Effects of climate change and land use change on runoff, sediment, nitrogen and phosphorus losses in the Haihe River Basin

DING Nan, LI Yi-bo, TAO Fu-lu

JOURNAL OF NATURAL RESOURCES ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (7) : 1720-1734.

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JOURNAL OF NATURAL RESOURCES ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (7) : 1720-1734. DOI: 10.31497/zrzyxb.20240713
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Effects of climate change and land use change on runoff, sediment, nitrogen and phosphorus losses in the Haihe River Basin

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Abstract

The Haihe River Basin plays an important role in the sustainable economic development of the national economy and is also one of the most water-scare regions in China. Densely populated, long-term inappropriate human activities and climate change have exacerbated the problems of soil erosion and water scarcity in the region. Therefore, studying the effects of climate change and land use on runoff, sediment, and nitrogen and phosphorus losses in the Haihe River Basin provides not only theoretical support for the early warning of water and sand hazards in the region, but also an important scientific basis for understanding the evolutionary pattern of the basin's ecological environment. In this study, we analyzed the spatial and temporal evolution patterns of climate, land use, evapotranspiration (ET), normalized vegetation index (NDVI), and net primary productivity (NPP) in the Haihe River Basin from 1985 to 2015 and their influence mechanisms. The results show that: (1) There are significant geographical differences in the correlations among the variables (ET, NDVI, NPP, runoff, sediment, nitrogen and phosphorus, etc.) in the six sub-basins of the Haihe River Basin. (2) Temperature and precipitation directly affect runoff, and thus indirectly affect sediment and nitrogen and phosphorus losses. (3) ET is directly affected by both temperature and precipitation, and it directly affects runoff, and then indirectly affects sediment and nitrogen and phosphorus losses. The paper reveals the influence of climate and land use changes on runoff, sediment and nitrogen and phosphorus losses over the past 30 years, which is of great significance to the understanding of the evolution of the ecological environment of the basin and its regulation.

Key words

Haihe River Basin / land use / climate change / ecohydrology

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DING Nan, LI Yi-bo, TAO Fu-lu. Effects of climate change and land use change on runoff, sediment, nitrogen and phosphorus losses in the Haihe River Basin[J]. JOURNAL OF NATURAL RESOURCES, 2024, 39(7): 1720-1734 https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20240713
自工业革命以来,人类活动强度及全球气候变化显著加剧,在陆表环境和生态系统物质循环等方面都产生了强烈影响[1]。大量研究表明:全球变暖能够加剧全球水循环[2] 。一方面,气候变化,例如温度升高,能够通过影响蒸散发(ET),进而影响径流、泥沙及氮磷流失,对水循环过程产生显著影响[3,4]。而在中高纬度地区,温度升高导致冰川积雪融化,引起径流、泥沙及水质发生变化[5]。同时,风速下降导致ET减少,引起径流增加,反之亦然[6]。此外,太阳辐射、相对湿度等气象要素的变化对ET、径流、泥沙及水质也会造成一定的影响[7]。通过对过去100多年降雨的趋势分析,降雨在未来有增加的趋势,且空间差异很大[8]。在雨水补给为主的流域,降水的季节变化对地表径流会产生影响[9]。因此,径流、泥沙及水质的变化是多种气象要素共同作用的结果,其影响程度亟需进一步厘清。另一方面,随着人口增加和城镇化进程的加快,人类活动,包括土地利用变化、水库和大坝的建设、工业用水、农业用水和生活用水均会对径流、泥沙及水质造成影响[10]。有研究表明,人类活动导致的土地利用变化是影响产流、产沙和水质变化的主要因素[11]。其中,土地利用变化能够改变地表状况,从而影响生态水文过程[12]。土地利用变化对降水、蒸发、径流及土壤侵蚀等多个方面产生影响,进而影响流域水资源的重新分配和整个水循环过程;土地利用变化可通过改变水热传输、反照率、净辐射,进而改变流域的水循环过程[13]
ET主要反映水由液态或冰雪阶段向气态变化的过程,它包括流域内土壤蒸发、水面蒸发和植物蒸腾[14]ET作为自然界水文循环的三大主要过程之一(降水、ET和径流),在水循环和能量循环过程中起着极其重要的作用[15],因此,ET对气候变化的影响一直是该领域的研究热点。其中,降水、气温等气象要素均对ET有着重要的影响。Li等[16]研究表明:日降水量和降水频度对ET的年际变化具有显著影响;降水的年际间变异越大,ET下降越明显[16]。Liu等[17]发现,在太平洋西北地区的寒季,ET主要受到温度的控制;而在高寒地区,ET不仅受到温度的影响,而且还受到可获得的水分的控制[17]。除此之外,不同土地利用方式也会影响ET,如林地的蒸发量约占陆地蒸发量的45%[18]。而土地利用变化通过显著改变地球表面的能量平衡,进而对ET有着重要的影响[19] 。但由于大尺度上ET数据获取的不易,土地利用变化对ET影响还需进一步深入研究,此外,归一化植被指数(NDVI)和净初级生产力(NPP)能够反映土地利用/覆被及环境效应的变化,可用于评价气候和土地利用变化对流域水文过程的影响。
海河流域位于中国华北地区,其中大中城市众多、人口密集、人均GDP较高,在中国政治和经济中处于重要地位。同时,海河流域也是中国水资源最为短缺的地区,易受截流灌溉的影响,导致中下游地区的水量急剧下降,并且存在严重的水污染问题[20] 。综上,本文以海河流域为例,分析过去30年(1985—2015年)的气候、土地利用、NDVINPPET等数据的年际变化趋势,以及海河流域径流、泥沙和施肥量的年际变化趋势,探讨气候变化和土地利用变化对海河流域ET、径流和泥沙变化的影响机制,以揭示不同驱动因子对流域生态水文过程的影响机制及其效应,增进对气候变化、人类活动和水文过程相互作用的科学认识,为流域水资源管理实践和未来预测提供科学指导。

1 研究方法与数据来源

1.1 数据来源

水文数据来自海河流域水文年鉴,包括河道月平均径流和泥沙数据。土地利用遥感监测数据来源于国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn/)。该数据库整合利用美国陆地卫星Landsat遥感影像数据,借助人工目视解译的方式,搭建了国家尺度1∶10万比例尺多时期土地利用/土地覆盖专题数据库(CNLUCC),数据包括20世纪70年代末期(1980年)、80年代末期(1990年)、90年代中期(1995年)、90年代末期(2000年)、2005年、2008年、2010年、2013年和2015年、2018年、2020年11期。本文使用了1980年、1990年、1995年、2005年、2015年土地利用数据。NDVI是基于SPOT/VEGETATION NDVI卫星遥感数据在月数据基础上采用最大值合成法生成的年度空间数据集(http://www.resdc.cn/),而NPP数据来自于MODIS17A3数据集的16天合成产品经最大值合成法形成的年度NPP产品(http://www.ntsg.umt.edu/)。1985—2015年的气象数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)。从中国气象数据共享中心下载海河流域41个相关站点的日气象要素数据,即日降水量、日平均气压、日最高温、日最低温、日平均风速、日照时间长度和日相对湿度。氮、磷数据来源于水质自动监测站周报、水质自动监测站月报、《中国统计年鉴》、省市统计年鉴。农业管理实践数据来自市统计年鉴、《中国农村统计年鉴》《中国水统计年鉴》《中国统计纲要1949—2008年》和中国农产品成本与收益纲要(https://data.cnki.net/)。

