《CATENA》：Temporal changes in variables affecting sediment connectivity: a case study from the loess plateau, China
编辑推荐：
沉积连通性时空演变及驱动机制研究——以黄土高原新水河流域为例，通过冗余分析、地理探测器模型和空间自相关分析，揭示1990-2020年植被覆盖度下降（草地减少/林草地增加）导致沉积连通性均值从-0.077降至-1.405，关键驱动因素依次为归一化植被指数、潜在蒸散量、土地利用类型、降水、海拔及植被净初级生产力，其中降水影响力增强而其他因子减弱。
北京林业大学水土保持学院，中国北京100083
摘要
沉积物连通性及其影响因素对于调节流域内的土壤侵蚀至关重要。在较大的流域尺度上，关于影响沉积物连通性地理分布的变量随时间变化的研究较少。本研究采用多种方法分析了黄土高原典型地区的沉积物连通性及其影响因素，包括冗余分析、地理检测模型和空间自相关分析。研究结果如下：（1）1990年至2020年间，研究区域的草地面积减少，而森林和耕地面积增加，这三种土地利用类型占总面积的98%以上。同时，沉积物连通性从平均-0.077下降到-1.405，研究区域内的植被与其连通性密切相关。（2）影响连通性空间分布的关键变量按重要性排序为：归一化差异植被指数、潜在蒸散量、土地利用、降水量、海拔和植被净初级生产力。q值用于量化这些变量对沉积物连通性空间分布的驱动作用。2000年后，归一化植被指数、植被净初级生产力、海拔和土地利用的驱动作用减弱，而降水量 的驱动作用增强。（3）潜在蒸散量与连通性呈正空间相关性。海拔、植被净初级生产力、降水量和归一化植被指数与连通性呈负空间相关性。研究沉积物连通性的时空动态并识别分析关键变量的变化，有助于黄土高原的可持续健康发展。
引言
沉积物连通性的概念近年来在土壤侵蚀管理领域引起了广泛关注。沉积物连通性代表了特定流域内沉积物生成和传输的综合能力，包括路径连续性、流量大小和潜力。它是流域内长期生态-形态反馈的结果，同时也反映了上游来源与下游汇之间的联系（Michalek等人，2023a；Najafi等人，2021；Shi等人，2025）。通过沉积物连通性这一媒介，可以深入研究流域内土壤侵蚀与生态水文过程之间的相互作用（Michaelides和Chappell，2009）。沉积物连通性可分为两类：结构连通性和功能连通性（Shi等人，2025）。结构连通性是指景观单元之间的物理连接，用于描述不同空间和时间条件下的流域静态特征，包括地形特征和植被格局（Bracken和Croke，2007；Lopez-Vicente和Ben-Salem，2019；Wainwright等人，2011）。功能连通性是基于过程的连通性，表明流域的静态特征如何通过水文过程转化为径流和沉积物流的变化（Bracken等人，2013；Najafi等人，2021）。"过程"一词也强调了结构与功能共同进化的重要性（Hooke和Souza，2021；Saco，2020）。
自2003年正式提出以来，沉积物连通性理论为沉积物动态研究提供了新的视角（Hooke，2003）。虽然建立统一的理论框架仍是该领域的研究重点，但研究连通性与其影响因素之间的关系同样不可或缺（Shi等人，2025）。影响沉积物连通性的变量众多，且每种变量的影响随时间和空间条件而变化，揭示了复杂的联系和耦合效应（Heckmann等人，2018）。流域的地形-土壤条件对沉积物连通性有重要影响，包括海拔、坡度、坡长、表面粗糙度和土壤可蚀性；其中前四个因素影响径流生成和连通性路径（Moussa，2008；Ochoa等人，2016；Zhang等人，2018）。土壤可蚀性根据土壤质地、孔隙大小和团聚体结构等特性影响不同的径流模式，进而影响沉积物连通性（Nanda等人，2019；Shi等人，2025）。植被影响沉积物连通性的机制主要体现在三个方面：植被冠层、茎和根系对降水和土壤水分的重新分布；表面粗糙度的增加；以及土壤性质的维持（Sun等人，2019；Wang等人，2022a）。流域的气候条件被认为是影响沉积物连通性的外部变量，其中降水量和潜在蒸散量尤为重要（Heckmann等人，2018；Michalek等人，2023b）。降水类型、频率、持续时间和强度的差异会通过地表径流显著影响沉积物连通性（Yan等人，2018；Zhang等人，2017）。最后，人类活动以多种方式影响沉积物连通性，包括放牧压力、道路和排水网络的布局，所有这些因素都与流域的社会条件密不可分（Koci等人，2020；Persichillo等人，2018；van der Waal和Rowntree，2018）。土地利用与一个地区的社会、植被、地形和气候密切相关；因此，我们将区域土地利用视为一个独立的环境因素。
