平?jīng)鳇S土山地帶氣候變化、人類活動與水資源問題

譚紅兵，金 犇，王若安，張玉東，柳子豪

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210098；2.甘肅省平?jīng)鍪袣庀缶?甘肅平?jīng)?744000)

平?jīng)鳇S土山地帶氣候變化、人類活動與水資源問題

譚紅兵1，金 犇1，王若安2，張玉東1，柳子豪1

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210098；2.甘肅省平?jīng)鍪袣庀缶?甘肅平?jīng)?744000)

依據(jù)1951—2014年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及野外調研資料,討論了1951年以來隴東黃土山地帶降水量、氣溫變化特征及趨勢。結果表明,伴隨全球氣候變暖,平?jīng)龅貐^(qū)最近20年以來不論全年、冬半年或夏半年平均氣溫都呈明顯上升趨勢,自1997年以來平均氣溫比之前40年上升1.2℃。相比之下,除冬半年降雪量略呈減少趨勢外,年總降水量并不存在顯著增加或減少趨勢,而更傾向于存在7a左右長周期變化或2a左右短周期波動。伴隨氣溫逐年上升而降水量并不增加,退耕還林等人工干預措施不斷加劇的總趨勢,土壤水分或淺層黃土地下水資源量不斷減少,進而影響林木生長、農業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境有效恢復。指出黃土高原溝壑丘陵地帶退耕還林工程實施過程中,根據(jù)地形地貌特征科學合理規(guī)劃耕地、休耕地、林地、草地以及樹(草)種選擇、林木密度等是今后長期需要研究的課題。

氣候變化；黃土高原；人類活動；生態(tài)環(huán)境；水資源；平?jīng)?/p>

近年來在隴東以西黃土高原高山丘陵溝壑地帶開展水文地質考察過程中發(fā)現(xiàn),近20多年國家實施退耕還林工程以來,黃土高原生態(tài)環(huán)境確實發(fā)生了翻天覆地的變化,特別是高山地帶水土保持等方面效果顯著。作為國家重大戰(zhàn)略工程的西部山區(qū)退耕還林、水土保持,所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益不容置疑[1]。然而,在全球氣候變化與人類活動不斷加劇的雙重作用下,特別是在前人大量研究表明黃土高原氣溫持續(xù)上升、降雨量總體減少的趨勢下[2-4],一些新出現(xiàn)的水資源以及生態(tài)環(huán)境問題也不應回避,值得深入研究。黃土高原山區(qū)相對干旱,降水的季節(jié)分布極為不均。水循環(huán)特征及水資源是決定生態(tài)環(huán)境改善的決定性因素,因此與水資源有關的生態(tài)環(huán)境問題更為突出。在六盤山區(qū)及平?jīng)鲆晕鞯囊巴鈱嵉卣{查發(fā)現(xiàn),黃土丘陵、溝壑區(qū)曾經(jīng)發(fā)育的許多較大河流,現(xiàn)今除雨洪季節(jié)外幾乎全部演變成干河灘,許多曾經(jīng)寬闊的河道因長期斷流已被開墾為耕地。另外山區(qū)大量水井和泉水也在20多年來水量開始減少甚至干涸。那么,黃土高原山區(qū)河流斷流、淺層黃土地下水水位下降或泉井干涸,是否主要由氣候變化原因引起,或者可能與地表覆被、區(qū)域地形地貌變化導致降水補給減少有關,這些問題值得科學論證。筆者主要以1951年以來平?jīng)龅貐^(qū)記錄的氣溫、降水氣象數(shù)據(jù)為基礎,結合近年來在黃土高原水文地質研究中的科學實踐,分析黃土高原山區(qū)氣溫、降水變化特征,預測其趨勢,進一步論證氣候變化、人類活動加劇背景下,黃土高原高山丘陵溝壑區(qū)重點應該關注的水資源問題,為山區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

1 降水與氣溫多年變化特征

1.1 降水多年變化特征

平?jīng)鍪形挥诹P山區(qū),地理區(qū)劃上屬于隴東黃土高原西部,其氣象記錄基本可以代表隴東黃土高原西部山區(qū)氣候狀況。如果按傳統(tǒng)的以降水標準劃分的濕潤、干旱或半干旱氣候類型分析,自1951年有完整氣象記錄資料以來,沒有出現(xiàn)過年降水超過800mm的顯著濕潤氣候年份,也沒有出現(xiàn)小于200mm的干旱氣候年份,大多數(shù)年份介于濕潤與半干旱氣候特征之間。

