1982—2020年气候变化下草原内陆河流域植被响应特征及其对径流的影响

陈红光 ，孟凡浩* ，萨楚拉 ，罗 敏 ，王牧兰

(1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022；3.内蒙古自治区蒙古高原草原灾害与生态安全重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022)

以全球变暖为主的背景下，极端降水频发、径流锐减以及植被退化等问题日益突出，对生态系统极为脆弱的干旱、半干旱区草原内陆河流域的影响不言而喻[1]。归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)是能够反映地表植被覆盖和生长状况的有效指标，通常用来表征植被活动的强弱[2]。近些年，在气候变化和人类活动的影响下，全球植被呈显著的增长趋势。然而，植被变化不仅能影响气候，还可以通过蒸腾蒸发，故而影响流域水文循环过程[2]。水资源紧缺及草场退化对草原流域生态系统安全及可持续发展会产生重大影响。因此，了解草原区内陆河流域气候、水文变化特征，并揭示干旱、半干旱区内陆河流域植被及水资源对气候变化的响应程度，能够为生态保护和生态水文变化分析提供理论依据。

近年来，许多中国学者在部分典型大流域开展了关于植被及径流变化特征的研究[3-4]。 如李帅等[5]、刘酌希等[6]、安晨等[7]分别定量分析了气候变化及人类活动对流域径流的影响程度，发现气候变化是主控因子。上述研究涉及内容虽广泛，但对流域径流量演变趋势分析的研究仅分析时空变化，且对其影响因素探讨局限在降水气温以及土地利用变化等，未考虑气候因素、生态环境演变与径流之间的关系[8]。并且已有研究大多集中在大型流域及湿润区，很少有学者关注北方缺乏资料的干旱、半干旱区内陆河流[9]。鉴于此，本研究采用SWAT水文模型，结合数理统计法，研究变化背景下植被演变特征及其对径流的影响，以期为流域水资源开发与生态保护提供参考与借鉴。

乌拉盖河流域位于锡林郭勒盟草原(中国大草原之一)，是内蒙古最大的内陆河流域，也是内蒙古自治区重要的畜牧业基地[10]。乌拉盖河流域地处于气候变化敏感区，气候变化对该区植被生态、径流量有显著的影响。草场退化及水资源变化严重影响流域生态健康及人民的生产生活。然而，目前对乌拉盖河流域的气候和植被变化以及径流演变趋势的研究鲜有报道。因此，本研究以乌拉盖河流域为研究区，分析近40年气候变化背景下乌拉盖河流域植被响应特征及其对径流量的影响。研究结果能够为干旱、半干旱区草原内陆河流域生态保护和生态水文变化分析提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌拉盖河流域位于内蒙古锡林郭勒盟东部，地处116°20′～119°59′E，44°02′～46°42′N，是内蒙古最大的内陆河流域，流域面积为38 549.25 km2，平均海拔为990 m，相对高程差约为1 100 m(图1)。乌拉盖河发源于大兴安岭西侧的宝格达山，横贯内蒙古乌珠穆沁草原，流域内形成大片湿地和湖泊，最终注入乌珠穆沁盆地最低处索林淖尔洼地[11]。乌拉盖河流域气候类型为干旱、半干旱大陆性气候，具有降水量少、蒸发量多的气候特征。根据1982—2020年研究区附近气象资料统计，年平均降水量由东向西递减，约为250～400 mm，年平均温度约为-0.9 ℃。研究区东北部为草甸草原植被，西南部为典型草原，中部为两者过渡地带。为了明晰气候变化对乌拉盖河流域不同河段水文及植被的影响，以乌拉盖水库和胡稍庙为结点[10]，将乌拉盖河流域分为上游、中游和下游3段。

1.2 数据来源

为构建SWAT水文模型，收集了研究区的数字高程模型、5个时期土地利用数据(1980/1990/2000/2010/2020年)、土壤数据以及气象站点数据(逐日降水、最高/低气温、风速、相对湿度)。实测径流数据由1981—2003年奴乃庙水文站和2004—2012年乌拉盖水库入库水文站合成的逐月径流量资料。模型验证的积雪数据和蒸散发数据分别选择2000—2012年的MOD10A1和MOD16A2产品，时空分辨率为8 d/500 m。归一化植被指数NDVI为1982—2020年中国5 km分辨率逐月NDVI数据集[12]，根据研究区域空间范围经进一步处理后得到年尺度的NDVI数据。

1.3 研究方法

1.3.1SWAT模型建模及精度评定

由美国农业部和农业研究局开发的SWAT水文模型，能较好的模拟变化环境下的水文循环过程[7,13]。因此，本研究以站点气象数据以及遥感数据为基础，构建SWAT模型分析气候变化以及植被变化背景下的乌拉盖河流域不同河段蒸散发及水文循环过程。除径流外，本研究选取MODIS积雪和蒸散发等数据对模型模拟结果进行多目标验证，并采用纳什效率系数NSE、百分比偏差PBIAS、判定系数R2对模型模拟精度进行评价。评价指标公式如下：

