華南濕熱山地小流域徑流對氣候變化和人類活動的響應
——以寧江為例

楊傳訓, 張正棟, 朱汝雄, 萬露文, 葉 晨, 張 杰

(1.華南師范大學 地理科學學院, 廣州 510631; 2.廣州地理研究所，廣州 510070； 3.中山大學 地理科學與規劃學院, 廣州 510275)

華南濕熱山地小流域徑流對氣候變化和人類活動的響應
——以寧江為例

楊傳訓1,2, 張正棟1, 朱汝雄3, 萬露文1, 葉 晨1, 張 杰1

(1.華南師范大學 地理科學學院, 廣州 510631; 2.廣州地理研究所，廣州 510070； 3.中山大學 地理科學與規劃學院, 廣州 510275)

基于1953—2013年寧江流域5個氣象站日氣溫、降水量及控制站河口水文站月徑流量數據與1986年、1995年、2005年、2013年寧江流域土地覆被分類數據，運用Mann-Kendall趨勢分析、小波分析及累計量斜率變化比較法探討了1953—2013年寧江流域氣候變化與人類活動對徑流變化影響。結果表明：(1) 1953—2013年寧江流域溫度發生顯著上升，變化率為0.139℃/10 a，降水變化波動較小，而徑流量出現顯著下降。(2) 1990年前流域內徑流量與氣溫、降水存在較為明顯的27 a周期規律，1990年以來受人類活動影響加大，徑流量變化周期受到破壞，未能體現全域性；但在小尺度周期11 a上仍與降水量保持同步，表明寧江流域徑流量主要受降水影響。(3) 隨著經濟發展以及水土保持工作的進行，到2013年林地面積占整個流域的73.8%，草地面積下降41.6%，耕地面積減少61.2%，土地利用變化較大區域發生在興寧市北部。(4) 與1953—1958年比，1959—2008年寧江流域徑流量增加氣候變化和人類活動貢獻率分別為62.2%和37.8%，2009—2013年降水和人類活動對徑流減少貢獻率為45.8%和54.2%。

寧江; 徑流; 氣候變化; 人類活動

氣候變化和人類活動是河流徑流變化的兩個重要因素[1]。近年來，受氣候變化和人類活動的影響，不同區域河流徑流量出現不同程度下降，而兩者在不同時間階段對徑流減少貢獻率不同。小波分析方法具有較好的時頻功能，小波多尺度分析為研究水文序列演變過程及認識規律周期提供途徑，在當前研究河流水文中運用廣泛成熟且取得顯著成果[2-5]。一些學者利用小波分析方法對不同地域河流徑流減少原因進行研究，如吳創收等[6]對近幾十年珠江入海徑流變化分析時發現90年代末以來徑流量出現下降，認為人類活動在近幾十年影響中占據主導；除小波分析方法外，王隨繼等[7]提出累積量斜率變化率比較法分析干旱半干旱區皇甫川流域降水和人類活動對徑流量的貢獻率，分析認為近半個世紀流域徑流減少因素為人類活動。白樂等[8]同樣運用累積量斜率變化率比較法在對半干旱黃土高原區禿尾河流域基流近60 a變化分析時認為人類活動日益成為基流演變的驅動因子；胡珊珊等[9]運用氣候彈性系數分析華北平原白洋淀徑流量下降中人類活動起主導作用。前人研究中對華南濕熱區域流域較少，且研究結果中華南流域徑流變化原因未能統一，林凱榮等[10]在東江流域徑流影響貢獻率分析上認為氣候變化與人類活動影響分量相當；李艷等[11]對北江流域徑流變化研究得出人類活動使流域植被減少，導致流域徑流的增加。

本文選取寧江流域作為華南濕熱環境下小流域典型代表，運用Mann-Kendall分析及小波分析方法分析近60 a流域內氣溫、降水、徑流量變化趨勢，采用累計量斜率變化率比較法對近幾十年流域內氣候變化及人類活動對徑流變化進行定量分析探討，為其日后保護寧江流域的生態環境提供參考性意見。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區域

