羅曉玲，丁思聰，楊 梅，李巖瑛，3，劉明春

（1.武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006；3.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020）

近年來，溫室氣體的大量排放使得全球氣候逐漸變暖。氣候變暖加劇了干旱、海平面上升和極端風(fēng)暴以及異常氣候與極端事件的頻發(fā)，近年來變暖速度明顯加快，中國近百年來溫度升高了0.5～0.8℃[1]，這種變暖的特征在全球都明顯[2]，近100 a來北半球中緯度干旱區(qū)增溫是全球陸地增溫的2～3倍[3]，尤以中高緯度四季都變暖、冬季增暖更明顯[4]。石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，地形復(fù)雜，氣候差異大，是全球氣候變化的敏感區(qū)，諸多學(xué)者對該流域1960—2009年氣候變化進(jìn)行了分析[5-8]。隨著時(shí)間序列延長，特別是近10 a各氣候要素均發(fā)生了較明顯的變化。施雅風(fēng)等[9-11]指出中國西北地區(qū)、河西走廊氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型，石羊河流域氣候是否和全球、中國西北地區(qū)同步，是本文研究的內(nèi)容之一，時(shí)空變化特征及氣候轉(zhuǎn)型的具體時(shí)間節(jié)點(diǎn)及程度大小，是研究的重點(diǎn)問題。氣候變化不僅影響自然系統(tǒng)和人類生存環(huán)境，也將影響世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步[12-14]。馬鋒等[15]認(rèn)為降水量增多對榆林植被生態(tài)恢復(fù)起到了促進(jìn)作用，劉引鴿等[16]研究表明氣候要素與水文要素的變化有較強(qiáng)相關(guān)性。姚俊強(qiáng)等[17-20]提出西北干旱區(qū)近幾十年來氣候暖濕化趨勢明顯，從而導(dǎo)致冰川強(qiáng)烈消融退縮，嚴(yán)重影響干旱區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。孫家仁等[21]探討了氣候變化對空氣質(zhì)量的影響，但總體缺乏生態(tài)環(huán)境要素對氣候變化響應(yīng)的定量闡述，特別是有關(guān)氣候變化對石羊河流域生態(tài)環(huán)境影響的文章較少，因此，本文在深入研究該流域氣候要素和環(huán)境要素變化特征的基礎(chǔ)上，分析生態(tài)環(huán)境要素對氣候變化的響應(yīng)，及氣候變化對生態(tài)環(huán)境的影響程度，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)、水土資源合理利用與管理、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，烏鞘嶺以西，101°41′～104°16′E，36°29′～39°27′N，流域主要行政區(qū)分屬武威、金昌兩市，總面積4.16×104km2。其水系發(fā)源于祁連山，是甘肅省三大內(nèi)陸河流域之一，自西向東有西大河、東大河、西營河、金塔河、雜木河、黃羊河、古浪河、大靖河8條較大河流及多條小溝小河組成，8條河流出山口均有水文站（圖1）。天祝、古浪位于流域上游，涼州、永昌位于流域中游，民勤位于流域下游。流域地處黃土高原與戈壁荒漠的交匯帶，為半干旱氣候與干旱氣候的交界區(qū)，也是高原氣候和沙漠氣候的共同影響區(qū)。流域內(nèi)地形復(fù)雜，氣候差異大，其所在區(qū)域包括了綠洲農(nóng)田、荒漠、荒漠濕地、荒漠湖泊和沙漠等多種生態(tài)系統(tǒng)。石羊河流域地表植被覆蓋度低，上游南部祁連山擁有森林、草地和淺山灌叢，植被茂密；中游石羊河水灌溉地區(qū)為綠洲，植被適中；下游大部地區(qū)為半荒漠、荒漠和沙漠，植被稀疏。海拔為1 300～5 000 m，年降水量為110～600 mm，氣候特點(diǎn)是，隨海拔的升高，從西南向東北氣溫逐漸升高、降水逐漸減少、沙塵暴逐漸增多。