1.2 研究方法

本文以海河流域六个主要的水系为研究对象(图1),包括:潮白河(CB)、子牙河水系(ZY)、大清河水系(DQ)、滦河河北沿海诸小河(LH)、南运河水系(NY)和永定河水系(YD)。基于气候变化、土地利用、NPPNDVI等数据,采用Pearson进行偏相关分析,研究不同因子对海河流域水文、泥沙等影响。并利用ArcGIS 10.3等软件进行空间变化统计,定量分析海河流域径流、泥沙及氮磷流失的影响因素及空间格局。此外,利用R版本3.5.2中lavann软件包进行结构方程模型(SEM)分析,探讨海河流域ET、气候变化、土地利用、NPPNDVI、径流、泥沙及氮磷之间的相互作用机制。结构方程模型与传统模型相比具有更高的综合性和灵活性,在本文中需要探究海河流域各变量(ETNDVINPP、径流、泥沙、氮磷等)之间的直接和间接影响,需处理多个变量之间的关系,传统的统计方法不能很好地解决这个问题。SEM能够对抽象的概念进行估计与检定,而且能够同时进行潜在变量的估计与复杂自变量/因变量预测模型的参数估计,通过路径分析和验证性因子分析检验变量之间的相互因果关系[21]。本文所有的统计分析在R语言中进行分析。
Fig. 1 Water system of Haihe River Basin

图1 海河流域水系图

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2 结果分析

2.1 1985—2015年海河流域土地利用变化趋势

海河流域六个子流域的土地利用变化趋势如图2所示。图2a表示过去30年用地类型由耕地转化成其他用地类型(林地、草地、未利用地、城镇建设用地、水域);图2b表示过去30年用地类型由其他用地类型转化成耕地;图2c表示用地类型由林地转化成其他用地类型;图2d表示用地类型由其他用地类型转化成林地。在过去30年间,海河流域土地利用变化总体呈耕地减少的趋势。耕地面积大幅度减少主要发生在潮白河、永定河和大清河交界处,其次是流域东南部平原和永定河西部地区(图2a)。表1展示海河流域用地类型(耕地、林地、草地、城镇建设用地、水域、未利用地)之间的面积转换情况。耕地转换为其他用地类型的面积约为7150 km2,其中主要是转变为城镇建设用地(5897 km2)。耕地面积的增加并不明显,仅在大清河流域有少量的增加(图2b),其中以水域转变为耕地的面积最大(568 km2)。海河流域林地面积变化并不明显,仅在西部山区有少量减少(图2c),其中林地转变为其他用地类型的面积约1197 km2。而在永定河西部以及永定河和潮白河交界处,林地有少量的增加(图2d)。海河流域的主要用地类型呈现如下变化:耕地减少了5712 km2,约占耕地总面积的4%;林地减少了416 km2,约占林地总面积的0.7%;草地减少了195 km2,约占草地总面积的3%;城镇建设用地增加了6692 km2,占城镇建设总面积的约40%。耕地减少主要是由于转变为城镇建设用地(5897 km2),林地减少主要是由于转变为草地(671 km2),而草地减少主要是因转变为耕地(425 km2)和城镇建设用地(391 km2)。
Fig. 2 Land use change in the Haihe River Basin from 1985 to 2015

图2 1985—2015年海河流域土地利用变化

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Table 1 Area conversion among land use types in Haihe River Basin (km2)

表1 海河流域各用地类型之间的面积转换

用地类型变化 耕地 林地 草地 未利用地 城镇建设用地 水域 面积变化
耕地 133085 480 259 469 5897 45 -7150
林地 275 56415 671 16 230 5 -1197
草地 425 258 56641 97 391 151 -1322
未利用地 568 39 26 4942 177 18 -828
城镇建设用地 46 3 5 12 16628 0 -66
水域 124 1 166 30 63 1958 -894
面积变化 +1438 +781 +1127 +624 +6758 +219
注:“+”表示相应的用地类型面积增加;“-”表示相应的用地类型面积减少。

2.2 1985—2015年海河流域ETNDVINPP年际变化及各要素年际变化趋势分析

过去30年,海河流域六个子流域的NPP年际变化趋势、NPP年平均值、NDVI年际变化趋势、NDVI年平均值、ET年际变化趋势和ET年平均值如图3所示。ET总体呈现北部增加、南部减少的趋势。潮白河和滦河流域ET均呈现增加趋势,尤其在滦河流域的变化率高达12.7 mm yr-1;而在永定河的部分区域ET呈现减少趋势,其中在子牙河和南运河流域减少趋势最为明显,年际变化的减少量达到-9.97~ -2.21 mm yr-1图3a3)。过去30年ET平均值在360~1200 mm之间,总体呈现南高北低的趋势。在海河流域的山区,永定河流域ET年平均值最低(377 mm);而在东南部平原(子牙河流域),ET平均值最高(1145 mm)(图3b3)。总体而言,年均ET值大的地区减小幅度大;年均值小的地区增加幅度大。西北部山区的年均ET较小,但呈增加趋势;东南部平原地区的年均ET值较大,但呈减少趋势。
Fig. 3 Inter-annual variation trend and annual average of ET, NDVI and NPP in the Haihe River Basin from 1985 to 2015

图3 1985—2015年海河流域ETNDVINPP年际变化趋势和年平均值

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海河流域过去30年NDVI总体呈增加趋势,由东向西递增。其中海河流域西南部增加趋势较为明显,东北部沿海地区减少趋势较为明显。除滦河、潮白河和南运河流域有小面积减少趋势外,其他流域的NDVI均呈增加趋势,增加量为0~4.6×10-3 yr-1。其中,南运河中部地区的减少趋势最为明显(-2.1×10-3 yr-1)。而海河流域的西南部有大面积的增加趋势,尤其是大清河的西部增幅高达4.5×10-3 yr-1图3a2)。海河流域过去30年的NDVI平均值在0.4~0.9之间。其中,西部永定河流域的NDVI较小,而在北部沿海地区(滦河流域)以及东南部平原地区(子牙河和南运河流域)的NDVI较大,高达0.83(图3b2)。年均NDVI较大的地区其年际变化趋势较小,而年均NDVI较小的地区其年际变化趋势较大。
过去30年,海河流域的NPP总体呈增加趋势,大部分地区增加幅度介于0~1.5 Pg C yr-1。在滦河西部,海河东北部沿海地区、大清河及南运河中部,NPP有小面积的减少趋势(-1.16~0 Pg C yr-1)。而其他地区的NPP均有不同程度的增加,其中海河流域的西南部NPP年际变化增幅最为明显,尤其是子牙河的西部,增幅高达4.24 Pg C yr-1图3a1)。过去30年海河的NPP年平均值介于200~550 Pg C,总体呈由北向南递增的趋势。永定河流域的NPP平均值最小(214 Pg C),而子牙河和南运河流域NPP平均值最大,高达641 Pg C(图3b1)。NPP的年际变化趋势总体也呈增加趋势,总体呈现南高北低的趋势。
分析滦河(图4a~图4d)、潮白河(图4e~图4h)、永定河(图5a~图5d)、大清河(图5e~图5h)、子牙河(图6a~图6d)、南运河(图6e~图6h)六个子流域ETNPPNDVI、径流、泥沙、氮肥施用量、温度和降雨的年际变化关系以及四种土地利用类型(耕地、林地、草地、城镇建设用地)百分比变化趋势可知,ETNDVI年际变化的波动曲线幅度较为一致,在2000年和2010年出现波谷值,可能与这两年的年均温度和降雨量略有减少有关。泥沙和施肥量的年际变化趋势均呈先升高后减少的趋势,在2000年左右达到较高值。在过去30年滦河四种土地利用类型中,林地面积占比最大,其次是草地,城镇建设用地占比最少。对潮白河流域相关指标的分析显示(图4e~图4h),ET总体呈现增加的趋势;潮白河流域的土地利用类型在1995年前耕地面积占比略高于林地面积,而1995年后耕地面积大幅度减少,林地面积大幅度增加,之后持续小于林地面积。对永定河流域相关指标的分析结果表明(图5a~图5d),泥沙和施肥量年际变化趋势相似。温度呈增加趋势,降雨在过去30年变化幅度不大,在2000—2010年间降雨量较少。耕地面积在2005年前占比远高于林地面积,而2010年及以后耕地面积大幅减少,林地面积占比远超耕地面积,草地面积在2010年后也高于耕地面积。
Fig. 4 Annual variation trend of related indicators for the Luanhe River and Chaobai River from 1985 to 2015