(1)

(2)

R2=

(3)

式中Qiobs——实测值，m3/s；Qisim——模拟值，m3/s；Qmean——实测均值，m3/s；n——实测数据量[14]。

1.3.2线性趋势法

线性趋势法是对研究时段内的时间序列资料表现为接近于一条直线，表现为近似直线的上升和下降时采用的一种预测方法。其优点是可以定性分析趋势变化和检验序列的显著性。本研究以线性趋势法为主，以多年滑动平均法为辅助，分析乌拉盖河流域气象水文植被因素的多尺度变化特征。

1.3.3克里金插值法

克里金法原理是利用变量为基础，对未知样点进行线性无偏、最优化估计[15]。被广泛应用于各类观测的空间插值，如地质学、环境科学以及近地面气温、降水、风场等的单点观测中。本研究将此方法应用于站点气象数据从而得到气温降水空间分布图。

1.3.4M-K趋势检验法

Mann-Kendall趋势检验法(简称M-K法)是由Mann和Kendall提出并改进的统计方法。M-K检验法的优点为对样本数据无要求，其受异常值的干扰较小，计算步骤简单，是目前长时间序列分析中应用较多的一种趋势检验方法[16]。当M-K检验突变点时，检验变量S计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

秩序Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计值。通过分析曲线UBK和UFK可以表明要素变化趋势以及发生的突变年份[17]。若UBK和UFK的交点位于临界线内，该交点为突变点。

2 结果与分析

2.1 SWAT模型校准与验证

根据站点实测径流数据与模拟径流数据对比来看，径流模拟率定期及验证期评价指标NSE、R2和PBLAS分别为0.62和0.71、0.62和0.72、18.8%和8.5%。此外，通过对比MODIS数据的积雪面积、蒸散发与模型模拟的积雪面积、蒸散发，结果发现，模拟值与遥感数据拟合较好，且两者的相关系数分均高于0.8(图2)，可用于下一步的研究。

2.2 乌拉盖河流域气候变化特征

2.2.1乌拉盖河流域降水和温度变化特征

乌拉盖河流域降水量和气温的趋势变化特征见图3a、3b。乌拉盖河流域降水量以8.9 mm/10a的速率呈不显著减少，气温以0.43 ℃/10a的速率呈显著增加(p<0.01)，说明近40 a乌拉盖河流域呈暖干化趋势。此外，降水量变化特征显示90年代波动较大，此后10 a降水量一致处于较低状态(图3a)。气温呈显著的上升趋势，这与全球气候变化趋势一致[8]。通过分析M-K检验结果可以发现，降水及气温的UF和UB 2条曲线在1994年出现交点，且通过显著性检验(图3c、3d)，表明在1994年乌拉盖河流域降水和气温发生突变。

图4a、4c分别给出了乌拉盖河流域不同河段降水和气温变化趋势。不难发现，近40 a流域上、下游降水量均表现为减少趋势，而中游与其变化趋势相反(图4a)。由图4b可以看出近40 a温度在不同河段表现为较一致的增加趋势，并且增温幅度相差较小。乌拉盖河流域降水及气温分布具有明显的空间异质性。流域降水量由东向西逐渐增加。在流域上游区年均降水量达到399～457 mm(图4c)。而温度由流域西南向东北递减，整个流域中上游温度最低(图4d)。

2.2.2乌拉盖河流域蒸散变化特征

蒸散发是水量平衡与能量平衡的重要组成部分，在水分运动过程中占有重要地位，对全球及区域水循环和能量循环过程中有重要意义。图5显示了由乌拉盖河流域的SWAT模型中提取的实际蒸散发年际变化特征。可以看出，整个流域年均蒸散发约为200 mm，且呈不显著的上升趋势。从不同河段来看，流域上游蒸散量最小，最低值只有122 mm，且以2.89 mm/10a的速率减少。流域上游蒸散呈减少趋势，而中、下游蒸散呈增加趋势，增速分别为1.15、3.68 mm/10a。各河段气温和降水变化速率以及不同的植被类型均可导致蒸散量变化趋势的不同[8]。

2.3 流域气候变化对植被的影响

处于干旱、半干旱区的乌拉盖河流域主要以草地、林地和未利用地为主，并且对气候变化的响应十分敏感。分析暖干化背景下该流域植被变化对区域生态系统可持续发展尤为重要。近40 a乌拉盖河流域年均NDVI指数(归一化化植被指数)约为0.29，最大值和最小值分别出现在2018、2007年(图6a)。总体上，1982—2020年年均NDVI以0.005/10a的速率呈不显著的上升趋势，表明乌拉盖河流域植被恢复较明显。从不同河段来看，变化速率相差不大，但平均NDVI指数却不尽相同。上游NDVI在0.32～0.44波动，而下游在0.22～0.32变化。由乌拉盖河流域的NDVI指数的空间分布(图6b)发现，流域上、中游NDVI指数较高，流域下游南部地区，也就是乌拉盖戈壁NDVI指数相对较低。

