乌裕尔河1951-2015年径流量变化对扎龙盐沼演替的影响

罗金明, 王永洁, 柏 林, 刘复刚

(齐齐哈尔大学 理学院， 黑龙江 齐齐哈尔161006)

1 研究背景

湿地系统对于地表的稳定和发展具有十分重要的意义。近年来全球的湿地迅速消失引起人们格外的关注。气候干旱是导致全球湿地面积持续减少的重要原因[1]，降雨量的减少导致许多半干旱区域的河流沼泽退化成旱地[2],水量平衡的变化对下游区域土壤的盐沼演替产生显著影响[3]。20世纪50年代，埃及尼罗河上游修建阿斯旺大坝导致下游大面积沼泽变成次生盐渍化土壤[4]；20世纪60年代，我国华北地区黄淮海平原次生盐渍化发生与上游河流的截流密切相关[5]。

东北地区松嫩平原发育了我国大部分的内陆盐沼湿地[6]。近年来，本地区大面积沼泽湿地退化消失转变成盐渍化土壤。统计表明，松嫩平原西部的盐渍土面积达2.57×106hm2(占整个区域的23%)，并且近年来还在以每年2%的速度增加[7]。以黑龙江省中西部地区为例，20世纪90年代这个地区的盐渍土面积为2.43×104hm2，到2015年已经增加到2.78×104hm2。本地区土壤盐渍化发展与气候的变化以及人类活动密切相关[8]。从气候条件来看，松嫩平原中西部气候属于温带半湿润-半干旱区，年潜在蒸发量是降雨量的2～4倍，这种环境变化导致降雨量的变化直接影响本地区土壤的形成与发展演替方向。另一方面，近年来本地区受人类活动影响日益增强，大量的水利工程，使本地区难以得到流域上游来水的充分补给[9]。20世纪70年代，乌裕尔河流域上游修建水库导致其每年进入湿地的水流量从20世纪60年代的8×108m3迅速减少至近年来的不足3×108m3。来水量减少导致扎龙湿地130 km2原生芦苇沼泽湿地退化消失[8]，盐渍化区域的面积增加至1 420 km2[10]。已有研究对于本地区盐沼湿地迅速退化演变成盐渍化土壤的原因进行了分析[7-10]，但是尚缺少从流域尺度探讨流域径流的变化对于流域下游湿地退化的影响。

本研究使用Mann-Kendall检验和滑动t检验等方法，探讨了1951-2015年乌裕尔河流域径流量的变化特征以及对扎龙湿地演替的影响。研究结果有助于了解本地区湿地的退化机理，可为湿地的保护提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

本研究收集乌裕尔河流域上游(北安站，125°30′E，47°50′N)和乌裕尔河下游(扎龙湿地入口-农安桥站，124°26′E，47°35′N)近65年的径流量数据，分析流域径流的变化特征。

2.2 旱涝程度界定

根据文献[12]的研究结论，扎龙湿地5月份理想蓄水量为5.6×108m3。本文把每年5月湿地的平均蓄水量与理想蓄水量S进行比较来确定旱涝程度：

蓄水量>120%S，大涝；120%S>蓄水量>100%S，偏涝；100%S>蓄水量>75%S，正常；75%S>蓄水量>50%S，偏旱；蓄水量<50%S，大旱。

降雨量数据来自于齐齐哈尔市气象局统计数据，湿地蓄水量依据农安桥入口以及来自双阳河流入的径流量和滨州线出口水量之差得到，数据来自齐齐哈尔市水文监测局。

2.3 M-K突变检测与滑动t检验

本文使用Mann-Kendall(M-K)方法检验研究区近65年来降雨量和径流量是否发生显著变化。考虑到M-K突变检测的局限性，本文结合滑动t检验是通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变。本文选择步长为5年作为检验。使用Matlab计算M-K突变检测与滑动t检验，以<0.05作为环境变量发生显著性变化的临界水平，则M-K检测突变临界值为±1.96，而滑动t检验突变临界值为±2.46。

2.4 水体富营养化指标

本研究选用幂函数加和模型(EI)进行扎龙湿地水质富营养化特征评价[13]，探讨流域径流量的急剧减少对扎龙湿地水体富营养化的关系。水体富营养化指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、CODMn和BOD5，通过层次分析法确定各指标的权重，并得到EI指数。把水体EI分值分为以下5个等级：1级为贫营养化；2级为中营养化；3级为富营养化；4级为重富营养化；5级为极富营养化。

