馬蓮河流域干燥度變化特征

車向軍 韓世昌 趙振昌 邱寧剛

摘要[目的]研究馬蓮河流域干燥度變化特征。[方法]利用馬蓮河流域7個(gè)氣象站1961—2015年地面觀測(cè)資料，根據(jù)Holdridge生命地帶模型對(duì)近55年來(lái)馬蓮河流域的干燥度變化特征進(jìn)行了分析。[結(jié)果]近55年來(lái)馬蓮河流域內(nèi)可能蒸散率（PER）以0.01～0.07/10 a的趨勢(shì)上升，地區(qū)差異明顯。馬蓮河流域PER 20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了最大值，比20世紀(jì)60年代平均增大了0.36，為干旱最頻繁發(fā)生時(shí)段。馬蓮河流域降水量呈減少趨勢(shì)，減幅為1.3～13.9 mm/10 a，其中上中游降水量減少最為明顯；年生物溫度升高，增加趨勢(shì)為0.13～0.29 ℃/10 a，下游地區(qū)年生物溫度升高最為明顯。[結(jié)論]馬蓮河流域出現(xiàn)了明顯的暖干化趨勢(shì)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的不利影響將更加顯著。

關(guān)鍵詞 干燥度；變化特征；Holdridge生命地帶；馬蓮河流域

中圖分類號(hào)S161.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）11-0168-03

Abstract[Objective] The research aimed to study the variation characteristic of aridity index in Malian River Basin. [Method] Using the surface meteorological observed data in seven climate stations in Malian River Basin during 1961-2015，according to the Holdridge life zone model analyzed the variation characteristic of aridity index in Malian River Basin in recent 55 years.[Result]The possible evapotranspiration rate （PER） was increasing by the tendency of 0.01 to 0.07 /10 a in the Malian River Basin in recent 55 years，and the regional differences were significant.The maximum value of PER in Malian River basin was in 1990s，the average increased by 0.36 than in 1960s，which was the most frequent occurrence of drought.The precipitation of Malian River Basin showed a decreasing trend，it was 13.3 to 13.9 mm/10 a，the precipitation reduction of the upper and middle reaches was the most obvious. Annual biological temperature was increased，the increasing trend was 0.13 to 029 ℃/10 a，the annual biological temperature increase was the most obvious in the downstream area.[Conclusion] Malianhe River Basin has a significant warm-drying trend，the adverse effects of agricultural production，economic and social development will be more significant.

Key wordsArid index； Variation characteristic；Holdridge life zone； Malian River Basin

干旱是我國(guó)主要的氣象災(zāi)害之一，對(duì)農(nóng)牧業(yè)、糧食安全、水資源及生態(tài)環(huán)境有重要的影響[1-3]。近年來(lái)，受全球氣候變暖影響，干旱呈頻發(fā)態(tài)勢(shì)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)害嚴(yán)重、影響范圍廣。據(jù)《中國(guó)水旱災(zāi)害公報(bào)》公布的數(shù)據(jù)，1950—2007年全國(guó)農(nóng)業(yè)平均每年因旱受災(zāi)2 173.33萬(wàn)hm2，年均因旱損失糧食158億kg，占各種自然災(zāi)害造成糧食損失的60%以上[4]。干旱未來(lái)必將對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成更為不利的影響。

馬蓮河流域位于隴東黃土高原、涇河流域東北部，是黃土高原最具代表性區(qū)域，是鄂爾多斯能源基地的重要組成部分。馬蓮河是涇河最大的一級(jí)支流，流經(jīng)寧夏、甘肅、陜西三省（區(qū)），全長(zhǎng)375 km。馬蓮河是慶陽(yáng)境內(nèi)最大的一條河流，流域面積1.9萬(wàn)km2，地形復(fù)雜，支流眾多。為了有效改善生態(tài)環(huán)境、減少黃河輸沙量、破解革命老區(qū)水資源瓶頸制約，馬蓮河水利樞紐工程已被列入國(guó)家重點(diǎn)支持的172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目之一。有研究表明，由于氣候變化及人類活動(dòng)影響，馬蓮河流域是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境惡化，流域植被覆蓋出現(xiàn)退化[5-6]。受全球氣候變化影響，黃土高原暖干化趨勢(shì)顯著，水資源日益短缺，已威脅到該區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及退耕還林還草等生態(tài)建設(shè)[7-9]。因此，研究馬蓮河流域氣候干濕變化，對(duì)合理利用、調(diào)配馬蓮河水資源、沿河地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效開(kāi)展及保護(hù)馬蓮河流域生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。筆者利用馬蓮河流域7個(gè)氣象站1961—2015年地面觀測(cè)資料，根據(jù)Holdridge生命地帶模型對(duì)近55年來(lái)馬蓮河流域的干燥度變化特征進(jìn)行了分析。

