高原內(nèi)陸河流域氣候水文突變與生態(tài)演變規(guī)律——以?xún)?nèi)蒙古錫林河和巴拉格爾河流域?yàn)槔?/h1>
2019-12-26 03:46:22張阿龍高瑞忠劉廷璽房麗晶秦子元王喜喜
中國(guó)環(huán)境科學(xué) 2019年12期
張阿龍,高瑞忠*,劉廷璽,房麗晶,秦子元 ,王喜喜
高原內(nèi)陸河流域氣候水文突變與生態(tài)演變規(guī)律——以?xún)?nèi)蒙古錫林河和巴拉格爾河流域?yàn)槔?/p>
張阿龍1,高瑞忠1*,劉廷璽1,房麗晶1,秦子元1,王喜喜2
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.美國(guó)歐道明大學(xué),弗吉尼亞 諾?？?23529)
以?xún)?nèi)蒙古錫林河和巴拉格爾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、氣候傾向法、克里金空間插值等方法,綜合遙感信息解譯,辨析近55a不同高原內(nèi)陸河流域氣溫-降水-徑流突變與生態(tài)演變規(guī)律,結(jié)果表明:錫林河流域干旱程度較巴拉格爾河流域劇烈,氣溫總體偏高,降水量、徑流深偏枯,降水、徑流天數(shù)偏少,且徑流系數(shù)偏低;錫林河流域氣溫增溫趨勢(shì)較顯著,氣溫突變較早,兩地增溫速率均大于0.2℃/10a;在年尺度,兩地徑流系數(shù)、降水量、徑流量的突變時(shí)間、順序、驅(qū)動(dòng)因素和突變前后變化量存在較大差異;在季節(jié)尺度,兩地降水空間分布差異較大;兩地NDVI最大值與冬季降水分布特征趨同,均分布于上游河谷區(qū).
高原內(nèi)陸河；空間分布；突變分析；趨勢(shì)變化；生態(tài)
水文氣象要素時(shí)空變化與生態(tài)環(huán)境演變關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜[1],其中氣溫、降水和徑流與生態(tài)環(huán)境演變關(guān)系最為密切[2-3].全球增溫普遍、極端降水事件頻繁、徑流逐年銳減和生態(tài)環(huán)境演化加劇等問(wèn)題日益突出[4-7].但學(xué)界對(duì)氣溫、降水、徑流和生態(tài)環(huán)境演變研究相對(duì)割裂[8-10].隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,水文氣象要素變化與生態(tài)環(huán)境演變已成為研究熱點(diǎn).
對(duì)氣溫、降水的時(shí)空分布及變化規(guī)律的研究眾多[11-14],且時(shí)空尺度較大,但缺乏對(duì)天然徑流的研究,忽略了子流域內(nèi)徑流變化對(duì)氣溫和降水的影響,對(duì)生態(tài)環(huán)境演變的研究主要集中在對(duì)歸一化植被指數(shù)(NDVI)的變化分析上[15-19],僅分析時(shí)空演變,且對(duì)影響因素探討單一,局限在降水量變化、濕度變化和土地利用變化等方面,未系統(tǒng)考慮氣溫、降水、徑流與生態(tài)環(huán)境演變的關(guān)系,研究較為片面,缺乏年代對(duì)比,未能展示氣溫、降水、降水天數(shù)、徑流、徑流天數(shù)和NDVI的變化規(guī)律及相互關(guān)系,并且對(duì)北方高原內(nèi)陸河流域水文氣象要素與NDVI變化對(duì)比分析的研究更鮮有報(bào)道.
針對(duì)上述問(wèn)題,本文以?xún)?nèi)蒙古巴拉格爾河流域和錫林河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,系統(tǒng)對(duì)比分析了巴拉格爾河流域和錫林河流域氣溫、降水、徑流與NDVI指數(shù)演變規(guī)律,旨在探討高原內(nèi)陸河流域氣溫、降水、徑流和生態(tài)環(huán)境演化趨勢(shì),揭示高原內(nèi)陸河流域氣溫、降水、徑流和NDVI間的相互關(guān)系,為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)水文變化分析提供基礎(chǔ)依據(jù).
圖1 研究區(qū)位置及氣象、水文站分布
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
如圖1所示,內(nèi)蒙古錫林郭勒盟的巴拉格爾河和錫林河是典型的高原內(nèi)陸河,流域分別位于116°21￠~119°21￠E, 43°57￠~45°23￠N和115°32￠~ 117°16￠E, 43°26￠~44°39￠N,流域面積11478km2、4794km2,均屬于以針茅和羊草為主植被的典型草原,冬季干冷、夏季炎熱.多年平均降水量330.3, 282.5mm,降水主要集中在5~9月;流域年均潛在蒸散量1149, 1862.89mm;平均氣溫2.39, 2.72℃,主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)為畜牧業(yè)和少量工業(yè)[20-22].
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理
氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data. cma.cn),選用西烏珠穆沁旗站代表巴拉格爾河流域,錫林浩特站代表錫林河流域,采用兩站1963~2017年同期數(shù)據(jù),包括日平均氣溫,日最低氣溫、日最高氣溫、降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等氣象資料,經(jīng)檢驗(yàn),氣象數(shù)據(jù)無(wú)明顯突變和隨機(jī)變化,數(shù)據(jù)變化相對(duì)一致,數(shù)據(jù)可靠,可以代表流域氣候狀況.水文數(shù)據(jù)來(lái)源于內(nèi)蒙古水文總局,為1963~2017年白音烏拉站(巴拉格爾河流域)和錫林浩特站(錫林河流域)的日徑流序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),資料序列完整,經(jīng)檢驗(yàn),數(shù)據(jù)可靠.CMADS(SWAT模型中國(guó)大氣同化驅(qū)動(dòng)集)數(shù)據(jù),來(lái)源寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://wastdc. westgis.ac.cn),選用研究區(qū)及周邊約60個(gè)格點(diǎn)站(0.25°×0.25°)2008~2016年降水格點(diǎn)日值數(shù)據(jù)[22],數(shù)據(jù)無(wú)明顯突變和隨機(jī)變化,數(shù)據(jù)變化相對(duì)一致,數(shù)據(jù)可靠,可代表流域氣候狀況.遙感影像來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey, USGS)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov/)的Landsat TM/OLI 影像,時(shí)間分辨率 16d,空間分辨率為30m.
