《黄土高原生态建设的生态-水文过程及其响应机理》针对黄土高原大规模生态工程导致的下垫面变化和黄河泥沙锐减问题，以黄土高原典型流域为研究对象，以退耕还林还草、坡改梯、淤地坝等生态建设对生态-水文过程的作用机理为核心，论述流域生态-水文响应及其变化规律。通过模拟实验、定位观测和数值模拟等技术手段，探讨黄土高原流域水沙变化规律及影响因素，揭示流域径流侵蚀能量的分散消耗与调峰消能的侵蚀产沙阻控机制，阐明了流域地表水-土壤水-地下水转化及传输机制，提出了基于生态水文过程与生态系统服务功能的调控体系与治理格局。《黄土高原生态建设的生态-水文过程及其响应机理》对深化流域水蚀动力机制认识，推动黄土高原地区水土流失过程预报和防治，促进区域社会经济与生态建设可持续协调发展具有重要科学意义和应用价值。

第1章绪论
　　1.1研究意义
　　受气候变化、经济发展和人类活动影响，全球水资源短缺日益加剧，水资源已提升到国家综合国力重要组成部分的战略地位，水资源开发利用程度已作为衡量一个国家社会经济发展和科技发展水平的重要标志，水利调蓄能力和开源节流潜力已成为检验一个国家应变能力和后劲所在。
　　在干旱半干旱地区，水资源短缺和生态环境脆弱直接威胁着该地区经济社会和生态环境的可持续发展。我国西北地区地域辽阔，自然资源丰富，是我国能源、矿藏和重化工的重点地区，但干旱缺水、生态环境脆弱、水土流失严重，极大制约了区域经济与社会发展。随着西部大开发战略的实施，国家开展了退耕还林还草、坡改梯和淤地坝工程等大规模生态建设，逐步缓解了高速发展的社会经济与生态环境之间的矛盾；1999年以来，国家在黄土高原地区开展了黄河水土保持生态工程、黄土高原地区淤地坝工程、坡改梯工程等一批重点生态建设工程，采取退耕还林还草等措施，提高了区域生态系统的质量，使区域的生态-水文过程发生了明显改变，也使水土流失恶化的趋势得以遏制。
　　随着生态环境的改善和社会经济的发展，黄土高原地区的生态环境和生态过程发生了系统改变，黄河流域水沙情势也发生了巨大变化。大规模生态建设活动深刻影响了区域的水循环过程，与水循环过程密切相关的生态过程的组成、结构、功能等发生了相应变化；生态-水文过程变化及其耦合作用在不同尺度上改变了区域水土资源的时空分布。长期以来，生态系统结构、功能和水分之间的相互关系、土地利用格局成因的控制性因素及植被分布格局对水土流失影响机制等，是生态-水文过程研究的重点，在干旱半干旱地区主要生态系统的组成结构、分布格局与演变过程及其与水循环过程方面取得了明显进展。随着流域二元水循环理论框架的建立，在深刻把握流域二元水循环演进历程的基础上，原创性地揭示了水循环发生二元演进的本质和内涵，为协调人类社会用水和生态环境系统用水提供了科学依据；对于无资料或资料缺乏的干旱半干旱地区，该理论仍需要做深入探讨。
　　黄土高原地区主要生态-水文过程发生发展的内在驱动机制及其与水资源演变关系研究多属定性研究，特别是大规模生态建设条件下，区域水资源演变的不确定性及这种变化的区域水资源格局与生态过程响应机制认识须进一步理清。随着国家经济建设进程的不断加快，干旱半干旱地区水资源的需求和消耗不断增加，大规模生态建设、开发扰动带来的自然环境情势变化对水土流失环境的影响及其与水土流失环境的响应尚需要深入系统的研究，以适应新形势下生态建设的需要。
　　1.2研究进展
