黄土高原典型流域植被覆盖时空变化的水文响应机制研究

黄土高原是世界著名的水土流失区和生态脆弱区，土地退化和水资源短缺是当地社会经济发展的重要限制性因素。本项目基于"3S"技术、野外观测和室内试验等研究手段，结合甘肃天水水土保持试验站近30年水文气象观测资料，开展在气候暖干化和剧烈人类活动影响背景下，黄土高原典型流域植被覆盖时空变化的水文响应机制研究。基于遥感/GIS技术揭示黄土高原典型流域植被覆盖时空变化格局及其驱动机制，进行生态工程驱动下的植被恢复监测与评价。在揭示不同土地利用/植被对坡面降水-径流关系影响规律的基础上，基于耦合植被生态过程的SWAT模型进行黄土高原典型流域水文过程模拟，实现气候变化、土地利用、植被覆盖变化对流域水资源和侵蚀输沙影响的定量评价。本研究是当前生态恢复及其环境效应的前沿科学问题，不仅可以推进生态水文学、水土保持学的理论发展，而且对当前黄土高原生态建设、水土流失治理、水资源可持续利用都具有重要的现实意义。

黄土高原是世界著名的水土流失区和生态脆弱区，土地退化和水资源短缺是当地社会经济发展的重要限制性因素。在大规模生态工程建设驱动下，近30年黄土高原植被覆盖呈现明显的恢复态势，但其生态水文效应还缺乏定量认识，成为近年来黄土高原生态建设环境效应研究领域的热点。项目通过整合黄土高原180个流域地貌、土壤、降水、植被覆盖等环境信息，系统研究了多环境要素对黄土高原水土流失的影响。黄河中游降水、植被以及水沙数据分析表明，生态建设驱动的植被恢复对黄河中游泥沙在2000s锐减的贡献为39.4%。用2002a和2008a两期SPOT遥感影响，系统研究了研究流域土地利用与景观格局的时空变化，发现近10a在生态建设推动下，28.9%的耕地转为其他土地利用类型。项目系统研究了不同土地利用下土壤养分特征以及流域容重、孔隙度、饱和渗透率等重要水文参数特征及其相互关系。项目在生态建设对黄土高原流域土壤有机碳影响过程中发现：10年生态幼龄林土壤有机碳与梯田相比增加了17.91%，与果园相比增加了22.5%，但与30年人工生态林相比仍偏低32.25%。植被NDVI辅助空间插值可明显提高流域土壤有机碳空间插值精度。项目基于分布式SWAT模型实现了研究流域1962-2008a径流输沙过程的模型模拟，验证了模型在黄土丘陵沟壑区的适用性，通过情景模拟揭示了生态建设对流域径流输沙过程的影响。模型不确定分析表明：DEM分辨率和流域划分对年径流量影响减少，但对流域输沙量影响显著。通过不同气候变化和LUCC情景设置模拟预测未来径流泥沙的响应，表明径流对降水变化更为敏感，径流泥沙对气温升高响应不太明显；二者对土地利用、覆被变化响应非常显著，尤其是产沙，若流域全为坡耕地，径流将增加4倍左右，泥沙将增加8倍左右；若全为梯田或林地，径流将下降70%-80%，泥沙将下降90%左右，说明梯田和林地蓄水拦沙效应显著。项目将区域尺度与流域尺度相结合，系统研究了黄土高原生态恢复过程与趋势，评估了生态恢复对黄土高原径流输沙的调控机制，增强了黄土高原生态环境水文效应认识，对当前黄土高原生态建设和水资源管理均有重要的现实意义。