马莲河流域干燥度变化特征

车向军 韩世昌 赵振昌 邱宁刚

摘要[目的]研究马莲河流域干燥度变化特征。[方法]利用马莲河流域7个气象站1961—2015年地面观测资料，根据Holdridge生命地带模型对近55年来马莲河流域的干燥度变化特征进行了分析。[结果]近55年来马莲河流域内可能蒸散率（PER）以0.01～0.07/10 a的趋势上升，地区差异明显。马莲河流域PER 20世纪90年代出现了最大值，比20世纪60年代平均增大了0.36，为干旱最频繁发生时段。马莲河流域降水量呈减少趋势，减幅为1.3～13.9 mm/10 a，其中上中游降水量减少最为明显；年生物温度升高，增加趋势为0.13～0.29 ℃/10 a，下游地区年生物温度升高最为明显。[结论]马莲河流域出现了明显的暖干化趋势，对农业生产、经济社会发展的不利影响将更加显著。

关键词 干燥度；变化特征；Holdridge生命地带；马莲河流域

中图分类号S161.4文献标识码A文章编号0517-6611（2017）11-0168-03

Abstract[Objective] The research aimed to study the variation characteristic of aridity index in Malian River Basin. [Method] Using the surface meteorological observed data in seven climate stations in Malian River Basin during 1961-2015，according to the Holdridge life zone model analyzed the variation characteristic of aridity index in Malian River Basin in recent 55 years.[Result]The possible evapotranspiration rate （PER） was increasing by the tendency of 0.01 to 0.07 /10 a in the Malian River Basin in recent 55 years，and the regional differences were significant.The maximum value of PER in Malian River basin was in 1990s，the average increased by 0.36 than in 1960s，which was the most frequent occurrence of drought.The precipitation of Malian River Basin showed a decreasing trend，it was 13.3 to 13.9 mm/10 a，the precipitation reduction of the upper and middle reaches was the most obvious. Annual biological temperature was increased，the increasing trend was 0.13 to 029 ℃/10 a，the annual biological temperature increase was the most obvious in the downstream area.[Conclusion] Malianhe River Basin has a significant warm-drying trend，the adverse effects of agricultural production，economic and social development will be more significant.

Key wordsArid index； Variation characteristic；Holdridge life zone； Malian River Basin

干旱是我國主要的气象灾害之一，对农牧业、粮食安全、水资源及生态环境有重要的影响[1-3]。近年来，受全球气候变暖影响，干旱呈频发态势，持续时间长、灾害严重、影响范围广。据《中国水旱灾害公报》公布的数据，1950—2007年全国农业平均每年因旱受灾2 173.33万hm2，年均因旱损失粮食158亿kg，占各种自然灾害造成粮食损失的60%以上[4]。干旱未来必将对我国经济发展造成更为不利的影响。

马莲河流域位于陇东黄土高原、泾河流域东北部，是黄土高原最具代表性区域，是鄂尔多斯能源基地的重要组成部分。马莲河是泾河最大的一级支流，流经宁夏、甘肃、陕西三省（区），全长375 km。马莲河是庆阳境内最大的一条河流，流域面积1.9万km2，地形复杂，支流众多。为了有效改善生态环境、减少黄河输沙量、破解革命老区水资源瓶颈制约，马莲河水利枢纽工程已被列入国家重点支持的172项重大水利项目之一。有研究表明，由于气候变化及人类活动影响，马莲河流域是黄土高原水土流失最严重的地区之一，生态环境恶化，流域植被覆盖出现退化[5-6]。受全球气候变化影响，黄土高原暖干化趋势显著，水资源日益短缺，已威胁到该区的农业生产及退耕还林还草等生态建设[7-9]。因此，研究马莲河流域气候干湿变化，对合理利用、调配马莲河水资源、沿河地区农业生产的高效开展及保护马莲河流域生态环境具有十分重要的意义。笔者利用马莲河流域7个气象站1961—2015年地面观测资料，根据Holdridge生命地带模型对近55年来马莲河流域的干燥度变化特征进行了分析。

1资料与方法

1.1资料选取与分析方法利用马莲河流域盐池、环县、庆城、华池、合水、宁县、正宁等1961—2015年的气温、降水量、相对湿度等地面观测气象资料，采用趋势分析、小波分析及Mann-Kendall突变分析[10]等方法，对近55年来马莲河流域干湿变化进行分析。

1.2可能蒸散率（PER）计算Holdridge生命地带既指示着一定的植被类型，又反映着产生该类型的热量与降水的一定数值幅度[11-12]。Holdridge生命地带模型以年生物温度（BT）、年平均降水量（AAP）和可能蒸散率（PER）3个气候指标为主要参数[13]。BT、AAP和PER在Holdridge坐标系中的组合构成了36个正六边形和39种生命地带。

生物温度是出现植物营养生长范围内的平均温度，一般认为在0～30 ℃，日平均温度（ti）低于0 ℃或高于30 ℃均排除在外，超过30 ℃的平均温度均按30 ℃计算，低于0 ℃的均按0 ℃计算[14]。计算公式为：

BT=112121i=1ti （1）

式中，t为大于0 ℃的月平均温度，当t≥30 ℃时，取t=30；当t≤0 ℃时，取t=0。

PER是一种干燥度指数，是可能蒸散量（PE）與年降水量的比率。计算公式为：

PE=58.93BT（2）

PER=58.93BT/AAP （3）

定义：PER值 0.12～0.25的地区为超湿润区，0.25～0.50为极湿润区， 0.50～1.00为湿润区，1.00～2.00为亚湿润区，2.00～4.00为半干旱区，4.00～8.00为干旱区，8.00～16.00为极干旱区，16.00～32.00为超干旱区。因此，PER 值愈大，表明研究区域愈干燥，植被愈趋于干旱化[15]。