1951年以來,六盤山地區(qū)年降水量不同年份雖然呈現(xiàn)出較大的變化,但時間序列雙變量相關分析結果沒有通過顯著性檢驗,線性擬合R2值基本接近于0,多年降水分布圖也難以分辨出明顯增加或減小的趨勢,趨勢線幾乎沿1951—2014年年降水平均值(502.4mm)水平保持不變(近乎平行于年份坐標軸),更傾向于干濕交替的周期性波動特征(圖1)。從移動平均時間序列趨勢線看,大致存在不定周期的波動,憑肉眼觀察似乎可以識別出5～10年左右出現(xiàn)降水峰值年。為更準確定量地判斷1951—2014年降水是否存在一定周期性變化,這里做時間序列周期波動頻譜分析,以此來驗證一些較強降水年周期性波動的“典型化事實”,特別是對周期波動的長度特征從統(tǒng)計上進行客觀的測量。從譜密度圖(圖2)看,在頻率f=0.08～0.14之間出現(xiàn)突出的寬峰,最強拐點為f=0.14,對應時間周期T=1/f= 7.14 a,從趨勢圖(圖1)看,確實可以分辨出更接近于7 a左右周期的強降水峰值。除這一長周期外,在f=0.438處還有一突變峰,對應T=2.28 a,表明年降水總體上還存在大約2 a周期的次級波動,這從年降水量變化圖的鋸齒型峰谷交替特征也可得到驗證(圖1)。由于年降水受控于夏半年降水,因此夏半年降水量頻譜分析結果與年降水趨勢一致,不再贅述。當然僅憑有限的氣象資料,難以準確識別氣候變化更長的周期。

圖1 平?jīng)龅貐^(qū)1951—2014年逐年、夏半年(4—9月)及冬半年(10月至次年3月)總降水量變化曲線

圖2 1951—2014年逐年降水量指標譜密度

如果以1951—2014年降水平均值(502.4mm)為參照,20世紀50年代總體為干旱年份,僅1954年、1956年為顯著濕潤年。20世紀60年代降水量除1963年、1965年、1969年外,基本一直保持較高水平,總體屬于濕潤年份階段,是過去60多年以來濕潤期持續(xù)最長的時間段,特別是1964年、1966年總降水量均大于700mm。20世紀70年代的1975年降水量最大,顯著高于多年平均值水平,其他年份大多低于平均值水平,特別是70年代后期幾年的降水量持續(xù)保持較低水平；80年代的前5年降水量總體增加,特別是1981年、1983為顯著濕潤年份,后5年又基本低于多年平均值水平,總體屬于干旱階段。90年代又出現(xiàn)相對濕潤階段,有5個年份高于平均值水平,其中1990年、1996年為顯著濕潤年。21世紀初降水量增加,特別是2001年到2003年持續(xù)3年高于平均值水平,然后從2004年開始一直到2009年,降水量一直低于多年平均值,因此2008年之前的資料表明黃土高原降水似乎有微弱減小趨勢[5-7]。然而,從2010年開始至今,降水量總體又表現(xiàn)為增加趨勢,特別是2013年達到1951年以來氣象記錄的最大降水年,總降水量達776mm。由此,加上最近幾年資料,可認為年降水更趨向于周期性波動,微弱減小趨勢可以忽略。

從多年季節(jié)降水變化特征來看,由于黃土高原典型的季風氣候,年降水主要集中于夏半年,因此1951年以來夏半年降水趨勢線與年降水趨勢十分一致,時間序列周期波動頻譜分析表明,強降水長、短變化周期也分別為7 a和2 a左右,與年降水變化特征完全一致,表明年降水主要受控于夏半年降水,夏半年降水占全年降水總量的70%以上,20年以來基本大于80%以上。相比之下,冬季降水多年變化幅度比夏季小。值得注意的是,近20多年以來冬季降水普遍較少,除2004年、2008年及2012年略高于多年平均值外,其他年份都低于平均值,且相對于過去40多年有普遍減小趨勢。即使2013年經(jīng)歷1951年以來最強降水,但冬半年降水量卻仍然很小,只有28mm,不到年總降水量的4%。

1.2 氣溫多年變化特征

1951—2014年年平均、冬半年及夏半年平均氣溫情況如圖3所示(圖中水平線為1951—2014年平均值線)。不同于降水的周期波動變化,氣溫最顯著的特征是自1997年以來呈顯著上升的總體趨勢。時間序列對應的年平均氣溫呈現(xiàn)較好的相關性,雙變量Pearson相關性分析表明,在置信度為0.01(雙側)水平上顯著相關,相關系數(shù)0.664,線性擬合直線斜率大于0(擬合度R2=0.44),表明氣溫上升趨勢顯著。1997年之前,氣溫雖有不定周期的波動,但除少數(shù)幾個年份外,總體變化在1951—2014年這64年平均值水平之下。在1997年之前的近40年間,年平均最高氣溫是1953年的9.6℃,其他大多數(shù)年份小于多年平均值9.0℃。但最近20年以來氣溫全部高于多年平均值水平,大多高于10.0℃,最高年平均氣溫2013年達10.9℃,比1997年之前最高氣溫年份(1953年)還高1.3℃。1997—2014年多年平均氣溫9.9℃,比1951—1996年多年平均值(8.7℃)高1.2℃。