1.3 數(shù)據(jù)處理
數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析采用Excel@2010軟件完成;箱圖采用SPSS@22軟件制作;降水空間分布圖通過(guò)ArcGIS@10.3軟件制作;NDVI和地物類(lèi)型空間分布圖通過(guò)ENVI@5.5軟件制作.
1.4 研究方法
1.4.1 氣候傾向法 氣候傾向法被廣泛用于水文氣象要素變化趨勢(shì)分析中,將序列表示為時(shí)間t的函數(shù)[8]:
=+(1)
式中:為常數(shù),用最小二乘法計(jì)算出時(shí)間序列的與為要素的線(xiàn)性趨勢(shì),為正(負(fù))表示該要素隨時(shí)間變化的有線(xiàn)性增加(減少)
1.4.2 Mann-Kendall檢驗(yàn) Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種常用的序列趨勢(shì)和突變分析方法,優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算簡(jiǎn)便,而且可以明確突變開(kāi)始的時(shí)間,并指出突變區(qū)域[24].
1.4.3 克里金空間插值法 又稱(chēng)空間自協(xié)方差最佳插值法,考慮了要素的空間相關(guān)性,被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)、水文、氣象等領(lǐng)域的空間分布分析與模擬中,是一種常用的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)化方法[10].
1.4.4 歸一化植被指數(shù)(NDVI)法 NDVI是通過(guò)遙感影像研究植被覆度、植被健康狀態(tài)等的常用方法之一[17],對(duì)Landsat TM/OLI影像進(jìn)行輻射校正和FLAASH大氣校正,根據(jù)公式:
NDVI(NIR)(NIR) (2)
式中:NIR為近紅外波段;為紅外波段.去除異常值(NDVI<-1或NDVI>1),負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等,對(duì)可見(jiàn)光高反射;0表示有巖石或裸土等,NIR和近似相等;正值表示有植被覆蓋,且隨覆蓋度增大而增大.
2 結(jié)果與分析
2.1 氣溫、降水、徑流年季統(tǒng)計(jì)特征
表1 氣溫、降水、徑流年、季統(tǒng)計(jì)分析
注:“─”表示不存在.
如表1所示,錫林河流域年、季平均最低氣溫、平均最高氣溫、平均氣溫總體高于巴拉格爾河流域,僅秋季巴拉格爾河流域平均氣溫高于錫林河流域.兩地多年平均溫差為0.33℃,夏季平均最低氣溫溫差最大,為1.48℃,冬季溫差最小,為0.14℃;春季平均最高氣溫差最大,為1.70℃,冬季最小,為0.94℃;秋季平均氣溫溫差最大,為1.56℃,冬季最小,為0.09℃.錫林河流域年、季降水量、徑流深、徑流系數(shù)、降水天數(shù)、徑流天數(shù)均小于巴拉格爾河流域,兩地夏季降水量差值最大,為26.69mm,冬季差值最小,為2.46mm;夏季徑流深差值最大,為1.98mm,秋季差值最小,為0.63mm;春季徑流系數(shù)差值最大,為1.55%,秋季差值最小,為0.69%;冬季降水天數(shù)差值最大,為4.6d,夏季差值最小為2.59d;秋季徑流天數(shù)差值最大,為10.43d,春季差值最小,為1.4d;錫林河流域干旱程度較巴拉格爾河流域劇烈,總體氣溫偏高,降水量、徑流深偏枯,降水天數(shù)、徑流天數(shù)偏少,且徑流系數(shù)較小,錫林河流域夏季降水量與春季徑流深占比均高于巴拉格爾河流域.
2.2 氣溫的年季變化與趨勢(shì)
M-K趨勢(shì)突變分析表明(圖2),兩地氣溫上升顯著,錫林河流域年平均氣溫、年平均最低氣溫、年平均最高氣溫突變均先于巴拉格爾河流域,其中年平均氣溫突變年份相差最長(zhǎng)為3a.
如圖3所示,錫林河流域與巴拉格爾河流域年平均氣溫、年平均最低氣溫、年平均最高氣溫年變化趨勢(shì)相近,但錫林河流域氣溫總體高于巴拉格爾河流域,周期相近,約為7a.平均最低氣溫以1998年為極大峰值,呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì);平均最高氣溫、平均氣溫上升趨勢(shì)顯著;巴拉格爾河流域平均氣溫極大峰(2007年)值早于錫林河流域7a,但峰值普遍小于錫林河流域.10a平均最大值平均最高氣溫、平均氣溫兩地均出現(xiàn)在21世紀(jì)前10a,平均最低氣溫均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代.
圖2 氣溫要素M-K突變檢驗(yàn)
表2 多年氣溫要素趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)
注: *表示顯著性水平=0.05時(shí)序列趨勢(shì)顯著,**為=0.01時(shí)序列趨勢(shì)顯著.
