土地覆被与气候变化对闽江流域水文的影响

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全球人口与经济的增长导致了土地覆盖和气候发生变化。土地覆盖和气候的变化可能会改变区域的水文平衡状况。闽江流域是中国福建省最大的流域。该流域自20世纪90年代以来面临严重的洪水和水土流失等环境问题。评估气候要素变化和土地覆被变化对流域水文过程的影响及各因素的相对贡献,对于减缓流域水土流失、提高流域管理水平具有重要指导意义。本研究使用水文模型评估闽江流域在历史和未来两个时期土地覆盖和气候变化对流域水文参数的影响:1、探究闽江流域过去近30年的土地覆盖变化和气候变化状况;2、在闽江流域校准SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool),以量化闽江流域水文参数在1992-2016年的变化,并将该变化分配至土地覆被变化和气候参数变化的影响;3、使用预测的未来2026-2097年土地覆被和气候变化数据模拟闽江流域未来水文状况,并对比未来相较于过去的变化趋势。结果表明:(1)1992-2018年闽江流域土地覆被变化率为12.2%。1992年针叶常绿林覆盖了55%的流域面积,其中10%的面积至2018年转化为种植林地、农田和混交林。城市面积在此期间从399 km~2增加到1033 km~2。(2)闽江流域在1992-2018年期间气温升高,年均增温0.01~0.1℃。1990年以后,流域强降水事件增多,丰水年降雨总量增多,枯水年降雨总量减少。(3)SWAT模型在闽江流域水沙模拟中表现良好。流域年平均产水量1000-1100 mm,产沙量14 t/ha。(4)1992-2016年间,对闽江流域水文影响最大的土地覆被变化类型是耕地增加,其次是作物林地和城市面积增加。产沙量增加了1.9 t/ha(14.31%),地表径流增加了10.5 mm(5.49%),蒸散量增加了3.4 mm(0.49%)。农田、作物林地和城市面积的增加导致地表径流量和产沙量增加,农田和作物林地面积增加导致蒸散量增加,城市面积增加导致蒸散量减少。(5)1992-2016年影响闽江流域水文的主要气候变化因素是降水。降水量的增加导致产水量、地表径流量和产沙量均呈增加趋势,平均年增量分别为4.74mm、2 mm和0.13 t/ha。由于最低气温的升高,蒸散量呈显著增加趋势,平均年增加量为3.53 mm。(6)在土地覆被和气候变化中,气候变化对产水量、地表径流和蒸散量的影响最大,而土地覆被对产沙量的影响最大。(7)在两个RCP情景(4.5、8.5)下,流域的气温在2050年之前将会持续上升。在2050年后,气温在RCP4.5情景下将会稳定,保持2℃以内的增长直到21世纪末;在RCP 8.5情景下气温将持续上升,导致相比于1979年升高4℃的结果。在RCP 4.5情景下,降水量在未来第二时段(2062-2097年)将增加,而在RCP8.5情境下和RCP 4.5情景的第一时段(2026-2062年),降水量将下降。土地覆被未来的变化可能是城市区域以牺牲耕地和农作物林地为代价扩张。(8)温度升高会增加蒸散量,同时减少产水量、产沙量和地表径流量。二氧化碳浓度的变化将抵消温度升高对上述水文变量的影响。温度升高和CO2的共同作用会增加产水量、产沙量和地表径流量,减少蒸散量。(9)在RCP 8.5情景下,大多数水文参数的变化趋势与RCP 4.5情景相似,如蒸散量减少和地表径流量增加。产水量在未来第一时段减少,第二时段增加。产沙量在RCP 8.5的第一时段和RCP 4.5的两个时段将减少,但在RCP 8.5的第二时段将增加。未来土地覆被变化对水文参数的影响可以忽略不计。(10)月径流量将在1-4月减少,而在8-12月增加。最小流量在RCP 8.5第一时段将减少,在其他情景和时段最小和最大流量均将增加。大洪水的频率将增加。总体而言,近年来地表径流量、产水量和产沙量增加的主要原因是降水量增加和退耕还林。温度升高的影响并不明显。未来降水和大气CO2浓度的变化将是闽江流域水文要素变化的主导影响因素。仅在RCP 8.5的远期情景下温度升高的作用在增加产水量和产沙量方面更为显著。由于未来从森林到农田的土地利用转化微乎其微,土地覆盖变化的影响在未来不明显。未来地表径流和大洪水发生频率大概率会增加。耕地转化为林地的土地覆被变化可以增加土壤入渗,减少地表径流和土壤退化,并且随着大气CO2浓度的增加,土壤产沙量减少,旱季土壤水分含量和水分有效性增加。陡坡区和河岸的土壤保护工程和植被措施可以减少洪水期间滑坡造成的土壤流失,而河岸特别是河漫滩植被可以保护强降水期间的土壤和生物多样性。月降水模式的变化和河流流量的变化可能会改变陆地和水生物种的生命周期和物种组成,因此应探究调查其影响以促进生物多样性的保护。进一步研究应关注未来气候变化对子流域尺度水文过程的影响,以识别流域内需重点关注和管理的热点区域。
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