北洛河上游植被恢復(fù)對河川徑流組分影響的定量區(qū)分

關(guān)鍵詞：徑流變化；植被恢復(fù)；驅(qū)動(dòng)因素；基流；北洛河上游

植被與水的關(guān)系一直是生態(tài)水文學(xué)的研究熱點(diǎn)，森林砍伐、植被恢復(fù)對河川徑流的影響認(rèn)識在全球范圍內(nèi)仍不一致[1]。自1999年退耕還林（草）工程在黃土區(qū)大規(guī)模實(shí)施以來，該區(qū)植被覆蓋度由1999年的32%增至2018年的63%，水土流失問題得到了有效遏制[2]。植被恢復(fù)也帶來了一些負(fù)面問題，如河川徑流減少等。大量研究表明，黃土區(qū)河川徑流受到氣候變化和人類活動(dòng)的綜合影響，植被變化深刻影響該區(qū)徑流及其組分，使得原本干旱缺水的黃土區(qū)水資源供需矛盾的形勢愈發(fā)嚴(yán)峻[3]。因此，急需開展植被恢復(fù)和氣候變化對徑流及其組分變化影響的貢獻(xiàn)識別，為該區(qū)植被建設(shè)和水資源開發(fā)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

目前，徑流變化歸因分析的方法主要有雙累積曲線法、彈性系數(shù)法、水文模型法等[4]。Budyko理論[5]反映了流域降水和潛在蒸散發(fā)之間存在耦合平衡關(guān)系?；诖死碚?，Choudhury[6]、Yang等[7]、Zhang等[8]分別從流域面積、下墊面特征、植被變化等方面對Budyko框架進(jìn)行了改進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合彈性系數(shù)法識別徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。基于Budyko理論的彈性系數(shù)法具有物理意義明確、參數(shù)易獲取等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于氣候及人類活動(dòng)對徑流變化貢獻(xiàn)的定量評估[9]。例如，Berghuijs等[10]、Liang等[11]采用該方法分別對全球范圍內(nèi)典型河流、黃土高原14個(gè)典型流域總徑流變化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行識別，定量區(qū)分了降水、潛在蒸散發(fā)及典型人類活動(dòng)對徑流變化的貢獻(xiàn)；夏露等[12]探討了汾河源區(qū)北石河流域基流、地表徑流變化的驅(qū)動(dòng)因素，認(rèn)為降水對于基流增加、地表徑流減少的影響更為顯著。黃土區(qū)作為重點(diǎn)實(shí)施退耕還林（草）工程的地區(qū)受到廣泛關(guān)注。薛帆等[13]、劉二佳等[14]識別了北洛河上游河川總徑流變化的驅(qū)動(dòng)因素，均認(rèn)為植被恢復(fù)對徑流變化的貢獻(xiàn)超過50%，但針對徑流各組分（基流、地表徑流）的研究尚少，難以全面揭示植被對河川徑流的作用機(jī)制。此外，先前的研究鮮見對不同植被恢復(fù)狀況流域的徑流變化及其歸因分析的對比研究。

本研究以北洛河上游不同植被恢復(fù)程度的3個(gè)水文站以上集水區(qū)（吳旗、志丹、劉家河）為研究對象，基于1971—2010年水文氣象資料和4期土地利用數(shù)據(jù)，分析總徑流及其組分（基流、地表徑流）的變化趨勢，采用彈性系數(shù)法開展氣候因素、植被恢復(fù)對徑流及其組分變化的定量歸因分析，以期對北洛河上游退耕還林（草）工程的實(shí)施和水資源高效利用提供科學(xué)支持。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)概況

北洛河為渭河的一級支流、黃河的二級支流，發(fā)源于白于山南麓的草梁山，流經(jīng)甘肅省慶陽和陜西省延安、榆林、渭南、銅川等5個(gè)地級市以及志丹、吳旗、劉家河等18個(gè)縣（區(qū)），于陜西省大荔縣三河口東南注入渭河。北洛河流域范圍為34°42′N—37°19′N、107°33′E—110°10′E，流域總面積為26905km2，河流干流長680.3km，是陜西省內(nèi)最長的河流，總落差為1587m，海拔為297～1990m，平均比降為2.3%。本研究選取北洛河上游志丹、吳旗、劉家河3個(gè)水文站以上集水區(qū)為研究區(qū)（面積分別為774、3408、7325km2），其中劉家河斷面以上包含志丹、吳旗集水區(qū)（圖1）。北洛河上游（劉家河水文站以上）地貌類型屬于黃土高原梁峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)，溝壑密度大、地形支離破碎，大部分地區(qū)山高坡陡，地勢總體為東南低、西北高。

