黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重的地区。1919—1960年，黄河三门峡站下泄泥沙量年均约16亿t，其中90%来自黄土高原。经过60年包括植树种草、修筑梯田、建坝淤地等措施在内的大规模水土保持综合治理(Xu et al., 2004)，黄河流域泥沙输移量已减少90%(Wang et al., 2015)，但同时径流量也大幅降低(李二辉等，2014)。这表明，在水保工程有效减少土壤侵蚀和泥沙输移的背后，伴随着剧烈的水保生态耗水，增大了对区域供水安全的威胁。鉴于黄土高原及下游各业和生活需水不断增加，气候变化也会进一步加剧供水压力，亟需寻找节水、高效的侵蚀治理方案，从而兼顾土壤侵蚀治理和区域供水安全，这是未来黄土高原生态恢复中必须解决的重大问题和长期任务。

流域产沙是坡面侵蚀和沟道输沙等过程的综合作用，气候变化尤其降水变化(Nearing et al., 2005)和土地利用、植被覆盖及水土保持等人类活动会通过改变地表覆盖(信忠保等，2007；刘志红等，2011)、土壤抗蚀特性(王莉等，2007)、降水侵蚀力(郑粉莉，1998)、径流数量与组成(信忠保等，2009)、侵蚀产沙及河道输沙(Li et al., 2007；Mu et al., 2007)等过程来影响流域产沙量和输沙量。要制定节水、高效的侵蚀治理方案，就必须定量区分各水土保持措施(土地利用变化)对流域径流量和产沙输沙量的影响，这是当前水土保持、流域管理、生态恢复等领域共同关注的热点(Wang et al., 2007)。

在不同空间尺度上评价坡面治理措施对径流与产沙的影响，有利于区分各种治理措施的不同作用和效果。坡面径流小区尺度的研究明显不足，就是因为坡面径流小区的长度较短，难以考虑沿坡发生的径流入渗和泥沙沉积过程，从而可能高估坡面治理措施的作用；而大流域尺度研究多基于水文站观测结果，由于很多泥沙在河道中沿程沉积，因而可能会低估坡面治理措施的作用。所以应针对不同治理措施开展多尺度的联合研究，而其中小流域尺度的研究非常关键。在小流域内往往会同时实施植被恢复、梯田建设、沟道坝库建设等综合治理措施，而且可通过技术手段观测到径流和泥沙的变化过程，所以小流域是区分气象因子及治理措施影响的适宜空间尺度。

以往在黄土高原开展了较多定量评价水土保持治理效果的小流域研究，表明造林种草等生物措施与梯田、淤地坝等工程措施对水沙的影响差异较大。但是，坡面措施影响评价主要是在径流小区尺度进行的，因尺度效应限制，其结果不能直接上推到小流域和流域尺度。且多数小流域研究仅是评价治理措施对土壤侵蚀(朱恒峰等，2007)或流域径流(张守红等，2010)的整体影响，未能准确区分出不同措施的影响；此外，极少有小流域研究同时定量评价不同措施对径流和泥沙的影响，因而难以定量评价小流域内不同措施的减沙耗水成本，不利于在考虑供水安全要求的前提下指导流域综合治理。

本研究以甘肃平凉市纸坊沟小流域为例，利用1955—2003年的水土保持措施与径流和输沙等监测数据，定量评价林地、草地、梯田和沟道坝库等水土保持措施对小流域年径流深和产沙模数的影响，以期为制定节水、高效的土壤侵蚀综合治理方案提供依据。

研究区位于黄土高原残塬沟壑区的甘肃省平凉市纸坊沟小流域(106°37′—106°42′E，35°26′—35°33′N，图 1)，属泾河干流的一级支沟，总面积18.98 km²，海拔1 365.0～2 104.0 m。多年平均气温8.8 ℃，年日照时数2 381 h，年蒸发量1 499.2 mm，年降水量551.2 mm，其中7—9月占58%。小流域内的土壤类型主要是黄绵土，占小流域面积的50.8%，其次为黑垆土、草甸土、红黏土和新积土。土地利用以梯田为主，其次是草地和林地(表 1)。在小流域上游，气候相对阴湿，次生乔灌木和草丛茂密，植被覆盖度在70%左右，阴坡可达90%；在小流域中游，植被以杂草为主，阴坡局部有点片状灌丛，植被覆盖度为40%～50%；在小流域下游，人口聚集，植被较差，以杂草和人工林为主，植被覆盖度为20%～40%，阴坡在40%左右，人工防护林树种主要有刺槐(Robinia pseudoacacia)和杨树(Populus spp.)等，人工经济林树种主要有枣(Zizyphus jujuba)和苹果(Malus pumila)等。