寧江流域位于粵東北地區，發源于江西省尋烏縣荷峰畬，貫穿廣東省興寧市南北，至水口站匯合進入梅江，主要流經興寧盆地，全長107 km，流域面積1 364.75 km2，占興寧市總面積的65%，是梅江流域面積最大的支流，被稱為興寧市的母親河。寧江流域屬于亞熱帶季風性氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，全年氣候溫暖濕潤，年均降水量1 426 mm，降水主要集中在4—9月，年均氣溫21.68℃，年平均日照時數2 066 h。流域植被為亞熱帶季風常綠闊葉林、灌木林、人工林及果園，流域內林地約占總面積的73%。流域地形狹長，北部、東部、西部均為山地，中部為寧江盆地，河流流速湍急，徑流集流快，易出現洪峰。土壤類型以水稻土、赤紅壤為主。

1.2 數據來源

(1) 水文氣象數據。包括寧江流域5個氣象站點1986—2013年日降水量、氣溫及寧江控制站河口水文站1986—2013年月徑流量，數據來源中國氣象數據共享網及梅州市水文局。

(2) 空間數據。流域DEM數據來自于中國科學院國際科學數據服務平臺，空間分辨率為30 m；使用1986年、1995年、2005年、2013年Landsat TM影像，在ENVI 5.1中進行校正、裁剪等預處理后，采取監督分類方法對其進行目視解譯，為提高解譯精度，開展流域野外實地調查采樣，建立目視解譯標志和標準，解譯后Kappa系數為0.86，分類精度較好。參照全國土地分類方法和當地實際情況，將寧江流域土地利用類型分為林地、草地、耕地、建筑用地和未利用土地。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢測方法

Mann-Kendall檢驗法是氣象學及氣候學中經常用來進行突變檢驗的一種方法，適用于水文變量的趨勢檢驗及突變點確定，該方法已經被很多學者成熟運用于氣象變化分析[12-15]，詳細原理及計算方法見參考有關文獻[16]。

2.2 小波分析法

Morlet小波是一種常用分析水文長時間序列變化的復值小波[17]，本文選用Morlet函數分析寧江徑流降水氣溫周期及突變點。Morlet小波函數變化系數。

(1)

(2)

小波方差隨尺度a的變化過程，稱為小波方差圖,它能反映信號波動的能量隨尺度a的分布[18]。小波方差圖可用來確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度，即主周期。

2.3 累積量斜率變化率分析方法

為定量區分降水量、蒸發量與其他因素對徑流量的貢獻率，王隨繼提出了累積斜率變化率比較法。假設基準期和變異期的降水量為P，累積降水量—年份線性方程的斜率分別為KPa，KPb(mm/a)，斜率變化率為SP；蒸散發為E，累積蒸散發量—年份線性方程的斜率分別為KEa，KEb(mm/a)，斜率變化率為SE；徑流量為R，累積徑流量—年份線性方程的斜率分別為KRa，KRb(億m3/a)，斜率變化率為SR[7,19]。

則累積降水量斜率變化率SP為

SP=(KPb-KPa)/KPb

(3)

累積蒸散發斜率變化率SE為

SE=(KEb-KRa)/KRb

(4)

累積徑流量斜率變化率SR為

SR=(KRb-KRa)/KRb

(5)

降水對徑流量變化貢獻率為

(6)

蒸散發對徑流量變化的貢獻率CE為

(7)

人類活動對徑流量變化的貢獻率CH為

CH=100-CP-CE

(8)

3 結果與分析

3.1 氣溫、降水、徑流變化趨勢規律分析

寧江流域1953—2013年均氣溫變化呈不斷上升趨勢(圖1A)，年際變化率為0.139℃/10 a。1953—1992年氣溫變化波動較小，1992年以來氣溫呈現突變升高，年際氣溫變化率為0.172℃/10 a。5 a滑動氣溫曲線顯示1967—1971年5 a的氣溫均值最低，為21.04℃，5 a均值最大出現在1998—2002年為22.13℃。1953—2013年寧江流域年均溫累積距平曲線顯示氣溫變化大致經歷穩中下降到快速上升的階段(圖1B)，年均溫累積距平在1997年達到最小，并在1997年之后急劇上升。

