高原内陆河流域气候水文突变与生态演变规律——以内蒙古锡林河和巴拉格尔河流域为例

张阿龙,高瑞忠*,刘廷玺,房丽晶,秦子元 ,王喜喜

高原内陆河流域气候水文突变与生态演变规律——以内蒙古锡林河和巴拉格尔河流域为例

张阿龙1,高瑞忠1*,刘廷玺1,房丽晶1,秦子元1,王喜喜2

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古 呼和浩特 010018；2.美国欧道明大学,弗吉尼亚 诺福克 23529)

以内蒙古锡林河和巴拉格尔河流域为研究对象,利用数理统计、Mann-Kendall突变检验、气候倾向法、克里金空间插值等方法,综合遥感信息解译,辨析近55a不同高原内陆河流域气温-降水-径流突变与生态演变规律,结果表明:锡林河流域干旱程度较巴拉格尔河流域剧烈,气温总体偏高,降水量、径流深偏枯,降水、径流天数偏少,且径流系数偏低;锡林河流域气温增温趋势较显著,气温突变较早,两地增温速率均大于0.2℃/10a;在年尺度,两地径流系数、降水量、径流量的突变时间、顺序、驱动因素和突变前后变化量存在较大差异;在季节尺度,两地降水空间分布差异较大;两地NDVI最大值与冬季降水分布特征趋同,均分布于上游河谷区.

高原内陆河；空间分布；突变分析；趋势变化；生态

水文气象要素时空变化与生态环境演变关系错综复杂[1],其中气温、降水和径流与生态环境演变关系最为密切[2-3].全球增温普遍、极端降水事件频繁、径流逐年锐减和生态环境演化加剧等问题日益突出[4-7].但学界对气温、降水、径流和生态环境演变研究相对割裂[8-10].随着遥感技术的发展,水文气象要素变化与生态环境演变已成为研究热点.

对气温、降水的时空分布及变化规律的研究众多[11-14],且时空尺度较大,但缺乏对天然径流的研究,忽略了子流域内径流变化对气温和降水的影响,对生态环境演变的研究主要集中在对归一化植被指数(NDVI)的变化分析上[15-19],仅分析时空演变,且对影响因素探讨单一,局限在降水量变化、湿度变化和土地利用变化等方面,未系统考虑气温、降水、径流与生态环境演变的关系,研究较为片面,缺乏年代对比,未能展示气温、降水、降水天数、径流、径流天数和NDVI的变化规律及相互关系,并且对北方高原内陆河流域水文气象要素与NDVI变化对比分析的研究更鲜有报道.

针对上述问题,本文以内蒙古巴拉格尔河流域和锡林河流域为研究对象,系统对比分析了巴拉格尔河流域和锡林河流域气温、降水、径流与NDVI指数演变规律,旨在探讨高原内陆河流域气温、降水、径流和生态环境演化趋势,揭示高原内陆河流域气温、降水、径流和NDVI间的相互关系,为生态环境保护和生态水文变化分析提供基础依据.

图1 研究区位置及气象、水文站分布

1 材料与方法

1.1 研究区概况

如图1所示,内蒙古锡林郭勒盟的巴拉格尔河和锡林河是典型的高原内陆河,流域分别位于116°21¢~119°21¢E, 43°57¢~45°23¢N和115°32¢~ 117°16¢E, 43°26¢~44°39¢N,流域面积11478km2、4794km2,均属于以针茅和羊草为主植被的典型草原,冬季干冷、夏季炎热.多年平均降水量330.3, 282.5mm,降水主要集中在5~9月;流域年均潜在蒸散量1149, 1862.89mm;平均气温2.39, 2.72℃,主要经济产业为畜牧业和少量工业[20-22].

