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中国沙漠, 2022, 42(3): 170-177 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00115

气候变化与土地利用/覆被变化对中国北方农牧交错带水资源影响研究进展

陈雪萍1,2, 赵学勇,1, 王瑞雄1,2, 宁志英1,2, 卢建男1,2, 赵思腾1,2

1.中国科学院西北生态环境资源研究院 奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学，北京 100049

Research advances on the impact of climate change and LUCC for water resources in the northern agro-pastoral zone in China

Chen Xueping1,2, Zhao Xueyong,1, Wang Ruixiong1,2, Ning Zhiying1,2, Lu Jiannan1,2, Zhao Siteng1,2

1.Naiman Desertification Research Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

通讯作者: 赵学勇（E-mail： zhaoxy@lzb.ac.cn）

收稿日期: 2021-07-27   修回日期: 2021-09-03  

基金资助: 国家科技基础资源调查专项.  2017FY100200

Received: 2021-07-27   Revised: 2021-09-03  

作者简介 About authors

陈雪萍（1993—），女，甘肃靖远人，博士研究生，研究方向为生态水文遥感E-mail：chenxp0305@163.com 。

摘要

中国北方农牧交错带对全球变化响应敏感，研究气候变化及土地利用/覆被变化（LUCC）背景下北方农牧交错带水资源问题，对变化环境下生态脆弱区的水资源利用与管理具有重要意义。通过对北方农牧交错带气候与LUCC演变特征及其对水资源影响等方面的综合研究，总结得出：（1） 近几十年，该地区气候呈暖干化趋势，气温升高速率与降水减少速率均高于全球平均水平。（2） LUCC以农牧相互转化为主，土地利用结构未发生明显变化。（3） 该地区流域径流、地下水位与气温负相关，与降水量正相关，且降水作用更明显；近几十年来，LUCC成为影响该地区生态水文过程的主导因素，对水资源影响的贡献率越来越大。同时，针对目前研究中存在的问题及薄弱环节，提出未来研究的发展趋势和亟需重点加强的研究方向。

关键词： 北方农牧交错带 ; 气候变化 ; LUCC ; 水资源变化

Abstract

The northern agro-pastoral interlaced zone is one of the most sensitive areas to cliamte change and human activity. The study of water resource change therefore in the interlaced zone under the background of climate change and land use/cover change（LUCC） provides an important scientific and practical significance for scientifically responding to the effective use and management of water resource in ecologically fragile aeras in a changing environment.Through the research on the characteristics of the climate and LUCC evolution in the northern agro-pastoral interlaced zone and their impact on water resources. The conclusions are as follows： （1） in the past 70 years， the climate in the northern agriculture-pastoral zone has shown a warming and drying trend， and the rate of temperature increase and precipitation decrease are higher than that of the global average. （2） LUCC is mainly based on the mutual transformation of agriculture and animal husbandry， and the land use structure has not changed significantly. （3） The watershed runoff and groundwater level in the region are positively correlated with temperature， negatively correlated with precipitation， and the effect of precipitation is more obvious； in recent decades， LUCC has become the dominant factor affecting the ecological and hydrological processes in the region， and the contribution rate of the impact on water resources has increased. Considering the problems and weakness in studies，we proposed the development trends of future research and key problems to be solved in the study.

Keywords： agro-pastoral interlaced zone in northern China ; climate change ; land use/cover change （LUCC） ; water resource

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本文引用格式

陈雪萍, 赵学勇, 王瑞雄, 宁志英, 卢建男, 赵思腾. 气候变化与土地利用/覆被变化对中国北方农牧交错带水资源影响研究进展. 中国沙漠[J], 2022, 42(3): 170-177 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00115

Chen Xueping, Zhao Xueyong, Wang Ruixiong, Ning Zhiying, Lu Jiannan, Zhao Siteng. Research advances on the impact of climate change and LUCC for water resources in the northern agro-pastoral zone in China. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(3): 170-177 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00115