如表2所示,平均最低氣溫變化趨勢(shì)錫林河流域(0.472℃/10a,=0.70)大于巴拉格爾河流域(0.296℃/10a,=0.56),突變前后氣溫均高于巴拉格爾河流域,突變前后溫差是巴拉格爾河流域的1.46倍;平均最高氣溫變化趨勢(shì)錫林河流域(0.257℃/10a,=0.45)略小于巴拉格爾河流域(0.278℃/10a,=0.50),但突變前后氣溫均高于巴拉格爾河流域,突變前后溫差是巴拉格爾河流域的1.33倍;平均氣溫變化趨勢(shì)錫林河流域(0.375℃/10a,=0.67)較巴拉格爾河流域(0.297℃/10a,=0.63)大,突變前后氣溫較巴拉格爾河流域高,突變前后溫差是巴拉格爾河流域的1.45倍.錫林河流域10a增溫率大小依次為平均最低氣溫(0.472℃/10a)、平均氣溫(0.375℃/10a)、平均最高氣溫(0.257℃/10a),其平均最低氣溫是平均最高氣溫的1.84倍;巴拉格爾河流域10年增溫率大小依次為平均氣溫(0.297℃/10a)、平均最低氣溫(0.296℃/10a)、平均最高氣溫(0.278℃/10a),其平均氣溫是平均最高氣溫的1.07倍.錫林河流域氣溫增溫趨勢(shì)較巴拉格爾河流域顯著,突變較巴拉格爾河流域強(qiáng)烈,兩地平均最低氣溫增溫顯著,最高氣溫升溫速率相對(duì)較小,增溫趨勢(shì)均大于0.2℃/10a.
2.3 降水量和徑流量突變年、季分析
徑流系數(shù)可以間接反映下墊面的變化狀況,如圖4所示,巴拉格爾河流域年徑流系數(shù)下降較為顯著,且突變發(fā)生最早,為1994a,較年徑流量突變?cè)?a,較年降水量突變?cè)?a;錫林河流域年降水量突變發(fā)生最早,為1999年,年徑流量突變次之,年徑流系數(shù)突變最晚;巴拉格爾河流域年徑流系數(shù)突變較錫林河流域早9a,年徑流量突變較錫林河流域早3a,降水較錫林河流域晚2a,且徑流減少趨勢(shì)大于錫林河流域;巴拉格爾河流域與錫林河流域年徑流系數(shù)、年降水量、和年徑流量突變時(shí)間、順序和驅(qū)動(dòng)因數(shù)存在較大差異,徑流系數(shù)、徑流量下降趨勢(shì)顯著.
圖4 年徑流系數(shù)、降水量、徑流深M-K突變檢驗(yàn)
如圖5所示,研究期內(nèi)巴拉格爾河流域年徑流系數(shù)變化較劇烈,其徑流系數(shù)最大值是最小值的10倍,徑流系數(shù)超過(guò)0.03共出現(xiàn)16次,突變前占81.3%,錫林河流域年徑流系數(shù)變化相對(duì)平緩,研究期內(nèi)間徑流系數(shù)均小于0.03,徑流系數(shù)超過(guò)0.025共出現(xiàn)3次,突變前占66.7%;年徑流系均出現(xiàn)微弱的遞減趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)均在0.28以上;研究期內(nèi)10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代,錫林河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代.
巴拉格爾河流域年降水量普遍多于錫林河流域,研究期內(nèi)巴拉格爾河流域年降水量峰值大于400mm共出現(xiàn)9次,突變前占89%,錫林河流域年降水量峰值400mm以上共出現(xiàn)5次,突變前占60%;多年降水錫林河流域出現(xiàn)遞增趨勢(shì),而巴拉格爾河流域呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),但相關(guān)系數(shù)均較小;研究期內(nèi)10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代,錫林河流域最大值出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代,為310.03mm.
巴拉格爾河年徑流深明顯大于錫林河流域,研究期內(nèi)巴拉格爾河流域年徑流深超過(guò)10mm共出現(xiàn)14次,突變前占78.6%,錫林河流域年徑流深10mm以上僅出現(xiàn)1次,且發(fā)生在突變前;多年徑流兩地均呈遞減趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.21;研究期內(nèi)10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代 ,錫林河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代.
圖5 年降水、徑流、多年平均、5a滑動(dòng)平均值和突變前后對(duì)比
如表3所示,研究期內(nèi)徑流系數(shù)突變前后多年平均值巴拉格爾河流域分別為2.94%、1.90%,錫林河流域分別為1.83%、1.21% ,巴拉格爾河突變前后差值是錫林河流域的1.67倍,兩地徑流系數(shù)均呈遞減趨勢(shì),巴拉格爾河流域氣候傾向率為0.002℃/10a (=0.28),是錫林河流域的2倍.研究期內(nèi)降水量突變前后多年平均值巴拉格爾河流域分別為339.64, 298.66mm,錫林河流域分別為269.56, 255.66mm,巴拉格爾河突變前后差值是錫林河流域的3.59倍.巴拉格爾河流域降水量整體呈遞減趨勢(shì), 氣候傾向率為4.1mm/10a (=0.08),錫林河流域整體呈遞增趨勢(shì), 氣候傾向率為4.630mm/10a (=0.09).研究期內(nèi)徑流深突變前后多年平均值巴拉格爾河流域分別為9.98, 6.39mm,錫林河流域分別為4.99,3.06mm ,巴拉格爾河突變前后差值是錫林河流域的1.86倍,兩地徑流深均呈遞減趨勢(shì),巴拉格爾河流域氣候傾向率為0.650mm/10a (=0.21),是錫林河流域遞減速率的1.97倍.
表3 降水量、徑流深趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)
注:*表示顯著性水平=0.05時(shí)序列趨勢(shì)顯著,**為=0.01時(shí)序列趨勢(shì)顯著.
2.4 降水量和徑流量突變年、季分析
選用2008~2016年CMADS氣象數(shù)據(jù)對(duì)巴拉格爾河流域和錫林河流域四季降水分布進(jìn)行分析,如圖6所示,春季巴拉格爾河流域降水隨海拔升高減少,降水由北向南逐級(jí)遞減;夏季降水相對(duì)于春季最大值略向東移,最小值北移顯著,由北向南呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì);秋季降水南北差值較小,分布特征與夏季相似;冬季降水顯著南移,由東南向西北呈遞減趨勢(shì);春季錫林河流域降水隨海拔升高減少,降水由西向東遞減,夏季降水最大值南移,呈現(xiàn)出南豐北枯的分布特征,秋季降水東移,降水東西兩極化顯著,冬季降水北移,由東北向西南遞減.
