息。

2. 泥沙特征因子分解

本文开发了一种简单的归因方法，以诊断降水量（P）、产水量（r）和泥沙浓度（s）对黄河中输沙量相对变化率的贡献。

泥 沙特性将区域平均降水 量（ P ）和排水量（ R ）这两个变量与泥沙量（ S ）形成因果关系，因此，最后， S 可以被视为三个变量的综合。

首先将泥沙浓度 S 的趋势分解为三个水文因素： P 、 r 和 S 。研究使用线性回归方法计算了 P1 至 P2 期间和 P2 至 P3 期间整个时期的变化率，并分别通过其相应的平均值对其进行归一化。每个单位因子的相对贡献是其比例变化率与同期 S 的比例变化率的比值。此外，对 r （或 s ）与气候、植被覆盖率和阶地密度进行了统计回归分析，以进一步研究 r 和 s 以及 s 变化背后的主要驱动力。

3. 人类恢复措施的贡献评估          

1.  黄河的水文状况

黄河（YR），是世界上泥沙含量最高的河流，但自20世纪50年代以来，其年输沙量一直在下降。黄河沿线主要测量站的年输沙量在过去60年中均呈显著下降趋势（p<0.01）（图1b）。当穿越黄土高原（LP）时，河流中游的输沙量在头道拐水文站（TDG）和潼关水文站（TG）之间急剧增加，然后在下游逐渐减少（图1b，右上插图）。因此，黄土高原是最大的泥沙来源，近90%用于黄河，因此我们将重点放在河流集水区的这一部分。从TG和TDG测得的泥沙通量和水流量的差异可以获得YR中游的质量预算（图1）。在过去的60年里，整个LP的河流流量和输沙量都呈现出显著的下降趋势，而降水量略有下降。

图1  黄土高原（LP）和黄河（YR）流域的位置以及近几十年来黄河的水文状况

2.  影响输沙量变化的因素

如图2a所示，1979年和1999年前后泥沙量出现了两次突然下降，因此我们将过去60年分为三个时期，分别为1951年至1979年（P1）、1980年至1999年（P2）和2000年至2010年（P3）。图2b显示了输沙量的显著下降，从P1期间的1.34±0.64 Gt yr ^{? 1} 下降到P2期间的0.73±0.28 Gt yr ^-1 ，并进一步下降到P3期间的0.32±0.24 Gt year ^{? 1} 。

图3 泥沙通量（S）及其驱动因素的比例下降率

本文根据1951年至2010年期间观测到的区域平均降水量（P）、产水量（r）和泥沙浓度（s）的趋势计算了泥沙特性。在过去的60年里，整个黄土高原的含沙量（S）的相对变化率为?2.38%yr ^?1 ，其中12%的下降是由于P的减少，58%是由于r的同时减少，其余30%是由于S的减少。具体而言，对于P1和P2，r的负比例变化率最大，为?1.26%yr ^?1 ，仅此驱动因素就占S总体下降的83%，P下降占22%。在12个主要支流集水区中，对YR输沙量减少的最大贡献似乎来自窟野河（图1）。泾河对LP中YR的泥沙贡献最大，泥沙负荷的相对变化率最低（?0.94%YR ^?1 ），但在P1和P3期间为YR贡献了超过10%的减少泥沙。

3.  人类活动对输沙量的影响

头道拐和潼关测量站的原始泥沙浓度数据表明，LP的年平均气温在过去60年中也显著上升（0.22℃per decade，p<0.01）。植树造林、梯田农业以及淤地坝和水库的建设是该地区的主要人类干预措施，这些措施增加了降水量，从而减少了河流泥沙流量。稳定土壤和最大限度减少侵蚀的最有效方法之一是建立多年生植被覆盖。

遥感数据表明，LP上12个主要YR子流域的平均植被覆盖率从1978年的25%增加到1998年的29%，然后增加到2010年的46%。线性回归表明，与P1和P2相比，水量下降4%，含沙量下降3%可归因于植被恢复。

总体来说，在P1和P2期间，多年生植被覆盖率的增加、梯田农业、淤地坝和水库的建设占整个黄土高原的输沙量减少的64%，在P2和P3期间占减少的65%。其他有助于观测到的泥沙减少的影响可能与不确定性、非相加项和活动之间的相互作用有关，也可能与人类耗水量增加、采砂和区域气候变化等因素有关。

为了取代缓慢填充的泥沙捕获系统，植被恢复在未来必须在LP的水土保持中发挥更大的作用。如何维持一个可持续的植被生态系统是目前的关键问题。水源集水区生态系统的仔细评估基于水-气候-植被的相互作用，以及适当物种和地点的选择，对于为这片脆弱的黄土地设计可持续生态系统至关重要。

数据表明，输入黄河的大量泥沙可以得到有效管理，几乎恢复到人类之前的水平，但仍需对泥沙负荷减少从而影响河流下游及其河口进行全面的可持续性分析。此外，由于大多数气候模型预测黄河域的降水量会增加，而土壤保护和工程措施捕获泥沙的能力将不可避免地随着时间的推移而饱和，因此还必须注意防止河流泥沙负荷反弹。