嫩江流域濕地生態需水量分析與預估

董李勤, 章光新, 張 昆

1 中國科學院濕地生態與環境重點實驗室, 中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130012 2 西南林業大學, 昆明 650224

嫩江流域濕地生態需水量分析與預估

董李勤1, 2, 章光新1,*, 張 昆2

1 中國科學院濕地生態與環境重點實驗室, 中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130012 2 西南林業大學, 昆明 650224

探討了嫩江流域濕地生態需水量的計算方法，并對流域內不同降水頻率下濕地生態需水量進行了計算。在此基礎上，選擇CMIP全球氣候模式下RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5等3種排放情景，預測2030年、2050年和2100年嫩江流域濕地生態需水量的變化趨勢。研究結果表明：不同降水頻率下的流域濕地生態需水量分別為豐水年70.284億m3，平水年118.696億m3，枯水年169.343億m3，反映了其與氣候條件的相關性。3種排放情景下濕地生態需水量變化受到最高、最低氣溫和降水量變化的共同影響，其中RCP2.6情景下需水量呈先增加后減少的趨勢；RCP4.5和RCP8.5情景下需水量整體呈增加趨勢，到2100年分別達到147.337億m3和132.659億m3。氣候變化條件下，如何協調水資源需求間的矛盾，維持濕地生態系統健康穩定，將是未來研究關注的重點。

嫩江流域; 濕地生態需水量; 氣候變化; 預估

1 研究背景

濕地是發育于水陸環境過渡地帶的生態系統，其特定的水文條件是濕地生態系統形成及其功能維持的重要因子[1,2]。氣候變化通過改變全球水文循環現狀引起水資源在時空上的重新分布，并對氣溫、降水與干旱洪澇等極端水文事件發生頻率和強度造成直接影響，進而改變濕地蒸散發、徑流、水深、水文周期等水文條件和水質狀況，最終影響到整個生態系統結構和功能，致使濕地生態系統演替規律及發展趨勢發生變化[1-3]。

嫩江流域屬于全球氣溫變暖幅度最大的北方高緯地區，是全國七大水系之一松花江的北源，也是我國濕地主要集中分布區[4]。分布在流域內的自然濕地，不僅能調節徑流、卸載河川徑流，同時具有調蓄、凈化、涵養水的功能，在維系流域水安全和生態安全，調節區域小氣候、水資源補給與生物多樣性保護等方面發揮著極其重要的作用，也是阻止松嫩平原西部荒漠化向中東部擴展的重要生態屏障。然而，近百年氣候變化帶來的氣溫升高、水資源時空上的重新分布等問題，以及人類對水土資源不合理的開發利用，引起下游濕地入流量減少和蒸散量增加，改變濕地水文特征，造成濕地水資源短缺、旱化現象，進而導致濕地面積萎縮和功能下降[5]。

濕地作為一個有機體，對氣候變化和人類活動具有一定的自我調節能力。因此，維持濕地健康所需的水分不是在一個特定的點上，而是在一定范圍內變化的，變化的范圍就構成了生態系統水分需求的閾值區間。從目前研究情況來看，對濕地生態需水量的研究主要是在年內和年際兩個時間尺度上進行估算，年內分為生長期與非生長期，年際分為平水年和枯水年[6]。而對氣候變化影響下的濕地生態需水量的變化研究極少[7]，更缺乏對嫩江流域整體濕地生態需水量的計算與預測分析。因此，研究氣候變化背景下嫩江流域濕地生態需水量的變化狀況以及未來氣候變化情景模式下濕地生態需水量的變化趨勢對濕地保護與濕地水資源管理意義重大，也是未來濕地生態水文的重要研究領域。

