鄧文平，李海光，余新曉，趙 陽，王賀年，徐 峰

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083;2.黃河委員會天水水保站，甘肅 天水 741000)

流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙是氣候變化與下墊面綜合作用的產(chǎn)物[1]。大量的事實證明，氣候正在發(fā)生不可逆的變化[2]。氣候變化從多方面影響流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙的過程，其中降雨變化是影響流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙過程最為直接的因素之一[3]。人類活動如水保措施建設(shè)等改變流域下墊面，影響流域的產(chǎn)匯流和侵蝕產(chǎn)沙機制[4]。如何區(qū)分氣候變化和人類活動對流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙變化貢獻率大小一直是人們關(guān)注的熱點問題[5]。

水土流失問題是當今世界上普遍受到關(guān)注的重大生態(tài)問題，已經(jīng)成為我國首要的和重大的環(huán)境問題[6]，而半干旱的黃土高原丘陵溝壑區(qū)是我國水土流失的重災(zāi)區(qū)[7]。大量的研究表明黃土高原水土流失是自然和人為因素共同作用的結(jié)果[8]。在眾多的影響因素中，氣候中的降水因素是水土流失的原動力[9]，氣溫的變化影響著徑流的水量，人類活動對下墊面的改變影響著土壤的可蝕性及土壤的水穩(wěn)定性，以及保水能力，有研究表明:小流域水土保持措施能夠有效地攔蓄降雨，增大流域的蓄水能力，有效減少土壤侵蝕[10];從土地利用變化來看，植被增多，流域產(chǎn)沙減少[11];王盛萍[12]、陳月紅[13]等研究了不同土地利用模式對徑流泥沙的影響。這些因素共同決定著徑流泥沙發(fā)生的規(guī)律和發(fā)展的方向。但是各種因素在徑流泥沙的變化中到底起多大作用難以確定。

本文采用呂二溝流域1982-2010年徑流泥沙數(shù)據(jù)，對徑流泥沙發(fā)生的規(guī)律進行研究，并在人類活動和氣候變化基礎(chǔ)上，對徑流泥沙的影響因素進行分析，探求徑流泥沙變化規(guī)律以及人類活動和氣候變化對徑流泥沙變化的貢獻率，以期為該流域的土地規(guī)劃管理和水分分配提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在天水市秦州區(qū)呂二溝流域。該流域走向自南至北，地勢南高北低，呈現(xiàn)狹長帶狀，流域南北長6.94 km，東西寬1.73 km，總面積12.01 km2。呂二溝流域最高海拔1 707 m，最低點海拔高度1 175 m，相對高差532 m，共有大小支溝51條，溝壑密度3.82 km/km2，平均比降7.24%。流域形狀系數(shù)0.25[14]。

2 研究方法

2.1 徑流泥沙序列劃分及定量分析

2.1.1 徑流泥沙序列劃分 Mann-Kendall方法在時間序列中應(yīng)用較為廣泛的非參數(shù)突變檢驗方法[15-16]，本研究以Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗為基準，將徑流泥沙序列按照時間尋找突變點，將其劃分

為基準期和變化期;在變化期中，區(qū)分出非明顯變化區(qū)段和明顯變化區(qū)段，進而研究徑流泥沙的變化。

2.1.2 徑流泥沙的定量分析 在劃分基準期和變化期后，為了研究其數(shù)量行的關(guān)系，將基準期和變化期年徑流泥沙序列分別取其平均值，進而按照下式計算其變化量。

式中 :ηa——非明顯變化年均變化率 ;ηb——明顯變化年均變化率;Δ21——非明顯變化期和基準期平均年徑流的差、年輸沙變化量(萬m3，萬t);Δ31——明顯變化期和基準期平均年徑流的差、年輸沙變化量(萬m3，萬t);R1——基準期平均年徑流、年輸沙量(萬m3，萬t);R2——非明顯變化期平均年徑流、年輸沙量(萬m3，萬 t);R3——明顯變化期平均年徑流、年輸沙量(萬 m3，萬 t)。

2.2 氣候變化和土地利用對徑流泥沙貢獻分析方法

2.2.1 氣候變化和土地利用變化對徑流的貢獻分析方法 用水量平衡原理結(jié)合實際蒸散量的估算公式，分析氣候及土地利用變化(植被變化)對徑流的影響及各自的貢獻率大小。

徑流的變化是自然因素和人類活動因素共同作用的結(jié)果，為了區(qū)分氣候變化和人類活動對徑流的影響，徑流年均變化可以看作是由氣候原因引起的年均徑流變化ΔˉQclim和由人類活動引起的年均徑流變化兩部分構(gòu)成[17]，用式(5)計算。

