黄土高原沟壑区绿水对土地利用和气候变化的响应

摘要

在生态水文学中，水资源可以分为两类：蓝水和绿水。蓝水是指存储在湖泊、河流以及含水层中的水；绿水是指源于降水用于蒸散发的水。作为粮食生产的主要依赖水源，绿水的研究对于干旱、半干旱地区的粮食生产和生态系统至关重要，对于解决水资源短缺问题有着很深远的意义。目前，水资源评价一般停留在蓝水上，即传统意义上的液态水，而忽视了气态水，即绿水的评价。将绿水概念引入水资源评价，不仅有利于更全面真实地评价水资源，而且为解决水资源短缺问题提供有力依据。
　　黄土高原沟壑区生态环境脆弱，气候干旱，水资源短缺，土壤侵蚀严重。在气候变暖以及区域退耕还林还草工程实施的背景下，分析区域土地利用以及气候变化的生态水文响应具有重要的意义。本文以黄土高原沟壑区的典型小流域一一南小河沟流域作为研究区域，基于水文、气象、土地利用等观测与调查资料，揭示南小沟流域绿水变化规律，研究绿水对气候和土地利用变化的响应，定量分析了土地利用和气候变化对绿水的影响，并预测了绿水的未来变化趋势。主要结论如下：
　　(1)南小河流域多年平均降水资源量为546.8mm，蓝水资源量为103.6mm，绿水资源量为443.2mm，绿水资源量占水资源总量的8l％。绿水的年内变化趋势与降水年内分布大致相同，主要集中在夏季，夏季绿水量占全年的55.4％。根据K-M统计检验，南小沟流域绿水量59年来呈减少趋势，但趋势不明显，同时根据UF和UB曲线交点的位置，南小河沟流域绿水在1978年左右发生突变。
　　(2)各土地利用类型绿水的年际变化不均，一般在300-600 mm之间，与年降水量相比，不论何种土地利用方式，至少有60％以上的降水都消耗于蒸散发。绿水量在不同的土地利用中分异明显，林地绿水量最大，草地、农地、未利用地逐渐次之，建筑用地最小。
　　(3)自1954年以来，南小河沟流域内土地利用方式发生了很大的改变：林地面积除了在1980-2000期间减小，其面积一直处于增加的趋势；草地总体来说面积是减少的变化；农地面积呈现先增加随后又几乎降低到研究初期水平的趋势。总体上来讲，面积比重最大的为农地，其次为草地；林地面积比重逐渐增大，而建筑用地所占比重较小。
　　(4)在不同土地利情景下，绿水的变化趋势和林地的变化趋势保持一致；而且，绿的为农地，其次为草地；林地面积比重逐渐增大，而建筑用地所占比重较小。
　　(4)在不同土地利情景下，绿水的变化趋势和林地的变化趋势保持一致；而且，绿水的两个峰值点453.1mm和459.4mm都是出现在林地面积处于峰值点的年份：1980年和2012年。这说明在南小河沟流域内林地对绿水的影响逐渐增大，逐渐有超过农地的趋势，同时林地面积的变化趋势和绿水量的变化趋势将会继续保持一致。
　　(5)南小河沟流域农地在所有土地利用类型中对绿水的影响最大，所占比例平均达到56％；林地和草地对绿水的影响处于此消彼长的状态，林地白1954年以来逐渐递增，而草地在逐年减少，所占比例分别24.3％和19.7％。在2012年时，林地的贡献率达到了54.7％，首次超过了农地，说明林地对绿水的影响逐渐占主导地位。
　　(6)在1954-2012年期间，降水呈现减少趋势，气温呈现上升趋势。在两者共同作用下，绿水表现出下降现象。经过Person相关检验，在显著水平为a=0.001上，降水量和绿水量之间相关性较大，达到0.969，是极为显著的；而温度则表现出相关性较小。这说明在南小河沟流域，降水是影响绿水的主要限制因素。
　　(7)绿水是受到降水、气温和它们交互作用共同影响的，通过对降水和气温以及它们之间的交互作用对绿水变化的贡献率进行研究，发现降水贡献率为72.1％，气温贡献率为10.7％，两者交互作用贡献率为17.2％。由于气象要素对绿水的影响不是简单的累加关系，考虑降水和气温交互作用，本文应用二元二次多项式回归建立起绿水与降水、气温的相关关系，即降水一气温模型。
　　(8)根据情景分析法的计算结果，南小河沟流域在1954-2012年期间，绿水量减少了19.1mm。其中，因气候因素影响而减少的绿水量为8.2mm，贡献率为42.9％，土地利用因素对于绿水变化的贡献率达到了57.1％，土地利用变化是南小河沟流域绿水减少的主要因素。由分离评判法计算出来的结果为绿水总量减少了46.2mm，气候变化和土地利用变化对绿水变化的贡献率分别为45％和55％，土地利用因素所造成的影响要大于气候因素，两种方法所得出的结论是大致吻合的。
　　(9)南小河沟流域历年绿水量被划分为5个标准，采用1954-2010年的年绿水量数据建立了马尔科夫链，对2011和2012年的绿水量数据进行模型的检验，检验效果较好。同时采用1954-2012年的年绿水量数据重新构建一个马尔科夫链，结果表明，在短期内南小河沟流域绿水将处于平水年状态。

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1绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容与技术路线

2研究区概况及研究方法

2.1研究区概况

2.2资料收集与处理

2.3研究方法

2.4研究的时间和空间尺度

3南小河流域绿水的变化规律

3.1绿水资源量计算

3.2绿水的时间变化

3.3绿水的变化趋势

3.4 小结

4绿水对土地利用变化的响应

4.1不同土地利用类型的绿水变化分析

4.2不同地貌类型的绿水变化分析

4.3土地利用变化分析

4.4不同土地利用情景下的绿水评估

4.5不同土地利用类型对绿水变化的贡献

4.6小结

5绿水对气候变化的响应

5.1绿水与降水的关系

5.2绿水与气温的关系

5.3降水、气温和绿水的关系

5.4基于气候条件下的绿水模拟

5.5未来气候变化条件下的绿水预测

5.6 小结

6 土地利用和气候变化对绿水影响的定量评价

6.1研究方法

6.2土地利用和气候变化对绿水变化的贡献

6.3小结

7南小河沟流域绿水的未来变化趋势预测

7.1马尔科夫链基本原理

7.2马尔科夫链的应用

7.3小结

8结论与建议

8.1主要结论

8.2建议

致谢

参考文献

附录