變化環(huán)境下疏勒河中上游水文要素演變規(guī)律及生態(tài)響應(yīng)

王 歡，劉九夫，3，馬樂軍，謝自銀

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029;2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029;3.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，江蘇南京210029；4.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098)

0 引 言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因子，覆被變化對生態(tài)環(huán)境變化具有指示作用。干旱半干旱區(qū)作為全球生態(tài)環(huán)境脆弱地帶，其植被覆蓋變化對全球變化的響應(yīng)具有強(qiáng)烈的敏感性，成為全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展研究的重點(diǎn)區(qū)域之一[1]。正確理解變化環(huán)境下西北干旱區(qū)水資源量的形成、轉(zhuǎn)化和水循環(huán)過程對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，分析揭示水文情勢和水文變量的長期演變和變化情況，對干旱區(qū)水資源評價(jià)以及生態(tài)保護(hù)等具有重要意義。

趙芳芳等[2]采用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了植被變化是多數(shù)流域徑流變化的主要因素，從微觀角度分析了植被與徑流變化之間的關(guān)系。焦陽等[3]采用分布式水文模型研究了植被生長對水文過程的調(diào)節(jié)作用。雖然，國內(nèi)一些學(xué)者[4-10]對疏勒河流域生態(tài)景觀、覆被變化以及生態(tài)需水等做了大量研究，但上述研究成果多反映區(qū)域生態(tài)現(xiàn)狀，并未揭示區(qū)域內(nèi)水文要素與生態(tài)的耦合關(guān)系。鑒于此，本研究通過對生態(tài)敏感區(qū)疏勒河流域的降水、氣溫、徑流情勢演變和植被覆蓋變化的分析，建立水文要素與植被覆蓋之間的耦合關(guān)系，為變化環(huán)境下區(qū)域水資源規(guī)劃和生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與資料

1.1 研究區(qū)概況

疏勒河是河西走廊-阿拉善內(nèi)流區(qū)消亡于沙漠的河流，是河西走廊三大水系之一，也是河西走廊重要的水資源補(bǔ)給河流。流域主要位于甘肅省酒泉市大部分和海西蒙古族藏族自治州東北部，流域面積8.3×104km2。疏勒河河長861 km，發(fā)源于青海省天峻縣蘇里鄉(xiāng)祁連山中的崗格爾肖合力峰，河源區(qū)高程4 900 m，干流流經(jīng)青海天峻縣，甘肅肅北縣、玉門市、瓜州縣、敦煌市，在甘肅省敦煌市肅州鎮(zhèn)消亡于沙漠，河口高程900 m，干流縱剖面落差4 000 m，平均比降0.267%。本文重點(diǎn)研究疏勒河中上游水文情勢及覆被演變特征，中游和上游控制站分別為潘家莊和昌馬堡水文站，站點(diǎn)以上集水面積分別為1.8×104、1.1×104km2，流域內(nèi)地勢由東南向西北降低。研究區(qū)北部屬中溫帶阿拉善與河西走廊干旱區(qū)、中部屬柴達(dá)木盆地與昆侖山北翼高原溫帶干旱區(qū)、南部屬祁連青東高山盆地高原溫帶半干旱區(qū)，多年平均氣溫2～6 ℃。流域內(nèi)多年平均年降水量50～400 mm，東南部山區(qū)達(dá)300 mm以上；流域內(nèi)多年平均年徑流深3～150 mm，東南部山區(qū)達(dá)100 mm以上，研究區(qū)徑流的主要補(bǔ)給源有降水、冰雪融水和山區(qū)地下水。區(qū)內(nèi)有大2型水庫昌馬水庫，總庫容1.9×108m3；主要灌溉昌馬灌區(qū)。

1.2 資料來源與研究方法

本研究選取玉門鎮(zhèn)和托勒氣象站1959年～2016年的觀測數(shù)據(jù)，資料引自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)庫；收集整理了疏勒河上游及中游控制站潘家口、昌馬堡水文站1959年～2015年的水文觀測數(shù)據(jù)，分析疏勒河中上游水文要素的趨勢變化和演變規(guī)律；采用了MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品MOD13A3 2000年～2016年8月份數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)植被覆蓋指數(shù)。本文采用M-K檢驗(yàn)[11]、線性趨勢分析[12]、距平累計(jì)[13]、相關(guān)分析、空間分析法等方法對研究區(qū)年徑流、降水、氣溫和植被覆蓋指數(shù)的演變規(guī)律及相互關(guān)系進(jìn)行定量分析，旨在揭示干旱半干旱區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)、氣候演變以及植被變化的規(guī)律，為生態(tài)水文模型互饋機(jī)制的建立奠定基礎(chǔ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水文情勢變化特征

