源自青藏高原的大河流域近期入海物質(zhì)通量變化及其影響分析

章嘯程 蔣雪中

摘要：亞洲多條大河源自青藏高原地區(qū)，各流域水資源的變化一方面反映了青藏高原的變化，另一方面與流域國家間的水資源利用關(guān)系密切，基于1995年和2015年兩期土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和源自青藏高原的6條主要河流水沙及氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽通量數(shù)據(jù)，嘗試分析不同流域河流人海物質(zhì)通量變化及影響因素，結(jié)果表明：1995^-2015年，印度河和布拉馬普特拉河徑流顯著減少，長江人海徑流階段性下降，恒河增加而黃河和湄公河徑流總體變化不大，長江、黃河和印度河輸沙量顯著減少（p<0.05），營養(yǎng)鹽通量方面，黃河、湄公河溶解無機(jī)氮呈上升趨勢而長江略有下降，氮磷通量主要受徑流量的影響，硅酸鹽通量主要受輸沙影響，與輸沙變化一致，壩庫興建、土地利用類型變化和農(nóng)藥化肥使用減少了泥沙輸送且改變了營養(yǎng)鹽輸送，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段更高的流域，氮磷總量增加，輸沙減少，研究河流人海物質(zhì)通量，掌握各流域本底數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)流域水資源調(diào)控及建設(shè)流域命運(yùn)共同體提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：大河流域;物質(zhì)通量：土地利用變化：機(jī)制分析

中圖分類號：P596文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j，issn，1000-5641.201941006

0引言

陸地與海洋間營養(yǎng)鹽的輸送主要依賴河流中的徑流和泥沙，隨著流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，資源開發(fā)和土地利用變化等對自然環(huán)境的干擾不斷加強(qiáng)，河流人海物質(zhì)通量和營養(yǎng)鹽比例正在發(fā)生改變，這些變化表征了流域生態(tài)環(huán)境壓力及其對水、能源等資源的需求水平，近年來，關(guān)于河流人海物質(zhì)通量的研究多關(guān)注某條河流的水沙通量和氮、磷、硅等生源要素方面，對區(qū)域尺度河流物質(zhì)通量研究相對較少青藏高原位于亞洲大陸中部，是全球氣候變化的敏感區(qū)域，該地區(qū)豐富的冰川儲備是亞洲眾多河流的重要淡水補(bǔ)給，被認(rèn)為是“亞洲水塔”，源自青藏高原的不同河流有的向東注入太平洋，有的向南注入印度洋，有的向西注入咸海，各流域自然氣候條件不同，人類活動干預(yù)的程度也不相同，但關(guān)系到全球約60%人口的生產(chǎn)生活。

選擇均源自青藏高原的長江、黃河、湄公河、印度河、恒河及布拉馬普特拉河為代表，利用1995年和2015年兩期的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析各大河流域內(nèi)土地利用變化時(shí)空特征，借助GIS空間分析功能，結(jié)合流域多年水沙通量和人海氮、磷、硅等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，嘗試分析各大河流人海物質(zhì)通量變化及其主要影響因素，了解各流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，評估其水資源利用潛力，為協(xié)調(diào)流域水資源利用和實(shí)現(xiàn)流域的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1數(shù)據(jù)與方法

長江、黃河、湄公河、恒河、印度河以及布拉馬普特拉河流域1995年和2015年兩期300m×300m分辨率的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來源于歐洲航空局全球地表覆蓋計(jì)劃（htips：//maps，elie，ucl，ac，be/CCI/viewer/profiles，php），該數(shù)據(jù)基于全球每日多光譜輻射數(shù)據(jù)，經(jīng)過監(jiān)督和非監(jiān)督分類算法創(chuàng)建，覆蓋范圍大，同時(shí)保持了良好的一致性，數(shù)據(jù)總體精度相對較高，為了使研究數(shù)據(jù)統(tǒng)一，將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS84地理坐標(biāo)系，分別用流域邊界矢量數(shù)據(jù)裁剪影像，獲取各流域不同時(shí)期土地利用類型影像數(shù)據(jù)，按照2007年《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》國家一級分類體系，將土地利用/覆蓋類型歸并為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用土地6個(gè)大類，通過不同時(shí)期土地利用圖空間代數(shù)運(yùn)算獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

