【摘要】：黃土高塬溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失嚴(yán)重。在全球氣候波動(dòng)以及區(qū)域?qū)嵤┩烁�林還草等水土保持措施的的背景下,有效揭示區(qū)域土地利用和氣候變化的生態(tài)水文響應(yīng)機(jī)理具有重要的意義。本研究以黃土高塬溝壑區(qū)的典型流域——硯瓦川流域?yàn)檠芯繉?duì)象,以生態(tài)水文學(xué)中的藍(lán)綠水理論為理論基礎(chǔ),分析了流域1981-2016年土地利用和氣候變化規(guī)律并對(duì)未來變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),在此基礎(chǔ)上采用傳統(tǒng)水文分析方法探討了變化環(huán)境對(duì)生態(tài)水文過程的影響,同時(shí)利用分布式水文模型MIKE SHE和土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型RUSLE對(duì)流域生態(tài)水文過程進(jìn)行模擬,揭示綠水資源與植被生態(tài)需水的支撐耦合關(guān)系,并對(duì)未來時(shí)期變化環(huán)境下的生態(tài)水文過程進(jìn)行預(yù)測(cè)。論文主要研究結(jié)論如下:(1)在不同土地利用時(shí)期,硯瓦川流域耕地面積均為最大,其次為草地,而居民地和林地面積處于此消彼長(zhǎng)的狀態(tài),水域面積一直最小�？傮w來看,硯瓦川流域土地利用發(fā)生了較大的改變,主要表現(xiàn)在草地和居民地的減少以及林地的增加上,研究前期1981-1995年土地利用數(shù)量和空間變化很小,在中期1995-2000年土地利用變化逐漸明顯,在后期2000-2016年土地利用變化達(dá)到了高潮。CA-Markov模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明未來不同時(shí)期土地利用面積大小排序均為:耕地草地林地居民地水域,林地仍是增加最快的土地利用類型,耕地面積有所減小,草地面積有所增加,這些都與流域?qū)嵤┑耐烁�林還草等生態(tài)恢復(fù)措施產(chǎn)生的土地利用驅(qū)動(dòng)相吻合。(2)流域多年平均降水量為535.8 mm,整個(gè)研究期內(nèi)年降水量呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢(shì),以平均每年1.351 mm的速度在增加,且未發(fā)生突變;流域多年平均日氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫分別為9.3、14.4和5.4℃,且均呈現(xiàn)了極顯著的增加趨勢(shì)(p=0.01),各自的突變點(diǎn)分別發(fā)生在1 997年、1994年和1 997年;流域多年平均潛在蒸散發(fā)量為1172.1 mm,在年際上呈現(xiàn)極顯著的增加趨勢(shì)(p=0.01),以平均每年4.121 mm的速度在增加,且于1993年附近發(fā)生了突變,其中氣溫的升高和相對(duì)濕度的下降是造成硯瓦川流域潛在蒸散發(fā)顯著增加的主要原因。未來降水及潛在蒸散發(fā)預(yù)測(cè)結(jié)果表明,降水最大的時(shí)期出現(xiàn)在2030s,其次為2040s,而降水最少的時(shí)期為2020s;潛在蒸散發(fā)最大的時(shí)期出現(xiàn)在2040s,其次為2020s,而最少的時(shí)期為2030s,但無論處于何種氣候情景,流域降水和潛在蒸散發(fā)與1980-2009年均值相比均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。(3)流域多年平均綠水量、藍(lán)水量和輸沙量分別為514.2 mm、21.6 mm和1619.3 t·km-2,年綠水量存在不顯著的增加趨勢(shì),而年藍(lán)水量和輸沙量呈現(xiàn)顯著的減少趨勢(shì)(p=0.05),并分別以1.865 mm·a-1、-0.118 mm·a-1和-25.825 t·km-2.a-1的速度在變化,另外,在研究期間年綠水量未發(fā)生突變,而年藍(lán)水量和輸沙量均在1998年附近發(fā)生了突變。流域降水、潛在蒸散發(fā)及下墊面變化對(duì)綠水變化的貢獻(xiàn)率分別為65.9%、13.4%和20.7%,對(duì)藍(lán)水變化的貢獻(xiàn)率分別為-39.2%、54.5%和84.7%,而氣候變化和土地利用變化對(duì)輸沙變化的貢獻(xiàn)率分別為12.8%和87.2%,可見,降水變化才是引起流域綠水變化的主要因素,而土地利用變化對(duì)于流域水沙變化的影響占主導(dǎo)地位。