综述：过去60年中国黄土高原沉积物产量和来源的主要变化综述

《Earth-Science Reviews》：Review on major changes in sediment yields and sources in the Chinese Loess Plateau over the past 60?years

黄土高原植被恢复后小流域泥沙产量与来源时空变化研究，通过整合94条小流域泥沙数据及34条来源解析成果，发现1999年前每年侵蚀模数498-28460 t/km2，其中沟道贡献占比64%。退耕还林工程实施后，模数下降16%-65%，且沟道泥沙减少贡献率达88%。研究表明植被覆盖是影响侵蚀的核心因子，建议关注脆弱区植被恢复与水应力耦合机制。

　　

作者：舒成波、刘刚、Desmond E. Walling、郑芬莉、赵兴宁

单位：中国西北农林科技大学水土保持科学与工程学院（水土保持研究所）黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，地址：中国杨凌712100

摘要

在全球范围内，在侵蚀地区进行植被恢复是减少侵蚀引起的沉积物积累的一种有前景的策略。然而，对于大规模植被恢复后沉积物产量和来源变化的系统评估仍然有限。中国黄土高原历史上经历了全球最高的土壤侵蚀率，为此实施了广泛的植被恢复计划（例如1999年的“退耕还林”计划）。我们通过整合来自拦沙坝沉积物的数据，对沉积物产量和来源进行了全面的研究和分析，这些沉积物可以作为小流域侵蚀的代理指标。研究结果显示，近几十年来，年均单位面积沉积物产量在498至28,460吨/平方公里之间，其中沟壑贡献了大约64%的总量。1999年之前，高单位面积沉积物产量普遍存在。实施“退耕还林”计划后，沉积物产量显著下降了16%至65%，尤其是在湿润的南部地区降幅最大。这种减少主要归因于沟壑中沉积物的减少，占总变化的88%。尽管植被覆盖度、森林、梯田、暴雨和坡度等因素都会影响单位面积沉积物产量，但在该计划实施后，植被覆盖度成为主要的控制因素，超过了其他变量。这些发现明确了植被恢复在减轻源头流域沟壑侵蚀方面的有效性，表明未来的研究应重点关注植被恢复与干旱和脆弱地区侵蚀过程之间的关系。

引言

土地退化和由于土壤侵蚀加速导致的河流沉积物产量增加是全球面临的主要环境和生态挑战（Amundson等，2015；Dethier等，2022）。这些过程导致土壤肥力下降、耕地破碎化、水库淤积以及水质和水生生态系统的退化，对粮食安全、水资源和洪水管理构成了严重威胁（Best，2018；Dethier等，2022；Pimentel，2006）。中国黄土高原是全球受影响最严重的地区之一，被认为是极端土壤侵蚀和沉积物输出的热点区域（Shi和Shao，2000）。近几十年来，由于人类活动和气候变化，全球各地的沉积物产量和来源发生了显著变化（Fu等，2017；Li等，2020），特别是在像黄土高原这样高度脆弱的地区（Wang等，2016a；Zhao等，2013）。因此，了解这些长期的空间和时间变化及其背后的驱动因素对于准确评估区域环境演变并制定有效的管理和政策决策至关重要。

来自测量站的沉积物负荷记录对于重建和理解沉积物通量的时间变化非常重要，特别是对于评估土壤保护计划和沉积物控制策略的有效性（Collins和Walling，2004）。沉积物来源追踪技术利用诊断性和稳定示踪剂将沉积物混合物与潜在的景观来源联系起来，已在各种地理环境中得到广泛应用，以确定不同来源的相对重要性（Collins等，2017）。这些方法通过将沉积物通量的变化与沉积物来源联系起来，增加了对流域沉积物过程和预算的理解（Collins等，2017；Walling，2005），并支持评估土地利用变化、农业实践和土壤保护措施对全球沉积物动态的影响。例如，最近的应用展示了与管理相关的见解：结合建模、监测和精细来源区的识别以及校正模型偏差（Bainbridge等，2023）；使用蒙特卡洛指纹技术将沿海沉积物分配到地质单元（Gholami等，2019）；道路和非法开垦的草地是破坏贻贝床的主要来源（Pulley等，2019）；识别人类活动和沟壑侵蚀对小农业流域沉积物来源的影响（Shu等，2025）；以及中国的一项全国性研究概述了马赛克土地利用下的挑战和机遇（Tang等，2019）。

然而，在监测不足的地区，缺乏长期的沉积物产量记录和过去沉积物来源的信息，给重建沉积物通量和评估控制措施的效果带来了重大挑战。为了解决这个问题，水库和拦沙坝后的沉积物提供了关于过去沉积物通量规模和来源的重要信息。这种方法为重建沉积物预算及其变化提供了重要机会，特别是针对土地利用、土壤保护计划和气候变化等关键驱动因素的变化（Liu等，2022）。过去30年中发表的基于黄土高原拦沙坝后沉积物的研究，证实了利用这些沉积物重建沉积物通量和来源变化的潜力，并为更好地理解相关变化提供了基础（Tang等，2019）。