圖3 1951—2014年逐年、夏半年及冬半年平均氣溫變化曲線及趨勢

從多年平均值的季節(jié)變化特征來看,不論夏半年平均氣溫還是冬半年平均氣溫,都與年平均氣溫變化趨勢有較好的響應關系,特別是最近20年以來的全年平均氣溫上升趨勢也體現(xiàn)在冬半年和夏半年氣溫曲線上。自1997年至今,夏半年平均氣溫(17.7℃)、冬半年平均氣溫(2.0℃)比之前40多年夏半年(16.6℃)、冬半年平均值(0.7℃)分別高1.1℃和1.3℃。另外,最近20多年以來,冬半年從未出現(xiàn)平均氣溫低于0℃或接近于0℃左右(±0.5℃)的較冷季,但之前1951年、1955年、1967—1968年、1977年、1985年、1993—1994年大約不到10 a左右周期都會出現(xiàn)冬半年顯著低溫年(0℃或接近0℃)。

2 人類活動

平?jīng)龅靥庪]東黃土高原典型的山地丘陵溝壑區(qū),以前因人口密度較小,人類活動多以農業(yè)為主,自然環(huán)境相對保持原始特色。近數(shù)十年,特別是最近20多年以來,在人為干預下生態(tài)環(huán)境發(fā)生了翻天覆地的變化。退耕還林、梯田建設、於壩造田、新農村建設、大規(guī)模河道采砂或山坡采石(土)等一系列人類活動對山區(qū)環(huán)境施加了空前的影響。其中,退耕還林是國家為改善山區(qū)生態(tài)環(huán)境而實施的最大惠農政策,自實施該政策以來至2007年,僅平?jīng)龅貐^(qū)已累計完成退耕還林20.48萬hm2,森林覆蓋率由1979年的8.5%增加到17.98%[8]。平?jīng)龅貐^(qū)2005年總林地面積占28.69%,而2009年時已增加至37.69%(根據(jù)第二次全國土地調查資料)。并且根據(jù)當?shù)卣?guī)劃,今后很長時期退耕還林工程仍將繼續(xù)實施。由此可見,平?jīng)龅貐^(qū)退耕還林工程的實施極大地改變了山區(qū)土地覆被類型。

與退耕還林工程規(guī)模相近甚至更大的另一項人類活動,是為促進水土保持而數(shù)十年來堅持不懈的梯田工程建設。野外調查發(fā)現(xiàn),能夠開墾的陡坡地目前基本都已整平,昔日大片的陡坡地在很多流域已難覓蹤影,從山頂?shù)綔系兹《氖瞧秸奶萏铩Ｄ壳?平?jīng)龅貐^(qū)水平梯田建設面積已達24.47萬hm2,占耕地面積的60.7%[9]。這一人為工程措施,極大地改變了區(qū)域性地形地貌條件。

除水土保持措施等人類活動對生態(tài)環(huán)境施加了較大的影響外,平?jīng)龅貐^(qū)20多年以來為不斷滿足各類工程建設的需求,大規(guī)模采挖河道泥沙,或者開山采石、大規(guī)模挖土燒磚等,這些也對區(qū)域或局部生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響,而且這種發(fā)展趨勢短期內難以改變。隨著城市化和新農村建設的發(fā)展,山區(qū)曾經(jīng)散居的居民近年來開始集中向城鎮(zhèn)特別是新農村集中聚居,這勢必對原本脆弱的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響,一些區(qū)域原本有可滿足村鎮(zhèn)基本需求的地下水資源,自大量人口集中遷居之后,地下水開采量超過地下水資源承載力,導致僅僅數(shù)年時間已無淺層地下水可采。

總而言之,隴東黃土高原西部丘陵溝壑區(qū)各類大規(guī)模人類活動正在對山區(qū)原本自然狀態(tài)的生態(tài)環(huán)境施加前所未有的影響,其有利的一面顯而易見,但不利的一面是今后值得長期監(jiān)測研究和客觀評估的重大課題。