图 1 纸坊沟小流域水系及雨量观测点(马家新庄、陈家庄、石窑硷)和小型水库(淤地坝)(一坝、二坝)的空间分布 Fig.1 Spatial location of rain gauges (Majiaxinzhuang、Chenjiazhuang, Shiyaojian) and dams (Dam 1, Dam 2) in small watershed of Zhifanggou

表 1 纸坊沟小流域各土地利用类型面积及占小流域面积比例的变化^① Tab.1 Areas of different land use types and their percentage to the total area of watershed

表 1 纸坊沟小流域各土地利用类型面积及占小流域面积比例的变化① Tab.1 Areas of different land use types and their percentage to the total area of watershed 土地利用类型 Land use type 1958 1965 1978 1985 2004 1958—2004年变化值 Change in 1958-2004 面积 Area/ km2 比例 Percentage (%) 面积 Area/ km2 比例 Percentage (%) 面积 Area/ km2 比例 Percentage (%) 面积 Area/ km2 比例 Percentage (%) 面积 Area/ km2 比例 Percentage (%) 面积 Area/ km2 比例 Percentage (%) 林地Forestland 0.35 1.84 0.43 2.27 1.35 7.11 2.30 12.10 2.81 14.80 +2.46 +12.96 草地Grassland 4.97 26.10 8.95 47.10 8.68 45.70 5.18 27.00 5.36 28.20 +0.39 +2.05 梯田坝地Terrace/dam field 0 0 0.44 2.32 2.08 10.90 4.32 22.70 7.75 40.80 +7.75 +40.83 坡耕地Slope farmland 9.50 50.00 7.06 37.20 4.77 25.10 5.27 27.70 1.31 6.90 -8.19 -43.15 其他Others 4.16 21.90 2.10 11.06 2.10 11.06 1.91 10.00 1.75 9.22 -2.41 -12.70   ①其他包括荒山荒坡、村庄和道路。Others include the barren hills, villages and roads.

纸坊沟为黄河流域最早的重点治理小流域之一，因而是黄土高原水土流失治理进程的一个缩影。在20世纪50年代中期开始治理以前，土地利用以坡耕地为主，林地很少，水土流失和洪水危害都非常严重，曾爆发洪水淹没下游的平凉市，造成很大损失。为控制水土流失、免除对市区的洪水威胁，从20世纪50年代中期开始水土保持治理，期间进行过5次土地利用调查(表 1)；为了评价治理成效，1955—2003年监测了小流域径流，1959—1997年监测了小流域输沙，但之后未监测。

在20世纪50年代开始水土保持治理时，还未建设梯田，主要实施地埂、软堰、水簸箕、土柳谷坊、涝池等工程措施及采用水平沟、鱼鳞坑人工造林，规模小且质量不高，绝大多数很快冲毁。为尽快防洪，1954—1955年修建了小型水库(淤地坝)一坝(图 1)。进入20世纪60年代后，开始人工修建面积有限的梯田；为弥补一坝淤积丧失的库容，1966—1967年修建了小型水库(淤地坝)二坝(图 1)。70年代后开始加强沟道坝系建设，先后建造了15座4～16 m高的淤地坝(表 2)，同时继续修建梯田。由于淤地坝及小水库都很快淤满，所以其作用与梯田相近，因此合称为梯坝地。80年代开始大范围机械修建水平梯田，并重视沟道治理与植被保护，梯坝地和林地面积上升，草地面积大幅下降18.7%。进入90年代后，在开始注重退耕还林的同时继续增加梯田。1958—2004年间，坡耕地和其他用地大幅减少，梯坝地和林地大幅增加，草地面积虽有大幅升降，但最终仅轻微增加。