各流域人口密度柵格和壩庫容量數(shù)據(jù)均來源于國際地球科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心（http：//sedac，ciesin，columbia，edu/data/sets/browse），人口密度柵格數(shù)據(jù)分辨率為4.6km×4.6km，結(jié)合流域土地利用數(shù)據(jù)和Google Earth檢查人口密度柵格中的異常值和空值，用周邊像元值對其進(jìn)行重新賦值，再利用ArcGIS軟件計(jì)算流域人口總數(shù)及壩庫容量，GDP及化肥消費(fèi)量數(shù)據(jù)來源于世界銀行數(shù)據(jù)庫（https：//data，worldbank，org，cn/indicator），按照流域在各國家內(nèi)所占面積和人口數(shù)量確定權(quán)重估算流域范圍的GDP，降水量數(shù)據(jù)來源于國家氣象局19902015年臺站記錄資料，對逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理以獲得年降水量總量，再采用克里金插值將氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到整個(gè)流域，最終獲得流域年平均降水量數(shù)據(jù)。

徑流、輸沙以及營養(yǎng)鹽通量數(shù)據(jù)來源于河流泥沙公報(bào)和相關(guān)歷史文獻(xiàn)，長江和黃河19902015年的徑流、輸沙數(shù)據(jù)分別采用干流最下游的大通和利津水文控制站的水沙公報(bào);19902003年恒河哈丁橋站和布拉馬普特拉河巴哈杜拉巴德站徑流量數(shù)據(jù)源自文獻(xiàn);印度河戈德里站1990^-2002年徑流輸沙數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)Walling，湄公河采用干流下游巴色水文站的水文記錄，從源頭到巴色水文站區(qū)間流域面積占整個(gè)湄公河流域面積約69.2%，大約可代表湄公河人海水沙通量，19902006年湄公河徑流數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)Li[23];20002002年湄公河輸沙數(shù)據(jù)取自Walling;20092013年湄公河徑流輸沙數(shù)據(jù)取自Koehnken[241.營養(yǎng)鹽通量方面，黃河2001年的N、P、si數(shù)據(jù)取自譚加強(qiáng)，2002^-2004年數(shù)據(jù)取自王婷，2005^-2008年數(shù)據(jù)取自鞏瑤，2009年數(shù)據(jù)取自李玲偉;2001-2008年長江的N、P、si數(shù)據(jù)取自Dai;2000^-2006年湄公河的N、P、si數(shù)據(jù)來自Li，為使數(shù)據(jù)統(tǒng)一，將各文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算到年際總量并進(jìn)行單位統(tǒng)一處理。

Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，被廣泛應(yīng)用于降水徑流序列變化的分析檢驗(yàn)結(jié)果Zc反映了待檢測要素時(shí)間序列的總體變化趨勢，其中Zc值為正，表明上升趨勢，Zc值為負(fù)，表明下降趨勢，Z大于等于1.28和1.64時(shí)，分別表示趨勢變化通過了90%和95%置信度的顯著性檢驗(yàn)，利用Mann-Kendall方法對各條河流徑流輸沙量序列進(jìn)行趨勢性分析以表明待檢測要素的上升或下降趨勢。

2研究區(qū)域

長江、黃河、湄公河、印度河、恒河以及布拉馬普特拉河均發(fā)源于青藏高原，表1為所選流域的基本信息。

這6條河流是亞洲多個(gè)國家的地表水的重要來源，也是社會生產(chǎn)和人民生活的主要水源（如圖1.國家邊界數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心），流域不同的自然氣候條件勢必會影響河流人海物質(zhì)通量，且由于所處社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段不同，流域內(nèi)土地利用方式、工農(nóng)業(yè)發(fā)展水平以及水利設(shè)施建設(shè)程度也有著很大的差別，這將進(jìn)一步影響河流人海物質(zhì)通量的變化。

3河流物質(zhì)通量變化趨勢

3.1徑流與輸沙變化

對比各條河流19902015年的人海徑流量，黃河和長江年平均徑流量分別約為152.3×10⁸m³和8966×10⁸m³.年平均輸沙量分別約為2.26×10⁸t和2.35×10⁸t;1990^-2013年湄公河年平均徑流量約為3091.46×10⁸m³.輸沙量約為1.01×10⁸s t，而印度河徑流量相對較少，1990^-2001年，印度河年均徑流量約為409.6×10⁸m³.輸沙量約為0.33×10⁸t，長江年徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過黃河和湄公河，與恒河和布拉馬普特拉河總徑流量相當(dāng)。

