高原內陸河流域氣候水文突變與生態演變規律——以內蒙古錫林河和巴拉格爾河流域為例

張阿龍,高瑞忠*,劉廷璽,房麗晶,秦子元 ,王喜喜

高原內陸河流域氣候水文突變與生態演變規律——以內蒙古錫林河和巴拉格爾河流域為例

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.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古 呼和浩特 010018；2.美國歐道明大學,弗吉尼亞 諾福克 23529)

以內蒙古錫林河和巴拉格爾河流域為研究對象,利用數理統計、Mann-Kendall突變檢驗、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不同高原內陸河流域氣溫-降水-徑流突變與生態演變規律,結果表明: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、徑流天數偏少,且徑流系數偏低;錫林河流域氣溫增溫趨勢較顯著,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、降水量、徑流量的突變時間、順序、驅動因素和突變前后變化量存在較大差異;在季節尺度,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.

高原內陸河；空間分布；突變分析；趨勢變化；生態

水文氣象要素時空變化與生態環境演變關系錯綜復雜[1],其中氣溫、降水和徑流與生態環境演變關系最為密切[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環境演化加劇等問題日益突出[4-7].但學界對氣溫、降水、徑流和生態環境演變研究相對割裂[8-10].隨著遙感技術的發展,水文氣象要素變化與生態環境演變已成為研究熱點.

對氣溫、降水的時空分布及變化規律的研究眾多[11-14],且時空尺度較大,但缺乏對天然徑流的研究,忽略了子流域內徑流變化對氣溫和降水的影響,對生態環境演變的研究主要集中在對歸一化植被指數(NDVI)的變化分析上[15-19],僅分析時空演變,且對影響因素探討單一,局限在降水量變化、濕度變化和土地利用變化等方面,未系統考慮氣溫、降水、徑流與生態環境演變的關系,研究較為片面,缺乏年代對比,未能展示氣溫、降水、降水天數、徑流、徑流天數和NDVI的變化規律及相互關系,并且對北方高原內陸河流域水文氣象要素與NDVI變化對比分析的研究更鮮有報道.

針對上述問題,本文以內蒙古巴拉格爾河流域和錫林河流域為研究對象,系統對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指數演變規律,旨在探討高原內陸河流域氣溫、降水、徑流和生態環境演化趨勢,揭示高原內陸河流域氣溫、降水、徑流和NDVI間的相互關系,為生態環境保護和生態水文變化分析提供基礎依據.

圖1 研究區位置及氣象、水文站分布

1 材料與方法

1.1 研究區概況

如圖1所示,內蒙古錫林郭勒盟的巴拉格爾河和錫林河是典型的高原內陸河,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℃,主要經濟產業為畜牧業和少量工業[20-22].

1.2 數據來源與處理

氣候數據來源于中國氣象數據網(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年同期數據,包括日平均氣溫,日最低氣溫、日最高氣溫、降水量、相對濕度、日照時數、風速等氣象資料,經檢驗,氣象數據無明顯突變和隨機變化,數據變化相對一致,數據可靠,可以代表流域氣候狀況.水文數據來源于內蒙古水文總局,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)的日徑流序列實測數據,資料序列完整,經檢驗,數據可靠.CMADS(SWAT模型中國大氣同化驅動集)數據,來源寒區旱區科學數據中心 (http://wastdc. westgis.ac.cn),選用研究區及周邊約60個格點站(0.25°×0.25°)2008~2016年降水格點日值數據[22],數據無明顯突變和隨機變化,數據變化相對一致,數據可靠,可代表流域氣候狀況.遙感影像來源于美國地質勘探局(United States Geological Survey, USGS)數據共享網站(http://glovis.usgs.gov/)的Landsat TM/OLI 影像,時間分辨率 16d,空間分辨率為30m.

1.3 數據處理

數理統計分析采用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ArcGIS@10.3軟件制作;NDVI和地物類型空間分布圖通過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分析中,將序列表示為時間t的函數[8]:

=+(1)

式中:為常數,用最小二乘法計算出時間序列的與為要素的線性趨勢,為正(負)表示該要素隨時間變化的有線性增加(減少)

1.4.2 Mann-Kendall檢驗 Mann-Kendall檢驗是一種常用的序列趨勢和突變分析方法,優點在于計算簡便,而且可以明確突變開始的時間,并指出突變區域[24].

1.4.3 克里金空間插值法 又稱空間自協方差最佳插值法,考慮了要素的空間相關性,被廣泛地應用于地質、水文、氣象等領域的空間分布分析與模擬中,是一種常用的地質統計格網化方法[10].