(4)MIKE SHE模型從整體上能較好地再現(xiàn)硯瓦川流域日徑流動(dòng)態(tài)變化,模型基準(zhǔn)期的相關(guān)系數(shù)和納什效率系數(shù)分別為0.836和0.629,變化期相應(yīng)為0.781和0.589。根據(jù)MIKE SHE模型的輸出結(jié)果,流域多年平均綠水量為509.2 mm,其中,植被蒸騰量、土壤蒸發(fā)量、植被截留量和土壤水蓄變量分別為227.1、252.3、28.4和1.4 mm,生產(chǎn)性綠水占到了綠水總量的44.7%。在最小生態(tài)需水量的限制下,綠水資源量能夠滿足植被基本生存的需水要求,而在適宜生態(tài)需水量的限制下,綠水資源量能夠大體上維持草地植被正常生長(zhǎng),基本滿足耕地農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的需水要求,但完全不能滿足林地植被正常生長(zhǎng)的需水要求(多年平均盈虧程度為-23.7%)。(5)流域多年平均土壤侵蝕模數(shù)為3543.7 t·km-2,年土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)(p=0.05),其中,基準(zhǔn)期和變化期平均土壤侵蝕模數(shù)分別為4254.0t·km-2和2917.4 t·km-2。流域土壤侵蝕呈現(xiàn)出較高侵蝕強(qiáng)度向較低侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)化的變化特征,但是可能對(duì)于侵蝕較為強(qiáng)烈的地帶如溝壑區(qū)及其產(chǎn)生的重力侵蝕還存在著一定的局限性。草地在所有土地利用類型中土壤侵蝕量占比最大,而侵蝕量最大的坡度出現(xiàn)在15-25°這個(gè)坡度等級(jí),該土地利用類型和坡度區(qū)域應(yīng)作為未來水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域,另外,分離評(píng)判法結(jié)果表明,土地利用和氣候變化對(duì)于減小硯瓦川流域土壤侵蝕的貢獻(xiàn)率分別為33.2%和66.8%,這說明氣候變化對(duì)于流域土壤侵蝕量的減少起到了主導(dǎo)作用,但這是未考慮水庫(kù)、淤地壩等工程措施對(duì)流域土壤侵蝕的影響所得出的結(jié)果。(6)在最小生態(tài)需水量的限制下,未來綠水資源量能夠滿足植被基本生存的需水要求,但是在適宜生態(tài)需水量的限制下,綠水資源量能夠大體上維持草地和耕地的植被正常生長(zhǎng)(但是在4月、5月和6月份會(huì)發(fā)生缺水),但完全不能滿足林地植被正常生長(zhǎng)的需水要求,林地在大部分月份都會(huì)出現(xiàn)生態(tài)缺水問題。流域RCP4·5和RCP8.5情景下的未來土壤侵蝕響應(yīng)規(guī)律大致相同,以RCP4.5情景為例,硯瓦川流域2020s、2030s和2040s時(shí)期的土壤侵蝕模數(shù)平均值分別為3701.0 t·km-2、3930.2 t·km-2和3780.6 t·km-2,與現(xiàn)階段2006-2016年平均土壤侵蝕模數(shù)(2251.5 t·km-2)相比,分別增加了64.4%、74.6%和67.9%。雖然在未來不同時(shí)期流域治理會(huì)繼續(xù)降低流域土壤侵蝕強(qiáng)度,但是在降水增加的綜合作用下,流域土壤侵蝕強(qiáng)度卻呈現(xiàn)了較為明顯的增加趨勢(shì)。
【圖文】：

2.1.1.1 地理位置硯瓦川流域位于甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)及寧縣境內(nèi)，位于東經(jīng) 107°37′~107°55′，北緯35°31′~35°44′，系涇河支流馬蓮河右岸的一條支溝。流域總面積 385.63 km2，主溝長(zhǎng) 35.0km，海拔 947-1432 m，相對(duì)高差 485 m，溝壑密度 1.59 km/km2，溝道比降 1.29 ‰，，屬于典型的黃土高塬溝壑區(qū)。硯瓦川流域地理位置及測(cè)站分布情況見圖 2-1。

區(qū)地貌特征（見圖 2-2）。塬面相對(duì)位置較高，地形寬闊平坦，坡度一般在 1°- 5°范圍內(nèi)，土壤較為肥沃，是主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地；梁峁坡是連接塬面與溝谷的緩坡地帶，坡度多在5°-25°之間，多為農(nóng)地和林牧地使用；梁峁坡以下為溝谷，溝谷坡度多大于 25°，一般在25°-70°之間，其形狀在支溝多呈“V”字形，在主溝多呈“U”字形，溝谷由溝坡、溝床和河灘組成，是整個(gè)流域侵蝕最劇烈的部位。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X143


本文編號(hào)：2629698