烏裕爾河1951-2015年徑流量變化對扎龍鹽沼演替的影響

羅金明, 王永潔, 柏 林, 劉復(fù)剛

(齊齊哈爾大學(xué) 理學(xué)院， 黑龍江 齊齊哈爾161006)

1 研究背景

濕地系統(tǒng)對于地表的穩(wěn)定和發(fā)展具有十分重要的意義。近年來全球的濕地迅速消失引起人們格外的關(guān)注。氣候干旱是導(dǎo)致全球濕地面積持續(xù)減少的重要原因[1]，降雨量的減少導(dǎo)致許多半干旱區(qū)域的河流沼澤退化成旱地[2],水量平衡的變化對下游區(qū)域土壤的鹽沼演替產(chǎn)生顯著影響[3]。20世紀(jì)50年代，埃及尼羅河上游修建阿斯旺大壩導(dǎo)致下游大面積沼澤變成次生鹽漬化土壤[4]；20世紀(jì)60年代，我國華北地區(qū)黃淮海平原次生鹽漬化發(fā)生與上游河流的截流密切相關(guān)[5]。

東北地區(qū)松嫩平原發(fā)育了我國大部分的內(nèi)陸鹽沼濕地[6]。近年來，本地區(qū)大面積沼澤濕地退化消失轉(zhuǎn)變成鹽漬化土壤。統(tǒng)計表明，松嫩平原西部的鹽漬土面積達(dá)2.57×106hm2(占整個區(qū)域的23%)，并且近年來還在以每年2%的速度增加[7]。以黑龍江省中西部地區(qū)為例，20世紀(jì)90年代這個地區(qū)的鹽漬土面積為2.43×104hm2，到2015年已經(jīng)增加到2.78×104hm2。本地區(qū)土壤鹽漬化發(fā)展與氣候的變化以及人類活動密切相關(guān)[8]。從氣候條件來看，松嫩平原中西部氣候?qū)儆跍貛О霛駶?半干旱區(qū)，年潛在蒸發(fā)量是降雨量的2～4倍，這種環(huán)境變化導(dǎo)致降雨量的變化直接影響本地區(qū)土壤的形成與發(fā)展演替方向。另一方面，近年來本地區(qū)受人類活動影響日益增強(qiáng)，大量的水利工程，使本地區(qū)難以得到流域上游來水的充分補(bǔ)給[9]。20世紀(jì)70年代，烏裕爾河流域上游修建水庫導(dǎo)致其每年進(jìn)入濕地的水流量從20世紀(jì)60年代的8×108m3迅速減少至近年來的不足3×108m3。來水量減少導(dǎo)致扎龍濕地130 km2原生蘆葦沼澤濕地退化消失[8]，鹽漬化區(qū)域的面積增加至1 420 km2[10]。已有研究對于本地區(qū)鹽沼濕地迅速退化演變成鹽漬化土壤的原因進(jìn)行了分析[7-10]，但是尚缺少從流域尺度探討流域徑流的變化對于流域下游濕地退化的影響。

本研究使用Mann-Kendall檢驗(yàn)和滑動t檢驗(yàn)等方法，探討了1951-2015年烏裕爾河流域徑流量的變化特征以及對扎龍濕地演替的影響。研究結(jié)果有助于了解本地區(qū)濕地的退化機(jī)理，可為濕地的保護(hù)提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究收集烏裕爾河流域上游(北安站，125°30′E，47°50′N)和烏裕爾河下游(扎龍濕地入口-農(nóng)安橋站，124°26′E，47°35′N)近65年的徑流量數(shù)據(jù)，分析流域徑流的變化特征。

2.2 旱澇程度界定

根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)論，扎龍濕地5月份理想蓄水量為5.6×108m3。本文把每年5月濕地的平均蓄水量與理想蓄水量S進(jìn)行比較來確定旱澇程度：

蓄水量>120%S，大澇；120%S>蓄水量>100%S，偏澇；100%S>蓄水量>75%S，正常；75%S>蓄水量>50%S，偏旱；蓄水量<50%S，大旱。

降雨量數(shù)據(jù)來自于齊齊哈爾市氣象局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，濕地蓄水量依據(jù)農(nóng)安橋入口以及來自雙陽河流入的徑流量和濱州線出口水量之差得到，數(shù)據(jù)來自齊齊哈爾市水文監(jiān)測局。

