变化环境下疏勒河中上游水文要素演变规律及生态响应

王 欢，刘九夫，3，马乐军，谢自银

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029;2.南京水利科学研究院，江苏南京210029;3.水利部应对气候变化研究中心，江苏南京210029；4.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098)

0 引 言

植被是陆地生态系统中最活跃的因子，覆被变化对生态环境变化具有指示作用。干旱半干旱区作为全球生态环境脆弱地带，其植被覆盖变化对全球变化的响应具有强烈的敏感性，成为全球环境变化与可持续发展研究的重点区域之一[1]。正确理解变化环境下西北干旱区水资源量的形成、转化和水循环过程对生态系统稳定性的影响，分析揭示水文情势和水文变量的长期演变和变化情况，对干旱区水资源评价以及生态保护等具有重要意义。

赵芳芳等[2]采用实验方法验证了植被变化是多数流域径流变化的主要因素，从微观角度分析了植被与径流变化之间的关系。焦阳等[3]采用分布式水文模型研究了植被生长对水文过程的调节作用。虽然，国内一些学者[4-10]对疏勒河流域生态景观、覆被变化以及生态需水等做了大量研究，但上述研究成果多反映区域生态现状，并未揭示区域内水文要素与生态的耦合关系。鉴于此，本研究通过对生态敏感区疏勒河流域的降水、气温、径流情势演变和植被覆盖变化的分析，建立水文要素与植被覆盖之间的耦合关系，为变化环境下区域水资源规划和生态修复提供依据。

1 研究区与资料

1.1 研究区概况

疏勒河是河西走廊-阿拉善内流区消亡于沙漠的河流，是河西走廊三大水系之一，也是河西走廊重要的水资源补给河流。流域主要位于甘肃省酒泉市大部分和海西蒙古族藏族自治州东北部，流域面积8.3×104km2。疏勒河河长861 km，发源于青海省天峻县苏里乡祁连山中的岗格尔肖合力峰，河源区高程4 900 m，干流流经青海天峻县，甘肃肃北县、玉门市、瓜州县、敦煌市，在甘肃省敦煌市肃州镇消亡于沙漠，河口高程900 m，干流纵剖面落差4 000 m，平均比降0.267%。本文重点研究疏勒河中上游水文情势及覆被演变特征，中游和上游控制站分别为潘家庄和昌马堡水文站，站点以上集水面积分别为1.8×104、1.1×104km2，流域内地势由东南向西北降低。研究区北部属中温带阿拉善与河西走廊干旱区、中部属柴达木盆地与昆仑山北翼高原温带干旱区、南部属祁连青东高山盆地高原温带半干旱区，多年平均气温2～6 ℃。流域内多年平均年降水量50～400 mm，东南部山区达300 mm以上；流域内多年平均年径流深3～150 mm，东南部山区达100 mm以上，研究区径流的主要补给源有降水、冰雪融水和山区地下水。区内有大2型水库昌马水库，总库容1.9×108m3；主要灌溉昌马灌区。

1.2 资料来源与研究方法

本研究选取玉门镇和托勒气象站1959年～2016年的观测数据，资料引自中国气象科学数据库；收集整理了疏勒河上游及中游控制站潘家口、昌马堡水文站1959年～2015年的水文观测数据，分析疏勒河中上游水文要素的趋势变化和演变规律；采用了MODIS卫星产品MOD13A3 2000年～2016年8月份数据计算研究区植被覆盖指数。本文采用M-K检验[11]、线性趋势分析[12]、距平累计[13]、相关分析、空间分析法等方法对研究区年径流、降水、气温和植被覆盖指数的演变规律及相互关系进行定量分析，旨在揭示干旱半干旱区内人类活动、气候演变以及植被变化的规律，为生态水文模型互馈机制的建立奠定基础。

2 结果与分析

2.1 水文情势变化特征

在全球气候变化驱动下，疏勒河中上游年平均气温呈上升趋势。近60年里气温上升速率达0.3 ℃/(10 a)，明显高于全球0.12 ℃/(10 a)的平均水平[14]，是气候变化的敏感区。研究区年气温最低值出现在20世纪60年代中期为0.9 ℃，此后直至1986年，年平均气温增加幅度缓慢；1987年～1997年气温呈突变型上升至2.5 ℃，1998年后年均气温在3 ℃附近高位震荡，但升高趋势有所减弱。疏勒河上游山区气温上升速率明显高于疏勒河中游平原地带，从上游到中游气温上升率由0.36 ℃/(10 a)减少到0.2 ℃/(10 a)。

图1表明，研究区年降水量总体呈上升趋势，年降水量增加率为10 mm/(10 a)。1957年至1982年降水量呈缓慢增长态势；而1983年至1997年降水量持续减少，出现近60年来年降水量最低值114.55 mm；1997年以后降水呈现突变型增长。上游山区降水量涨幅明显高于中游平原区，同时上游山区降水量变率也高于中游平原区。上游山区对气候变化响应更为敏感。