1.2 数据来源与处理

气候数据来源于中国气象数据网(http://data. cma.cn),选用西乌珠穆沁旗站代表巴拉格尔河流域,锡林浩特站代表锡林河流域,采用两站1963~2017年同期数据,包括日平均气温,日最低气温、日最高气温、降水量、相对湿度、日照时数、风速等气象资料,经检验,气象数据无明显突变和随机变化,数据变化相对一致,数据可靠,可以代表流域气候状况.水文数据来源于内蒙古水文总局,为1963~2017年白音乌拉站(巴拉格尔河流域)和锡林浩特站(锡林河流域)的日径流序列实测数据,资料序列完整,经检验,数据可靠.CMADS(SWAT模型中国大气同化驱动集)数据,来源寒区旱区科学数据中心 (http://wastdc. westgis.ac.cn),选用研究区及周边约60个格点站(0.25°×0.25°)2008~2016年降水格点日值数据[22],数据无明显突变和随机变化,数据变化相对一致,数据可靠,可代表流域气候状况.遥感影像来源于美国地质勘探局(United States Geological Survey, USGS)数据共享网站(http://glovis.usgs.gov/)的Landsat TM/OLI 影像,时间分辨率 16d,空间分辨率为30m.

1.3 数据处理

数理统计分析采用Excel@2010软件完成;箱图采用SPSS@22软件制作;降水空间分布图通过ArcGIS@10.3软件制作;NDVI和地物类型空间分布图通过ENVI@5.5软件制作.

1.4 研究方法

1.4.1 气候倾向法 气候倾向法被广泛用于水文气象要素变化趋势分析中,将序列表示为时间t的函数[8]:

=+(1)

式中:为常数,用最小二乘法计算出时间序列的与为要素的线性趋势,为正(负)表示该要素随时间变化的有线性增加(减少)

1.4.2 Mann-Kendall检验 Mann-Kendall检验是一种常用的序列趋势和突变分析方法,优点在于计算简便,而且可以明确突变开始的时间,并指出突变区域[24].

1.4.3 克里金空间插值法 又称空间自协方差最佳插值法,考虑了要素的空间相关性,被广泛地应用于地质、水文、气象等领域的空间分布分析与模拟中,是一种常用的地质统计格网化方法[10].

1.4.4 归一化植被指数(NDVI)法 NDVI是通过遥感影像研究植被覆度、植被健康状态等的常用方法之一[17],对Landsat TM/OLI影像进行辐射校正和FLAASH大气校正,根据公式:

NDVI(NIR)(NIR) (2)

式中:NIR为近红外波段;为红外波段.去除异常值(NDVI<-1或NDVI>1),负值表示地面覆盖为云、水、雪等,对可见光高反射;0表示有岩石或裸土等,NIR和近似相等;正值表示有植被覆盖,且随覆盖度增大而增大.

2 结果与分析

2.1 气温、降水、径流年季统计特征

表1 气温、降水、径流年、季统计分析

注:“─”表示不存在.

如表1所示,锡林河流域年、季平均最低气温、平均最高气温、平均气温总体高于巴拉格尔河流域,仅秋季巴拉格尔河流域平均气温高于锡林河流域.两地多年平均温差为0.33℃,夏季平均最低气温温差最大,为1.48℃,冬季温差最小,为0.14℃;春季平均最高气温差最大,为1.70℃,冬季最小,为0.94℃;秋季平均气温温差最大,为1.56℃,冬季最小,为0.09℃.锡林河流域年、季降水量、径流深、径流系数、降水天数、径流天数均小于巴拉格尔河流域,两地夏季降水量差值最大,为26.69mm,冬季差值最小,为2.46mm;夏季径流深差值最大,为1.98mm,秋季差值最小,为0.63mm;春季径流系数差值最大,为1.55%,秋季差值最小,为0.69%;冬季降水天数差值最大,为4.6d,夏季差值最小为2.59d;秋季径流天数差值最大,为10.43d,春季差值最小,为1.4d;锡林河流域干旱程度较巴拉格尔河流域剧烈,总体气温偏高,降水量、径流深偏枯,降水天数、径流天数偏少,且径流系数较小,锡林河流域夏季降水量与春季径流深占比均高于巴拉格尔河流域.

2.2 气温的年季变化与趋势

M-K趋势突变分析表明(图2),两地气温上升显著,锡林河流域年平均气温、年平均最低气温、年平均最高气温突变均先于巴拉格尔河流域,其中年平均气温突变年份相差最长为3a.

如图3所示,锡林河流域与巴拉格尔河流域年平均气温、年平均最低气温、年平均最高气温年变化趋势相近,但锡林河流域气温总体高于巴拉格尔河流域,周期相近,约为7a.平均最低气温以1998年为极大峰值,呈现出先增后减的趋势;平均最高气温、平均气温上升趋势显著;巴拉格尔河流域平均气温极大峰(2007年)值早于锡林河流域7a,但峰值普遍小于锡林河流域.10a平均最大值平均最高气温、平均气温两地均出现在21世纪前10a,平均最低气温均出现在20世纪90年代.

