李 偉
(甘肅省水文站,甘肅 蘭州 73000)
研究發(fā)現(xiàn),二氧化碳?xì)怏w的增加是地球溫室效應(yīng)發(fā)生的主要元兇,其主要來(lái)自化石燃料。從上世紀(jì)初期開(kāi)始,人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)日益頻繁,礦石燃料被大量開(kāi)采和使用,從而導(dǎo)致空氣中的二氧化碳濃度快速加大,全球氣溫呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢(shì),全球氣候不斷惡化,使得全球降水的空間格局與季節(jié)分配隨之變化,從而對(duì)流域生態(tài)水文過(guò)程產(chǎn)生較大的影響。為了適應(yīng)這一變化,植被的空間格局隨之發(fā)生改變,最終影響到人類(lèi)利用土地的方式。
學(xué)界主要通過(guò)兩種途徑對(duì)氣候變化影響水文過(guò)程進(jìn)行研究:(1)歷史總結(jié)法,即研究者采用小波分析等統(tǒng)計(jì)方法,以歷史氣候數(shù)據(jù)為分析樣本,對(duì)徑流響應(yīng)氣候變化的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè);(2)未來(lái)預(yù)測(cè)法,即將目前的氣候狀況輸入GCMs模型中,通過(guò)模擬得出經(jīng)過(guò)一定比例增減的未來(lái)水文變化情景。這是一種預(yù)測(cè)性研究。該研究模型分為兩種,一種是分布式水文模型,另一種是集總式模型。研究發(fā)現(xiàn),在溫度變化的敏感性方面,徑流要弱于蒸散。因此,在氣候變化的響應(yīng)方面,二者也存在較大的差異,表現(xiàn)為前者對(duì)于氣候變化的信號(hào)具有抑制作用,而后者往往具有放大作用。
生態(tài)水文模式能夠?qū)ι鷳B(tài)與水文過(guò)程二者之間的影響效應(yīng)進(jìn)行很好地描述,因此,常被學(xué)者用于氣候變化和土地利用導(dǎo)致的水文變化情景以及生態(tài)系統(tǒng)對(duì)這一變化的響應(yīng)情況研究。該模式以生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程為研究視角,重點(diǎn)揭示氣候變化作用于水文過(guò)程的途徑,從而成為這一課題的研究熱點(diǎn)。
本文采用生態(tài)水文模式對(duì)洮河流域氣候變化對(duì)本流域生態(tài)水文過(guò)程的影響情況進(jìn)行模擬,重點(diǎn)描述后者的響應(yīng)方式和幅度。該模式將植被結(jié)構(gòu)響應(yīng)這一因素納入考慮范疇,從而對(duì)氣候變化與流域生態(tài)水文過(guò)程之間的關(guān)系進(jìn)行探討。
洮河發(fā)源青隴交界處的西傾山,是青海東部重要的外流水系之一,全長(zhǎng)673 km,流域面積2.55萬(wàn) km2。其橫穿臨洮盆地,主要流經(jīng)甘肅中部地區(qū),最后注入黃河中段的劉家峽水庫(kù)。根據(jù)溝門(mén)村站的水文記錄,當(dāng)?shù)亟涤曛饕性谙那飪杉荆昃髁?72 m3/s,年徑流量53億 m3,而只有25%左右集中在每年的11月到來(lái)年的4月間。根據(jù)流域內(nèi)氣象站的記錄,自上世紀(jì)80年代開(kāi)始,當(dāng)?shù)貧鉁刂鹉晟仙?氣溫增幅明顯,主要表現(xiàn)為冬季增溫幅度較大,夏季相對(duì)較小;年降水量較為穩(wěn)定,但年際變化水平下降。
VIP生態(tài)水文動(dòng)力學(xué)模式包含了大氣運(yùn)動(dòng)、土壤、徑流以及植被等多個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,其中,采用一維運(yùn)動(dòng)波方程模擬地表匯流過(guò)程,用可變土壤蓄水容量方法模擬產(chǎn)流過(guò)程。模型總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
每種植被的功能不同,該模式據(jù)此將它們劃分為多個(gè)類(lèi)型,每一類(lèi)型都具有相應(yīng)的生態(tài)特性。植被動(dòng)態(tài)變化采用干物質(zhì)累積方程描述,如下:
(1)