图1 1959年～2016年疏勒河中上游降水变化及MK突变检测

在干旱与半干旱地区，水热条件对生态系统格局十分重要，研究水热效应是否同期对地区生态环境意义显著。玉门镇站降水与气温相关关系为0.116，未通过置信水平0.05相关性检验，两者之间关系弱；托勒降水与气温相关关系为0.439，通过置信水平0.01相关性检验，两者之间存在相关关系。热力学条件对降水有着密切关系[15]，因此进一步深入探讨降水与气温之间的关系对干旱半干旱区生态环境研究具有显著意义。

图2 1959年～2015年疏勒河径流年际变化、距平累积和MK突变检测

疏勒河中上游径流总体呈波动上升趋势，从径流的年际波动来看，1973年到1998年为枯水年，1998年以后为丰水年。疏勒河上游径流上升趋势比中游更为显著，中游由于昌马灌渠引水灌溉消耗了河道内大量径流资源。根据M-K趋势和突变点检验得出，中上游径流在2006年到2010年发生突变，而上游径流在1997年发生突变(见图2)。

疏勒河中上游降水与径流相关关系为0.486，通过置信水平0.01相关性检验，两者之间存在相关关系；疏勒河上游降水与径流相关关系为0.674，通过置信水平0.01相关性检验，两者之间显著相关。相较于上游，中游人类活动对径流变化贡献更大。

2.2 植被覆盖变化特征

利用植被覆盖指数(NDVI)每年8月均值数据，讨论2000年～2016年植被长势旺盛时节疏勒河植被覆盖度统计直方及空间分布情况见图3和图4。流域内总体植被覆盖较差，其中荒漠区占主导，生态稳定性差。流域内NDVI呈纬度地带性分布且空间差异明显，由东南向西北NDVI逐渐减小，昌马灌渠因人类活动影响植被覆盖良好。中游荒漠区NDVI均值小(<0.1)，约占全区面积14%，上游山地针叶林、草原区以及昌马灌渠NDVI均值较高(>0.4)，约占研究区面积8.2%。区域内NDVI不同值统计分布情况见图5，研究区NDVI分布主要集中在0.07～0.25，占比51%，这块区域主要为荒漠草原区。

图3 疏勒河中上游2000年～2016年NDVI均值

图4 疏勒河2000年～2016年8月份NDVI均值空间分布

近17年来NDVI空间格局类似，由图5和图6得出17年来流域植被覆盖逐渐变好，中游植被覆盖增长变率比上游大。中游在2005年和2009年发生突变，上游在2004年、2005年和2010年～2013年发生突变。选取NDVI均值最低和最大年份2001年和2016年分析，结果显示，2016年NDVI小于0.15的区域明显减小，详见图7，荒漠草原地带植被覆盖得到改善。

表1 2000年～2016年疏勒河中上游NDVI均值与水文要素的相关关系

注：表中*表示通过95%置信度检验；**表示通过99%置信度检验。

图5 疏勒河中上游NDVI年际变化

图6 疏勒河中上游NDVI均值MK突变检测

图7 疏勒河中上游2001年、2016年NDVI直方图

2.3 植被变化与水文要素的关系

疏勒河地处干旱半干旱区，降水稀少且蒸发量巨大，生态系统脆弱。水是该区域关键的生态资源，是植被组成与结构的决定因素，同时植被也对水资源的分配产生重要影响。

由表1可知，中游地区降水对植被生长影响最大，而温度与植被生长呈负相关关系；这是因为该区域昌马灌区受人类活动影响剧烈，加之干旱区温度升高导致蒸发增大，不利于植被生长。上游和中上游区域降水均对植被生长产生显著影响，温度均对植被生长影响不大，可见疏勒河区域降水是制约植被生长的关键因子。

天然状态下径流与植被生长呈正相关关系，如表1中上游区域为0.614。径流丰沛植被生长旺盛，径流枯竭植被萎缩，同时植被覆盖度大对截留含蓄水源作用显著。疏勒河中游灌溉与农业用水等人类活动，改变了植被与径流的天然关系。

3 结论及展望

对疏勒河中上游水文要素情势演变及植被覆盖度变化研究，得出如下几点结论：

(1)疏勒河中上游地区降水、气温及径流均呈上升趋势。其中，气温上升明显高于全球平均水平，气温突变年份为1998年，与我国西部气温突变年份一致；疏勒河上游山区气温上升速率明显高于中游平原地区，上游山区降水涨幅和变率也显著高于中游平原区。

(2)中游降水与气温不相关，而上游山区降水与气温却显著相关。对于水热同期与否的深入研究为干旱半干旱区生态环境问题的探讨具有重大意义，建议后续做进一步的探讨。

(3)疏勒河上游径流量与降水量显著相关；而因人类活动干扰，中游径流量与降水量相关性弱。干旱半干旱区人类活动对径流演变具有明显的驱动作用。

(4)近20年来疏勒河中上游植被覆盖逐渐变好，中游植被覆盖增长率高于上游，荒漠草原地带植被覆盖得到改善。

(5)疏勒河植被覆盖与降水关系显著，其中中游相关关系最好；仅上游植被覆盖与径流量相关关系显著。建议进一步分析人类活动、气候突变对植被组成与结构的定量关系，为生态水文模型研究奠定基础。