图2 气温要素M-K突变检验

表2 多年气温要素趋势变化统计

注: *表示显著性水平=0.05时序列趋势显著,**为=0.01时序列趋势显著.

如表2所示,平均最低气温变化趋势锡林河流域(0.472℃/10a,=0.70)大于巴拉格尔河流域(0.296℃/10a,=0.56),突变前后气温均高于巴拉格尔河流域,突变前后温差是巴拉格尔河流域的1.46倍;平均最高气温变化趋势锡林河流域(0.257℃/10a,=0.45)略小于巴拉格尔河流域(0.278℃/10a,=0.50),但突变前后气温均高于巴拉格尔河流域,突变前后温差是巴拉格尔河流域的1.33倍;平均气温变化趋势锡林河流域(0.375℃/10a,=0.67)较巴拉格尔河流域(0.297℃/10a,=0.63)大,突变前后气温较巴拉格尔河流域高,突变前后温差是巴拉格尔河流域的1.45倍.锡林河流域10a增温率大小依次为平均最低气温(0.472℃/10a)、平均气温(0.375℃/10a)、平均最高气温(0.257℃/10a),其平均最低气温是平均最高气温的1.84倍;巴拉格尔河流域10年增温率大小依次为平均气温(0.297℃/10a)、平均最低气温(0.296℃/10a)、平均最高气温(0.278℃/10a),其平均气温是平均最高气温的1.07倍.锡林河流域气温增温趋势较巴拉格尔河流域显著,突变较巴拉格尔河流域强烈,两地平均最低气温增温显著,最高气温升温速率相对较小,增温趋势均大于0.2℃/10a.

2.3 降水量和径流量突变年、季分析

径流系数可以间接反映下垫面的变化状况,如图4所示,巴拉格尔河流域年径流系数下降较为显著,且突变发生最早,为1994a,较年径流量突变早4a,较年降水量突变早7a;锡林河流域年降水量突变发生最早,为1999年,年径流量突变次之,年径流系数突变最晚;巴拉格尔河流域年径流系数突变较锡林河流域早9a,年径流量突变较锡林河流域早3a,降水较锡林河流域晚2a,且径流减少趋势大于锡林河流域;巴拉格尔河流域与锡林河流域年径流系数、年降水量、和年径流量突变时间、顺序和驱动因数存在较大差异,径流系数、径流量下降趋势显著.

图4 年径流系数、降水量、径流深M-K突变检验

如图5所示,研究期内巴拉格尔河流域年径流系数变化较剧烈,其径流系数最大值是最小值的10倍,径流系数超过0.03共出现16次,突变前占81.3%,锡林河流域年径流系数变化相对平缓,研究期内间径流系数均小于0.03,径流系数超过0.025共出现3次,突变前占66.7%;年径流系均出现微弱的递减趋势,相关系数均在0.28以上;研究期内10a平均值巴拉格尔河流域最大值出现在20世纪60年代,锡林河流域最大值出现在20世纪90年代.

巴拉格尔河流域年降水量普遍多于锡林河流域,研究期内巴拉格尔河流域年降水量峰值大于400mm共出现9次,突变前占89%,锡林河流域年降水量峰值400mm以上共出现5次,突变前占60%;多年降水锡林河流域出现递增趋势,而巴拉格尔河流域呈现递减趋势,但相关系数均较小;研究期内10a平均值巴拉格尔河流域最大值出现在20世纪90年代,锡林河流域最大值出现在21世纪10年代,为310.03mm.

巴拉格尔河年径流深明显大于锡林河流域,研究期内巴拉格尔河流域年径流深超过10mm共出现14次,突变前占78.6%,锡林河流域年径流深10mm以上仅出现1次,且发生在突变前;多年径流两地均呈递减趋势,相关系数均超过0.21;研究期内10a平均值巴拉格尔河流域最大值出现在20世纪80年代 ,锡林河流域最大值出现在20世纪90年代.