圖1年均溫年際變化和累積距平曲線

圖2為寧江流域1953—2013年降水量及累計距平變化趨勢圖，年均降水量變化較為平穩，未出現明顯上升下降趨勢。年降水量最大值出現在1959年，為2 171.5 mm，最小值出現在1991年為801.5 mm。降水累積距平曲線顯示年降水在1959—1961年及1998—2011年降水量較多，其余時間年降水較少，采用R/S分析法預測未來趨勢變化，其Hurst指數為0.28<0.5，表明未來降水量增加不顯著。

氣溫和降水是徑流變化的兩個重要氣象因素。從1953—2013年寧江流域年徑流量變化(圖3)可以看出呈下降趨勢，尤其在1983年以來徑流量出現大幅度下降，其年際變化趨勢率為-0.189億m3/10 a。年降水量累積距平曲線圖3B反映徑流量在1958—1963年，1973—2001年呈增加趨勢，在1963—1973年及2001—2013年為下降趨勢。

3.2 氣溫、降水、徑流變化分析

3.3 氣溫、降水、徑流周期性變化規律分析

對1953—2013年寧江流域氣溫、降水量及出口控制站河口站徑流量標準化距平系列采用Matlab軟件Morlet小波做連續變換，并借助Surfer10.0繪制出1953—2013年寧江流域年氣溫、降水量、徑流量變化的小波系數實部等值線圖5。圖中橫坐標為時間尺度，縱坐標為頻域尺度。圖中小波系數的正、負分別表示徑流量的偏多與偏少，小波系數為零對應著突變點，等值線中心對應的時間尺度為水沙時間序列變化的主周期[7,19-20]。從寧江流域氣溫小波系數實部圖5A可以看出氣溫主要存在以28a為尺度中心的20～30a變化周期，該年代震蕩周期最為明顯，形成四個高震蕩中心和三個低震蕩中心，氣溫出現高—低—高—低—高—低—高準4次高交替震蕩。高震蕩時間分別出現在1953—1958年、1972—1980年、1990—1998年、2008—2013年，表明這四個時間段氣溫較高。3個低震蕩中心出現在1960—1969年、1981—1988年以及1999—2007年，表明這三個時間段氣溫較低，其中1953—1977年及2000—2013年間氣溫震動較大，其余時間段波動較小。而到2013年震蕩周期等值線遠未閉合，說明2012年以后寧江流域氣溫會持續升高。

圖2寧江流域年降水量年際變化和累積距平曲線

圖3年徑流年際變化和累積距平曲線

圖4寧江流域氣溫、降水、徑流Mann-Kendall曲線

從寧江流域1953—2013年降水小波實部圖5B可以得出降水主要存在27 a及11 a變化周期，其中27 a時間尺度方差最大，為降水變化的主周期。在27 a變化周期上形成4個高震蕩中心和3個低震蕩中心，降水出現高—低—高—低—高—低—高—低準四次豐枯交替震蕩。高震蕩時間出現在1954—1957年，1969—1975年，1990—1996年以及1999—2013年，表明這四個時間段降水量較為豐富。而在1961—1968年，1980—1988年及2000—2005年出現三個低震蕩中心，表明降水在這三個時間段降水較少。10 a周期上在1980年之前交替有規律變化，1980年以后周期變化規律不明顯。從寧江流域氣溫變化周期與降水變化周期上看，降水和氣溫的20～30 a主周期發生在27 a，都出現四次高低交替變化，其中高震蕩中心和低震蕩中心出現的年份時間大體一致，并且在2005年以后氣溫與降水均呈增加趨勢，但震蕩線未閉合，表明未來時間降水、氣溫仍呈上升趨勢。

圖5C為1953—2013年寧江流域徑流量小波系數等值線圖，寧江流域徑流量周期變化主周期為11 a。以27 a為中心徑流量大小交替周期出現大—小—大—小2次明顯震蕩變化，而在1990年以來流域徑流變化在27 a時間尺度上不明顯，未能延續至全局時間段，表明1990年之前流域內徑流周期與氣溫、降水較為同步，而1990年以來由于人類活動的加劇，流域內徑流量變化周期受到破壞，未能體現全域性。徑流量在11 a時間尺度上，具有全域性，與降水量11 a周期變化高低震蕩中心時間段較為吻合。

