未來氣候變化下嫩江流域生態(tài)流量與生物多樣性演變預估

摘要：分析嫩江流域未來氣候變化下的生態(tài)流量變化和生物多樣性演變，為流域水資源管理和水生態(tài)系統(tǒng)保護提供科學依據(jù)。以嫩江流域為研究對象，以大賚水文站近55年的日徑流量數(shù)據(jù)和基于CMIP6氣候情景數(shù)據(jù)，利用率定后的 HYDROTEL模型，在模擬未來日徑流量的基礎上，采用水文變異指標法評估未來生態(tài)流量、環(huán)境流量和生物多樣性的變化。研究表明，與歷史時期比較，在未來SSP126、SSP370和SSP585這3種氣候情景下，嫩江流域水文指標將發(fā)生較大改變，來水不確定性增大，生態(tài)流量穩(wěn)定性降低， SSP126和SSP370情境下總改變程度分別為69%和75%。環(huán)境流枯水流量事件和高脈沖流量事件頻率在不同情景下均有增加，SSP126情景下增加3.23%和0.54%，SSP370情景下增加7.56%和0.38%，SSP585情景下增加8.01%和1.02%。嫩江流域環(huán)境流組成中大部分流量過程歸入枯水流量和高流量脈沖事件，流量變化范圍縮小，組成趨于單一。與歷史時期比較（生物多樣性指數(shù)均值為0.29），未來氣候變化下，嫩江流域生物多樣性呈增加趨勢，在SPP126、SSP137和SSP585情景下生物多樣性指數(shù)均值分別為0.39、0.36和0.37。

關鍵詞：生態(tài)流量；環(huán)境流量；氣候變化；生物多樣性；嫩江流域

中圖分類號：TV211.1；X143" " " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2026）02-0082-09

生態(tài)流量研究始于1940年，最初主要集中在探索魚類生長繁殖與河流流量的關系，以緩解水利工程建設和水資源開發(fā)利用對漁業(yè)生產(chǎn)的影響（Acreman et al，2004）。隨后，河流生態(tài)需水理論開始萌芽，學者們陸續(xù)提出了河道內(nèi)流量、最小流量以及環(huán)境流量等概念，生態(tài)流量研究受到了管理部門和學術領域的普遍關注。近年來，流域尺度的生態(tài)流量逐漸引起學者們的關注，河流生態(tài)流量保障逐漸成為流域水資源管理的重要內(nèi)容之一（Poff et al，2013；邴建平等，2023；張輝等，2022）。流域生態(tài)流量是指確保流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定健康且滿足人類發(fā)展需要的流量，其更關注河流流量與生態(tài)系統(tǒng)保護、維持和完整性恢復的關系（田震等，2023）。經(jīng)過不斷探索和研究，河流生態(tài)流量的評價方法也不斷發(fā)展，如變異范圍法、水文時間變異檢驗法和Tennant法等。有效評估流域水文情勢及河流和環(huán)境流量的變化，對維護流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定健康有著重要意義。

河流生態(tài)流量涵蓋水文情勢和環(huán)境流量2個方面。在氣候變化和高強度的人類活動影響下，全球水文系統(tǒng)發(fā)生了明顯改變，導致河流的水文情勢、環(huán)境流量組分和生物多樣性的改變，流域生態(tài)系統(tǒng)完整性受到的影響日益加?。ㄍ醮箅p等，2023）。由于生物多樣性與河流生態(tài)系統(tǒng)的多功能性密切相關（王凱等，2022；Sun et al，2017），開展氣候變化下流域生態(tài)流量和生物多樣性影響評估，成為保護流域生態(tài)系統(tǒng)的新需求，也越來越受到國內(nèi)外學者的關注。劉綠柳等（2021）研究了氣候變化下黃河流域生態(tài)流量的變化，發(fā)現(xiàn)在未來氣候下，人類活動將會對黃河流域產(chǎn)生徑流量減少等負面影響。李澤君等（2021）研究了變化環(huán)境下韓江生態(tài)流量演變特征，發(fā)現(xiàn)未來氣候下生態(tài)流量對氣候變化的響應將更加敏感。綜合國內(nèi)外研究，目前缺乏對未來多種氣候變化情景下流域水文演變和生態(tài)效應的探討。已有研究多集中在單一氣候條件下的模擬分析，對未來氣候變化下生態(tài)流量、環(huán)境流量和生物多樣性變化的研究較為有限。此外，更加復雜多變的氣候條件會給流域生態(tài)流量、環(huán)境流量變化及生物多樣帶來更多不確定性，因而迫切需要深入探究多氣候變化情景下生態(tài)流量和生物多樣性的演變規(guī)律。