1 研究區和研究方法

1.1 研究區概況

嫩江流域位于我國東北地區中西部，地跨東北三省，自北向南流經黑龍江省的黑河市、大興安嶺地區、嫩江縣、齊齊哈爾市、大慶市，內蒙古的呼倫貝爾盟和吉林省的白城市等縣市區。流域全長1370 km，流域面積29.7萬km2，屬于溫度大陸性的季風氣候。近55年嫩江流域多年平均溫度約為2.1 ℃，多年平均降水量為454.9 mm，其中夏季降水量占全年降水量的70%—80%，因此夏季易發生洪澇災害。

圖1 嫩江流域濕地分布圖Fig.1 Distribution of the wetlands in Nenjiang Basin

嫩江流域北部、西部和南部3面地勢較高，為隔水邊界，東南部地勢低平，形成廣闊的松嫩平原，為排泄區。自西向東，嫩江流域大致可分為大興安嶺山區、山區丘陵過渡地帶、山前傾斜平原區與中部低平原區。其中大興安嶺山區海拔為1000—1400 m，自北向南分布在流域西側，西部山前傾斜平原為大興安嶺東麓的山前地帶，主要由扇形臺地構成，地面高程為143—153 m，水系密布并在低平原過渡地帶形成沼澤濕地。低平原地區地勢低平開闊，洼地、湖泡星羅棋布，鹽堿地、沼澤濕地發育，是各類濕地集中分布區(圖1)。

1.2 數據資料與計算方法

1.2.1 數據

本文的研究應用嫩江流域內國家氣象臺站水文氣象監測資料(包括最高、最低氣溫、風速、水汽壓、相對濕地、日照時數、凈輻射、降水等)計算參照作物的潛在蒸散發量；此外，由于嫩江流域內沼澤濕地植被分布以蘆葦為主，因此選取蘆葦植被為代表并結合FAO(Food and Agriculture Organization)提供的單系數法Kc(The single crop coefficient)確定沼澤濕地的實際蒸散發量，各時期作物參數指標如表1所示。

表1 嫩江流域沼澤濕地蘆葦各時期的參數指標

由于FAO推薦的作物系數是針對美國東南部地區，其氣候溫暖潮濕，而嫩江流域氣候干燥，因此根據前人實驗結果[8-9]調整沼澤系數，Kcini、Kcmid和Kcend分別調整為1.48、1.12和1.28，水面Kc調整為0.94。利用ArcGIS空間分析軟件，將嫩江流域土壤類型數據與濕地遙感數據疊加處理，得出沼澤濕地范圍內各土壤類型的分布面積以及土壤厚度等參數。發現嫩江流域內分布著暗棕壤、黑鈣土、栗鈣土、草甸土、沼澤土、潮土、水稻土等約47種亞類土壤類型，其土壤厚度從34 cm到150 cm不等，平均土壤厚度為102.7 cm，平均土壤容重為1.14 g/cm3，平均田間持水量為40.4%。

濕地生態需水量預測采用的氣象數據來自CMIP5(the Fifth phase of the Couple Model Intercomparison Project)全球氣候模式的模擬結果，是由包括BCC-CSM1-1、BNU-ESM、CCSM4、CNRM-CM5在內的共21個全球氣候模式的模擬結果，經過差值計算統一降尺度到統一分辨率下，并利用簡單平均方法進行多模式集合制作而成。CMIP5全球氣候模式包括1901—2005年Historical和2006—2100年RCP2.6(Representative Concentration Pathways)、RCP4.5和RCP8.5排放情景下的月平均資料，本文將選取3個排放情景下2006—2100年的模擬結果進行氣候變化趨勢的分析，并選取2030年、2050年和2100年的模擬結果進行濕地生態需水量的預測分析。

1.2.2 方法

廣義上講，濕地生態需水量是指濕地為維持自身發展過程和保護生物多樣性所需要的水量，包括植物需水量、土壤需水量和野生生物棲息地需水量3部分；狹義而言，濕地生態需水量是指濕地每年用于生態消耗而需要補充的水量，即補充濕地生態系統蒸散需要的水量。文中濕地生態需水量的計算用的是廣義上的概念，其中濕地植物、土壤和野生生物棲息地需水量的內涵如下：