3 區(qū)域氣候變化趨勢預測與水資源問題

3.1 區(qū)域氣候變化趨勢預測

全球氣候變化研究表明,20世紀末全球平均氣溫上升了0.74°C,全球變暖趨勢20世紀的后半個世紀明顯高于前半個世紀[10-11]。近期對我國中部黃土高原地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)[12],黃土高原地區(qū)陸地氣溫在過去2萬a內升高了5.5～7.7°C,比科學界此前一些氣候模型的分析結果高2～4倍。從平?jīng)龅貐^(qū)氣象記錄資料來看,雖然難以獲取更長尺度的氣溫變化趨勢,但最近20年以來氣溫顯著上升與全球變暖趨勢基本一致,短短不到20年時間年均氣溫已比過去40多年的氣溫增溫超過1℃。這也與黃土高原前人氣象資料分析結果基本一致。這種氣候變暖趨勢不容置疑,且一年四季氣溫都比過去多年相應季節(jié)有所升高,冬半年增溫幅度更大。這也體現(xiàn)在1980年之前平?jīng)龅貐^(qū)冬季往往白雪皚皚,高山處積雪數(shù)月不化,但最近20年以來冬季已鮮見大雪,更難見山區(qū)大面積出現(xiàn)數(shù)月積雪的景象。

與降水量相比,最近20年氣溫的顯著上升并沒有使年平均降水出現(xiàn)增加的趨勢,但近20年冬半年降水減少與氣溫上升有良好的響應關系。由于黃土高原冬季降水以內陸水汽為主[13],冬季升溫可能不利于山區(qū)局地水汽云團的形成。自2010年以來,平?jīng)龅貐^(qū)降水量似乎一直在增加,特別是2013年降水量比過去64年都多,2014年雖然總降水量并不多,但9月份幾次異常強降水,如2014年9月總降水量達205mm,當?shù)厝似毡檎`認為降水量開始增加。但是前人的大量研究資料表明,黃土高原年均降雨量呈現(xiàn)出微弱的逐年減少趨勢[5-7]。也有研究表明,黃土高原年降水量雖然呈現(xiàn)微弱的減少趨勢,但是波動幅度和變異系數(shù)都在增加[14]。從平?jīng)龅貐^(qū)近64年降水曲線分析,特別是在前人基礎上加上最近10年數(shù)據(jù),持續(xù)增加或者減少的趨勢并不顯著,而更傾向于正常的7 a左右長周期和2 a左右短周期降水波動,因為2000—2003年經(jīng)歷較強降水后,確實有過一段持續(xù)較長周期的低年降水量階段(2004—2009年),但2010年又開始上升,2013年經(jīng)歷最強降水。到2015年9月初,全年尚差4個月的氣象數(shù)據(jù),但從夏季野外調查來看,2015年入夏以來旱情嚴重,平?jīng)鲮o寧等地旱情一直持續(xù)至9月。由此可以預測,盡管氣溫顯著上升,并伴隨厄爾尼諾事件的發(fā)生,有可能出現(xiàn)極端降水或干旱事件,冬季降雪隨冬半年顯著升溫也勢必減少,但年降水量即使不出現(xiàn)如前人預測的持續(xù)減少趨勢,也可以肯定地說不會有增加趨勢,至少從截至2014年的資料尚難判定這一趨勢,而是大體上保持7 a長周期、2 a短周期的波動,與過去總的降水時間序列變化趨勢一致。當然,如果平?jīng)龅貐^(qū)氣溫繼續(xù)保持這種上升趨勢,全球氣候變暖進一步加劇,特別是在外圍蒙古-中國東北變暖,青藏高原東南繼續(xù)變冷,東亞夏季風持續(xù)減弱的條件下,對隴東黃土高原西部地區(qū)降水影響效應可能會慢慢加強,特別是夏季降水有可能顯著減少,旱情加重。

3.2 潛在的水資源問題

由以上1951—2014年氣象數(shù)據(jù)及全球變化資料分析可知,平?jīng)鳇S土高原高山丘陵地帶近20年以來氣溫顯著上升的趨勢不容置疑,年降水量雖然沒有明顯減少趨勢,但更沒有呈增加趨勢,基本與過去60多年保持相似變化周期。相反,近數(shù)十年,特別是山區(qū)大規(guī)模實施退耕還林、城市化和新農村建設以來,人類活動對山區(qū)生態(tài)環(huán)境施加了前所未有的影響,而且影響趨勢不可避免仍在加劇,如土地覆被變化,山區(qū)河流大多斷流,大規(guī)模河道淘沙、山坡大規(guī)模開挖巖(土)以滿足不斷增加的建材需求,一些區(qū)域地下水水位下降,土壤水減少或出現(xiàn)明顯干層等不容忽視的生態(tài)環(huán)境問題?；诙嗄暝邳S土高原實地工作的野外觀察調研及各類數(shù)據(jù)資料分析,筆者認為,在目前這種氣候變化和人類活動加劇的趨勢背景下,對黃土高原高山地區(qū)重點應關注以下與水有關的科學問題。

