本研究由北京林业大学水土保持学院刘雪妍（第一作者）、张会兰（通信作者）、罗泽宇、张嘉琪、安妮等人共同完成，其中张会兰同时隶属于重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站。该论文发表于《水土保持研究》（Research of Soil and Water Conservation）2024年6月第31卷第3期，页码为79—89页。研究受国家自然科学基金项目（52279056）和“十四五”重点研发项目（2022YFF130009505）资助。
土地利用变化是全球环境变化的重要组成部分，是自然变化与人类活动共同作用下导致的下垫面变化，直接影响流域下垫面粗糙度、植被覆盖率和土壤渗透特性，进而显著影响流域产流汇流机制与水循环过程。随着人类活动对土地利用作用强度的增加，大量自然土地发生转化，不合理的土地利用方式导致流域土地利用结构和格局发生显著变化，引发水土流失等生态环境问题。因此，研究流域水沙对土地利用变化的响应情况，对流域水资源管理、水土保持工作规划与可持续发展具有重要意义。
涪江流域是长江上游的多沙区，耕地面积占比大、人类活动频繁。频繁的农业耕作活动导致流域地表形态改变和区域性生态环境变化。在近几十年来城镇化迅速发展的背景下，流域下垫面条件和产流产沙过程发生了改变。然而现有研究大多从气候变化和土地利用变化综合影响的角度进行分析，对具体土地利用类型变化下的水沙响应的量化分析较少。因此，本研究以涪江流域为研究对象，基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool，土壤和水评估工具）模型构建6种自然及极端情景，定量分析流域历史自然时期和极端情景下的水沙在时空尺度上的分布及对土地利用变化的响应，以量化不同土地利用类型影响程度的重要性，为涪江流域水土资源管理保护和生态建设提供科学依据。
研究所用水文数据来源于小河坝水文站，该站是国家基本水文站，一类精度流量站和二类精度泥沙站，是涪江流域的主要控制站。流域周边及内部20个气象站点1960—2015年的逐日降水数据来源于中国气象数据网。数字高程模型（DEM）数据来源于地理空间数据云，分辨率为90 m，重采样至250 m。土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心资源环境数据云平台1 km数据，重采样至250 m。土壤数据来源于世界土壤数据库（HWSD）v1.2。
基于所收集的SWAT模型输入数据，利用ArcGIS 10.2软件的ArcSWAT平台建立涪江流域的物理计算模型。根据流域DEM获取坡度坡向、流向流量、生成河网，确定流域出口并计算子流域。设定集水面积阈值为10 000 hm²，生成148个子流域。加载土地利用、土壤及坡度数据，将子流域细分为水文响应单元（HRUs），设置土地利用阈值为0，最终将整个流域划分为5 634个水文响应单元。输入气象数据后，预热期设置为2年，执行RUNSWAT程序，分别设定率定期及验证期模拟的开始与结束时间。
采用SWAT-CUP中的SUFI-2算法进行参数敏感性分析，根据每个参数的统计量t-state值与显著性指标p-state值衡量径流、泥沙参数的敏感性。选取了22个敏感性参数进行模型率定，经过多次迭代计算缩小参数取值范围，直至达到预期目标。采用决定系数（R²）、纳什效率系数（NSE）和百分比偏差（PBIAS）作为评价指标判定模型适用性。设置1981—1982年为预热期，1983—1993年为率定期，1994—1999年为验证期。
参数敏感性分析结果显示，R__CN2是对流域径流模拟最为敏感的参数，反映了降雨前期流域特征，CN是SCS径流曲线系数；饱和渗透系数SOL_K、气温直减率TLAPS、地下水时间延迟GW_DELAY等参数对径流模拟也很敏感。对于泥沙模拟，平均坡长SLSUBBSN、平均坡度HRU_SLP、6月21日的融雪因子SMFMX、河道侵蚀因子CH_COV2、河道覆盖因子CH_COV1、泥沙输移指数参数SPEXP、泥沙输移线性参数SPCON和水土保持措施因子USLE_P为较为敏感的参数。
本研究采用极端土地利用情景模拟方法，将1990年土地利用现状数据设置为基准期情景（S1），在此基础上设置草地覆被情景（S2）、林地覆被情景（S3）和未利用地覆被情景（S4）3种极端情景，同时设置1990年（S1基准期）、2000年（S5）、2010年（S6）的实际土地利用为3种自然情景。草地覆被情景以S1为基础，将所有耕地设置为草地；林地覆被情景以S1为基础，将所有耕地设置为林地；未利用地覆被情景以S1为基础，将所有耕地设置为未利用地。通过极端情景与基准期的差值，量化草地、林地和未利用地对流域产流产沙的影响。
采用随机森林算法（RF）量化不同土地利用类型对产流量和侵蚀产沙量的影响。以6种土地利用类型作为自变量，预测产流量和侵蚀产沙量的相对重要性排序。
径流模拟在率定期R²、NSE和PBIAS指标值分别为0.86、0.85、-0.1%，验证期分别为0.80、0.78、8.0%，p-factor和r-factor值均为0.87和0.92，在模型不确定性方面满足要求。泥沙模拟在率定期R²、NSE和PBIAS指标值分别为0.68、0.67、-16.1%，验证期分别为0.68、0.43、23.4%。验证期泥沙模拟指标不高的原因是流域实测数据有限，且验证期数据较少、极端值较多。总体而言，SWAT模型能有效模拟涪江流域的水沙趋势，具有较强的适用性。