在全球氣候變化驅(qū)動(dòng)下，疏勒河中上游年平均氣溫呈上升趨勢。近60年里氣溫上升速率達(dá)0.3 ℃/(10 a)，明顯高于全球0.12 ℃/(10 a)的平均水平[14]，是氣候變化的敏感區(qū)。研究區(qū)年氣溫最低值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代中期為0.9 ℃，此后直至1986年，年平均氣溫增加幅度緩慢；1987年～1997年氣溫呈突變型上升至2.5 ℃，1998年后年均氣溫在3 ℃附近高位震蕩，但升高趨勢有所減弱。疏勒河上游山區(qū)氣溫上升速率明顯高于疏勒河中游平原地帶，從上游到中游氣溫上升率由0.36 ℃/(10 a)減少到0.2 ℃/(10 a)。

圖1表明，研究區(qū)年降水量總體呈上升趨勢，年降水量增加率為10 mm/(10 a)。1957年至1982年降水量呈緩慢增長態(tài)勢；而1983年至1997年降水量持續(xù)減少，出現(xiàn)近60年來年降水量最低值114.55 mm；1997年以后降水呈現(xiàn)突變型增長。上游山區(qū)降水量漲幅明顯高于中游平原區(qū)，同時(shí)上游山區(qū)降水量變率也高于中游平原區(qū)。上游山區(qū)對氣候變化響應(yīng)更為敏感。

圖1 1959年～2016年疏勒河中上游降水變化及MK突變檢測

在干旱與半干旱地區(qū)，水熱條件對生態(tài)系統(tǒng)格局十分重要，研究水熱效應(yīng)是否同期對地區(qū)生態(tài)環(huán)境意義顯著。玉門鎮(zhèn)站降水與氣溫相關(guān)關(guān)系為0.116，未通過置信水平0.05相關(guān)性檢驗(yàn)，兩者之間關(guān)系弱；托勒降水與氣溫相關(guān)關(guān)系為0.439，通過置信水平0.01相關(guān)性檢驗(yàn)，兩者之間存在相關(guān)關(guān)系。熱力學(xué)條件對降水有著密切關(guān)系[15]，因此進(jìn)一步深入探討降水與氣溫之間的關(guān)系對干旱半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境研究具有顯著意義。

圖2 1959年～2015年疏勒河徑流年際變化、距平累積和MK突變檢測

疏勒河中上游徑流總體呈波動(dòng)上升趨勢，從徑流的年際波動(dòng)來看，1973年到1998年為枯水年，1998年以后為豐水年。疏勒河上游徑流上升趨勢比中游更為顯著，中游由于昌馬灌渠引水灌溉消耗了河道內(nèi)大量徑流資源。根據(jù)M-K趨勢和突變點(diǎn)檢驗(yàn)得出，中上游徑流在2006年到2010年發(fā)生突變，而上游徑流在1997年發(fā)生突變(見圖2)。

疏勒河中上游降水與徑流相關(guān)關(guān)系為0.486，通過置信水平0.01相關(guān)性檢驗(yàn)，兩者之間存在相關(guān)關(guān)系；疏勒河上游降水與徑流相關(guān)關(guān)系為0.674，通過置信水平0.01相關(guān)性檢驗(yàn)，兩者之間顯著相關(guān)。相較于上游，中游人類活動(dòng)對徑流變化貢獻(xiàn)更大。

2.2 植被覆蓋變化特征

利用植被覆蓋指數(shù)(NDVI)每年8月均值數(shù)據(jù)，討論2000年～2016年植被長勢旺盛時(shí)節(jié)疏勒河植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)直方及空間分布情況見圖3和圖4。流域內(nèi)總體植被覆蓋較差，其中荒漠區(qū)占主導(dǎo)，生態(tài)穩(wěn)定性差。流域內(nèi)NDVI呈緯度地帶性分布且空間差異明顯，由東南向西北NDVI逐漸減小，昌馬灌渠因人類活動(dòng)影響植被覆蓋良好。中游荒漠區(qū)NDVI均值小(<0.1)，約占全區(qū)面積14%，上游山地針葉林、草原區(qū)以及昌馬灌渠NDVI均值較高(>0.4)，約占研究區(qū)面積8.2%。區(qū)域內(nèi)NDVI不同值統(tǒng)計(jì)分布情況見圖5，研究區(qū)NDVI分布主要集中在0.07～0.25，占比51%，這塊區(qū)域主要為荒漠草原區(qū)。