图5 年降水、径流、多年平均、5a滑动平均值和突变前后对比

如表3所示,研究期内径流系数突变前后多年平均值巴拉格尔河流域分别为2.94%、1.90%,锡林河流域分别为1.83%、1.21% ,巴拉格尔河突变前后差值是锡林河流域的1.67倍,两地径流系数均呈递减趋势,巴拉格尔河流域气候倾向率为0.002℃/10a (=0.28),是锡林河流域的2倍.研究期内降水量突变前后多年平均值巴拉格尔河流域分别为339.64, 298.66mm,锡林河流域分别为269.56, 255.66mm,巴拉格尔河突变前后差值是锡林河流域的3.59倍.巴拉格尔河流域降水量整体呈递减趋势, 气候倾向率为4.1mm/10a (=0.08),锡林河流域整体呈递增趋势, 气候倾向率为4.630mm/10a (=0.09).研究期内径流深突变前后多年平均值巴拉格尔河流域分别为9.98, 6.39mm,锡林河流域分别为4.99,3.06mm ,巴拉格尔河突变前后差值是锡林河流域的1.86倍,两地径流深均呈递减趋势,巴拉格尔河流域气候倾向率为0.650mm/10a (=0.21),是锡林河流域递减速率的1.97倍.

表3 降水量、径流深趋势变化统计

注:*表示显著性水平=0.05时序列趋势显著,**为=0.01时序列趋势显著.

2.4 降水量和径流量突变年、季分析

选用2008~2016年CMADS气象数据对巴拉格尔河流域和锡林河流域四季降水分布进行分析,如图6所示,春季巴拉格尔河流域降水随海拔升高减少,降水由北向南逐级递减;夏季降水相对于春季最大值略向东移,最小值北移显著,由北向南呈现出先减后增的趋势;秋季降水南北差值较小,分布特征与夏季相似;冬季降水显著南移,由东南向西北呈递减趋势;春季锡林河流域降水随海拔升高减少,降水由西向东递减,夏季降水最大值南移,呈现出南丰北枯的分布特征,秋季降水东移,降水东西两极化显著,冬季降水北移,由东北向西南递减.

图6 四季降水空间分布

2.5 气温-降水-径流对比

如图7所示,锡林河流域年、季平均气温变幅较巴拉格尔河流域大,仅秋季气温低于巴拉格尔河流域,平均最高气温、最低气温巴拉格尔河流域均低于锡林河流域;两地多年年、季平均气温、平均最高气温、平均最低气温变幅冬季最大,春季次之.巴拉格尔河流域降水量较锡林河流域丰沛,巴拉格尔河流域年径流深远大于锡林河流域;春、夏季巴拉格尔河流域径流深波动较大,仅上限夏季大于春季,径流深接近锡林河流域的二倍;秋季两地径流深较小,巴拉格尔河流域多年径流系数上限接近锡林河流域的2倍,下线相近,中值较锡林河流域高1%,春、夏、秋季径流系数分布相近,且巴拉格尔河流域降水天数、径流天数中值均多于锡林河流域,但径流天数中值相近.

图7 气温、降水、径流年季变化对比分析

巴年:巴拉格尔河流域年值;锡年:锡林河流域年值;巴春:巴拉格尔河流域春季值;锡春:锡林河流域春季值;巴夏:巴拉格尔河流域夏季值;锡夏:锡林河流域夏季值;巴秋:巴拉格尔河流域秋季值;锡秋:锡林河流域秋季值;巴冬:巴拉格尔河流域冬季值;锡冬:锡林河流域冬季值

2.6 突变前后NDVI值对比

20世纪80~90年代为突变前期,21世纪10年代为突变后期,由图8、表4可知,突变后巴拉格尔河流域整体NDVI值减少,植被呈退化趋势,突变后NDVI值小于0.3的面积是突变前的28.41倍,而锡林河流域NDVI指数出现整体退化,局部改善的状态,NDVI值小于0.3的面积南移.两地NDVI指数最大值与冬季降水分布特征相似,均分布于上游河谷区.