1999—2010年，涪江流域上游主要为林草地，约占流域总面积的46%，草地主要分布在林地边缘；中下游为农业用地和居民用地主要分布区，沿河道两侧分布，耕地面积占流域总面积的51%左右。流域整体土地利用比例与分布未发生显著改变，耕地、林地和水域面积分别减少1.04%、6.28%、3.23%；草地面积增加15.02%；居民用地与未利用地扩张明显，分别为95.86%和434.43%。其中1990—2000年居民用地扩张了52.68%，未利用地在2000—2010年剧烈扩张了372.72%。这表明涪江流域内实行了颇有成效的林地还草工程，但局部地区仍存在城镇化、工业化和森林砍伐等人类活动导致的林草地破坏及未利用地扩张现象。
空间尺度上，基准期情景（S1）下涪江流域年平均产流为484.29 mm。草地覆被情景（S2）年均产流为387.47 mm，相比基期减少19.99%（96.82 mm）；林地覆被情景（S3）年均产流为311.60 mm，相比基期减少35.66%（172.69 mm）；未利用地覆被情景（S4）年均产流为486.30 mm，较基期仅增加0.42%。三种极端土地利用情景对产流量的影响程度排序为：林地>草地>未利用地。自然情景下（S5、S6）流域产流变化率分别仅为0.76%和0.23%，几乎没有产生变化。空间分布上，各情景产流量均在0~700 mm范围内，呈现中下游多、上游少的趋势。草地覆被情景和林地覆被情景的产流量空间变化大体一致，多数子流域处于400~500 mm范围内，中下游地区耕地转化为林草地后拦水能力增强，产流量大大减少。
时间尺度上，不同土地利用情景下流域总产流量在季节变化结构上呈现一致性，年内分配极不均衡，均为夏季多、冬季少。整体上季均产流量为：未利用土地覆被>草地覆被>林地覆被，夏季变化最大。草地、林地使地面粗糙率增加，增加入渗，涵养水分，有效阻挡和抑制了地表径流的产生和流动。
基准期（S1）涪江流域年平均侵蚀产沙量为84.01 t/hm²。草地覆被情景（S2）年均侵蚀产沙量为58.78 t/hm²，减少30.04%（25.24 t/hm²）；林地覆被情景（S3）年均侵蚀产沙量为47.41 t/hm²，减少43.57%（36.60 t/hm²）；未利用地覆被情景（S4）年均侵蚀产沙量为131.68 t/hm²，显著增加56.74%（47.67 t/hm²）。三种极端土地利用情景对侵蚀产沙量的影响程度排序为：未利用地>林地>草地。自然情景下（S5、S6）侵蚀产沙量分别增加10.36%和12.23%。空间分布上，基准期情景的侵蚀产沙量在1~25 t/hm²范围内，上游明显高于中下游，大部分处于500~679 t/hm²。未利用地覆被情景下73%的子流域较基准期呈现100%以上的增加趋势，最高增加变化率达到234%，为剧烈侵蚀区。时间尺度上，季节变化规律与产流量一致，春夏季多、秋冬季少，春季和夏季变化最大。
影响产流量的前3个土地利用类型是耕地、林地、草地，相对重要性权重系数分别为2.057、2.030、1.148；影响侵蚀产沙量的前3个土地利用类型是草地、耕地、林地，相对重要性权重系数分别为1.753、1.208、1.003。该结果与情景模拟结果基本一致。
本研究得出以下结论：（1）涪江流域上游主要为林草地，占流域面积的45%以上；中下游以农业用地和居民用地为主，耕地面积占50%以上。1999—2010年，居民用地与未利用地扩张明显，分别为95.86%和434.43%。（2）SWAT模型在涪江流域具有较强的适用性。自然情景下径流变化率小于5%，侵蚀产沙量变化率小于15%。极端情景模拟显示不同土地利用类型对产流量的影响排序为林地>草地>未利用地，林地覆被情景减少35.66%的产流量；对侵蚀产沙的影响排序为未利用地>林地>草地，未利用地情景增加56.74%的侵蚀产沙量，林地和草地情景分别减少43.57%和30.04%。当流域土地利用类型向林草地转化时，产水产沙量大幅度减少，且减沙能力大于减水能力。（3）随机森林算法重要性排序结果表明，影响产流量的前3个土地利用类型为耕地、林地、草地，影响侵蚀产沙量的前3个为草地、耕地、林地，与情景模拟结论基本一致。
本研究的科学价值在于通过极端土地利用情景模拟方法，定量分离了单一土地利用类型变化对流域产水产沙的影响程度，弥补了以往研究大多从综合影响角度分析而对具体土地利用类型贡献量化不足的缺陷。应用价值在于为涪江流域未来土地利用结构优化和水土资源的合理规划提供了科学依据，特别是明确了向林草地转化具有显著减水减沙效果，未利用地扩张对流域产沙具有显著加剧作用，对流域水土保持和生态建设具有直接的指导意义。
本研究的亮点主要体现在三个方面：一是采用极端土地利用情景模拟与随机森林算法相结合的方法，从“设定情景—模型模拟—算法验证”的多角度对土地利用类型的水沙效应进行了交叉验证，增强了结论的可靠性；二是研究不仅分析了土地利用变化的总体水沙响应，还通过对每种土地利用类型的独立情景设定，量化了耕地、林地、草地、未利用地各自对产流量和侵蚀产沙量的差异化贡献，这在涪江流域的研究中具有创新性；三是研究发现自然情景下径流变化率小于5%而侵蚀产沙变化率小于15%，揭示了土地利用类型间的转化对流域侵蚀产沙量的影响大于对产流量的影响的规律，同时发现了减沙能力大于减水能力的特征，这对流域治理策略的选择具有重要参考价值。