(1) 濕地植物需水量

植被蒸散發量大小與植物種類、組成結構、植被面積及蓋度等因素有關，在正常生育狀況下(即水分充足)，常常采用彭曼公式計算植物潛在蒸散發，再根據植被類型用Kc單系數法進行校正。

估算大尺度區域或流域濕地植物需水量時，常常將濕地植被面積與蒸散發量的乘積看作植物需水量，公式為：

(1)

(2) 濕地土壤需水量

濕地土壤需水量與濕地植物生長及其需水量密切相關。不同類型的濕地土壤，其田間持水量、土壤容重、土壤厚度等特性均不相同，需水量也會出現差異。根據研究的需要，通常按照田間持水量或用飽和持水量參數進行計算，從理論公式上可表達為：

Qt=αγHtAt

(2)

式中，Q為土壤需水量；α為田間持水量或者飽和持水量百分比；γ為土壤容重；Ht為濕地土壤厚度；At為濕地土壤面積。

(3) 野生生物棲息地需水量

在計算大區域或者流域內野生生物棲息地需水量時，由于濕地分布廣而又分散，各類指標不可能一一測出，因此，通常根據棲息地水面面積百分比和水深進行計算。嫩江流域內沼澤濕地面積廣而分布比較分散，因而計算野生生物棲息地需水量時，以各重點濕地保護區內的野生生物棲息地需水量代表整個嫩江流域。

依據以上分析，確定通過水面面積百分比和水深要素計算野生生物棲息地需水量的公式為：

(3)

目前為止，濕地生態需水量用到的預測方法有傳統預測方法、專家評價方法和情景分析方法等。情景分析預測法是建立在對研究對象未來狀態或趨勢進行多種可能性推斷的一種預測方法，即假設事物的發展變化存在很大不確定性，難以精確預測，因此給出未來發展的多種可能性，情景分析得出的是定性、定量相結合的結論，可以有效地降低預測風險。本文在充分考慮嫩江流域濕地氣象因子歷史變化趨勢的前提下，選取情景分析方法，進行濕地生態需水量的預測分析。

2 嫩江流域濕地生態需水量的計算

嫩江流域內沼澤植被分布面積較廣，因此首先對不同降水頻率下流域內各月沼澤濕地植被需水量進行計算，并根據上述公式對嫩江流域內各種土壤類型需水量以及野生生物棲息地需水量進行計算，得到不同降水頻率下嫩江流域沼澤濕地適宜生態需水量，在豐水年(25%降水頻率)、平水年(50%降水頻率)和枯水年(75%降水頻率)濕地適宜生態需水量分別為70.284億m3、118.696億m3、169.343億m3。由于嫩江流域存在多尺度豐枯水變化周期，并且降水與徑流兩者演變周期基本一致[10]，在枯水年，降水量的減少，導致濕地生態需水量的增加。并且從不同降水頻率下嫩江流域沼澤濕地適宜生態需水量年內變化過程曲線(圖2)可以看出：嫩江流域沼澤濕地生態需水量年內季節變化比較大，特別是在4—9月份的生長季，枯水年濕地生態需水量呈現較大增幅。具體表現為：5、6月份濕地生態需水量最大，占全年濕地生態需水量的30%以上，主要原因在于春季干燥，降水量少而蒸發量大；7月份濕地生態需水量急劇下降，是由于嫩江流域進入豐水季節，降水量增多，補充濕地需水。從各季節濕地生態需水量變化趨勢來看，春季和夏季的濕地生態需水量最大，秋季次之。

圖2 不同降水頻率下嫩江流域濕地適宜生態需水量年內過程 Fig.2 Annual distribution of optimum ecological water requirements in the Nenjiang Basin under different precipitation frequency