1.4.4 歸一化植被指數(NDVI)法 NDVI是通過遙感影像研究植被覆度、植被健康狀態等的常用方法之一[17],對Landsat TM/OLI影像進行輻射校正和FLAASH大氣校正,根據公式:

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),負值表示地面覆蓋為云、水、雪等,對可見光高反射;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 結果與分析

2.1 氣溫、降水、徑流年季統計特征

表1 氣溫、降水、徑流年、季統計分析

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、降水天數、徑流天數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;春季徑流系數差值最大,為1.55%,秋季差值最小,為0.69%;冬季降水天數差值最大,為4.6d,夏季差值最小為2.59d;秋季徑流天數差值最大,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、徑流天數偏少,且徑流系數較小,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

M-K趨勢突變分析表明(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,呈現出先增后減的趨勢;平均最高氣溫、平均氣溫上升趨勢顯著;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在21世紀前10a,平均最低氣溫均出現在20世紀90年代.

圖2 氣溫要素M-K突變檢驗

表2 多年氣溫要素趨勢變化統計

注: *表示顯著性水平=0.05時序列趨勢顯著,**為=0.01時序列趨勢顯著.

如表2所示,平均最低氣溫變化趨勢錫林河流域(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較巴拉格爾河流域顯著,突變較巴拉格爾河流域強烈,兩地平均最低氣溫增溫顯著,最高氣溫升溫速率相對較小,增溫趨勢均大于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下降較為顯著,且突變發生最早,為1994a,較年徑流量突變早4a,較年降水量突變早7a;錫林河流域年降水量突變發生最早,為1999年,年徑流量突變次之,年徑流系數突變最晚;巴拉格爾河流域年徑流系數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、年降水量、和年徑流量突變時間、順序和驅動因數存在較大差異,徑流系數、徑流量下降趨勢顯著.

圖4 年徑流系數、降水量、徑流深M-K突變檢驗

如圖5所示,研究期內巴拉格爾河流域年徑流系數變化較劇烈,其徑流系數最大值是最小值的10倍,徑流系數超過0.03共出現16次,突變前占81.3%,錫林河流域年徑流系數變化相對平緩,研究期內間徑流系數均小于0.03,徑流系數超過0.025共出現3次,突變前占66.7%;年徑流系均出現微弱的遞減趨勢,相關系數均在0.28以上;研究期內10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現在20世紀60年代,錫林河流域最大值出現在20世紀90年代.

巴拉格爾河流域年降水量普遍多于錫林河流域,研究期內巴拉格爾河流域年降水量峰值大于400mm共出現9次,突變前占89%,錫林河流域年降水量峰值400mm以上共出現5次,突變前占60%;多年降水錫林河流域出現遞增趨勢,而巴拉格爾河流域呈現遞減趨勢,但相關系數均較小;研究期內10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現在20世紀90年代,錫林河流域最大值出現在21世紀10年代,為310.03mm.

巴拉格爾河年徑流深明顯大于錫林河流域,研究期內巴拉格爾河流域年徑流深超過10mm共出現14次,突變前占78.6%,錫林河流域年徑流深10mm以上僅出現1次,且發生在突變前;多年徑流兩地均呈遞減趨勢,相關系數均超過0.21;研究期內10a平均值巴拉格爾河流域最大值出現在20世紀80年代 ,錫林河流域最大值出現在20世紀90年代.

圖5 年降水、徑流、多年平均、5a滑動平均值和突變前后對比

如表3所示,研究期內徑流系數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,兩地徑流系數均呈遞減趨勢,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, 氣候傾向率為4.1mm/10a (=0.08),錫林河流域整體呈遞增趨勢, 氣候傾向率為4.630mm/10a (=0.09).研究期內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,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、徑流深趨勢變化統計

注:*表示顯著性水平=0.05時序列趨勢顯著,**為=0.01時序列趨勢顯著.

2.4 降水量和徑流量突變年、季分析

選用2008~2016年CMADS氣象數據對巴拉格爾河流域和錫林河流域四季降水分布進行分析,如圖6所示,春季巴拉格爾河流域降水隨海拔升高減少,降水由北向南逐級遞減;夏季降水相對于春季最大值略向東移,最小值北移顯著,由北向南呈現出先減后增的趨勢;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;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大于錫林河流域;春、夏季巴拉格爾河流域徑流深波動較大,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上限接近錫林河流域的2倍,下線相近,中值較錫林河流域高1%,春、夏、秋季徑流系數分布相近,且巴拉格爾河流域降水天數、徑流天數中值均多于錫林河流域,但徑流天數中值相近.