2.3 M-K突變檢測與滑動t檢驗(yàn)

本文使用Mann-Kendall(M-K)方法檢驗(yàn)研究區(qū)近65年來降雨量和徑流量是否發(fā)生顯著變化。考慮到M-K突變檢測的局限性，本文結(jié)合滑動t檢驗(yàn)是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗(yàn)突變。本文選擇步長為5年作為檢驗(yàn)。使用Matlab計算M-K突變檢測與滑動t檢驗(yàn)，以<0.05作為環(huán)境變量發(fā)生顯著性變化的臨界水平，則M-K檢測突變臨界值為±1.96，而滑動t檢驗(yàn)突變臨界值為±2.46。

2.4 水體富營養(yǎng)化指標(biāo)

本研究選用冪函數(shù)加和模型(EI)進(jìn)行扎龍濕地水質(zhì)富營養(yǎng)化特征評價[13]，探討流域徑流量的急劇減少對扎龍濕地水體富營養(yǎng)化的關(guān)系。水體富營養(yǎng)化指標(biāo)包括總氮(TN)、總磷(TP)、CODMn和BOD5，通過層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，并得到EI指數(shù)。把水體EI分值分為以下5個等級：1級為貧營養(yǎng)化；2級為中營養(yǎng)化；3級為富營養(yǎng)化；4級為重富營養(yǎng)化；5級為極富營養(yǎng)化。

3 結(jié)果與討論

3.1 降雨的變化

圖1為1951-2015年扎龍濕地降雨量、M-K檢驗(yàn)以及5年滑動t檢驗(yàn)圖。由圖1(a)可以看出，扎龍濕地的降雨量在20世紀(jì)50年代初、60年代中期、70年代中期、80中期-90中期、21世紀(jì)初以及2010年以后的時間段為降雨量的低谷期，而在20世紀(jì)50年代中期、70年代末-80年代中期、1998年前后、2005年前后以及2010年前后的降雨量都在多年平均降雨量(410 mm)以上。通過M-K檢驗(yàn)表明(圖1(b))，降雨量的整個UB和UF統(tǒng)計變量處于波動變化的特征，并沒有表現(xiàn)出明顯的增加或者減少的趨勢，并且UB和UF統(tǒng)計變量都在0.05顯著性區(qū)間內(nèi)。滑動t檢驗(yàn)結(jié)果(圖1(c))沒有發(fā)現(xiàn)顯著的突變時間節(jié)點(diǎn)。由此可見，近年來研究區(qū)的降雨量沒有顯著性的減少。

3.2 徑流量變化

圖2為烏裕爾河上游北安站1951-2015年徑流量變化、M-K檢驗(yàn)和5年滑動t檢驗(yàn)圖。從圖2(a)可以看出，烏裕爾河上游北安站的徑流量變化可以分為兩個時段：20世紀(jì)50年代-20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)70年代以后。第一個時段的平均徑流量(10.48×108m3)明顯高于第二個時段(6.51×108m3)(F=16.10，t<0.001)。結(jié)合M-K檢驗(yàn)和滑動t檢驗(yàn)的結(jié)果可知，1968-2015年上游地區(qū)的徑流量比1951-1967時段顯著減少。這種現(xiàn)象可能與20世紀(jì)50-60年代小興安嶺森林砍伐，破壞了流域發(fā)源地的產(chǎn)流過程相關(guān)。

從圖3可見，烏裕爾河中下游(農(nóng)安橋)的徑流量整體上表現(xiàn)為震蕩式減少的特征。20世紀(jì)50年代的徑流量可以達(dá)到8×108m3，到20世紀(jì)60-80年代則減少至不足6×108m3，進(jìn)入90年代后則迅速減少至5×108m3以下，近年來則下降至3×108m3以下。結(jié)合M-K檢驗(yàn)和滑動t檢驗(yàn)可知，通過農(nóng)安橋進(jìn)入扎龍濕地的徑流量自20世紀(jì)80年代初顯著減少。

圖1 1951-2015年扎龍濕地降雨量、M-K檢驗(yàn)和5年滑動t檢驗(yàn)結(jié)果變化圖

圖2 北安站1951-2015年徑流量、M-K檢驗(yàn)和5年滑動t檢驗(yàn)結(jié)果變化圖

圖3 農(nóng)安橋站1951-2015年徑流量、M-K檢驗(yàn)和滑動t檢驗(yàn)結(jié)果變化圖

比較流域上游和下游的徑流量變化特征可知，在20世紀(jì)80年代以前，濕地上游的水分能夠較充分的匯入下游，然而自20世紀(jì)80年代以后，上游的水分則不能完全流入下游。烏裕爾河流域下游發(fā)育大面積蘆葦沼澤濕地，維系其正常生態(tài)功能所需的60%以上水分主要靠上游徑流補(bǔ)充[14]。當(dāng)大部分上游徑流難以順暢的進(jìn)入下游，必然帶來下游長期缺水干旱狀態(tài)，最終導(dǎo)致濕地功能迅速退化。