在枯水年、平水年和豐水年，月平均濕地適宜生態需水量的最大值和最小值如表2所示：其中最大值出現在生長季，占全年的70%—80%，而最小值出現在冬季，僅占全年的3%左右。從以上分析可以看出，不同降水頻率下嫩江流域沼澤濕地生態需水量的變化過程符合季節氣候水文條件和濕地生態規律。

表2 不同時期嫩江流域濕地適宜生態需水量年內分配值/(億m3)

3 氣候變化情景下嫩江流域濕地生態需水量的預測

3.1 設置不同情景模式

為了預估未來全球和區域氣候變化情況，必須事先提供未來溫室氣候和氣溶膠等的排放情況，即排放情景。排放情景通常是根據一系列因子假設得到的，包括經濟發展、人口增長、技術進步、全球化、環境條件、公平原則等。對應未來可能出現的不同社會經濟發展狀況，要制作不同的排放情景。

此前IPCC曾先后發展了兩套溫室氣體和氣溶膠排放情景，及1992的IS92排放情景和2000年的SRES排放情景，但目前來看，早已需要更新和補充[11]。2011年Climatic Change出版專刊，介紹新一代排放情景，并對4種情景分別作了詳細的分析[12-13]。新一代情景叫做“典型濃度目標(Representative Concentration Pathways)”，簡稱RCPs。4種情景分別為RCP8.5、RCP6.0、RCP4.5和RCP2.6。其中前3個情景模式大致同2000年方案中的SRES A2、A1B和B1相對應。本文選取RCP8.5情景、RCP4.5情景和RCP2.6情景分析未來2030年、2050年和2100年氣候變化的情況，以及未來各種情景下流域濕地生態需水量的變化趨勢。RCP的3種情景的簡單情況如表3所示。

表3 不同氣候情景下典型濃度目標

3.2 不同排放情景下氣候變化趨勢

對2006—2100年嫩江流域范圍內RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下的降水、均溫、最高溫、最低溫變化趨勢(圖3)進行分析發現：

RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5等3種排放情景下的年降水量在2006—2010年差異很大，從圖3中可以看出，RCP2.6情景下的降水量趨勢穩定，無明顯變化；RCP4.5情景下的降水量呈現先增加、后趨于穩定的變化趨勢；RCP8.5情景下的降水量呈持續顯著增加趨勢。對RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5 3種排放情景下嫩江流域年均氣溫、最高溫和最低溫進行分析(圖3)發現，2006—2030年3種情景下年均溫、最低溫和最高溫的變化趨勢基本一致。2030—2100年，RCP2.6情景下的年均溫度增長緩慢并趨于平穩，RCP4.5情景下的年均溫度穩定增長，RCP8.5情景下的年均溫度增長幅度最大(圖3)。

圖3 嫩江流域1906—2100年年降水量、年均溫、年均最低溫和年均最高溫變化趨勢Fig.3 Trend of annual precipitation, annual temperature, annual minimum temperature and annual maximum temperature in Nenjiang Basin from 1906—2100

對比圖3,3種排放情景以年均最低溫的增溫幅度最大，為0.665 ℃/10a，其次為年均溫度，為0.629 ℃/10a，年均最高溫度增溫幅度最小，為0.611 ℃/10a。年均最高溫和最低溫之間差值的縮小，導致晝夜溫差變小[14]，會使一天中的熱量循環周期發生變化，使熱量累積達到峰值的時間和大小都發生改變，導致某些作物的最佳生長周期的推遲或提前。

3.3 3種不同排放情景下濕地生態需水量變化趨勢

通過對濕地生態需水量的計算可以看出，濕地生態需水量中以植物需水量所占比重最大，并且受氣候變化影響也較大。因此，對3種排放情景下濕地生態需水量的計算只計算植被需水量部分，并根據相應的最高溫、最低溫和降水變化預測未來3種排放情景下嫩江流域濕地生態需水量的變化趨勢(圖4)。

