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“人—自然”耦合下土壤侵蚀时空演变及其防治区划应用-以湖北省为例

作　者: 华丽
导　师: 蔡崇法
学　校: 华中农业大学
专　业: 资源环境信息工程
关键词: 土壤侵蚀驱动因素人类活动防治区划偏最小二乘回归
分类号: S157.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

土壤侵蚀是自然因素和人为因素共同作用的结果,土壤侵蚀分区是土壤侵蚀防治的基础。长期以来土壤侵蚀防治分区主要依据土壤侵蚀的自然因素,一定程度上忽视了社会经济发展等人类活动差异的重要性。在我国经济高速发展的今天,人类活动对土壤侵蚀的影响速度更快、频率更高、强度更大,人为因素的影响已不容忽略。如何从宏观层面客观准确地辨识土壤侵蚀特征及其驱动机制,分析自然与人为因素耦合作用下土壤侵蚀演化特点,以及依托自然环境及人类活动特点对土壤侵蚀影响的方向和程度,进行区划并制定防治措施具有十分重要的意义。本文基于宏观尺度,以社会经济因素为主并结合自然因素,构建区域尺度土壤侵蚀影响因素基础指标体系,基于偏最小二乘回归(PLS)方法构建模型选取影响土壤侵蚀的主导因子,定量分析区域土壤侵蚀及其影响因素的相互关系、空间分布特征和变化规律。以湖北省为例,剖析了人为因素时空变化对土壤侵蚀的影响特点,将分析结果应用于防治区划中,以期为区域水土保持治理区划提供科学依据。主要结论如下：1、湖北省土壤侵蚀空间分布特征表现为：全省不同时期均呈现山地侵蚀强度大、丘陵地区次之,平原区侵蚀强度较小的格局,与地形走势基本一致。1995年、2000年和2006年轻度及以上侵蚀面积依次减少,2006年轻度到强度侵蚀分布面积减少,但极强度和剧烈侵蚀面积共增加588km2；土壤侵蚀分布特征变化存在空间差异性,总体表现为山区土壤侵蚀状况有所好转,鄂西鄂东县(区)单元大部分侵蚀面积不同程度减少了5%-20%,强度下降,而丘陵平原区侵蚀趋于严重,部分县(区)侵蚀面积不同程度增加了5%-20%,平均模数增加1000t/(km2·a)以上。2、区域地形是影响土壤侵蚀的长期稳定因素,社会经济活动与土壤侵蚀受地形因素的制约,呈现与地形分布趋势较为一致的空间分布格局,人为因素在2006年对土壤侵蚀的影响大于2000年。利用整合后的多个社会经济指标作为人为因素,结合地形地貌、水系、降雨三个自然因素,构建土壤侵蚀多因素PLS模型,确定不同时间截面与土壤侵蚀显著相关的因素,进行空间自相关和热点分析,结果显示：显著相关的社会经济因素受地形因素的制约,地形因素、社会经济因素、侵蚀三者存在较为一致的空间分异规律。尽管地形因素仍是主要影响因素之一,但人为因素影响力逐年提升。2006年与2000年相比,地形因素重要性下降,人为影响因素的比重增大。3、短时间尺度内,受国家宏观政策调控的影响,人类活动是驱动土壤侵蚀变化的主导因素。表现为：(1)人为影响因素的指标增多,各因素变异程度具有空间分布差异性；(2)人为影响下,坡度差均方差较大的区域,短期内土壤侵蚀恶化速度小于地形平缓区域；(3)研究时段中,产业结构(第一产业比例)、经济发展水平(农村居民纯收入)、水土保持措施、水利措施及道路修建等指标是主要因素,对土壤侵蚀变化有显著影响。4、以地形和降雨因素为基础得到一级区划6个子区域。分别建立6个区域土壤侵蚀变化驱动因素模型,分区模型精度均高于全局模型,且主导因子与区域经济发展、产业结构、政策导向关系紧密。根据土壤侵蚀及社会经济因素的变化趋势与特点,划分出16个土壤侵蚀二级区,针对区域自然条件、社会经济与土壤侵蚀变化特征,提出修复与治理措施。总体表现为：抑制土壤侵蚀的因素是水土流失治理措施、植树造林、农村生活条件和能源结构的改善；加速土壤侵蚀的因素是产业(农业、工业)发展中不合理的资源开发利用、经济发展过程中道路修建和城镇建设等。分区表现为：秦巴山地区主要负面影响是第一产业发展;鄂渝山地区农产品种植、道路修建加剧土壤侵蚀；南阳大洪山地区的坡耕地加剧侵蚀,盆地区域种植业对土壤侵蚀呈现抑制作用；江汉平原地区主要为城镇化建设与工业发展引起的人为水土流失；桐柏山区,人为扰动大,种植、畜牧、养殖等产业发展加剧土壤侵蚀；大别山区人口增长和基础设施建设等因素导致土壤侵蚀强度增大；幕阜山九岭山地区治理成效好,但工农业比重大的地区如不注意水保措施的实施则会加剧侵蚀。本文研究具有以下创新点：1、首次从宏观层面,综合多项社会经济指标,分析了自然环境大背景下人类活动对土壤侵蚀的动态影响,并将分析结果应用于防治区划中。2、基于偏最小二乘回归模型(PLS)动态量化分析土壤侵蚀指标和自然环境、社会经济因素间的关系,不但克服了传统回归分析的缺陷,而且相较于专家打分选择影响因素更加客观、通用性更强。3、利用PLS的多重优势提取主要因素,结合地理加权回归方法(GWR)的空间局部分析优势将土壤侵蚀和影响因素在空间上的分异特征直观的表现出来是本研究的另一个特点。