圖7 氣溫、降水、徑流年季變化對比分析

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值對比

20世紀80~90年代為突變前期,21世紀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,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指數出現整體退化,局部改善的狀態,NDVI值小于0.3的面積南移.兩地NDVI指數最大值與冬季降水分布特征相似,均分布于上游河谷區.

表4 突變前后NDVI指數分布面積變化分析

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、降水天數、徑流天數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]、土壤類型[14,23]和人類活動強度等[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]對北方地區突變的研究相近,降水突變年份較高瑞忠等[21]對巴拉格爾流域的研究晚3a,較王威娜等[26]對錫林河流域的研究晚1a,徑流突變年份與白勇等[27]對巴拉格爾流域的研究一致,較于嬋等[20]對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間尺度不同所致,學界把氣溫、降水突變主要原因歸為太陽活動[28-29]、北大西洋年際振蕩增強、東亞地區冬季氣旋/反氣旋活動及寒潮的變化等自然因素[29],未考慮生態環境退化對氣溫、降水的擾動,未能為生產實踐活動提供科學的指導;而徑流突變普遍認為是人類活動造成[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、耕地星點分布,水文氣候變化和土地利用變化會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].本文對巴拉格爾河流域和錫林河流域氣溫、降水、徑流和NDVI進行了系統的分析,對整個流域長期氣溫、降水、徑流和NDVI的相互作用和變化規律分析存在一定的局限性.

3 結論

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烈,其生態環境退化速率相對劇烈.

3.2 20世紀80年代后期到21世紀前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指數下降,氣象干旱加劇.

3.3 不同地形地貌、土地利用方式、人類活動(放牧、煤礦開采、水資源開發利用等)強度等因素的影響,造成區域氣候變化、地下水蓄變、土壤水運動和生態演變的規律發生改變.

3.4 從氣溫、降水、徑流與NDVI指數變化上分析,兩地均呈現出由氣象干旱向水文干旱過度的趨勢.

[1] Trenberth K E. Changes in precipitation with climate change [J]. Climate Research, 2011,47(47):123-138.

[2] 王志鵬,張憲洲,何永濤,等.2000~2015年青藏高原草地歸一化植被指數對降水變化的響應 [J]. 應用生態學報, 2018,29(01):75-83. Wang Z P, Zhang X Z, He Y T, et al. Responses of normalized difference vegetation index (NDVI) to precipitation changes on the grassland of Tibetan Plateau from 2000 to 2015 [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018,29(1):75-83.

[3] 吳欣睿,那曉東,臧淑英.溫度植被干旱指數在2000~2015年松嫩平原土壤濕度中的應用 [J]. 生態學報, 2019,39(12):4432-4441. Wu X Z, Na X D, Zang S Y. Application of temperature vegetation dryness index in the estimation of soil moisture of the Songnen Plain [J]. Acta Ecologica Sinica, 2019,39(12):4432-4441.

[4] Stocker T F, Qin D, Plattner G K, et al. Climate change 2013: The physical science basis. contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [R]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

[5] Jiang Y, Zhang Y, Wu Y, et al. Relationships between aboveground biomass and plant cover at two spatial scales and their determinants in northern Tibetan grasslands [J]. Ecology & Evolution, 2017,7(19): 7954-7964.

[6] Qin X, Sun J, Wang X. Plant coverage is more sensitive than species diversity in indicating the dynamics of the above-ground biomass along a precipitation gradient on the Tibetan Plateau [J]. Ecological Indicators, 2018,84(3):507-514.

[7] 王 力,于海英,張 強,等.青藏高原高寒草地地上生物量對氣候變化的響應(英文) [J]. Journal of Geographical Sciences, 2018.28(12): 1953-1964. Wang L, Yu H Y, Zhang Q, et al. Responses of aboveground biomass of alpine grasslands to climate changes on the Qinghai-Tibet Plateau [J]. Journal of Geographical Sciences, 2018,28(12):1953-1964.

[8] 黃 星,馬 龍,劉廷璽,等.近60年黃河流域典型區域氣溫突變與變暖停滯研究 [J]. 中國環境科學, 2016,36(11):3253-3262. Huang X, Ma L, Liu T X, et al. Temperature mutation and globe warming stagnate study in typical area of Yellow River basin in recently 60years [J]. China Environmental Science, 2016,36(11): 3253-3262.