　　随着社会经济发展，人与自然的冲突加大，地区性的水生态环境问题越来越突出，如水土流失、河道断流、湿地退化、入海水量减少、水体污染加剧等等(谢梦瑶等，2022；贾路等，2020；Walling，2006)。越来越多的水文学家开始关注与水相关的生态问题(Kondolf et al.，2006)。近30年来，生态学家和水文学家越来越意识到水文过程对生态系统功能的重要影响，并由此产生了新的学科生长点——生态水文学。生态水文学是20世纪90年代以后逐步发展起来的一门交叉学科，重点研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理，揭示陆生植物和水生植物与水的相互作用关系，回答与水循环过程相关的生态环境变化的成因并进行调控(Young et al.，2010)。
　　1.2.1旱区生态过程演变与水资源响应
　　20世纪末，气候变化和人类活动对水资源的影响成为全球变化研究中的重大问题之一，21世纪以来全球面临的水资源压力有增无减。未来气候变化对淡水供应及其可靠性的影响，建成或拟建的大型水利工程对水循环过程的影响及引发的水资源格局改变等问题，都受到国际社会的极大关注(张强等，2008；Gedney et al.，2006；Douglas et al.，2005；Xu，2005；Dai et al.，2004)。全球变化与人类活动双重影响下的水文循环与水资源脆弱性研究同样成为热点问题。20世纪70年代以来，国际有关组织实施了一系列国际水科学计划，如国际水文计划、世界气候研究计划、国际地圈生物圈计划、全球能量与水分循环21世纪研究计划等，从全球、区域和流域不同尺度和交叉学科途径，探讨了环境变化下的水资源安全问题。另外，联合国环境规划署(UNEP)、联合国开发计划署(UNDP)、国际能源机构(IEA)、经济合作与发展组织(OECD)、世界银行(WB)、联合国粮食及农业组织(FAO)、未来资源研究所(RFF)等国际研究机构，对水资源安全给予了关注(张强等，2008)。水文循环变化对生态过程的影响，气候变化和人类活动影响下的水资源演变规律及其与土地利用/覆被变化等区域主要生态过程的响应关系，特别是在干旱半干旱等生态脆弱地区(Yu et al.，2021；Xie et al.，2020；杨永刚等，2011)的相关研究，引起了越来越多的关注。
　　土壤水分是旱区生态-水文过程的关键影响因素(Singh et al.，1998)。在旱区，水与植被之间存在着互馈机制(吴芹芹等，2020；张镇玺等，2020；李小军等，2011；王新平等，2005；Cammeraat et al.，1999；Schlesinger et al.，1990)，即土壤水分的空间分布及有效性支配着植被格局的形成和植被盖度，反过来植被格局和盖度也直接影响土壤水分空间格局及再分配过程。研究表明，如果干燥度(降水量与潜在蒸发量的比值)P/Etp从>1降到<0.3，植被会从全面覆盖状态演化到斑块状分布状态(Goutorbe et al.，1997)。在干旱区，胡杨、柽柳普遍呈紧缩分布现象，当干旱程度有所缓解时，植被在空间上的分布相对较为分散。在防止土壤侵蚀的人工植被建设方面，由于只考虑植被盖度和高度，忽视了斑块格局及配置方式，因此出现了北方人工植被土壤旱化、稳定性低的问题。这充分说明了水分动态对植被分布格局的重要影响(赵峰侠等，2007)。土壤水分植被承载力是在干旱区植被恢复过程中出现的概念(郭忠升等，2009；Wang et al.，2008)。随着森林植被的发育，人工林草地土壤水资源量下降。当林草地根系吸收层和利用层的土壤水资源量下降到一定程度，达到土壤水资源利用限度时，就需要依据土壤水分植被承载力调控植物与水的关系。