對比3種排放情景下嫩江流域的濕地生態需水量可以發現，RCP2.6情景、RCP4.5情景和RCP8.5情景3種排放情景下濕地生態需水量在2030—2100年期間的變化趨勢并不一致。到2030年，嫩江流域濕地生態需水量為RCP2.6情景

(1)RCP2.6情景下濕地生態需水量呈現先增加后減少的趨勢，主要是由于該情景下提倡應用生物質能、恢復森林，是最低端排放情景，其中21世紀后半葉能源應用為負排放，因此到從2050年到2100年，其濕地生態需水量呈現明顯減少趨勢；

(2)RCP4.5情景下濕地生態需水量在2030—2050年變化不大，主要是由于在此期間，降水量增加幅度明顯高于溫度，對濕地生態需水有一定的補充作用；2050—2100年期間，濕地生態需水量大幅增加，主要是由于期間降水量呈現減少并趨于穩定變化趨勢，但溫度卻持續增加，使該情景下需水量達到最大值；

圖4 嫩江流域不同排放情景下濕地生態需水量預測 Fig.4 Ecological water requirements prediction under different emission scenarios in the Nenjiang Basin

圖5 不同情景下2030年嫩江流域濕地適宜生態需水量年內過程預測Fig.5 Predication of annual distribution of optimum ecological water requirements in the Nenjiang Basin under different emission scenarios in 2030

(3)RCP8.5情景下濕地生態需水量在2030—2050年期間呈現減少趨勢，是由于在此期間降水量增加幅度遠遠大于溫度的增加幅度，增加的降水量不僅可以抵消由于溫度升高帶來的蒸散發的增加，還可以對濕地有一定的水資源補給作用；但2050—2100年期間，濕地生態需水量有大幅增加，主要是由于在最高溫室氣體排放情景下，即使降水量有增加趨勢，但溫度的持續快速增長，以及人口增加、能源改善緩慢帶來的影響，都必然會導致濕地生態需水量的增加。

選擇3種情景下2030年月濕地生態需水量分析其變化趨勢(圖5)，可以看出，植物生長季(4—9月份)濕地生態需水量占全年濕地生態需水量的比例達到80%左右，說明植被需水量是濕地生態需水量最主要的組成部分；一年之內以5月份需水量最大，是由于5月份降水不多，但植被開始生長，需水量較大，符合植物生長規律；濕地需水量在5月份達到頂峰后，在7月份迅速降低，是由于7月份降水量最大，補充濕地水資源需求；冬季需水量最小。

4 結論與討論

(1)關于嫩江流域內濕地生態需水量以往的研究都是關于扎龍濕地、向海濕地等具體濕地保護區進行需水量計算，缺乏對整個嫩江流域整體沼澤濕地生態需水量的認識和了解。本研究濕地生態需水量的計算是為蓄水量和耗水量之和，不包含降水量，并同時考慮降水頻率的影響。研究表明嫩江流域不同降水頻率下的濕地生態需水量分別為：豐水年(25%降水頻率)70.284億m3，平水年(50%降水頻率)118.696億m3，枯水年(75%降水頻率)169.343億m3；在年內變化的趨勢表現為春夏較大、秋季次之，冬季最小。研究結果也反映了濕地生態需水量與氣候條件的相關性。

(2)選擇CMIP全球氣候模式，在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5 3種排放情景下，預測2030年、2050年和2100年嫩江流域濕地生態需水量的變化趨勢，分析結果表明：RCP2.6情景下需水量呈先增加后減少的趨勢；RCP4.5和RCP8.5情景下需水量整體呈增加趨勢，到2100年分別達到147.337億m3和132.659億m3，其變化受到最高氣溫、最低氣溫和降水量變化的共同影響。