[9] Wang X X, Li F L, Gao R Z, et al. Predicted NPP spatiotemporal variations in a semiarid steppe watershed for historical and trending cimates [J]. Journal of Arid Environments 2014,104:67-79.

[10] Gao R Z, Li F L, Wang X X ,et al. Spatiotemporal variations in precipitation across the Chinese Mongolian plateau over the past half century [J]. Atmospheric Research, 2017,193:204-215.

[11] 梁瓏騰,馬 龍,劉廷璽,等.1951~2014年中國北方地區氣溫突變與變暖停滯的時空變異性 [J]. 中國環境科學, 2018,38(05):1601- 1615. Liang L T, Ma L, Liu T X, et al. Spatiotemporal variation of the temperature mutation and warming hiatus over northern China during 1951~2014. [J]. China Environmental Science, 2018,38(5):1601- 1615.

[12] Fronzek S, Pirttioja N, Carter T R, et al. Classifying multi-model wheat yield impact response surfaces showing sensitivity to temperature and precipitation change [J]. Agricultural Systems, 2018,159:209–224.

[13] Asfaw A, Simane B, Hassen A, et al. Variability and time series trend analysis of rainfall and temperature in northcentral Ethiopia: A case study in Woleka sub-basin [J]. Weather and Climate Extremes, 2018, 19:29-41.

[14] Minaei M, Irannezhad M. Spatio-temporal trend analysis of precipitation, temperature, and river discharge in the northeast of Iran in recent decades [J]. Theoretical & Applied Climatology, 2018,131: 1-13.

[15] Tucker C J, Slayback D A, Pinzon J E, et al. Higher northern latitude normalized difference vegetation index and growing season trends from 1982 to 1999 [J]. International Journal of Biometeorology, 2001, 45(4):184-190.

[16] Nicholson S E, Davenport M L, Malo A R. A comparison of the vegetation response to rainfall in the Sahel and East Africa, using normalized difference vegetation index from NOAA AVHRR [J]. Climatic Change, 1990,17(2/3):209-241.

[17] Wu C, Peng D, Soudani K, et al. Land surface phenology derived from normalized difference vegetation index (NDVI) at global FLUXNET sites [J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2017,233:171-182.

[18] Duffaut L E, Posadas A N, Carbajal M, et al. Multifractal downscaling of rainfall using normalized difference vegetation index (NDVI) in the Andes Plateau: [J]. Plos One, 2017,12(1):e0168982.

[19] 孫小龍,劉朋濤,李 平.近三十年來錫林郭勒草原植被NDVI指數動態分析 [J]. 中國草地學報, 2014,36(6):23-28. Sun X L, Liu P T, Li P. The dynamic state of the NDVI index in Xilinggol grassland during 1981~2010 [J]. Chinese Journal of Grassland, 2014,36(6):23-28.

[20] 于 嬋,王威娜,高瑞忠,等.變化環境下半干旱草原流域徑流變化特征及其影響因子定量分析 [J]. 水文, 2019,39(1):78-84. Yu C, Wang W N, Gao R Z, et al. Variation characteristics of runoff and quantitative analysis of Its affected factors under changing environment in typical steppe basin of semiarid region [J]. Journal of china hydrology, 2019,39(1):78-84.

[21] 高瑞忠,白 勇,劉廷璽,等.內蒙古高原典型草原內陸河流域徑流的時序演變特征 [J]. 南水北調與水利科技, 2018,16(3):10-17. Gao R Z, Bai Y, Liu T X, et al. Evolution characteristics of runoff in the typical grassland inland river basin of inner Mongolia Plateau [J]. South to north water transfers and water science& technology, 2018, 16(3):10-17.

[22] 張阿龍,高瑞忠,劉廷璽,等.近50年半干旱典型草原區域不同時間尺度上的降水、徑流研究 [J]. 水土保持研究, 2019,26(4):80-86+95. Zhang A L, Gao R Z, Liu T X, et al. Study on precipitation and runoff at different time scales in semi-arid grassland basin over the past 50years [J]. Research of soil and water conservation, 2019,26(4): 80-86+95.

[23] Meng X, Wang H, Shi C, et al. Establishment and evaluation of the China meteorological assimilation driving datasets for the SWAT model (CMADS) [J]. Water, 2018,10(11),doi:10.3390/w10111555.