圖1 石羊河流域地理位置、地形、氣象站及水文站

2 資料與方法

2.1 資料來源與說明

所用氣象要素?cái)?shù)據(jù)來源于1959—2018年石羊河流域內(nèi)5個(gè)氣象站（涼州、民勤、永昌、古浪、烏鞘嶺）觀測資料，觀測站位于101°～104°E，36°～39°N，海拔1 300～3 100 m。

河流流量資料由武威市水文局提供，包括8個(gè)水文站（插劍門、沙溝寺、四溝嘴、南營水庫、雜木寺、黃羊河水庫、大靖峽水庫、古浪）1959—2018年逐月實(shí)測數(shù)據(jù)。水文站均為出山口站，位于101°～104°E，37°～39°N，海拔1 600～3 100 m。用8條較大河流的平均流量作為石羊河流域流量進(jìn)行對比分析。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)取自武威荒漠生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用HJ-1B/CCD衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時(shí)間序列為2009—2018年，時(shí)間分辨率為4 d，空間分辨率為30 m×30 m，用遙感影像近紅外波段反射率和紅外波段反射率，通過公式計(jì)算出NDVI值。計(jì)算公式為：

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NIR為近紅外波段的反射率值，R為紅波段的反射率值?；谖渫羞吔绮眉舫鲅芯繀^(qū)NDVI數(shù)據(jù)，因數(shù)據(jù)有可能受到云遮擋和大氣的影響，對預(yù)處理的數(shù)據(jù)采用最大值合成法得到月最大值NDVI合成影像，再利用平均值合成法折算為年NDVI數(shù)據(jù)[22]。植被覆蓋面積為像元個(gè)數(shù)×分辨率的平方。本文用7—9月NDVI和植被覆蓋面積平均值代表當(dāng)年植被生長最旺盛時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。歸一化植被指數(shù)NDVI也稱為生物量指標(biāo)變化，可使植被從水和土中分離出來，是檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度的最佳指示因子，被廣泛運(yùn)用在植被覆蓋度研究中[23-27]。NDVI與植物的蒸騰作用、太陽光的截取、光合作用、地表凈初級生產(chǎn)力有關(guān)。

2.2 統(tǒng)計(jì)與分析方法

采用石羊河流域（上游—天祝、古浪，中游—涼州、永昌，下游—民勤）5個(gè)觀測站1959—2018年的氣溫、降水量年序列資料，利用氣候傾向率方法進(jìn)行氣候要素變化趨勢分析后，通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)是否存在突變。

使用氣候傾向率、概率統(tǒng)計(jì)方法分析流域河流年流量和植被覆蓋狀況的變化趨勢，在此基礎(chǔ)上，利用相關(guān)系數(shù)（Pearson）法，分析氣溫和降水與他們之間的關(guān)系，探討其變化對生態(tài)環(huán)境的影響程度。

通過Excel 2007、SPSS 22.0、Vb 6.0等軟件，對資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫變化特征

3.1.1 年際變化特征

石羊河流域近60 a氣溫變化（圖2a）顯示，年平均氣溫呈顯著上升趨勢，下游增溫速度最快，為0.42℃·（10 a）-1（P＜0.001），中游為0.36℃·（10 a）-1（P＜0.001），上游最慢，為0.35℃·（10 a）-1（P＜0.001），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中國和西北干旱區(qū)的增溫速度[28-29]，呈現(xiàn)由南向北即流域上游向下游增速逐漸加大的趨勢。氣溫年代際變化（圖2b）顯示，20世紀(jì)70—80年代有所下降，70年代降幅較大，較60年代流域上、中、下游分別下降了0.15、0.28、0.14℃，20世紀(jì)90年代—2018年為持續(xù)上升階段，進(jìn)入21世紀(jì)以來，增溫迅速，近10 a最為顯著，較前10 a上、中、下游分別上升了0.37、0.35、0.49℃。整體來看，全流域年平均氣溫近20 a升溫明顯，近10 a最顯著，較20世紀(jì)60年代升高了1.67℃。