圖3 疏勒河中上游2000年～2016年NDVI均值

圖4 疏勒河2000年～2016年8月份NDVI均值空間分布

近17年來NDVI空間格局類似，由圖5和圖6得出17年來流域植被覆蓋逐漸變好，中游植被覆蓋增長變率比上游大。中游在2005年和2009年發(fā)生突變，上游在2004年、2005年和2010年～2013年發(fā)生突變。選取NDVI均值最低和最大年份2001年和2016年分析，結(jié)果顯示，2016年NDVI小于0.15的區(qū)域明顯減小，詳見圖7，荒漠草原地帶植被覆蓋得到改善。

表1 2000年～2016年疏勒河中上游NDVI均值與水文要素的相關(guān)關(guān)系

注：表中*表示通過95%置信度檢驗(yàn)；**表示通過99%置信度檢驗(yàn)。

圖5 疏勒河中上游NDVI年際變化

圖6 疏勒河中上游NDVI均值MK突變檢測

圖7 疏勒河中上游2001年、2016年NDVI直方圖

2.3 植被變化與水文要素的關(guān)系

疏勒河地處干旱半干旱區(qū)，降水稀少且蒸發(fā)量巨大，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。水是該區(qū)域關(guān)鍵的生態(tài)資源，是植被組成與結(jié)構(gòu)的決定因素，同時(shí)植被也對水資源的分配產(chǎn)生重要影響。

由表1可知，中游地區(qū)降水對植被生長影響最大，而溫度與植被生長呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；這是因?yàn)樵搮^(qū)域昌馬灌區(qū)受人類活動(dòng)影響劇烈，加之干旱區(qū)溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)增大，不利于植被生長。上游和中上游區(qū)域降水均對植被生長產(chǎn)生顯著影響，溫度均對植被生長影響不大，可見疏勒河區(qū)域降水是制約植被生長的關(guān)鍵因子。

天然狀態(tài)下徑流與植被生長呈正相關(guān)關(guān)系，如表1中上游區(qū)域?yàn)?.614。徑流豐沛植被生長旺盛，徑流枯竭植被萎縮，同時(shí)植被覆蓋度大對截留含蓄水源作用顯著。疏勒河中游灌溉與農(nóng)業(yè)用水等人類活動(dòng)，改變了植被與徑流的天然關(guān)系。

3 結(jié)論及展望

對疏勒河中上游水文要素情勢演變及植被覆蓋度變化研究，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)疏勒河中上游地區(qū)降水、氣溫及徑流均呈上升趨勢。其中，氣溫上升明顯高于全球平均水平，氣溫突變年份為1998年，與我國西部氣溫突變年份一致；疏勒河上游山區(qū)氣溫上升速率明顯高于中游平原地區(qū)，上游山區(qū)降水漲幅和變率也顯著高于中游平原區(qū)。

(2)中游降水與氣溫不相關(guān)，而上游山區(qū)降水與氣溫卻顯著相關(guān)。對于水熱同期與否的深入研究為干旱半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境問題的探討具有重大意義，建議后續(xù)做進(jìn)一步的探討。

(3)疏勒河上游徑流量與降水量顯著相關(guān)；而因人類活動(dòng)干擾，中游徑流量與降水量相關(guān)性弱。干旱半干旱區(qū)人類活動(dòng)對徑流演變具有明顯的驅(qū)動(dòng)作用。

(4)近20年來疏勒河中上游植被覆蓋逐漸變好，中游植被覆蓋增長率高于上游，荒漠草原地帶植被覆蓋得到改善。

(5)疏勒河植被覆蓋與降水關(guān)系顯著，其中中游相關(guān)關(guān)系最好；僅上游植被覆蓋與徑流量相關(guān)關(guān)系顯著。建議進(jìn)一步分析人類活動(dòng)、氣候突變對植被組成與結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系，為生態(tài)水文模型研究奠定基礎(chǔ)。