表4 突变前后NDVI指数分布面积变化分析

2.7 讨论

锡林河流域与巴拉格尔河流域气温、降水、径流变化均符合全球变化规律[8,11,21-22],两地共处同一气候带,平均气温相近,但锡林河流域温差明显大于巴拉格尔河流域,且降水量、径流深、径流系数、降水天数、径流天数均小于巴拉格尔河流域,其差异性主要由于地理位置[10-11]、地形地貌[20,22-23]、土地利用[15,23]、土壤类型[14,23]和人类活动强度等[21,25-26]因素造成.锡林河流域气温突变整体早于巴拉格尔河流域,增温速率和突变前后温差均大于巴拉格尔河流域,而降水、径流突变略晚于巴拉格尔河流域,气温突变年份与梁珑腾等[11]对北方地区突变的研究相近,降水突变年份较高瑞忠等[21]对巴拉格尔流域的研究晚3a,较王威娜等[26]对锡林河流域的研究晚1a,径流突变年份与白勇等[27]对巴拉格尔流域的研究一致,较于婵等[20]对锡林河流域的研究晚3a,突变期不同可能原因是研究选取的时间尺度不同所致,学界把气温、降水突变主要原因归为太阳活动[28-29]、北大西洋年际振荡增强、东亚地区冬季气旋/反气旋活动及寒潮的变化等自然因素[29],未考虑生态环境退化对气温、降水的扰动,未能为生产实践活动提供科学的指导;而径流突变普遍认为是人类活动造成[20-21,26-27],突变前后巴拉格尔河流域NDVI<0和0.6

巴拉格尔河流域和锡林河流域上游土地覆盖以草地为主,林地、耕地星点分布,水文气候变化和土地利用变化会引起年平均径流量减少[23,34],造成两地NDVI值变化差异较大[32].本文对巴拉格尔河流域和锡林河流域气温、降水、径流和NDVI进行了系统的分析,对整个流域长期气温、降水、径流和NDVI的相互作用和变化规律分析存在一定的局限性.

3 结论

3.1 巴拉格尔河流域降水、径流量丰于锡林河流域,且突变前后变化较为强烈,其生态环境退化速率相对剧烈.

3.2 20世纪80年代后期到21世纪前10年气温、降水和径流量突变、气温显著升高,降水、径流量锐减,NDVI指数下降,气象干旱加剧.

3.3 不同地形地貌、土地利用方式、人类活动(放牧、煤矿开采、水资源开发利用等)强度等因素的影响,造成区域气候变化、地下水蓄变、土壤水运动和生态演变的规律发生改变.

3.4 从气温、降水、径流与NDVI指数变化上分析,两地均呈现出由气象干旱向水文干旱过度的趋势.

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Identification on hydrometeorology mutation characteristics and ecological evolution pattern of the plateau inland river basin—taken Xilin river and Balager river of Inner Mongolia for instance.

ZHANG A-long1, GAO Rui-zhong1*, LIU Ting-xi1, FANG Li-jing1,2, QIN Zi-yuan1, WANG Xi-xi2

(1.Institute of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2.Old Dominion University, Norfolk 23529, USA)., 2019,39(12)：5254~5263

Taking Xilin River Basin and Balager River Basin of Inner Mongolia as typical plateau inland river basins, we analyzed the hydrometeorology mutation characteristics (e.g. air temperature, precipitation and runoff), ecological evolution pattern (e.g. normalized difference vegetation index (NDVI)), and their relationship in the past 55years. Based on methods of mathematical statistics, Mann-Kendall test, climate tendency, Kriging spatial interpolation and remote sensing interpretation, the results showed compared with Balager River Basin, Xilin River Basin has a higher degree of drought, higher air temperature, smaller precipitation and runoff depth, less precipitation days and runoff days, lower runoff coefficient. In Xilin River Basin, the air temperature showed a more dramatic increasing tendency and earlier mutation year. The warming rates in both regions were beyond 0.2℃/10a. At annual scale, there were substantial difference in the mutation time and the sequence, driving factors and change values of before and after mutation time for the runoff coefficient, precipitation, and runoff between these two regions. The spatial distributions of seasonal precipitation were different between the two places exist different. The maximum NDVI of the two places were similar to the spatial distribution characteristics of winter precipitation, i.e., concentrating in the upper river valleys.

plateau inland river；spatial distribution；mutation analysis；trend；ecology

X16

A

1000-6923(2019)12-5254-10

张阿龙(1992-),男,内蒙古呼和浩特市人,内蒙古农业大学硕士研究生,主要从事干旱半干旱地区水文、土壤、植被关系及化学特征方面的研究.

2019-05-24

国家自然科学基金资助项目(51969022);内蒙古自然基金项目(2018MS05006);内蒙古自治区科技计划项目(2019)

* 责任作者,教授, ruizhonggao@qq.com