對1990年以來各河流的徑流量和輸沙量進(jìn)行Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)及顯著性分析，結(jié)果如表2所示，從表2中可以看出，長江、印度河和布拉馬普特拉河的徑流量顯著減少，而恒河徑流量顯著增加，長江和黃河在1990^-2015年時(shí)段以及印度河在1990^-2001年時(shí)段，河流輸沙量在0.05顯著水平上呈現(xiàn)明顯減少趨勢。

分析長江大通站、黃河利津站、湄公河巴色站、印度河戈德里站、恒河哈丁橋站以及布拉馬普特拉河巴哈杜拉巴德水文站從1990年至2015年實(shí)測徑流輸沙量的歷史變化過程（見圖2），可以發(fā)現(xiàn)：20年來，長江人海徑流總體處于下降趨勢，在1998^-2006年階段性下降后稍有回升;印度河、布拉馬普特拉河徑流量下降而湄公河徑流量年際間總體變化不大;在1990^-2000年，黃河徑流量不斷減少，自2002年調(diào)水調(diào)沙以來，徑流增加明顯并保持在一個(gè)穩(wěn)定水平，在輸沙方面，各河流均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，尤其是黃河的輸沙量自小浪底水利工程實(shí)施以來明顯減少。

3.2氮、磷、硅營養(yǎng)鹽通量變化

海水中氮、磷、硅等生源要素是海洋生物生長繁殖不可缺少的成分，皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果表明，溶解無機(jī)氮（Dissolved Inorganic Nitrogen，DIN）通量和溶解無機(jī)磷（Dissolved Inorganic Phosphorus，DIP）通量與徑流量有較好的正相關(guān)性，表明DIN和DIP通量主要受徑流量的影響，而硅酸鹽SiO32-人海通量與輸沙量有較好的相關(guān)性，

圖3給出了2000^-2009年長江、黃河和湄公河氮、磷、硅等營養(yǎng)鹽元素的人海通量變化情況，從氮、磷、硅通量變化來看：20002009年，湄公河流域的DIN人海通量處于上升趨勢，DIP和硅酸鹽SiO3^2-人海通量有波動，但總量變化不大;湄公河DIN和DIP與徑流量的相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.73.SiO32與輸沙量相關(guān)系數(shù)為0.47.對于長江流域，2000^-2009年，長江的DIN通量下降了約26.5%;DIP的通量年際變化較小，在1×10⁹-1.5×10⁹mol范圍內(nèi)小幅度波動;DIN和DIP與徑流量的相關(guān)系數(shù)分別為0.86和0.40.顯示DIN與徑流有較好的相關(guān)性;SiO3^2-人海通量僅有2004年、2006年和2008年3年數(shù)據(jù)，變化不大，20012009年，黃河流域的DIN人海通量總體呈上升趨勢，2005年為最大值;DIN通量和徑流量有較好的正相關(guān)性（r=0.98）;表明DIN通量主要受徑流量的影響;DIP通量在2001^-2009年總體表現(xiàn)為下降趨勢，與徑流呈正相關(guān)（r=0.49）;硅酸鹽通量在2002年后增加明顯，之后稍有下降，與輸沙量有較好的相關(guān)性（r=0.78），

4河流入海物質(zhì)通量變化的主要因素

流域自然地理?xiàng)l件和土地利用變化是影響流域物質(zhì)通量變化的重要因素，同時(shí)，人類的生產(chǎn)、生活活動和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的破壞或保護(hù)改造，會導(dǎo)致流域水土流失加劇或減少，嚴(yán)重影響著河流人海通量的變化，