式中,i=l,r,s三者分別代表木本植物的葉、根和莖(草本植物無(wú)此項(xiàng))。本研究流域的木本植物主要為玉米和小麥兩種;M為干物質(zhì);Rg為生長(zhǎng)呼吸;ai為各相應(yīng)器官的光合產(chǎn)物分配系數(shù);Pg為總光合作用量;Rm為維持呼吸;D為枯死率。
植被的光合產(chǎn)物分配受到眾多因素的影響,包括其自身的類(lèi)型、土壤水分以及物候期等因素。對(duì)于植被的葉層而言,其光合產(chǎn)物的分配系數(shù)如下:
a1=exp(-kLAI)
(2)
式中:LAI為葉面積指數(shù)。本文借鑒了Arora等研究方案,用下式表示植被的根和莖的光合產(chǎn)物的分配系數(shù):
(3)
as=1-a1-ar
(4)
式中:L為光照因素,w為土壤含水量因素,k,Bp和Pw均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
植被結(jié)構(gòu)物質(zhì)的衰老凋落用枯黃凋落率表示,其水平主要受到三個(gè)因素的影響,一是植被自身的周轉(zhuǎn)周期,二是生長(zhǎng)環(huán)境的溫度,三是土壤水分含量情況。表示如下:
式中:τ為周轉(zhuǎn)周期(d);fd(T,0)為植物組織枯死的影響函數(shù),是溫度或土壤含水量單方或二者共同影響的表征。
本文選取的分析數(shù)據(jù)年份為1957-1997年,所有數(shù)據(jù)均為洮河流域氣象站和雨量站的觀測(cè)記錄,此外還有部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自周?chē)貐^(qū)氣象站。這些數(shù)據(jù)為每日觀測(cè)值,具有持續(xù)性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。筆者按8 km網(wǎng)格分辨率,通過(guò)距離平方反比法將樣本數(shù)據(jù)內(nèi)插到流域的各網(wǎng)格點(diǎn)上,從而對(duì)該流域水量變化與植被生產(chǎn)力之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行連續(xù)模擬,描述二者的變化過(guò)程。
本模型以1970-2000年的水文變化數(shù)據(jù)記錄作為基礎(chǔ)時(shí)間序列,然后加上一個(gè)變化量,以30 a為單位,對(duì)HadCM3大氣環(huán)流模式預(yù)報(bào)的本世紀(jì)以來(lái)的氣候變化情景進(jìn)行均值計(jì)算,對(duì)洮河流域生態(tài)水文過(guò)程的響應(yīng)情況進(jìn)行模擬分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,得到3個(gè)時(shí)間段的氣候變化情況:第一階段本世紀(jì)開(kāi)始到2030年;第二階段為2031-2060年;第三階段為2061-2090年。具體見(jiàn)表1。
表1 HadCM3的未來(lái)氣候變化情景
圖1 模擬和實(shí)測(cè)流域年徑流深對(duì)比
有兩種方法可以驗(yàn)證模型模擬的徑流深:
(1)利用洮河流域出口站的記錄數(shù)據(jù)來(lái)推求出流域的平均徑流深。圖1是該流域徑流深實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比。圖表顯示,在1957-1997年間,徑流深模擬值與實(shí)測(cè)均值相差在7%左右,前者為44 mma-1,后者為41 mma-1。并且,二者的偏差值與徑流深度值存在明顯的正向關(guān)系,即當(dāng)年徑的流深度值越小,兩個(gè)值的偏差越小。反之越大。二者的偏差還與分析模式存在一定的關(guān)系,主要原因是樣本所在區(qū)域?yàn)榘敫珊盗饔?,因此在設(shè)計(jì)降雨與徑流產(chǎn)生的參數(shù)時(shí)未包含降水強(qiáng)度,只采用了日降水量,由此引發(fā)徑流深度模擬值的偏差。此外,本模式未考慮庫(kù)壩蓄水產(chǎn)生的水面蒸發(fā)因素,也是加劇模擬值與實(shí)際值偏差的一個(gè)原因。
圖2 1982-2000年模擬和實(shí)測(cè)農(nóng)田根層土壤水分的逐旬變化過(guò)程
