陇中黄土高原土壤侵蚀与气候变化耦合特征及其对人地关系的影响——以六盘山朝那湫小流域为例

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土壤侵蚀在很大程度上与土壤圈、水圈、大气圈和生物圈有着密切的联系,它不仅破坏着各圈的原始状态,还会打破各圈层之间的平衡关系,导致陆地生态系统失衡,恶化人类生存环境,从而给人类带来潜在危机。由于全球区域自然环境的差异,土壤侵蚀的发生、发展和表现形式各具特色,因世界各国科技文化发展水平,以及土壤侵蚀危害程度的差异,形成该领域各具风格的研究特点。鉴于其对人类生活、生命、生产和生存环境的危害日益严重,已经作为世界性重大问题而受到各国政府和科技工作者的高度重视。上个世纪后半叶,国内外学者相继在土壤侵蚀领域运用各种模型进行了大量的定量模拟、预测和风险评价研究,也利用放射性同位素等示踪手段开展了许多定量研究工作,均取得了丰硕成果,但同时也让我们认识到土壤侵蚀和水土流失的日益严重性。  全球气候变化会引起全球陆地生态系统结构、功能甚至格局发生改变,随着土壤侵蚀这一全球性生态环境问题的日益突出,土壤侵蚀在不同气候条件下的强弱变化问题成为人们关注的焦点。例如,全球变化研究正在进行的4大国际科学研究计划(WCRP、IGBP、IHDP和DIVERSITAS)均将土壤侵蚀/水土流失的环境效应列入重要研究对象和内容。目前,国外关于土壤侵蚀与气候变化之间的耦合关系问题,主要采用各种模型对未来气候变化情景下的土壤侵蚀变化趋势进行模拟和预测研究,但因各国自然环境差异引起的全球气候变化的不同步性而使得土壤侵蚀对未来气候变化的响应关系存在不确定性。在我国,关于土壤侵蚀强弱变化对未来气候变化的响应关系的研究也是利用模型进行情景模拟和预测研究,结果也存在不确定性;另一方面,关于地质历史时期土壤侵蚀强弱与气候干湿的对应关系的研究不多,且存在不同的认识。因此需要找到一个同时能够记录气候变化历史和流域土壤侵蚀演化规律的地质载体,对流域土壤侵蚀发生原因与机制做出科学判断,为未来气候变化如何影响土壤侵蚀变化提供参考依据。  作为中国土壤侵蚀最严重的地区,又因处在季风边缘区而对气候变化十分敏感,黄土高原地区土壤侵蚀强弱对气候变化的响应机理无疑成为关注的焦点问题。因此,查明历史时期黄土高原地区的土壤侵蚀强弱对气候变化的响应关系,对未来该区以及其他地区的生态保护和防治具有较高的参考价值。朝那湫位于黄土高原西部六盘山南端西麓,因其位于高山,位置较偏远,受人类活动影响较弱,是研究生态环境变化的良好点位。  本文以朝那湫作为研究对象,研究黄土高原西部地区高山小流域土壤侵蚀强弱对气候干湿的响应关系。首先,运用137Cs定年手段,建立准确高分辨率年表;其次,用粒度、TOC、C/N、δ13Corg等多代用指标研究,并根据各代用指标的气候环境意义,建立朝那湫小流域过去近300年的降水变化历史;第三,根据朝那湫粒度指标指示的特殊意义,建立了土壤侵蚀强弱变化序列,并与其他气候记录进行对比,研究朝那湫小流域土壤侵蚀强弱与气候干湿变化的对应关系;最后,通过较大区域内对比研究,讨论陇中黄土高原地区的气候干湿变化驱动下的土壤侵蚀模式,并结合历史文献记录探讨其对人类生产生活的影响,为认识过去和未来气候变化如何影响土壤侵蚀提供实例参考。  本论文获得以下初步认识:  (1)我们用粒度、TOC、C/N、δ13Corg、C/N比值等多代用指标,重建了过去近300年朝那湫流域降水变化历史,重建结果与邻近区域树轮气候记录及历史文献记录有良好对应关系。  (2)气候偏干期,朝那湫流域植被覆盖度低,土壤侵蚀增强,沉积物粒度偏粗;反之,在气候偏湿期,植被覆盖度高,土壤侵蚀减弱,沉积物粒度偏细。  (3)朝那湫沉积物近300年粒度序列记录到数次强侵蚀事件,分别发生在约公元1770年前后、1835年前后、1950年前后和1970年前后。这些事件多发生在十年/数十年尺度干旱时段内且与历史文献记录的洪水事件有良好对比,表明十年/数十年尺度干旱时段内的洪水事件对流域土壤侵蚀尤为强烈。  (4)朝那湫流域过去近300年降水及土壤侵蚀历史与陇中黄土高原地区干湿变化序列有较好的对应关系,因此可以基本反映陇中黄土高原地区土壤侵蚀对气候变化的响应模式。
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