圖5氣溫、降水與徑流小波系數實部時頻分布及小波方差變化

3.4 流域人類活動對徑流影響

氣候是影響河流徑流的重要因素，氣溫—降水—徑流之間存在緊密的函數聯系。1953—1963年為寧江流域的準自然形態，1963年以后寧江流域在氣溫升高、降水量波動較小情況下徑流量出現非自然形態的顯著下降。

從寧江流域不同年代土地利用面積看(表1)，寧江流域內林地面積最大，從1986年占整個流域面積58.4%上升到2013年73.8%，其次是耕地、草地，三者共占整個流域面積的95%。1986—2013年寧江流域由于流域內開展退耕還林、實施生態農業發展以及人工林培育，林地面積增加28.8%，林地面積的增加對流域內水土保持工作及徑流的攔截下滲起到很好的效果；受當地退耕還林還草政策以及經濟發展建設環境，耕地面積減少61.2%，耕地面積減少主要發生在寧江市北部(圖6)；草地因生態恢復和人工林栽培逐漸轉為林地，導致其面積減少41.6%。1986年以來，當地經濟的發展和人類活動的加劇，部分耕地轉為建筑用地，1986—2013年建筑用地面積增加562%。

3.5 氣候變化和人類活動對徑流的貢獻率計算

通過Mann-Kendall檢驗得出1953—2013年流域徑流量變化存在1958年與2008年兩個突變點，將時間序列劃分為1953—1958年、1958—2008年、2009—2013年。根據寧江流域年徑流量累積變化特征及徑流影響因素分析，運用線性回歸得出不同時期徑流量累積變化斜率(圖7)。

圖6 1986-2013年寧江流域景觀格局表1 1986-2013年寧江流域土地利用類型面積變化比例 %

從表2看出，B與A時期相比，累積徑流量斜率年均增加6.13億m3，增加率為16.7%。同期相比，累積降水量斜率年均增加201 mm，增加率為16.2%，累積蒸發量斜率年均增加88 mm，根據公式計算降水與蒸發量對徑流貢獻率為62.2%，而人類活動在此時期由于毀林開荒，濫砍濫伐等對流域森林植被的破壞，加重水土流失，增大局部的流域量，對徑流增加貢獻率為37.8%。

圖7寧江流域累積徑流量累積曲線、降水量累積曲線及蒸發量累積曲線

C與A時期相比，累積徑流量斜率年均減少8.39億m3，減少率為19.4%，出現嚴重下降。同期相比，累積降水量斜率年均減少34 mm，減小率仍為2.7%，累積蒸發量斜率年均增加6.2%，計算得出降水及蒸發量對徑流減少貢獻率為45.8%，人類活動貢獻率為54.2%。

表2 寧江流域徑流量、降水量、蒸發量不同時期累積斜率及變化率

4 討 論

寧江流域1953—2013年徑流量在氣溫升高、降水波動不大情況下出現顯著下降，突變年份出現在1958年和2008年。王隨繼學者提出的累計量斜率變化率比較法在干旱半干旱區評估中忽略蒸散發因素，鑒于華南地區蒸發量較大且寧江流域內近60 a氣溫呈上升趨勢，本文在計算氣候變化對徑流貢獻率時加上蒸散發，計算得到1959—2008年流域內徑流減少貢獻率中氣候變化占62.2%，人類活動為37.8%；2009—2013年氣候變化對流域徑流量減少貢獻率為45.8%，人類活動貢獻率為54.2%。1953—2013年寧江流域徑流量序列變化中存在1958年，2008年兩個突變點，而降水量也存在1958年，2008年兩個突變點，表明流域內徑流量受降水影響較大。加上寧江流域近60 a氣溫升高，計算出華南地區人類活動對徑流貢獻比王隨繼學者在西北半干旱區結果83.19%小，表明在華南地區由于徑流量較大，人類活動對徑流影響比干旱區小，利用這一方法得出結論與林凱榮等對東江流域人類活動貢獻率分析結果較為吻合[10]。

