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在全球变化和人类活动日益增强的背景下,严重的土壤侵蚀不仅导致耕地面积减少、土壤质量退化、流域内农业生产力下降等源地效应,还会产生水体污染、下游河道淤积引发水患等异地效应,引起一系列的生态和环境问题。人类活动对侵蚀产沙影响类型多样,作用机理复杂。对中、小尺度流域而言,河流泥沙负荷对单项人类活动的响应比较敏感,而大尺度上不同人类活动相互作用,影响互相平衡,很难识别河流泥沙变化的驱动力。论文以长江上游地区为案例,利用文献调研、核素示踪、退耦理论和通径分析等方法研究侵蚀产沙对人类活动的响应,推导基于降雨侵蚀力的侵蚀产沙人类活动系数简易算法,判识侵蚀产沙与人类活动时间序列上的退耦过程,分析经济活动、水土保持措施、社会发展与侵蚀产沙演变的动态关系,综合评价区域侵蚀产沙动态的驱动力贡献。取得的主要成果有:
一、采用滑动平均、双累积曲线和距平累积等数学方法研究了长江上游泥沙负荷特征及演变。长江上游泥沙负荷主要有单站时间尺度的“水大沙多,水小沙少”和区域空间尺度的“水沙异源”两个特征;各站泥沙负荷均出现一定波动,总趋势在减少;各流域净人类活动主导性影响差异较大,整个上游1991年后正向人类活动处于明显主导地位,且作用逐步增强;根据距平累积可将长江上游泥沙演变分为1950-1991和1992-2005两个阶段,其中1950-1991又可以按1968、1979、1984三个节点分成四个时间段。
二、采用GIS手段研究了长江上游降雨侵蚀力空间分异和时程变化。降雨侵蚀力空间总体格局是东部高、西部小及“多中心”分布。年内分布主要在第9个半月至20个半月之间,其中7-9月分布最集中。年际变化来看,1950-2005年除个别年份外,大部分都在2500-3500 MJ·mm·hm-2·h-1,围绕3000 MJ·mm·hm-2·h-1波动,大部分站点的倾向率都为正,整个长江上游的平均倾向率为1.79%,区域平均降雨侵蚀力在增加,但增幅较小。
三、结合泥沙负荷演变和降雨侵蚀力研究,采用退耦理论研究了长江上游泥沙负荷演变与人类活动的退耦过程和人类活动对泥沙负荷演变的总体贡献。20世纪80年代中期前河流泥沙负荷较大,主要与“一五”、“大炼钢铁”、“三线建设”、农村改革前期不稳定因素等密切相关,而70年代河流泥沙负荷较小是受“农业学大寨”运动期间大搞农田基本建设和采取“挑沙面土”、“边沟背沟”等传统水土保持措施的影响,80年代中期后河流减沙明显,主要受社会经济稳定有序发展、水保工程的实施及大兴水库建设等影响;各流域人类活动对泥沙演变的贡献差别大,金沙江、乌江泥沙负荷减少主要是人类活动所致,人类活动对嘉陵江、岷江和整个长江上游泥沙负荷减少的贡献分别为91.2%、71.5%、95.1%。
四、采用文献调研、核素示踪、通径分析等方法研究了长江上游和嘉陵江两种流域尺度不同人类活动对侵蚀产沙的影响。各种人类活动中,土地利用方式的变化、水土保持措施的实施等通过影响侵蚀而减沙,水库等直接拦截淤积泥沙,而修筑公路等短期通过增加侵蚀而增沙,长期则通过拦截淤积而减沙。嘉陵江泥沙负荷总趋势在减少,总效应作用排序为:新修塘库>农村劳动力转移>累计治理面积>森林覆盖率>农村用电量>公路通车里程>旱地比例;对减沙的直接贡献顺序为:新修塘库>农村劳动力转移>累计治理面积>农村用电量>旱地比例>公路通车里程>森林覆盖率;每个因素通过其它因素的间接作用排序为:森林覆盖率>公路通车里程>农村用电量>累计治理面积>旱地比例>农村劳动力转移>新修塘库。森林覆盖率是各变量通过它对减沙产生影响的最大间接变量。
在本研究中,主要有以下创新:
一、基于降雨侵蚀力提出判识大流域侵蚀产沙变化驱动力的退耦指标(单位降雨侵蚀力的泥沙负荷),推导出侵蚀产沙变化的人类活动系数简易算法,为定量评价人类活动与降雨变化对河流泥沙变化的影响进行了创新探索;
二、从大流域、中等流域、坡面等尺度初步分析了长江上游典型人类活动对河流泥沙变化的影响,采用通径分析对嘉陵江流域不同人类活动对泥沙负荷变化的贡献进行排序,为水土保持生态环境建设提供了科学依据和指标数据。