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近2000年来黄土高原人文、环境要素与入黄泥沙协同演进规律研究

近2000年来黄土高原人文、环境要素与入黄泥沙协同演进规律研究

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作者：徐寰宇西北大学

学位级别：硕士

黄河治理是事关民族复兴的重大国家战略,是我国在生态环境统筹治理方面遇到的关键难题及挑战。黄土高原的产沙量占黄河中游输沙的90%以上,地区内的人类活动以及环境状况与入黄泥沙联系紧密,具有明显的人-水耦合作用,直接关系到黄河中下... 详细信息

黄河治理是事关民族复兴的重大国家战略,是我国在生态环境统筹治理方面遇到的关键难题及挑战。黄土高原的产沙量占黄河中游输沙的90%以上,地区内的人类活动以及环境状况与入黄泥沙联系紧密,具有明显的人-水耦合作用,直接关系到黄河中下游的生态安全。受制于历史数据模糊缺失,针对黄土高原-黄河中游的相关研究多集中于近数十年的现代时间尺度,难以认识到长期以来入黄泥沙的演变规律及影响因子全貌,不能完全满足“科学预测未来水沙变化”的治黄需求。论文基于社会水文学的研究理念,遍历整理各类史书文献、近现代期刊以及HYDE、GIMMS、CRU等现代数据集资料,借助Python、VBA、Matlab等编程语言及工具,定量了A.D.0-2017间黄河中游输沙量以及黄土高原人口、耕地、气候、植被覆盖度等重要影响因子的数据序列与空间分布,并结合PLS模型、Mann-Kendall检验、PCA等统计分析方法,对近2000年来黄土高原主要人文、环境因子的变化趋势及其与入黄泥沙的协同演进规律进行了深入探讨,完成主要工作并获得结论如下:(1)在对历史文献和现代研究成果进行系统梳理的基础上,使用数值统计、定性分析、Pearson相关、线性回归、突变检验、Logistic阻滞模型等方法,获得了黄土高原近2000年来主要人文、环境因子的数据序列,分析了黄土高原降水、气温、人口、耕地、战争、政策等要素的长期演变趋势、突变时期(年份)和空间分布状况。(2)根据水热条件、人类活动及文献描述的植被关键词等因素,定量反演了历史时期黄土高原的平均植被覆盖度与空间分布状况,探讨了过去2000年间黄土高原植被覆盖度的变化趋势及诱因。综合历史重建值及现代遥感数据来看,自西汉以来,受气候与人类活动综合作用,黄土高原植被状况呈波动下降态势,植被覆盖度从A.D.140(东汉)的最高值54.3%,下降至A.D.1578(明清)的最低值29.8%,耕地是人类活动中对植被负面作用最大的因素(-8.49%至-26.31%);至A.D.1980后,因水土保持、退耕还林、三北防护林等生态保护政策与工程的调控,植被覆盖度快速回升至49.4%的平均水平。(3)分析了过去2000年黄河中游输沙变化的驱动因子。通过Cramer、Pettitt检验及累积曲线等分析方法,将近2000年来的中游输沙序列分为4个阶段:A.D.0-600的低幅波动阶段(年输沙量均值0.58亿吨),A.D.600-1661的一次剧增阶段(7.55亿吨),A.D.1661-1970的二次剧增阶段(14.39亿吨),以及A.D.1970-2017的锐减阶段(6.65亿吨)。PLS模型输出结果显示:在整体尺度的标准化回归系数(Beta)方面,人口、耕地、降水等因素对中游输沙提供正向贡献,战争频率、气温、植被覆盖等因素起到负面作用。在各阶段预测因子投影重要性指标(VIP)方面,1阶段输沙量的重要影响因子(VIP>0.8)包括气温、降水及植被覆盖度,人文因素重要性较低;自2阶段起至3阶段期间,人文因子中战争频率、人口、耕地的VIP开始上升至0.8的显著水平,3阶段中人口、战争VIP一度达到1.5以上,气候因素VIP则降低到了0.5至0.8之间;4阶段中的各类水利、环境政策及生态修复工程的实施,是输沙减少的重要原因(VIP=0.973)。在整体尺度的VIP值方面,耕地面积(VIP=1.428)是对中游输沙重要程度最高的因素。两次PCA分析结果认为耕地及输沙的变化为第1主成分(贡献率46.9%、47.6%)的主导因素,亩产、土地政策、城乡人口比等与人地关系相关的因子特征向量(U)也多集中于第1、2主成分中,气候因素所主导的第3主成分贡献率仅有14.9%和11.0%。(4)揭示了过去2000年黄土高原人文、环境要素与黄河中游输沙的协同演进规律。近2000年来的黄土高原-入黄泥沙协同演变历程主要为人地关系变化的作用结果,黄土高原的人地关系从早期人类对自然资源的有限利用,逐步演变为人对自然的无节制索取,再到如今的人地关系和谐,气候变化是这一协同演进历程的长期外部控制因素,而人地关系的演变是影响黄土高原土壤侵蚀及中游输沙量变化的内在决定因素。

关键词：黄土高原入黄泥沙两千年尺度协同演进社会水文

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