圖2 石羊河流域近60 a平均氣溫變化趨勢

滑動(dòng)t檢驗(yàn)監(jiān)測顯示[30]，流域氣溫在1967和2013年發(fā)生了顯著突變（P＜0.05）。突變點(diǎn)，下游為1967年，中、上游為2013年。

3.1.2 季節(jié)變化

四季氣溫均呈顯著上升趨勢，增溫速度為冬季＞秋季＞春季＞夏季。冬季增溫速度最大，年際傾向率為0.44℃·（10 a）-1（P＜0.001），20世紀(jì)60年代后期下降，1968年為最低值（-11.2℃），之后迅速上升，2008、2012年短暫下降，總趨勢為波動(dòng)上升，近10 a升溫最顯著。春季年際傾向率為0.36℃·（10 a）-1（P＜0.001），20世紀(jì)70、80年代略有下降，90年代開始呈持續(xù)升溫狀態(tài)，近10 a升溫最顯著。夏季增溫速度最小，年際傾向率為0.31℃·（10 a）-1（P＜0.001），20世紀(jì)70年代后期—80年代略有下降，90年代開始持續(xù)升溫，近10 a升溫最顯著。秋季年際傾向率為0.38℃·（10 a）-1（P＜0.001），20世紀(jì)60年代后期出現(xiàn)短暫下降，迅速下降到最低值（1967年的3.4℃），之后波浪式上升，近10 a升溫最顯著。

3.2 降水變化特征

3.2.1 年際變化

近60 a降水變化（圖3a）顯示，流域降水量呈緩慢增加趨勢，上游增幅最大，為8.3 mm·（10 a）-1（P＜0.1），中游為7.0 mm·（10 a）-1（P＜0.05），下游最小，為4.1 mm·（10 a）-1（P＜0.1），呈現(xiàn)由南向北即流域上游向下游增幅逐漸減小的趨勢。年代際變化（圖3b）表明，20世紀(jì)60年代是降水最少期，上游70—80年代較60年代降水有所增加，80年代較明顯，比60年代增加了11%，20世紀(jì)90年代—21世紀(jì)前10 a較20世紀(jì)80年代又有下降，90年代較80年代減少了3%，近10 a是降水最多期，較20世紀(jì)60年代增加了16%；中游20世紀(jì)70年代—21世紀(jì)前10 a降水持續(xù)增加，21世紀(jì)前10 a較20世紀(jì)60年代增加了19%，近10 a較前10 a略有減少，減少了3%；下游降水是20世紀(jì)70年代為最多期，80年代—21世紀(jì)前10 a持續(xù)增加，21世紀(jì)前10 a比20世紀(jì)60年代增加了24%，近10 a較前10 a略有減少，減少了1%。整體來看，全流域降水近20 a增加明顯，近10 a最顯著，較20世紀(jì)60年代增加了17%。

圖3 石羊河流域近60 a降水量變化趨勢

經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)可知，流域降水緩慢上升，在1962和1991年發(fā)生了顯著突變（P＜0.05）。上游從1959年開始急劇上升到最高點(diǎn)（1961年），之后迅速下降到最低點(diǎn)（1962年），期間發(fā)生了突變，突變點(diǎn)為1961和1962年，1963年開始呈波動(dòng)式上升；中游從1959年開始波動(dòng)式下降到最低點(diǎn)（1991年），從1992年開始波動(dòng)式上升到最高點(diǎn)（2014年），期間發(fā)生了突變，突變點(diǎn)為1991和2014年；下游從最低點(diǎn)（1959年）開始上升1 a后，劇烈下降到次低點(diǎn)（1962年），之后逐漸上升到次高點(diǎn)（1973年），然后呈波動(dòng)式上升到最高點(diǎn)（1994年），期間發(fā)生了突變，突變點(diǎn)為1959、1962、1973、1994年。

