黄土丘陵沟壑区生态恢复背景下土地利用变化对河川径流泥沙影响研究

论文摘要

黄土高原是我国水土流失最严重的地区,特别是黄土丘陵沟壑区,严重的水土流使得原本十分脆弱生态环境更加恶化,制约着当地生态和社会经济的可持续发展。本论文以黄土丘陵沟壑区典型流域——无定河流域、延河流域、清涧河流域作为研究对象,基于各流流域水文站长期观测所得的水文资料（1960-2009年）,结合不同时期的土地利用数据（1985年、1995年、2000年和2008年）,运用数理统计分析和GIS与RS空间分析等技术,借助景观生态学、数量生态学方法,以定性描述与定量分析相结合的方法,对黄土丘陵沟壑区无定河、延河、清涧河流域径流和泥沙特性进行时空分析总结；同时以黄土高原生态恢复为背景,分析了流域尺度上土地利用动态转移和土地利用景观格局时空演变；在此基础上进一步探讨生态恢复背景下土地利用格局演变对径流泥沙过程变化的影响,揭示流域径流泥沙过程变异的土地覆被格局,为我国黄土丘陵沟壑区优化配置水土资源和有效改善区域生态环境提供理论基础与决策依据。主要研究结论如下：（1）黄土丘陵沟壑区流域径流泥沙时变过程存在明显的不均匀性,且空间差异大。分析表明：除无定河流域泥沙和径流年内分布分别表现为单、双峰曲线外,延水河、清涧河流域径流和泥沙年内分布均表现为单峰曲线。（2）流域径流泥沙年际时空变异规律明显,且不同生态恢复时段不同流域差异较大。分析表明：黄土丘陵沟壑区流域年平均径流量和年输沙总量的年际变化整体呈现下降趋势,减水减沙幅度随时空尺度不同而异,上世纪80年代后和2000年后是流域径流泥沙演变的特征时段,其中延水河流域径流量减少较为明显,无定河流域减沙量和减沙幅度较大。流域径流泥沙关系密切,其拟合关系曲线随流域及其径流特征不同而异。（3）在生态恢复背景下,不同土地利用类型流转频繁,耕地向林、草地转移是流域土地利用动态的主要形式。在不同流域,耕地转出明显,林、草地新增明显,且其流转速率在2000年后进入加速期。在植被恢复驱动下,流域土地利用重心空间漂移明显,漂移轨迹主要表现为耕地的重心均向东部偏移,林地的重心均向西北方向偏移,草地的重心均向北部偏移。（4）在生态恢复驱动下,土地利用及其时空动态导致流域景观格局发生明显变化。在斑块类型水平上,相对于水域、城镇及工矿建设用地等,耕地、林地和草地斑块特征变化较为明显。生态恢复不仅加大了耕地和林地景观的破碎化程度,同时也增大了林地斑块性状的复杂化。特别是随着退耕还林还草工程的实施,耕地平均斑块面积及比例不断降低,草地则相反；在景观水平上,各流域景观破碎度总体趋于上升,而景观连接度却在不断降低,同时延河流域、清涧河流域景观多样性整体上呈下降的趋势,无定河流域整体上呈上升趋势。流域土地利用结构调整和植被恢复使得一些景观类型的优势度不断增强,均匀度不断下降,且向着单一景观类型发展。（5）流域尺度上,土地利用格局的相对状况与水沙时变过程关系密切。分析表明,耕地是黄土丘陵沟壑区土地利用的核心景观要素,也是流域土壤侵蚀泥沙的主要来源区。以地面积作为土地利用的核心预测因子,径流深和输沙模数的4年平均值对土地利用时变的响应程度最大。（6）不同景观类型,影响流域径流深度的因子不同。其中,耕林草斑块的空问邻接状态和核心斑块面积大小是影响流域径流深度变化的共同因素。耕地斑块特征指数对流域径流泥沙过程的影响最大,草地次之,林地最小；但相比而言,耕林草斑块特征对流域输沙过程的预测能力要高于对径流过程的预测能力。而在景观水平上,在不同植被恢复时段中,影响流域径流泥沙过程的特征指标不同,景观边缘密度、景观连接度与径流深、输沙模数始终存在显著的正相关关系。（7）以耕林草为主导的景观格局与流域径流泥沙过程的时空分异与关系十分密切。分析表明,耕地景观格局特征变化对流域径流泥沙过程变异扮演重要角色,但随着退耕还林还草工程的实施与推进,其指示作用逐渐被林地和草地景观格局特征所代替。（8）在退耕还林还草工程驱动下,黄土丘陵沟壑区流域减水减沙效益明显。研究表明,9年来,流域平均输沙模数降低54%,流域平均径流深下降15%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 黄土丘陵沟壑区生态恢复历史背景