(2)利用流域附近氣象站土壤含水量的觀測(cè)驗(yàn)證模型。研究使用的是農(nóng)田土壤水分含量旬變化記錄數(shù)據(jù),觀測(cè)點(diǎn)為洮河流域氣象觀測(cè)站鄰近,土質(zhì)為粘性粉壤土,樣本作物為夏玉米。根層分布深度不超過(guò)1 m,含水量最大值為250 mm,出現(xiàn)在夏季;最小值為100 mm,出現(xiàn)在春季。形成夏季補(bǔ)充,春季消耗的季節(jié)變化特征。年際土壤含水量主要與當(dāng)年的降水量多少有著直接的關(guān)系,從而呈現(xiàn)正向波動(dòng)。土壤蓄水量觀測(cè)值與模擬值總體偏差不大。具體見(jiàn)圖2。
圖3 洮河流域土壤蓄水量變化
在樣本研究周期內(nèi),洮河流域的年際降水量變化較大,變異系數(shù)達(dá)到0.23;日照因素的年際波動(dòng)系數(shù)相對(duì)較小,分別為:日照時(shí)數(shù)為0.06,溫度為0.07,Rn(凈輻射)為0.03;Es(蒸發(fā))、ET(蒸散)以及Ec(蒸騰)變異系數(shù)約為0.12,波動(dòng)幅度較小,且無(wú)明顯趨勢(shì)特征。由于該流域降水量的年際變化較大,土壤水分總量變化明顯,從而影響到植被的生長(zhǎng)情況。為了適應(yīng)這種變化,合理地利用土壤水分,植物不得不調(diào)整其耗水策略,以確保自身在降水集中期到來(lái)之前都有水分可以消耗,這就使得植被呈現(xiàn)出耗水過(guò)程的年際變化。通常而言,ET和Ec的作用受到兩個(gè)因素的共同調(diào)節(jié):一是凈輻射能力;二是土壤的供水能力。同時(shí),凈輻射還會(huì)抑制ET對(duì)降水的響應(yīng)。從歷史數(shù)據(jù)來(lái)看,該流域的年ES和Ec值遠(yuǎn)低于降水量,波動(dòng)幅度較小,這樣能夠增強(qiáng)土壤水庫(kù)的調(diào)蓄能力,有利于植被更好地生存。由于水利工程截流和模式兩個(gè)因素的影響,該流域的年總徑流量(Q)的變異系數(shù)模擬值為0.36,而實(shí)際值為0.27,二者存在較大差異。但有一點(diǎn)是確定的,即在降水變化當(dāng)中,徑流具有放大作用,提升了這一變化的幅度。另外,模擬結(jié)果顯示,該流域年總蒸散量占年降水量的0.91±0.19,其中,年徑流和蒸騰分別占比為0.11±0.03、0.48±0.04。根據(jù)這一結(jié)果可以估計(jì)出水利工程蓄洪導(dǎo)致的徑流損失占降水的比例在0.02左右。由此可以得出,土壤水分的周轉(zhuǎn)周期為5 a。從圖3可以看出,1990年的降水量明顯低于之前的20 a,不到450 mm,土壤水分的調(diào)蓄幅度減小,出現(xiàn)了干化的趨勢(shì)。
圖4描繪了在本研究周期內(nèi)洮河流域水循環(huán)分量的變化情況??梢钥闯觯瑥搅髋c蒸散的變化范圍明顯小于降水的變化范圍,并且前二者的中值范圍也有所不同,徑流趨于低值端,而蒸散趨于高值端,與降水基本一致。可以認(rèn)為,在降水的響應(yīng)方面,徑流具有延后性,蒸散則表現(xiàn)為直接響應(yīng)。
圖4 1958-1997年洮河流域年水平衡分量的均值、中值及范圍
圖5 1958-1997年洮河流域植被生產(chǎn)力各分量的均值、中值和范圍
在高原地區(qū),無(wú)論哪個(gè)季節(jié),根層土壤含水量通常都低于田間持水量,原因主要是植被普遍存在水分脅迫的情況。這就使得這類(lèi)地區(qū)的植物葉片的光合生產(chǎn)力較弱,并且受氣候年際波動(dòng)的影響較大。從模擬結(jié)果看,在本研究周期內(nèi),樣本流域的植被總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)均值為(361±37)gCm-2a-1,凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)為(171±22)gCm-2a-1,二者的比值為(0.47±0.02)(圖5)。NPP的模擬值與觀測(cè)值誤差較小。
模擬結(jié)果顯示,在同植被類(lèi)型間,生產(chǎn)力最高的是農(nóng)田,最低的是草地,林地居于二者中間,這完全符合它們的光合潛力最大值。根據(jù)圖5可以得出GPP的斜率為1.6,r2=0.26,可見(jiàn)其處于持續(xù)上升狀態(tài),并且上升幅度較大,其原因是大氣中二氧化碳?xì)怏w的增加;NPP的斜率為0.6,r=0.10,其同樣處于持續(xù)上升狀態(tài),但上升幅度較小,其原因是當(dāng)?shù)貧鉁氐纳仙訌?qiáng)了植被的呼吸作用,消耗掉一部分碳固定量。NPP與Ec的比值為(1.04±0.14)gCmmHom-2a-1,表明植物的水分利用效率有所提高。
