河流水沙关系是流域水文循环的重要表现形式，受气候变化和人类活动的影响。已有研究表明，地表温度在过去30年中增加约0.8 ℃^[1]，降水量也以0.2 mm/a的速度显著增加^[2]；同时发现若全球气温上升1 ℃，径流量则会增加4%^[3]，显著地影响流域水文循环。在过去几十年中，生态保护工程和水利工程的建设，导致土地利用的变化，对河流系统造成重大影响^[4-5]。水库拦蓄使河流泥沙量减少，导致河流下游三角洲侵蚀和退化，如美国密西西比河、越南湄公河、中国长江和黄河等^[6-9]。水沙对气候变化和人类活动的响应已成为当前的研究热点之一，在世界范围内引起广泛关注^[10-13]。赣江作为鄱阳湖流域五河之首，也是长江第七大支流，其水沙变化不仅影响着鄱阳湖流域的水文特征和生态环境，同时也影响到长江中下游的生态安全。近年来多位学者对赣江水沙变化及其驱动因素进行研究^{[4, 5, 14-21]}发现：赣江流域径流量多年整体无显著变化趋势；输沙量整体呈先上升再下降的趋势并在2000年左右发生突变，且上中下游发生突变的时间点存在差异^{[14, 18]}；生态保护工程^{[4, 14, 17]}和水利工程^{[5, 17-18, 21]}的建设是导致赣江流域输沙量急剧减少的主因。绝大多数学者只是分析赣江流域径流泥沙的变化情况，并没有定量分析气候变化和人类活动在赣江水沙变化中的贡献率；且赣江流域范围广阔，水利工程众多，上、中、下游特征差异明显，以往的研究未能反映赣江上游水沙变化的真实情况；而赣江上游恰恰是赣江流域水土流失情况最严重的地区。因此，笔者选取桃江流域为赣江上游代表性支流，研究分析桃江流域61a水沙变化特征和驱动因素，并定量分析气候变化和人类活动对赣江上游桃江流域输沙量减少的贡献率，深入讨论桃江流域水沙变化与人类活动(土地利用变化和建设大型水利工程上)的关系，以期为桃江乃至赣江流域的生态经济建设和社会可持续发展提供参考。

赣江地处长江中下游，是鄱阳湖水系中最大支流，主河道长约823 km，控制面积8.28万km²，横跨江西、福建、广东和湖南4省。桃江是赣江上游左岸一级支流，又名信丰江，位于江西省南端。流域上游以低山为主，中、下游除龙南、信丰县附近有小面积平原外，多为丘陵。地貌东南西三面高，北面低^[22]。桃江发源于赣州市全南县大吉山，北入赣江(图 1)，属亚热带湿润季风气候，雨量丰沛，径流受降水控制^[22]，丰枯特征明显。

图 1(Fig. 1)

图 1 桃江流域示意图 Fig. 1 Schematic map of the Tao River watershed

桃江流域控制站居龙滩水文站(E 115°12′、N 25°82′)位于江西省南端赣州市赣县区，集水面积7 751 km²，占桃江流域总面积的98.6%。径流和输沙资料采用该站1958—2018年逐日径流数据和逐日输沙数据(悬移质输沙量)；降雨资料则采用流域内13个雨量站(表 1)1958—2018年逐日降雨数据，因雨量站建站年份不一，降雨缺测数据采用附近站点数据插补获得，面雨量采用泰森多边形法计算。丰、枯水期按江西省汛期划定：丰水期为当年的4—9月，枯水期为当年的10月—翌年3月。四季按气象法划分，以3—5月、6—8月、9—11月、12月—翌年2月分别为春、夏、秋、冬四季。上述所有数据均来自中华人民共和国水文年鉴，数据精度满足计算要求。土地利用数据来源为中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn)。

表 1(Tab. 1)