• 1.2 黄土丘陵沟壑区流域径流泥沙效应研究
• 1.2.1. 黄土丘陵沟壑区径流泥沙演变的多尺度研究
• 1.2.2 径流泥沙影响因素
• 1.3 土地利用/土地覆被变化对径流泥沙影响研究
• 1.3.1 土地利用/土地覆被变化研究现状
• 1.3.2 土地利用/土地覆被变化的径流泥沙影响效应评价
• 1.4 流域生态恢复对径流泥沙影响的问题与挑战
• 1.5 研究框架
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 研究思路
• 1.5.3 研究内容
• 1.5.4 研究方法
• 1.5.5 技术路线
• 2.研究区概况
• 2.1 地理位置
• 2.2. 气候
• 2.3 地质地貌
• 2.4 植被
• 2.5 土壤
• 2.6 水沙特征
• 2.7 社会经济概况
• 3. 研究区基础地理信息数据库构建
• 3.1 数据来源
• 3.1.1 水沙数据
• 3.1.2 空间数据
• 3.2 数据处理
• 3.2.1 水文数据预处理
• 3.2.2 地理信息数据处理
• 4 黄土丘陵沟壑区流域水沙时空变化特征分析
• 4.1 研究方法
• 4.1.1 径流泥沙年内分配特征研究方法
• 4.1.2 径流泥沙年际分配特征研究方法
• 4.2 河川径流时空变化分析
• 4.2.1 径流年内分配特征
• 4.2.2 径流年际变化
• 4.3 河川泥沙时空变化分析
• 4.3.1 含沙量年内分配特征
• 4.3.2 泥沙年际变化
• 4.4 水沙关系分析
• 4.4.1 年均含沙量与年年均径流量拟合曲线分析
• 4.4.2 黄土丘陵沟壑区各流域减水减沙分析
• 4.5 小结
• 5 黄土丘陵沟壑区生态恢复背景下土地利用/覆被时空变化规律
• 5.1 研究方法
• 5.1.1 土地利用类型流转
• 5.1.2 土地利用动态变化模拟
• 5.1.3 土地利用重心转移计算
• 5.1.4 土地利用景观格局指数选取与计算
• 5.2 流域土地利用时空动态变化分析
• 5.2.1 不同流域土地利用类型流转分析
• 5.2.2 不同流域土地利用动态变化分析
• 5.2.3 不同流域土地利用重心空间变化分析
• 5.3 土地利用景观格局时空演变分析
• 5.3.1 斑块类型水平上流域土地利用景观变化
• 5.3.2 景观水平上流域土地利用景观格局时空演变
• 5.4 小结
• 6 植被恢复背景下土地利用格局对流域径流泥沙的影响
• 6.1 研究方法
• 6.1.1 响应时段界定
• 6.1.2 景观指数计算
• 6.1.3 影响流域径流泥沙时变的主导景观格局指标确定
• 6.1.4 冗余分析（RDA,Redundancy analysis）
• 6.2 土地利用变化的径流泥沙响应时段界定与分析
• 6.2.1 输沙模数与耕地面积相互关系
• 6.2.2 平均径流深与耕地面积相互关系
• 6.3 土地类型面积变化对流域径流泥沙的影响分析
• 6.4 流域主导景观类型格局变化对径流泥沙的影响
• 6.4.1 斑块类型水平上影响流域径流泥沙耕地景观格局因子
• 6.4.2 斑块类型水平上影响流域径流泥沙林地景观格局因子
• 6.4.3 斑块类型水平上影响流域径流泥沙草地景观格局因子
• 6.5 斑块类型水平上土地利用景观格局与流域径流泥沙相互关系
• 6.5.1 上世纪80年代
• 6.5.2 上世纪90年代
• 6.5.3 退耕还林（草）初期
• 6.5.4 退耕还林还草工程实施后
• 6.5.5 斑块类型水平上不同时期RDA特征值及解释度比较
• 6.6 景观水平上景观格局对流域径流泥沙影响分析
• 6.6.1 景观格局指数对径流深的影响
• 6.6.2 景观格局指数对输沙模数的影响
• 6.6.3 基于RDA排序分析
• 6.7 退耕还林（草）后耕林草景观格局变化对减水减沙的影响
• 6.8 小结
• 7 结论与讨论
• 7.1 结论
• 7.2 讨论
• 7.2.1 论文创新
• 7.2.2 研究不足
• 7.2.3 主要建议
• 参考文献
• 附图
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录
• 致谢