1982—2020年乌拉盖河流域NDVI值数与降水、蒸散发、温度均成正相关。不同河段相关系数显示温度及蒸散发对植被影响一致，而降水量具有明显的区域差异，流域上游降水与植被成正相关，而中、下游成负相关(表1)。整个流域降水与植被变化的相关性最强，温度呈最小(图7)。而3个河段中流域蒸散发与NDVI值数的相关性呈最强。

表1 乌拉盖河流域及各河段NDVI值数与降水量、温度及蒸散的相关系数

注：*为通过0.1信度的显著检验；**为通过0.05信度的显著检验；***为通过0.01信度的显著检验。

不难发现，流域气候呈暖干化趋势下，流域植被恢复较明显。但植被变化一方面受气候变化因素的影响，另一方面由于过度开垦以及过度放牧等人为因素造成流域内草场退化也有较大影响[8]，且近年来乌拉盖河流域植被好转与多年是实施的一系列生态保护措施，包括“退耕还林还草”“京津风沙源治理”“未封禁牧”[18]等政策的影响也不容忽视。

2.4 流域气候及植被变化对径流的影响

根据SWAT模拟结果可以看出，乌拉盖河流域年均径流深以11.9 mm/10a的速率呈显著减少趋势(p<0.05)。其中，径流深的最大值出现在1998年，可达183.24 mm，最小值出现在2017年，为12.08 mm(图8a)。且不同河段径流变化趋势一致，径流值最大值均出现在1998年。通过分析M-K检验结果可以发现，在2000年乌拉盖河流域径流深发生明显突变(图8b)。表明2000年之前乌拉盖河流域径流主要受气候变化因素的影响，自突变年以后径流不仅受气候变化影响，还受人类活动的影响。而下垫面变化是人类活动的主要表现形式之一。通过对流域近40 a土地利用以及NDVI对比分析，乌拉盖河流域植被总体呈改善趋势，无植被覆盖度区及水域面积逐渐减小，低覆盖度植被、中覆盖度植被和建设用地面积增加。植被覆盖度的提高，一方面增加了土壤入渗，另一方面增加了植被蒸发，从而使主要以降水为主的径流减少[8]。

由乌拉盖河流域多年平均径流深的空间分布(图9)看出，流域中部径流较大，东部径流较小，并且由东向西呈先增大后减小趋势，中游径流较小，流域下游径流较大，主要分布在乌拉盖湿地处。

为了明晰气候暖干化以及植被好转的背景下乌拉盖河流域径流深的演变特征，本研究基于近40 a内流域气候和土地利用数据，应用SWAT模型分别模拟了4个不同时期(1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年)的径流量，4个时段的产流见表2。如表所示，在流域气候暖干化以及植被恢复背景下，自1980—1990年到1990—2000年为止总产水量增加，到2000年时减少，而后又增加。自2000年后总产水量的急速减少，不仅因为流域内气候呈暖干化趋势，还因为植被恢复而导致吸收更多的水分。除此之外，与2003年在乌拉盖河上游建立的水库，截取了上游水资源有较大的关系[18]。而自2010—2020年总产水量的增加主要因为近几年降水较丰富，当然，也离不开自2000年开始实施的水土保持措施的效应[19]。

表2 乌拉盖河流域不同时段产流比 单位：mm

3 结论

基于1981—2020年乌拉盖河流域的水文气候要素，结合SWAT水文模型，分析了近40 a乌拉盖河流域气候、草地生态和径流深的变化特征，揭示了气候变化对干旱、半干旱区植被的影响以及变化环境对内陆河流域径流量的影响程度。主要结论如下。

近40 a流域气候呈暖干化趋势明显，降水减少(-8.9 mm/10a)，温度显著升高(0.43 ℃/10a)，蒸散发增加(3.3 mm/10a)。在气候变暖背景下，流域的植被覆盖整体呈好转趋势，自1982年以来流域NDVI以0.005/10a的速率呈不显著增长。1982—2020年流域NDVI指数与气候因子(降水、温度、蒸散发)均成正相关，且与降水量的相关性最强。在流域气候暖干化趋势以及草地植被恢复的背景下，流域近40 a年均径流深呈显著减少趋势(-11.9 mm/10a)，并在2000年发生突变，自突变之后总径流量减少了69.20%。流域内降水量的减少以及气温的升高使径流深减少，而植被的恢复加剧了这一变化。