式中:Δ Qtot對于一個研究流域可認為是由徑流突變點前后兩個階段的年均徑流之差[18]，可用式(6)計算。

ΔˉQclim是假定土地利用不發(fā)生變化由氣候變化引起的年均徑流變化量，其可用式(7)計算[19]。

式中:ΔP，Δ E0——降水和潛在蒸發(fā)散的變化;β，γ——徑流響應(yīng)于降水和潛在蒸發(fā)散變化的靈敏系數(shù)。其計算公式為

式中:x——干旱指數(shù)，x=E0/P;ω——與下墊面條件有關(guān)的一個綜合參數(shù)，與地形、植被和土壤等因素有關(guān)[20]，考慮到在研究的29 a時間范圍內(nèi)，地形和土壤都不會發(fā)生大的變化，故植被變化是影響 ω的主要因素[20]，在本研究中ω是各地類ω的面積加權(quán)和。

2.2.2 氣候變化和土地利用對泥沙貢獻的分析方法

泥沙變化是通過輸沙量的變化來反映的，因此用輸沙量來表示泥沙。流域輸沙變化總量Δ S是變化期實測輸沙量QS2與基準期輸沙量QS1之差，它包括人類活動的影響量 Δ S1和降水變化的影響量Δ S2[22]。人類活動對流域輸沙的影響量Δ S1是實測變化期輸沙量QS2與基于降水-輸沙關(guān)系模擬的變化期輸沙量Q′S2之差，而降水變化對輸沙的影響量 Δ S2是變化期模擬輸沙量Q′S2與基準期實測輸沙量QS1之差[23]:

2.2.3 土地利用數(shù)據(jù)獲取 利用呂二溝流域1986年、1995年、2001年和2008年的4期遙感影像圖，運用GIS的空間分析功能，同時結(jié)合流域?qū)崪y資料，對呂二溝溝流域土地利用結(jié)構(gòu)變化進行分析。根據(jù)全國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，并結(jié)合呂二溝流域土地利用的特點，將流域土地利用類型劃分為建筑用地、林地、梯田、草地、坡耕地和果園。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流泥沙變化過程分析

3.1.1 徑流泥沙年際變化特征 黃土高原呂二溝流域年徑流量和輸沙量隨時間變化而變化，通過統(tǒng)計黃土高原呂二溝流域1982-2010年徑流泥沙日數(shù)據(jù)，應(yīng)用年徑流泥沙數(shù)據(jù)對其年際變化規(guī)律進行研究，見圖1。

圖1 呂二溝流域徑流泥沙年際變化

呂二溝流域的輸沙量和徑流量呈現(xiàn)基本一致的變化規(guī)律，即大水大沙，且徑流泥沙都有下降的趨勢，但由于年紀間變化波動較大，從中并不能很好的看出其變化規(guī)律，為了更清楚的分析流域徑流和輸沙量的趨勢性變化，采用M-K法進行趨勢性分析。

應(yīng)用Mann-Kendall非參數(shù)檢方法，對呂二溝流域徑流泥沙的年際變化及突變進行研究，見圖2。

圖2 呂二溝流域年徑流、泥沙量Mann-Kendall統(tǒng)計量變化情況

對1982-2010年徑流序列采用M-K趨勢分析，從圖2A中可見，徑流M-K趨勢曲線 UF從1982-1985年沒有明顯的變化，從1986年開始有減小的趨勢。M-K趨勢曲線UF和UB的交點表明徑流序列在1986年存在突變點。以1986年為突變的分界點，將1982-2010年的徑流年際變化分為兩期，1982-1986年為基準期，1987-2010為變化期，并以1991年為非顯著變化期和顯著變化期的分界點劃分為1988-1991年的非顯著變化期和1992-2010年的顯著變化期。

對1982-2010年輸沙量序列同樣采用M-K趨勢分析，流域輸沙量顯著減少，并在1983年存在突變點。另外發(fā)現(xiàn)，徑流和輸沙量在1991年之前，雖然有減少的趨勢，但減少的趨勢并不顯著。以1983年為突變分界點，將呂二溝流域泥沙變化劃分為2期，即1982年、1983年的基準期和1984-2010年的變化期;以1991年為非顯著和顯著變化的分界點劃分為1984-1991年的非顯著變化期和1992-2010年的顯著變化期。