3.2.2 季節(jié)變化

四季降水均呈弱增加趨勢，增幅為夏季＞春季＞秋季＞冬季。冬季的降水量年際傾向率為0.43 mm·（10 a）-1（P＞0.05），波動(dòng)較大，最大值（2006年的18.3 mm）和最小值（1971年的1.2 mm）相差17.1 mm，20世紀(jì)70年代是降水最少期?？傏厔菔墙?0 a增加最明顯，較70年代增加了55%。春季降水量年際傾向率為1.6 mm·（10 a）-1（P＞0.05），20世紀(jì)70年代是降水最少期，20世紀(jì)90年代是降水最多期，進(jìn)入21世紀(jì)變化不明顯，基本和20世紀(jì)90年代持平。夏季降水量年際傾向率為4.1 mm·（10 a）-1（P＞0.05），20世紀(jì)60年代是降水最少期，20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)前10 a是次少期，20世紀(jì)80年代是最多期，近10 a是次多期。秋季降水量年際傾向率為0.63 mm·（10 a）-1（P＞0.05），20世紀(jì)80年代是降水最少期，70年代和21世紀(jì)前10 a是最多期。

綜合氣溫和降水變化特征，流域氣候暖濕化趨勢近20 a較顯著，近10 a氣溫升高和降水增加均為60 a來最大。

3.3 氣溫、降水變化對生態(tài)環(huán)境的影響

3.3.1 對水資源的影響

石羊河流域地表水資源主要產(chǎn)于祁連山區(qū)，其徑流補(bǔ)給主要來源為天然大氣降水和高山冰雪融水。有研究表明[31]內(nèi)陸河流量的豐枯主要受祁連山區(qū)汛期降水的影響，汛期流量的穩(wěn)定性主要是源于祁連山區(qū)降水穩(wěn)定，非汛期降水形成的冰雪消融也起到了一定的調(diào)節(jié)作用。流域內(nèi)有8條較大河流和60多條小溝小河，均發(fā)源于祁連山冷龍嶺、烏鞘嶺、毛毛山北麓。

繪制石羊河年平均流量時(shí)間變化曲線發(fā)現(xiàn)（圖4），近60 a該區(qū)流量變化不大，基本在平均值上下波動(dòng)，2003年最大，為7.76 m3/s；1991年最小，為3.94 m3/s。年代際表現(xiàn)為1969—1978年和1989—1998年是流量最小期，2009—2018年是次小期，1959—1968年是最大期，1979—1988年和1999—2008年是次大期。年河流流量的大小與年降水量的大小有較好的對應(yīng)關(guān)系，降水量較大年份相應(yīng)的河流流量也較大，反之亦然。如2003年降水量（328 mm）最大，流量（7.76 m3/s）也最大；1991年流量（3.94 m3/s）最小年份對應(yīng)降水量（180.6 mm）為次小，表明降水是本地河流主要補(bǔ)給來源，流域天然降水量的變化對河流流量貢獻(xiàn)較大。

圖4 石羊河流域近60 a河流流量、氣溫、降水量變化趨勢

利用相關(guān)系數(shù)法分析流量與氣溫、降水的關(guān)系（表1）可知，年平均流量與年平均氣溫、四季氣溫呈弱負(fù)相關(guān)，表示氣溫升高，蒸發(fā)加劇，水分散失量加大，流量減少。年平均流量與年降水量、春季、夏季、冬季降水量呈顯著正相關(guān)，與降水（P＜0.01）的相關(guān)性高于氣溫。降水量的變化是影響河流流量的主要因素之一，本地天然降水量的大小直接影響著河流流量的豐枯，關(guān)乎水資源的合理利用與管理。