图4 1985—2015年滦河和潮白河相关指标年际变化趋势

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Fig. 5 Annual variation trend of related indicators for the Yongding River and Daqing River from 1985 to 2015

图5 1985—2015年永定河和大清河相关指标年际变化趋势

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Fig. 6 Annual variation trend of related indicators for the Ziya River and Nanyun River from 1985 to 2015

图6 1985—2015年子牙河和南运河相关指标年际变化趋势

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通过对大清河流域相关指标之间的分析(图5e~图5h),可以发现NDVI大致呈现增加趋势;而径流、泥沙和施肥量在大清河流域总体呈现小幅度减少趋势。过去30年的温度年际变化总体上呈现增加趋势,降水年际变化趋势并不明显。大清河流域的耕地面积占比远高于其他三种土地利用类型,土地利用类型变化幅度总体不大。通过对子牙河流域相关指标的分析(图6a~图6d),发现ETNDVI均在2010年左右达到最大值。流域温度在1995年之前变化并不明显,在1995—2000年间突然有大幅度增加,之后又趋于稳定。降雨年际变化与温度类似,在1995年之前降雨变化幅度并不大,而在1995—2000年间突然大幅度地升高达到波峰,之后又大幅度地降低达到波谷后趋于稳定;子牙河流域过去30年土地利用变化并不明显,与大清河流域相似,耕地面积远高于其他三种用地类型。通过对南运河流域相关指标的分析发现(图6e~图6h),泥沙和施肥量在2000年之前有较好的年际变化趋势,之后趋势变化一致性较差,这可能是由于2000年后人类活动的影响增加所致。过去30年,南运河流域的土地利用类型与大清河和子牙河相似,耕地占比远高于其他三种用地类型,达到60%以上。

2.3 海河流域各要素间的偏相关分析

ETNDVINPP、径流、泥沙、施肥量、温度、降雨、耕地、林地、草地和城镇建设用地等12个指标进行偏相关分析(图7表2),结果表明:不同子流域的相关性存在较大差异。在整个海河流域内,径流与降雨呈现显著正相关关系(r=0.48~0.79,*p<0.01);温度主要影响大清河与子牙河的ETr=0.53,*p<0.01和r=0.67,*p<0.01)、NDVIr=0.62,*p<0.01和r=0.72,*p<0.01)和泥沙(r= -0.47,*p<0.01和r= -0.63,*p<0.01);在潮白河流域,降雨与NDVI呈显著正相关(r=0.44,*p<0.01);在永定河流域,降雨与NPP呈显著正相关(r=0.39,*p<0.01);在子牙河流域,降雨与ET呈现正相关关系(r=0.4,*p<0.01);耕地面积的变化主要影响滦河的ETNDVINPP。林地面积变化对潮白河的影响较大,与ET呈现负相关性(r= -0.53,*p<0.01),与径流(r=0.83,*p<0.01)、泥沙(r=0.55,*p<0.01)、施肥(r=0.48,*p<0.01)以及降雨(r=0.56,*p<0.01)呈现正相关关系;草地面积主要影响滦河和子牙河的NPPr=0.36,*p<0.01和r=0.52,*p<0.01)。城镇建设用地主要影响ET,且不同子流域内二者的相关性不同。在滦河和永定河中,城镇建设用地面积与ET呈现负相关性(r= -0.55,*p<0.01和r= -0.47,*p<0.01),在潮白河和子牙河中呈现正相关性(r=0.62,*p<0.01和r=0.69,*p<0.01)。
Fig. 7 Correlation analysis of related indicators

图7 相关指标偏相关分析

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Table 2 Partial correlation analysis of correlation coefficient r among some indicators

表2 部分指标之间偏相关分析相关系数r

相关系数
r
温度-
NDVI
降雨-
NPP
降雨-
NDVI
径流-
降雨
温度-
ET
降雨-
ET
温度-
泥沙
耕地-
ET
林地-
ET
林地-
径流
林地-
泥沙
林地-
施肥量
林地-
降雨
滦河 0.058 0.18 0.15 0.66 0.38 0.13 0.12 0.53 -0.42 0.13 0.26 0.28 0.23
潮白河 0.4 0.2 0.44 0.79 0.4 0.18 0.076 0.46 -0.53 0.83 0.55 0.48 0.56
永定河 0.09 0.39 0.19 0.57 0.49 0.4 -0.34 0.4 -0.37 0.033 0.44 -0.51 0.26
大清河 0.62 0.34 0.09 0.53 0.53 0.12 -0.47 0.21 -0.11 0.68 0.29 -0.79 0.05
子牙河 0.72 0.23 0.33 0.52 0.67 0.23 -0.63 0.39 0.06 0.39 -0.92 0.94 0.14
南运河 0.13 0.28 0.022 0.48 0.23 0.08 0.14 0.62 -0.27 -0.04 0.15 -0.12 0.12

2.4 海河流域各要素之间的相互作用机制

利用结构方程模型分析海河流域各变量(ETNDVINPP、径流、泥沙、氮磷等)之间的直接和间接影响,研究结果表明模型很好地拟合了数据(图8),其中六个子流域卡方和RMSEA值如下所示,χ2=0.008,p=0.659,RMSEA=0.002,df=2(图8a);χ2=0.550,p=0.362,RMSEA=0,df=1(图8b);χ2=2.871,p=0.216,RMSEA=0.024,df=2(图8c);χ2=0.012,p=0.535,RMSEA=0.004,df=1(图8d);χ2=0.009,p=0.662,RMSEA=0.002,df=2(图8e);χ2=0.014,p=0.464,RMSEA=0.006,df=1(图8f)。海河流域六个子流域中,径流对泥沙和氮磷流失均存在直接影响。其中,径流对泥沙的直接影响系数在0.424~0.523(p<0.001),在滦河流域中直接影响最大,而永定河流域影响程度最小。相比较径流对泥沙的影响,氮磷流失受径流的直接影响较小,直接影响系数为0.143~0.477(p<0.001),在滦河氮磷流失受径流的影响最大,而在永定河和子牙河两者没有显著的直接影响。
Fig. 8 Direct and indirect effects between variables in the Haihe River Basin