3 结果与讨论

3.1 降雨的变化

图1为1951-2015年扎龙湿地降雨量、M-K检验以及5年滑动t检验图。由图1(a)可以看出，扎龙湿地的降雨量在20世纪50年代初、60年代中期、70年代中期、80中期-90中期、21世纪初以及2010年以后的时间段为降雨量的低谷期，而在20世纪50年代中期、70年代末-80年代中期、1998年前后、2005年前后以及2010年前后的降雨量都在多年平均降雨量(410 mm)以上。通过M-K检验表明(图1(b))，降雨量的整个UB和UF统计变量处于波动变化的特征，并没有表现出明显的增加或者减少的趋势，并且UB和UF统计变量都在0.05显著性区间内。滑动t检验结果(图1(c))没有发现显著的突变时间节点。由此可见，近年来研究区的降雨量没有显著性的减少。

3.2 径流量变化

图2为乌裕尔河上游北安站1951-2015年径流量变化、M-K检验和5年滑动t检验图。从图2(a)可以看出，乌裕尔河上游北安站的径流量变化可以分为两个时段：20世纪50年代-20世纪70年代和20世纪70年代以后。第一个时段的平均径流量(10.48×108m3)明显高于第二个时段(6.51×108m3)(F=16.10，t<0.001)。结合M-K检验和滑动t检验的结果可知，1968-2015年上游地区的径流量比1951-1967时段显著减少。这种现象可能与20世纪50-60年代小兴安岭森林砍伐，破坏了流域发源地的产流过程相关。

从图3可见，乌裕尔河中下游(农安桥)的径流量整体上表现为震荡式减少的特征。20世纪50年代的径流量可以达到8×108m3，到20世纪60-80年代则减少至不足6×108m3，进入90年代后则迅速减少至5×108m3以下，近年来则下降至3×108m3以下。结合M-K检验和滑动t检验可知，通过农安桥进入扎龙湿地的径流量自20世纪80年代初显著减少。

图1 1951-2015年扎龙湿地降雨量、M-K检验和5年滑动t检验结果变化图

图2 北安站1951-2015年径流量、M-K检验和5年滑动t检验结果变化图

图3 农安桥站1951-2015年径流量、M-K检验和滑动t检验结果变化图

比较流域上游和下游的径流量变化特征可知，在20世纪80年代以前，湿地上游的水分能够较充分的汇入下游，然而自20世纪80年代以后，上游的水分则不能完全流入下游。乌裕尔河流域下游发育大面积芦苇沼泽湿地，维系其正常生态功能所需的60%以上水分主要靠上游径流补充[14]。当大部分上游径流难以顺畅的进入下游，必然带来下游长期缺水干旱状态，最终导致湿地功能迅速退化。

3.3 流域径流量变化对湿地蓄水量的影响

图4为北安站和农安站径流量与湿地蓄水量间的关系图。图4(a)可以看出，流域上游的径流量在1980年以前与扎龙湿地蓄水量呈现显著的正相关关系(R2=0.70，P=0.001)；但是20世纪80年代以后上游的径流量与下游湿地蓄水量几乎不相关(图4(b))。作为湿地入水口(农安桥水文站)的径流量则与湿地蓄水量呈现出显著的线性相关(R2=0.88，P=0.002)。由此可知，乌裕尔河流域上中游水环境的变化显著改变了进入下游湿地的水量，导致下游湿地的演替与上游径流量的关系显著削弱。

图5为扎龙湿地1951-2015年蓄水量图。从图5可见，20世纪80年代以前，扎龙湿地蓄水量程度几乎都属于偏湿涝状态，在20世纪80年代中后期开始几乎所有年份里湿地蓄水量都低于其理想蓄水量，自21世纪以来迅速减少至3×108m3以下，即使加上人工生态补水量部分，湿地每年总蓄水量也远远低于湿地理想蓄水量5.6×108m3，即湿地都处于干旱缺水状态。通过对研究区旱涝情况进行统计发现(图5和表1)，20世纪70年代以前气候干旱年份占33%(极端干旱事件仅2次，占9.5%)，正常年份占28.57%，湿涝年份占所统计的38%(极端湿涝事件仅2次，占9.52%)。1971-2015期间，湿地大部分年间处于干旱状态(干旱状态的年份所占比例高达70%)，湿涝年所占比例不到20%，与1951-1970年期间的旱涝分布存在显著的差异。可见，20世纪70年代以后研究区长期处于干旱缺水状态(1998例外)。

从图6可见，湿地水面面积与蓄水量呈显著正相关的线性关系(R2=0.72，P<0.05)。由于湿地蓄水量持续减少且处于干旱缺水状态，必然导致湿地发育的沼泽面积迅速减少同时导致湿地水质恶化。研究表明，自21世纪以来扎龙湿地明水面减少46%，湖泊和水库的面积减少16%[15]，本文的结果也证实了该结论。