表 1 桃江流域雨量站 Tab. 1 Rainfall stations in Tao River watershed 站名 Station 站别 Station type 经纬 Longitude/(°) 纬度 Latitude/(°) 海拔 Altitude/m 数据期限 Data period 居龙滩Julongtan 水文站Hydrological station 115.12 25.82 113 1957—2018 横溪Hengxi 雨量站Rainfall station 115.02 25.58 153 1962—2018 油山Youshan 雨量站Rainfall station 114.70 25.42 230 1962—2018 信丰Xinfeng 雨量站Rainfall station 114.93 25.38 152 1965—2018 新田Xintian 水位站Hydrological station 115.25 25.37 200 1957—2018 金盆山Jinpengshan 雨量站Rainfall station 115.20 25.27 240 1962—2018 陂头Pitou 雨量站Rainfall station 114.58 25.02 220 1978—2018 月子Yuezi 雨量站Rainfall station 115.03 24.90 340 1963—2018 龙源坝Longyuanba 雨量站Rainfall station 114.45 24.93 255 1965—2018 汶龙Wenlong 雨量站Rainfall station 114.90 24.77 350 1963—2018 杜头Dutou 水文站Hydrological station 114.63 24.78 247 1958—2018 大吉山Dajishan 雨量站Rainfall station 114.37 24.62 398 1962—2018 横岗Henggang 雨量站Rainfall station 114.70 24.60 420 1966—2018

表 1 桃江流域雨量站 Tab. 1 Rainfall stations in Tao River watershed

Mann-Kendall非参数趋势检验法是评估水文气象数据变化趋势的一种有效方法，其计算简便，适用范围广^[23]。

Pettitt突变检验方法是一种非参数检验方法，能识别出长时间水文序列中的突变点并判断在统计学意义上是否显著^[24-25]。累积距平法是分析水文序列阶段性趋势的常用方法，可以通过曲线的波动程度判断是否发生突变以及突变大致时间^[23]。

累积量斜率变化率法用来定量评估气候变化和人类活动对水文过程变化贡献率^[26]。计算过程如下：

式中：T_S为累积输沙量斜率变化率；T_P为累积降雨量斜率变化率；G_A和G_B为年份与累积输沙量曲线突变点前后时期的斜率；G_A和G_B为年份与累积降水量曲线突变点前后时期的斜率。若T_S、T_P>0，则斜率增大；T_S、T_P < 0，则斜率减小。

降雨量对输沙变化的贡献率

人类活动对输沙变化的贡献率

桃江流域61 a多年平均降雨量1 565.5 mm，变差系数0.18。最大年降雨量2 357.9 mm(1975年)，最小年降雨量1 053.6 mm(1963年)，极值比2.23；流域多年平均径流量60.36亿m³，变差系数0.34；最大年径流量119.5亿m³(1975年)，最小年径流量17.95亿m³(1963年)，极值比6.66。流域61 a多年平均输沙量112.5万t，变差系数0.61。最大年输沙量267.7万t(1992年)，最小年输沙量5.72万t(2018年)，极值比46.79。年降雨和年径流最大和最小的年份相同，表明研究初期降雨和径流有很好的一致性，但输沙量的极值年份与降雨、径流的极值年份并不一致。由图 2可见年降雨量、径流量和输沙量的变化趋势基本一致，降雨量大的年份，径流和输沙量也随着增大；年降雨量和年径流量多年变化较小，而输沙量年际间变化大，2000年以后更是急剧减少。

图 2(Fig. 2)

图 2 桃江流域1958—2018年降雨、径流和输沙的变化过程 Fig. 2 Changing trends of precipitation, runoff and sediment transport in Tao River watershed from 1958 to 2018

桃江流域年内降雨73.32%集中在丰水期(表 2和图 3)，超过枯水期的2倍。春夏2季的降水量最多，秋季和冬季的降雨量相差不大，分别占13.71%和12.97%。月降雨呈双峰型，6月降雨量最大，为主峰，单月降雨占全年降雨的15.71%，大于秋季和冬季的单季度降雨量，8月为次峰。

表 2(Tab. 2)

