自二十世纪以来，气候变化和人类活动对全球生态环境的影响愈加明显，尤其
对地表水资源的时空分布和水文循环中的多种要素（流量、输沙量）有深远影响，
已引起了全球的广泛关注。气候变化和人类活动可以改变全球水文循环的状态，导
致水在时间和空间的重新配置，进而对降水，蒸发，径流，土壤水分等产生直接的
影响。由于人口剧增和经济的快速发展，频繁的人类活动已经改变了大多数地区的
土地利用与植被覆盖状况，深刻影响了水循环的自然过程。人类活动可以改变水循
环的下垫面状况，影响水资源的时空分布以及河网特征等，并可以通过土地利用/覆
被变化，耕作、城镇化等地表物理过程及其他相关的活动影响流域及区域尺度的水
文过程，对流域径流等因子产生直接的影响。因此，深入挖掘流域水沙变化的气候、
土地利用/覆被变化、水土保持等因素，分析流域气候水文、气候、植被覆盖等要素
的变化趋势，揭示气候变化和流域水文的关系，定量区分气候和人类活动对流域水
沙变化的影响，对指导并治理流域水土流失、提高流域水文管理有效性等方面具有
重要的理论和实践意义。
本论文以黄土丘陵沟壑区延河流域为研究区域，利用流域内气象和水文观测站
50 年的历史资料，运用 Mann-Kendall 趋势检验和 Pettitt 突变检验、Sen 斜率估计等
方法，系统研究流域历史降雨、温度、流量和输沙量的时空变化特征。以归一化植
被指数 NDVI 为研究对象，分析了延河流域 1982-2006 年尤其是自 1998 年退耕还林
以来的植被恢复状况，定性分析了植被恢复与降雨和气温因子间的相互关系，以及
植被恢复与人类活动引起的土地利用/覆被变化的关系；在流域输沙量曲线估算中，
将植被指数 NDVI 作为参数引入经验公式，提出了植被恢复模式下更适合估计流域
输沙量的经验模型；以 1990-2010 气候、植被、径流资料为对象，基于 Budyko 假设
和水量平衡方程定量评估了降水变化和土地利用/覆被变化在不同历史时期对流域
径流变化的影响。本文得到的主要结果为：
（1）延河流域 1961-2010 年间，降雨量和平均气温的年内分布变化趋势基本一
致，年内变化剧烈。全年、生长季、四季之间降雨量、平均气温存在一定的年际变异，变异系数分别为 0.24 至 0.75 和-0.39 至 0.09。其中，降雨量和平均气温变异系
数均以冬季最高。延河流域年降雨量较多年平均水平盈亏交替出现，无明显的旱涝
趋势。不同时间尺度的降雨量和平均气温气候趋势系数和 Mann-Kendall 趋势检验同
时表明，延河流域年降雨量和平均气温分别存在微弱的减少趋势和显著的增加趋势，
经Sen斜率法估计年降雨量的减少速度为0.709 mm a -1 ，年均气温的增加速度为0.041℃
a -1 。不同时间尺度的气温序列中，突变年份各不相同，但均达到了 Pettitt 突变检验
P=0.05 的显著性水平，其中年均、生长季、冬季温度的时序突变达到了 P=0.01 的极
显著水平。
（2）在描述降雨侵蚀力和年降雨量关系时，幂函数关系模型在延河流域适用性
更高。所选模型计算的降雨侵蚀力差异很大，从最小值 906.51 MJ mm ha -1 h -1 a -1 （方
程 4-4）到最高值 5840.72 MJ mm ha -1 h -1 a -1 （方程 4-7）间变化。通过与参考值进行
平均绝对误差的分析，Angulo-Martínez 和 Beguería（2009）提出的利用修正的傅里
叶指数 MFI 估计降雨侵蚀力的幂函数方程在我们的研究区更加适用，其平均绝对误
差为 3.62%。作为降雨侵蚀指标，修正的傅里叶指数和再次修正的傅里叶指数与年
降雨量的相关系数为 0.85 和 0.77，比傅里叶指数更为适于延河流域地区降雨侵蚀力
的估算。降雨季节性指数（0.69-1.16）和降雨集中性指数（14.51-30.61）的结果显
示，延河流域全年降雨量存在很明显的季节性变异，以 SI 和 PCI 衡量的降雨月分布
与年降雨量共同影响降雨侵蚀力年际尺度的时间变异。延河流域多年降雨侵蚀力的