表 2 纸坊沟小流域坝系工程基本情况 Tab.2 Basic information about the dam system in the small watershed of Zhifanggou

表 2 纸坊沟小流域坝系工程基本情况 Tab.2 Basic information about the dam system in the small watershed of Zhifanggou 坝名 Dam name 修建及改建日期 Year of construction or preparing 坝高 Dam height/m 总库容 Total volume/ 104m3 拦沙库容 Volume silted up/ 104m3 1985年底实测淤积量 Sediment at end of 1985/104m3 2004年底实测淤积量 Sediment at end of 2004/ 104m3 1954—1955年修建 Construction in 1954—1955 24 140.0 一坝Dam 1 1961年第1次加高 Heightening in 1961 26 175.0 95.8 1965年第2次加高 Heightening in 1965 29 234.0 118.3 118.3 143.4 1号小坝 Small dam 1 1974年修建 Construction in 1974 4 2.7 2.7 2.7 2.7 2号小坝 Small dam 2 1975年修建 Construction in 1975 3 1.5 1.5 1.5 1.5 3号小坝 Small dam 3 1975年修建 Construction in 1975 3 1.6 1.6 1.0 1.6 4号小坝 Small dam 4 1975年修建 Construction in 1975 4 1.3 1.3 1.3 1.3 5号小坝 Small dam 5 1975年修建 Construction in 1975 4 1.1 1.1 0.8 1.1 6号小坝 Small dam 6 1974年修建 Construction in 1974 7 7.0 7.0 5.0 7.0 7号小坝 Small dam 7 1974年修建 Construction in 1974 8 5.1 5.1 3.8 5.1 8号小坝 Small dam 8 1974年修建 Construction in 1974 6 3.6 3.6 2.7 3.6 9号小坝 Small dam 9 1974年修建 Construction in 1974 5 2.3 2.3 1.9 2.3 10号小坝 Small dam 10 1975—1976年修建 Construction in 1975—1976 6 4.0 4.0 3.0 4.0 11号小坝 Small dam 11 1975—1976年修建 Construction in 1975—1976 5 3.3 3.3 2.7 3.3 大拐沟坝 Daguaigou 1974—1975年修建 Construction in 1974—1975 12 8.4 5.6 1.3 3.8 小拐沟坝 Xiaoguaigou 1975年修建 Construction in 1975 7 5.0 4.6 1.5 2.1 高庄坝 Gaozhuang 1975—1976年修建 Construction in 1975—1976 16 7.6 7.6 5.0 9.8 斜沟坝 Xiegou 1974—1979年修建 Construction in 1974—1979 12 7.3 6.7 1.3 2 1966—1967年修建 Construction in 1966—1967 25.3 103.0 二坝 Dam 2 1974年第1次加高 Heightening in 1974 27.6 139.0 38.3 1982年第2次加高 Heightening in 1982 29.6 175.6 74.2 38.3 65.9

本研究使用数据均来自平凉市水土保持研究所的长期监测数据，包括小流域各年年均降水量、地表径流量、输沙量、拦沙量、产沙量和土地利用变化。

基于小流域一坝(YB)、二坝(EB)及陈家庄(CJZ)、马家新庄(MJXZ)、石窑硷(SYJ)5个雨量点1955—2003年的实测日降水量数据，采用泰森多边形法面积加权平均，得到小流域日面上降水量，日面上降水量相加得到月面上降水量，月面上降水量相加得到每年降水量。

由小流域出口控制站(一坝水文站，控制面积18.03 km²)实测的1955—2003年的年径流量和1959—1997年的年输沙量转换而来。

通过有实测数据的各淤地坝拦沙量，线性内插后转换而来。

年输沙模数(Y₁，t·km^-2a^-1)和年拦沙模数(Y₂，t·km^-2a^-1)之和。

基于小流域治理历史及相关调查报告，由1958—2004年5次土地利用调查资料(表 1)经线性内插得到。

将小流域视为一个产流产沙系统，年降水量(P，mm)为输入变量，各种土地利用的面积比例(林地A₁、草地A₂、梯坝地A₃、坡耕地和其他A₄)为系统结构特征，年径流深(Q，mm)和年产沙模数(Y，t·km^-2a^-1)为输出变量。假定各种土地利用类型的产流影响与降水呈线性关系，由此可构建反映各土地利用类型对小流域年径流系数贡献的公式如下：