　　在干旱半干旱地区，生态建设项目和开发建设项目的实施、土地利用结构的调整、植被覆盖的变化改变了局部地形地貌、水流路径等，同时改变了区域水资源的分布和分配特征。这种改变的水资源分布格局反过来又对区域的生态环境产生了深刻影响。多年来，关于干旱区植被分布及其变化和开发建设活动引起的地形地貌变化如何影响径流和水分分布，如何影响干旱区侵蚀等问题的研究受到广泛重视(周壮壮等，2020；Zhao et al.，2020；陈浩等，2002)。在早期的研究中，针对地貌过程、水文过程和生态过程等单一过程的研究较多，在水循环机理和过程、生态系统演替与发展等方面取得了丰富的研究成果(Lin，2010；Newman et al.，2006)，但对地貌过程、水文过程和生态过程中的两两过程或多过程的综合研究不够，这些多过程的耦合作用机理往往是辨识系统动态演变的关键所在。在全球环境变化的背景下，地貌过程-水文过程-生态过程的耦合研究显得尤为重要(Wang et al.，2011)。迫切需要深刻认识人类活动影响下的生态-水文过程、流域水沙变化机理等，阐明环境变化和水文过程对生态恢复过程的影响，揭示生态恢复过程、水文过程自作用及互动机理，并提出生态恢复过程与水循环互动的应对机制。
　　1.2.2水土保持生态活动对黄河年径流量的影响
　　梯田、林地、草地、淤地坝和封禁治理等措施改变了局地能量和水量平衡过程，显著减少了地表径流量，消耗了其携带的能量，增加了径流时空分布均匀性(Yuan et al.，2022a；袁水龙等，2019；任宗萍等，2018；龚珺夫等，2017)。植被的水文效应不仅受区域气候控制，还与林种、林龄及面积有关；生物措施与工程措施在空间上的混合性、在各流域分布的不均衡性，导致流域降水产流时空变化趋于复杂(马勇勇等，2018；李斌斌等，2017；李婧等，2017；赵宾华等，2017)。在水土保持措施时空混合条件下，流域降雨产流难以反映单一措施的影响，同时其规律的揭示还受资料序列长短限制。降水等气候变化和人类活动是影响径流变化的两个重要因素，哪一方面是主导因素一直是被关注的问题。研究表明，1997～2006年黄河中游干流区段总减水量中，气候因素带来的影响占近1/3(姚文艺等，2011)。随着相关学科及遥感、地理信息系统(GIS)等技术的发展，从不同角度充分认识变化环境条件下的流域径流量变化和区域表现特征，有利于理解和揭示区域环境效应的发展规律和演变机制。黄河中游河龙区间1949年以来经历了大面积、大强度的生态环境建设和水土保持综合治理活动，但受经济和政策形势的影响，时空分布差异很大。据遥感影像分析，20世纪80～90年代，河龙区间土地利用变化虽然以农耕地减少、林灌地增加为特征，但幅度微弱，林地的分布格局在各主要流域中并没有太大改观(水利部等，2010)。同时，20世纪50年代以来黄河流域总降水量呈减少趋势，但空间上北部以增加为主，南部以减少为主。气候要素和下垫面条件的改变，深刻地影响着区域水文水资源及其地区分配。典型流域研究表明，随着水土保持措施的实施，年径流量、地表径流量、基流量均呈减少趋势(Chen et al.，2007；Mu et al.，2007；Huang et al.，2004)。根据姚文艺等(2011)的研究，黄河中游河龙区间控制区及泾河、北洛河、渭河、汾河1997～2006年水土保持措施减水量为26亿m3，占该区域年径流量的38%。伴随着黄河年径流量的减少，黄河水资源承载力提高，黄土高原水土保持可以使黄河流域水资源多承载人口3974万～4179万，能大幅度提高黄河流域的水资源承载力(赵建民等，2010)。
　　为适应新形势下的治黄战略需求，水利部黄河水利委员会提出了“黄河健康”的概念，黄河健康的一个重要指标，就是河流要维持一定的低限径流。1986年以来，由于区域用水的大幅度增加和天然降水的减少，黄河干流中下游3%～8%时段、干流利津断面25%～60%时段的流量低于相应断面的低限流量(刘晓燕等，2006)，汾河和渭河等重点支流入黄流量也经常处于低限流量以下。水土保持措施是维持黄河健康的重要保障，探讨水土保持等生态建设工程对流域水循环过程的影响，从水资源承载力的角度优化水土保持措施格局尤为重要。