在氣候變暖、降水量及格局發生變化的現狀下，嫩江流域水資源供需矛盾將會更加尖銳。而如何協調水資源需求間的矛盾，維持濕地生態系統健康穩定，實現水資源持續發展，將是未來研究關注的重點。另外，濕地生態需水量是一個動態的值，隨著生態保護目標的改變或者經濟社會的發展其值也必然不同。

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Analysis and prediction of wetland ecological water requirements in the Nenjiang Basin

DONG Liqin1,2, ZHANG Guangxin1,*, ZHANG Kun2

1KeyLaboratoryofWetlandEcologyandEnvironment,NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130012,China2SouthwestForestUniversity,Kunming650224,China

As in the case of most ecosystems, freshwater wetlands can be affected by climate change, which can alter wetland hydrology, water quality, and ecological health. Freshwater wetlands provide a number of valuable ecosystem activities, including carbon sequestration, primary productivity, floodwater storage, nutrient processing, and sediment stabilization. Further, they contribute to the high biodiversity of vegetation, macro invertebrates, fish, amphibians, reptiles, birds, and mammals. The Nenjiang Basin is one of the most important crop-production regions in China. A large portion of the headwaters of the river′s basin is located at relatively higher latitude and higher altitude regions, and the natural wetlands occupy approximately 15% of the total area of the Nenjiang Basin, supporting a large number of terrestrial and aquatic organisms. However, since 1978, approximately 28% of the wetland area has been drained and converted into agricultural fields or urban development land. The conversion of wetlands for agricultural purposes and urbanization has created considerable stress on the ecological health of the Nenjiang region. Although the effects of climate change are not yet fully understood, it could be an additional source of stress for already deteriorated regional ecosystems because of the reductions in the wetland area. In addition, since the natural wetlands of the Nenjiang Basin occupy a large area, it is also one of China′s most important wetland preservation areas. This area has experienced substantial changes in climate and land use/cover, which has led to serious water resource problems. Recent studies have shown that the regional climate has become warmer and drier, and the runoff in the Nenjiang Basin has declined since the 1950s. The predicted wetland ecological water requirements were 70.284 billion m3, 118.696 billion m3, and 169.343 billion m3during high precipitation, flat precipitation, and low precipitation years, reflecting its correlation with the climatic conditions. Furthermore, changes in the annual maximum temperature, annual minimum temperature, annual average temperature, and precipitation were calculated from 1906 onward and projected to 2100. The annual minimum temperature showed a relatively significant increasing trend compared to the other measured factors, especially the annual maximum temperature. The changes in the maximum temperature and minimum temperature, resulting in narrowing of the diurnal temperature range, could cause the crop growth cycle to delay or advance. On the basis of the previous calculation, we selected the fifth phase of the Couple Model Intercomparison Project (CMIP5) simulations of global climate models to predict the wetland ecological water requirements from 2030 to 2100. In addition, three climatic emission scenarios were chosen, Representative Concentration Pathways (RCP) 2.6, 4.5, and 8.5. The results showed that the maximum temperature, minimum temperature, and precipitation jointly affected wetland ecological water requirement. Specifically, wetland ecological water requirement under RCP2.6 scenarios showed a decreasing trend after an initial increase, while the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios showed an increasing trend in which by 2100, the wetland ecological water requirement reached 147.337 billion m3and 132.659 billion m3, respectively. We believe that future studies must focus on how to coordinate and balance the water requirements and maintain the sustainable development of wetlands.

Nenjiang Basin; wetland water requirement; climate change; prediction

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2010CB428404); 國家自然科學基金(41461022); 水利部公益性行業科研專項經費項目(201401014); 云南省應用基礎研究計劃項目(201401YD00445)

2014-01-10;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401100077

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhgx@neigae.ac.cn

董李勤, 章光新, 張昆.嫩江流域濕地生態需水量分析與預估.生態學報,2015,35(18):6165-6172.

Dong L Q, Zhang G X, Zhang K.Analysis and prediction of wetland ecological water requirements in the Nenjiang Basin.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6165-6172.