全文目录

摘要  8-11
Abstract  11-15
1. 绪论  15-30
  1.1 选题依据与研究意义  15-17
    1.1.1 选题背景  15
    1.1.2 研究意义  15-17
  1.2 国内外研究进展  17-28
    1.2.1 土壤侵蚀影响因素  17-24
    1.2.2 土壤侵蚀影响因素尺度  24-26
    1.2.3 土壤侵蚀区划治理  26-28
  1.3 现存问题及不足  28-30
2. 研究目标与内容  30-37
  2.1 研究目标  30
  2.2 研究内容  30-31
  2.3 研究思路与技术路线  31-34
  2.4 数据收集与整理  34-37
    2.4.1 数据来源  34
    2.4.2 数据收集  34
    2.4.3 数据整理  34-37
3. 研究区概况  37-42
  3.1 研究区自然环境概况  37-40
    3.1.1 地理位置  37
    3.1.2 地质地貌  37-38
    3.1.3 气候  38-39
    3.1.4 水文  39
    3.1.5 土壤  39-40
  3.2 研究区社会经济概况  40-42
    3.2.1 人口结构  40
    3.2.2 经济发展状况  40-41
    3.2.3 基础建设状况  41
    3.2.4 产业发展状况  41-42
4. 基于PLS的土壤侵蚀驱动因素选择  42-77
  4.1 土壤侵蚀驱动因素基础指标体系  42-52
    4.1.1 建立基础指标体系的意义与原则  42-43
    4.1.2 评价基础指标体系的构建  43-52
  4.2 PLS模型简介  52-56
    4.2.1 偏最小二乘回归建模方法  52-54
    4.2.2 交叉有效性检验  54-55
    4.2.3 主成分分析  55
    4.2.4 典型相关与精度分析  55-56
  4.3 偏最小二乘回归分析的变量选择及贡献率分析  56-60
  4.4 湖北省土壤侵蚀驱动因素选择  60-75
    4.4.1 土壤侵蚀相关因子建模与分析  61-70
    4.4.2 土壤侵蚀动态变化主要驱动因素选择  70-75
  4.5 小结  75-77
5. 区域土壤侵蚀及其驱动因素时空演化  77-105
  5.1 土壤侵蚀及其驱动因素空间分异研究方法  77-81
    5.1.1 空间自相关  78-79
    5.1.2 热点分析  79-80
    5.1.3 GWR及其模型估计方法  80-81
  5.2 土壤侵蚀及其相关影响因素空间异质性静态分析  81-90
    5.2.1 土壤侵蚀静态空间分布特征  81-82
    5.2.2 土壤侵蚀相关因素空间异质性分析  82-90
  5.3 土壤侵蚀变化及其驱动机制空间异质性动态分析  90-103
    5.3.1 土壤侵蚀空间变化特征  90-97
    5.3.2 土壤侵蚀驱动因素空间异质性动态分析  97-103
  5.4 小结  103-105
6. 土壤侵蚀驱动因素在区划中的应用  105-145
  6.1 土壤侵蚀区划  105-109
    6.1.1 土壤侵蚀区划概念和内涵  105
    6.1.2 土壤侵蚀区域划分原则  105-107
    6.1.3 土壤侵蚀分区指标的筛选  107-108
    6.1.4 区划单元的确定与方法  108-109
  6.2 土壤侵蚀一级区划  109-117
    6.2.1 土壤侵蚀一级区划  110-112
    6.2.2 一级区划子区域概况  112-114
    6.2.3 一级区划下子区域土壤侵蚀分布时空差异特征  114-117
  6.3 一级区划下土壤侵蚀驱动因素分区研究  117-141
    6.3.1 一级区划分区土壤侵蚀驱动因素的建模与结果评价  117-120
    6.3.2 分区静态动态土壤侵蚀驱动分析——以秦巴山为例  120-126
    6.3.3 土壤侵蚀一级区划动态影响因素特征比较  126-136
    6.3.4 一级区划土壤侵蚀驱动因素分析结果  136-141
  6.4 土壤侵蚀二级区划  141-144
  6.5 小结  144-145
7. 湖北省土壤侵蚀分区治理与对策  145-154
  7.1 秦巴山地区(HB-Ⅰ)  146-148
  7.2 鄂渝山地区(HB-Ⅱ)  148-149
  7.3 南阳盆地大洪山地区(HB-Ⅲ)  149-150
  7.4 江汉平原及其周边丘陵区(HB-Ⅳ)  150-151
  7.5 桐柏山大别山地区(HB-Ⅴ)  151-153
  7.6 幕阜山九岭山地区(HB-Ⅵ)  153
  7.7 小结  153-154
8. 结论与展望  154-159
  8.1 主要结论  154-156
  8.2 本文创新点  156-157
  8.3 展望  157-159
参考文献  159-174
致谢  174-176
攻读博士期间发表论文及其他成果  176-177

“人—自然”耦合下土壤侵蚀时空演变及其防治区划应用-以湖北省为例

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