王先彦教授课题组在河流瞬态地貌过程响应多圈层相互作用的机制研究中取得新进展

发布者:何华春发布时间:2024-01-16浏览次数:10


河流系统作为地球表层系统的重要组成部分,是陆地和海洋之间物质与能量循环的重要纽带。探究流域地貌过程对地球多圈层内外营力相互作用的响应规律,是地貌学中重要的科学问题之一。随着人类世人类活动对地球表面环境影响程度的加剧,大量研究提出:河流系统的恢复弹性,会因人类活动强度的增加而持续下降。当突破一定临界阈值时,会引发系统突变。当前,由于对河流非线性演化过程的认识尚不完全,关于河流系统发生突变的时间与原因的理解仍存在不足。

我们通过耦合植被生态模型(BIOME-BGC)与地貌演化模型(SPACE),基于公海湖与邙山等地区的古气候重建数据,结合全球土地利用变化面积重建结果(KK10),对黄土高原渭河流域在过去8000年间的河流地貌演化过程进行了数值模拟(图1)。通过对比有、无人类活动影响的两种模拟情景,计算了土地利用变化影响下河流系统响应气候变化敏感度的变化,定量化研究了人类活动强度增加背景下河流系统的非线性响应过程。

1河流地貌演化模型的结构与输入输出数据


结果表明,在流域农业用地面积占比较低时,径流量与泥沙量对气候变化响应的敏感度会持续下降;当农业用地面积占比增高,径流量与泥沙量对气候变化响应的敏感度则呈现持续上升的状态(图2)。基于这个现象,我们提出流域的水文泥沙过程在1000 BCE,即流域农业用地面积占比超过30-50%时,发生了系统突变。

2 农业用地面积增加背景下径流泥沙量对气候变化响应敏感度的变化趋势


同时,通过对比流域沉积物厚度模拟结果与古人类活动遗址的空间分布情况(图3),我们借鉴生态学领域中的“生态位构建理论(Niche construction)”,提出了人类活动热点区域与河漫滩发育之间相互作用的观点,解释了河流系统发生突变的原因:早期河流堆积过程产生的河漫滩为人类提供了生产生活场所,使得早期人类活动集中在流域西北部。此时,土地利用变化的主要类型是草地转化为农作物,河流系统响应的敏感度降低。随着人类活动导致的泥沙量增加,河漫滩由上游向下游扩张,人类生产活动中心转移至流域东南部。土地利用变化以森林转化为农作物为主,导致河流系统响应的敏感度上升,发生系统突变(图4)。

3 渭河流域全新世沉积物厚度模拟结果(a)与古人类活动遗址(b)对比

4 人类活动热点区域与河漫滩发育之间相互作用的概念图


该研究受到国家自然科学基金创新研究群体项目、第二次青藏高原综合科学考察研究专项的联合资助。研究成果以“Past anthropogenic land use change caused a regime shift of the fluvial response to Holocene climate change in the Chinese Loess Plateau”为题发表于国际地貌学领域期刊《Earth Surface Dynamics》(https://doi.org/10.5194/egusphere-2023-62)。通讯作者为南京大学地理与海洋科学学院王先彦教授与阿姆斯特丹自由大学地球科学系Ronald van Balen教授,第一作者是博士后陈浩。参与工作的还有来自中国科学院新生代地质与环境重点实验室的于严严副研究员与南京大学地理与海洋科学院的鹿化煜教授。