為此，本文選擇嫩江流域為研究區(qū)，利用嫩江流域出口控制斷面水文站——大賚水文站近55年的日徑流量數(shù)據(jù)和CMIP6氣候情景數(shù)據(jù)，采用HYDROTEL模型模擬未來日徑流量數(shù)據(jù)，在計算水文改變程度指標、環(huán)境流指標和生物多樣性指標的基礎上，綜合分析嫩江流域未來氣候變化下的生態(tài)流量變化和生物多樣性演變，以期為未來氣候下嫩江流域的水資源管理和水生態(tài)系統(tǒng)保護提供科學依據(jù)。

1" "材料與方法

1.1" "研究區(qū)概況

嫩江是松花江的北源，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)大興安嶺-伊勒呼里山的中段南側(cè)。嫩江干流流經(jīng)黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省的交界地帶，最后在肇源縣茂興鎮(zhèn)當權村三岔河與松花江南源匯合為松花江。嫩江全長1 370 km，流域面積29.7萬km2，多年平均流量823.4 m3/s，年均徑流總量200億m3。嫩江流域徑流量的年內(nèi)和年際變化較大，每年的1、2、3、11、12月是枯水和枯冰期；4、5、6、10月是平水期；7—9月份是豐水期。此外，嫩江流域也是多種水生生物和野生動物的棲息地，魚類資源十分豐富。嫩江流域區(qū)域位置如圖1。

1.2" "研究數(shù)據(jù)

選取嫩江流域大賚水文站1963—2018年的日徑流量作為歷史時期數(shù)據(jù)，以第6次耦合模式比較計劃（CMIP6）氣候情景數(shù)據(jù)為驅(qū)動（趙宗慈等，2016），采用HYDROTEL模型模擬未來氣候變化下2025—2100年的日徑流量。

選取CMIP6中的不同共享社會經(jīng)濟路徑（shared socioeconomic pathways， SSP）（張麗霞等，2019）中的SSP126、SSP370和SSP585情景數(shù)據(jù)，以此驅(qū)動HYDROTEL模型（周天軍等，2019），研究3種氣候變化情景下嫩江流域的生態(tài)流量和生物多樣性的變化。3種情景模式詳細信息見表1。

1.3" "研究方法

基于歷時和模擬的日徑流量數(shù)據(jù)，計算水文情勢改變指標、環(huán)境流指標和生物多樣性指數(shù)，對比分析歷史時期和不同SSPs情景下模擬的3個指標的差異性。從水文情勢改變指標和環(huán)境流指標分析生態(tài)流量的變化，從生物多樣性指標視角分析生物多樣性的演變（周毅等，2017a）。

1.3.1" "HYDROTEL" "水文模型 利用率定和驗證后的HYDROTEL模型在嫩江流域開展未來氣候變化下日徑流模擬。HYDROTEL是一個分布式水文模型，主要由氣象數(shù)據(jù)插值模塊、積雪模塊、凍土模塊、蒸散發(fā)模塊、垂向水量收支平衡模塊、陸面產(chǎn)匯流模塊和河道徑流模塊組成。吳燕鋒等（2019）在嫩江流域構建了耦合濕地模塊的HYDROTEL水文模型，在率定和驗證期間的納什系數(shù)分別達到0.74和0.72，克林效率系數(shù)分別達到0.79和0.78，顯示出該模型在嫩江流域有較好的適用性。本研究基于吳燕鋒等（2019）已構建的模型，以CMIP6的3種排放情景數(shù)據(jù)為驅(qū)動，開展未來氣候變化下日徑流模擬。

1.3.2" "水文情勢改變指標" "水文情勢指標可以表征流域流量基本特征與生態(tài)環(huán)境的關系。Richer等（1998）總結(jié)了33個水文改變指標（indicators of hydrologic alteration，IHA），用于反映河流流態(tài)年內(nèi)及年際特征變化，在河流生態(tài)流量管理和天然水文情勢保障方面應用廣泛。IHA 涵蓋了 5 組共 33 個水文指標（Zhang et al，2014；Chen et al，2010），這些指標體現(xiàn)了徑流量的量級、出現(xiàn)時間、持續(xù)時間、頻率等水文特征。由于嫩江流域并未出現(xiàn)日徑流量斷流的現(xiàn)象，因此無需考慮“斷流天數(shù)”這一水文指標。其余32個水文指標如表2。