图8 海河流域变量之间的直接和间接影响

注:图中实线和虚线箭头表示正负显著性水平,不显著性水平(p>0.05)路径被忽略。箭头的宽度表示关系的强度,箭头附近的数字是标准化路径系数,表示这些关系的影响大小。******分别代表0.05、0.01和0.001的显著性水平。

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温度对径流的直接影响系数介于-0.389~ -0.228之间(p<0.001),表明温度的升高直接导致径流的减少。六个子流域的降雨对径流的直接影响为0.362~0.566(p<0.001),表明降雨量增加会直接导致径流的增加。尽管温度和降雨对泥沙和氮磷流失不存在显著的直接影响,但通过对径流的直接影响而间接影响泥沙及氮磷流失。ET受到温度和降雨的直接影响,温度影响高达0.622(p<0.001)。ET也直接对径流产生影响(-0.496~-0.379,p<0.001),从而间接影响泥沙及氮磷流失。土地利用变化对径流、温度、ET等产生直接影响,不同子流域土地利用变化的影响不尽相同。城镇用地面积的增加直接导致温度和ET总体呈现升高趋势,其中城镇用地面积对温度的直接影响在永定河高达0.527(p<0.001)。而在大清河流域,虽然城镇用地面积对温度没有显著的直接影响,但是对流域径流及NDVI产生了显著的直接影响,直接影响系数为0.385(p<0.01)和0.362(p<0.01)。六个子流域中,NDVINPP都会产生显著的直接影响,影响程度最大的是滦河(0.534,p<0.001),最小的是子牙河(0.417,p<0.001)。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文利用Pearson偏相关分析和结构方程模型等方法,结合统计资料,分析了海河流域过去30年气候、土地利用、ETNDVINPP等变量的时空变化,并阐明影响海河流域六个子流域ET、径流、泥沙以及氮流失变化的主导因素。得到主要结论如下:
(1)土地利用、ETNPP变化:通过对各变量的空间格局分析可得,海河流域过去30年主要土地类型变化表现为耕地减少5712 km2,占耕地面积约4%;林地减少416 km2,占比约0.7%;草地减少195 km2,占比约3%;城镇建设用地增加6692 km2,占比约40%。其中耕地主要转换为城镇建设用地(5897 km2),林地主要转换为草地(671 km2),草地主要转换为耕地(425 km2)和城镇建设用地(391 km2)。过去30年ET平均值为360~1200 mm,总体呈现南高北低的分布。年平均值大的地区,ET减小幅度大;年均值小的地区,ET增加幅度大。过去30年NDVI平均值达到0.4~0.9,总体上呈现增加的趋势。由东向西递增,NDVI平均值较高的地区下降幅度较大;反之,平均值较小的地区,其下降幅度较小。NPP的年平均值为200~550 Pg C,总体呈现由北到南递增的趋势。
(2)不同要素间的相互关系:通过对各变量(ETNDVINPP、径流、泥沙、氮磷等)之间的偏相关分析表明,海河流域六个子流域变量之间存在着不同的相关性。六个子流域的ET与温度、NDVINPP均呈现显著正相关。潮白河和大清河的ETNPPNDVI均有显著相关性,同时,子牙河ETNDVI变化的影响最为显著,而南运河ETNPP的影响较为显著。降雨和温度的变化对径流均有一定的影响,且径流与降雨量均呈现显著正相关。除此之外,径流与土地利用的变化也存在一定关系:潮白河流域径流与林地面积呈现正相关,而与耕地面积呈现负相关。另外,泥沙在部分流域受土地利用变化影响较大:潮白河流域随着城镇用地面积的增加,泥沙量呈下降趋势;同时,子牙河流域的泥沙量会随着耕地和草地的增加而增加,但与城镇用地面积的变化相反。
(3)气候和土地利用变化与各要素间的相互作用机制:通过分析各变量(ETNDVINPP、径流、泥沙、氮磷等)之间的直接和间接影响表明,海河流域六个子流域径流与泥沙以及氮磷流失均存在直接影响。温度和降雨直接影响径流,从而间接影响泥沙以及氮磷流失;ET同时受到温度和降雨的直接影响;ET直接对径流产生影响,从而间接影响泥沙及氮磷流失;土地利用类型的变化也会对径流、温度、ET等产生直接影响,不同子流域土地利用变化的影响不尽相同,城镇用地面积的增加会直接导致温度和ET总体呈现升高趋势。
本文揭示了气候和土地利用变化对径流、泥沙及氮磷流失的影响机制,充分考虑不同流域的背景环境以及相互作用机制,对理解流域生态环境演变规律及其调控等方面提供了一定的科学依据。

3.2 讨论

3.2.1 气候和土地利用变化对ET、径流、泥沙以及氮磷流失的影响

近年来,水循环和水环境对气候变化和人类活动的响应被广泛关注[22]。前人采用多种方法,对气候变化情景下ET、径流、泥沙及氮磷流失的响应过程进行了大量研究[23,24]。已有研究表明,气候变化是影响流域水文过程的主要因素之一,其对水资源的影响主要体现在降水和温度的变化上[25]。其中,降水是导致产流、产沙以及水质发生变化的主要因素[26],而日最高温度的升高会通过增加ET,从而导致中国许多地区的径流呈现下降趋势[27]。本文的结果进一步证实前人的研究结果,即温度升高会降低流域的产流,进而增加流域的ET;而降雨量的增加也会增加流域的产流和ET。本文在此基础上,量化温度和降水对不同要素影响的相互作用机制,表明温度和降水在不同地区存在一定的交互影响(图8)。除上述温度和降水外,其他气象要素的变化也会对海河流域的ET、径流、泥沙和氮磷流失造成不可忽视的影响,如风速、大气亮度与浑浊度、净辐射通量以及相对湿度等[28]
土地利用变化作为人类活动的集中体现,能够直接反映人类活动对自然环境的影响,并影响着流域的水循环和水环境[29]。本文研究结果表明:人类活动加剧和城市化进程的加快,促进了城镇用地面积的增加(5712 km2的耕地转移为城镇建设用地),从而导致温度呈现升高趋势(图4图5图6),进而对流域的水资源及水环境产生影响。城市用地的扩张则会增强城市的热岛效应,从而影响流域的产流、产沙及水质[30]。虽然气候变化对产流、产沙及氮磷流失影响很大,且降水是影响径流的最重要的因子之一,但在长时间尺度上,降水对径流量的影响并不明显,而对径流影响最重要的因素是强人类活动的干扰[31]。这些结果表明:在长时间尺度上,人类活动导致的土地利用变化对产流、产沙以及水质的影响要强于气候变化的影响[32]。本文结果表明,在海河流域可持续发展中,通过协同与优化土地利用方式,尤其是人类活动的影响,能够有效地调控流域的生态环境。
ET在水循环和能量循环过程中起着极其重要的作用,而降水、气温等气象要素均对ET产生重要影响。本文发现,在永定河流域(图8c),ET与耕地用地面积呈负相关;而在大清河流域(图8d),ET受温度和降水的直接影响,温度和ET与径流呈负相关,而降雨量与径流呈正相关关系。上述结果表明,ET受到多种因素的共同作用,且不同子流域的ET会受到不同因素的影响,因此在探究ETNDVINPP、气候变化及土地利用变化的响应时,应充分考虑流域的背景环境。此外,自然景观转化为农业用地时,地表粗糙度、地表反照率和其他相关属性也会发生相应变化,进而改变不同季节的地表能量和净辐射[33] 。本文结果表明,ET与温度、降雨、城镇用地面积和NDVI呈正相关性,与径流呈负相关性(图8e),耕地面积的增加会导致产沙量增加。而在南运河流(图8f),ET则与林地面积和城镇用地呈负相关性,一方面由于南运河处于海河流域南部,ET受气温和降雨影响较大,共同驱动这一区域的ET时空演变,且流域ET空间强弱关系与海拔具有一定的联系。同时林木根系吸水的生理特性也会影响ET的空间变化。另一方面,海河流域正处于快速工业化阶段,流域内建设用地急剧增长,耕地面积迅速减少,由于这种土地利用格局的突出表现,导致土壤下渗量和下渗速度受到影响[34],从而影响ET的空间变化[35]。此外,城镇用地面积的增加会扩大城市的不透水面,增加流域的径流和NPP,从而进一步增加NDVI图7);而林地面积增加直接导致温度升高和ET增大。草地转化为裸地对能量平衡的影响最大,草地面积的增加会导致ET呈现下降趋势;而随着草地面积的减少,NDVINPP会呈现上升趋势。此外,ETNPP呈现显著的正相关关系,ET的增加会直接导致产流量的显著下降,从而间接减少泥沙和施肥量的损失。