3.3 流域徑流量變化對濕地蓄水量的影響

圖4為北安站和農(nóng)安站徑流量與濕地蓄水量間的關(guān)系圖。圖4(a)可以看出，流域上游的徑流量在1980年以前與扎龍濕地蓄水量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.70，P=0.001)；但是20世紀(jì)80年代以后上游的徑流量與下游濕地蓄水量幾乎不相關(guān)(圖4(b))。作為濕地入水口(農(nóng)安橋水文站)的徑流量則與濕地蓄水量呈現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)(R2=0.88，P=0.002)。由此可知，烏裕爾河流域上中游水環(huán)境的變化顯著改變了進(jìn)入下游濕地的水量，導(dǎo)致下游濕地的演替與上游徑流量的關(guān)系顯著削弱。

圖5為扎龍濕地1951-2015年蓄水量圖。從圖5可見，20世紀(jì)80年代以前，扎龍濕地蓄水量程度幾乎都屬于偏濕澇狀態(tài)，在20世紀(jì)80年代中后期開始幾乎所有年份里濕地蓄水量都低于其理想蓄水量，自21世紀(jì)以來迅速減少至3×108m3以下，即使加上人工生態(tài)補(bǔ)水量部分，濕地每年總蓄水量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濕地理想蓄水量5.6×108m3，即濕地都處于干旱缺水狀態(tài)。通過對研究區(qū)旱澇情況進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(圖5和表1)，20世紀(jì)70年代以前氣候干旱年份占33%(極端干旱事件僅2次，占9.5%)，正常年份占28.57%，濕澇年份占所統(tǒng)計的38%(極端濕澇事件僅2次，占9.52%)。1971-2015期間，濕地大部分年間處于干旱狀態(tài)(干旱狀態(tài)的年份所占比例高達(dá)70%)，濕澇年所占比例不到20%，與1951-1970年期間的旱澇分布存在顯著的差異?？梢?，20世紀(jì)70年代以后研究區(qū)長期處于干旱缺水狀態(tài)(1998例外)。

從圖6可見，濕地水面面積與蓄水量呈顯著正相關(guān)的線性關(guān)系(R2=0.72，P<0.05)。由于濕地蓄水量持續(xù)減少且處于干旱缺水狀態(tài)，必然導(dǎo)致濕地發(fā)育的沼澤面積迅速減少同時導(dǎo)致濕地水質(zhì)惡化。研究表明，自21世紀(jì)以來扎龍濕地明水面減少46%，湖泊和水庫的面積減少16%[15]，本文的結(jié)果也證實(shí)了該結(jié)論。

圖4 北安站和農(nóng)安橋站的徑流量與濕地蓄水量的關(guān)系

圖5 扎龍濕地1951-2015年的蓄水量變化 圖6 濕地蓄水量與明水面面積的關(guān)系

表1 研究區(qū)近65年不同干旱程度的統(tǒng)計結(jié)果

通過M-K檢驗(yàn)表明UB和UF統(tǒng)計變量呈持續(xù)減少的變化特征(圖7(a))，并且在1974和1981出現(xiàn)突變點(diǎn)，說明扎龍濕地自1980年代以后蓄水量出現(xiàn)顯著減少；滑動t檢驗(yàn)檢測到研究區(qū)1964、1974以及2000年左右濕地蓄水量存在突變點(diǎn)(圖7(b))。結(jié)合上述二者檢測結(jié)果可知，扎龍濕地蓄水面在20世紀(jì)80年代發(fā)生了顯著性減少。

綜上可見，在人類活動強(qiáng)烈的影響下，烏裕爾河流域(包括扎龍濕地)的生態(tài)水文過程發(fā)生了顯著的變化，扎龍濕地的來水量大大減少，從而導(dǎo)致濕地缺水越來越來嚴(yán)重，缺水年也明顯增多，濕地長期表現(xiàn)出干旱缺水和退化的狀態(tài)。學(xué)者Qiu[19]在《Nature》刊文預(yù)測21世紀(jì)接下來的20年里我國東北地區(qū)還將有大面積天然鹽沼濕地變成“旱”地。