[24] 劉聚濤,方少文,馮 倩,等.基于Mann-Kendall法的湖泊穩態轉換突變分析 [J]. 中國環境科學, 2015,35(12):3707-3713. Liu J T, Fang S W, Feng J, et al. Analysis of regime shift in Taihu Lake based on Mann-Kendall method [J]. China Environmental Science, 2015,35(12):3707-3713.

[25] 楊 周,林振山.北半球過去2000年氣溫變化的多尺度分析 [J] 地理科學, 2010,30(2):296-299. Yang Z, Lin Z S. Multi-scale analysis of Northern Hemisphere temperature changes over past two millennia [J]. Scientia Geographica Sinica, 2010,30(2):296-299.

[26] 王威娜,高瑞忠,王喜喜,等.錫林河流域徑流變化規律及氣候波動和人類活動影響的定量分析 [J]. 水土保持研究, 2018,25(2):347-353. Wang W N, Gao R Z, Wang X X, et al. Quantitative analysis of runoff variations as affected by climate variability and human activity in the Xilin river basin [J]. Reasearch of soil water conservation, 2018,25(2): 347-353.

[27] 白 勇,高瑞忠,王喜喜,等.內蒙古巴拉格爾河徑流變化的驅動因素 [J]. 干旱區研究, 2018,35(2):296-305. Bai Y, Gao R Z, Wang X X, et al. Driving factors causing the change of runoff volume of the Balager River in Inner Mongolia [J]. Arid zone research, 2018,35(2):296-305.

[28] 任國玉.氣候變暖成因研究的歷史、現狀和不確定性 [J]. 地球科學進展, 2008,23(10):1084-1091. Ren G Y. History, current state and uncertainty of studies of climate change attribution [J]. Advances in Earth Science, 2008,23(10):1084- 1091.

[29] 孫柏林,馬 龍,馮 起,等.內蒙古氣溫變暖停滯對其影響因子變化的響應 [J]. 中國環境科學, 2019,39(5):2131-2142. Song B L, Ma L, Feng Q, et al. Response of the warming hiatus to changing influences over the Inner Mongolia autonomous region. [J]. Resources Science, 2019,39(5):2131-2142.

[30] 賈幼陵.草原退化原因分析和草原保護長效機制的建立 [J]. 中國草地學報, 2011,33(2):1-6. Jia Y L. Grassland degradation reasons and establishment of grassland protection long-term mechanism [J]. Chinese Journal of Grassland, 2011,33(2):1-6.

[31] 楊光梅,閔慶文,李文華.錫林郭勒草原退化的經濟損失估算及啟示 [J]. 中國草地學報, 2007,29(1):44-49. Yang G H, Min Q W, Li W H. Estimation and enlightenment of economic losses due to grassland degradation in Xilinguole steppe [J]. Chinese Journal of Grassland, 2007,29(1):44-49.

[32] 米兆榮,陳立同,張振華,等.基于年降水、生長季降水和生長季蒸散的高寒草地水分利用效率 [J]. 植物生態學報, 2015,39(7):649-660. Mi Z R, Chen L T, Zhang Z H, et al. Alpine grassland water use efficiency based on annual precipitation, growing season precipitation and growing season evapotranspiration [J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2015,39(7):649-660.

[33] 陸 晴,吳紹洪,趙東升.1982~2013年青藏高原高寒草地覆蓋變化及與氣候之間的關系 [J]. 地理科學, 2017,37(2):292-300. Lu J, Wu S H, Zhao D S. Variations in alpine grassland cover and its correlation with climate variables on the Qinghai-Tibet plateau in 1982~2013 [J]. mental Research Letters, 2017,37(2):292-300.

[34] Zhao D S, Wu S H, Yin Y H, et al. Vegetation distribution on Tibetan plateau under climate change scenario [J]. Regional Environmental Change, 2011,11(4).

[35] Yang W T, Long D, Bai P. Impacts of future land cover and climate changes on runoff in the mostly afforested river basin in North China [J]. Journal of Hydrology, 2019,570:201-219.

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,內蒙古呼和浩特市人,內蒙古農業大學碩士研究生,主要從事干旱半干旱地區水文、土壤、植被關系及化學特征方面的研究.

2019-05-24

國家自然科學基金資助項目(51969022);內蒙古自然基金項目(2018MS05006);內蒙古自治區科技計劃項目(2019)

* 責任作者,教授, ruizhonggao@qq.com