1.2數(shù)據(jù)來源

1.2.1氣象水文數(shù)據(jù)

水文資料來源于《黃河流域水文年鑒》中志丹、吳旗、劉家河水文站點(diǎn)1971—2010年的實(shí)測徑流數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心官網(wǎng)（https：//www.nmic.cn/），包括1971—2010年吳旗、志丹、華池等9個(gè)氣象站的日降水、氣溫等數(shù)據(jù)，水文站及氣象站位置見圖1。

1.2.2遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)包括DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（https：//www.gscloud.cn），空間分辨率為30m×30m。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（htps：//www.resdc.cn），包括1980年、1990年、2000年和2010年4期數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m×30m。

1.3研究方法

1.3.1基流分割方法

采用Lyne-Hollick法對研究區(qū)1971—2010年的河川日徑流深數(shù)據(jù)進(jìn)行分割以得到日地表徑流深及日基流深。該方法由Lyne等提出，并由Nathan等于1990年引入到水文學(xué)中用于基流分割，該方法也是適用北洛河流域基流分割最好的方法[15]。

1.3.2趨勢及突變檢驗(yàn)方法

Kendall秩次相關(guān)性檢驗(yàn)及Mann-Kendall（M-K）突變檢驗(yàn)方法既不要求樣本滿足特定的分布，也不需要對少量的離群值進(jìn)行處理，因而它更適合處理類型和順序變量，且計(jì)算方便，常被用于水文氣象研究中的時(shí)間序列檢驗(yàn)[16]。

1.3.3土地利用變化分析方法

為探究北洛河上游主要土地類型變化，本研究將面積占比較小的水域、建設(shè)用地、未利用土地合并為其他地類，對吳旗、志丹、劉家河3個(gè)水文站以上集水區(qū)的4期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行地類面積統(tǒng)計(jì)，并分時(shí)段計(jì)算各地類的面積變化幅度[17]。

1.3.4徑流及其組分變化歸因分析方法

據(jù)資料顯示，研究區(qū)中無大中型灌區(qū)，主要以旱地農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)用水量占比非常小，同時(shí)工業(yè)和生活用水也較少，占年徑流的5%以下。此外，研究區(qū)內(nèi)無大中型水利工程，僅有少量淤地壩和小型水庫，基本不具備徑流調(diào)蓄能力[18]。因此，就研究區(qū)而言，主要人類活動(dòng)是植被恢復(fù)，而非梯田與淤地壩建設(shè)等水土保持措施以及人類大型取用水活動(dòng)，進(jìn)而本研究忽略了其余水土保持措施以及人類取用水對于徑流深及其組分較小的影響，將徑流深及其組分變化分為氣候變化引起和植被恢復(fù)引起的部分。

Budyko水熱耦合平衡理論應(yīng)用。本研究采用基于Budyko理論的彈性系數(shù)法對徑流深進(jìn)行歸因分析，該方法以Budyko理論為基礎(chǔ)，建立的水量平衡模型能夠準(zhǔn)確地識別氣候與下墊面變化對流域徑流變化的影響。Choudhury[6]基于Budyko假設(shè)，推導(dǎo)出流域水熱耦合平衡方程，表達(dá)式如下：

式中：R為年徑流深，mm；P為年降水量，mm；為年潛在蒸散發(fā)量，mm，因缺乏輻射資料，采用只需要?dú)鉁睾偷乩砦恢脭?shù)據(jù)的Hargreaves方法計(jì)算[19]；n為下墊面特征參數(shù)，與流域土壤、地形、植被等因素相關(guān)，可由多年平均徑流深、降水量、潛在蒸散發(fā)量代入式（1）反推求得[20]。

彈性系數(shù)計(jì)算。徑流的彈性定義為單位因素變化引起的流域徑流變化程度，即某一因素變化1%引起的年徑流相對于多年平均值變化的百分比[21]，其計(jì)算公式如下：

式中：為徑流深對某一特定因素xi的彈性系數(shù)。

徑流深的降水、潛在蒸散發(fā)彈性系數(shù)可利用Choudhury[6]基于Budyko假設(shè)提出的流域水熱耦合平衡方程估算[11]；基流深、地表徑流深的降水、潛在蒸散發(fā)彈性系數(shù)可采用最小二乘法估算[12]。

