《Geomorphology》：Effect of terraces and check dams on sediment connectivity in a catchment on the Loess Plateau, China
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基于景观演变模型和空间自相关分析，本研究量化了黄土高原某流域梯田与淤地坝措施对泥沙连通性的影响。结果表明，梯田、淤地坝及联合措施分别使连通性降低19.55%、4.82%和31.99%，重塑侵蚀-沉积格局，并识别出高、低侵蚀-高连通性区域，为精准水土保持提供科学依据。
潘金金|李鹏|任宗平|徐耀涛|陈祖宇|马永勇|赵炳华|肖丽|杨宇|马可·卡瓦利
中国西安工业大学干旱地区水利工程生态与环境国家重点实验室，西安，710048
摘要
沉积物连通性描述了沉积物来源与汇之间的潜在联系，为确定沉积物控制的优先区域提供了有用的框架。然而，土壤和水资源保护措施如何重塑流域地形和地貌过程，从而影响沉积物连通性，目前仍理解不足。本研究量化了黄土高原一个代表性小流域中梯田和拦沙坝对沉积物连通性的空间变化。我们使用景观演化模型（LAPSUS）模拟侵蚀-沉积模式，并应用空间自相关指数——双变量局部Moran's I来表征侵蚀强度与沉积物连通性之间的空间关系。结果表明：（i）与无措施情景相比，在仅建梯田、仅建拦沙坝以及同时建造梯田和拦沙坝的情景下，沉积物连通性分别减少了19.55%、4.82%和31.99%；（ii）梯田减少了33.44%的坡面侵蚀面积，而拦沙坝增加了90%的河道沉积面积，导致侵蚀-沉积模式发生变化；（iii）沉积物输出主要受高度连通区域的控制。高侵蚀-高连通性（HE–HC）区域和低侵蚀-高连通性（LE–HC）区域成为驱动沉积物损失的关键区域，应优先进行有针对性的管理干预。通过将沉积物连通性分析与基于情景的景观演化模型相结合，本研究定量阐明了梯田和拦沙坝如何重新组织侵蚀-沉积过程和沉积物传输路径，为黄土高原及类似地貌区域的土壤和水资源保护规划提供了科学支持。
引言
土壤侵蚀是一个普遍存在的环境问题，它加速了土地退化，降低了农业生产力，并恶化了下游水质（Shin等人，2019；Wang等人，2023）。在侵蚀性流域中，沉积物并不是均匀分布在整个景观中的；相反，它从离散的来源区域被动员起来，沿着优先流动路径输送，并部分储存在中间汇中。因此，识别沉积物的产生位置、传输方式以及哪些区域作为持久的储存库对于设计有效的土地管理和制定土壤和水资源保护措施至关重要。沉积物连通性描述了沉积物通过不同地貌单元的剥离和传输过程从来源地转移到下游汇地的有效性。这一概念为表征这些来源-路径-汇之间的联系提供了有用的框架（Bracken等人，2015；Najafi等人，2021）。
连通性同时受到地表结构特性（如地形和粗糙度）以及水文和地貌过程（如径流产生、侵蚀和沉积）的控制（Llena等人，2019）。它们的相互作用决定了沉积物平衡，推动了地貌演化，并影响了景观稳定性（Palazón等人，2016；Sedighi等人，2021）。为了量化沉积物连通性，Borselli等人（2008）提出了一个基于地理信息系统（GIS）的沉积物连通性指数（IC），该指数将上游贡献区域与潜在的下游汇联系起来。Cavalli等人（2013）通过纳入地表粗糙度，扩展了这一方法的适用范围，使其适用于陡峭的高山流域。后续研究将IC与景观指标和基于物理的模型相结合，探讨了土地利用和水文作用如何在多种环境中共同塑造连通性，从坡度陡峭、植被稀疏的山区到地势平缓、植被茂密的低地地区（D'Haen等人，2013；Fryirs，2013；Gay等人，2016；Calsamiglia等人，2018）。
IC也被越来越多地用于评估土壤和水资源保护措施的有效性。通过比较实施保护措施（如植被恢复或工程结构）前后的连通性模式，可以量化这些措施如何改变沉积物路径并减少沉积物输送（Foerster等人，2014；Liu等人，2021）。现有研究主要关注个别措施的定性或孤立效应，包括小流域内的植被恢复（Wang等人，2022）、土地利用变化（Liang等人，2026）、废弃梯田（Meerkerk等人，2009；Llena等人，2019），或分别考虑梯田或拦沙坝（Liu等人，2021）。实际上，中国黄土高原的流域通常采用多种保护措施的组合进行管理，而这些措施对沉积物连通性的联合影响很少以系统、基于情景的方式进行评估。这限制了保护策略的优化，可能阻碍了这些措施的全部效益的实现。
