流域侵蚀产沙和水文过程影响因素众多,短时间内地形、土壤等因素相对稳定,而植被覆盖和降雨易变。上世纪80年代,我国农村施行的“家庭联产承包责任制”政策大大调动了农民的生产积极性,垦殖面积与规模持续快速扩大,但由此也导致了大量植被破坏,水土流失等生态环境问题。为此,在90年代后期,我国政府实施了天然林保护工程、退耕还林、长治工程以及小流域治理等一系列生态恢复建设工程,使得植被覆盖显著提高,土地利用发生较大变化。在全球气候变化的大背景下,暴雨事件频发加重了区域水土流失防治的难度。为了深入理解植被覆盖和降雨变化对流域水沙过程的影响机制,本文以南水北调中线水源地丹江口库区典型流域——堵河流域为研究对象,基于流域水文、气象长期监测数据,结合流域地形、土壤、土地利用及植被覆盖等资料,系统研究了土地利用/植被覆盖变化在不同时间尺度上对流域产流产沙的影响,阐明了暴雨时空格局和流域产流产沙过程的关系,在此基础上建立了流域气候-植被-水沙过程复杂系统的解耦方法,定量分离了气候和植被覆盖对流域水文过程直接和间接影响。主要结论如下:1)通过分析比较不同时期堵河流域及其子流域径流量、径流泥沙浓度和产沙量,揭示不同时间尺度上土地利用对流域侵蚀产沙的影响机制。通过双累积曲线将研究时段1975-2009年划分为三个阶段:1975-1984年(P1)、1985-1999年(P2)和2000-2009年(P3)。堵河流域年均径流深呈先下降后保持稳定的趋势,年均产沙量在三个时期不断下降。子流域年均径流深呈先下降后上升趋势,年均产沙量则不断下降。通过分析不同时期径流和泥沙浓度年内变化,发现P1-P2时期,堵河流域及其子流域年均产沙量减少主要是由于径流量和泥沙浓度减少共同导致,而P2-P3期间,堵河流域及其子流域年均产沙量的减少是由于“退耕还林”造成流域泥沙浓度减少引起。2)土地利用变化影响堵河流域及其子流域次降雨尺度上的水沙关系。相同径流量下堵河流域的泥沙浓度较子流域更稳定,但随着植被覆盖的增加,子流域的径流-泥沙关系也趋于稳定。堵河流域不同时期泥沙浓度仅在高流量中观察到显著差异,P3期间泥沙浓度显著低于P1和P2时期,在低流量或中流量情况下,堵河流域不同时期泥沙浓度之间没有显著差异。子流域的泥沙浓度在中流量情况下,P3时期显著低于P1和P2时期,在高流量的情况下,P3时期显著低于P1和P2时期,在低流量情况下泥沙浓度之间没有显著差异。3)阐明了暴雨时空格局对流域产流产沙的影响。通过聚类分析,根据降雨量、暴雨空间变异系数和最大日降雨量将堵河流域1979-2010年间184场暴雨分成:空间分布不均的暴雨(Ⅰ)、空间分布均匀的暴雨(Ⅱ)、空间分布不均的强暴雨(Ⅲ)和空间分布均匀的强暴雨(Ⅳ)四类。比较不同暴雨类型下流域水文响应特征,研究发现,不同暴雨类型引起的径流和泥沙差异很大:暴雨类型Ⅳ产流产沙总量和其他三种暴雨类型存在数量级差异,32年间12场暴雨类型Ⅳ贡献了研究期总泥沙产量的30%;暴雨类型Ⅱ和暴雨类型Ⅲ降雨量类似,尽管产流产沙量不存在显著差异,但暴雨类型Ⅲ最大泥沙浓度显著高于暴雨类型Ⅱ。4)揭示了不同暴雨类型下水沙过程对植被覆盖变化的响应规律。研究发现“退耕还林”的减沙效应主要来自暴雨类型Ⅳ下径流泥沙的减少。暴雨类型Ⅳ下减水减沙效果显著,对退耕还林及土地利用格局改变敏感,暴雨类型Ⅱ下减沙效果明显。“退耕还林”前,暴雨类型Ⅰ和暴雨类型ⅡⅠ下径流-泥沙滞后关系曲线多呈顺时针滞后,暴雨类型Ⅱ下呈8字型滞后,暴雨类型Ⅳ则表现出复式滞后;“退耕还林”后,所有暴雨类型下均以顺时针滞后为主。降雨和植被覆盖变化会导致流域“源汇”的功能转化,滞后关系越复杂,泥沙来源越广泛,“侵蚀源”的连通性越好。特大暴雨发生时,流域水文连通性增强,流域“侵蚀源”增多,植被覆盖有效减少了流域内部“侵蚀源”分布。5)利用偏最小二乘-结构方程模型量化了植被和气候变化对流域水文特征直接和间接影响。通过建立的模型,发现降雨和温度相关变量可以解释88%的植被变化,植被和气候变化可以解释67%的径流变异特征,气候、植被和径流特征综合解释了62%的泥沙变异。通过分解变量间直接和间接效应,揭示了气候与植被对流域水沙过程的影响机制。降雨和温度直接影响径流,同时还通过其对植被的影响间接影响径流变化。植被与径流泥沙均呈负相关,植被的减沙效果(总效应=-0.20)大于其减流效果(总效应=-0.12)。植被主要通过减少径流来减少产沙量,其对泥沙的直接影响(直接影响=-0.09)小于其通过减流对泥沙的间接影响(间接影响=-0.11)。