3.2.2 不确定性分析

海河流域人口密集,大中型城市众多,在中国政治经济中占有重要地位。与此同时,水土流失、土地沙漠化、地下水超采、水污染等一系列生态环境问题也在加剧。本文利用Pearson偏相关分析和结构方程模型,对海河流域1985—2015年气候变化和土地利用变化对海河流域ET、径流、泥沙及氮磷流失的影响进行了研究。但还存在一些不足,特别是结构方程模型模拟过程中数据不足所带来的不确定性,需要进一步探讨。首先,由于人类活动和气候变化对当地水文条件的影响是复杂的,流域内的水库、大坝、灌区等水利工程对流域中下游的径流、泥沙以及氮磷流失有很大的影响,不同的人类活动可能会相互影响或相互抵消。例如,在海河流域,工业和生活用水占总用水的30%,但数据的获取存在一定的限制,本文未对这些影响进行评估。此外,南水北调工程的影响同样未被考虑在内。其次,在对ETNDVINPP、径流、泥沙、施肥量、温度、降雨、耕地、林地、草地和城镇建设用地等12个指标进行偏相关分析时,为了统一不同数据的时间尺度,本文将每五年的土地利用数据进行趋势分析转换为月尺度数据,气象数据的日尺度数据进行整合为月尺度数据,而后与径流、泥沙以及施肥量等数据进行相关性分析也可能会对分析结果造成一定影响。尽管在分析各变量之间的关系时,具有一定的不确定性,但对于探究水文循环和水环境变化对气候变化和人类活动变化的响应具有重要意义,能够为后续的研究提供一定的理论基础。