黄土高原是全球受土壤侵蚀影响最严重的地区之一，这归因于其易侵蚀的黄土土壤、深切的沟壑网络和强烈的夏季暴雨（Tang等人，2020；Guo等人，2024）。近几十年来，大规模的土壤和水资源保护计划促进了植被恢复（Ma等人，2025）、农业实践的改变以及梯田和拦沙坝等广泛的工程措施（Wen和Zhen，2020）。这些干预措施显著改变了山坡和河道形态，增加了地表粗糙度，并改变了景观格局（Liu和Fu，2016；Cui等人，2024），对径流、沉积物传输和多个空间尺度上的沉积物连通性产生了显著影响（Zhao等人，2020；Yan等人，2022；Yu等人，2023）。然而，现有研究主要评估了土地利用变化对IC中权重因素的影响（Zhao等人，2017；Wang等人，2022），而忽视了根本控制沉积物传输路径的地貌因素。此外，关于梯田和拦沙坝如何共同重塑流域地形、侵蚀-沉积模式以及小流域中高风险沉积物传输区域的定量评估仍然很少。
在这项研究中，我们分析了黄土高原一个代表性小流域在四种明确定义的管理情景下的沉积物连通性：情景0（S0）：既没有梯田也没有拦沙坝；情景1（S1）：只有梯田；情景2（S2）：只有拦沙坝；情景3（S3）：梯田和拦沙坝同时建造。我们将IC与LAPSUS相结合，模拟每种情景下的侵蚀和沉积空间模式，并使用双变量局部Moran's I来表征侵蚀强度与连通性之间的空间相互作用。具体而言，我们的目标是：（1）量化梯田和拦沙坝单独及组合使用时如何改变沉积物连通性的空间分布；（2）评估梯田建设和拦沙坝建设对流域内侵蚀和沉积模式的影响；（3）通过联合分析侵蚀强度和沉积物连通性，识别高风险的沉积物传输区域，从而为侵蚀性小流域的土壤和水资源保护干预提供基于连通性的框架。
研究区域
研究区域位于宁夏回族自治区平峰镇的Gecha流域，属于中国黄土高原中部的Niejia河流域（35°43′44″–35°45′6N，105°34′41″–105°35′32″E）。该流域面积为227.2公顷，具有半干旱大陆性气候。年平均气温为5.4°C，年平均降水量为427.9毫米，降雨主要集中在7月至9月的短时强降雨事件中。
降雨对流域侵蚀的影响
在所有四种情景中，净侵蚀量和SDR（沉积物输送率）与随机风暴序列中的降雨量密切相关，极端事件导致侵蚀峰值和SDR激增（图3）。其中，无措施情景（情景0）始终表现出最强的侵蚀响应（图3a），表明在没有土壤和水资源保护工程干预的情况下，该流域对降雨非常敏感。相比之下，梯田和拦沙坝同时建造的情景（情景3）
沉积物连通性的空间变异性
梯田的建造通过改变坡面形态显著降低了流域尺度上的水力侵蚀强度，而拦沙坝通过拦截河道流量减轻了沉积物传输（图3）。这些土壤和水资源保护措施共同改变了流域内沉积物连通性的空间异质性（图4）。我们发现，在流域内单独建造梯田和拦沙坝之后
结论
我们将IC与LAPSUS相结合，评估了梯田和拦沙坝如何改变中国黄土高原一个小流域内的侵蚀-沉积过程和沉积物连通性。我们的结果显示，梯田和拦沙坝显著改变了流域内沉积物连通性的空间结构。
与无措施情景相比，仅建梯田使流域尺度的IC减少了约19.6%，仅建拦沙坝减少了约4.9%，而梯田和拦沙坝同时建造则
作者贡献声明
潘金金：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据整理。李鹏：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。任宗平：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取、概念构思。徐耀涛：验证、方法论。陈祖宇：项目管理、资金获取。马永勇：可视化、软件、方法论。赵炳华：撰写——审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢宁夏回族自治区马建土壤和水资源保护监测站提供的数据。作者还衷心感谢编辑和匿名审稿人的建设性评论和建议，这些评论和建议有助于提高本文的质量。本研究得到了国家自然科学基金（批准号：42330719、42077074、U2243201）的支持。