采用32個IHA指標反映河流的水文情勢狀況，并從流量、時間、頻率、延時以及變化率5個方面來反映河道水文情勢。為了量化水文指標的改變程度，在IHA的基礎上引入變動范圍法（RVA）（米瑋潔等，2024；Jiang et al，2014），將未來時期各指標發(fā)生頻率的75%和25%作為滿足流域生態(tài)需求的變動范圍，其改變度計算公式（Shiau et al，2007）為：

[Dm=Nm?NεNε×100%]" " " " " " " " " " " ①

式中：Dm為第m個IHA指標的改變程度；Nm為第m個IHA指標在變化后實際落于RVA閾值內(nèi)的觀測年數(shù)；Nε為第m個IHA指標在變化后預期落于RVA閾值內(nèi)的年數(shù)。

當Dm值為0～33%時為無改變或者低改變；33%～67%時為中度改變；67%～100%時則為高度改變。

1.3.3" "環(huán)境流指標" "環(huán)境流指標可以表征流域流量變化過程中對生態(tài)環(huán)境的影響。環(huán)境流組成包括枯水流量、特枯流量、高流量脈沖、小洪水和大洪水5種流量事件，一共34個環(huán)境流指標（Richter，2007）。選擇歷史時期和未來時期前后環(huán)境流指標離散系數(shù)和偏差系數(shù)對嫩江流域環(huán)境流組成進行分析。

離散系數(shù)（CD）可以反映與均值的偏離程度，其計算公式（周毅等，2017a）如下：

[CD=H?L/M]" " " " " " " " " " " " "②

式中：CD為離散系數(shù)；H、L、M分別代表水文序列的第75、25和50百分位數(shù)。

偏差系數(shù)（DF）可以反映兩個時期前后各指標相較于影響前的偏差（周毅等，2017a），計算公式為：

[DF=D0?D1/D0]" " " " " " " " " " "③

式中：[DF]為偏差系數(shù)；D0和D1分別代表干擾前后各環(huán)境流指標值。

1.3.4" "生物多樣性評價指標" "生物多樣性指標（SI）可以反映流域生態(tài)環(huán)境變化下生物多樣性和豐富度。為了使生物多樣性與IHA指標建立聯(lián)系，Yang等（2008）運用遺傳規(guī)劃法，選擇IHA指標作為水文變量，構建了生物多樣性指標與IHA中7個指標的公式（程俊翔等，2018；周毅等，2017a）。

SI = [Dmin/Min7+DminQ3+Q5+Min3+2Max3]+Rrate" ④

式中：SI為生物多樣性指標，其值越大表示生物多樣性越豐富；Dmin為最小流量的儒略日；Q3、Q5分別為3月和5月的月平均流量， m3/s；Min3、Min7分別為年最小3 d和7 d平均流量， m3/s；Max3為年最大3 d平均流量，m3/s；Rrate為漲水速率。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "未來氣候下水文情勢變化

利用IHA-RVA法計算了在SSP126、SSP370和SSP585情景下大賚水文站32種水文指標改變程度（圖2）。在SSP126情景模式下，嫩江流域共有10個水文指標發(fā)生低度改變，6個中度改變，16個高度改變，總改變度為69%；在SSP370情景模式下，嫩江流域共有8個水文指標發(fā)生低度改變，8個中度改變，16個高度改變，總改變度為75%；在SSP585情景模式下，嫩江流域共有11個水文指標發(fā)生低度改變，8個中度改變，13個高度改變，總改變度為66%。

在SSP126情景模式下，嫩江流域有11個月平均流量呈增加趨勢，只有9月是下降趨勢；在SSP370和SSP585情景模式下，嫩江流域皆有10個月平均流量呈增加趨勢，只有7和10月是下降趨勢。

2.2" "未來氣候下環(huán)境流量變化

SSP126情景模式下，嫩江流域大洪水事件減少，枯水流量和高流量脈沖事件增多，無特枯流量事件發(fā)生；SSP370情景模式下，流域大洪水事件發(fā)生頻率變化很微小，枯水流量事件和高流量脈沖事件發(fā)生頻率增加，小洪水事件增加，沒有特枯流量事件發(fā)生；SSP585情景模式下，大洪水事件增加，且會出現(xiàn)1次極大的峰值，小洪水事件發(fā)生頻率降低，枯水流量和高流量脈沖事件發(fā)生頻率增加，沒有特枯流量事件發(fā)生（圖3）。在SSP126情景模式下，嫩江特枯流量事件為0，枯水流量、高流量脈沖、小洪水事件分別增加3.23%、0.54%、5.73%，大洪水事件減少0.89%；SSP370 模式下，特枯流量事件為 0，枯水流量增加7.56%，高流量脈沖、小洪水事件分別增加0.38%、4.39%，大洪水事件減少1.33%。SSP585 模式下，特枯流量事件為0，枯水流量增加 8.01%，高流量脈沖、小洪水、大洪水事件分別增加1.02%、0.25%和0.42%。