1資料與方法

1.1資料選取與分析方法利用馬蓮河流域鹽池、環(huán)縣、慶城、華池、合水、寧縣、正寧等1961—2015年的氣溫、降水量、相對(duì)濕度等地面觀測(cè)氣象資料，采用趨勢(shì)分析、小波分析及Mann-Kendall突變分析[10]等方法，對(duì)近55年來(lái)馬蓮河流域干濕變化進(jìn)行分析。

1.2可能蒸散率（PER）計(jì)算Holdridge生命地帶既指示著一定的植被類型，又反映著產(chǎn)生該類型的熱量與降水的一定數(shù)值幅度[11-12]。Holdridge生命地帶模型以年生物溫度（BT）、年平均降水量（AAP）和可能蒸散率（PER）3個(gè)氣候指標(biāo)為主要參數(shù)[13]。BT、AAP和PER在Holdridge坐標(biāo)系中的組合構(gòu)成了36個(gè)正六邊形和39種生命地帶。

生物溫度是出現(xiàn)植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均溫度，一般認(rèn)為在0～30 ℃，日平均溫度（ti）低于0 ℃或高于30 ℃均排除在外，超過(guò)30 ℃的平均溫度均按30 ℃計(jì)算，低于0 ℃的均按0 ℃計(jì)算[14]。計(jì)算公式為：

BT=112121i=1ti （1）

式中，t為大于0 ℃的月平均溫度，當(dāng)t≥30 ℃時(shí)，取t=30；當(dāng)t≤0 ℃時(shí)，取t=0。

PER是一種干燥度指數(shù)，是可能蒸散量（PE）與年降水量的比率。計(jì)算公式為：

PE=58.93BT（2）

PER=58.93BT/AAP （3）

定義：PER值 0.12～0.25的地區(qū)為超濕潤(rùn)區(qū)，0.25～0.50為極濕潤(rùn)區(qū)， 0.50～1.00為濕潤(rùn)區(qū)，1.00～2.00為亞濕潤(rùn)區(qū)，2.00～4.00為半干旱區(qū)，4.00～8.00為干旱區(qū)，8.00～16.00為極干旱區(qū)，16.00～32.00為超干旱區(qū)。因此，PER 值愈大，表明研究區(qū)域愈干燥，植被愈趨于干旱化[15]。

2結(jié)果與分析

2.1馬蓮河流域PER的變化特征馬蓮河流域北部為干旱氣候，中南部為半濕潤(rùn)、半干旱氣候，PER的變化受氣候條件影響較大。馬蓮河流域PER具有明顯的地區(qū)差異，分布特征是北部大南部小、由北部向南部遞減。全流域PER多年平均為1.31，除發(fā)源地鹽池外，其他地區(qū)的年平均PER在1.50以下，下游正寧為0.95。

近55年來(lái)，馬蓮河流域PER呈上升趨勢(shì)，以中上游的環(huán)縣、華池和慶城上升明顯，而發(fā)源地鹽池的干燥度較為穩(wěn)定。為了對(duì)馬蓮河流域各地區(qū)的干燥度變化進(jìn)行有針對(duì)性的分析，選取環(huán)縣代表上游地區(qū)，慶城代表中游地區(qū)，正寧代表下游地區(qū)，分別進(jìn)行分析。由圖1可知，環(huán)縣、慶城、正寧的PER均呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，升幅從大到小依次為環(huán)縣、慶城、正寧，表明馬蓮河流域上游干燥化趨勢(shì)較為明顯，中游次之，下游變化趨勢(shì)較為緩慢。從年際變化來(lái)看，環(huán)縣、慶城的PER變化趨勢(shì)基本相同，20世紀(jì)60年代上升趨勢(shì)明顯，由濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡為亞濕潤(rùn)區(qū)；70年代—90年代中期波動(dòng)變化，環(huán)縣個(gè)別年份為半干旱區(qū)；90年代末期到目前出現(xiàn)了2個(gè)小周期的下降趨勢(shì)。環(huán)縣的波動(dòng)范圍最大，最大值出現(xiàn)在2006年，慶城的最大值出現(xiàn)在1995年。正寧20世紀(jì)60—90年代表現(xiàn)為緩慢的上升趨勢(shì)，并于1995年達(dá)到最大值，之后逐漸下降，波動(dòng)范圍較小。

