黄河中游关键土地利用/覆盖类型在洪水压力下的韧性评估：对坡度调节和蓄水措施的意义

基于气象数据分析和ARX模型，研究评估了黄河中游地区森林、草地、梯田三种土地利用/覆被类型的洪水恢复力与抗力，发现夏季洪水占比61.8%，植被恢复能力呈现草地>森林>梯田，地形坡度与抗力负相关，西部区域恢复能力优于东部，右岸某子流域抗力最强。研究为水土保持措施优化提供依据。

　　

严思颖|翁白莎|郑帅|杨盼盼|傅强|王浩

东北农业大学水利与土木工程学院，中国黑龙江省150030

摘要

在黄河中游地区（MRYR），坡度调节与蓄水措施（SRASM）对水土保持至关重要。这些功能主要由特定的土地利用/覆盖类型（LULC）实现，如森林、草地和梯田。然而，这些LULC在洪水压力下的恢复能力和抗性仍不明确。本研究重点关注上述三种LULC，通过分析它们在洪水事件后的抗性和恢复表现来确定其在洪水压力下的恢复能力。提出了洪水事件的评估方法和抗性及恢复的计算方法，并分析了MRYR不同LULC和子流域的恢复能力。研究结果表明，MRYR的洪水事件主要发生在夏季（61.8%），且从东南向西北洪水数量逐渐减少；三种LULC均表现出一定的洪水恢复能力，其中草地恢复能力最强，森林抗性最高；随着坡度增加，严重洪水事件增多，恢复能力下降；从空间上看，MRYR西部的恢复能力优于东部。Wubao（D040200）上游子流域的恢复能力最强。本研究旨在为改善MRYR洪水压力环境下的水资源管理和生态保护提供科学依据。

引言

由于气候持续变暖，洪水事件变得越来越频繁和严重（Kundzewicz, 2016）。此外，黄河中游地区（MRYR）的地形多为陡峭的山地，土壤贫瘠，植被脆弱，容易导致土壤侵蚀和洪水灾害（Guo, 2023）。近年来，在坡度调节与蓄水措施（SRASM）的作用下（He et al., 2020, Wang and Sun, 2021, Wang et al., 2015），MRYR的水土保持水平稳步提高。这些措施的有效性主要依赖于土地利用/覆盖类型（LULC）所提供的调节和蓄水生态系统服务，其中森林、草地和梯田是提供这些服务的主要功能类型。它们通过改变坡面微地形、增加土壤水分和养分的储存能力以及增强土壤抗侵蚀性来防止洪水（Ma et al., 2021, Zhang et al., 2022）。森林和草地能增加植被覆盖（Jiao and Wang, 2003, Shi et al., 2022），稳定土壤，减少侵蚀，并吸收雨水，从而增强抗洪能力（Gobinath et al., 2020, Mahmud, 2022）。梯田能有效防止坡面土壤侵蚀，减少沉积物堆积，减轻下游洪水灾害（Arnáez et al., 2015），保持土壤肥力和供水能力，并减少洪水造成的损害（Tian et al., 2023）。因此，这些LULC在洪水压力下的表现直接决定了SRASM的成功与否。

尽管这些措施具有积极作用，但它们并非完全免疫于洪水破坏，仍可能受到严重损害。对于森林和草地，植被是首先受到影响的。长期洪水会导致根部缺氧、腐烂甚至死亡（Cameron et al., 2010, Jin et al., 2022），过度浸泡在水中会杀死草本植物，尤其是对水敏感的物种；随后土壤也会受到影响，强水流会冲走土壤，特别是在植被覆盖较少的地区，这容易导致土壤侵蚀和养分流失（?iki?, 2022, Holz and Augustin, 2021）。洪水还会降低土壤生物多样性（Macé et al., 2016, Müller et al., 1989）。对于梯田，洪水也会对其造成严重影响：首先，强水流会冲毁梯田的挡土墙，导致结构坍塌（Guo, 2023, Li et al., 2016）；其次，土壤养分可能因洪水流失；第三，梯田上的农作物可能因长时间淹没而死亡（Feng, 2023），或灾后容易受到病虫害侵袭。尽管洪水对这些LULC类型有严重影响，但它们仍表现出一定的恢复能力，能够抵抗洪水干扰并保持灾后恢复和功能调整的能力。简而言之，恢复能力是指适应压力环境的能力。例如，洪水会对森林造成一定影响，但森林本身具有抵抗洪水的能力。洪水退去后，森林可以恢复到正常状态甚至超过正常状态。这种抗洪能力和灾后恢复能力是恢复能力的体现。这种内在的恢复能力对于SRASM的持续发挥作用至关重要，它在MRYR的防洪和排水中起着关键作用（Guo et al., 2022, Li et al., 2020, Zhao et al., 2023）。尽管已有许多研究探讨了植被在干旱条件下的恢复能力（Jing et al., 2023, Sirous et al., 2009），但在洪水条件下的恢复能力研究较少，尤其是在MRYR这样的农业环境中。

因此，本研究将重点从SRASM本身转向评估MRYR中构成其基础的关键LULC在洪水压力下的恢复能力。为此，我们定义了恢复能力的理论框架，利用气象数据分析洪水特征，通过NDVI数据评估灾后恢复情况，并应用ARX模型量化抗性（图1）。本研究为改善MRYR易洪环境下的水资源管理和生态保护提供了科学依据。

研究区域概述

MRYR从内蒙古自治区托克托县的河口镇延伸至河南省郑州市的陶化峪（图2a）。该河段长度为1206.4公里，流域面积为344000平方公里，占总流域面积的43.3%。该地区海拔下降890米。MRYR的地形以高原和山地交替分布为主，地形复杂多样，起伏显著（补充图1a）。

MRYR洪水事件分析

根据公式（1–5）对洪水事件进行识别，我们分析了2005年至2020年MRYR的洪水特征。如图4所示，不同季节的洪水事件数量有所不同。2005年至2020年间，洪水主要发生在夏季（61.8%），春季（14.6%）和秋季（23.6%）发生的洪水较少；冬季几乎没有洪水事件，春季洪水事件数量从东南部的28次减少到西北部的5次（图4a）。

不同LULC类型在洪水恢复能力方面的比较

研究表明，与其他LULC相比，森林具有更强的抗洪能力，而草地则表现出更强的恢复能力。在严重洪水压力下，森林的最大单次洪水持续时间最短，抗性最强。这得益于森林的高植被覆盖度、树木深入土壤的根系以及其强大的土壤保持能力，这些因素可以有效减缓水流速度并提高土壤稳定性（Zhu et al., 2021）。

结论

本研究首次阐明了恢复能力的理论机制，并分析了MRYR洪水事件的特征。以三种LULC为研究对象，评估了它们在洪水压力下的恢复能力以及不同坡度对恢复能力的影响。结果表明，MRYR的洪水事件主要发生在夏季（61.8%），洪水事件数量从东南向西北逐渐减少；三种LULC类型的植被

作者贡献声明

严思颖：撰写——初稿、可视化、方法论、正式分析、数据整理、概念构建。翁白莎：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构建。郑帅：调查、数据整理。杨盼盼：数据整理。傅强：概念构建。王浩：项目管理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了鄂尔多斯国家可持续发展议程创新示范区科技支持项目（KCX2024013）、中国国家重点研发计划（编号2022YFC3080300）以及南京信息工程大学国家气候系统预测与风险管理重点实验室开放基金（CPRM202507）的资助。