3.4 干旱對濕地的影響

鹽沼濕地旱化的結(jié)果導(dǎo)致本地區(qū)發(fā)生大面積次生鹽漬化現(xiàn)象[16-17]。圖8為扎龍濕地1979-2017年近40年鹽漬土面積的變化情況。從圖8可知，1979年扎龍濕地鹽漬土面積為170 km2，21世紀(jì)以來增加大200 km2以上，到2017鹽漬化面積增加到245 km2，而且相當(dāng)部分鹽漬化土壤分布在濕地的核心區(qū)(圖8(b))。

干旱缺水對濕地另外一個典型影響是導(dǎo)致濕地的水質(zhì)迅速惡化[18]。表2是研究區(qū)水體富營養(yǎng)化指標(biāo)的變化趨勢。由表2可知，該地區(qū)的水體富營養(yǎng)化程度較嚴(yán)重，且逐漸趨于惡化的趨勢?？偟?TN)的含量都屬于IV水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或者V級標(biāo)準(zhǔn)。TP的含量從1993年的0.10 mg/L增加到2008年的0.34 mg/L(達(dá)到V類水質(zhì))。BOD5含量也都屬于IV/V類水質(zhì)。

圖9從空間上揭示了扎龍濕地2011年水體綜合指數(shù)特征?？梢姡瑵竦厮|(zhì)指數(shù)呈現(xiàn)從核心區(qū)向外逐漸增加的變化趨勢，而且大部分區(qū)域的水質(zhì)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，位于濕地東部的緩沖區(qū)地帶已經(jīng)處于重富營養(yǎng)化狀態(tài)。盡管，濕地核心區(qū)的水質(zhì)富營養(yǎng)化程度較輕，但是核心區(qū)邊緣地帶的水質(zhì)則較嚴(yán)重，尤其是受人類活動影響較嚴(yán)重的緩沖區(qū)以及核心區(qū)邊緣。

圖7 扎龍濕地1951-2015年蓄水量的M-K檢驗(yàn)和5年滑動t檢驗(yàn)結(jié)果圖

圖8 扎龍濕地近40年來鹽漬土面積的變化特征 圖9 濕地2011年水體富營養(yǎng)化指數(shù)的空間格局

表2 近20年來扎龍濕地水體富營養(yǎng)指標(biāo)變化 mg/L

注：角標(biāo)表示參照GB3838-2002水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的等級。

扎龍沼澤是黑龍江西部重要的原生蘆葦沼澤濕地，同時還是包括丹頂鶴在內(nèi)的多種珍稀水禽的棲息地和繁殖地。濕地的持續(xù)退化不僅影響著各種珍稀水禽種群規(guī)模，也將威脅著整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境的安全。濕地持續(xù)干旱缺水引起的退化應(yīng)該引起政府和濕地管理者的重視，增強(qiáng)濕地保護(hù)力度，減緩濕地退化步伐。

4 結(jié) 論

使用Mann-Kendall檢驗(yàn)和滑動t檢驗(yàn)方法探討了近65年(1951-2015年)烏裕爾河流域徑流量的變化對扎龍濕地演替的影響。得到如下結(jié)論：

(1)扎龍濕地迅速退化與烏裕爾河流域徑流量的變化密切相關(guān)。近年來，研究區(qū)降雨量并沒有顯著減少，但是流域下游的徑流量自20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)顯著性減少，并導(dǎo)致濕地水面面積與濕地自然蓄水量顯著減少(21世紀(jì)以來扎龍濕地明水面面積減少46%)，使?jié)竦亻L期處于干旱缺水狀態(tài)。

(2)濕地干旱缺水導(dǎo)致沼澤面積迅速減少同時導(dǎo)致水質(zhì)惡化和大面積的鹽漬化土壤形成。扎龍濕地大部分水體屬于富營養(yǎng)化水體，部分區(qū)域達(dá)到極富營養(yǎng)化程度，并且整體上呈現(xiàn)惡化的趨勢。在長期干旱的脅迫下，扎龍濕地的生態(tài)功能將受到削弱甚至影響整個松嫩平原西部的生態(tài)安全。

致 謝：本論文實(shí)驗(yàn)過程得到了齊齊哈爾大學(xué)地理本科151班的劉垚、吳琳琳、蔡紅艷、陳鑫和李葉同學(xué)的幫助，在此表示感謝。