貢獻(xiàn)率計(jì)算。徑流深及其組分變化可以分為氣候變化引起的和植被恢復(fù)引起的部分，以徑流深為例，可以表示為：

式中：R為徑流深的變化量，mm；R1、R2分別為變化前、后的平均年徑流深，mm；RCC為氣候變化引起的徑流深變化量，mm；RER為植被恢復(fù)引起的徑流深變化量，mm。

基于偏微分方程，不同影響因子引起的徑流變化量可通過徑流對其的偏導(dǎo)數(shù)與其變化量的乘積來估計(jì)[7]，則氣候變化引起的徑流深變化量可表示為

則ΔRCC、ΔRER分別與ΔR的占比即為貢獻(xiàn)率。同理，氣候變化、植被恢復(fù)引起的基流深、地表徑流深變化量也可由式（6）、式（7）得出，進(jìn)而得出氣候變化、植被恢復(fù)對于基流深、地表徑流深變化的貢獻(xiàn)率。

2結(jié)果與分析

2.1徑流組分演變趨勢分析

研究期內(nèi)（1971—2010年）3個(gè)水文站的徑流深變化基本一致，且均存在突變點(diǎn)。吳旗、志丹、劉家河站以上集水區(qū)的徑流系數(shù)分別從0.08減至0.04、0.03減至0.01、0.14減至0.08，地表徑流分別占總徑流的45.4%～56.4%，其減幅分別為80%、79%、72%。志丹、劉家河站的基流深分別減少了12%、44%，而吳旗站增加了20%。Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)表明，3站年徑流深、年地表徑流深均呈顯著減少趨勢；年基流深各站變化趨勢不一致，吳旗站顯著增加，劉家河站顯著減少，志丹站減少趨勢不顯著（表1）。此外，M-K突變點(diǎn)檢驗(yàn)表明，3站年徑流深、年基流深、年地表徑流深的突變年份均為2002—2003年（表1）。

2.2土地利用變化

1980—2010年，北洛河上游林草面積增加，植被覆蓋度顯著提高，特別是在2000—2010年期間。1980—1989年，研究區(qū)林、草地面積占比分別增加?1.0%、0.8%；1990—1999年，林、草地面積占比分別增加0.7%、?0.5%；2000—2010年，林、草地面積占比分別增加9.7%、5.4%（表2）。2000年以后林草地面積大幅增加與1999年國家實(shí)施的退耕還林（草）工程有關(guān)。

3站以上集水區(qū)林草地面積均顯著增加，吳旗站以上集水區(qū)最為顯著。1980—2010年期間，吳旗站以上集水區(qū)林地面積由1980年的99.5km2增至2010年的692.8km2，林地面積占比從2.9%增至20.3%，增加6倍，志丹、劉家河站以上集水區(qū)林地面積占比分別從1980年的4.9%和5.7%增至2010年的7.6%和15.1%，面積增輻分別為53.5%、165.9%（表2）。相比于志丹、劉家河站以上集水區(qū)，吳旗站以上集水區(qū)林地面積增幅最為顯著。3站以上集水區(qū)草地面積占比從1980年的54.2%～56.0%增至2010年的59.7%～62.3%，面積增幅均在10%左右；而耕地面積占比從38.8%～42.7%減至19.5%～29.6%（表2）。

2.3徑流深組分演變歸因分析

為量化氣候因素及人類活動(dòng)對徑流影響的貢獻(xiàn)，以徑流深、基流深、地表徑流深突變年份為界，將整個(gè)研究期劃分為基準(zhǔn)期（P1，徑流深為1971—2003年；基流深、地表徑流深吳旗站以上集水區(qū)為1971—2002年，其余為1971—2003年）、植被恢復(fù)影響期（P2，徑流深為2004—2010年；基流深、地表徑流深吳旗站以上集水區(qū)為2003—2010年，其余為2004—2010年），采用彈性系數(shù)法計(jì)算降水、潛在蒸散發(fā)及植被恢復(fù)對于徑流深及其組分變化的貢獻(xiàn)率（表3），貢獻(xiàn)率的符號反映了影響因子（氣候和植被恢復(fù)）的變化對徑流深及其組分變化的影響方向，貢獻(xiàn)率為正代表起正向作用、為負(fù)代表起負(fù)向作用。

