海河流域气候、土地利用与种植结构变化对径流、泥沙及氮磷流失的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 丁楠 |
| 答辩日期 | 2022-08 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 陶福禄 |
| 关键词 | 海河流域 气候变化 SWAT 土地利用变化 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 人类的发展和进步与水资源有着密切的关系，气候变化和人类活动导致的土地 利用及种植结构变化是影响水环境的重要因素，气候变化、人类活动与水文过程的相互影响已成为地理科学领域的前沿科学问题。定量分析气候变化、土地利用及种 植结构变化对径流、泥沙及氮磷流失的影响机制，对水资源的管理具有重要意义。当前研究主要集中于气候变化和土地利用变化对单一变量（径流、泥沙、氮磷）的影响，但缺少关于气候变化与土地利用变化对径流、泥沙及氮磷流失影响的综合分析。此外，过去的研究也很少涉及到种植结构变化的影响分析。本研究以海河流域为例，首先，利用1980年以来流域的土地利用、气象、农业种植结构和农业管理等 数据驱动SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型，并用径流、泥沙以及氮磷 等数据校准及验证模型，从而构建适用于海河流域并满足本研究需求的SWAT模型。此后，基于SWAT情景模拟，定量分析过去40年气候变化、人类活动及农业种植结构变化对径流、泥沙及氮磷相关变量的影响，以此阐明海河流域主要生态系统水资源和水环境的变化机制，揭示各种驱动因子对生态系统水资源配置的影响机制和效应，明确海河流域土地利用变化、气候变化及农业种植结构和管理措施变化与农业生产、水土过程、资源利用效率间的相互作用规律。论文的结论主要分为以下三个部分：（1）在海河流域六个子流域，利用Pearson相关性分析和结构方程模型，分析蒸散发（ET）、径流、泥沙及氮磷等水文要素对气候变化、土地利用变化的响应。 结果表明：过去30年，海河流域主要用地类型变化表现为耕地（5712km2）转化为城镇建设用地，林地（416km2）转化为草地，草地（195km2）转化为耕地和城镇建设用地。ET年平均值为360-1200mm，总体呈现南高北低的空间分布格局。归一化植被 指数（NDVI）年平均值达到0.4-0.9，总体呈现增加的趋势，由东向西递增。植物净 初级生产力（NPP）的年平均值为200-550g C，总体呈现由北向南递增的趋势。海河 流域六个子流域各变量（ET、NDVI、NPP、径流、泥沙、氮磷等）之间的相关性不 完全相同。六个子流域的ET与温度（相关系数r=0.28~0.62，P<0.01）、NDVI与NPP （r=0.002~0.69，P<0.01）均呈现显著正相关。其次，径流同时受到温度和降雨的影响，其中径流与降雨量呈现显著正相关，r高达0.89（P<0.01）。根据结构方程模型结果显示，径流对泥沙的直接影响系数为0.424~0.523（P<0.001），而径流对氮磷流 失的直接影响系数为0.143~0.477（P<0.001）。同时温度（影响系数-0.389~-0.228，P<0.001）和降雨（影响系数0.362~0.566，P<0.001）通过直接影响径流，间接影响 泥沙及氮磷流失。ET同时受到温度和降雨的直接影响，温度的直接影响系数高达0.622（P）。除此之外，ET 通过影响径流（影响系数-0.496~-0.379，P<0.001），进而间接影响泥沙以及氮磷流失。（2）利用土壤、DEM、气象以及土地利用变化等数据，在海河流域及其六个 子流域构建SWAT水文模型。采用控制变量模拟实验，定量分析1980s（1980-1989）、1990s（1990-1999）、2000s（2000-2009）及2010s（2010-2019）气候变化、土地利用变化对径流和泥沙相关变量的影响程度及贡献率。结果表明：气候变化和土地利用变化的影响具有明显的时空异质性。气候变化和土地利用变化显著增加了ET、传 输损失（TL）、泥沙输入（SI）和输出（SO）、无机氮（IN）和无机磷（IP）以及 有机氮（ON）和有机磷（OP）的产生，其中对ET、SI和IN的影响最大。过去40年 径流的相关变量ET受气候和土地利用共同作用的影响程度最大的流域是大清河（增 加217.3mm）；泥沙的相关变量SI受气候和土地利用共同作用的影响最大的流域是南运河（增加3917.3t）；氮磷相关变量IN和IP受气候和土地利用共同作用的影响最大的流域是潮白河（增加322.9 kg/ha 和 98.2 kg/ha）。在大清河、永定河和南运河流域，气候变化对径流和泥沙的贡献率持续升高，分别达到 88.6%~98.2% 和63%~77.2% 。 在子牙河和潮白河流域 ，土地利用的贡献较大，分别达到88.6%~96.8%和59.8%~92.7%。近40年来，在永定河、潮白河、子牙河及大清河流域，土地利用对于氮磷流失的贡献占主导地位（最大值：89.7%）；相比之下，在南运河 和滦河流域，气候变化对于氮磷流失的贡献更大（最大值：95.1%）。（3）基于SWAT水文模型和统计数据，探究1985-2015年气候变化、种植结构和管理措施变化对径流、泥沙及氮磷流失的时空影响。结果表明：温度对径流、泥沙及氮磷流失的影响较大，温度升高明显减少径流和泥沙，减少幅度分别为-12.7~- 5.3mm3 yr -1和-10.5~-3.2kt yr -1，温度升高使氮和磷流失增加，增加幅度分别为7.2~15.6kg ha -1 yr -1和1.7~6.2kg ha -1 yr -1。而降雨量的变化对径流、泥沙及氮磷流失的影响程度不高，降雨量增加导致径流（2.1~8.5mm3 yr -1）、泥沙（-0.3~2.2kt yr -1）和氮（-0.2~3.1kg ha -1 yr -1）磷（-0.1~1.9kg ha -1 yr -1）流失总体呈现增加趋势。此外，农 作物种植面积通过直接影响径流，从而间接加剧氮磷流失。其次，施肥量与氮磷流失呈正相关性，如玉米和蔬菜作物种植面积每增加1ha，将导致不同子流域的径流变 化-2.7~0.9mm3 yr -1、泥沙变化-1.8~0.4kt yr -1；小麦和大豆作物种植面积每增加1ha， 可使径流变化-0.7~2.2mm3 yr -1、泥沙变化-0.2~1.7kt yr -1。同时，作物种植面积每增加1ha，也会使氮磷流失变化-0.2~3.22kg ha -1 yr -1。与此同时，施肥量的增加显著加剧了氮和磷的流失，氮流失速率可达6.8~20.6kg ha -1 yr -1，磷流失速率可达1.8~3.6kg ha -1 yr -1。而温度升高导致径流（-12.7~-5.3mm3 yr -1）和泥沙（-10.5~-3.2kt yr -1）均下降，但却加剧了氮和磷的流失。综上所述，本论文借助统计模型、结构方程模型、SWAT水文模型等多种方法，结合多源数据，全面、深入地研究了气候变化、土地利用变化、种植结构和管理措 施变化等要素对我国海河流域径流、泥沙、氮磷等相关变量的影响机制。本研究构 建了定量分析气候变化、土地利用变化以及种植结构和管理措施变化对于径流、泥沙以及氮磷流失贡献的研究框架。研究结果有助于明确海河流域水文过程的驱动因子，增强对径流、泥沙和氮磷流失等动态过程的潜在机理的理解，为我国海河流域 可持续发展规划与管理提供科学支撑。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 122 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/184647]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 丁楠. 海河流域气候、土地利用与种植结构变化对径流、泥沙及氮磷流失的影响[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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