表1 石羊河流域河流流量與各影響因子相關(guān)系數(shù)

綜合以上可以得出，60 a來石羊河流域氣溫顯著升高、降水量緩慢增加，河流流量基本維持不變，氣候變化對流域河流流量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人類活動(dòng)對流量的影響，氣候因子的綜合作用是石羊河流域流量變化的根本原因。天然降水的增加有利于增加本地水資源總量，改善生態(tài)環(huán)境。

3.3.2 對地表植被的影響

地球表面植被覆蓋的變化能夠影響地表水分、能量和輻射的分配及平衡，同時(shí)影響水文過程、水循環(huán)和區(qū)域氣候的改變，植被退化能引起水土流失、凍土退化和土地沙漠化等嚴(yán)重后果[32-34]。石羊河流域主要有山地、綠洲和荒漠，其對氣候變化響應(yīng)尤其敏感，在流域整體暖濕化和區(qū)域性年代際變化的影響下，該區(qū)域植被演變特別關(guān)鍵。

據(jù)HJ-1B/CCD衛(wèi)星植被遙感監(jiān)測資料顯示，石羊河流域多年植被覆蓋面積為4 589.4 km2，植被指數(shù)（NDVI）為0.47。近10 a流域平均氣溫每年升高0.168℃，平均降水量每年增加5.554 mm，暖濕化程度更為明顯，該區(qū)植被覆蓋面積（圖5a）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）（圖5b）也呈顯著增大趨勢，植被覆蓋面積和NDVI分別以每年188.6 km2（P＜0.01）和0.008 4（P＜0.05）的速度增加，變化趨勢幾乎與降水的變化一致。2009—2012年植被覆蓋度迅速增大，2012年為近10 a次大，之后波動(dòng)增加，2018年達(dá)到最大。降水量與植被覆蓋度的對應(yīng)關(guān)系好于與氣溫的對應(yīng)關(guān)系，如2014年降水量為近10 a最大，植被覆蓋面積和NDVI均為近10 a次大。

圖5 石羊河流域近10 a植被和溫濕變化趨勢

利用相關(guān)系數(shù)法分別分析植被覆蓋面積和植被指數(shù)（NDVI）與氣溫、降水的關(guān)系（表2）發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋面積、NDVI與植被生長季降水的相關(guān)性高于氣溫。均與春季氣溫呈正相關(guān)，表示春季氣溫升高，有利于植被生長發(fā)育；與夏季降水量（P＜0.05）、年降水量呈顯著正相關(guān)，夏季正是植被需水高峰期和關(guān)鍵期，降水量多，植被長勢就好，植被覆蓋度隨之增大。

表2 石羊河流域植被與各影響因子相關(guān)系數(shù)

干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的自然植被變化主要與可用水資源量（降水、徑流和地下水）的變化和人類開發(fā)強(qiáng)度密切相關(guān)，通過以上分析可知，流域內(nèi)天然降水量的變化是影響自然植被變化的主要因素之一，同時(shí)通過上游保護(hù)涵養(yǎng)水源、中游修復(fù)生態(tài)環(huán)境、下游搶救民勤綠洲的具體舉措，對石羊河流域進(jìn)行綜合治理后，自然植被逐漸恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境得到有效改善。