3站以上集水區(qū)植被恢復(fù)影響期相對于基準(zhǔn)期的降水量是減少的，且降水變化對于吳旗站基流深增加的貢獻(xiàn)率為負(fù)值（表3），表明降水的減少對于吳旗站基流深的增加起到的是負(fù)向作用；而降水變化對于志丹、劉家河站基流深減少的貢獻(xiàn)率為正值，表明降水的減少對于基流深的減少起到的是正向作用?；鞯闹饕獊碓词墙邓娜霛B補(bǔ)給，當(dāng)降水量減少時(shí)，地下水的補(bǔ)給量也會減少，從而導(dǎo)致基流深減少。同時(shí)，植被根系可以增強(qiáng)地表裂隙發(fā)育程度，且地表腐殖層可以大幅度減緩形成地表徑流的時(shí)間，使降水更多地滲入地下，進(jìn)而補(bǔ)給基流[12]。因此，3站基流深的變化受到降水減少基流補(bǔ)給以及植被增加入滲和補(bǔ)給兩方面的共同影響。同時(shí)降水過程、地形等條件也會影響基流補(bǔ)給，進(jìn)而出現(xiàn)不同站以上集水區(qū)的基流深變化趨勢不一致的現(xiàn)象。

總體上來看，植被恢復(fù)是3站徑流深、基流深、地表徑流深變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，貢獻(xiàn)率均大于50%（表3）。歸因分析發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)對吳旗站徑流深及其組分變化的貢獻(xiàn)率顯著大于志丹、劉家河站，其原因在于吳旗站以上集水區(qū)2010年的林地面積占比最大，為20.3%（表2），植被恢復(fù)狀況最好。氣候因素中潛在蒸散發(fā)對吳旗站徑流深減少的貢獻(xiàn)率大于降水，而另2站相反，說明林草地恢復(fù)程度越高，流域潛在蒸散發(fā)越高，對于徑流的影響越大。降水對于志丹站基流深減少的貢獻(xiàn)率最高，這可能與其地形地貌特征有關(guān)。志丹站以上集水區(qū)溝壑密度為3.3km/km2，明顯大于另2站以上集水區(qū)[22]，溝壑越多對降水入滲的影響越大，在研究期內(nèi)降水呈減少的情況下，基流的補(bǔ)給程度將會減小。

3討論

植被可以通過影響土壤結(jié)構(gòu)、地表蒸散發(fā)、入滲等改變流域的產(chǎn)匯流過程，進(jìn)而影響河川徑流量。目前有關(guān)植被恢復(fù)對徑流（或基流）的影響均出現(xiàn)了造林會減少、增加或不影響徑流（或基流）3種截然不同的結(jié)論[12]。本研究表明，1999年實(shí)施的退耕還林還草工程導(dǎo)致了位于半干旱區(qū)的北洛河上游徑流深顯著減少，氣候變化（降水、潛在蒸散發(fā)）的影響較小，這與前人在黃河中游地區(qū)的研究結(jié)果基本一致[13-14，23]。本研究采用基于Budyko理論的彈性系數(shù)法計(jì)算得出植被恢復(fù)對于北洛河上游徑流深減少的平均貢獻(xiàn)率為73%（表3），姜泓旭等[24]、畢早瑩等[25]在與北洛河上游流域氣候類型、地貌類型相似的孤山川流域、窟野河流域的分析認(rèn)為，植被恢復(fù)對于徑流減少的貢獻(xiàn)率為85%左右，與本研究結(jié)果基本相同。植被恢復(fù)對于吳旗站基流深、地表徑流深變化的貢獻(xiàn)率大于志丹、劉家河站（表3），這可能是因?yàn)閰瞧煺疽陨霞畢^(qū)植被恢復(fù)狀況最好，更高水平的植被恢復(fù)可能導(dǎo)致更高的徑流組分響應(yīng)[12]。

流域地表徑流往往顯著影響洪水過程，而基流是維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要組分，也是河流水資源持續(xù)開發(fā)利用的重要來源。本研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)顯著減少地表徑流，同時(shí)大量研究表明在干旱和半干旱區(qū)植被恢復(fù)不僅減少地表徑流，還可明顯削減洪峰流量[26]；本研究中植被恢復(fù)與基流的關(guān)系不一致，對于植被恢復(fù)較好的吳旗站基流呈增加趨勢，但地表徑流決定了總徑流的減少趨勢，而基流變化對總徑流的影響甚微。植被恢復(fù)在減少地表徑流的同時(shí)若增加了基流，則可以提高河流的常水位，對于河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和河川徑流的開發(fā)利用具有積極意義。因此后期應(yīng)加強(qiáng)植被恢復(fù)對地表徑流、基流的影響機(jī)制的深入研究，從河流生態(tài)和水資源開發(fā)等方面提出流域植被恢復(fù)的科學(xué)建議。