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Abstract
沙盖黄土坡面产流产沙方式独特,侵蚀过程复杂,量化降雨过程中该类坡面产流产沙变化影响因素贡献的大小对揭示其侵蚀机理具有重要的意义。基于室内模拟降雨试验,定量分析沙层厚度(2 cm、5 cm和10 cm)和粒径组成(100%粒径≤ 0.25 mm、75%粒径≤ 0.25 mm +25%粒径> 0.25 mm、50%粒径≤ 0.25 mm+50%粒径> 0.25 mm、未处理原沙和100%粒径> 0.25 mm)在降雨过程中对产流产沙变化的影响和贡献。结果显示:沙层厚度增加能明显延长产流时间,减少总产流量,增加总产沙量,增大降雨过程中产流产沙的变异性;随沙层粒径组成变粗,初始产流时间和产沙量无明显变化规律,产流量有增大趋势。沙层厚度、粒径组成及二者交互作用对初始产流时间变化的贡献率分别为68.03%、15.77%和3.85%。沙层厚度对降雨不同时段15 min产流量和不同历时总产流量的贡献率分别在23.89%~52.22%和41.10%~48.94%之间,对相应产沙的贡献率分别在29.19%~62.01%和13.53%~30.31%之间。整体上沙层粒径组成变化对产流产沙量变化的贡献率小于沙层厚度,且无明显规律。沙层厚度和粒径组成交互作用对产流量和降雨中前期产沙量的影响显著(p
[CAO X J, XIE L Y, ZHANG F B, et al. Quantifying the contributions of sand layer characteristic to variations of runoff and sediment yields from sand-covered loess slopes during simulated rainfall. Acta Geographica Sinica, 2019, 74(5): 962-974.]
<p id="C3">Loess slopes covered with aeolian sand are unique geomorphic features in the wind-water erosion crisscross region on the Chinese Loess Plateau. On these loess slopes, runoff and sediment production patterns are unique and complex and the thickness of covering sand and its interaction with other factors may largely interfere soil erosional responses. Therefore, quantifying the variations of runoff and sediment yields and assessing the possible factors are of great importance to understand the erosion mechanism in such unique landscapes. To quantify the effects of sand layer thickness and sand size composition on runoff generation and sediment yield, sand-covered loess slopes with 15° were subject to simulated rainfall events (intensity 1.5 mm/min) in this study. Sand layers of three different thicknesses, 2 cm, 5 cm and 10 cm, were respectively placed on loess surface. For each sand thickness, there were five kinds of compositions, i.e. 100% sand diameter ≤ 0.25 mm, 75% sand diameter ≤ 0.25 mm + 25% sand diameter > 0.25 mm, 50% sand diameter ≤ 0.25 mm + 50% sand diameter > 0.25 mm, untreated sand, and 100% sand diameter > 0.25 mm. Our results show that as sand thickness increased, it prolonged initiation time of runoff, reduced runoff yield, increased sediment yield and enhanced the variability in runoff and soil loss rates during rainfall. Our findings also indicate that with coarser sand, the total runoff loss tended to increase even though the initiation time of runoff and sediment yield was not obviously changed. The sand layer thickness, sand size composition, and their interactions respectively contributed 68.03%, 15.77%, and 3.85% to the variation of initiation time of runoff (<i>p </i>< 0.05), respectively. For the runoff production, the sand layer thickness can explain 23.89% to 52.22% of the variation of runoff rates during a 15-min rainfall sub-rainfall, and 41.10% to 48.94% of total runoff loss for different rainfall durations. For the sediment production, the sand layer thickness can explain 29.19% to 62.01% of the variation of soil loss rates during a 15-min rainfall sub-rainfall, and 13.53% to 30.31% the total sediment yield for different rainfall durations. Moreover, the sand size composition had less impact on runoff and sediment yields than the thickness of the sand layers. Their combined effects were significant during the early and intermediate stages (<i>p </i>< 0.05), and contributed to 13.12%-26.62% of runoff loss and 3.22%-43.12% of sediment yield. Overall our observations suggest that runoff and sediment generation on sand-covered loess slopes were mainly affected by the sand layer thickness rather than sand size composition, and their combined effects also varied as erosion proceeded.</p>
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马恩朴, 蔡建明, 林静, 等. 近30年中国农业源氮磷排放的格局特征与水环境影响. 自然资源学报, 2021, 36(3): 752-770.
Abstract
揭示农业源氮磷排放的空间格局、变化特征及其与水环境状况的关系,对于农业面源污染治理投入的合理配置以及区域农业生产结构优化均至关重要。基于这种认识,建立参数化估算模型测算了1990—2017年中国省域尺度的农业源氮磷排放;从总排放量、单位面积排放量和排放重心迁移三个方面研究农业源氮磷排放的变化特征,并通过相关分析与回归分析揭示农业源氮磷排放与水环境状况的关系。研究发现:1990—2017年中国农业源氮磷排放整体上呈随机分布,表明氮磷排放在省际之间并无显著的相互依赖性,主要受省内因素影响。研究期内年均氮磷总排放量最高的省份依次是河南、山东、四川、湖北、河北、安徽和江苏省,格局特征相对稳定但排放重心经历了东西向的往复式转移并具有北偏西方向的总体转移趋势,其中,氮、磷排放的重心分别向北偏西33.52°和15.45°方向转移了33.94 km及52.31 km。在格局研究基础上,结合空间维的格局特征和时间维的变化特征,将31个省份的氮磷排放划分为高排放增长型、高排放平稳型、高排放倒“U”型、中排放增长型、中排放倒“U”型、低排放增长型、低排放倒“U”型和低排放近似“U”型八类,并利用2017年的自动监测站水质数据进一步验证了氮磷排放与水环境状况的关系。研究结果可作为农业面源污染治理中重点区域瞄准的依据。
[MA E P, CAI J M, LIN J, et al. Spatial pattern and water environmental impact of nitrogen and phosphorus emissions from agricultural sources in China in recent 30 years. Journal of Natural Resources, 2021, 36(3): 752-770.]
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刘剑宇, 张强, 陈喜, 等. 气候变化和人类活动对中国地表水文过程影响定量研究. 地理学报, 2016, 71(11): 1875-1885.
Abstract
利用中国372个水文站月径流数据(1960-2000年)及41个水文站年径流数据(2001-2014年),采用基于Budyko假设的水热耦合平衡方程,构建气候变化和人类活动对径流变化影响定量评估模型,在Penman-Monteith潜在蒸发分析基础上,进一步分析气象因子对径流变化的弹性系数,量化气候变化和人类活动对径流变化的影响。结果表明:① 中国北方地区流域径流变化对各气象因子弹性系数明显大于中国南方地区。就全国而言,径流变化对各因子的弹性系数为:降水>土地利用/土地覆盖变化(LUCC)>相对湿度>太阳辐射>最高气温>风速>最低气温;② 1980-2000年,气候变化总体上有利于增加中国年径流量,而降水对年径流量增加的贡献最为显著;③ 1980-2000年,中国南方流域中,气候变化对年径流变化的影响以增加作用为主,而北方流域,以减少年径流作用为主。对中国大多数流域径流变化而言,人类活动的影响主要以减少年径流量为主。2001-2014年,气候变化以减少径流量为主,人类活动对径流变化的影响程度明显增强,气候变化与人类活动对径流变化的贡献率分别为53.5%、46.5%。该研究对气候变化与人类活动影响下,中国水资源规划管理、防灾减灾及保障水资源安全具有重要理论与现实意义。
[LIU J Y, ZHANG Q, CHEN X, et al. Quantitative evaluations of human- and climate-inducedimpacts on hydrological processes of China. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(11): 1875-1885.]

Based on monthly streamflow data from 372 stations covering the period 1960-2000 and the monthly streamflow data from 41 stations covering the period 2001-2014 across China, human- and climate-induced impacts on hydrological processes were quantified for 10 river basins in China based on development of Budyko-based coupled water-energy balance model. Penman-Monteith potential evapotranspiration model was used to analyze evapotranspiration processes. Besides, elasticity coefficient was also quantified for the impacts of meteorological variables on streamflow changes. The results indicated that: (1) Compared to southern China, streamflow changes are more sensitive to climate changes and human activities in northern China. Generally, relative humidity changes have positive impacts on streamflow changes. However, the maximum temperature, minimum temperature, solar radiation, wind speed and LUCC changes tend to go against streamflow changes. The elasticity coefficients of streamflow changes for meteorological variables are: precipitation > LUCC > relative humidity > solar radiation > maximum temperature > wind speed > minimum temperature; (2) Climate changes during 1980-2000 generally help to increase annual streamflow, and the increase of streamflow by precipitation changes is most evident, and the increase of streamflow depth reaches 12.1 mm. However, impacts of meteorological variables on streamflow changes are shifting from one river basin to another, e.g. the maximum temperature and relative humidity help to increase streamflow in northern China but decrease streamflow magnitude in southern China; (3) In general, human activities tend to decrease streamflow. Changes of streamflow in the Yangtze, Songhua, Northwest, and Southeast river basins are 78.7%, 76.9%, 65.7%, and 84.2%, respectively, which can be attributed to climate changes. However, human activities play a dominant role in modifications of streamflow changes, such as Pearl River basin, Huaihe River basin, Haihe River basin, Yellow River basin, Liaohe River basin and southwest river basins, with fractional contribution being 59.4%, 77.3%, 66.2%, 69.7%, 75.3%, and 70.4%, respectively. Generally, the fraction of human activities and climate changes to streamflow changes in the river basins across China can reach 71.0% and 29.0% respectively in river basins, where climate changes play a dominant role in streamflow changes. The results of this study can be helpful to human mitigation to climate changes in terms of water resources management.

