近20年黄土高原水土流失的时空变化及驱动机制

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黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重的地区之一。近20年来,我国对黄土高原投入大量的人力、物力和财力进行水土保持治理和研究工作,先后实施了小流域综合治理和退耕还林还草等重大生态建设工程,使得黄土高原水土流失持续恶化的局面得到遏制。然而,对黄土高原近20年来土壤侵蚀的时空分布特征和生态系统水土保持服务功能的评估工作却研究较少。本文基于RUSLE模型和RS、GIS技术,分析黄土高原土壤侵蚀的分布特征和动态变化规律,揭示了区域尺度上土壤侵蚀变化的影响因子和驱动因素,科学合理的动态评估该区域的生态系统水土保持服务功能,并取得了以下进展:  (1)以RUSLE模型为蓝本,在分析黄土高原土壤侵蚀影响因子大量研究的基础上,定量评估了黄土高原近20年来土壤侵蚀的基本特征。其研究表明,1990-2010年黄土高原多年平均的土壤侵蚀模数为16.7 t hm-2 a-1。其中,黄土丘陵沟壑区土壤侵蚀最剧烈,平均土壤侵蚀模数为25.5 t hm-2 a-1;其次为黄土高原沟壑区,平均土壤侵蚀模数为23.0 t hm-2 a-1。土石山区、农灌区和河谷平原区和沙地和沙漠区土壤侵蚀强度较小。1990-2000年黄土高原的土壤侵蚀强度高于2000-2010年。  (2)黄土高原近20年来土壤侵蚀的空间分布特征表明,黄土高原土壤侵蚀最剧烈的区域分布在黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区。主要分布在陕西榆林、延安地区和山西吕梁、临汾地区等沿吕梁山脉一带;甘肃庆阳、定西、白银、平凉和宁夏固原等六盘山一带。  (3)黄土高原近20年来土壤侵蚀的动态变化特征表明,黄土高原土壤侵蚀强度整体上呈明显下降的变化趋势,土壤侵蚀强度变化较大区域表现在陕西榆林、延安地区,山西吕梁、临汾地区和甘肃庆阳地区。1990-2000年黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区土壤侵蚀强度表现为增加和降低并存的变化趋势,2000-2010年却表现为显著下降的变化趋势,且降幅更大。  (4)以黄河干流主要控制水文站点为研究对象,以径流量、输沙量、含沙量和输沙模数为水沙研究指标,分析了近60年来黄河干流水沙的沿程变化规律,研究表明黄河水沙存在异源的空间分布特征,黄河上游是黄河径流量的主要来源,黄河中游是黄河泥沙的主要来源。2000-2010年黄河干流主要水文控制站点的径流量和输沙量、含沙量和输沙模数均小于1950-2010多年平均水平。进一步探索了近10年来黄河中游各支流流域的降水-径流转化能力和产沙输沙区域贡献特征,黄河中游渭河流域的降雨-径流的转化能力最强,无定河和延河流域相对较弱,汾河、北洛河流域较小。泾河、渭河、无定河、延河是黄河中游大量泥沙的主要贡献区域。  (5)以土壤保持量为评估指标,对黄土高原近20年来水土保持生态系统服务功能进行了定量评估。研究表明,1990-2010年黄土高原平均单位面积的土壤保持量为305 t hm-2 a-1,总土壤保持量为190×108 t a-1。其中,农田生态系统的土壤保持量最低,其次为草地生态系统,林地生态系统的土壤保持量最高。1990-2010年整个黄土高原以及各生态系统土壤保持量呈增加的趋势,但并不显著。黄土高原林地、草地的土壤保持率分别在94-97%和83-88%。  (6)探索了黄土高原降雨-植被-土壤侵蚀之间的变化过程、正负效应及其贡献大小,对黄土高原暖干化气候趋势背景下生态环境建设的成效具有科学、合理的评估价值。研究表明,黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区不仅是黄土高原土壤侵蚀强度最大的区域,也是黄土高原土壤侵蚀强度变化最大的区域,同时还是受降雨量、植被覆盖变化影响最敏感的区域。在黄土丘陵沟壑区1990-2000年降雨量对土壤侵蚀的影响相对较强,2000-2010年植被覆盖对土壤侵蚀的影响表现出比降雨量更强的作用;在黄土高原沟壑区1990-2000年降雨量对土壤侵蚀的影响相对较弱,而2000-2010年却相对较强。
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