式中：Q/P为小流域年径流系数，α₁，α₂，α₃和α₄分别为林地、草地、梯坝地、坡耕地和其他的年径流系数，正值表示对产流有贡献，负值表示因拦截利用而减少产流。

同理，可构建反映不同土地利用类型对单位径流产沙贡献的公式如下：

式中： Y/Q为小流域单位径流深所对应的年产沙模数，简称单位径流产沙系数；β₁，β₂，β₃和β₄分别为林地、草地、梯坝地、坡耕地和其他的单位径流产沙系数，正值表示对产沙有贡献，负值表示因拦截而减少产沙。

1955—2003年，小流域年降水量变化趋势不明显，仅略微下降(图 2)，平均每年减少0.3%。相比之下，小流域年径流量(1955—2003年)和年输沙量(1959—1997年)呈明显下降趋势。Mann-Kendall秩次相关检验表明，年径流、输沙模数和产沙模数下降趋势显著，而年降水量和年拦沙模数下降趋势不显著。

图 2 纸坊沟小流域1955—2003年的年降水量和径流深及1959—1997年的年产沙模数(输沙模数和拦沙模数之和)的变化 Fig.2 Variation of annual precipitation and runoff in 1955—2003 and of sediment yield modulus sum of sdiment transport modulus and sand seldiment modulus in 1959—1997 in the small watershed of Zhifanggou

根据小流域水土保持治理进程、土地利用调查年份，分为1955—1964，1965—1976，1977—1985和1986—2003年4个治理年段，各年段实测年均降水量、径流深和产沙模数(表 3)。各调查年份的土地利用情况见表 1，各年段土地利用面积比例见表 3。

表 3 纸坊沟小流域各年段的实测年降水量、径流深、产沙模数及土地利用情况 Tab.3 Measured annual precipitation, runoff, sediment yield module, and land use in different period in the small watershed of Zhifanggou

表 3 纸坊沟小流域各年段的实测年降水量、径流深、产沙模数及土地利用情况 Tab.3 Measured annual precipitation, runoff, sediment yield module, and land use in different period in the small watershed of Zhifanggou 年段Period 年均降水量 Mean annual precipitation/mm 年均径流深 Mean annual runoff/mm 年均产沙模数 Mean annual module of total sediment yield/(t·km-2a-1) 土地利用类型面积比例 Area ratio of different land use types 林地Forestland 草地 Grassland 梯坝地 Terrace/dam field 坡耕地+其他 Slope farmland and others 1955—1964 572.9 60.7 15 691.9 0.02 0.32 0 0.65 1965—1976 571.6 71.0 13 349.2 0.04 0.47 0.08 0.41 1977—1985 579.6 46.0 11 602.2 0.09 0.38 0.16 0.37 1986—2003 511.4 16.2 7 320.4 0.13 0.28 0.37 0.22

1955—1964年为初步治理期，总体特点是治理面积和强度有限，且以草地面积增加为主。坡耕地面积虽显著减少(主要变为草地)，但保存面积仍最大；其他用地(荒山荒坡)面积大幅减少，主要变为草地，使草地覆盖率大幅升高；梯坝地面积仍很少；森林面积仅小幅增加，并为1955—2003年的最低值。在沟道治理工程方面，建成了一坝并进行了加高。

1965—1976年为第2治理年段，突出特点是坡耕地面积大幅减少，并转为梯田，梯坝地面积大幅增加；另外，林地面积明显增加，草地面积轻微减少，其他用地面积未变。在沟道治理工程方面，修建了小型水库二坝和15座淤地坝，形成了小流域的坝系以及小流域的坡面和沟道工程治理体系。

1977—1985年为第3治理阶段，突出特点是草地面积大幅减少，主要用于机械修建梯田，使梯田面积大幅增加；此外，由于鼓励造林，林地面积明显增加；坡耕地面积也明显增加，其他用地明显减少。小流域坝系发挥了滞存径流和泥沙的重要作用，但其库容随泥沙淤积而不断减小。

