變化環境下疏勒河中上游水文要素演變規律及生態響應

王 歡，劉九夫，3，馬樂軍，謝自銀

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210029;2.南京水利科學研究院，江蘇南京210029;3.水利部應對氣候變化研究中心，江蘇南京210029；4.河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098)

0 引 言

植被是陸地生態系統中最活躍的因子，覆被變化對生態環境變化具有指示作用。干旱半干旱區作為全球生態環境脆弱地帶，其植被覆蓋變化對全球變化的響應具有強烈的敏感性，成為全球環境變化與可持續發展研究的重點區域之一[1]。正確理解變化環境下西北干旱區水資源量的形成、轉化和水循環過程對生態系統穩定性的影響，分析揭示水文情勢和水文變量的長期演變和變化情況，對干旱區水資源評價以及生態保護等具有重要意義。

趙芳芳等[2]采用實驗方法驗證了植被變化是多數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節作用。雖然，國內一些學者[4-10]對疏勒河流域生態景觀、覆被變化以及生態需水等做了大量研究，但上述研究成果多反映區域生態現狀，并未揭示區域內水文要素與生態的耦合關系。鑒于此，本研究通過對生態敏感區疏勒河流域的降水、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系，為變化環境下區域水資源規劃和生態修復提供依據。

1 研究區與資料

1.1 研究區概況

疏勒河是河西走廊-阿拉善內流區消亡于沙漠的河流，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，發源于青海省天峻縣蘇里鄉祁連山中的崗格爾肖合力峰，河源區高程4 900 m，干流流經青海天峻縣，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，站點以上集水面積分別為1.8×104、1.1×104km2，流域內地勢由東南向西北降低。研究區北部屬中溫帶阿拉善與河西走廊干旱區、中部屬柴達木盆地與昆侖山北翼高原溫帶干旱區、南部屬祁連青東高山盆地高原溫帶半干旱區，多年平均氣溫2～6 ℃。流域內多年平均年降水量50～400 mm，東南部山區達300 mm以上；流域內多年平均年徑流深3～150 mm，東南部山區達100 mm以上，研究區徑流的主要補給源有降水、冰雪融水和山區地下水。區內有大2型水庫昌馬水庫，總庫容1.9×108m3；主要灌溉昌馬灌區。

1.2 資料來源與研究方法

本研究選取玉門鎮和托勒氣象站1959年～2016年的觀測數據，資料引自中國氣象科學數據庫；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年的水文觀測數據，分析疏勒河中上游水文要素的趨勢變化和演變規律；采用了MODIS衛星產品MOD13A3 2000年～2016年8月份數據計算研究區植被覆蓋指數。本文采用M-K檢驗[11]、線性趨勢分析[12]、距平累計[13]、相關分析、空間分析法等方法對研究區年徑流、降水、氣溫和植被覆蓋指數的演變規律及相互關系進行定量分析，旨在揭示干旱半干旱區內人類活動、氣候演變以及植被變化的規律，為生態水文模型互饋機制的建立奠定基礎。

2 結果與分析

2.1 水文情勢變化特征

在全球氣候變化驅動下，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。研究區年氣溫最低值出現在20世紀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勢；而1983年至1997年降水量持續減少，出現近60年來年降水量最低值114.55 mm；1997年以后降水呈現突變型增長。上游山區降水量漲幅明顯高于中游平原區，同時上游山區降水量變率也高于中游平原區。上游山區對氣候變化響應更為敏感。

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，水熱條件對生態系統格局十分重要，研究水熱效應是否同期對地區生態環境意義顯著。玉門鎮站降水與氣溫相關關系為0.116，未通過置信水平0.05相關性檢驗，兩者之間關系弱；托勒降水與氣溫相關關系為0.439，通過置信水平0.01相關性檢驗，兩者之間存在相關關系。熱力學條件對降水有著密切關系[15]，因此進一步深入探討降水與氣溫之間的關系對干旱半干旱區生態環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上升趨勢，從徑流的年際波動來看，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大量徑流資源。根據M-K趨勢和突變點檢驗得出，中上游徑流在2006年到2010年發生突變，而上游徑流在1997年發生突變(見圖2)。

疏勒河中上游降水與徑流相關關系為0.486，通過置信水平0.01相關性檢驗，兩者之間存在相關關系；疏勒河上游降水與徑流相關關系為0.674，通過置信水平0.01相關性檢驗，兩者之間顯著相關。相較于上游，中游人類活動對徑流變化貢獻更大。

2.2 植被覆蓋變化特征

利用植被覆蓋指數(NDVI)每年8月均值數據，討論2000年～2016年植被長勢旺盛時節疏勒河植被覆蓋度統計直方及空間分布情況見圖3和圖4。流域內總體植被覆蓋較差，其中荒漠區占主導，生態穩定性差。流域內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影響植被覆蓋良好。中游荒漠區NDVI均值小(<0.1)，約占全區面積14%，上游山地針葉林、草原區以及昌馬灌渠NDVI均值較高(>0.4)，約占研究區面積8.2%。區域內NDVI不同值統計分布情況見圖5，研究區NDVI分布主要集中在0.07～0.25，占比51%，這塊區域主要為荒漠草原區。

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年發生突變，上游在2004年、2005年和2010年～2013年發生突變。選取NDVI均值最低和最大年份2001年和2016年分析，結果顯示，2016年NDVI小于0.15的區域明顯減小，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關系

注：表中*表示通過95%置信度檢驗；**表示通過99%置信度檢驗。

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系

疏勒河地處干旱半干旱區，降水稀少且蒸發量巨大，生態系統脆弱。水是該區域關鍵的生態資源，是植被組成與結構的決定因素，同時植被也對水資源的分配產生重要影響。

由表1可知，中游地區降水對植被生長影響最大，而溫度與植被生長呈負相關關系；這是因為該區域昌馬灌區受人類活動影響劇烈，加之干旱區溫度升高導致蒸發增大，不利于植被生長。上游和中上游區域降水均對植被生長產生顯著影響，溫度均對植被生長影響不大，可見疏勒河區域降水是制約植被生長的關鍵因子。

天然狀態下徑流與植被生長呈正相關關系，如表1中上游區域為0.614。徑流豐沛植被生長旺盛，徑流枯竭植被萎縮，同時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業用水等人類活動，改變了植被與徑流的天然關系。

3 結論及展望

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，得出如下幾點結論：

(1)疏勒河中上游地區降水、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；疏勒河上游山區氣溫上升速率明顯高于中游平原地區，上游山區降水漲幅和變率也顯著高于中游平原區。

(2)中游降水與氣溫不相關，而上游山區降水與氣溫卻顯著相關。對于水熱同期與否的深入研究為干旱半干旱區生態環境問題的探討具有重大意義，建議后續做進一步的探討。

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

(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系顯著，其中中游相關關系最好；僅上游植被覆蓋與徑流量相關關系顯著。建議進一步分析人類活動、氣候突變對植被組成與結構的定量關系，為生態水文模型研究奠定基礎。