2结果与分析

2.1马莲河流域PER的变化特征马莲河流域北部为干旱气候，中南部为半湿润、半干旱气候，PER的变化受气候条件影响较大。马莲河流域PER具有明显的地区差异，分布特征是北部大南部小、由北部向南部递减。全流域PER多年平均为1.31，除发源地盐池外，其他地区的年平均PER在1.50以下，下游正宁为0.95。

近55年来，马莲河流域PER呈上升趋势，以中上游的环县、华池和庆城上升明显，而发源地盐池的干燥度较为稳定。为了对马莲河流域各地区的干燥度变化进行有针对性的分析，选取环县代表上游地区，庆城代表中游地区，正宁代表下游地区，分别进行分析。由图1可知，环县、庆城、正宁的PER均呈现波动上升趋势，升幅从大到小依次为环县、庆城、正宁，表明马莲河流域上游干燥化趋势较为明显，中游次之，下游变化趋势较为缓慢。从年际变化来看，环县、庆城的PER变化趋势基本相同，20世纪60年代上升趋势明显，由湿润区过渡为亚湿润区；70年代—90年代中期波动变化，环县个别年份为半干旱区；90年代末期到目前出现了2个小周期的下降趋势。环县的波动范围最大，最大值出现在2006年，庆城的最大值出现在1995年。正宁20世纪60—90年代表现为缓慢的上升趋势，并于1995年达到最大值，之后逐渐下降，波动范围较小。

因此，马莲河流域暖干化较为明显，已经对当地的生态环境造成了很大的不利影响。上游地区林地退化、土地沙漠化发展速度较快，中下游地区受干旱影响风险增大，对粮食安全生产及特色农业的发展形成了制约。

马莲河流域PER的年代际波动上升变化特征明显（表1），变干化趋势较为显著，其中上游地区最为突出，差值为0.52；上游地区和中游地区仍为亚湿润区，但存在平稳增大趋势；下游20世纪90年代为转折期，由湿润区转为亚湿润区，但最近5年为湿润区。总体来看，马莲河流域PER 20世纪90年代出现了最大值，环县、庆城、正宁90年代PER比60年代分别高0.52、0.35、0.20，2001—2010年PER值仍较大。

2.2马莲河流域PER的周期变化从图2可看出，正宁PER以4年的振荡周期为主，周期性变化较为明显，在20世纪90年代前经历了由湿到干的转变过程，90年代后出现了一个明显的调整，目前处于较湿时段；庆城PER以4年振荡周期为主、9年振荡周期为辅，进入21世纪后调整明显，目前短周期变化尚未形成；近55年来环县PER无明显的周期性变化。庆城、环县目前均处于较干燥时段中。

2.3马莲河流域PER的突变分析由于地形及气候变化因素影响，马莲河流域PER的变化各有特点，上游环县地区及中游庆城地区自20世纪60年代中后期干燥度上升，至21世纪初数值一直较大，下游正宁地区20世纪80年代以前呈上升态势，80年代后及21世纪初下降明显。根据原序列与逆序列曲线的交点位置（图3），确定环县在1968年发生了突变，庆城在1969年发生了突变，正宁在1971年发生了突变，下游晚于上、中游，上、中游的变干趋势更为明显。总体来看，马莲河流域在向暖干化方向发展。

2.4马莲河流域暖干化的主要原因分析

2.4.1降水量。近55年来马莲河流域的降水量除合水呈略增加趋势以外，其余大部分地方均呈减少趋势，尤其以上游的环县、中游的庆城减少最为突出，减少趋势分别为10.6、13.9 mm/10 a。

2.4.2年生物温度。近55年来马莲河流域的年生物温度呈明显的上升趋势，上升趋势达0.13～0.29 ℃/10 a，升温最显著的地区为下游的宁县、正宁，均超过了0.24 ℃/10 a。突变分析表明，马莲河流域年生物温度在20世纪90年代出现升高突变，突变时间与全国年平均气温在1993年后明显变暖相一致[16]，但升温幅度较为显著。

3结论

（1）在全球气候变暖的背景下，近55年来马莲河流域PER的上升趋势为0.01～0.07/10 a，中上游PER上升明显，发源地为干旱化沙漠地区，干燥度较为稳定。全流域各地PER的差异明显，其分布特征是北部地区大、南部地区小，由北向南递减。

（2）近55年来马莲河流域降水偏少，减少趋势为1.3～13.9 mm/10 a，其中上中游降水量减少最为明显；年生物温度升高，增加趋势为0.13～0.29 ℃/10 a，其中下游地区年生物温度升高最为明显。降水偏少、年生物温度升高是马莲河流域暖干化的主要原因。

（3）马莲河流域上中游干燥化趋势最为明显，由湿润区过渡为亚湿润区，环县个别年份为半干旱区，表明马莲河流域上中游黄土高原丘陵沟壑区水资源短缺，干旱呈频发态势，沙漠化特征逐步显现，生态环境持续恶化，对农业生产的不利影响日益加重，社会经济可持续发展受到制约。

（4）总体来看，受全球气候变暖影响，马莲河流域干燥度呈增加态势，尤其中上游干燥度增加更为显著，干旱的发生将更为频繁。由于生态环境的脆弱性及复杂性，未来气候变化对社会经济建设及农业经济发展的不利影响将更为显著，各級政府在经济发展规划及资源环境保护、农业生产布局、退耕还林还草、新农村建设等重大决策中应引起高度重视。

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