GCM對(duì)高原地區(qū)氣候變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果為:氣溫逐年上升,降水總量增加。表2是樣本流域30年來(lái)水量平衡和生產(chǎn)力相對(duì)變化的平均值,其由表1情景模擬而來(lái)。按照增幅大小的排序各水文因素分別為:冠層截留水量增幅為70%,排名第一;Ec和徑流的增幅十分明顯,為降水增幅的1.6倍,而ET的增幅不及降水增幅;Rn增幅度最大為11.9%;Es的增幅最大為4.3%。在植被生產(chǎn)力變化方面,NPP的增幅約為39%,與二氧化碳的增幅相近;GPP的增幅高達(dá)72%左右。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊永輝等人以太行山區(qū)為研究案例,對(duì)該地區(qū)的氣候變化及其對(duì)自然植被的影響進(jìn)行了調(diào)研分析,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)探究后者對(duì)前者的適應(yīng)情況。研究發(fā)現(xiàn),植被生產(chǎn)力與當(dāng)?shù)氐臍鉁睾徒邓嬖谡蜿P(guān)系,具體為氣溫每上升2度、降水增加20%時(shí),植被的生產(chǎn)力能夠提升20%的水平。這一研究情景及其結(jié)果均與本文相似。Zhang等人以高原地區(qū)的農(nóng)作物為研究對(duì)象,通過(guò)模型模擬的方式對(duì)其與土壤侵蝕的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)樣本地區(qū)本世紀(jì)末的徑流和蒸散增幅明顯,農(nóng)作物的產(chǎn)量有大幅的提升。洮河流域位于高原地區(qū),因此,其植被的變化符合上述研究結(jié)果,即覆蓋水平將會(huì)不斷提高,有利于當(dāng)?shù)氐乃梁B(yǎng)。
表2 未來(lái)氣候變化情景下,洮河流域水量平衡和生產(chǎn)力的響應(yīng) %
(1)洮河流于地處我國(guó)的西北,生態(tài)環(huán)境較為脆弱,長(zhǎng)期以來(lái),當(dāng)?shù)氐囊淮蠊ぷ魅蝿?wù)就是加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè),重視水土涵養(yǎng)。本文以洮河流域?yàn)槔?,以其歷史氣候數(shù)據(jù)資料為樣本,采用生態(tài)水文機(jī)理模式模擬了該流域近40年的生態(tài)水文演變特征,并對(duì)未來(lái)生態(tài)水文過(guò)程的響應(yīng)情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果顯示,在樣本研究周期內(nèi),該流域降水量基本持平,年際波動(dòng)幅度有所下降,地表蒸散量也保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。但植被凈生產(chǎn)力斜率約為0.6gCm-2a-1,表明提升較大,水分利用效率也有所提高。GCM預(yù)測(cè),洮河流域到本世紀(jì)末氣溫和降水都有明顯的增加,前者上升3K,后者增加25%。相對(duì)應(yīng)的,地表徑流、蒸散、植被NPP分別增加38%、23%和45%,植被水分利用效率將有著較大的提升。這表明,該流域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)這一變化響應(yīng)顯著,而這種變化趨勢(shì)有利于高原地區(qū)的水土保持。
(2)GCM模式的選擇對(duì)于模擬的結(jié)果有著較大的影響,本文只用了HadCM3最近的一種模擬情景,因此,其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值會(huì)存在一定的偏差。必須進(jìn)行更多的模擬和試驗(yàn),才能提升研究的全面性,對(duì)樣本流域生態(tài)水文過(guò)程對(duì)氣候變化的區(qū)域響應(yīng)情況進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)。