4.1自然因素

雖然這些河流都發(fā)源于青藏高原，但流向各異，所處緯度氣候帶不同，流域年平均降水量差異大，對比所選6大流域多年平均降水量（如表1），黃河和印度河流域年降水量不足500mm，且年徑流量均在1000×10⁸m³以下，而其他4條河流降水與徑流量為前者的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，黃河和湄公河流域面積相近，但降水量差異大，1990^-2015年黃河年最大徑流量為282×10⁸m³（2012年），而湄公河年最小徑流量為2455×10⁸m³.充分說明流域降水量對徑流影響明顯，以黃河流域?yàn)槔?，流域降水量和徑流量歷年曲線如圖4所示，采用Matlab軟件計(jì)算得出兩者皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.65.變化趨勢基本一致，1990^-2015年黃河年徑流量和輸沙量分別減少約49%和93%，同期黃河流域降水量減少約16%，假設(shè)降水量和徑流輸沙量之間有一定正相關(guān)關(guān)系，那么該時(shí)段約33%的徑流減少是由降水導(dǎo)致，人類活動的影響占67%;而降水對輸沙量的減少貢獻(xiàn)率約為17%，人類活動可能對輸沙量下降起主導(dǎo)作用，黃河流域徑流量2003年前下降明顯，1990^-2002年，黃河流域的徑流下降了約84%，降水下降約16%，那么在2003年以前，黃河徑流量的減少中約有19%的貢獻(xiàn)來自降水的變化。

同時(shí)，極端降水事件也明顯影響河流物質(zhì)通量的變化，研究時(shí)段內(nèi)，長江流域年降水量最大為1211mm（1998年），最小為865mm（2011年），而在對應(yīng)年份，長江徑流量也分別達(dá)到最高值（12445×10s⁸m³）和最低值（6671×10⁸m³），

4.2人類活動

相比于自然因素，人類活動對河流人海物質(zhì)通量的影響更大，與前人研究結(jié)果相同，人類通過改變土地利用方式，實(shí)施水土保持措施，建設(shè)水利設(shè)施以及發(fā)展工農(nóng)業(yè)等影響著河流人海物質(zhì)通量，

利用ArcGIS軟件計(jì)算得出19952015年各流域土地利用類型的面積變化情況（見表3），草地、耕地及林地是長江、黃河和湄公河流域主要土地利用類型，分別占流域面積的92%、87%和97%左右，退耕還林工程建設(shè)以來，長江和黃河流域的耕地面積分別減少11080.63km²和2002.33km²，研究表明，20世紀(jì)以來植被覆蓋的增加對黃河輸沙量的減少貢獻(xiàn)率高達(dá)57%，而湄公河流域位于欠發(fā)達(dá)地區(qū)，流域內(nèi)大量林地被開墾為耕地，20年間，湄公河流域耕地面積增長了2.5%（19902.24km²），耕地面積的大幅增加必然會導(dǎo)致化肥消費(fèi)量持續(xù)增長（見圖5），大量的氮元素隨著河流進(jìn)入河口近海區(qū)域，流域的DIN人海通量有明顯的增長，恒河下游三角洲，約有3×10s人集聚，流域內(nèi)大量耕地和未利用地不斷轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，面積增加了5122.08km²，不同于上述流域，印度河流域和布拉馬普特拉河流域源地存在大量冰川覆蓋，自然條件差，人類活動少，約98%的流域面積為耕地、草地、林地以及未利用土地，印度河流域大量的冰川和耕地以及布拉馬普特拉河流域大量的冰川和林地轉(zhuǎn)化為草地和建設(shè)用地，其間，印度河流域和布拉馬普特拉河流域徑流均呈現(xiàn)減少趨勢，冰川減少和草地覆蓋率增加很大可能導(dǎo)致徑流減少，這與前人研究結(jié)果類似，流域內(nèi)開展水土保持、城市建設(shè)等大規(guī)模流域利用和治理措施，導(dǎo)致流域下墊面土地利用/土地覆被變化，也是影響河流人海水沙總量變化的重要原因。

不同流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于不同階段，表4為6大流域基本社會經(jīng)濟(jì)情況，根據(jù)錢納里經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段理論，按照人均GDP將流域發(fā)展分為三個(gè)階段，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，1990^-2015年，中國、印度等國大壩庫容量持續(xù)增加，由國際地球科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心提供的壩庫數(shù)據(jù)計(jì)算得出長江和黃河流域大壩庫容量達(dá)到550km 3+，由于壩庫阻擋導(dǎo)致大量泥沙淤積，而印度河流域輸沙量總體降幅不大，長江三峽和黃河小浪底水庫建成蓄水以來，流域輸沙量明顯減少，2003^-2015年長江平均輸沙量（1.38×10⁸t）是1951^-2002年平均輸沙量（4.26×10⁸t）的32.4%，1999^-2015年黃河平均輸沙量（1.25×10⁸t）僅為1950-1999年平均輸沙量（8.68×10⁸t）的14.4%，每年淤積在長江三峽水庫里的泥沙達(dá)到1.28×10⁸t，水庫排沙比僅為24.2%，極大程度地降低了河流輸沙量。