圖6 四季降水空間分布
2.5 氣溫-降水-徑流對(duì)比
如圖7所示,錫林河流域年、季平均氣溫變幅較巴拉格爾河流域大,僅秋季氣溫低于巴拉格爾河流域,平均最高氣溫、最低氣溫巴拉格爾河流域均低于錫林河流域;兩地多年年、季平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫變幅冬季最大,春季次之.巴拉格爾河流域降水量較錫林河流域豐沛,巴拉格爾河流域年徑流深遠(yuǎn)大于錫林河流域;春、夏季巴拉格爾河流域徑流深波動(dòng)較大,僅上限夏季大于春季,徑流深接近錫林河流域的二倍;秋季兩地徑流深較小,巴拉格爾河流域多年徑流系數(shù)上限接近錫林河流域的2倍,下線(xiàn)相近,中值較錫林河流域高1%,春、夏、秋季徑流系數(shù)分布相近,且巴拉格爾河流域降水天數(shù)、徑流天數(shù)中值均多于錫林河流域,但徑流天數(shù)中值相近.
圖7 氣溫、降水、徑流年季變化對(duì)比分析
巴年:巴拉格爾河流域年值;錫年:錫林河流域年值;巴春:巴拉格爾河流域春季值;錫春:錫林河流域春季值;巴夏:巴拉格爾河流域夏季值;錫夏:錫林河流域夏季值;巴秋:巴拉格爾河流域秋季值;錫秋:錫林河流域秋季值;巴冬:巴拉格爾河流域冬季值;錫冬:錫林河流域冬季值
2.6 突變前后NDVI值對(duì)比
20世紀(jì)80~90年代為突變前期,21世紀(jì)10年代為突變后期,由圖8、表4可知,突變后巴拉格爾河流域整體NDVI值減少,植被呈退化趨勢(shì),突變后NDVI值小于0.3的面積是突變前的28.41倍,而錫林河流域NDVI指數(shù)出現(xiàn)整體退化,局部改善的狀態(tài),NDVI值小于0.3的面積南移.兩地NDVI指數(shù)最大值與冬季降水分布特征相似,均分布于上游河谷區(qū).
表4 突變前后NDVI指數(shù)分布面積變化分析
2.7 討論
錫林河流域與巴拉格爾河流域氣溫、降水、徑流變化均符合全球變化規(guī)律[8,11,21-22],兩地共處同一氣候帶,平均氣溫相近,但錫林河流域溫差明顯大于巴拉格爾河流域,且降水量、徑流深、徑流系數(shù)、降水天數(shù)、徑流天數(shù)均小于巴拉格爾河流域,其差異性主要由于地理位置[10-11]、地形地貌[20,22-23]、土地利用[15,23]、土壤類(lèi)型[14,23]和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度等[21,25-26]因素造成.錫林河流域氣溫突變整體早于巴拉格爾河流域,增溫速率和突變前后溫差均大于巴拉格爾河流域,而降水、徑流突變略晚于巴拉格爾河流域,氣溫突變年份與梁瓏騰等[11]對(duì)北方地區(qū)突變的研究相近,降水突變年份較高瑞忠等[21]對(duì)巴拉格爾流域的研究晚3a,較王威娜等[26]對(duì)錫林河流域的研究晚1a,徑流突變年份與白勇等[27]對(duì)巴拉格爾流域的研究一致,較于嬋等[20]對(duì)錫林河流域的研究晚3a,突變期不同可能原因是研究選取的時(shí)間尺度不同所致,學(xué)界把氣溫、降水突變主要原因歸為太陽(yáng)活動(dòng)[28-29]、北大西洋年際振蕩增強(qiáng)、東亞地區(qū)冬季氣旋/反氣旋活動(dòng)及寒潮的變化等自然因素[29],未考慮生態(tài)環(huán)境退化對(duì)氣溫、降水的擾動(dòng),未能為生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)提供科學(xué)的指導(dǎo);而徑流突變普遍認(rèn)為是人類(lèi)活動(dòng)造成[20-21,26-27],突變前后巴拉格爾河流域NDVI<0和0.6巴拉格爾河流域和錫林河流域上游土地覆蓋以草地為主,林地、耕地星點(diǎn)分布,水文氣候變化和土地利用變化會(huì)引起年平均徑流量減少[23,34],造成兩地NDVI值變化差異較大[32].本文對(duì)巴拉格爾河流域和錫林河流域氣溫、降水、徑流和NDVI進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,對(duì)整個(gè)流域長(zhǎng)期氣溫、降水、徑流和NDVI的相互作用和變化規(guī)律分析存在一定的局限性.
3 結(jié)論
3.1 巴拉格爾河流域降水、徑流量豐于錫林河流域,且突變前后變化較為強(qiáng)烈,其生態(tài)環(huán)境退化速率相對(duì)劇烈.
3.2 20世紀(jì)80年代后期到21世紀(jì)前10年氣溫、降水和徑流量突變、氣溫顯著升高,降水、徑流量銳減,NDVI指數(shù)下降,氣象干旱加劇.
3.3 不同地形地貌、土地利用方式、人類(lèi)活動(dòng)(放牧、煤礦開(kāi)采、水資源開(kāi)發(fā)利用等)強(qiáng)度等因素的影響,造成區(qū)域氣候變化、地下水蓄變、土壤水運(yùn)動(dòng)和生態(tài)演變的規(guī)律發(fā)生改變.
3.4 從氣溫、降水、徑流與NDVI指數(shù)變化上分析,兩地均呈現(xiàn)出由氣象干旱向水文干旱過(guò)度的趨勢(shì).
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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
張阿龍(1992-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特市人,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事干旱半干旱地區(qū)水文、土壤、植被關(guān)系及化學(xué)特征方面的研究.