1986—2003年为第4治理阶段，突出特点是坡耕地面积大量减少，用于增加梯田和林地，这主要受益于20世纪80年代后期的义务种树种草运动及90年代的大规模退耕还林还草工程；此外为提高梯田质量进行了梯田重修；草地面积轻微增加，其他用地轻微减少。库坝工程随淤积加重而逐渐丧失了滞存径流和泥沙的功能。

为分析小流域治理措施对径流影响的变化过程，按年段统计和比较了年径流深随年降水量变化的线性关系(表 4)。认为线性关系中的斜率和截距在一定程度上能分别表明小流域的产流能力(产流系数)和拦蓄径流不让其输出的能力；线性关系的确定系数(R²)则表明年径流量和年降水量的相关程度。

表 4 纸坊沟小流域年径流深与年降水量的关系及产沙模数与年径流深的关系和其年段变化 Tab.4 Relations of annual runoff vs annual precipitation and sediment yield modul vs annual runoff in different periods in the small watershed of Zhifanggou

表 4 纸坊沟小流域年径流深与年降水量的关系及产沙模数与年径流深的关系和其年段变化 Tab.4 Relations of annual runoff vs annual precipitation and sediment yield modul vs annual runoff in different periods in the small watershed of Zhifanggou 年段 Period 年均径流深(y)与年均降水量(x)关系 Relationship between mean annual runoff(y) and mean annual precipitation(x) 年产沙模数(y)与年均径流深(x)关系 Relationship between mean annual runoff (x) and mean annual module of total sediment yield (y) 1955-1964 y=0.148 4x-24.321 R2=0.828 0 y=119.346x+8 454.342 R2=0.699 1965-1976 y=0.221 7x-55.77 R2=0.709 0 y=135.885x+3 707.213 R2=0.800 1977-1985 y=0.164 3x-49.218 R2=0.469 5 y=136.212x+5 333.867 R2=0.668 1986-2003 y=0.076 1x-22.733 R2=0.393 6 y=26.412x+6 605.772 R2=0.018(1986—1997)

1955—1964年，治理措施简单，治理面积有限，年降水量与年径流深关系受人类活动影响较小，可作为其他年段的对照。在该年段内，线性关系的斜率为0.148 4，截距为24.3 mm，确定系数(R²)为0.828 0。

1965—1976年，虽然大量坡耕地转为梯田，但人工修建梯田的质量不高，并可能因修建梯田而破坏了原有植被并导致土壤入渗能力下降，加之此年段处于丰水期，降水产流能力加大，线性关系的斜率升到0.221 7；同时，表示拦蓄径流能力的截距升到55.77 mm，这是修建水库和大量淤地坝的结果。由于人为活动影响增强，确定系数(R²)降至0.709 0。

1977—1985年，大量草地转为高质量的机修梯田，梯田面积大幅提高，同时由于小流域坝系作用和林地面积明显增大，使降水产流能力比上一年段明显变小，线性关系的斜率降至0.164 3，但仍略高于基准年段；可能受淤地坝和水库淤积及梯田自然损毁影响，表示拦蓄径流能力的截距比上一年段降低，回落到49.2 mm的较高水平，但仍高出基准年段1倍以上。由于人为治理干扰持续增强，确定系数(R²)进一步降至0.469 5。

1986—2003年，由于大量坡耕地和低质量梯田转为了高质量机修梯田，加之退耕还林导致林地增加和此年段内年降水量减少，使表示降水产流能力的线性关系的斜率显著降低至0.076 1，比1955—1964年低了接近一半，表明以恢复植被为主的措施成为了影响径流的主要因素(赵广举等，2012)；可能由于坝系淤满失效，线性关系的截距降至22.73 mm，比1955—1964年段还低；因人为活动影响继续增强，确定系数(R²)继续降至0.393 6。

为分析小流域治理措施对产沙影响的变化过程，按年段统计和比较了年产沙模数随年径流深变化的线性关系(表 4)。认为线性关系中的斜率和截距分别表示增加1 mm径流深所导致的小流域年产沙模数的增加量和小流域产沙模数的基础值。