印度河流域處于熱帶干旱地區(qū)，用水壓力大，資料顯示，印度河60%的水用于巴基斯坦農(nóng)業(yè)灌溉，年灌溉取水約1300×10⁸m³.僅余409.6×10⁸m³人海，大量的農(nóng)業(yè)灌溉取水使得印度河徑流量明顯短缺，相比于第三階段流域，雖然長江流域壩庫容量巨大，但每年儲存在水庫中的水量僅占年徑流量的1%左右，徑流量并無明顯變化，而黃河2002年調(diào)水調(diào)沙以來，徑流反而明顯增加。

天然水中，磷元素含量不高，其進(jìn)入河流的來源主要包括來自生活污水的點(diǎn)源污染和農(nóng)藥化肥的面源污染，研究表明，工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人口增長是流域內(nèi)氮磷元素輸入的主要影響因素，氮磷的輸送主要依賴河流徑流，長江年均徑流量是湄公河的3倍左右，但是氮元素通量多出10倍左右，相比于第二、三階段流域，長江流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段更高，人口總數(shù)更多，河流人海氮磷總量顯著較高，中國近岸海域環(huán)境質(zhì)量公報(bào)顯示，長江口富營養(yǎng)化指數(shù)為8.57.為重度富營養(yǎng)化區(qū)域，而黃河口富營養(yǎng)化指數(shù)為1.38.相對較低，同時(shí)，根據(jù)《中國海洋災(zāi)害公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，近年來長江口赤潮發(fā)生次數(shù)也在不斷增加，從20世紀(jì)90年代的58次增加到2000^-2007年的195次。

5結(jié)論

以1995年和2015年兩期土地利用/覆蓋和河流人海物質(zhì)通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了源自青藏高原的主要河流人海物質(zhì)通量的變化及主要影響因素，結(jié)果表明，長江、印度河和布拉馬普特拉河的徑流量顯著減少，恒河徑流量增加而湄公河徑流量年際間總體變化不大，在研究時(shí)段內(nèi)，長江、黃河及印度河輸沙量在0.05顯著性水平上呈現(xiàn)明顯減少趨勢，營養(yǎng)鹽通量方面，黃河、湄公河DIN通量呈上升趨勢，而長江DIN下降了約26.5%，長江、湄公河硅磷通量總體變化不大，由于泥沙對硅的吸附特性，SiO3^2-通量與河流輸沙變化一致。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，1995^-2015年長江、黃河和恒河流域耕地與草地減少，建設(shè)用地面積增加，而印度河和布拉馬普特拉河流域以建設(shè)用地與草地增加為主，湄公河流域化肥施用量的增加使得河流DIN明顯增加，近年來，長江和黃河來水來沙明顯減少，壩庫建設(shè)和水土保持措施導(dǎo)致河流泥沙補(bǔ)給不足，河口岸灘侵蝕嚴(yán)重，濱海濕地面積減少，不同社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段的流域，河流人海物質(zhì)通量也有所差異，相比于其他流域，長江流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段較高，河流泥沙量明顯減少，人海氮磷總量增加，而印度河流域以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)，社會經(jīng)濟(jì)較差，大量農(nóng)業(yè)灌溉取水使得河流徑流量明顯短缺。

流域開發(fā)帶來利益、滿足人類需求的同時(shí)，河流徑流、泥沙以及營養(yǎng)鹽等物質(zhì)通量也發(fā)生著巨大的變化，人類活動已經(jīng)成為其變化的主導(dǎo)因素，不同流域發(fā)展階段，對流域的干擾也不同，掌握各流域本底數(shù)據(jù)，了解流域社會發(fā)展水平和河流人海物質(zhì)通量變化與影響因素，對于流域國家合理調(diào)整土地利用方式，科學(xué)分配水資源，實(shí)施流域可持續(xù)發(fā)展及建設(shè)流域命運(yùn)共同體都具有重要啟示意義，下一步則需要通過對河流不同河段的觀測資料分析，進(jìn)而對全流域的水沙等輸運(yùn)進(jìn)行全程分析。