表 2 桃江流域1958—2018年降雨、径流和输沙特征表 Tab. 2 Temporal variations of precipitation, runoff and sediment in Tao River watershed from 1958 to 2018 时段 Time interval 降雨Precipitation 径流Runoff 输沙Sediment 多年均值 Multi-year average/mm 极值比 Extremum ratio 变差系数 Coefficient of variation 多年均值 Multi-year average/108 m3 极值比 Extremum ratio 变差系数 coefficient of variation 多年均值 Multi-year average/104 t 极值比 Extremum ratio 变差系数 coefficient of variation 年Year 1 565.5 2.23 0.18 60.36 6.66 0.34 112.50 46.79 0.61 丰水期Wet season 1 088.4 2.59 0.19 43.48 8.00 0.34 93.48 66.90 0.61 枯水期Dry season 477.7 4.03 0.33 16.88 9.53 0.55 19.03 122.48 1.31 春Spring 600.0 4.90 0.27 22.92 12.30 0.49 55.96 267.83 0.81 夏Summer 547.7 4.07 0.25 21.80 6.81 0.41 44.06 59.49 0.75 秋Autumn 214.7 7.19 0.43 8.96 9.71 0.54 7.94 93.60 1.04 冬Winter 203.1 15.26 0.48 6.68 7.55 0.55 4.54 595.29 1.58

表 2 桃江流域1958—2018年降雨、径流和输沙特征表 Tab. 2 Temporal variations of precipitation, runoff and sediment in Tao River watershed from 1958 to 2018

图 3(Fig. 3)

图 3 桃江流域月降雨、径流和输沙年内分布及其变化 Fig. 3 Monthly distribution and variations of precipitation, runoff and sediment in the hydrological stations of the Tao River watershed

流域年内径流的74.08%分布在丰水期，达到枯水期的近3倍。一年之中春夏2季径流量最多，与降雨特征一致。春季径流量极值比接近夏季的两倍且变差系数比夏季大，表明虽然春季径流量比夏季略多，但夏季的径流量更稳定。6月径流最大，12月径流最小。各月径流的变差系数范围为0.50~0.96，连续最大3个月径流集中在4—6月，占全年径流量的48.08%。

流域年内输沙量的88.90%集中在丰水期，其中春季输沙量占49.74%，占全年输沙近一半，冬季输沙仅占5%。冬季输沙量极值比最大为595.29，桃江流域冬季不仅输沙量少，且年际间变化悬殊。流域输沙量的年内分布极为不均，最大月变差系数值甚至超过2、4—6月的输沙量，占全年的63.80%，流域最大月输沙发生在6月，为105.88万t。月输沙与月变差系数呈显著的逆相关。

对桃江流域1958—2018年降雨量、径流量和输沙量进行MK趋势检验和Pettitt突变检验，发现61 a年降雨和年径流均无显著变化趋势和突变，而年输沙量存在显著减少趋势并在2002年发生突变，且通过0.001的显著性检验。因Pettitt检验只能检验出研究期内最显著的突变点，采用累积距平径流量和输沙量在1972年也发生明显的变化(图 4)，对降雨做累积距平亦发现降雨在1972和1985年存在突变(图 5)。

图 4(Fig. 4)

图 4 居龙滩站1958—2018年降雨、径流和输沙的累积距平比例曲线 Fig. 4 Trend of accumulative anomaly of annual precipitation, runoff and sediment in Julongtan station from 1958—2018

图 5(Fig. 5)

图 5 桃江流域降雨量累积距平 Fig. 5 Accumulative anomaly of annual precipitation in Tao River watershed

为探明不同时期降雨和人类活动对输沙量减少作用的动态变化过程，依据累计量斜率变化率比较法，把1972、1985和2002年3个时间点看做分割点，将整个研究分为4个时段：A：1958—1972年；B：1973—1985年；C：1986—2002年；D：2003—2018年。其中1958—1972年，人类活动的影响不显著，流域水沙主要受气候变化的影响，看做基准期；1972年以后人类活动日益增加，输沙量除受降雨等气候因素的影响，还会叠加人类活动的影响(图 6)。