气候趋势系数为-0.12，呈微弱的减少趋势，因此，延河流域泥沙变化的研究时，可
认为降雨因子的变化对泥沙的变异影响不大。
（3）延河流域 1982-2006 年年均、生长季平均 NDVI 值分别为 0.253 和 0.324，
且具有空间分异性，总体上从南到北呈阶梯状递减分布，在时间上有轻微增加的趋
势，退耕还林以来增加速度变快。经 slope 分析，延河流域 1982-2006 期间的 NDVI
指数在空间上以基本不变为主，自 1998 年退耕还林以来，流域植被有大面积的轻微
改善。四季植被覆盖变化中，夏季 NDVI 的年际波动变化对年均 NDVI 变化影响最
大。夏季植被覆盖指数呈不显著的下降趋势，年均、生长季、春季、秋季及冬季 NDVI
指数均呈不显著的增加趋势，各时间尺度均无显著意义的突变点。
（4）气温对于 NDVI 变化的影响较降雨强。半月 NDVI 与降水、气温最大的偏
相关系数分别出现在前第一个半月和前第二个半月（r NDVI 降水 · 气温 =0.435，P=0.01；r NDVI
气温 · 降水 =0.833，P=0.01）。植被对降水、温度的响应在年内变化上分别存在半个月和一
个月的滞后期，并分别具有一个月和两个月的累积效应。全年、生长季、春年降水与年均 NDVI 均呈极显著正相关，冬季降水和平均 NDVI 呈极显著负相关。春季气
温序列与 NDVI 变化间存在显著的正相关关系，生长季与夏季气温与 NDVI 指数间
存在较弱的负相关关系。在年际变化上，月尺度 NDVI 与降雨和气温间同样存在一
定的滞后与累积效应。
（5）自 1980 年到 2006 年期间延河流域的土地利用/覆被发生改变，且土地利
用主要在农耕地、草地和林地之间转换，综合土地利用动态度达 50.62%。地类间的
相互转变可以直接反映到流域 NDVI 植被指数，影响地表植被覆盖类型与面积，通
过改变土壤入渗性及植被截流影响流域的产流、输沙等水文过程。
（6）延河流域，流域流量和输沙量主要集中在汛期，分别占全年总量的 63.78%
和 98.44%。延河流域不同时间尺度流量、输沙量变异系数变幅较大，且流量的变异
系数较输沙量小，输沙变化对侵蚀环境变化较流量更加敏感。年流量和年输沙量存
在比较明显的年际差异，流量输沙间存在极强的相关关系。甘谷驿站年流量、输沙
量序列分别呈现显著、极显著的递减趋势，且无显著意义的突变年份。
（7）延河流域流量与输沙量与降雨因素呈一定的正相关关系，与 NDVI 植被覆
盖因子呈一定的负相关性。1982-2006 年年流量和年输沙量与降雨因子较其与植被因
子的相关性强，水文要素对气候因子更加敏感。两要素与降雨和 NDVI 的相关性最
高值分别出现在当年和当年与上年累积，流量、输沙量与 NDVI 间存在更强的滞后
关系。通过将 NDVI 因子引入输沙-流量关系，认为引入 NDVI 指数的改进输沙方程
6-2、方程 6-6 形式较常规输沙曲线，可以更好地揭示并评价流域输沙量-流量关系对
土地利用/覆盖变化的响应。
（8）延河流域 1990 年至 2010 年期间，年径流、年降雨量、年潜在蒸发量和
NDVI 值均具有一定的年际变异。其中，降雨无明显的变化趋势，径流量减少，潜
在蒸发有一定程度的增加（P=0.05）。退耕还林政策极大地改变了延河流域的土地利
用/覆被状况，1998 年至 2008 年 NDVI 年值在 P=0.01 水平显著增加。退耕过程中林
地和草地的增加极大地改变了研究地的水文循环状况和水资源的再分配。气候变化
和土地利用/覆被变化均对延河流域径流的减少有一定的影响。在 S-1 阶段（退耕 6
年），气候变化占影响径流减少影响率的 65.8%，而在 S-2 阶段（退耕 12 年），影响
径流减少的主导因子成为土地利用/覆被变化，其对径流减少的贡献率为 77.4%。退
耕还林在调控地区水土保持过程中产生了显著的生态水文调节效应。
关键词：水沙；演变；土地利用/覆被变化；响应；延河流域