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本文选择我国黄土丘陵沟壑区典型流域-延河流域作为研究对象，通过野外实地考察，利用遥感和地理信息系统手段与数理统计等方法，由分析土地利用格局变化及其水土流失效应入手，研究了流域土地利用格局时空变化及其驱动因素，以及人类活动对流域径流、泥沙变化的影响。在此基础上，以RUSLE为蓝本，引入浅沟蚀系数与沟蚀系数，构建流域尺度土壤侵蚀预报模型，在流域土壤水蚀动态变化及土壤侵蚀背景值分析基础上，进行流域土壤侵蚀风险分区及水土保持优化方案设计，形成控制土壤侵蚀的“水保型”土地利用优化格局。基于土地利用生态位理论，利用生态位适宜度模型对延河流域进行土地生态位适宜度评价，在“水保型”土地利用优化格局基础上进行土地利用的生态优化，形成与流域现状生态位相匹配的“生态型”土地利用优化格局。最后，运用多目标规划方法，在“生态型”土地利用优化格局基础上，对流域农业产业结构进行调整优化，从而最终获得空间化的流域“生态-经济型”土地利用优化格局。研究的主要结论如下：
在较长时间尺度上(1985～2000年)，延河流域土地利用格局变化表现为：中、低覆盖度草地之间转化比例较大，中、高覆盖度草地面积比例减小，草场趋于退化；景观多样性减小，优势度增加，异质性降低，景观趋于破碎化；毁林(草)开荒与退耕还林(草)并存；由于工矿业发展与农村住宅扩张而导致建设用地大幅度增加。水土流失、水资源缺乏的水文状况是土地利用格局变化的主导自然驱动因素；而传统农业生产方式、人口压力及政策因素是该地区土地利用类型转换的主导人文驱动因子。
自20世纪70年代后流域大规模水土保持治理工作开展以来，泥沙输移比随水利水保措施减沙量的变化表现出先减小后增大的趋势。到80年代末，SDR值介于0.50～0.71之间。泥沙输移比的变化，主要是由于流域中沟道措施拦沙所致。其中淤地坝的拦沙作用最显著，导致泥沙输移比大幅度减小。SDR值的波动变化主要受到库坝质量及拦蓄库容变化的影响。在目前状况下，沟道措施拦沙作用相当于坡面措施减蚀作用的1.68～16.98倍。延河河道尚处于侵蚀发育阶段，不具备泥沙沉积条件，河道冲积物在一定程度上增加了流域出口断面的输沙量。
本文运用斯波曼秩相关检验法和有序聚类分析法推估了人为驱动下径流时序的显著转折点。区别于传统研究方法，以汛期水文数据代替年均数据，以修正汛期径流系数代替年径流系数，减弱了黄土高原地区降水、径流特性的影响而更具合理性。以显著转折点前的数据建立预测模型，对比分析汛期径流量的实测值与预测值，其差值即人为影响程度。结果表明从20世纪50年代末到20世纪80年代末，1970年为人为驱动下延河流域径流时序的显著转折点，1970年以后人类活动对流域水文的影响更显著，1981年达到最大值，为71.96％。20世纪70、80年代人类活动对延河汛期径流量的影响一直处于负面减流状态，人为因素是延河径流量演变的主要驱动因子。
通过对1985～2000年延河流域土壤侵蚀特征及其变化分析表明：(1)流域土壤侵蚀受降雨条件影响显著。1985年～2000年，流域年平均降雨侵蚀力由1002.30MJ·mm·hm-2·h-1·a-1减小为615.97MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，相应地，侵蚀模数由156.03t·hm-2·a-1下降为78.95t·hm-2·a-1。(2)1985～2000年，延河流域51％以上的泥沙来自于草地，其次是耕地(40％以上)。相对而言，乔木林地、灌木林地的平均土壤侵蚀模数和土壤侵蚀贡献率较低。(3)各种坡度等级中，乔木林地的侵蚀模数均在20t·hm-2·a-1以下，水土保持功能最强；坡度25°以上区域的灌木林地及草地侵蚀等级均在中度以上，土壤侵蚀模数较大。未利用地的土壤侵蚀模数较高，坡度15°以下区域侵蚀模数也超过80t·hm-2·a-1。(4)未利用地改造、退耕还林(草)及草地改良与生态围育是未来延河流域减少与控制土壤侵蚀，优化土地利用格局的三个主要途径和方向。以土壤侵蚀背景值为参照标准，在1985年土地利用格局及土壤流失状况的基础上，根据土壤侵蚀风险等级的高低，对土地利用格局进行了水土保持优化。优化结果显示：全流域水土保持治理后，流域土壤侵蚀量减少至47222925t，土壤侵蚀模数为61.13t·hm-1·a-1，比流域土壤侵蚀背景值降低15.40％。
借助土地生态位理论对延河流域“水保型”土地利用格局进行生态优化，最终形成了基于“基础方案”和“最优方案”的土地利用生态优化格局。结果显示：(1)在“基础方案”土地利用生态优化格局条件下，流域耕地、乔木林地、灌木林地和草地面积分别为49215.51hm2、273091.18hm2、248181.09hm2和166101.95hm2。流域耕、林、草的比例约为1:10.59:3.74，乔、灌、草比例为1.64:1.49:1。(2)在“最优方案”土地利用生态优化格局条件下，流域耕地、乔木林地、灌木林地和草地面积分别为49215.51hm2、380318.36hm2、255518.23hm2和51537.63hm2。流域耕、林、草的比例约为1:12.92:1.05，乔、灌、草比例为7.38:4.96:1。
运用多目标规划模型，对流域农业产业结构进行调整优化。经过优化模型计算与方案优选，确定“林果主导型”方案为三个方案中的最优方案。该方案下农业产业优化结构所对应的土地利用格局为最终的“生态-经济型”土地利用优化格局。在“生态-经济型”土地利用优化格局条件下，耕地、乔木林地、灌木林地和草地面积分别为49215.51hm2、314466.15hm2、286922.55hm2和85985.55hm2。流域耕、林、草比例为1:12.22:1.75，乔、灌、草的比例为1:0.91:0.27。