图 6(Fig. 6)

图 6 居龙滩站累积降雨量与年份之间的关系图 Fig. 6 Relationship between year and accumulative precipitation in Julongtan station

拟合出年份和累积降雨量之间的关系如图 6所示。同理将年输沙序列分为A、B、C、D 4个时段，拟合出年份和累积输沙量之间的关系(图 7)。

图 7(Fig. 7)

图 7 居龙滩站累积输沙量和年份之间的关系 Fig. 7 Relationship between year and accumulative sediment in Julongtan station

计算得到桃江流域年均累积输沙量和降水量的斜率以及变化率，与A时段相比较，B时段年均累积输沙量斜率增加55万t/a，增长率为53.97%(表 3)；同期累积降水量斜率增加168 mm/a，增长率为11.26%(表 4)。计算得到降水量增加对输沙量增加的贡献率为20.86%，人类活动对输沙量增加的贡献率为79.14%。

表 3(Tab. 3)

表 3 桃江流域累积输沙量斜率及其变化 Tab. 3 Slopes of cumulative sediments of Tao River watershed and their change ratios 时段 Period 斜率 Slope/(104 t·a-1) 斜率与A时段相比 Compared with period A 斜率与B时段相比 Compared with period B 斜率与C时段比较 Compared with period C 变化量 Variation/(104 t·a-1) 变化率 Rate of change/% 变化量 Variation/(104 t·a-1) 变化率 Rate of change/% 变化量 Variation/(104 t·a-1) 变化率 Rate of change/% A 101.9 — — — — — — B 156.2 55.0 53.97 — — — — C 155.2 53.3 52.31 -1.0 -0.64 — — D 37.8 -64.1 -62.90 -118.4 -75.80 -117.4 -75.64 注：“—”表示无数值。Notes: “—”indicates that there is no numeric value.

表 3 桃江流域累积输沙量斜率及其变化 Tab. 3 Slopes of cumulative sediments of Tao River watershed and their change ratios

C和A时段相比，累积输沙量斜率增加53.3万t/a，增长率为52.31%；而同期累积降水量斜率增加62 mm/a，增长率为4.16%(表 4)。计算可得降水和人类活动分别的贡献率为7.95%和92.05%。

表 4(Tab. 4)

表 4 桃江流域累积降水量斜率及其变化 Tab. 4 Slopes of cumulative precipitations of Tao River watershed and their change ratios 时段 Period 斜率 Slope/(mm·a-1) 斜率与A时段相比 Compared with period A 斜率与B时段相比 Compared with period B 斜率与C时段相比 Compared with period C 变化量 Variation/(mm·a-1) 变化率 Rate of change/% 变化量 Variation/(mm·a-1) 变化率 Rate of change/% 变化量 Variation/(mm·a-1) 变化率 Rate of change/% A 1 491.4 — — — — — — B 1 659.4 168 11.26 — — — — C 1 553.4 62 4.16 62 3.74 — — D 1 581.4 90 6.03 -78 -4.70 28 1.80 注：“—”表示无数值。Notes: “—”indicates that there is no numeric value.

表 4 桃江流域累积降水量斜率及其变化 Tab. 4 Slopes of cumulative precipitations of Tao River watershed and their change ratios

D和A时段相比，累计输沙量斜率减少64.1万t/a，减小率为62.9%(表 3)，而累积降水量斜率反而增加90 mm/a。则表明人类活动抵消降水量对流域水沙的影响，该时段的水沙变化完全是由人类活动导致的，人类活动的贡献率为100%(表 5)。

表 5(Tab. 5)

表 5 桃江流域各时期人类活动与降水对输沙量变化的贡献率 Tab. 5 Contribution rate of human activities and precipitation to sediment transport in Tao River watershed   % 时期 Period 与A时段相比Compared with period A 与B时段相比Compared with period B 与C时段相比Compared with period C 人类活动 Human activity 降水 Precipitation 人类活动 Human activity 降水 Precipitation 人类活动 Human activity 降水 Precipitation 1958—1972 — — — — — — 1973—1985 79.14 20.86 — — — — 1986—2002 92.05 7.95 100.0 0 — — 2003—2018 100.00 0 93.80 6.20 100.00 0 注：“—”表示无数值。Notes: “—”indicates that there is no numeric value.