图4 北安站和农安桥站的径流量与湿地蓄水量的关系

图5 扎龙湿地1951-2015年的蓄水量变化 图6 湿地蓄水量与明水面面积的关系

表1 研究区近65年不同干旱程度的统计结果

通过M-K检验表明UB和UF统计变量呈持续减少的变化特征(图7(a))，并且在1974和1981出现突变点，说明扎龙湿地自1980年代以后蓄水量出现显著减少；滑动t检验检测到研究区1964、1974以及2000年左右湿地蓄水量存在突变点(图7(b))。结合上述二者检测结果可知，扎龙湿地蓄水面在20世纪80年代发生了显著性减少。

综上可见，在人类活动强烈的影响下，乌裕尔河流域(包括扎龙湿地)的生态水文过程发生了显著的变化，扎龙湿地的来水量大大减少，从而导致湿地缺水越来越来严重，缺水年也明显增多，湿地长期表现出干旱缺水和退化的状态。学者Qiu[19]在《Nature》刊文预测21世纪接下来的20年里我国东北地区还将有大面积天然盐沼湿地变成“旱”地。

3.4 干旱对湿地的影响

盐沼湿地旱化的结果导致本地区发生大面积次生盐渍化现象[16-17]。图8为扎龙湿地1979-2017年近40年盐渍土面积的变化情况。从图8可知，1979年扎龙湿地盐渍土面积为170 km2，21世纪以来增加大200 km2以上，到2017盐渍化面积增加到245 km2，而且相当部分盐渍化土壤分布在湿地的核心区(图8(b))。

干旱缺水对湿地另外一个典型影响是导致湿地的水质迅速恶化[18]。表2是研究区水体富营养化指标的变化趋势。由表2可知，该地区的水体富营养化程度较严重，且逐渐趋于恶化的趋势。总氮(TN)的含量都属于IV水质标准或者V级标准。TP的含量从1993年的0.10 mg/L增加到2008年的0.34 mg/L(达到V类水质)。BOD5含量也都属于IV/V类水质。

图9从空间上揭示了扎龙湿地2011年水体综合指数特征。可见，湿地水质指数呈现从核心区向外逐渐增加的变化趋势，而且大部分区域的水质处于富营养化状态，位于湿地东部的缓冲区地带已经处于重富营养化状态。尽管，湿地核心区的水质富营养化程度较轻，但是核心区边缘地带的水质则较严重，尤其是受人类活动影响较严重的缓冲区以及核心区边缘。

图7 扎龙湿地1951-2015年蓄水量的M-K检验和5年滑动t检验结果图

图8 扎龙湿地近40年来盐渍土面积的变化特征 图9 湿地2011年水体富营养化指数的空间格局

表2 近20年来扎龙湿地水体富营养指标变化 mg/L

注：角标表示参照GB3838-2002水质标准的等级。

扎龙沼泽是黑龙江西部重要的原生芦苇沼泽湿地，同时还是包括丹顶鹤在内的多种珍稀水禽的栖息地和繁殖地。湿地的持续退化不仅影响着各种珍稀水禽种群规模，也将威胁着整个区域生态环境的安全。湿地持续干旱缺水引起的退化应该引起政府和湿地管理者的重视，增强湿地保护力度，减缓湿地退化步伐。

4 结 论

使用Mann-Kendall检验和滑动t检验方法探讨了近65年(1951-2015年)乌裕尔河流域径流量的变化对扎龙湿地演替的影响。得到如下结论：

(1)扎龙湿地迅速退化与乌裕尔河流域径流量的变化密切相关。近年来，研究区降雨量并没有显著减少，但是流域下游的径流量自20世纪80年代初出现显著性减少，并导致湿地水面面积与湿地自然蓄水量显著减少(21世纪以来扎龙湿地明水面面积减少46%)，使湿地长期处于干旱缺水状态。

(2)湿地干旱缺水导致沼泽面积迅速减少同时导致水质恶化和大面积的盐渍化土壤形成。扎龙湿地大部分水体属于富营养化水体，部分区域达到极富营养化程度，并且整体上呈现恶化的趋势。在长期干旱的胁迫下，扎龙湿地的生态功能将受到削弱甚至影响整个松嫩平原西部的生态安全。

致 谢：本论文实验过程得到了齐齐哈尔大学地理本科151班的刘垚、吴琳琳、蔡红艳、陈鑫和李叶同学的帮助，在此表示感谢。