由IHA及偏離系數(shù)、偏差系數(shù)計算可知（圖3），未來氣候下，環(huán)境流趨于單一，流量變化范圍縮小，枯水流量和高流量脈沖事件集中。SSP126模式下，1、4、5、10月的枯水和高流量脈沖事件的頻率及持續(xù)時間變化較大；SSP370模式下，1、5、10、11、12月的相關指標變化較大；SSP585模式下，1、5、10、11月的相關指標變化較大。

2.3" "未來氣候下生物多樣性變化

SPP126、SSP370和SSP585情景下，嫩江流域SI平均值分別為0.39、0.36和0.37，高于歷史時期平均值（0.29）。在3種情景模式下，受氣候徑流影響，嫩江流域生物多樣性指數(shù)波動較大，均值都比歷史時期大，但總體增長幅度較小（圖4）。從SI平均指數(shù)看，3種情景模式對嫩江流域的影響程度為SSP126gt;SSP585gt;SSP370（圖5）。

3" "討論

氣候變化會影響河道生態(tài)流量，進而影響生物多樣性的復雜性和豐富性。在未來氣候的3種情景模式下，嫩江流域水文指標都發(fā)生了50%以上程度的改變，月平均流量減少，來水不確定性增大，嫩江流域生態(tài)流量的穩(wěn)定性降低。周毅等（2017b）認為，黃河流域水文情勢指標發(fā)生較大改變，會對流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。在這種情境下，水文情勢變化對水生生物的影響也將進一步增強。水質(zhì)、水溫等條件會隨水文情勢改變，進而影響流域水環(huán)境狀況，影響水生生物的生存和繁殖（李建等，2013；Gooseff et al，2017）。因此，未來氣候變化影響下，嫩江流域的水生生態(tài)環(huán)境將發(fā)生顯著變化，進一步改變嫩江流域河道生物多樣性的組成。

環(huán)境流組成的變化會影響生物棲息地環(huán)境，尤其是對處于食物鏈頂端的魚類影響最為明顯。在未來環(huán)境3種不同情景模式下，嫩江流域的環(huán)境流組成發(fā)生了明顯的變化。其中，枯水流量和高流量脈沖事件的頻率和持續(xù)時間變化程度較大。這是由于降水的持續(xù)時間、頻次和強度在很大的程度上決定了區(qū)域或流域河道流量的大小及其演變。Wu等（2022；2023）發(fā)現(xiàn)，未來氣候變化下嫩江流域極端降水事件的頻次和強度將大幅增加，其中水文干旱和洪水的頻次、持續(xù)時間也會進一步增加。因此，不斷增多的極端水文事件可能是導致枯水流量和高流量脈沖事件的頻率與持續(xù)時間發(fā)生明顯變化的主要原因。環(huán)境流組成趨于單一化會對下游生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，阻礙魚類產(chǎn)卵 （魏卿等，2019）。此外，流域水生生物的健康也與環(huán)境流事件的發(fā)生時間、頻率和持續(xù)時間緊密相關（王鴻翔等，2019；方春明等，2014）。因此，嫩江流域環(huán)境流中枯水流量事件和高流量脈沖事件增多，會降低流域水域溶解營養(yǎng)物質(zhì)的能力，進而改變水生生物的生態(tài)環(huán)境，影響水體營養(yǎng)物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化，最終影響魚類的繁殖和棲息。

在未來環(huán)境3種不同情景模式下，嫩江流域的生物多樣性指數(shù)增加，但增幅較小。氣候變化對生物多樣性影響顯著，涉及物種的分布、生理、行為、物候、遺傳、入侵和滅絕等方面（Bellard et al，2012）。此外，嫩江流域的物種豐富度和均勻度將提高，可能導致流域的物種組成發(fā)生變化。然而，由于生態(tài)流量的改變，對氣候變化敏感或不適應的物種會大幅度減少或消失，而適應或抗逆性強的物種則會增加或擴散，最終改變嫩江流域生物多樣性的格局。