0 引言

水是人类生存发展不可替代的资源［1］，水资源问题已成为全球性问题。参考狭义水供需关系，本文涉及的水资源指参加水文循环的径流性水，包括地表水和地下水［2］。变化环境下的水文与水资源是全球变化研究的热点［3］。气候变化和土地利用/覆被变化（Land Use/Cover Change， LUCC）是环境变化的重要组成部分，也是影响水资源变化的直接因素［4-5］。全球200条较大河流有22%的河流径流量减少趋势非常明显［6］。IPCC报告指出，气候变化引起全球降水模式的改变，从而改变了全球水循环，直接影响到水资源总量变化和时空再分配［7-8］。气候变化改变大气环流条件，气象因子发生变化影响水文与水资源过程［9］。此外，气候变化会增加区域极端水文事件发生概率和持续时间，极端干旱会导致区域地下水开采量增加［10］及地下水补给量的变化［11］。LUCC是人类活动的重要体现，也是水文变化的重要驱动因素［12］，通过改变流域下垫面状况对流域产汇流过程、水循环空间格局以及时空配置产生影响［13-14］。LUCC还会影响地下水补给。对全球大部分地区而言，气候变化和LUCC将在未来50—100年发挥重要作用［15］。但二者共同作用对不同尺度水资源产生的影响差异较大［16］。

中国北方农牧交错带是中国生态系统较为脆弱的地区，也是全球变化反应敏感的生态系统过渡带［17］。该地区水资源贫乏且利用强度大。因此，水成为决定该地区社会经济和生态环境的限制性因素。随着农牧交错带人口迅速增长，耕地面积不断扩张，水资源需求日益增大，导致该地区出现河流水量减少、河湖萎缩、地下水位下降等一系列问题，严重影响该地区人类生活与经济发展。

因此，梳理变化环境对中国北方农牧交错带生态脆弱区水资源研究进展，能够系统了解变化环境对水资源作用的研究现状和发展态势。同时，针对目前研究存在的不足提出合理建议，为应对未来变化环境对该地区水资源影响以及开发管理提供有力的科学依据。

1 北方农牧交错带概况

1.1　北方农牧交错带范围

北方农牧交错带的范围划分标准各异，本文参考赵哈林等［18］研究成果，以降水年变率15%—30%、干燥度1.0—2.0为界限，界定北方农牧交错带位于34°48′—47°19′N、101°43′—126°00′E，沿400 mm等降水量线自东北向西南纵贯中国北部。北起大兴安岭西麓呼伦贝尔，向南延伸，跨越黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、北京、山西、陕西、甘肃和宁夏10个省（市区），面积约65万km2［19］。依据自然地理位置、生物气候及自然经济特点，将整个区域大致分为3段（图1）。东北段包括黑吉辽西部和内蒙古东北部，水资源条件相对较好；华北段包括河北、北京、山西北部和内蒙古中部，是交错带最典型的地段；西北段包括陕甘宁的东北部，交错带较窄，降水少［20］。

图1

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图1   中国北方农牧交错带区域位置（Ⅰ.东北段、Ⅱ.华北段、Ⅲ.西北段）

Fig.1   The location of agropastoral transitional zone of northern China （Ⅰ，Northeast part； Ⅱ，North China part； Ⅲ，Northwest part）


1.2　北方农牧交错带水资源面临问题

北方农牧交错带东西跨度大，大部分地区水资源匮乏，降水少蒸发强，难以形成地表水或补给地下水，河网不发达。

水资源匮乏，时空分布不均。北方农牧交错带属于半湿润半干旱气候。年降水量250—450 mm；降水集中在7—8月，占年降水量50%左右［21］。东北段位于季风气候区，降水多、蒸发弱，河流水系相对发达［22］。华北段人口密集，工农业耗水量大，地下水超采严重［20］。西北段位于黄土高原，降水少、蒸发强；地表河流下切严重，地下水储量少且埋藏较深，水资源难利用［23］

河湖萎缩、河道断流，湖泊水库干涸。受自然与人类社会综合影响，河流上、中游过量耗水，导致下游径流衰减、河道断流［24］。如2000—2019年赤峰境内老哈河流域，径流量从2.91亿m3减少为0.1亿m3［25］。1995—2012年西拉木伦河，径流量减少率为每10年3.422亿m3［26］。此外，该地区部分湖泊面积也呈现不同程度的缩减（表1）。

