早期人类活动对流域地貌过程影响

河流地貌作为地球表面最普遍的地貌形态之一，其在演化与发育过程中连通了陆地和海洋之间的物质与能量循环，是地球表层系统科学的重要研究内容。河流动力与地貌演化主要受到构造活动、气候变化以及人类活动的影响。其中，构造活动与气候变化以及它们之间的耦合作用对于河流侵蚀—搬运—堆积过程的影响一直以来都是河流地貌学研究的重点之一。而随着近些年“人类世”这一概念的提出，河流系统对于人类活动的响应过程也逐渐受到关注。但目前对于人类活动河流地貌过程影响的研究多集中在近现代，长时间尺度（例如千年尺度）的探讨则较少。

造成这一现象的原因，一方面是长时间尺度下历史观测数据的匮乏，另一方面则是因为传统的地貌研究方法（例如河流阶地和沉积的野外观测等）无法区分河流系统对不同作用的响应。随着近20年来各类地貌演化模型的开发与应用（例如CHILD模型，LAPSUS模型以及Landlab模型等），为这一问题地解决提供了良好的契机。

黄土高原是我国农业文明的发源地之一。同时，该地区受亚洲季风影响，气候波动剧烈，是研究气候与人类活动对地表过程影响的理想的区域（图1）。

图1 （a）黄土高原北洛河区位图；（b）北洛河气象、水文站点以及河流水系分布图；（c）北洛河地貌单元遥感卫相图；（d）北洛河中游河漫滩遥感卫相图；（e）北洛河下游阶地分布图；（f）北洛河干流河道纵剖面分布图

最近，我院教授王先彦、博士生陈浩等，在黄土高原北洛河流域开展了全新世以来河流地貌过程的数值模拟，取得了重要进展，相关研究成果发表于国际学术期刊《Geomorphology》上。该课题组通过耦合植被蒸散发模型、古人类土地利用数据（KK10模型）以及地貌演化模型（Landlab模型），模拟了北洛河流域全新世中期（6000 BCE）至工业革命前期（1850 CE）河流径流量与泥沙量对气候变化以及人类活动的响应过程。该研究发现，早期人类农业活动导致流域内径流量的显著增加（图2），同时农业用地扩张带来的土壤可侵蚀度的改变进一步造成流域内沉积物输送量的增加，从而引起河道沉积物的堆积（图3）以及河道形态的变化（图4）。

通过进一步模拟北洛河流域在有无人类活动影响（Scenario KK10A, Scenario KK10B）下的河流径流量与沉积物输送量的时序变化规律（图5），揭示流域径流量的变化主要受到气候变化的影响，而人类活动是泥沙量变化的主导因素。同时，对比两种情景下的模拟结果，计算了自全新世中期以来人为土地利用变化对于径流量以及泥沙量变化的贡献度（图6）。结果表明，早期人类农业活动导致的土地利用的变化对于早期北洛河径流量的影响较小，但对于泥沙量的贡献度早在公元前5000年便超过了50%。说明在中国黄河中游地区，早在7000年前人类活动对于河流侵蚀以及河流演化过程就存在着显著的影响。

这项工作对河流地貌系统对气候变化与人类活动的响应过程进行了数值模拟，定量地揭示了各个驱动因素对于河流径流和泥沙变化的贡献。同时，该研究表明在河流地貌过程中耦合生态水文过程的模拟可以有效提高模拟的精确度，这为今后其他地区，尤其是在半干旱区水文泥沙过程的数值模拟提供了借鉴。参加这项工作的还有地理与海洋科学学院鹿化煜教授和荷兰阿姆斯特丹自由大学教授Ronald Van Balen教授。这项工作得到了国家自然科学基金和第二次青藏高原科考项目的联合资助。

文章信息：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