1955—1964年，因梯田面积较少和坡耕地面积较大，年产沙模数的基础值(截距)在4个年段内最高(8 454.3 t·km^-2a^-1)；因草地面积较大，增加1 mm径流深导致的年产沙模数增加量(斜率)在前3个年段内最低(119.35 t·km^-2a^-1)。

1965—1976年，伴随坡耕地面积减少和梯坝地面积增大，以及草地覆盖维持在较高水平和林地面积大幅增加，年产沙模数的基础值大幅降低(3 707.2 t·km^-2a^-1)，表明小流域治理使泥沙拦截能力大幅增强；然而，可能主要由于修建梯田时破坏了原有植被和已有泥沙大量淤积在库坝中，使每增加1 mm径流导致的产沙模数增加量有所增大(135.89 t·km^-2a^-1)。

1977—1985年，虽然梯坝地面积继续大幅增加，但由于草地面积减少和坡耕地面积增加，以及库坝的不断淤积使其有效库容减少，使得年产沙模数的基础值大幅回升到5 333.9 t·km^-2a^-1，表明小流域泥沙拦截能力回落；此外，每增加1 mm径流导致的产沙模数增加量继续升高，达到136.21 t·km^-2a^-1。

1986—1997年，为消除极端降水导致大量产沙的干扰，分析中去除了暴雨集中年(1996年)的数据。虽然此年段内的林地面积有所增加，坡耕地面积也继续减少，但因伴随大量人口进城造成梯田的数量和质量不断降低，以及淤地坝的功能失效，年产沙模数的基础值仍然升高，达到6 605.78 t·km^-2a^-1)，表明在小流域治理过程中曾作用很大的梯田和淤地坝的的泥沙拦截功能在不断丧失。但是，每增加1 mm径流导致的产沙模数增加量却大幅降低到26.41 t·km^-2a^-1，这可能与草地质量提高有关。

为精准量化各治理措施对年径流深的影响，利用各年不同土地利用类型面积比例及年降水量(P，mm)和年径流量(Q，mm)数据，多元回归分析后得到下式：

式中：A₁，A₂，A₃和A₄分别为林地、草地、梯坝地、坡耕地和其他4种土地利用类型面积占小流域面积的比例。

式(3)的回归效果很好(R²=0.863)，林地(A₁)和梯坝地(A₃)的回归系数为负值，说明此2种地类不但不产生径流，反而消耗径流，其中林地减少年径流的强度约为梯坝地的1.48倍。草地(A₂)、坡耕地和其他(A₄)对年径流有贡献，平均产流率分别为0.163和0.090。这表明，降水产流能力为自然草地最高，林地最低。

利用各年不同土地利用类型的面积比例及年径流量(Q，mm)和年产沙模(Y，t·km^-2a^-1)数据，多元回归分析后得到下式：

式(4)的回归效果很好(R²=0.909)，林地(A₁)和草地(A₂)的回归系数为负数，表明其具备拦截坡面侵蚀泥沙能力，尤其林地拦沙效果为草地的2.5倍；梯坝地(A₃)、坡耕地和其他(A₄)属泥沙来源地类，尤其梯坝地产沙贡献为坡耕地和其他的2倍。

在纸坊沟小流域，1955—2003年的年径流深、年输沙模数和年产沙模数均存在显著下降趋势；但年降水量和年拦沙模数下降趋势不显著。这表明，小流域径流和输沙减少的主要原因是水土保持治理等人类活动影响，而不是降水量减少，与其他黄土高原流域研究结论一致(刘贤赵等，2005；张淑兰等，2010；2011)。本研究虽在人类活动中进一步区分了不同土地利用类型的影响，但因观测小流域数量与年限少，使得数据量相对不足，不得不合并一些土地利用类型，但在未来研究中应尽可能将土地利用类型划分得更细一些；再则，本研究采用的是简单的线性关系，因为难以反映多种因素和多个过程的复杂作用，未能考虑伴随小流域内淤地坝库容的动态变化而发生的水沙影响动态变化，但在未来能充分反映机制过程的流域模型研究中，需要考虑坝系库容动态的影响。此外，气温升高是黄土高原气候变化的一个特点，会延长生长期，提高植被蒸腾及总蒸散，从而减少径流。然而，由于缺少不同土地利用类型及植被覆盖情况下的蒸散随气温变化的观测数据，本研究未能考虑气温升高对径流和泥沙的影响，未来研究中需予以关注。