徑流減少主要原因是自然的變化，即由于受到全球氣候變化，降雨減少和溫度升高所導致的蒸散發(fā)強烈作用的結(jié)果;泥沙的減少變化是自然和人類活動共同作用的結(jié)果，它一方面受到動力因素，即徑流變小的影響，另外一方面還受到人類活動所導致的下墊面變化的影響，如退耕還林、水土保持、坡耕地變梯田等工程的實施。

徑流泥沙發(fā)生突變的時間存在差異，主要是由于泥沙的形成一方面受徑流的變化的影響，另一方受地表覆蓋(土地利用)變化的影響，在此期間土地利用變化對泥沙的形成具有重要影響，因此徑流和泥沙的突變年份存在差異。

3.1.2 徑流泥沙定量變化研究 對3期(基準期、非顯著變化期和顯著變化期)徑流和輸沙量序列取其平均值，進行定量變化研究，見圖3。

圖3 呂二溝流域年徑流、泥沙變化

呂二溝流域徑流泥沙平均值均表現(xiàn)出在基準期為最高，顯著變化期最低，其不同時段的數(shù)量特征見表1。

表1 呂二溝流域徑流泥沙不同時段劃分及數(shù)量變化特征

黃土高原呂二溝流域徑流泥沙在變化期內(nèi)體現(xiàn)出減少的變化，但是在不同的變化期內(nèi)，變化程度不同:徑流泥沙均表現(xiàn)出非顯著變化期內(nèi)的減少的量和幅度均小于其在顯著變化期。這些變化與降雨的變化和人類活動有關(guān)。

3.2 氣候和土地利用變化分析

3.2.1 氣候變化分析 氣候與流域水文和流域徑流關(guān)系密切，其中降雨和氣溫是影響流域水文的重要因素。因此對不同年份的降水和氣溫進行分析。在研究時段(1982-2010年)內(nèi)，按照時間順序分別對降水和氣溫進行統(tǒng)計分析，見圖4。

在1982-2010年內(nèi)降水減少209 mm，減少了34.60%，氣溫增高1.38℃，增高了13.09%。降水和氣溫與時間的關(guān)系為:

圖4 氣溫和降水隨時間變化

雖然相關(guān)系數(shù)均很小，但是從平均角度上是可以說明降水以平均每年11.139 mm速度減少，氣溫以每年0.066 7℃速度增加。

3.2.2 土地利用變化分析 土地利用的變化可以改變土壤抗蝕力的大小，從而對土壤的侵蝕產(chǎn)沙量有極大的影響，而且，結(jié)合氣候因素變化，能更好的解釋流域徑流產(chǎn)沙的變化。在研究期內(nèi)雖然土地利用類型變化不同，但是總體上來講，無論時間的變化，林地所占比重最大，其次為坡耕地和草地，而果園和建筑用地所占比重較小。為了研究土地利用變化的相對大小，對各研究階段以研究前期的不同土地利用類型為本底，研究其變化率，見圖5。

圖5 不同時間段土地利用變化百分比

在所有研究階段，1986-1995年土地利用變化率較大:建筑用地和果園面積較小，但是變化最大，1995年建筑用地和果園面積分別減少了61%和57%，而坡耕地和梯田增加了25%和16%;2001-2008年除了建筑用地面積增加了25%以外，其余土地利用類型變化幅度均不大;在整個研究期林地面積一直是以不同速度增加著，1995-2001年增加速度最快，到研究期結(jié)束林地增加了16%，而建筑用地和果園分別減少50%和57%。建筑用地和果園的變化主要是在1986-1995年。流域中的建筑用地實際指村莊、廠礦占地，以及非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，由于礦址搬遷等原因使建筑用地面積減少。

3.3 氣候變化和人類活動對徑流泥沙的貢獻分析

3.3.1 氣候變化和人類活動對徑流的貢獻分析 利用公式(5)-(12)介紹的方法分析降雨變化和人類活動對徑流的貢獻率，見表2。

表2 呂二溝流域氣候及土地利用變化對徑流的影響

表2反映的是不同時段土地利用和氣候變化對徑流貢獻的大小，在非顯著變化和顯著變化期，徑流量分別比基準期減少了60.60萬 m3和117.75萬m3，氣候變化和土地利用變化都引起了徑流的變化。在非顯著變化期，由于人類活動引起凈流量減少35.76萬m3，對流域徑流減少的貢獻率為59.01%，由于氣候變化引起凈流量減少24.84萬m3，對流域徑流減少的貢獻率為40.98%。

