径流-沉积物动态对水文连通性的非线性阈值响应

《Journal of Hydrology》：Nonlinear threshold responses of runoff-sediment dynamics to hydrological connectivity

　　

李涛熙|曾倩|尹一辰|孙刚|郑瑞仪|马一春|叶佳乐|肖佩瑶|刘耀军

湖南师范大学地理科学学院，中国长沙410081

摘要

水文连通性在调节流域径流-沉积物过程方面起着关键作用；然而，径流-沉积物过程对水文连通性的响应仍不甚明了。本研究使用IC（连通性指数）和IHC（水文沉积物连通性指数）对龙岩流域的水文结构连通性（HSC）和水文功能连通性（HFC）进行了量化分析。分析了2015年至2024年间记录的320次侵蚀性降雨事件，以研究径流-沉积物对水文连通性的阈值响应。结果表明，水文连通性对径流和沉积物的响应存在明显的阈值效应，确定了三个关键的IHC阈值：-1.77、-1.37和-0.27。这些阈值定义了四种径流-沉积物关系模式，它们在径流-沉积物动态上表现出显著差异。以结构为主导的模式和功能较弱的主导模式具有有限的径流和沉积物生成能力，而以功能为主导的强模式则显著促进了径流和沉积物的输出。极端降雨主导的模式虽然仅占事件总数的3%，但贡献了50%的沉积物产量，反映了显著增强的沉积物传输效率。在此背景下，提高水文连通性与径流-沉积物过程之间的响应阈值是减轻流域侵蚀的有效方法，特别是在极端降雨事件期间。这些发现从水文连通性的角度深化了对流域土壤侵蚀过程的理解。

引言

土壤侵蚀是一个重大的全球环境问题，导致土壤和水资源流失，并加速土地退化（Borrelli等人，2017年；Sartori等人，2019年）。在流域内，沉积物传输反映了多个空间和时间尺度上源-汇过程的动态耦合（Cho等人，2023年；Schmitt等人，2016年），其中水力驱动的侵蚀是主要机制（Farshad等人，2018年；Firoozi和Firoozi，2024年）。水文连通性是指通过水在景观中传输和转移物质和能量的能力（Pringle，2003年），它决定了水文过程的效率及其反馈（Neill等人，2019年；Zhang等人，2021年），并在调节径流-沉积物传输中起着核心作用（Baartman等人，2020年；Luo等人，2023年；Pe?uela等人，2016年）。

以往的研究主要关注个别控制因素，如植被、降雨特征和景观格局，以解释径流-沉积物动态（Pan等人，2025年；Meng等人，2024年；Guo等人，2024年；Ebabu等人，2022年）。然而，这些因素主要通过影响连通性来发挥作用。因此，水文连通性提供了一个更综合的框架，将降雨强迫、景观结构和水文过程联系起来。例如，植被覆盖减少或景观破碎化加剧会导致水文连通性增加，从而提高土壤侵蚀的风险（Wei等人，2025年；Chen等人，2023年）。因此，研究水文连通性对于理解和调节流域中的径流-沉积物过程以及支持土壤侵蚀的综合管理至关重要（Covino，2017年；Zuecco等人，2019年）。

水文连通性具有双重结构-功能特性，可以分为水文结构连通性（HSC）和水文功能连通性（HFC）（Wainwright等人，2011年；Leibowitz等人，2023年）。HSC指的是由地形和土地利用等景观元素的物理结构形成的径流-沉积物传输路径的固有能力。它决定了流域的侵蚀潜力，并为HFC提供了结构基础（Tischendorf和Fahrig，2000年；L. Turnbull等人，2008年）。相比之下，HFC定义为在降雨强迫下沿结构路径的径流-沉积物传输的效率和强度（Lu等人，2019年）。以往的研究从结构或功能的角度探讨了水文连通性对径流-沉积物过程的影响（Wang等人，2025年；Gao等人，2024年；Tian等人，2025年；Li等人，2025年）。例如，Liu等人（2021年）指出HSC的降低会导致沉积物产量减少，而Zanandrea等人（2021年）使用水文反馈系数来表征HFC并评估径流和沉积物的时空动态。

然而，这些研究通常将HSC和HFC分开考虑。在真实的流域系统中，HSC和HFC在降雨强迫下是动态耦合的，共同调节径流-沉积物传输（Turnbull和Wainwright，2019年）。特别是在不同的降雨条件下，主导的控制机制可能在结构连通性和功能连通性之间发生变化（Lu等人，2024年）。此外，径流-沉积物过程对水文连通性的响应以及可能存在的关键阈值仍不甚明了。因此，在统一的分析框架内整合HSC和HFC对于阐明流域系统中径流和沉积物的动态响应至关重要。

在中国南部的红土丘陵地区，强化的极端降雨和高度破碎的景观结构不仅导致强烈的径流-沉积物响应，还增加了水文连通性与径流-沉积物动态之间关系的复杂性（Duan等人，2020年；Wang等人，2025年），从而加剧了流域侵蚀管理的难度和不确定性。在这种情况下，仅依靠降雨特征或静态景观结构不足以完全解释径流-沉积物动态。因此，本研究利用龙岩流域的长期降雨、径流和沉积物观测数据，并采用基于指数的方法来量化HSC和HFC，旨在阐明降雨驱动的水文连通性变化及其相关的径流-沉积物响应。主要研究焦点包括：（1）流域水文连通性的时空变化；（2）不同连通性水平下的径流-沉积物关系；（3）径流和沉积物对水文连通性的响应模式。这些发现预计将为基于水文连通性调节的流域土壤侵蚀综合管理策略提供坚实的科学基础。

章节片段

研究区域

龙岩流域（东经112°55′29″，北纬27°03′44″）位于湖南省衡东县，属于中国南部的红土丘陵地区。它是洞庭湖流域湘河的次级支流（图1）。龙岩流域总面积为2.19平方公里，海拔范围从45米到109米不等。地形特征是东南部海拔较高，西北部较低，以低矮的丘陵为主。

流域水文连通性的分布特征

图2展示了流域内HSC和HFC的数值和空间分布模式。IC值的分布大致呈正态分布，主要集中在-4.00到3.00的范围内（IC平均值为-0.45）。不同景观类型的IC值存在差异：稻田的平均值最低（-3.10），而道路（0.96）和居民区（1.00）的值最高。各土地利用类型的IC相对排名如下

流域水文连通性变化的特征

不同的景观通过其固有的结构和生态水文功能在流域内形成空间异质性的水文连通性模式（Jencso等人，2010年）。异质景观在降雨驱动的过程中依次被激活并相互连接，决定了流域系统的整体水文行为（Peleg等人，2021年）。在本研究中，水文连通性表现出HSC和HFC之间的解耦现象

结论

基于2015年至2024年龙岩流域320次降雨事件的观测和水文连通性的定量表征，本研究系统地阐明了水文连通性对径流-沉积物过程的非线性调节机制。结果表明，不同连通性水平的降雨事件对径流和沉积物输出的贡献不成比例，显示出明显的阈值控制行为。

未引用参考文献

Llena等人，2019年；Martini等人，2019年；Zhao等人，2020年。

CRediT作者贡献声明

李涛熙：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。曾倩：方法学，调查，正式分析，数据管理。尹一辰：软件，调查，数据管理。孙刚：软件，方法学，调查，数据管理，概念化。郑瑞仪：方法学，正式分析，数据管理。马一春：监督，软件，方法学，调查，概念化。叶佳乐：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42377336，U22A20611）的支持。