本研究中主要的土地利用變化是耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值嘏c草地，且林地增幅更為明顯。這主要是由于1999年國家提出的退耕還林（草）政策，并在該區(qū)大規(guī)模實(shí)施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃土高原地區(qū)自退耕還林（草）政策實(shí)施以后，植被覆蓋度顯著增加近1倍，同時(shí)河川徑流銳減[27]。研究表明，受全球變化影響，該區(qū)氣溫持續(xù)升高，極端干旱和暴雨事件呈增加趨勢[28]，極端水文事件勢必對流域徑流及其組分產(chǎn)生重要影響，特別是極端降雨事件可能會增加基流的補(bǔ)給[29]。

Budyko理論可以將流域內(nèi)復(fù)雜的水文過程簡化為水分狀況（降水量）和能量狀況（潛在蒸散發(fā)量）之間的平衡關(guān)系，并且將氣候條件（潛在蒸散發(fā)量）與實(shí)際蒸散發(fā)和降水量建立函數(shù)關(guān)系，該方法已在不同地形地貌、氣候區(qū)得到了廣泛使用[13]。該方法的核心是確定流域潛在蒸散發(fā)量，雖然目前已建立了以彭曼公式為代表的多種計(jì)算模型[25]，但針對不同氣候、地形、植被類型與生長階段的潛在蒸散發(fā)確定仍需加強(qiáng)。此外，本研究徑流序列為1971—2010年，土地利用數(shù)據(jù)的空間分辨率是30m×30m。該區(qū)大規(guī)模植被恢復(fù)發(fā)生于1999年，研究發(fā)現(xiàn)徑流的突變點(diǎn)發(fā)生在2002—2003年，因此徑流數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度可以有效覆蓋植被恢復(fù)的前后期。更高空間分辨率的植被覆蓋度數(shù)據(jù)有助于精確識別植被的空間分布進(jìn)而確定其潛在蒸散發(fā)，從而提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，基于Budyko理論的彈性系數(shù)法的前提是所有變量之間相互獨(dú)立，而現(xiàn)實(shí)中氣候系統(tǒng)和流域下墊面是一個(gè)整體，氣候因素與下墊面因素相互影響，會使模型產(chǎn)生一定誤差，后期可考慮引入修正參數(shù)來提高模型的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

本研究系統(tǒng)分析了植被恢復(fù)和氣候因素（降水、潛在蒸散發(fā)）對吳旗、志丹、劉家河水文站以上集水區(qū)徑流深及其組分變化的貢獻(xiàn)。主要結(jié)論如下：

（1）1971—2010年期間，吳旗、志丹、劉家河水文站年徑流深、地表徑流深均呈顯著減少趨勢，基流深除吳旗站呈顯著增加趨勢外，其余均減少。徑流深各組分突變點(diǎn)均出現(xiàn)在大規(guī)模退耕還林（草）工程實(shí)施后的2002—2003年，說明了植被恢復(fù)對徑流影響的重要性。自1999年退耕還林（草）工程實(shí)施以來，北洛河上游林草地面積大幅增加，吳旗站以上集水區(qū)植被恢復(fù)狀況最好，劉家河次之，志丹最差。植被恢復(fù)是導(dǎo)致3站以上集水區(qū)徑流深、基流深、地表徑流深減少（吳旗站基流深為增加）的主要因素，平均貢獻(xiàn)率分別為73%、74%、67%，且植被恢復(fù)程度越好，對徑流深及其組分變化的影響越大，而降水、潛在蒸散發(fā)的影響次之。

（2）植被恢復(fù)通過增加地表覆蓋來增加降水入滲，從而減少地表徑流，導(dǎo)致北洛河上游地表徑流深呈顯著減少趨勢。在半干旱的黃土區(qū)，植被恢復(fù)后植物的蒸騰作用增強(qiáng)，流域蒸散發(fā)的增加導(dǎo)致總徑流減少，而對于土層深厚的黃土區(qū)基流的補(bǔ)給機(jī)制尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，可能與流域的地形地貌（溝壑密度、坡度等因素）及植被根系導(dǎo)致的優(yōu)先流補(bǔ)給有關(guān)。