　　1.2.3典型生态工程对生态-水文过程的作用
　　1.淤地坝
　　淤地坝是指在多泥沙沟道修建的以控制沟道侵蚀、拦泥淤地、减少洪水和泥沙灾害为主要目的的沟道治理工程措施(Yuan et al.，2022b；陈祖煜等，2020；袁水龙等，2018)。淤地坝拦水拦沙的作用效果十分显著，作为黄土高原特有且应用广泛的水土保持措施，国内外学者对淤地坝的蓄水拦沙效益进行了广泛的研究，研究地区主要集中在黄土高原河口-龙门区间及泾渭洛汾等黄河泥沙主要来源区(张霞等，2022；呼媛等，2021；许炯心，2010；王随继等，2008；冉大川等，2004；焦菊英等，2001)。研究方法从基于经验的水保法逐渐发展到基于物理机制的水文模型法，从原型观测发展到室内模型试验(袁建平等，2000)。在研究过程中，特别注重气候变化与人类活动分别对减水减沙的贡献率。研究结果认为，淤地坝显著地削减了流域的洪峰流量，减少了流域的径流量，对径流过程具有明显的调控作用(冉大川等，2010；杨启红，2009)。也有学者认为淤地坝对流域的年径流量影响不大，綦俊谕等(2010)运用经验公式法、双累积*线法和不同系列对比法分析得出，岔巴沟流域库坝等工程措施汛期减水作用大于25%；对流域年径流量的影响不大，减水作用在7%左右，但对径流量的

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究意义 1
1.2 研究进展 2
1.2.1 旱区生态过程演变与水资源响应 2
1.2.2 水土保持生态活动对黄河年径流量的影响 3
1.2.3 典型生态工程对生态-水文过程的作用 4
1.2.4 流域生态建设的生态水文响应研究 7
参考文献 8
第2章 黄土高原土地利用与土壤侵蚀变化特征 13
2.1 黄土高原土地利用变化分析 13
2.1.1 面积变化分析 13
2.1.2 黄土高原土地利用转移矩阵分析 13
2.1.3 黄土高原地区1999～2019 年植被盖度演变分析 16
2.2 典型区域土壤侵蚀变化分析 18
2.2.1 陕西省主要流域水资源状况 18
2.2.2 陕西省土壤侵蚀状况 19
2.2.3 典型区域水土流失状况 22
参考文献 24
第3章 黄土高原多沙粗沙区降水及水沙变化的影响 25
3.1 黄土高原多沙粗沙区水沙关系分析 25
3.1.1 降水、径流输沙变化趋势分析 25
3.1.2 径流输沙贡献率分析 27
3.2 黄河中游区含沙量和流量的不确定关系 29
3.2.1 边缘分布和Copula 函数对概率模拟结果影响分析 30
3.2.2 含沙量和流量不确定性关系分析 33
3.3 植被恢复、坡改梯等对流域产汇流及产输沙的影响 35
3.3.1 植被恢复对流域产汇流及产输沙的影响 35
3.3.2 坡改梯对流域产汇流及产输沙的影响 38
参考文献 42
第4章 流域地表径流的能量汇聚过程及其对产输沙的作用机理 43
4.1 多时空尺度流域侵蚀产沙与径流功率的关系 43
4.2 基于分类思想和能量观点的径流输沙尺度效应分析 46
4.2.1 不同尺度洪水径流过程的类型及水沙传递关系演变 46
4.2.2 径流侵蚀输沙的空间尺度效应 49
4.2.3 上游含沙水流对下游输沙的影响 60
4.3 流域系统不同类型洪水过程的侵蚀输沙效应及其侵蚀能量特征 62
4.3.1 毛沟尺度不同类型洪水过程的侵蚀输沙效应及其侵蚀能量特征 62
4.3.2 支沟尺度不同类型洪水过程的侵蚀输沙效应及其侵蚀能量特征 68
4.3.3 干沟尺度不同类型洪水过程的侵蚀输沙效应及其侵蚀能量特征 72
参考文献 75
第5章 生态建设影响下流域水资源时空分布与转化规律 76
