三峡库区腹地土壤侵蚀演变与关键源区时空变化——以奉节和巫山县为例

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土地是人类赖以生存的基础,土地日益退化严重制约人类社会发展。三峡库区腹地地形复杂,生态环境脆弱,是库区土壤侵蚀研究的热点区域。本文选取三峡库区腹地奉节县和巫山县为研究对象,以3S为研究手段,提取研究区DEM数据、降雨数据、土壤属性数据、岩性、土地利用数据等专题信息,分析研究区1988-2015年期间土壤侵蚀产沙变化规律。并基于土壤侵蚀与泥沙输移确定研究区土壤侵蚀产沙关键源区,探讨关键源区时空变化及内在机理,为三峡库区土壤侵蚀防治提供可靠理论依据和科学指导。研究表明:  ①研究区土壤侵蚀时序变化  研究区平均土壤侵蚀模数变化表现为1988年437.88t·km-2·a-1、2000年1385.75t·km-2·a-1、2010年1276.83t·km-2·a-1、和2015年1093.94t·km-2·a-1,根据土壤侵蚀强度分级标准,研究区土壤侵蚀处于轻度侵蚀阶段。以2000年为界,前期12a土壤侵蚀显著加重,微度和轻度侵蚀向高级别的土壤侵蚀转移;后期15a轻度至极强度侵蚀向低级别侵蚀转移,整体土壤侵蚀状况有所改善。27a尺度上,微度侵蚀面积先减后增,于2000年达到谷值1565.67km2;而轻度和中度侵蚀先增后减,均于2000年达到峰值,分别为4423.96km2和977.99km2;强度和极强度侵蚀变化反复但幅度不大。虽然轻度和中度侵蚀平均模数小于极强度侵蚀,但因1988-2000年轻度和中度侵蚀面积和侵蚀量骤增,说明不可忽视较低等级土壤侵蚀对研究区水土流失的贡献。  ②研究区土壤侵蚀空间动态特征  1988-2015年研究区土壤侵蚀强度变化主要表现为微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀间的此消彼长,以及强度和极强度侵蚀的增加。土壤侵蚀变化集聚特征具有时空差异性,27a尺度上研究区长江及其支流两岸附近土壤侵蚀强度类型变化幅度高,微度和轻度侵蚀转为中度侵蚀集中于长江以北区域,而微度、轻度和中度侵蚀向强度和极强度侵蚀转移主要分布在长江以南区域,且变化热点区域逐渐向长江两岸附近乡镇集中,再向研究区西北部推移。  ③研究区泥沙输移比估算  研究区动力系数集中于(0.2,0.3),均值0.271,其中(0.104,0.3)分布最为广泛,占总面积84.51%。阻力系数表现相对复杂,均值为0.090,长江及其支流冲积缓坡、台地等地区坡度低,阻力系数值高,而坡陡的高山峡谷地带偏低。研究区泥沙输移比均值为0.245,呈“单峰”结构,空间上高值区集中于长江及其支流的河道两岸,以河道为中心向两侧呈递减趋势展布。在结果验证上,本文估算得到的研究区泥沙输移比均值符合已有研究成果范围内。  ④研究区泥沙输移强度与土壤侵蚀相关性分析  研究区产沙总量与均值同土壤侵蚀模数同比增减。1988-2015年产沙量总量年际变化趋势为2000年(339.91万t)>2010年(314.90万t)>2015年(270.34万t)>1988年(110.10万t)。产沙模数、产沙量均值变化规律与产沙总量一致。空间上产沙量低值区广泛分布,高值区聚集于长江及其支流两岸区域以及研究区南部中高山地区。时间上,研究区长江以北区域高值区大幅减少,以中低值区为主,长江以南地区高值区进一步扩大,聚集程度提高。研究区泥沙输移强度与土壤侵蚀强度具有一定的相关性,随土壤侵蚀强度递增,且中度和强度侵蚀对输沙产沙的影响效果显著。  ⑤研究区土壤侵蚀产沙关键源区时空变化  关键源区仅占总面积5%左右,由1988年337.81km2小幅增至2015年382.11km2,但侵蚀产沙量贡献率高达50%左右,呈先减后增变化趋势。空间上关键源区逐渐向长江及其支流两岸区域靠拢,沿东北-西南走向分布。时间上关键源区位于巫奉南部乡镇大面积持续增长,中部减少,北部波动降低。1988-2015年间前12a研究区关键源区与其它风险等级间的转换程度明显大于后15a,较低风险区逐渐向关键源区转变,且研究区长江南北两区域类型变化较为反复,其中巫奉两县永乐镇、白帝镇、鹤峰乡、庙宇镇、大溪乡等18个乡镇长期存在较多的关键源区,需提高水土流失治理强度。  ⑥研究区土壤侵蚀产沙关键源区影响因素  关键源区的产生与发展受众多因素共同驱动。自然因素中的高程、坡度、岩性、河道与关键源区的分布存在梯度效应,关键源区集中分布于研究区500-1500m高程带、25°-45°坡度带、石灰岩区和距河道1km范围的区域内。人为因素是加速关键源区变化的重要原因,关键源区在土地利用类型上的分布顺序为坡耕地>草地>灌木林地>有林地>未利用地>建设用地>果园>水体,其中关键源区在坡耕地和草地分布面积占比高达90%左右。优化土地利用结构、有序进行退耕还林还草等生态工程是有效控制关键源区、治理水土流失的重要途径。
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