黄土高原位于黄河的中游（图1）。该地区具有半干旱大陆性季风气候（Tsunekawa等，2014），年平均降水量在200至600毫米之间，其中大部分集中在7月至9月的强降雨期间。由于其脆弱的生态环境、高度易侵蚀的土壤、频繁的强烈夏季暴雨以及长期不当的土地利用（Shi和Shao，2000），黄土高原被认为是全球土壤侵蚀率最高的地区之一，年平均侵蚀率通常在2000至25,000吨/平方公里之间（Chen等，2007；Fu，1989）。当黄河流经黄土高原时，其沉积物负荷迅速增加，20世纪中期的年均悬浮沉积物负荷约为1.6亿吨（Wang等，2010；Yu等，2013）。为了减少土壤流失和沉积物产量及其对陆地和淡水生态系统的影响，自20世纪末以来，黄土高原实施了系列土壤保护和沉积物控制措施（Zhao等，2013；Zhao等，2022）。其中，中国政府于1999年在黄土高原实施的“退耕还林”计划尤为重要且成功，这是世界上最大的植树造林计划，旨在减少土壤侵蚀（Chen等，2015）。这些努力带来了显著的改善，包括黄土高原的植被覆盖度从1999年的31.6%增加到2019年的63.6%（Zhao等，2022），以及黄河流出黄土高原的年均沉积物负荷从20世纪50年代前的约16亿吨减少到2013年的约2亿吨（Chen等，2015；Wang等，2016a）。

然而，最近的研究指出了控制黄河流域土壤侵蚀、保护生态系统和促进可持续发展面临的新挑战。在黄土高原，“退耕还林”计划改变了径流和沉积物输送过程（Fu等，2017；Jin等，2020），影响了沉积物的迁移和生成地点。许多拦沙坝在1970年至2020年间拦截了约100亿吨沉积物（Fang等，2023；Wang等，2014），它们被广泛认为是减少流域出口处沉积物输送的主要沉积物汇。因此，下游测量站记录的沉积物负荷主要反映了大坝后的输送情况，可能无法捕捉到大坝上游源头山坡和沟壑中正在发生的侵蚀。此外，许多子流域中现有拦沙坝的储存能力因沉积物填充而大幅减少，且拦截效率随时间推移而下降，表明仅靠拦沙坝不足以实现全面的长期侵蚀控制（Ran等，2013；Wang等，2016a）。这些考虑促使我们关注小流域，特别是拦沙坝上游的源头区域过程，那里的土地利用变化、植被覆盖度、梯田和沟壑动态直接影响沉积物产量，需要采取补充措施来减少源头侵蚀（Deng和Shangguan，2021；Tang等，2019；Zhang等，2022；Zhao等，2013）。

在黄土高原，从河口镇到龙门沿黄河的高沉积物产量区（AHCS）是侵蚀最严重的区域之一，历史上在1955年至1969年间贡献了黄河中游约70%的流量（Kang等，2012）。本综述综合了53项已发表的研究数据，包括94个小流域的沉积物产量测量和34个小流域的来源贡献分析，这些流域主要位于AHCS区域内（图1）。研究目的如下：（1）总结黄土高原坡地和沟壑尺度沉积物产量和来源研究的最新进展；（2）评估近几十年来小流域沉积物产量和来源的时空变化；（3）探讨这些变化的关键驱动因素，为未来的研究和管理策略提供参考。

部分摘录

拦沙坝研究中的沉积物产量和来源

单位面积单位时间内的沉积物产量（SSY，单位：吨/平方公里/年）是衡量侵蚀强度的关键指标（Vanmaercke等，2011）。然而，其解释在很大程度上取决于尺度和背景。在大流域研究中，测量站测得的SSY代表净值，反映了流域内的侵蚀减去沉积（de Vente等，2013）。相比之下，本综述重点关注从拦沙坝后沉积物估算的SSY

文献搜索和选择标准

进行了系统的文献回顾，以提取关于年均SSY和拦沙坝沉积物记录提供的沉积物来源的定量数据。通过Web of Science和中国国家知识基础设施（CNKI）数据库的搜索，确定了1989年至今的相关同行评审文献。搜索策略使用了包括“source”或“fingerprinting”或“fingerprint”和“sediment”的关键词

沉积物产量和来源的规模

黄土高原AHCS区域的小流域年均SSY表现出明显的空间异质性，范围在498至28,460吨/平方公里之间（图3A和B）。根据所审查的研究，黄土高原的流域具有两个明确的沉积物来源区域：沟壑和沟壑间的坡地，两者由沟壑肩线分隔（图2A）。沟壑和沟壑间坡地的加权平均相对贡献见

沟壑在黄土高原沉积物产量中的主导作用

黄土高原以其严重的土壤侵蚀而闻名，尤其是在AHCS区域（Shi和Shao，2000）。我们的研究结果表明，这一问题在流域尺度上尤为明显，尽管自1999年以来有所下降（图3）。在大多数流域中，沟壑是主要的沉积物来源，沟壑区域的SSY显著高于沟壑间坡地（图4）。这一观察

结论

总之，本研究表明，在整个研究期间，沟壑区域是黄土高原小流域高SSY的主要来源。这强调了沟壑侵蚀以及沟壑内的浅层滑坡和崩塌在驱动下游沉积物问题中的关键作用。我们的分析证实，植被覆盖度、森林、梯田、暴雨和坡度都影响了这些源头流域的SSY。令人鼓舞的是，保护措施

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号U22A20613、42277344、42125705）、陕西省自然科学基础研究计划（编号2024JC-JCQN-39）和陕西省重点研发计划（编号2025GH-YBXM-062）的共同支持。