科學合理的水文調(diào)控可以在很大程度上緩解氣候變化導致的水文指標改變所帶來的負面影響。一方面，借助現(xiàn)有的基礎設施（如干流和支流的水庫大壩），充分發(fā)揮其水文調(diào)蓄功能，優(yōu)化水資源調(diào)度，最大程度保障維系河道生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)流量；另一方面，充分運用基于自然的水資源解決方案（如利用大量的沼澤濕地）（Wu et al，2021），依托國家河湖復蘇工程，實現(xiàn)基于綠色-灰色基礎設施的嫩江流域水資源綜合管理，滿足流域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展所需的水文情勢。

探究未來氣候變化下的流域生態(tài)流量變化，并對生物多樣性進行預估，可為流域的水資源管理和水生態(tài)系統(tǒng)保護提供科學依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實意義。本文對未來氣候的變化情景僅基于HYDROTEL模型模擬的未來日均流量，較少考慮極端或突發(fā)氣候情景，這些問題對生態(tài)流量和生物多樣性的影響值得進一步研究和分析。此外，SI指數(shù)主要用于表征魚類的生物多樣性，無法涵蓋微生物、藻類、水生高等植物、各種無脊椎動物和脊椎動物等其他水生生物。因此，后續(xù)需要采用實際采樣與數(shù)值模型相結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析生態(tài)流量變化對水生生物多樣性的影響機制。

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（責任編輯" "鄭金秀）

Changes in the Ecological Flow and Biodiversity of Nenjiang River Basin Under Future Climate Scenarios

MA Qiusheng1，2， CHEN Mo1，2， SUN Jiahao1，2， ZHANG Qingsong1，2， WU Yanfeng3

（1. School of Hydraulic and Electric Power， Heilongjiang University， Harbin" "150080， P.R. China;

2. Institute of Groundwater in Cold Region， Heilongjiang， Harbin 150080， P.R. China;

3. Northeast Institute of Geography and Agroecology， Chinese Academy of Sciences，Changchun" "130102， P.R. China）

Abstract：Climate change alters runoff， which subsequently effects ecological flow and biodiversity. As a result， the assessment of climate change impacts on ecological flow and biodiversity in river basins is now required for protecting river basin ecosystems. However， the extent of these changes remains largely unknown and has increasingly attracted the attention of researchers at home and abroad. In this study， the Nenjiang River basin was selected for study， and we comprehensively analyzed changes in ecological flow， environmental flow and biodiversity over the 75 year period 2025-2100 using the hydrological variability index method. Based on daily runoff data from Dalai Hydrological Station from 1963 to 2018， our calibrated HYDROTEL model was used to simulate the daily runoff under the CMIP6 climate scenarios （SSP126， SSP370 and SSP585）. Changes in the indicators of hydrological alteration， environmental flow， and biodiversity were then calculated and used to comprehensively assess the changes in ecological flow and the evolution of biodiversity in the Nenjiang River basin under the three future climate scenarios. The hydrological indicators changed markedly under the future climate scenarios compared with the historical period： the uncertainty of water inflow increased， and the stability of ecological flows decreased. The changes in hydrological indicators were 69% under scenario SSP126 and 75% under scenario SSP370. The frequency of low-flow events and high pulse flow events of ambient streamflow increased by 3.23% and 0.54% under scenario SSP126， by 7.56% and 0.38% under scenario SSP370， and by 8.01% and 1.02% under scenario SSP585 scenario. Most of the flow processes in Nenjiang River basin were classified as dry flow and high flow pulse events， and the range of flow change decreased， presenting a gradual homogenization of environmental flow. Compared to the historical period， with a mean biodiversity index of 0.29， biodiversity in the Nenjiang River basin increased under future climate scenarios， with mean biodiversity indices of 0.39， 0.36 and 0.37， respectively， under climate scenarios SPP126， SSP137 and SSP585. This study provides a scientific basis for water resource management and aquatic ecosystem protection in the Nenjiang River basin as climate changes.

Key words： ecological flow; environmental flow; climate change; biodiversity; Nenjiang River basin

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2021YFC3200203）；國家自然科學基金（421010514，42207088）。

作者簡介：馬秋生，1997年生，男，碩士研究生，主要從事水文與水資源方面研究。E-mail：846842247@qq.com

通信作者：陳末，1989年生，博士，副教授，主要從事水文與水資源方面研究。E-mail：chenmocc12@163.com