3.2.1 區(qū)域水循環(huán)的改變

平?jīng)鳇S土高原高山地區(qū)大面積退耕還林、梯田建設、溝壑填平等各類水土保持措施有效地減少了土壤侵蝕,增加了土壤蓄水,減緩了森林-草地等植被需水要求。但北方降水畢竟不同于南方,因區(qū)域有限的降水和強烈的蒸發(fā)蒸騰條件,特別是未來降水并不增加但氣溫顯著上升趨勢下,人為干預下的土地覆被大面積變化也極大地影響降水在蒸發(fā)蒸騰、徑流以及土壤水-地下水補給的分配方式,因此大范圍的水土保持措施無疑會對區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生不同程度的影響,最終反作用于生態(tài)環(huán)境,如土壤干層導致林木最終大面積枯死或生長不良,農作物減產(chǎn)等。當然,區(qū)域生態(tài)環(huán)境改變,林木草地增多,也有可能改變區(qū)域水循環(huán)促進降水。對于大面積草木生長的平原地區(qū)是有這種可能的,林木蒸散發(fā)水汽增多后,相應地也可能仍然會以降水形式部分回到地面；但對于黃土高原溝壑丘陵地區(qū),即使林木蒸散發(fā)產(chǎn)生更多水汽,也因干燥的內陸環(huán)境以及風力等作用,很難在相對較小的區(qū)域內出現(xiàn)降雨增強效應,何況這需要林木大面積成片成帶分布才有可能改變區(qū)域水分循環(huán),高山、深溝的地形條件及沙漠、裸露山地交錯的地貌條件都難以形成大面積林木集中分布。

在自然界中,土壤水分狀況是降水與植被共同作用的結果,在無人為干預的條件下,當降水量為一定值時,植被會有與之相應的種類構成、密度及生長量等,并按固有的自然規(guī)律演替與發(fā)展,降水與植被處于一種平衡狀態(tài),土壤水分也會處于一種相對穩(wěn)定狀態(tài)[12]。但近20年以來山區(qū)大面積退耕還林,人為地引進非當?shù)刈匀蝗郝涞膬?yōu)勢種,勢必打破原有的降水和植被平衡,加之氣溫逐年上升,植被蒸騰或土壤蒸發(fā)過度耗水,最終導致土壤水補給量及補給深度減少,出現(xiàn)“土壤干層”,并間接地影響地下水補給。筆者前期在六盤山以西大面積退耕還林區(qū)進行調查,發(fā)現(xiàn)當?shù)卮竺娣e種植高大灌木杏樹、柳樹或蘋果樹等10多年后,在2～3m甚至更深的部位出現(xiàn)明顯低土壤含水率層位,即使經(jīng)歷2013年濕潤年的強降水補給也難以消除明顯土壤干層,導致樹木生長狀況變差,附近農田也受到影響[16]。黃土高原因土地覆被變化導致土壤干層出現(xiàn),前人近年來也有大量報道[1,15,17-19]。

由此可見,退耕還林等生態(tài)環(huán)境建設有其不利的一面,值得正視和研究。近年來,Jiang等[20]依據(jù)黃土中2萬a以來保存的孢粉記錄,辯證地提出黃土高原更適合種草,這樣才更有利于生態(tài)環(huán)境恢復。當然,這是一個爭論很久的科學問題,但根據(jù)野外工作經(jīng)驗,類似的地形條件,荒草叢生的區(qū)域深層土壤含水率顯著高于林地。因此,黃土高原高山地區(qū)如何更科學地促進生態(tài)環(huán)境建設和水循環(huán)良性發(fā)展,特別是人為干預土地覆被變化時如何科學合理規(guī)劃耕地、休耕地、林地、草地以及退耕還林還草過程中樹(草)種選擇、林木密度等都是今后長期需要研究的課題,否則,伴隨氣溫逐年上升而降水并不增加的趨勢,從長遠角度而言,退耕還林工程的社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益將面臨嚴峻考驗。實地考察表明,完全可以采取一些更為積極的措施配合退耕還林工程,如一些生長緩慢,需水量不大,周期較長的樹種極適合于在干旱-半干旱山區(qū)栽種,但目前一些地方急于求成引進成長快速、耗水量大的樹種顯然是不科學的。從當?shù)靥O果樹種植情況來看,山區(qū)無灌溉條件下大面積高密度種植蘋果樹,將會大范圍內消耗大量的土壤水分,過不了幾年蘋果樹就會出現(xiàn)枯萎、死亡或生長不良現(xiàn)象；而密度種植小,面積不大的片區(qū),蘋果樹生長良好,產(chǎn)量也高。另外,一些隔年耕種的休耕地土壤含水率明顯高于林地,也高于連年耕作地。從生態(tài)環(huán)境保護的角度而言,還林區(qū)與休耕地、草地、耕作地等間隔分布,要比全部種植林木效果好得多。