表 5 桃江流域各时期人类活动与降水对输沙量变化的贡献率 Tab. 5 Contribution rate of human activities and precipitation to sediment transport in Tao River watershed

C和B时段相比，累积输沙量斜率减少1万t/a，减小率为0.64%；累积降水量斜率增加62 mm/a，增长率为3.74%。得出人类活动的贡献率为100%(表 5)。

D和B时段相比，累积输沙量斜率减少118.5万t/a，减小率为75.8%；累积降水量斜率减少78 mm/a，减小率为4.7%。计算得降水和人类活动分别的贡献率为6.2%和93.8%(表 5)。

D和C时段相比，累积输沙量斜率减少117.4万t/a，减小率为75.64%；而累积降水量斜率增加78 mm/a，增长率为4.7%。人类活动的贡献率为100%(表 5)。

耕地和林地一直是桃江流域主要的土地利用类型，两者的面积之和占流域总面积的近95%(表 6)。1980年的耕地占总面积的17.53%，林地占77.75%，草地占3.1%。1980—2015年期间桃江流域土地利用变化规律为：比例最大的林地面积呈减少趋势，耕地、草地、水域和居民用地面积呈增加趋势；居民用地面积增长21.3%，是增幅最大的土地利用类型，其在1980—2000年中增加21.12%，2000—2015年仅增加0.22%。

表 6(Tab. 6)

表 6 桃江流域不同时期土地利用变化 Tab. 6 Land use and land cover change in different periods of Tao River watershed 土地利用类型 Land use 面积Area/km2 变化率Rate of change/% 1980 1990 2000 2005 2010 2015 1980—2015 1980—2000 2000—2015 耕地Arableland 1 358.75 1 358.75 1 376.58 1 388.98 1 379.37 1 376.89 1.32 1.30 0.02 林地Woodland 6 026.32 6 026.32 5 962.84 5 994.00 6 005.78 5 962.61 -1.07 -1.06 0 草地Grassland 242.53 242.61 263.53 238.19 236.17 263.84 8.08 7.97 0.12 水域Waters 41.47 41.47 43.41 43.64 43.64 43.64 4.97 4.46 0.53 居民用地Residential 81.93 81.93 103.86 86.19 86.19 104.10 21.34 21.12 0.22

表 6 桃江流域不同时期土地利用变化 Tab. 6 Land use and land cover change in different periods of Tao River watershed

桃江流域所处的赣州区域森林资源1949—1980年经历4次严重的破坏^[27]，采矿、农业顺坡耕作习惯及科学管理的缺乏等造成大面积的水土流失。流域毗邻的兴国县1983年入选国家八片第1期重点治理县后，桃江流域也开展一系列的水土保持措施。在1998年流域内南康县等被列入国家生态建设县后，水土流失的局面得到改善。据统计，桃江流域1964年水土流失面积为1 140 km²，到2001年增至1 310 km²。累积治理水土流失面积：1981—1990年910 km²，1991—2005年790 km^2[22]。

因此流域土地利用变化的原因可以认为是：1)20世纪50年代早期，人们过度的砍伐森林和开采矿，而忽视对生态的影响，造成大面积水土流失；2)20世纪80年代开始在流域内实施大规模的水土保持措施，用以遏制水土流失的恶化包括植树造林、退耕还林和封山育林等；3)近年来赣州市加强水土流失综合治理，大力发展赣南、休闲旅游等生态产业。