2019-05-24
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51969022);內(nèi)蒙古自然基金項(xiàng)目(2018MS05006);內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019)
* 責(zé)任作者,教授, ruizhonggao@qq.com
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張阿龍,高瑞忠*,劉廷璽,房麗晶,秦子元 ,王喜喜
高原內(nèi)陸河流域氣候水文突變與生態(tài)演變規(guī)律——以?xún)?nèi)蒙古錫林河和巴拉格爾河流域?yàn)槔?/p>
張阿龍1,高瑞忠1*,劉廷璽1,房麗晶1,秦子元1,王喜喜2
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.美國(guó)歐道明大學(xué),弗吉尼亞 諾?？?23529)
以?xún)?nèi)蒙古錫林河和巴拉格爾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、氣候傾向法、克里金空間插值等方法,綜合遙感信息解譯,辨析近55a不同高原內(nèi)陸河流域氣溫-降水-徑流突變與生態(tài)演變規(guī)律,結(jié)果表明:錫林河流域干旱程度較巴拉格爾河流域劇烈,氣溫總體偏高,降水量、徑流深偏枯,降水、徑流天數(shù)偏少,且徑流系數(shù)偏低;錫林河流域氣溫增溫趨勢(shì)較顯著,氣溫突變較早,兩地增溫速率均大于0.2℃/10a;在年尺度,兩地徑流系數(shù)、降水量、徑流量的突變時(shí)間、順序、驅(qū)動(dòng)因素和突變前后變化量存在較大差異;在季節(jié)尺度,兩地降水空間分布差異較大;兩地NDVI最大值與冬季降水分布特征趨同,均分布于上游河谷區(qū).
高原內(nèi)陸河；空間分布；突變分析；趨勢(shì)變化；生態(tài)
水文氣象要素時(shí)空變化與生態(tài)環(huán)境演變關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜[1],其中氣溫、降水和徑流與生態(tài)環(huán)境演變關(guān)系最為密切[2-3].全球增溫普遍、極端降水事件頻繁、徑流逐年銳減和生態(tài)環(huán)境演化加劇等問(wèn)題日益突出[4-7].但學(xué)界對(duì)氣溫、降水、徑流和生態(tài)環(huán)境演變研究相對(duì)割裂[8-10].隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,水文氣象要素變化與生態(tài)環(huán)境演變已成為研究熱點(diǎn).
對(duì)氣溫、降水的時(shí)空分布及變化規(guī)律的研究眾多[11-14],且時(shí)空尺度較大,但缺乏對(duì)天然徑流的研究,忽略了子流域內(nèi)徑流變化對(duì)氣溫和降水的影響,對(duì)生態(tài)環(huán)境演變的研究主要集中在對(duì)歸一化植被指數(shù)(NDVI)的變化分析上[15-19],僅分析時(shí)空演變,且對(duì)影響因素探討單一,局限在降水量變化、濕度變化和土地利用變化等方面,未系統(tǒng)考慮氣溫、降水、徑流與生態(tài)環(huán)境演變的關(guān)系,研究較為片面,缺乏年代對(duì)比,未能展示氣溫、降水、降水天數(shù)、徑流、徑流天數(shù)和NDVI的變化規(guī)律及相互關(guān)系,并且對(duì)北方高原內(nèi)陸河流域水文氣象要素與NDVI變化對(duì)比分析的研究更鮮有報(bào)道.
針對(duì)上述問(wèn)題,本文以?xún)?nèi)蒙古巴拉格爾河流域和錫林河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,系統(tǒng)對(duì)比分析了巴拉格爾河流域和錫林河流域氣溫、降水、徑流與NDVI指數(shù)演變規(guī)律,旨在探討高原內(nèi)陸河流域氣溫、降水、徑流和生態(tài)環(huán)境演化趨勢(shì),揭示高原內(nèi)陸河流域氣溫、降水、徑流和NDVI間的相互關(guān)系,為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)水文變化分析提供基礎(chǔ)依據(jù).
圖1 研究區(qū)位置及氣象、水文站分布
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
如圖1所示,內(nèi)蒙古錫林郭勒盟的巴拉格爾河和錫林河是典型的高原內(nèi)陸河,流域分別位于116°21￠~119°21￠E, 43°57￠~45°23￠N和115°32￠~ 117°16￠E, 43°26￠~44°39￠N,流域面積11478km2、4794km2,均屬于以針茅和羊草為主植被的典型草原,冬季干冷、夏季炎熱.多年平均降水量330.3, 282.5mm,降水主要集中在5~9月;流域年均潛在蒸散量1149, 1862.89mm;平均氣溫2.39, 2.72℃,主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)為畜牧業(yè)和少量工業(yè)[20-22].
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理
氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data. cma.cn),選用西烏珠穆沁旗站代表巴拉格爾河流域,錫林浩特站代表錫林河流域,采用兩站1963~2017年同期數(shù)據(jù),包括日平均氣溫,日最低氣溫、日最高氣溫、降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等氣象資料,經(jīng)檢驗(yàn),氣象數(shù)據(jù)無(wú)明顯突變和隨機(jī)變化,數(shù)據(jù)變化相對(duì)一致,數(shù)據(jù)可靠,可以代表流域氣候狀況.水文數(shù)據(jù)來(lái)源于內(nèi)蒙古水文總局,為1963~2017年白音烏拉站(巴拉格爾河流域)和錫林浩特站(錫林河流域)的日徑流序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),資料序列完整,經(jīng)檢驗(yàn),數(shù)據(jù)可靠.CMADS(SWAT模型中國(guó)大氣同化驅(qū)動(dòng)集)數(shù)據(jù),來(lái)源寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://wastdc. westgis.ac.cn),選用研究區(qū)及周邊約60個(gè)格點(diǎn)站(0.25°×0.25°)2008~2016年降水格點(diǎn)日值數(shù)據(jù)[22],數(shù)據(jù)無(wú)明顯突變和隨機(jī)變化,數(shù)據(jù)變化相對(duì)一致,數(shù)據(jù)可靠,可代表流域氣候狀況.遙感影像來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey, USGS)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov/)的Landsat TM/OLI 影像,時(shí)間分辨率 16d,空間分辨率為30m.