3.2.2 山區(qū)水資源供給問題

平?jīng)鳇S土高原高山地區(qū)大面積退耕還林、梯田建設、溝壑填平、淤壩造田等過程對區(qū)域水循環(huán)造成如上分析的趨勢背景下,最終會對區(qū)域水資源供給產(chǎn)生嚴重影響。伴隨近20年氣溫顯著上升而降水沒有顯著增加,甚至未來有可能減少的趨勢下,山區(qū)水資源量變化趨勢更值得關注。筆者調查過的六盤山以西的黃土丘陵溝壑地帶20年前幾乎所有縣城或鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有較大的常年性河流,這些河流是山區(qū)居民生活或農業(yè)灌溉的主要水資源,但近20年來,絕大多數(shù)曾經(jīng)流量可觀的河流或溝谷溪流現(xiàn)在幾乎常年難見有流水,特別是如通渭縣隴川河、靜寧縣田堡河、張家小河20世紀70—80年代初都有常年性流水,現(xiàn)在除雨洪季節(jié)外幾乎成干河灘,甚至大多被開墾為耕地。即使如流經(jīng)平?jīng)龅臎芎舆@樣的滔滔大河,其徑流量也存在顯著的遞減趨勢,并且近20年以來徑流量急劇減少(據(jù)張家山水文站實測徑流資料分析)。另外,山區(qū)曾經(jīng)有大量水井和泉水,是居民賴以生存的良好水源,許多山溝近10多年來水量開始減少,地下水水位下降甚至泉井干涸。

山區(qū)可供利用的淺層地下水資源減少有許多復雜的影響因素,但在黃土高原,土地利用/植被覆蓋、地形因素、氣候等,是河流、地下水補給的最重要影響因素。年降水量在1951—2014年雖未增加,但也并未顯著減少,氣溫雖然上升趨勢明顯,但一般不會直接對已補給到地下的水量產(chǎn)生明顯影響,主要通過地表覆被變化導致蒸發(fā)或蒸騰作用加強而間接產(chǎn)生影響。山區(qū)河流、地下水資源量減少趨勢在近20年以來顯著加劇,與近20年以來人為干預下土地覆被巨大變化相對應。因此,人為干預下的土地覆被變化、水土保持措施可能是山區(qū)河流斷流、地下水水位下降或泉井干涸的主要原因。前人研究提出土地耕作類型從小麥種植轉化為蘋果樹后,深部土壤水補給顯著減少,可能導致對地下水補給減少[18],也有認為休耕地是維持土壤水文地質可持續(xù)的最有效覆被方式[21]。對于黃土高原淺層地下水的補給,大多認為黃土高原淺層地下水補給主要依賴地表各種斷裂帶、滑脫面、黃土古土壤(紅黏土)接觸面[22]以及內部存在的各類優(yōu)勢通道入滲補給[19,23-24]。近數(shù)十年來大規(guī)模的梯田建設、溝壑整平等措施極大地改變了山區(qū)降水垂直快速入滲的自然補給通道,大面積退耕還林加上氣溫上升使植被蒸騰作用加強,耗去了大量土壤水分,但年總降水量并沒有相應增加,且降水主要集中在夏季蒸發(fā)蒸騰最強階段,從而間接地減少了對地下水的絕對補給量,或影響了地下水補給速率。相應地,山區(qū)許多溝谷河流大多源于沿程泉水排泄補給維系終年有水,一旦地下水減少或排泄泉干涸,河流流量自然減少,甚至河流斷流。有研究發(fā)現(xiàn)土地耕作利用不利于地下水補給,相反,減少土地耕作種植則會明顯增加地下水補給速率[21]。當然,黃土高原一些大河如涇河等斷流或流量減少,除以上因素外,也與上游水庫建設或調水工程分流有關。

近年來,國家大規(guī)模實施惠農政策,平?jīng)龅貐^(qū)即使比較偏僻的鄉(xiāng)村,也已通自來水工程或正在實施飲水工程,但水源大多仍以地下水為主,即使山區(qū)減少或暫停黃土層泉水或井水利用,地下水作為基本水源,其水循環(huán)機制及水資源量變化趨勢仍需要長期進行研究監(jiān)測。首先要查明補給機制,才有可能更好地加強水資源保護和增加補給率。然而,時至今日,降水如何通過厚層黃土非飽和帶補給高山地區(qū)地下水仍然存在很大爭議。從氣溫上升而降水量并未增加、人類活動不斷加劇的趨勢,可以預見黃土高原山區(qū)地表水、地下水資源量將會發(fā)生更大的改變,更需要加強預測研究。

