河流地貌作為地球表面最普遍的地貌形態之一,其在演化與發育過程中連通了陸地和海洋之間的物質與能量迴圈,是地球表層系統科學的重要研究內容。河流動力與地貌演化主要受到構造活動、氣候變化以及人類活動的影響。其中,構造活動與氣候變化以及它們之間的耦合作用對於河流侵蝕—搬運—堆積過程的影響一直以來都是河流地貌學研究的重點之一。而隨著近些年“人類世”這一概念的提出,河流系統對於人類活動的響應過程也逐漸受到關注。但現時對於人類活動河流地貌過程影響的研究多集中在近現代,長時間尺度(例如千年尺度)的探討則較少。造成這一現象的原因,一方面是長時間尺度下歷史觀測數據的匱乏,另一方面則是因為傳統的地貌研究方法(例如河流階地和沉積的野外觀測等)無法區分河流系統對不同作用的響應。隨著近20年來各類地貌演化模型的開發與應用(例如CHILD模型,LAPSUS模型以及Landlab模型等),為這一問題地解决提供了良好的契機。
黃土高原是我國農業文明的發源地之一。同時,該地區受亞洲季風影響,氣候波動劇烈,是研究氣候與人類活動對地表過程影響的理想的區域(圖1)。
圖1(a)黃土高原北洛河區點陣圖;(b)北洛河氣象、水文網站以及河流水系分佈圖;(c)北洛河地貌單元遙感衛相圖;(d)北洛河中遊河漫灘遙感衛相圖;(e)北洛河下游階地分佈圖;(f)北洛河幹流河道縱剖面分佈圖
最近,南京大學地理與海洋科學學院教授王先彥、博士生陳浩等,在黃土高原北洛河流域開展了全新世以來河流地貌過程的數值模擬,取得了重要進展,相關研究成果發表於國際學術期刊《Geomorphology》上。該課題組通過耦合植被蒸散發模型、古人類土地利用數據(KK10模型)以及地貌演化模型(Landlab模型),類比了北洛河流域全新世中期(6000 BCE)至工業革命前期(1850 CE)河流徑流量與泥沙量對氣候變化以及人類活動的響應過程。該研究發現,早期人類農業活動導致流域內徑流量的顯著增加(圖2),同時農業用地擴張帶來的土壤可侵蝕度的改變進一步造成流域內沉積物輸送量的新增,從而引起河道沉積物的堆積(圖3)以及河道形態的變化(圖4)。
通過進一步類比北洛河流域在有無人類活動影響(Scenario KK10A,Scenario KK10B)下的河流徑流量與沉積物輸送量的時序變化規律(圖5),揭示流域徑流量的變化主要受到氣候變化的影響,而人類活動是泥沙量變化的主導因素。同時,對比兩種情景下的類比結果,計算了自全新世中期以來人為土地利用變化對於徑流量以及泥沙量變化的貢獻度(圖6)。結果表明,早期人類農業活動導致的土地利用的變化對於早期北洛河徑流量的影響較小,但對於泥沙量的貢獻度早在西元前5000年便超過了50%。說明在中國黃河中游地區,早在7000年前人類活動對於河流侵蝕以及河流演化過程就存在著顯著的影響。
這項工作對河流地貌系統對氣候變化與人類活動的響應過程進行了數值模擬,定量地揭示了各個驅動因素對於河流徑流和泥沙變化的貢獻。同時,該研究表明在河流地貌過程中耦合生態水文過程的類比可以有效提高類比的精確度,這為今後其他地區,尤其是在半幹旱區水文泥沙過程的數值模擬提供了借鑒。參加這項工作的還有地理與海洋科學學院鹿化煜教授和荷蘭阿姆斯特丹自由大學教授Ronald Van Balen教授。這項工作得到了國家自然科學基金和第二次青藏高原科考項目的聯合資助。
文章資訊:Hao Chen,Xianyan Wang*,Huayu Lu,Ronald Van Balen*,2021.Anthropogenic impacts on Holocene fluvial dynamics in the Chinese Loess Plateau,an evaluation based on landscape evolution modeling.Geomorphology,https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2021.107935
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