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李晓蕾, 王卫光, 张淑林, 等. 基于CMIP6多模式的长江流域未来降水变化趋势分析. 中国农村水利水电, 2022, (3): 1-7.
Abstract
伴随全球气候持续增暖,长江流域生态环境和水资源极易受到影响,对该地区的未来降水变化趋势进行分析研究,可为长江流域水资源管理和生态保护提供理论依据。基于偏差校正后的第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)13个全球气候模式输出的降水数据以及观测降水数据,评估了1995-2014年气候模式在长江流域的降水模拟能力,并且对4个SSP情景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5)下长江流域2021-2040年(近期)、2041-2070年(中期)以及2071-2100年(末期)的降水时空变化趋势进行分析。结果表明:①偏差校正后的模式数据在时空尺度上能很好地模拟出长江流域降水的特点,与观测值较为接近;②未来情景下长江流域年降水量随着辐射强迫水平的上升,增加趋势越大。相对于历史时期(1995-2014年),各情景下流域年降水在近期的增长都比较平缓,在末期降水增幅最大。季节降水总体表现为冬季变化率最大,春夏季降水增幅较平缓,秋季除了SSP3-7.0情景下前期的降水变化率为负值,其他情景和时段下都以较低的变化率缓慢增长。③空间上,年降水变化率较大的区域集中在降水相对较少的长江源区和中上游地区;春季降水变化率高值中心在源头区和中上游北部地区,而在流域的南部地区降水变化率较低;夏季和秋季的降水增量偏低,在中上游北部地区近期和中期降水量都较历史时期的有所下降;在冬季,全流域的降水都有增加,表现为长江流域北部地区降水变化率最大,南部地区变化率偏小。
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Droughts that exceed the magnitudes of historical variation ranges could occur increasingly frequently under future climate conditions. However, the time of the emergence of unprecedented drought conditions under climate change has rarely been examined. Here, using multimodel hydrological simulations, we investigate the changes in the frequency of hydrological drought (defined as abnormally low river discharge) under high and low greenhouse gas concentration scenarios and existing water resource management measures and estimate the time of the first emergence of unprecedented regional drought conditions centered on the low-flow season. The times are detected for several subcontinental-scale regions, and three regions, namely, Southwestern South America, Mediterranean Europe, and Northern Africa, exhibit particularly robust results under the high-emission scenario. These three regions are expected to confront unprecedented conditions within the next 30 years with a high likelihood regardless of the emission scenarios. In addition, the results obtained herein demonstrate the benefits of the lower-emission pathway in reducing the likelihood of emergence. The Paris Agreement goals are shown to be effective in reducing the likelihood to the unlikely level in most regions. However, appropriate and prior adaptation measures are considered indispensable when facing unprecedented drought conditions. The results of this study underscore the importance of improving drought preparedness within the considered time horizons.© 2022. The Author(s).
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刘晓燕, 党素珍, 刘昌明. 天桥泉域与黄河河段的补径排关系变化及其对河川径流的影响. 地理学报, 2016, 71(1): 66-74.
Abstract
1973年以来,黄河中游河口镇至吴堡之间未控区的实测径流量大幅减少,甚至1/4年份出现负值;基于1956-1972年的降雨--径流关系,1973-2014年降雨条件的径流量偏少84%.分析认为,1973年以后,黄河该河段干流水库蓄水运行导致天桥泉域与黄河之间的补径排关系发生了变化,此变化不仅大幅减少了左岸泉水对黄河的补给量,而且增加了黄河向右岸岩溶含水层的渗漏量,是河口镇至吴堡之间未控区的实测径流大幅偏少的主要原因.本文通过不同时期的降雨径流关系对比,以及林草植被,梯田,用水和坝库水面蒸发等其他下垫面因素减水作用分析,推算出因泉水--河水补给关系变化而产生的黄河径流减少量,平均每年约6~8亿m<sup>3</sup>.
[LIU X Y, DANG S Z, LIU C M. Change of the relationship between recharge, runoff and drainage of groundwater in Tianqiao Spring Region and Yellow River Reach and its impact on runoff. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(1): 66-74.]

Since 1973, the observed runoff of the uncontrolled areas of the section between Hekouzhen and Wubao of the Yellow River has remarkably decreased, or even, it had been dried up for a quarter of the years; based on the rainfall-runoff relationship between 1956 to 1972, the observed runoff decreased by 84% under the rainfall condition from 1973 to 2014. In this paper, the analysis results showed that the relationship between recharge, runoff and drainage of groundwater and in the Tianqiao spring region of the Yellow River has changed because of reservoir operation along the main stream of this section. This not only significantly reduced the spring recharge into the Yellow River on the left bank, but also increased the amount of leakage to the karst aquifer on the right bank. It is the main reason for the remarkable observed runoff reduction of the uncontrolled areas of section between Hekouzhen and Wubao of the Yellow River. In comparison of rainfall-runoff relationships in different periods, and analysis of water reducing effect of other underlying factors, such as vegetation, terraces and surface water evaporation of dams, the calculation results showed that changes of the recharge relationship between spring water and runoff resulted in runoff reduction of about 600-800 million m3 per year on average in the Yellow River.

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Abstract
从黄土高原不同地貌区降雨产流机制入手,分析了林草植被影响流域水循环的可能环节;利用20世纪70年代以来不同时期的土地利用和植被盖度解译成果,以及同期实测的降雨和径流数据、供用水数据等,引入林草植被覆盖率、径流系数、产洪系数和基流系数等概念,从流域尺度上构建了林草植被覆盖率与河川径流的定量响应关系,结果发现,在半湿润或半干旱的黄土区,径流系数和产洪系数都将随林草植被的改善而减少,气候越干旱、径流或洪量减少越多;与同气候带的黄土区相比,盖沙黄土区林草植被改善所导致的减水量更大。不过,当林草植被覆盖率大于60%后,产洪系数变化减缓;最终河川径流将稳定在大于基流的某阈值附近。
[LIU X Y, LIU C M, YANG S T, et al. Influences of shrubs-herbs-arbor vegetation coverage on the runoff based on the remote sensing data in Loess Plateau. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(11): 1595-1603.]

The impact of vegetation coverage on flood or runoff yield in the Loess Plateau has been extensively studied, but the research has been primarily based on observations from slope runoff plots or secondary forest regions. This paper is based on vegetation information from remote sensing images, measured rainfall and runoff data and water consumed from the related basin in Loess Plateau over nearly 50 years. By introducing the concepts of runoff yield coefficient, flood yield coefficient, base flow yield coefficient, and the percentage of effective vegetation, we proposed the quantitative relation between vegetation coverage extracted from remote sensing images and runoff yield at the watershed scale. The response relations reveal that the runoff yield and flood volume will decrease with the increase of shrubs-herbs-arbor vegetation, especially in the dryer region, and the reduction of the runoff in sand-covered loess region is even more than that in the loess region with similar climate. But the flood volume will be kept at a stable level, when the percentage of effective vegetation is larger than 60%. The river's runoff will be stable at a threshold, which is more than its base-flow at last, with a further increase of vegetation.