在对长期治理过程划分年段时，因本研究同时研究降水、径流和泥沙的变化，且对淤地坝拦沙量和土地利用变化的调查不是逐年进行的，限制了常用的双累积曲线方法(穆兴民等，2010)和将时间进程划为2阶段的M-K方法的应用，而是依据数据情况划分了1955—1964，1965—1976，1977—1985和1986—2003年4个治理年段，与1955—1964年比较年径流-年降水、年产沙模数-年径流的关系差异，表明不同治理阶段的小流域产水、产沙能力差异明显，并可用其治理特点予以很好地解释。

小流域年径流-年降水线性回归关系式的截距在4个年段的变化反映了各种水土保持措施综合作用下小流域径流拦蓄能力的变化。纸坊沟小流域的治理是以修建淤地坝和梯田为主，这使小流域拦蓄径流能力经历了“增加-降低-消失”的变化过程，随着淤地坝和梯田的修建，拦蓄径流能力从1955—1964年的24.3 mm升至1965—1976年的55.8 mm，之后随淤地坝库容淤积及梯田质量下降(焦菊英等，1999)而降到1977—1985年的49.2 mm，尤其1986—2003年降到低于1955—1964年的22.7 mm，表明因工程措施(尤其淤地坝)而增加的拦蓄径流作用已完全消失。

小流域年径流减少是降水产流能力下降和已形成径流被拦蓄这2种作用的综合影响结果。增加森林(Wang et al., 2008；张晓萍等，2009；Yu et al., 2009)和梯田(马红斌等，2015)面积都会降低坡面产流能力，拦蓄径流能力增加可能主要是由修建淤地坝引起的，虽然梯田和林地增加也会加大拦蓄作用，但这在相当程度上被反映在径流形成能力的减小上。由于小流域的拦蓄径流能力在历经46年治理过程后最终回落到治理前水平，所以最终年段年径流减少的主要原因是由坡面治理措施导致的小流域产流能力下降造成的。

由于黄土高原流域沟道内一直有足够沙源，因此年输沙量变化必然主要取决于年径流量及其中暴雨径流的比例。为排除受年降水量及暴雨径流变化的干扰，按年段分析了小流域产沙模数与年径流深的关系及其演变过程。与径流的年段演变有些不同，在偏于工程治理的前3个年段，产沙模数与年径流深线性关系的确定系数为0.67～0.80，回归关系式的斜率为119～136，均变化不大，表明工程措施为主的治理模式虽减少了径流，但却没明显降低单位径流深的侵蚀和携沙能力；相比之下，1986—1997年，由于林草面积增加和径流减少，单位径流深增加导致的产沙模数增加量(线性关系的斜率)大幅下降，表明这个年段扩大林草覆盖使单位径流深的侵蚀和携沙能力明显降低。小流域年产沙模数的基础值(线性关系的截距)在年产沙模数中占很大比例，其在早期修建淤地坝和梯田后迅速降低，从1955—1964年的8 454.3 t·km^-2a^-1降到1965—1976年的3 707.2 t·km^-2a^-1，但随淤地坝的库容淤积和梯田损毁，以后逐渐回升为1977—1985和1986—2003年的5 333.9和6 605.8 t·km^-2a^-1，这与小流域的径流拦蓄能力变化过程相类似，在49年治理过程中随工程措施的功能衰减而不断回升，所以最终年段的年产沙模数降低的主要原因是林草面积增加导致的径流减少和径流的侵蚀与携沙能力降低。