因此，馬蓮河流域暖干化較為明顯，已經(jīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了很大的不利影響。上游地區(qū)林地退化、土地沙漠化發(fā)展速度較快，中下游地區(qū)受干旱影響風(fēng)險(xiǎn)增大，對(duì)糧食安全生產(chǎn)及特色農(nóng)業(yè)的發(fā)展形成了制約。

馬蓮河流域PER的年代際波動(dòng)上升變化特征明顯（表1），變干化趨勢(shì)較為顯著，其中上游地區(qū)最為突出，差值為0.52；上游地區(qū)和中游地區(qū)仍為亞濕潤(rùn)區(qū)，但存在平穩(wěn)增大趨勢(shì)；下游20世紀(jì)90年代為轉(zhuǎn)折期，由濕潤(rùn)區(qū)轉(zhuǎn)為亞濕潤(rùn)區(qū)，但最近5年為濕潤(rùn)區(qū)。總體來(lái)看，馬蓮河流域PER 20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了最大值，環(huán)縣、慶城、正寧90年代PER比60年代分別高0.52、0.35、0.20，2001—2010年P(guān)ER值仍較大。

2.2馬蓮河流域PER的周期變化從圖2可看出，正寧PER以4年的振蕩周期為主，周期性變化較為明顯，在20世紀(jì)90年代前經(jīng)歷了由濕到干的轉(zhuǎn)變過(guò)程，90年代后出現(xiàn)了一個(gè)明顯的調(diào)整，目前處于較濕時(shí)段；慶城PER以4年振蕩周期為主、9年振蕩周期為輔，進(jìn)入21世紀(jì)后調(diào)整明顯，目前短周期變化尚未形成；近55年來(lái)環(huán)縣PER無(wú)明顯的周期性變化。慶城、環(huán)縣目前均處于較干燥時(shí)段中。

2.3馬蓮河流域PER的突變分析由于地形及氣候變化因素影響，馬蓮河流域PER的變化各有特點(diǎn)，上游環(huán)縣地區(qū)及中游慶城地區(qū)自20世紀(jì)60年代中后期干燥度上升，至21世紀(jì)初數(shù)值一直較大，下游正寧地區(qū)20世紀(jì)80年代以前呈上升態(tài)勢(shì)，80年代后及21世紀(jì)初下降明顯。根據(jù)原序列與逆序列曲線的交點(diǎn)位置（圖3），確定環(huán)縣在1968年發(fā)生了突變，慶城在1969年發(fā)生了突變，正寧在1971年發(fā)生了突變，下游晚于上、中游，上、中游的變干趨勢(shì)更為明顯?？傮w來(lái)看，馬蓮河流域在向暖干化方向發(fā)展。

2.4馬蓮河流域暖干化的主要原因分析

2.4.1降水量。近55年來(lái)馬蓮河流域的降水量除合水呈略增加趨勢(shì)以外，其余大部分地方均呈減少趨勢(shì)，尤其以上游的環(huán)縣、中游的慶城減少最為突出，減少趨勢(shì)分別為10.6、13.9 mm/10 a。

2.4.2年生物溫度。近55年來(lái)馬蓮河流域的年生物溫度呈明顯的上升趨勢(shì)，上升趨勢(shì)達(dá)0.13～0.29 ℃/10 a，升溫最顯著的地區(qū)為下游的寧縣、正寧，均超過(guò)了0.24 ℃/10 a。突變分析表明，馬蓮河流域年生物溫度在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)升高突變，突變時(shí)間與全國(guó)年平均氣溫在1993年后明顯變暖相一致[16]，但升溫幅度較為顯著。