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This study quantified the hydrological responses to land-use change scenarios in the upper and middle Heihe River basin (HRB), northwest China, under constant and changed climatic conditions by combining a land-use/cover change model (dynamic conversion of land use and its effects, Dyna-CLUE) and a hydrological model (soil and water assessment tool, SWAT). Five land-use change scenarios, i.e., historical trend (HT), ecological protection (EP), strict ecological protection (SEP), economic development (ED), and rapid economic development (RED) scenarios, were established. Under constant climatic condition, hydrological variations are only induced by land-use changes in different scenarios. The changes in mean streamflow at the outlets of the upper and the middle HRB are not pronounced, although the different scenarios produce different outcomes. However, more pronounced changes are observed on a subbasin level. The frequency of extreme flood is projected to decrease under the SEP scenario, while under the other scenarios, no changes can be found. Two emission scenarios (A1B and B1) of three general circulation models (HadCM3, CGCM3, and CCSM3) were employed to generate future possible climatic conditions. Under changed climatic condition, hydrological variations are induced by the combination of land-use and climatic changes. The results indicate that the impacts of land-use changes become secondary when the changed climatic conditions have been considered. The frequencies of extreme flood and drought are projected to decrease and increase, respectively, under all climate scenarios. Although some agreements can be reached, pronounced difference of hydrological responses can be observed for different climate scenarios of different GCMs.
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[CHEN L, DONG X H, LI Y H, et al. Hydrological response to climate change in the East Branch of Huangbaihe River based on SWAT model. Journal of Three Gorges University: Natural Sciences, 2019, 41(2): 1-5.]
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田晶, 郭生练, 刘德地, 等. 气候与土地利用变化对汉江流域径流的影响. 地理学报, 2020, 75(11): 2307-2318.
Abstract
作为联结大气圈和地圈的纽带,水文循环同时承受气候变化和土地利用/覆被变化(LUCC)的双重影响,然而大多数的水文响应研究主要关注未来气候变化对径流的影响,忽略了未来LUCC的作用。因此,本文的研究目的是评估未来气候变化和LUCC对径流的共同影响。首先采用2种全球气候模式(BCC-CSM1.1和BNU-ESM)输出,基于DBC降尺度模型得到未来气候变化情景;然后,利用CA-Markov模型预测未来LUCC情景;最后,通过设置不同的气候和LUCC情景组合,采用SWAT模型模拟汉江流域的未来径流过程,定量评估气候变化和LUCC对径流的影响。结果表明:① 未来时期汉江流域的年降水量、日最高、最低气温相较于基准期(1966—2005年),在RCP 4.5和RCP 8.5浓度路径下,分别增加4.0%、1.8 ℃、1.6 ℃和3.7%、2.5 ℃、2.3 ℃;② 2010—2050年间,流域内林地和建设用地的面积占比将分别增加2.8%和1.2%,而耕地和草地面积占比将分别减少1.5%和2.5%;③ 与单一气候变化或LUCC情景相比,气候变化和LUCC共同影响下的径流变化幅度最大,在RCP 4.5和RCP 8.5浓度路径下未来时期年平均径流分别增加5.10%、2.67%,且气候变化对径流的影响显著大于LUCC。本文的研究结果将有助于维护未来气候变化和LUCC共同影响下汉江流域的水资源规划与管理。
[TIAN J, GUO S L, LIU D D, et al. Impacts of climate and land use/cover changes on runoff in the Hanjiang River Basin. Acta Geographica Sinica, 2020, 75(11): 2307-2318.]

As a link between the atmosphere and the geosphere, the hydrological cycle is affected by both climate change and Land Use/Cover Change (LUCC). However, most existing research on runoff response focused mainly on the impact of the projected climate variation, neglecting the influence of future LUCC variability. Therefore, the objective of this study is to examine the co-impacts of both projected climate change and LUCC on runoff generation. Firstly, the future climate scenarios under BCC-CSM1.1 and BNU-ESM are both downscaled and corrected by the Daily Bias Correction (DBC) model. Secondly, the LUCC scenarios are predicted based on the Cellular Automaton-Markov (CA-Markov) model. Finally, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model is used to simulate the hydrological process under different combinations of climate and LUCC scenarios, with the attempt to quantitatively evaluate the impacts of climate change and LUCC on runoff generation. In this study, the Hanjiang River basin is used as the case study area. The results show that: (1) compared with the base period (1966-2005), the annual rainfall, daily maximum and minimum air temperatures during 2021-2060 will have an increase of 4.0%, 1.8 ℃, 1.6 ℃ in RCP4.5 scenario, respectively, while 3.7%, 2.5 ℃, 2.3 ℃ in RCP8.5 scenario, respectively. (2) During 2010-2050, the area proportions of forest land and construction land in the study area will increase by 2.8% and 1.2%, respectively, while those of farmland and grassland will decrease by 1.5% and 2.5%, respectively. (3) Compared with the single climate change or LUCC scenario, the variation range of future runoff under both climate and LUCC is the largest, and the influence of climate change on future runoff is significantly greater than that of LUCC. This study is helpful to maintain the future water resources planning and management of the Hanjiang River basin under future climate and LUCC scenarios.

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杨泽龙, 李艳忠, 梁康, 等. 植被恢复背景下黄河中游及6个典型流域蒸散发及其组分变化格局. 自然资源学报, 2022, 37(3): 816-828.
Abstract
植被变化可通过改变下垫面条件的方式,调节植被蒸腾与土壤蒸发的分配比例,进而影响区域乃至全球水循环过程。自20世纪90年代以来,我国开展了大规模的植被恢复工程,全国植被覆盖度得到了极大提高,其中尤以黄河中游最为显著。以黄河中游6个典型植被恢复流域为研究对象,利用PML_V2模型和水文气象数据,验证了该模型模拟植被快速变化环境下的蒸散性能,并分析了2003&#x02014;2018年间植被恢复工程背景下,黄河中游蒸散发(ET)及其组分(植被蒸腾Ec,截留蒸发Ei,土壤蒸发Es)的时空变化格局。结果表明:(1)对比流域水量平衡ET与PML模型结果,发现该模型在黄河中游具有较好的适用性(NSE &gt;0.6)。(2)Ec对ET的分布格局起着主导作用,蒸散发及其组分的空间格局由夏季风作用下的植被空间分布所控制。Ec与ET的空间分布格局较为相似,Es与其相反。ET、Ec、Ei均呈显著增加趋势,Es则呈显著减小趋势,尤以流域中下游最为明显。(3)植被恢复背景下,黄河中游典型流域的蒸散发及其组分发生了明显的变化。相较于所在流域,流域中植被恢复区ET、Ec、Es、Ei分别偏高2.20%、5.86%、0.86%、7.44%,速率分别偏高-0.51 mm/a、0.55 mm/a、-1.11 mm/a、0.05 mm/a。
[YANG Z L, LI Y Z, LIANG K, et al. Variation patterns of evapotranspiration and its components in the Middle Yellow River and six typical basins under the background of vegetation restoration. Journal of Natural Resources, 2022, 37(3): 816-828.]
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吴立钰, 张璇, 李冲, 等. 气候变化和人类活动对伊逊河流域径流变化的影响. 自然资源学报, 2020, 35(7): 1744-1756.
Abstract
借助Mann-Kendall趋势检验和突变检验对气象水文序列进行一致性分析,划分基准期(1961&#x02014;1979年)和影响期(① 1980&#x02014;1989年、② 1990&#x02014;1999年、③ 2000&#x02014;2016年),利用基准期校准的可变下渗容量(VIC)模型,采用步进式方法,探究气候变化和人类活动对伊逊河流域径流变化的波动影响过程。结果表明:研究区近56年年均气温显著升高,年降水量无明显变化趋势,流域年径流量下降趋势明显,季节尺度上流域非汛期降水量增加显著。气候变化和人类活动均会对径流产生显著影响且作用机理复杂,步进式方法对影响机理的研究较传统方法更能体现其变化过程;在降水丰沛的影响 ② 期,冬季降水量增加会显著增加流域径流量,而在降水略少的影响 ① 期和 ③ 期,蒸发量增加以及土壤含水量降低使得流域径流减少;人类活动耗水在影响 ① 期和 ③ 期引起流域径流减少并且影响作用逐渐增强,影响 ② 期由于城镇化和耕地扩张使得流域产流能力增强导致径流增加。深入研究气候变化和人类活动对径流的影响机制,可为流域水资源管理和规划提供理论依据。
[WU L Y, ZHANG X, LI C, et al. Impacts of climate change and human activities on runoff variations in Yixun River Basin. Journal of Natural Resources, 2020, 35(7): 1744-1756.]
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