喀斯特高原区产流变量与土壤流失的定量归因与权衡规律
文献类型：学位论文
| 作者 | 左丽媛 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 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 | 尹云鹤 ; 高江波 |
| 关键词 | 生态系统服务 权衡与协同 定量归因 尺度效应 喀斯特流域 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 石漠化是中国南方喀斯特地区最为严重的生态问题，脆弱生态环境的日趋恶化与生态系统服务的日益退化严重制约了喀斯特地区社会经济的可持续发展，威胁到长江流域的生态与经济安全。水土流失在石漠化的形成、发展、治理过程中具有核心作用，针对喀斯特地区面临的石漠化威胁，本研究聚焦于2000-2018年的产流、产沙两项关键生态系统服务变量，在典型喀斯特流域开展“生态过程-服务格局-权衡规律”的研究。首先，基于InVEST模型模拟乌江流域的产流总量随时间的变化趋势和空间的分布特征；进而，综合考虑喀斯特地区的土壤属性和植被特性，基于野外采样和实验室分析拟合得到适用于喀斯特地区的土壤水分特征曲线和土壤孔隙大小分布指数并应用于CoLM模式中模拟得到坡面产流、地表产流、壤中流三个更为细化的产流变量；然后，在RUSLE模型中引入岩石裸露率修正系数并考虑喀斯特地区和非喀斯特地区降雨侵蚀力形成条件的差异，模拟乌江流域土壤流失的时空分布。在各项水土变量模拟与验证的基础上，基于地理探测器方法对各个产流变量与土壤流失的空间异质性进行归因分析，识别水土变量空间分布的重要区和高风险区，重点关注产流量与土壤流失之间权衡/协同关系的时空特征、尺度效应与影响机制。主要结论如下： （1）产流变量与土壤流失的空间分布具有明显的异质性特征，其时空变化是气候变化和人类活动共同作用的结果。产流总量、坡面产流、地表产流、壤中流在研究时段内表现出不同程度上升趋势，土壤流失则以0.493 t·hm-2·yr-1的速率逐年递减。在空间分布上，4个产流变量的高值区以及土壤流失强度较高的地区主要分布在降水量较大、峡谷地貌发育的流域东北部。乌江流域的土壤侵蚀属于微度侵蚀和中度侵蚀等级，微度侵蚀的面积占比逐年递增，强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀等级的面积比例逐年减少，表明乌江流域的土壤流失得到有效治理，生态环境得以持续改善。 （2）气候因子和地形因子是各个产流变量空间异质性的主导驱动因子，坡度因子对土壤流失的空间分布具有主导作用。本研究基于地理探测器方法，定量分析了不同尺度下产流变量和土壤流失空间异质性的主控因素。在流域尺度，降水和土地利用是影响产流量空间分布的主导因子，二者之间的交互作用可以解释90 %以上的产流量的空间分布。气候因子（气压、日照时数、温度、风速、降水、潜在蒸散发、相对湿度）、地形因子（海拔）、社会经济因子（GDP、人口）对坡面产流和地表产流的空间分布具有不同程度的影响。其中，海拔和气压是影响流域尺度坡面产流和地表产流的主导因子，对坡面产流的解释力在50 %左右，对地表产流的解释力在60 %左右。随着环境因子梯度的逐级递增，坡面产流与地表产流表现出规律性变化，具体为：坡面产流量和地表产流量随坡度、气压、降水、温度的升高表现出明显的上升趋势，随海拔、潜在蒸散发、日照时数和风速的升高而逐渐降低。坡度是土壤流失空间异质性的主导影响因子，可以解释10-30 %的土壤流失空间分布。受地貌的宏观控制作用以及地貌区内部局地小气候的影响，不同地貌形态类型区内影响因子的解释力、主导交互作用的组合类型存在显著差别。 （3）岩石的可溶性、土壤的持水性、地表覆被对降水的截留作用显著影响各个产流变量空间分布的重要区和高风险区，土壤流失的高风险区出现在降水高值区、陡坡地区和NDVI低值区。水流对可溶性岩石具有溶蚀作用，灰岩、白云岩、白云岩与碎屑岩互层等可溶性岩石分布的地区岩石孔隙度、裂隙度较大，溶洞地貌发育充分，地下漏失严重，产流量、坡面产流、地表产流最小，是产流变量空间分布的高风险区。黄壤属性过黏，分布地区相对湿度较大，表层水分常呈饱和状态，易形成坡面产流与地表产流，属于坡面产流与地表产流的重要区；石灰土、粗骨土质地黏重，土壤持水量较大，是壤中流空间分布的重要区，渗育水稻土的透水性能强，渗漏速度快，壤中流漏失严重，属于高风险区。阔叶林和针叶林植被高大、枝叶茂密、地表枯落物较多，对降水的截留效果强于其他植被类型，地表产流量较少，属高风险区。陡峭坡度和大量降水为土壤流失提供地形条件和动力条件，地表植被和凋落物遮挡可有效减缓降水对土壤的直接动力作用，植被根系具有固结土壤的作用，由此，土壤流失的高风险区出现在降水高值区、陡坡地区和NDVI低值区。 （4）乌江流域的产流量与土壤流失之间存在着复杂的非线性关系，地貌通过控制多种环境条件和生态过程来影响生态系统服务的供给、维持以及它们之间的相互关系。本研究采用地理加权回归方法分析产流量与土壤流失之间空间关系的动态变化和影响机制。结果表明，乌江流域的产流量与土壤流失在不同时段内的空间尺度上具有权衡关系与协同关系并存的特征，且以协同关系为主，权衡关系出现在岩石裸露率大于50 %的地区。随着时间尺度的推移，乌江流域和不同地貌形态类型区内产流量与土壤流失之间协同关系的面积占比逐年降低，相应的，权衡关系的面积占比逐年增大。在流域尺度，降水是影响产流量和土壤流失之间权衡关系与协同关系的主导因子，降水与海拔之间的交互作用对权衡关系和协同关系的空间分异具有最强解释力。受地貌形态内部特征和地形起伏度的影响，降水、海拔、岩性两两之间交互作用的解释力在地势较平坦的低/中海拔平原和低/中海拔台地地区明显高于地势起伏较高的丘陵和山地地区。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 148 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199822]  |
| 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 | 左丽媛. 喀斯特高原区产流变量与土壤流失的定量归因与权衡规律[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。