5 結 論

(1) 寧江流域近60 a來氣溫呈顯著上升趨勢，上升1.05℃，且達到顯著水平，降水量較為穩定，上下波動較小，未達到顯著水平，徑流量在1984年以來出現持續顯著下降趨勢，近60 a下降8.39×108m3，占流域多年平均的19.4%。

(2) 1990年前流域內徑流量與氣溫、降水存在較為明顯的27 a周期規律，1990年以來流域內受人類活動影響較大，徑流量變化周期受到破壞，未能體現全域性；但在小尺度周期11 a上仍與降水量保持同步，表明寧江流域徑流量主要受降水影響。

(3) 隨著經濟發展以及水土保持工作的開展，到2013年林地面積占整個流域的73.8%，耕地面積則由1986年的22.7%下降到2013年的8.81%。林地面積的增加對流域水土保持及防治水土流失起到重要作用，同時也有效吸收降水，增加徑流量下滲。

(4) 寧江流域1953—2013年徑流量存在1958年、2008年兩個突變年份，降水量也存在兩個1958年、2008年兩個突變年份。以1953—1958年為基準期，計算得出氣候變化和人類活動在1959—2008年寧江流域徑流量增加中貢獻率分別為62.2%和37.8%，在2009—2013年徑流量減少中貢獻率分別占45.8%和54.2%。在華南地區由于徑流量較大且主要受降水影響，人類活動對徑流貢獻率比干旱區小。

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ResponseofRunofftoClimateChangeandHumanActivitiesintheRiverBasinofSouthernHumidArea—ACaseStudyOfNingJiang

YANG Chuanxun1，2, ZHANG Zhengdong1, ZHU Ruxiong3,WAN Luwen1, YE Chen1, ZHANG Jie1

(SchoolofGeographyScience,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510631,China； 2.GuangzhouInstituteofGengraphy,Guangzhou510070,China;3.SchoolofGeographyScienceanPlanniug,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

Based on the data of daily temperature and precipitation of six meteorological stations in Ningjiang River Basin and hydrological data gathered from Hekou station from 1953 to 2013, landscape pattern metrics with land use and land cover date derived from the Landsat TM imagery acquired in 1986, 1995, 2005 and 2013, we used the methods of Mann-Kendall trend analysis, Wavelet analysis and SCRAQ method aiming to analyze the contribution ratio of precipitation and human activities to the runoff in the Ningjiang River Basin. The results showed that: (1) the temperature presented significantly increasing trend and runoff demonstrated the decreasing trend, the precipitation appeared weakly increasing trend; (2) there was obvious correlation coefficients among temperature, precipitation and runoff at the scale of 27-year before 1990, while the scale was destroyed by human activities after 1990, it was still synchronization in scale of 11-year between runoff and precipitation, indicating that runoff changes were mainly affected by the precipitation; (3) with the development of economy and soil and water conservation from 1980s, woodland area increased by 26.2%, grassland area land reduced by 41.6% and cultivated area reduced by 61.2%. The large area of land use change occurred in the northern Xingning; (4) the period from 1953 to 1958 was taken as the base period, the contribution rates of the precipitation and human activities to the increased runoff were 62.2% and 37.8% in the period from 1959 to 2008, the rates to the decreased runoff were 45.8% and 54.2%, respectively, in the period from 2009 to 2013.

Ningjiang; runoff; climate change; human activities

2016-08-01

：2016-09-12

國家自然科學基金項目(41471147);華南師范大學研究生科研創新基金(2015lkxm39);廣東省水利科技創新項目(2015-14)

楊傳訓(1988—),男,河南信陽人,碩士研究生,從事景觀格局與生態水文研究。E-mail:747009083@qq.com

張正棟(1968—),男,甘肅榆中人,教授,從事景觀格局與生態水文、土地利用土地變化研究。E-mail:zhangzdedu@163.com

P333

：A

：1005-3409(2017)05-0113-07