4 結 論

a.平?jīng)鳇S土高原丘陵溝壑區(qū)近20年以來年平均或夏半年、冬半年平均氣溫都存在顯著的上升趨勢,與全球氣溫變化趨勢同步,但全年總降水量并未出現(xiàn)增加趨勢,而更傾向于存在7 a左右長周期變化或2 a左右短周期波動。

b.與氣候變化對應,近20年以來人類活動對區(qū)域生態(tài)環(huán)境、局部地形地貌影響趨勢不斷加劇,人為干預下的土地覆被變化特征明顯。

c.氣溫逐年上升而降水量并不增加,退耕還林等人工干預措施不斷加劇的總趨勢,勢必對區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生重大影響,從而導致山區(qū)地表水、地下水資源減少,水資源緊張狀況可能長期存在。這些因素對山區(qū)供水及生態(tài)環(huán)境改善的不利影響值得關注和評估。

[1]ZHANG Fu,XING Zisheng,HERBW R,etal.Assessment of effectsof two runoff control engineering practices on soil water and plant growth for afforestation in a semi-arid area after 10 years[J].Ecological Engineering,2014,64:430-442.

[2]CHEN Feng,YUAN Yujiang,ZHANG Ruibo,etal.A treering based drought reconstruction(AD 1760-2010)for the Loess Plateau and its possible driving mechanisms [J].Global and Planetary Change,2014,122:82-88.

[3]SUN Changfeng,MA Yongyong.Effects of non-linear temperature and precipitation trends on Loess Plateau droughts[J].Quaternary International,2015,372:175-179.

[4]周曉紅,趙景波.黃土高原氣候變化與植被恢復[J].干旱區(qū)研究,2005,22(1):116-119.(ZHOU Xiaohong, ZHAO Jingbo.Climatic change and vegetation restoration on the Loess Plateau[J].Arid Zone Research,2005,22 (1):116-119.(in Chinese))

[3]姚玉璧,李耀輝,王毅榮,等.黃土高原氣候與氣候生產(chǎn)力對全球氣候變化的響應[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究, 2005,23(2):202-208.(YAO Yubi,LI Youhui,WANG Yirong,et al.Effects of the climate and climatic productivity in the Loess Plateau ofChinaon global change [J].Agriculture Research in the Arid Areas,2005,23 (2):202-20.(in Chinese))

[6]王若安.近50年平?jīng)鳇S土高原溝壑區(qū)氣溫和降水變化趨勢分析[J].安徽農業(yè)科學,2009,37(35):17564-17566.(WANG Ruoan.Analysis of the past 50 years’change trend of temperature and precipitation in Pingliang Gully region of Loess Plateau[J].Journal of Anhui Agriculture Science,2009,37(35):17564-17566.(in Chinese))

[7]李海防,衛(wèi)偉,陳利頂,等.黃土高原林草地覆蓋土壤水量平衡研究進展[J].水土保持研究,2013,20(1): 287-293.(LI Haifang,WEI Wei,CHEN Liding,et al. Progress in the study of soilwater balance under forestand grassland covers on the Loess Plateau[J].Research of Soil and Water Conservation,2013,20(1):287-293.(in Chinese))

[8]竇駿濤.西部貧困地區(qū)退耕還林工程后續(xù)發(fā)展芻議[J].甘肅農業(yè),2007(8):66-68.(DOU Juntao.Future development of Program to Return Farm land to Forests in Western China[J].Gansu Agrculture,2007(8):66-68. (in Chinese))

[9]鄭學軍.平?jīng)鍪刑萏锝ㄔO情況調查與思考[J].農業(yè)科技與信息,2015(4):27-28.(ZHENG Xuejun. Observation on construction of terraces in Pingliang area [J].Information of Agricultural Science and Technology, 2015(4):27-28.(in Chinese))

[10]ZHAI P M,PAN X H.Trends in temperature extremes during 1951-1999 in China[J].Geophys Res Lett,2003, 30(17):1913-1916.

[11]YOU Q,KANG S,AGUILAR E,et al.Changes in daily climate extremes in the eastern and central Tibetan Plateau during 1961-2005[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres,2008,113(7):1639-1647.

[12]ROBERTA E,CAMILLE R,JONATHAN LM,et al.High regional climate sensitivity over continental China constrained by glacial-recent changes in temperature and the hydrological cycle[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2013,110(22):8813-8818.

[13]HUANG JZ,TAN H B,WANG R A,et al.Hydrogen and oxygen isotopic analysis of perennial meteoric water in northwestern China[J].Journalof China Hydrology,2015, 35(1):33-40.