氣候暖濕化有利于增加本地水資源總量，提高地表植被覆蓋率，抑制沙塵暴的發(fā)生，改善生態(tài)環(huán)境和大氣環(huán)境質(zhì)量。

4 討論

在氣候變暖背景下，石羊河流域氣象要素時(shí)空分布發(fā)生了顯著變化，特別近10 a尤為明顯，氣溫呈顯著升高趨勢，降水呈緩慢增加趨勢，與趙福年等[6]的研究結(jié)論基本一致，傾向率不同是與資料長短有關(guān)。流域河流流量基本持平，與鄧振鏞等[35]的“年徑流總體呈明顯下降趨勢”不同，究其原因?yàn)槿鄙俳?0 a資料所致；流量與年平均氣溫、四季氣溫呈弱負(fù)相關(guān)，與春季、夏季、冬季降水量和年降水量呈顯著正相關(guān)，與降水的相關(guān)性高于氣溫，降水量的變化是影響河流流量的主要因素，這一結(jié)論與李玲萍等[36]的“流量與降水量呈顯著的正相關(guān)”研究一致。近10 a石羊河流域植被覆蓋面積和植被指數(shù)呈顯著增大，這一結(jié)論與李麗麗等[37-39]的研究基本一致。植被覆蓋面積和NDVI與春季氣溫、夏季降水量、年降水量呈正相關(guān)，與降水的相關(guān)性高于氣溫，流域氣候暖濕化，植被覆蓋率整體提高，這一結(jié)果與葉培龍等[32]的研究”植被覆蓋對降水量變化的響應(yīng)大于氣溫變化”相一致。選取石羊河流域5個(gè)氣象站的常規(guī)觀測資料討論氣候變化對石羊河流域生態(tài)的影響，雖然在一定程度上能夠較為清晰地反映生態(tài)環(huán)境對氣候變化的響應(yīng)，但石羊河流域處于不同氣候區(qū)的交匯過渡帶，天氣特征和氣候變化規(guī)律復(fù)雜，由于研究區(qū)內(nèi)氣象區(qū)域站資料時(shí)間較短、部分資料不完整，僅用該地區(qū)5個(gè)氣象站資料分析存在站點(diǎn)稀少、分布不均、網(wǎng)格較粗的弊端。另外衛(wèi)星遙感資料年代較短，對研究結(jié)論有一定局限性。因此在之后的研究中需要增加更多的氣象區(qū)域站觀測資料和不同區(qū)域的精細(xì)化遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合石羊河流域地形地貌、地理位置以及人類活動(dòng)信息，進(jìn)一步詳細(xì)分析石羊河流域氣象要素對生態(tài)環(huán)境的影響程度。

5 結(jié)論

（1）近60 a石羊河流域氣溫呈顯著升高趨勢，升溫速度為下游＞中游＞上游，近10 a增溫最顯著，全流域年平均氣溫較20世紀(jì)60年代升高了1.67℃。中上游在2013年、下游在1967年發(fā)生了顯著突變。四季氣溫均呈顯著上升趨勢，增溫速度為冬季＞秋季＞春季＞夏季。

（2）近60 a石羊河流域降水呈緩慢增加趨勢，增幅為上游＞中游＞下游。近10 a增加最顯著，全流域年平均降水量較20世紀(jì)60年代增加了17%。在1962和1991年流域降水發(fā)生了顯著突變。四季降水呈弱增加趨勢，增加幅度為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

（3）近60 a石羊河流域河流流量基本維持不變，年平均流量與年平均氣溫、四季氣溫呈弱負(fù)相關(guān)，與春季、夏季、冬季降水量和年降水量呈顯著正相關(guān)。降水量變化是影響河流流量的主要因素。

（4）近10 a石羊河流域植被覆蓋面積和植被指數(shù)呈顯著增大趨勢，植被覆蓋面積和NDVI分別以平均每年188.6 km2和0.008 4的速度增加。植被覆蓋面積和NDVI均與春季氣溫、夏季降水、年降水呈正相關(guān)。氣候暖濕化是流域植被好轉(zhuǎn)的主要影響因素之一。

（5）石羊河流域氣候暖濕化趨勢近20 a比較明顯，隨著暖濕化進(jìn)程的加快，近10 a流域氣候變化最為顯著，氣溫為60 a來最高、降水最多、沙塵暴最少。這些變化有利于增加本地水資源總量，提高流域植被覆蓋率，對生態(tài)環(huán)境和大氣環(huán)境質(zhì)量改善有積極作用。