表1   近70年中国北方农牧交错带部分湖泊面积变化

Table 1  Changes in the area of some lakes in the northern agriculture-pastoral zone of northern China in the past 70 years

湖泊名称时段（年份）湖泊面积/km2面积变化量/km2面积变化率/(km2·a-1)文献来源
呼伦湖1961—20182 360—173962172.84王鹏飞等[27]
奈曼西湖1962—200125—0250.64张桂英[28]
黄旗海1975—201569—5.863.215.8付意成等[29]
达里诺尔1983—2018224.8—214.310.517.4木希叶乐等[30]
查干诺尔1988—201799—29.869.22.38丹旸[31]
岱海1989—2018158.8—53.6462.32.15刘旭隆[32]

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地下水位下降明显。地表水匮乏，工农业用水高度依赖地下水，使地下水开采量居高不下。开采严重地区形成地下水漏斗、地裂缝，地下水流场也出现了大幅变动［33-34］。朱永华［35］指出，1980—2015年半干旱农牧交错带地下水埋深由2.39 ｍ增加至6.23 ｍ，上升变化率为每10年1.835 m；部分超采区达15.6 m。Feng等［36］利用GRACE模型反演华北地区2003—2010年地下水储量，结果显示地下水消耗速率为8.3±1.1 km3·a-1，是中国北部平原地下水消耗率2.5 km3·a-1的3倍，华北地区深层地下水已严重亏损。丁元芳等［37］发现2001—2016年西辽河流域地下水储量亏空超过100亿m3。北方农牧交错带地下水超采严重，对生态保护和区域可持续发展埋下隐患。

2 北方农牧交错带气候变化和LUCC特征

2.1　气候变化特征

全球气候变暖背景下，北方农牧交错带持续暖干化现象明显，干旱灾害频发，极端气候事件增多［38］。过去半个多世纪，该地区气温增长速率为每10年0.39 ℃，明显高于全球平均水平的每10年0.12 ℃［39］。闫冠华等［40］认为，20世纪90年代以前北方农牧交错带气温、降水变率不大，90年代以后气温急剧增长，降水量下降趋势明显。方梓行等［22］指出1971—2015年，北方农牧交错带增温明显。近70年北方农牧交错带气温和降水变率基本保持平稳，东北段降水变率下降最明显；华北段降水变率区域差异较大；西北段气温变率上升最明显，降水变率不大（表2）。

表2   近70年中国北方农牧交错带气候变化

Table 2  Climate changes in the northern farming-pastoral zone of northern China in the past 70 years

序号时段(年度)研究区每10年气温变率/℃每10年降水变率/mm文献
11960—2011东北段0.34-9.88[41]
21951—2006华北段（科尔沁沙地）0.28—[42]
31951—2015华北段0.26-15.6[43]
41955—2014华北段0.45—[44]
51961—2018华北段（科尔沁沙地）0.33-0.04[45]
61960—2016西北段0.34-2.7[46]
71960—2010西北段0.38—[47]
81974—2006西北段（榆林市）0.46-1.0[48]
91980—2013西北段（武川县）0.50-0.06[49]
101961—2012全区0.33-4.98[50]
111964—2011全区0.40-2.6[51]
121971—2015全区0.39-4.60[22]

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2.2　土地利用/覆盖类型变化特征

北方农牧交错带土地利用类型以耕地、林地和草地为主，面积约43万km2，占91.83%［52］，为该区主要的土地利用类型，对其变化特征的解释具有代表性。刘军会等［53］指出，1988—2000年北方农牧交错带土地利用类型相互转换复杂，但仍以耕地、草地相互转化为主，1995年前后土地转化数量相差3倍，前期土地转化面积达2.2万km2，后期转化较缓。土地利用结构未发生重大变化。刘孟竹等［54］研究2000—2018年北方农牧交错带土地利用类型变化，发现2010年以前耕地、林地、草地发生急剧变化，18年间，耕地与草地互相转化面积最大，超过1.67万km2。