1.3 數(shù)據(jù)處理
數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析采用Excel@2010軟件完成;箱圖采用SPSS@22軟件制作;降水空間分布圖通過(guò)ArcGIS@10.3軟件制作;NDVI和地物類(lèi)型空間分布圖通過(guò)ENVI@5.5軟件制作.
1.4 研究方法
1.4.1 氣候傾向法 氣候傾向法被廣泛用于水文氣象要素變化趨勢(shì)分析中,將序列表示為時(shí)間t的函數(shù)[8]:
=+(1)
式中:為常數(shù),用最小二乘法計(jì)算出時(shí)間序列的與為要素的線(xiàn)性趨勢(shì),為正(負(fù))表示該要素隨時(shí)間變化的有線(xiàn)性增加(減少)
1.4.2 Mann-Kendall檢驗(yàn) Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種常用的序列趨勢(shì)和突變分析方法,優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算簡(jiǎn)便,而且可以明確突變開(kāi)始的時(shí)間,并指出突變區(qū)域[24].
1.4.3 克里金空間插值法 又稱(chēng)空間自協(xié)方差最佳插值法,考慮了要素的空間相關(guān)性,被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)、水文、氣象等領(lǐng)域的空間分布分析與模擬中,是一種常用的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)化方法[10].
1.4.4 歸一化植被指數(shù)(NDVI)法 NDVI是通過(guò)遙感影像研究植被覆度、植被健康狀態(tài)等的常用方法之一[17],對(duì)Landsat TM/OLI影像進(jìn)行輻射校正和FLAASH大氣校正,根據(jù)公式:
NDVI(NIR)(NIR) (2)
式中:NIR為近紅外波段;為紅外波段.去除異常值(NDVI<-1或NDVI>1),負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等,對(duì)可見(jiàn)光高反射;0表示有巖石或裸土等,NIR和近似相等;正值表示有植被覆蓋,且隨覆蓋度增大而增大.
2 結(jié)果與分析
2.1 氣溫、降水、徑流年季統(tǒng)計(jì)特征
表1 氣溫、降水、徑流年、季統(tǒng)計(jì)分析
注:“─”表示不存在.
如表1所示,錫林河流域年、季平均最低氣溫、平均最高氣溫、平均氣溫總體高于巴拉格爾河流域,僅秋季巴拉格爾河流域平均氣溫高于錫林河流域.兩地多年平均溫差為0.33℃,夏季平均最低氣溫溫差最大,為1.48℃,冬季溫差最小,為0.14℃;春季平均最高氣溫差最大,為1.70℃,冬季最小,為0.94℃;秋季平均氣溫溫差最大,為1.56℃,冬季最小,為0.09℃.錫林河流域年、季降水量、徑流深、徑流系數(shù)、降水天數(shù)、徑流天數(shù)均小于巴拉格爾河流域,兩地夏季降水量差值最大,為26.69mm,冬季差值最小,為2.46mm;夏季徑流深差值最大,為1.98mm,秋季差值最小,為0.63mm;春季徑流系數(shù)差值最大,為1.55%,秋季差值最小,為0.69%;冬季降水天數(shù)差值最大,為4.6d,夏季差值最小為2.59d;秋季徑流天數(shù)差值最大,為10.43d,春季差值最小,為1.4d;錫林河流域干旱程度較巴拉格爾河流域劇烈,總體氣溫偏高,降水量、徑流深偏枯,降水天數(shù)、徑流天數(shù)偏少,且徑流系數(shù)較小,錫林河流域夏季降水量與春季徑流深占比均高于巴拉格爾河流域.
2.2 氣溫的年季變化與趨勢(shì)
M-K趨勢(shì)突變分析表明(圖2),兩地氣溫上升顯著,錫林河流域年平均氣溫、年平均最低氣溫、年平均最高氣溫突變均先于巴拉格爾河流域,其中年平均氣溫突變年份相差最長(zhǎng)為3a.
如圖3所示,錫林河流域與巴拉格爾河流域年平均氣溫、年平均最低氣溫、年平均最高氣溫年變化趨勢(shì)相近,但錫林河流域氣溫總體高于巴拉格爾河流域,周期相近,約為7a.平均最低氣溫以1998年為極大峰值,呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì);平均最高氣溫、平均氣溫上升趨勢(shì)顯著;巴拉格爾河流域平均氣溫極大峰(2007年)值早于錫林河流域7a,但峰值普遍小于錫林河流域.10a平均最大值平均最高氣溫、平均氣溫兩地均出現(xiàn)在21世紀(jì)前10a,平均最低氣溫均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代.
圖2 氣溫要素M-K突變檢驗(yàn)
表2 多年氣溫要素趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)
注: *表示顯著性水平=0.05時(shí)序列趨勢(shì)顯著,**為=0.01時(shí)序列趨勢(shì)顯著.