5.1 林地坡面土壤水分空间分布及时间稳定性 76
5.1.1 土壤含水量统计特征 76
5.1.2 土壤含水量空间分布的时间稳定性 77
5.1.3 不同土壤深度的代表性位置点 78
5.1.4 *佳代表性位置点对平均土壤含水量的估计精度 80
5.1.5 土壤含水量时空变化 81
5.1.6 土壤含水量与影响因素的关系 82
5.1.7 土壤含水量时间稳定性的主要影响因素 82
5.2 梯田对土壤含水量时空分布格局的影响 84
5.2.1 土壤含水量统计特征 84
5.2.2 土壤含水量空间分布的时间稳定性 85
5.2.3 基于相对差分分析的代表性位置点识别 86
5.2.4 *佳代表性位置点对平均土壤含水量的估计精度 86
5.2.5 不同深度下土壤含水量的时间变化 88
5.2.6 土壤含水量时间稳定性的影响因素 90
5.2.7 土壤含水量时间稳定性与影响因素的关系 90
5.3 坝地土壤含水量时空变化 91
5.3.1 坝地土壤含水量的统计特征 91
5.3.2 王茂沟骨干坝坝地土壤含水量分析 92
5.3.3 坝地垂直方向上土壤水分分布特征 93
5.3.4 淤地坝的水资源效应及坝地储水量估算 94
5.3.5 坝地土壤双环入渗实验研究 96
5.3.6 小流域土壤有效水参数空间分布特征 97
5.4 生态建设对流域土壤水资源分布的影响 101
5.4.1 不同水土保持措施土壤含水量空间差异性分析 101
5.4.2 土壤水资源与土地利用类型的耦合效应 103
参考文献 106
第6章 流域地表水-土壤水-地下水转化机制及传输规律 108
6.1 流域地表水-土壤水-地下水同位素特征及转化关系 108
6.1.1 生态建设对比流域水同位素统计特征 108
6.1.2 对比流域不同水体氢氧同位素关系 111
6.1.3 流域降水氢氧同位素变化及其影响效应 113
6.1.4 地表水和浅层地下水氢氧同位素时空分布 118
6.1.5 土壤水氢氧同位素时空变化特征 121
6.1.6 对比流域多水源补给转化及来源比例 131
6.2 生态建设对流域水传输方式、传输时间变化的作用机理 136
6.2.1 降水、地表水和浅层地下水氢氧同位素值年际变化 136
6.2.2 不同水体的正弦函数拟合 137
6.2.3 基于EM 模型的流域水传输时间计算 140
6.2.4 多尺度生态建设对比流域水传输时间变化规律 140
6.3 流域水资源赋存的时空特征和转化机制 141
6.3.1 入渗补给方式下的土壤水同位素特征 141
6.3.2 地下水补给方式下的土壤水同位素特征 144
6.3.3 二水源补给方式下的土壤水运移及转化规律 146
6.3.4 饱和出流条件下出流水同位素特征及滞留时间研究 152
参考文献 157
第7章 植被恢复与土壤水分利用关系 158
7.1 农作物根系与土壤水响应关系 158
7.1.1 土壤水同位素特征 158
7.1.2 植物不同生长期吸水策略 159
7.2 退耕植被群落根系动态及水分利用特征 163
7.2.1 退耕植被群落根系与土壤水动态分布特征 163
7.2.2 植物水、土壤水氧同位素分布特征 164
7.2.3 利用多元质量守恒模型确定植物根系吸水深度及动态变化 165
7.2.4 植被恢复过程中根系特征变化及其与水分利用的关系 169
7.3 退耕植被根系对土壤水分的影响 171
7.3.1 各植被群落土壤含水量季节变化特征 172
7.3.2 土壤剖面各层含水量季节变化特征 172
7.3.3 各植被群落根系分布对土壤水分季节变化的响应 174
参考文献 177
第8章 生态建设对流域蒸散发、入渗及水量平衡的影响 179
8.1 生态建设对流域蒸散发及水量平衡的影响 179