总之，近30年来，中国北方农牧交错带土地利用类型处于快速变化之中，以农牧间相互转化为主。这与该区农业与畜牧业此消彼长、反复进退的特点密不可分。土地利用结构未发生明显变化，仍以耕地、草地为主。近年来国家实施的生态建设工程如“三北”防护林工程、退耕还林还草工程等在LUCC过程中起到了不可忽视的作用，使土地利用结构向良性方向发展，但土地退化问题仍然十分突出［55］。

3 变化环境对北方农牧交错带水资源影响

3.1　气候变化对北方农牧交错带水资源影响

目前，国内外学者开展气候变化对水资源及其水文过程影响的研究主要分两类。一是采用数理统计方法和相关关系法分析多种气候与水文要素的演变特征。王金凤等［56］认为冶河流域径流与气温负相关、与降水量正相关，降水量与径流相关性更强。杨恒山等［57］发现西辽河平原地表径流减少、部分河流断流以及地下水位下降是对气候变化的响应，降水的减少和不稳定性增大了干旱和洪涝灾害发生的概率。因此，气候变化会对地表水和地下水资源产生明显影响。二是通过水文模型法定量研究气候变化对径流变化的贡献率，通过设置不同未来气候情景开展未来气候变化研究。史晓亮等［58］结合SWAT水文模型模拟了不同气候变化情景下滦河流域的水文过程，发现气温升高则径流量减少，降水量增加则径流量增加，认为降水对滦河径流的影响大于温度；李鸿雁等［59］指出洮儿河流域降水量波动平稳，气温升高地表径流减少，地下水埋深增加。在未来3种气候模式下，地下水埋深均会增加。秦欢欢等［60］发现地下水位与气候干湿程度正相关，降水量决定地下水水位变化。预测干旱气候情景下各观测井地下水水位将持续下降。

气候变化是区域水文变化的重要驱动因素，全球变暖背景下北方农牧交错带大部分地区年均气温升高，降水减少，年均径流量呈减少趋势。但是气候变化的不确定性是水资源影响评价存在的最大问题，是开展未来气候变化研究的重要方向和核心内容。

3.2　LUCC对北方农牧交错带水资源影响

土地利用类型变化通过改变原有土地利用格局，影响地表水入渗、蒸发、产汇流以及地下水补给等水文循环过程。王磊等［61］基于SWAT模型分析得出耕地对清水河径流的影响系数为正值，具有增加径流的作用；林地和草地为负值，具有截留径流的作用。吴杰昭［62］研究滦河部分流域发现1970—2015年建设用地产流量、地表径流量均比草地、耕地大。王晓勇等［63］研究干旱-半干旱地区下垫面与地下水位关系后指出，LUCC剧烈的地区均是地下水位急剧变化区域，二者空间分布呈正相关。孙标等［64］也得出同样的结论，认为LUCC加剧了地下水埋深的变化。不同土地利用类型对径流的作用不同，而且不同地区LUCC对水文过程的影响也存在一定的差异。

4 变化环境对水资源影响的量化研究

随着气候变化与LUCC对水资源影响不断加剧，各国学者开始研究从针对单个驱动因素到综合考虑两种驱动因素对水文循环的作用［65］；从定性到定量的角度区分二者对径流变化的归因分析，通过水文模型计算二者对径流变化的贡献率［66］。在长时间尺度，气候变化对水文与水资源的影响更显著［67］。在短时间尺度，LUCC是主要驱动因素且作用越来越显著［68］。Guo等［69］也认为，气候变化是影响年径流的主要因素，LUCC对季节径流影响比较明显。空间上，二者对水文与水资源效应研究多在中小尺度流域的径流量变化。由于大尺度流域运用模型所需变量多，对数据系统性要求较高，所以涉及大尺度流域研究并不多见［70-71］。随着数据获取手段多样化以及研究的不断深入，有关大尺度流域的相关研究将会有很大的发展空间。