[14]袁素芬,唐海萍.全球氣候變化下黃土高原涇河流域近40年的氣候變化特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2008,22(9):43-48.(YUAN Sufen,TANG Haiping. Variations of the climatic characteristics in the past 40 years of Jinghe River Basin,Loess Plateau of China[J]. Journal of Arid Land Resources And Environment,2008, 22(9):4-48.(in Chinese))

[15]侯慶春,韓寶蓮,韓仕峰.黃土高原人工林草地“土壤干層”問題初探[J].中國水土保持,1995(5):11-14. (HOU Qingchun,HAN Baolian,HAN Shifeng.Primary discussion on the dry layer in human woodlands in the Loess Plateau[J].Research of Soil and Water Conservation,1995(5):11-14.(in Chinese))

[16]溫夏偉,譚紅兵,黃錦忠,等.黃土山地典型覆被類型對土壤水分運動的影響[J].科學技術與工程,2015,15 (9):11-14.(WEN Xiawei,TAN Hongbing,HUANG Jinzhong,et al.Effects of typical land-cover types on soil water movement in the loess hilly areas[J].Science Technology and Engineering,2015,15(9):11-14.(in Chinese))

[17]馬非,張亞紅,謝應忠.半干旱黃土高原丘陵區(qū)不同植被,條件下土壤水分研究進展[J].農業(yè)科學研究, 2007,28(1):76-79.(MA Fei,ZHANG Yahong,XIE Yingzhong.Progress of the soil moisture under different vegetation condition in semi-arid hill area of Loess Plateau [J].Journal of Agricultural Sciences,2007,8(1):76-79. (in Chinese))

[18]HUANG Tianming,PANG Zhonghe.Estimating groundwater recharge following land-use change using chloride mass balance of soil profiles:a case study at Guyuan and Xifeng in the Loess Plateau of China[J]. Hydrogeology Journal,2011,19:177-186.

[19]GATES J B,SCANLON B R,MU X M,et al.Impacts of soil conservation on groundwater recharge in the semi-arid Loess Plateau,China[J].Hydrogeology Journal,2011,19: 865-875.

[20]JIANG Wenying,CHENG Yufen,YANG Xiaoxiao,et al. Chinese Loess Plateau vegetation since the last glacial maximum and its implications for vegetation restoration [J].Journal of Applied Ecology,2013,50(2):440-448.

[21]JIA Yuhua,SHAOMingan.Dynamics of deep soilmoisture in response to vegetational restoration on the Loess Plateau of China[J].Journal of Hydrology,2014,519:523-531.

[22]TAN Hongbing,WEN Xiawei,RAOWenbo,et al.Seasonal variation of stable isotopes in a precipitation-groundwater system:implications for determining the mechanism of groundwater recharge in high mountain-hills of the Loess Plateau,China[J].Hydrological Processes,2015, accepted.

[23]閻大白,王德潛.洛川塬黃土潛水的補給機制及黃土含水特征[J].地質論評,1983,29(5):418-428.(YAN Taibai,WANG Deqian.Recharge mechanism and characteristics of loess aquifers in Luochuan Loess Plateau [J].Geological Review,1983,29(5):418-428.(in Chinese))

[24]YASUDA H,BERNDTSSON R,HINOKIDANIO,et al. The impact of plant water uptake and recharge on groundwater level at a site in the Loess Plateau of China [J].Hydrogeology Research,2013,44:106-116.

Based on data from meteorological records during 1951 to 2014 and field observations,this paper statistically analyzed the variation of precipitation and temperature over past 60 years and prospected their discernible overall trends.With the global warming,the average temperature in annual,summer and winter half year has been going up in the recent 20 years.The average temperature has been risen of 1.2℃since 1997, compared to 40 years ago.In contrast,besides the amount of precipitation in winter half year has the trend of decrease,the amount of annual total precipitation is inclined to show about 7-year of long periodic and 2-year of short periodic oscillations rather than a linear trend.Under the temperature rising while precipitation stable,and intensive of human activities,in particular,the development of large-scale of returning farmland to forests program, the soilmoisture and groundwater will possibly continue decreasing.Finally,human living and ecological recovery will be affected by scarce of water resources in the hilly areas of the Loess Plateau.Thus,it is a long and key project to scientifically plan the farmland,fallow farmland,forest,grassland and trees(grass)species selection, forest density,etc.according to topography and geomorphology during the returning farm land to forests program in gully and hilly region in loess plateau.

climate change；Loess Plateau；human activities；eco-environment；water resources；Pingliang

P339

A

1004 6933(2015)06 0045 07

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.007

2015 09 23 編輯:彭桃英)

國家自然科學基金(41271041)

譚紅兵(1972—),男,研究員,主要從事地質礦產(chǎn)資源與水文水資源研究。E-mail:tan815@sina.com

C limate change,hum an activity and water resources issues in loess hilly areas in Pingliang

TAN Hongbing1,JIN Ben1,WANG Ruoan2,ZHANG Yudong1,LIU Zihao1

(1.School ofEarth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China；2.Pingliang Meteorology Bureau ofGansu Province,Pingliang 744000,China)