8.1.1 流域实际蒸散发趋势性变化分析 179
8.1.2 实际蒸散发、潜在蒸散发与气象因子的关系 181
8.1.3 计算流域实际蒸散发的水量平衡法验证 182
8.1.4 流域径流量与蒸散发的关系 185
8.1.5 流域多年平均水量平衡分析 187
8.1.6 流域年尺度水量平衡分析 189
8.2 不同土地利用类型的土壤入渗实验研究 190
8.2.1 不同土地利用类型的双环入渗实验研究 191
8.2.2 不同土地利用类型的土壤水分入渗特征 194
参考文献 199
第9章 流域土壤水资源演变规律 201
9.1 土壤水资源时空变化特征 201
9.1.1 土壤水资源的定义 201
9.1.2 土壤水资源的估算方法 202
9.1.3 生态建设条件下流域土壤水资源时空演变特征 205
9.2 流域土壤水消耗补偿模式 207
9.2.1 土壤有效水分级 207
9.2.2 生态建设对土壤水有效水含量的影响 208
9.2.3 生态建设影响下流域土壤水资源消耗与补偿过程演变 209
参考文献 213
第10章 流域生态建设对生态-水文过程的调控作用 214
10.1 林草建设对流域持水能力的调控作用 214
10.1.1 流域不同土地利用类型的土壤水分时空分异特征 214
10.1.2 不同退耕植被枯落物的持水效能 224
10.2 淤地坝保水机理与模拟 230
10.2.1 坝地土壤水分传输特征 230
10.2.2 坝地土壤水分运动模拟 231
10.3 级联坝系滞洪效应研究 238
10.3.1 小流域坝系防洪体系 238
10.3.2 淤地坝防洪标准 239
10.3.3 单坝防洪标准与坝系防洪标准的关系 239
10.3.4 王茂沟小流域不同坝系结构配置的蓄洪效应 240
10.3.5 坝系雨洪资源利用潜力 248
参考文献 250
第11章 黄土高原生态建设的生态系统服务功能 251
11.1 生态系统服务功能 251
11.1.1 生态系统服务功能的价值化 251
11.1.2 我国主要生态系统服务功能 251
11.2 生态系统服务功能服务价值 255
11.2.1 水土保持生态系统服务功能 255
11.2.2 水土保持功能生态系统服务价值评估 256
11.3 陕西省水土流失经济损失计量 266
11.3.1 陕西省水土流失现状分析与影响辨识 267
11.3.2 评估指标体系 268
11.3.3 水土流失经济影响评估方法 269
11.4 黄土高原生态系统服务功能空间分布变化规律 286
11.4.1 黄土高原生态系统服务功能评估 286
11.4.2 黄土高原生态系统服务功能空间自相关分析 292
参考文献 297
第12章 社会经济因素与水沙变化之间的不确定性分析 298
12.1 气候变化和人类活动对黄河中游径流泥沙影响 298
12.1.1 黄河中游降水量与径流量、输沙量关系演变 298
12.1.2 人类活动对黄河中游降水量、径流量和输沙量的影响 306
12.2 无定河不同尺度流域下水沙趋势变化分析 309
12.2.1 研究方法 309
12.2.2 无定河不同尺度流域水沙突变点检验 310
12.2.3 无定河不同尺度流域水沙年际变化特征 312
12.2.4 无定河不同尺度流域水沙变化关系分析 315
12.3 无定河不同尺度流域下经济、气候和生态因子与水沙变化的响应关系 317
12.3.1 黑木头川流域经济、气候和生态因子与水沙变化的响应关系 317
12.3.2 无定河流域经济、气候和生态因子与水沙变化的响应关系 330
12.3.3 不同尺度流域下经济、气候和生态因子与水沙变化的响应关系 345
参考文献 347
第13章 结论 348