环境变量的变化可能导致流域内沉积物连通性的时空变化。自1999年以来，中国政府实施了“退耕还林”计划，大大恢复了黄土高原的生态环境（Du等人，2023）。黄土高原约有3480万公顷的土地得到了恢复，大量坡度超过25°的耕地被转化为森林和草地，绿化程度也显著提高（Huang和Shao，2019；Liu等人，2024d）。近年来，黄土高原的沉积物连通性研究有所增加。例如，Wang和Zhang（2022）研究了黄土高原不同地点小流域的沉积物连通性及其影响因素。Yan等人（2024）研究了不同尺度下沉积物连通性对降雨事件的响应。Zhang等人（2023b）开发了一种新的沉积物连通性指数，并将其应用于土地利用变化背景下的沉积物连通性研究。先前的研究表明，黄土高原环境变量的剧烈变化显著改变了流域内的沉积物连通性。然而，导致沉积物连通性变化的变量随时间如何变化？现有研究对此关注不足。本研究旨在探讨黄土高原沉积物连通性及其变量之间的演变关系，这对理解流域尺度上沉积物连通性变化机制具有重要的科学意义。对于实现黄土高原的高质量可持续发展目标尤为重要，因为该地区面临新的挑战——其生态承载能力已无法支持大规模植被恢复（Ge等人，2025；Liang等人，2019）。
本研究聚焦于新水河流域，这是黄土高原的一个代表性区域。研究目标是：（1）研究流域内沉积物连通性的时空变化及其主要的环境影响因素；（2）确定控制连通性空间分布的关键变量；（3）探讨这些关键变量的时间变化及其与连通性的关联。因此，本研究为流域规划和与沉积物连通性相关的土壤侵蚀管理策略提供了理论基础，具有重要的实际意义。
研究区域
新水河流域（XSRC，110°39′-111°23′E，36°06′-36°57′N）是黄土高原东南部黄河右侧的主要支流（图1）。该流域面积为3972.43平方公里。上游地区以崎岖的山地地形和遍布巨石的斜坡为特征，而中下游地区位于残余高原和丘陵沟壑地带。海拔范围从683米到2005米不等，平均海拔约为...
土地利用变化
1990年至2020年间，最显著的土地利用变化是草地转化为森林和耕地，导致草地面积大幅减少，同时森林和耕地面积扩大（图2）。由于“水域”和“荒地”的覆盖面积极小，这些类别被合并为“其他”类别以进行地图表示。
值得注意的是，如图2所示，研究区域内的土地利用变化似乎与减少...
沉积物连通性的空间和时间变化及其主要环境条件
1990年至2020年间，沉积物连通性总体呈下降趋势（图5）。然而，1990年至2000年间连通性也有所增加。其他在黄土高原进行的连通性研究均表明，“退耕还林”计划的实施直接导致了连通性的下降（Wang等人，2022a；Wu等人，2023a）。Wang等人（2022a）进一步指出，“退耕还林”计划不仅通过改变土地利用减少了连通性...
结论
我们研究了黄土高原一个代表性流域（新水河流域）内沉积物连通性的时空变化，考察了其变量的时间动态。通过冗余分析进行层次划分，我们评估了11个变量的总解释能力，并确定了最显著影响连通性的环境条件。同时，我们使用地理检测模型测量了这11个变量对...
CRediT作者贡献声明
Peng Ding：撰写——原始草案、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Jian Hou：撰写——审阅与编辑、验证、资源获取、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化。Qingsheng Zhong：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。
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
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFF1305101）的支持。