3結(jié)論

（1）在全球氣候變暖的背景下，近55年來(lái)馬蓮河流域PER的上升趨勢(shì)為0.01～0.07/10 a，中上游PER上升明顯，發(fā)源地為干旱化沙漠地區(qū)，干燥度較為穩(wěn)定。全流域各地PER的差異明顯，其分布特征是北部地區(qū)大、南部地區(qū)小，由北向南遞減。

（2）近55年來(lái)馬蓮河流域降水偏少，減少趨勢(shì)為1.3～13.9 mm/10 a，其中上中游降水量減少最為明顯；年生物溫度升高，增加趨勢(shì)為0.13～0.29 ℃/10 a，其中下游地區(qū)年生物溫度升高最為明顯。降水偏少、年生物溫度升高是馬蓮河流域暖干化的主要原因。

（3）馬蓮河流域上中游干燥化趨勢(shì)最為明顯，由濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡為亞濕潤(rùn)區(qū)，環(huán)縣個(gè)別年份為半干旱區(qū)，表明馬蓮河流域上中游黃土高原丘陵溝壑區(qū)水資源短缺，干旱呈頻發(fā)態(tài)勢(shì)，沙漠化特征逐步顯現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響日益加重，社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展受到制約。

（4）總體來(lái)看，受全球氣候變暖影響，馬蓮河流域干燥度呈增加態(tài)勢(shì)，尤其中上游干燥度增加更為顯著，干旱的發(fā)生將更為頻繁。由于生態(tài)環(huán)境的脆弱性及復(fù)雜性，未來(lái)氣候變化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不利影響將更為顯著，各級(jí)政府在經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃及資源環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、退耕還林還草、新農(nóng)村建設(shè)等重大決策中應(yīng)引起高度重視。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年參考文獻(xiàn)

[1] 劉德祥，董安祥，陸登榮.中國(guó)西北地區(qū)近43年氣候變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23（2）：195-201.

[2] 姚俊強(qiáng)，楊青，陳亞寧，等.西北干旱區(qū)氣候變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（5）：1283-1291.

[3] 張強(qiáng)，陳麗華，王潤(rùn)元，等.氣候變化與西北地區(qū)糧食和食品安全[J].干旱氣象，2012，30（4）：509-513.

[4] 齊述華.干旱監(jiān)測(cè)遙感模型和中國(guó)干旱時(shí)空分析[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院（中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所），2004.

[5] 張建香，張勃，張華，等.黃土高原的景觀格局變化與水土流失研究：以黃土高原馬蓮河流域?yàn)槔齕J].自然資源學(xué)報(bào)，2011，26（9）：1513-1525.

[6] 張希彪，王鑫，劉彬，等.隴東黃土高原土地覆被變化的驅(qū)動(dòng)力及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].土壤通報(bào)，2006，37（4）：696-700.

[7] 張智，林莉，梁培.寧夏氣候變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2008，29（4）：402-405.

[8] 趙紅巖，張旭東，王有恒，等.隴東黃土高原氣候變化及其對(duì)水資源的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（6）：262-268.

[9] 姚玉璧，李耀輝，王毅榮，等.黃土高原氣候與氣候生產(chǎn)力對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23（2）：202-208.

[10] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].2版.北京：氣象出版社，2007：63-66.

[11] 張新時(shí).研究全球變化的植被-氣候分類系統(tǒng)[J].第四季研究，1993（2）：157-169.

[12] 周廣勝，張新時(shí).中國(guó)氣候-植被關(guān)系初探[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，20（2）：113-119.

[13] 陳育峰.GIS支持的全球氣候變化對(duì)中國(guó)Holdridge生命地帶的可能影響研究[J].遙感學(xué)報(bào)，1997，1（1）：74-79.

[14] 許凱凱，王宏，李曉兵，等.基于Holdridge生命地帶模型的歐亞溫帶草原東緣生態(tài)樣帶植被格局變化研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，51（S1）：44-48.

[15] 毛飛，孫涵，楊紅龍.干濕氣候區(qū)劃研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2011，30（1）：17-26.

[16] 陳隆勛，周秀驥，李維亮，等.中國(guó)近80年來(lái)氣候變化特征及其形成機(jī)制[J].大氣科學(xué)，2004，62（5）：634-646.