如表2所示,平均最低氣溫變化趨勢(shì)錫林河流域(0.472℃/10a,=0.70)大于巴拉格爾河流域(0.296℃/10a,=0.56),突變前后氣溫均高于巴拉格爾河流域,突變前后溫差是巴拉格爾河流域的1.46倍;平均最高氣溫變化趨勢(shì)錫林河流域(0.257℃/10a,=0.45)略小于巴拉格爾河流域(0.278℃/10a,=0.50),但突變前后氣溫均高于巴拉格爾河流域,突變前后溫差是巴拉格爾河流域的1.33倍;平均氣溫變化趨勢(shì)錫林河流域(0.375℃/10a,=0.67)較巴拉格爾河流域(0.297℃/10a,=0.63)大,突變前后氣溫較巴拉格爾河流域高,突變前后溫差是巴拉格爾河流域的1.45倍.錫林河流域10a增溫率大小依次為平均最低氣溫(0.472℃/10a)、平均氣溫(0.375℃/10a)、平均最高氣溫(0.257℃/10a),其平均最低氣溫是平均最高氣溫的1.84倍;巴拉格爾河流域10年增溫率大小依次為平均氣溫(0.297℃/10a)、平均最低氣溫(0.296℃/10a)、平均最高氣溫(0.278℃/10a),其平均氣溫是平均最高氣溫的1.07倍.錫林河流域氣溫增溫趨勢(shì)較巴拉格爾河流域顯著,突變較巴拉格爾河流域強(qiáng)烈,兩地平均最低氣溫增溫顯著,最高氣溫升溫速率相對(duì)較小,增溫趨勢(shì)均大于0.2℃/10a.
2.3 降水量和徑流量突變年、季分析
徑流系數(shù)可以間接反映下墊面的變化狀況,如圖4所示,巴拉格爾河流域年徑流系數(shù)下降較為顯著,且突變發(fā)生最早,為1994a,較年徑流量突變?cè)?a,較年降水量突變?cè)?a;錫林河流域年降水量突變發(fā)生最早,為1999年,年徑流量突變次之,年徑流系數(shù)突變最晚;巴拉格爾河流域年徑流系數(shù)突變較錫林河流域早9a,年徑流量突變較錫林河流域早3a,降水較錫林河流域晚2a,且徑流減少趨勢(shì)大于錫林河流域;巴拉格爾河流域與錫林河流域年徑流系數(shù)、年降水量、和年徑流量突變時(shí)間、順序和驅(qū)動(dòng)因數(shù)存在較大差異,徑流系數(shù)、徑流量下降趨勢(shì)顯著.
圖4 年徑流系數(shù)、降水量、徑流深M-K突變檢驗(yàn)
如圖5所示,研究期內(nèi)巴拉格爾河流域年徑流系數(shù)變化較劇烈,其徑流系數(shù)最大值是最小值的10倍,徑流系數(shù)超過(guò)0.03共出現(xiàn)16次,突變前占81.3%,錫林河流域年徑流系數(shù)變化相對(duì)平緩,研究期內(nèi)間徑流系數(shù)均小于0.03,徑流系數(shù)超過(guò)0.025共出現(xiàn)3次,突變前占66.7%;年徑流系均出現(xiàn)微弱的遞減趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)均在0.28以上;研究期內(nèi)10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代,錫林河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代.
巴拉格爾河流域年降水量普遍多于錫林河流域,研究期內(nèi)巴拉格爾河流域年降水量峰值大于400mm共出現(xiàn)9次,突變前占89%,錫林河流域年降水量峰值400mm以上共出現(xiàn)5次,突變前占60%;多年降水錫林河流域出現(xiàn)遞增趨勢(shì),而巴拉格爾河流域呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),但相關(guān)系數(shù)均較小;研究期內(nèi)10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代,錫林河流域最大值出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代,為310.03mm.
巴拉格爾河年徑流深明顯大于錫林河流域,研究期內(nèi)巴拉格爾河流域年徑流深超過(guò)10mm共出現(xiàn)14次,突變前占78.6%,錫林河流域年徑流深10mm以上僅出現(xiàn)1次,且發(fā)生在突變前;多年徑流兩地均呈遞減趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.21;研究期內(nèi)10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代 ,錫林河流域最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代.
圖5 年降水、徑流、多年平均、5a滑動(dòng)平均值和突變前后對(duì)比
如表3所示,研究期內(nèi)徑流系數(shù)突變前后多年平均值巴拉格爾河流域分別為2.94%、1.90%,錫林河流域分別為1.83%、1.21% ,巴拉格爾河突變前后差值是錫林河流域的1.67倍,兩地徑流系數(shù)均呈遞減趨勢(shì),巴拉格爾河流域氣候傾向率為0.002℃/10a (=0.28),是錫林河流域的2倍.研究期內(nèi)降水量突變前后多年平均值巴拉格爾河流域分別為339.64, 298.66mm,錫林河流域分別為269.56, 255.66mm,巴拉格爾河突變前后差值是錫林河流域的3.59倍.巴拉格爾河流域降水量整體呈遞減趨勢(shì), 氣候傾向率為4.1mm/10a (=0.08),錫林河流域整體呈遞增趨勢(shì), 氣候傾向率為4.630mm/10a (=0.09).研究期內(nèi)徑流深突變前后多年平均值巴拉格爾河流域分別為9.98, 6.39mm,錫林河流域分別為4.99,3.06mm ,巴拉格爾河突變前后差值是錫林河流域的1.86倍,兩地徑流深均呈遞減趨勢(shì),巴拉格爾河流域氣候傾向率為0.650mm/10a (=0.21),是錫林河流域遞減速率的1.97倍.
表3 降水量、徑流深趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)
注:*表示顯著性水平=0.05時(shí)序列趨勢(shì)顯著,**為=0.01時(shí)序列趨勢(shì)顯著.
2.4 降水量和徑流量突變年、季分析
選用2008~2016年CMADS氣象數(shù)據(jù)對(duì)巴拉格爾河流域和錫林河流域四季降水分布進(jìn)行分析,如圖6所示,春季巴拉格爾河流域降水隨海拔升高減少,降水由北向南逐級(jí)遞減;夏季降水相對(duì)于春季最大值略向東移,最小值北移顯著,由北向南呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì);秋季降水南北差值較小,分布特征與夏季相似;冬季降水顯著南移,由東南向西北呈遞減趨勢(shì);春季錫林河流域降水隨海拔升高減少,降水由西向東遞減,夏季降水最大值南移,呈現(xiàn)出南豐北枯的分布特征,秋季降水東移,降水東西兩極化顯著,冬季降水北移,由東北向西南遞減.
