土壤侵蚀是威胁人类生存和发展的的主要环境问题。相比单一的侵蚀方式,风水复合侵蚀是最常见的一种复合侵蚀方式,其造成的水土流失更为严重,其中:黄河上游的多沙粗沙区是典型的风蚀水蚀复合侵蚀。本论文以黄河上游多沙粗沙区东柳沟流域为研究对象,采用野外监测、模拟试验和和“3S”技术相结合的方法,从风蚀提供侵蚀物质,水蚀提供入河动力的研究思路入手,基于流域地形地貌、土地利用及土壤侵蚀特征,研究了流域土壤侵蚀及其下垫面响应关系;建立野外风蚀-水蚀动态监测系统,系统分析了风力-水力复合侵蚀动力特征与风沙输移沉积过程。以风沙沉积坡面为研究对象,结合放水冲刷试验,阐明了风沙沉积坡面水沙输移规律,揭示了覆沙黄土坡面水蚀动力过程,建立了覆沙黄土坡面微地貌与侵蚀产沙的响应关系。本论文得到的主要结论如下:(1)明确了东柳沟流域土壤侵蚀产沙与土地利用、地形地貌因子的关系。流域的主要土地利用类型为沙地、草地和耕地,其中沙地、草地、耕地各占24%、47%、19%;流域土壤侵蚀类型以风力侵蚀为主,侵蚀强度在中度及其以上。研究表明1980～2013年流域的耕地、城镇居民用地和低覆盖度草地面积增长明显,而林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地和沙地有下降趋势,土地利用变化主要发生在中上游区域;1990～2013年流域的土壤侵蚀综合指数和侵蚀模数逐渐递减,中度以上侵蚀面积减小12.50km2且全部转化为微度和轻度。通过计算不同土地利用条件下土壤侵蚀综合指数的变化,耕地适宜转化为覆盖度较高的草地和林地;林地适宜转化为高覆盖度草地;低覆盖度草地适宜于转化为林地和较高覆盖度草地,部分区域也适合转化为耕地;沙地为最劣地类,根据政策和条件可转移为耕地、林地和草地。通过分析流域土塘侵蚀空间分布特征,风水复合侵蚀主要发生在0～3°缓坡、东北坡向、起伏度和粗糙度较小的区域。(2)阐明了东柳沟流域风蚀动力过程及其地形响应关系。流域的主风向为西风,年内3～5月平均风速为6.5 m/s达到年季最大值,计算流域上、中、下游的风蚀模数分别为4002t/(km2·a)、5256t/(km2·a)、31-5t/(km2·a);流域风蚀强度与月平均风速呈指数增长趋势,且相关性显著(R2>0.56,P<0.05);计算得到流域上游(低山丘陵沟壑风蚀区)、中游(半固定、流动沙丘区)、下游(洪冲积平原区)土壤风蚀可蚀性颗粒含量大小分别为62.19%、94.96%%、44.500%,估算其年累积风蚀量分别为11.84、229.87和50.71万t。采用野外监测,流域中游流动沙丘移动方向为东南且移动速率达0.9 m/a。建立风蚀量与地形因子关系,风蚀量与地表粗糙度、起伏度线性拟合程度最高(R2>0.75,P<0.01);通过逐步回归构建了基于起伏度(RA)和坡向变率(SOS)的风蚀量预报经验模型。(3)揭示了覆沙后黄土坡面侵蚀产沙过程机制,阐明了风蚀-水蚀复合加剧土壤侵蚀产沙的特征。覆沙能够延长黄土坡面的初始出流时间,不同放水流量条件下,相对黄土坡面,覆沙能够使出流时间延长2～3倍且随覆沙厚度的增加而增大;覆沙坡面的径流总量是黄土坡面的1.05～1.8倍,产沙总量是黄土坡面的1.6～7.5倍;在整个出流阶段,随放水流量增大,覆沙坡面的初始产沙强度显著增加,而同一放水流量下,初始产沙强度随覆沙厚度的增加不明显。覆沙黄土坡面的产沙强度随放水历时增长呈对数增大趋势,累积径流量与累积产沙量呈幂函数相关。建立了出流量、侵蚀量与放水流量-覆沙厚度交互作用模型:R=0.935Q+0.058IQh、S=0.715Q+0.257IQhGR为坡面出流量,L;S为侵蚀总量,kg;Q为放水流量,L;IQh为出流量和覆沙厚度的交互作用,明确了放水流量是影响侵蚀量的主要动力,而覆沙厚度对坡面侵蚀量的影响与放水流量有关,因此放水流量-覆沙厚度交互作用明显,加剧了土壤侵蚀产沙。(4)放水冲刷试验条件下,解析了坡面覆沙后输沙率与水动力参数及其侵蚀动力因子的关系,建立了基于不同覆沙厚度下坡面输沙率的侵蚀预测模型。覆沙坡面的雷诺数Re、阻力系数f、曼宁糙率n均大于裸坡,且波动性较大;水流功率与Re、b=(Re2+Fr2)1/2呈线性数显著相关,而与佛洛德数Fr、流速V、水深曼宁糙率a=n/h呈对数函数显著相关。分析覆沙黄土坡面对侵蚀动力的响应关系得到:覆沙黄土坡面输沙率与径流剪切力、水流功率之间呈显著的幂函数关系;覆沙厚度为5 mm、15 mm、25 mm的输沙率与单位水流功率、断面单位能量之间分别呈显著的幂函数、对数函数关系,而覆沙厚度为35 mm的覆沙黄土坡面输沙率与单位水流功率、断面单位能量之间分别呈显著的幂函数、线性相关关系。通过对坡面输沙率与5个侵蚀动力因子进行分析,建立了基于断面单位能量(E)和单位径流功率(T)的覆沙坡面输沙率的计算方程Dr=1.061+0.739E-3.941T(R2=0.901,P<0.01)。(5)阐明了覆沙黄土坡面地形微地貌因子与坡面水蚀产沙的响应关系。通过比较坡度、地表起伏度,对坡面侵蚀产沙的影响发现地表起伏度对坡面地形变化影响较大;通过对各地形因子与径流产沙量进行一元线性回归拟合,得到地形因子对侵蚀因子响应的优先程度依次为产沙量和径流量。对不同冲刷流量下的出流量、产沙量与单一地形因子进行分析,在10 L/min下地形因子对出流量的响应作用最强,而15 L/min下地形因子对出流量的响应作用最弱。坡长、地表起伏度、地表粗糙度三个地形因子对侵蚀量的响应随流量的增加而减小,而坡度呈先增大后减小。运用多元回归,基于放水流量、覆沙厚度以及8个地形因子分别建立了径流量和侵蚀量的预估算公式,为进一步研究风力-水力复合侵蚀动力过程提供科学依据。