为综合评价和定量预测不同治理措施(土地利用变化)对小流域年径流深和年产沙模数的影响，利用长时间序列数据拟合了年径流系数和年产沙模数随土地利用变化的多元线性关系。结果表明，林地和梯坝地不但不能为径流形成做贡献，反而消减年径流，其中林地消减强度约为梯坝地的1.48倍。小流域地表径流主要来自草地、坡耕地和其他2个地类，其中草地径流率为坡耕地和其他的1.8倍。形成这个地类间产流差异的原因是多方面的，如梯田和坝地会拦蓄径流(马红斌等，2015)用于蒸散，但一年一熟的农作物生长耗水期比森林要短；与草地和农田相比，森林具有较深根系因而可更多吸收深层土壤水，具有较强入渗能力因而可更多拦截地表径流，因而森林的蒸散高于草地和农田(Wang et al., 2008)；与森林和农作物相比，自然草地的个体矮小、生物量低、根系浅，因而蒸散耗水少，产流率就高。

从各土地利用变化对小流域单位径流深所对应的年产沙模数的影响来看，林地和草地的减沙效果很好，其中林地减沙效果为草地的2.5倍，坡耕地和其他对小流域产沙有正贡献，尤其出人意料为是梯坝地也属于泥沙来源地，其产沙贡献高出坡耕地和其他用地1倍。这说明：坝地淤满和梯田坍塌后会丧失拦沙作用；淤地坝的主要作用是拦蓄泥沙而不是减少泥沙侵蚀；相对于梯田、库坝等工程措施，林草覆盖的减少产沙作用更为持久。

基于1955—1964年的土地利用和降水情况(表 3)，假设将小流域中的坡耕地和其他地类面积的10%分别转为林地、草地、梯坝地，并利用式(3)和式(4)计算对应的年径流深、年产沙模数的变化值及生态用水效率(1 mm径流深变化引起的产沙模数变化)。可以得出，在转化为林地和梯坝地后，年径流深分别减少了9.6和8.1 mm，转化为草地后增加了4.2 mm，即林地的生态耗水最多、梯坝地其次；在转为林地和草地后，小流域产沙模数分别减少了6 367.0和2 532.4 t·km^-2a^-1，转化为梯坝地后增加了300.5 t·km^-2a^-1，即林地的拦沙效果最好，草地其次，梯坝地最差。各土地利用类型转变的生态用水效率中，林地最高，为665.5 t·km^-2a^-1mm^-1，草地比林地略低，为605.5 t·km^-2a^-1mm^-1，梯坝地则非常低，仅为36.9 t·km^-2a^-1mm^-1。

综合来看，在干旱缺水地区，能满足“多拦沙、少耗水、高效率”要求的最优治理措施是恢复草地覆盖，这既能持久减沙拦沙，又能增加或维持产流，且生态用水效率较高。当然，不是说不能采取其他治理措施，还需针对小流域综合治理的其他要求来优化确定不同治理措施的组合。

利用黄土高原纸坊沟小流域长期监测数据，评价不同水土保持措施引起的土地利用变化对年径流深和产沙模数的影响及其演变进程，得到如下结论：

1) 1955—2003年的年降水量减少不显著，但年径流深和产沙模数均显著减少，主要是由水土保持治理措施引起的。

2) 与治理初期(1955—1964年)相比，小流域的降水产流能力在1965—1976和1977—1985年因植被破坏而增大，在1986-2003年因植被恢复而大幅降低；小流域的径流拦蓄能力随淤地坝和梯田建设及其功能退化而经历了“增加-降低-消失”的变化历程。小流域单位径流深引起的产沙模数变化量在1955—1985年的各年段内均变化不大，表明径流的侵蚀与输沙能力未随工程治理而明显降低，但随1986-2003年林草面积增加和径流减少而大幅下降。此外，随着几十年内治理强度不断提高，小流域年径流深与年降水量及年产沙模数与年径流深的相关性表现为不断降低。

3) 拟合建立了小流域年径流系数、年单位径流产沙量与土地利用变化的多元线性关系，表明林地和梯坝地会消减年径流，径流主要来自草地与坡耕地和其他用地；林地和草地能降低产沙模数，产沙来自梯坝地与坡耕地和其他用地。

4) 综合来看，造林种草的土壤侵蚀治理效果的寿命长于工程措施。林地减沙效果好但耗水最多，然而生态用水减沙效率最高；草地的减沙效果和用水效率低于林地，但能维持或提高产流能力；梯坝地减水作用稍低于林地，但拦沙能力会逐渐降低甚至丧失，且用水效率最低。要满足节水、高效的水保治理要求，应以恢复草地覆盖为主。