在顯著變化期間，由于人類活動引起徑流量減少40.54萬m3，對流域徑流的貢獻率為34.43%，由于氣候變化引起徑流量減少77.21萬m3，對流域徑流量的貢獻率為65.57%?？梢姡诜秋@著變化期間，人類活動的影響程度大于降雨等氣候因素，這與流域的水土保持綜合治理有關(guān)，在1987年以前呂二溝流域中以坡耕地為主，梯田林地的面積還很小，水保措施(植物措施，工程措施)還不能發(fā)揮其涵養(yǎng)水源的作用，而在1987年以后隨著水土保持工作的展開，梯田、林地面積大大增加以及淤地壩工程的建設(shè)，這些措施涵養(yǎng)水源的功能得到充分的發(fā)揮，徑流量逐漸減少，從而使降雨對徑流的影響不那么明顯;在顯著變化期間，降雨等氣候因素的變化對徑流的減少起主導作用，一方面降雨量減少，另一方面是由于溫度的升高，使蒸散量增加，減少了徑流。另外在后期一些水土保持工程措施由于年久失修，基本喪失了保持水土的功能。

3.3.2 氣候變化和人類活動對輸沙量的貢獻分析

利用公式(5)-(12)介紹的方法分析降雨變化和人類活動對輸沙量的貢獻率見表3。

表3 呂二溝流域氣候和土地利用變化對輸沙量的影響

由表3可以看出，在非顯著變化期和顯著變化期間輸沙量分別為16.57萬t和9.59萬 t，與基準期相比分別減少2.19萬t和9.17萬t。輸沙量的減少受氣候變化和人類活動的影響，通過分析得出，在非顯著變化期間，人類活動使泥沙量減少1.38萬t，對泥沙減少的貢獻率為63.17%，這主要是與土地利用變化(植物措施，工程措施)引起入滲增加，降雨截留以及攔蓄泥沙等功能有關(guān)，起到減輕侵蝕的作用，而氣候變化使泥沙量減少0.81萬t，可見人類活動對泥沙的貢獻率要大于氣候變化，水土保持綜合治理措施的功能得到充分的發(fā)揮，這與張琳玲[24]等對黃土丘陵溝壑區(qū)呂二溝流域水土流失特征分析中得出的結(jié)論相符;顯著變化期間，人類活動使泥沙量減少4.8萬t，而氣候變化使泥沙量減少4.37萬t，可見人類活動對泥沙的貢獻率稍大于氣候變化，主要是由于溫度的升高使土壤持水量變小，而黃土高原土壤滲透強度不大，遇到大雨時易發(fā)生較大的地表徑流和土壤流失，同時一些工程措施超過使用年限，基本喪失了固定溝床、攔蓄泥沙的水土保持功能。

4 結(jié)論

本研究對黃土高原呂二溝流域氣候變化、土地利用變化以及其共同作用而產(chǎn)生的徑流泥沙變化規(guī)律進行研究，并在此基礎(chǔ)上探討氣候和土地利用變化對徑流泥沙變化貢獻，結(jié)果如下:

呂二溝流域徑流泥沙在1982-2010年的年際變化差異較大，應(yīng)用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗的方法對徑流泥沙進行突變檢驗得出，年徑流量在1986年發(fā)生突變，年輸沙量的突變發(fā)生在1983年。經(jīng)計算得出，年均徑流量在非顯著變化期內(nèi)減少了60.6萬m3，年均變化率為-34.43%，其中由于人類活動對流域徑流減少的貢獻率為59.01%，由于氣候變化對流域徑流減少的貢獻率為40.98%。在顯著變化期內(nèi)由于人類活動對流域徑流的貢獻率為34.43%，由于氣候變化對流域徑流量的貢獻率為65.57%;而輸沙量在非顯著變化期內(nèi)由人類活動使泥沙量減少1.38萬t，而氣候變化使泥沙量減少0.81萬t;顯著變化期間，人類活動使泥沙量減少4.8萬t而氣候變化使泥沙量增加4.37萬t。

在非顯著變化期內(nèi)，人類活動對徑流和泥沙的貢獻率都大于氣候變化，這主要是土地利用方式的轉(zhuǎn)變和水土保持治理工作的開展，充分發(fā)揮了保持水土和涵養(yǎng)水源的作用;在顯著變化期內(nèi)，人類活動對徑流的影響小于氣候變化，而人類活動對泥沙的影響也有下降，這主要是由于黃土高原降雨減少、溫度升高、氣候干旱化導致，同時一些工程措施也因為年久失修而喪失了攔蓄泥沙的功能。

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