宋小园［72］分析得出1960—2010年锡林郭勒河流域径流量逐年减少，与降水减少趋势一致；同时，LUCC贡献率逐年上升。李帅等［73］应用SWAT模型预测宁夏清水河径流量在未来气候变化中呈减少趋势，降水减少和气温升高组合效应下最显著；而在未来几种LUCC情景下径流量会增加。Zhang等［74］研究得出，1986—2012年桑干河流域气候变化导致径流减少39.1%，LUCC导致地表径流增加37.6%。朱永华等［75］认为1996—2016年西辽河平原气候变化和LUCC对地下水埋深动态贡献度分别为24.5%和75.5%。王随继等［76］分析了1960—2008年皇甫川流域径流量变化的两个突变年份，得出导致径流量减小的降水量和LUCC贡献率分别从36.43%和63.57%变化为16.81%和83.19%。吴立钰等［66］采用步进式方法划分了3个影响期，更加精准地指出LUCC在枯水期及平水期的影响程度越来越大。由于LUCC能直接体现并反映人类活动影响的剧烈程度，不少学者直接以LUCC来加以说明人类活动对径流影响（表3）［76-86］。

表3   气候变化与LUCC（人类活动）对区域水文过程影响贡献率

Table 3  The contribution rate of climate change and LUCC （human activity） to the regional hydrological process

研究区时段（年份）突变年份减水贡献比例/%文献
气候变化人类活动（LUCC）
密云水库1960—20161980—60.00黄俊雄等[77]
潮白河流域1980—2001198031.0070.00Wang等[78]
无定河流域1978—2010199653.7546.25曹钧恒[79]
西辽河平原1980—2016199824.5075.5朱永华等[75]
滦河流域1960—2010198026.3073.70张利平等[80]
锡林郭勒河1963—2015199830.3469.66王威娜等[81]
皇甫川流域1960—2008199816.8183.19王随继等[76]
小理河流域1971—2013199829.8070.20付金霞[82]
泾河上游1973—2012198540.3059.70党素珍等[83]
北洛河流域1956—2011196440.0060.00樊晶晶等[84]
泾河流域1971—2010

1985

1996

26.60

7.60

73.40

92.40

郑培龙等[85]
塔布河流域1959—201820098.3191.69李芳芳等[86]

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相对于气候变化的长期性特点，LUCC是导致短期内流域水文变化，甚至是突变的主要驱动因素［87］。不同流域气候变化和LUCC对流域径流变化的影响程度存在明显差异。不同方法分离气候变化和LUCC对流域径流贡献率具有不确定性［88］，综合利用定量分析气候变化和LUCC对径流影响的方法，有利于促进对流域的生态环境的认知，提升对流域水资源的管理水平。

5 结论与展望

北方农牧交错带是中国中东部地区重要的生态安全屏障和水源涵养带，但近几十年来，该地区资源环境压力越来越大，尤其是水资源开发强度已近极限。综合分析中国北方农牧交错带水资源的研究现状和发展态势，发现变化环境对水资源的影响研究取得了丰硕的成果，以地表径流的研究为主，对地下水影响的研究相对薄弱。研究方法上从单一驱动因素发展到两种驱动因素，从定性发展到定量的归因分析。随着技术进步，对预测模型的使用也日趋成熟。为此方向研究奠定了良好的基础，但目前仍有一些不足之处需要重视。

在全球极端气候事件增多的情势下，加强气候变化风险和不确定性分析是未来气候变化研究的重点；通过改进水文模型与掌握好模型尺度转化规律，揭示长期气候变化过程对水文系统产生的影响的内在机制。

重视LUCC影响下的水文与水资源效应研究。强化LUCC与水文过程的互馈作用机制是环境生态学亟待研究的科学问题。未来还要更加关注政策变化下LUCC（如生态工程等）引起的水资源变化。

因受技术和区域地理环境影响，有关变化环境对地下水影响的研究相对薄弱。地下水的补给方式比地表水更复杂，加上日益突出的用水矛盾，迫使我们有必要更加关注并不断完善地下水与变化环境的关系。

不同方法在量化气候变化和LUCC对径流影响贡献率方面结果存在差异。因此需要针对不同流域水文环境特征的差异，合理选择优化方案，提高模型参数率定的准确性，精准识别地表径流变化突变位置，有利于对流域水资源进行更科学的管理。

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