桃江流域目前有11座中型水库和130余座小型水库，水库控制面积最大的3座分别为居龙滩水库(2007年)、桃江水库(2006年)和龙头滩水库(2006年)，水库控制面积分别为7 739、3 679和2 653 km²。其中居龙滩水库的控制面积最大，占整个桃江流域的98.41%(表 7)。流域径流在丰水期与枯水期径流量差异比较大，均为年调节水库。1958—1972年，有4座中型水库(走马垅水库、上迳水库、白兰水库和五渡港水库)建成，但控制面积均较小，对水沙变化的影响并不显著；1973—1985年间建成3座中型水库(龙兴水库、龙井水库和中村水库)，导致土地利用中林地面积减少，草地面积、水域面积和居民用地面积增加，该时期土地利用变化是造成输沙量增加的主要因素；1986—2002年的总体趋势与1973—1985年相同，输沙量持续增加，土地利用变化的速率加快；2002—2018年间输沙量急剧减少，流域不仅实施大量的水土保持措施，还建成了居龙滩、桃江和龙头滩3座水库，控制面积为其余8座水库控制面积的近20倍，尤其是居龙滩水库建成之后(2007年)，输沙量直线下降(图 2)，水库是导致该时段输沙量急剧下降的驱动性因素。

表 7(Tab. 7)

表 7 桃江流域水库信息统计表 Tab. 7 Statistical table of reservoir information in Tao River watershed 水库名称 Name of reservoir 建成年份 Completion year 水域面积 Water area/km2 控制面积 Control area/km2 库容 Storage capacity/104 m3 居龙滩水库Julongtan reservoir 2007 9.24 7 739.0 7 400 桃江水库Taojiang reservoir 2006 5.48 3 679.0 3 710 龙头滩水库Longtoutan reservoir 2006 3.05 2 653.0 1 400 龙兴水库Longxing reservoir 1974 1.46 182.0 2 400 龙井水库Longjing reservoir 1978 — 140.0 1 385 五渡港水库Wudugang reservoir 1961 3.05 120.0 3 330 黄云水库Huangyun reservoir 1990 2.28 93.7 4 790 走马垅水库Zoumalong reservoir 1958 1.82 91.6 2 370 上迳水库Shangjing reservoir 1966 — 31.6 1 185 中村水库Zhongcun reservoir 1976 — 29.2 1 015 白兰水库Bailan reservoir 1961 — 24.2 1 161 注：“—”表示无数值。Notes: “—”indicates that there is no numeric value.

表 7 桃江流域水库信息统计表 Tab. 7 Statistical table of reservoir information in Tao River watershed

人类活动是导致桃江输沙量变化的主因。其中，2002年之前由水土保持措施主导，2002年之后由水库主导。但由于目前观察数据的限制，无法精确计算出水保措施和水库的减沙作用在人类活动中的比例。

1) 桃江流域降雨和径流61 a间无显著突变趋势和突变点，两者的变化趋势整体较为一致，具有良好的相关性。流域输沙量年际变化剧烈，采用Pettitt突变检验，确定桃江流域年输沙突变的临界年份为2002年(P < 0.001)。虽然输沙量的年际变化剧烈，但是其年内分布基本稳定，主要集中在4—6月。

2) 林地和耕地为桃江流域1980—2010年主要的土地利用类型，约占到流域总面积的95%。流域林地面积呈减少趋势，其余土地类型均呈增加趋势。居民用地面积增长21.3%，是增加幅度最大的土地类型。

3) 采用累积量斜率变化法对流域水沙变化的驱动力分析发现，以1958—1972年为流域基准期，1973—1985、1986—2002和2003—2018年人类活动的贡献率分别为79.14%、92.05%和100%，即随着时间的推移，人类活动对输沙量的影响越来越大。1973—1985年与1986—2002年2个时段的输沙量增大，其原因是人类活动导致的土地利用变化使水土流失极其严重，致使流域输沙量增大，而2003—2018年是由于水保措施和水库的拦沙能力，导致输沙量大幅减少，其中水库拦沙起到主要作用。此时人类活动对输沙量变化的贡献率达到100%。