圖6 四季降水空間分布
2.5 氣溫-降水-徑流對(duì)比
如圖7所示,錫林河流域年、季平均氣溫變幅較巴拉格爾河流域大,僅秋季氣溫低于巴拉格爾河流域,平均最高氣溫、最低氣溫巴拉格爾河流域均低于錫林河流域;兩地多年年、季平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫變幅冬季最大,春季次之.巴拉格爾河流域降水量較錫林河流域豐沛,巴拉格爾河流域年徑流深遠(yuǎn)大于錫林河流域;春、夏季巴拉格爾河流域徑流深波動(dòng)較大,僅上限夏季大于春季,徑流深接近錫林河流域的二倍;秋季兩地徑流深較小,巴拉格爾河流域多年徑流系數(shù)上限接近錫林河流域的2倍,下線(xiàn)相近,中值較錫林河流域高1%,春、夏、秋季徑流系數(shù)分布相近,且巴拉格爾河流域降水天數(shù)、徑流天數(shù)中值均多于錫林河流域,但徑流天數(shù)中值相近.
圖7 氣溫、降水、徑流年季變化對(duì)比分析
巴年:巴拉格爾河流域年值;錫年:錫林河流域年值;巴春:巴拉格爾河流域春季值;錫春:錫林河流域春季值;巴夏:巴拉格爾河流域夏季值;錫夏:錫林河流域夏季值;巴秋:巴拉格爾河流域秋季值;錫秋:錫林河流域秋季值;巴冬:巴拉格爾河流域冬季值;錫冬:錫林河流域冬季值
2.6 突變前后NDVI值對(duì)比
20世紀(jì)80~90年代為突變前期,21世紀(jì)10年代為突變后期,由圖8、表4可知,突變后巴拉格爾河流域整體NDVI值減少,植被呈退化趨勢(shì),突變后NDVI值小于0.3的面積是突變前的28.41倍,而錫林河流域NDVI指數(shù)出現(xiàn)整體退化,局部改善的狀態(tài),NDVI值小于0.3的面積南移.兩地NDVI指數(shù)最大值與冬季降水分布特征相似,均分布于上游河谷區(qū).
表4 突變前后NDVI指數(shù)分布面積變化分析
2.7 討論
錫林河流域與巴拉格爾河流域氣溫、降水、徑流變化均符合全球變化規(guī)律[8,11,21-22],兩地共處同一氣候帶,平均氣溫相近,但錫林河流域溫差明顯大于巴拉格爾河流域,且降水量、徑流深、徑流系數(shù)、降水天數(shù)、徑流天數(shù)均小于巴拉格爾河流域,其差異性主要由于地理位置[10-11]、地形地貌[20,22-23]、土地利用[15,23]、土壤類(lèi)型[14,23]和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度等[21,25-26]因素造成.錫林河流域氣溫突變整體早于巴拉格爾河流域,增溫速率和突變前后溫差均大于巴拉格爾河流域,而降水、徑流突變略晚于巴拉格爾河流域,氣溫突變年份與梁瓏騰等[11]對(duì)北方地區(qū)突變的研究相近,降水突變年份較高瑞忠等[21]對(duì)巴拉格爾流域的研究晚3a,較王威娜等[26]對(duì)錫林河流域的研究晚1a,徑流突變年份與白勇等[27]對(duì)巴拉格爾流域的研究一致,較于嬋等[20]對(duì)錫林河流域的研究晚3a,突變期不同可能原因是研究選取的時(shí)間尺度不同所致,學(xué)界把氣溫、降水突變主要原因歸為太陽(yáng)活動(dòng)[28-29]、北大西洋年際振蕩增強(qiáng)、東亞地區(qū)冬季氣旋/反氣旋活動(dòng)及寒潮的變化等自然因素[29],未考慮生態(tài)環(huán)境退化對(duì)氣溫、降水的擾動(dòng),未能為生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)提供科學(xué)的指導(dǎo);而徑流突變普遍認(rèn)為是人類(lèi)活動(dòng)造成[20-21,26-27],突變前后巴拉格爾河流域NDVI<0和0.6 巴拉格爾河流域和錫林河流域上游土地覆蓋以草地為主,林地、耕地星點(diǎn)分布,水文氣候變化和土地利用變化會(huì)引起年平均徑流量減少[23,34],造成兩地NDVI值變化差異較大[32].本文對(duì)巴拉格爾河流域和錫林河流域氣溫、降水、徑流和NDVI進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,對(duì)整個(gè)流域長(zhǎng)期氣溫、降水、徑流和NDVI的相互作用和變化規(guī)律分析存在一定的局限性. 3.1 巴拉格爾河流域降水、徑流量豐于錫林河流域,且突變前后變化較為強(qiáng)烈,其生態(tài)環(huán)境退化速率相對(duì)劇烈. 3.2 20世紀(jì)80年代后期到21世紀(jì)前10年氣溫、降水和徑流量突變、氣溫顯著升高,降水、徑流量銳減,NDVI指數(shù)下降,氣象干旱加劇. 3.3 不同地形地貌、土地利用方式、人類(lèi)活動(dòng)(放牧、煤礦開(kāi)采、水資源開(kāi)發(fā)利用等)強(qiáng)度等因素的影響,造成區(qū)域氣候變化、地下水蓄變、土壤水運(yùn)動(dòng)和生態(tài)演變的規(guī)律發(fā)生改變. 3.4 從氣溫、降水、徑流與NDVI指數(shù)變化上分析,兩地均呈現(xiàn)出由氣象干旱向水文干旱過(guò)度的趨勢(shì). 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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 張阿龍(1992-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特市人,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事干旱半干旱地區(qū)水文、土壤、植被關(guān)系及化學(xué)特征方面的研究. 2019-05-24 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51969022);內(nèi)蒙古自然基金項(xiàng)目(2018MS05006);內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019) * 責(zé)任作者,教授, ruizhonggao@qq.com3 結(jié)論
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