环境变化下农牧交错带内陆河流域水沙过程演变及影响因素研究

《Ecological Indicators》：Examination of the evolution and influencing factors of flow and sediment processes in an inland river basin of agro-pastoral ecotone amidst environmental changes

　　

阐明水沙过程（FSP）的时空动态及其主要控制因素对于农牧交错带内陆河流域（IRB-APE）可持续水土资源管理至关重要。本研究通过采用时间分段动态参数调整策略改进了土壤和水评估工具（SWAT），以模拟中国北部塔布河流域在不同辐射强迫情景下的径流和泥沙动态。该模型在基准期（1982–2000）和变化期（2001?2023）均表现出稳健性能（R² > 0.83，NSE > 0.83，|Re| < 16%）。在2001–2023年期间，径流和输沙率分别下降了0.19 m³/s和0.26 kg/s，这归因于土壤干旱加剧和植被恢复。在未来情景（2030?2100）下，径流表现出差异响应：在SSP126/SSP245下趋势不显著，但在SSP370/SSP585下显著增加（P < 0.01），且在所有时间范围内SSP585下的年径流始终最高。这种差异源于高辐射强迫下显著变暖和降水增强的复合效应，加速了土壤饱和并减少了入渗。空间上，径流深度沿上游至下游梯度呈现先减后增的模式，在具有厚层透水土壤的中游子流域中值最低（≤ 0.84 mm），在具有陡峭地形和低渗透性土壤的上游子流域中值最高（≥ 9.34 mm）。在未来情景下，由于极端降水增强和土壤可蚀性增加，出现了强非线性径流-泥沙关系。温度在所有情景下主导径流变化，而输沙量表现出从人类活动主导（SSP126/SSP245）到热强迫主导（SSP370/SSP585）的转变，在SSP245和SSP370之间存在一个临界阈值，标志着从植被保护到气候强迫控制的转变。这些发现需要差异化的策略：低强迫情景下的植被恢复和蓄水基础设施，以及高强迫条件下的高效灌溉和气候响应型土地利用规划。

**论文解读：环境变化下农牧交错带内陆河流域水沙过程演变及影响因素研究**

**研究背景与问题**

全球变暖加速了水循环，叠加人类活动对地表的干扰，导致河流水沙过程（FSP）发生显著变化，尤其在干旱半干旱的农牧交错带（APE）内陆河流域（IRB-APE）。农牧交错带虽提供重要生态服务，但水土资源过度开发与低效利用引发了水资源短缺、生态退化和严重水土流失等问题。当前，IRB-APE中水沙过程呈现非线性复杂行为，其历史演变规律、未来趋势及驱动机制尚不明确，亟需开展系统研究以支撑水土资源可持续管理。

**研究内容与意义**

研究人员（Wenxing Zhang等）聚焦中国北部塔布河流域（Tubu River basin），该流域为典型封闭式IRB-APE。研究目的包括：分析历史气象-水文-植被时空变化；建立本地化SWAT模型，通过时间分段动态参数调整策略模拟径流与输沙过程；耦合未来土地利用情景与CMIP6四种SSP辐射强迫情景（SSP126、SSP245、SSP370、SSP585），揭示未来水沙过程演变及驱动机制转化。研究明确了不同辐射强迫下径流-泥沙非线性关系及主导因子转变的临界阈值，提出了差异化水土管理策略，为半干旱生态脆弱区流域治理提供了科学依据。该论文发表在《Ecological Indicators》。

**关键技术方法（不超过250字）**

研究人员采用以下主要技术方法：（1）Pettitt突变检验识别径流与输沙突变点（2001年）；（2）土地利用转移矩阵与FLUS模型（Future Land Use Simulation）预测未来土地利用结构，驱动因素包括社会经济指标与自然条件，Kappa系数验证模拟可靠性（0.77）；（3）基于SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool）建立时间分段动态参数调整策略，以SUFI-2算法（Sequential Uncertainty Fitting）进行参数敏感性分析与率定，模型评价指标为R²、NSE与偏差系数|Re|；（4）累积斜率变化率法（CSCRM）量化降水、温度及人类活动对径流和输沙的贡献率。数据来源包括30m DEM、30m土地利用、1:100万土壤图、1km NDVI、BCC-CSM2-MR气候模式（125km）及历史气象水文观测数据（1982-2023），来自中国气象局与乌兰察布水利局等。

**研究结果**

**4.1 气象-水文-植被因子趋势变化**：通过Pettitt突变检验，发现径流与输沙在2001年发生突变。基准期（1982-2000）径流与输沙率缓慢增加（分别+0.08 m³/s、+1.20 kg/s，P>0.05），主要受降水增加驱动；变化期（2001-2023）径流显著下降（-0.19 m³/s，P<0.01），输沙率缓慢下降（-0.26 kg/s，P>0.05），归因于温度快速上升（+0.15°C/a）加剧土壤干旱，以及NDVI增加（+6.06%）增强土壤固结能力。

**4.2 土地利用结构动态变化**：通过土地利用转移矩阵与热力图分析，1985-2020年草地与耕地为优势类型，草地面积占比由生态恢复项目（如退耕还林还草）驱动增长至71.09%。未来预测（2040-2060）显示草地持续扩张至90.91%，裸地减少23.55%，表明土地持续变绿。主成分分析表明社会经济因素（GDP、工业增加值等）是第一主成分（贡献率67.586%），显著影响土地利用结构变化。

**4.3 不同时期水沙过程模拟与率定**：基于SWAT模型，将模拟期分为基准期（1982-2000）和变化期（2001-2010、2011-2023两阶段），进行分时段参数优化。率定验证结果显示，所有时期径流与输沙的R²和NSE均>0.83，|Re|<16%，表明模型能准确反映研究区水沙过程时空动态。

**4.4 变化环境下水沙过程演变规律**：**4.4.1 不同情景对径流变化的影响**：未来情景下，低辐射强迫（SSP126/SSP245）径流趋势不显著，高辐射强迫（SSP370/SSP585）径流显著增加（P<0.01），SSP585下年径流在各时期均最高。空间上，径流深度沿上游-下游呈先减后增，中游子流域（厚层透水土壤）最低（≤0.84 mm），上游子流域（陡坡低渗透土壤）最高（≥9.34 mm）。**4.4.2 输沙量对不同情景的响应**：低辐射强迫下输沙趋势不显著，高辐射强迫下显著增加（P<0.05），SSP585下输沙量在各时期最高。泥沙模数空间上亦呈先减后增，下游区域（≥27.0 t/km²）高于上游。**4.4.3 径流-泥沙时空相关动态**：历史时期径流-输沙呈线性相关（R²=0.85），未来情景下转为强非线性相关（R²≥0.82），归因于极端降水增强和土壤可蚀性增加。空间上，低辐射强迫下相关性较弱，SSP245下较强，SSP370/SSP585下主河道区域保持强相关。

**4.5 水沙过程演变驱动机制**：**4.5.1 影响因素识别**：通过累积斜率变化率法计算贡献率，温度在所有情景下主导径流变化（贡献率57%-196%）；输沙量在低辐射强迫（SSP126/SSP245）下由人类活动主导（贡献率53%-65%），在高辐射强迫（SSP370/SSP585）下由温度主导（贡献率50%-59%）。**4.5.2 泥沙主导驱动因子转变机制**：在SSP245与SSP370之间存在临界阈值，标志着从植被保护主导转向气候强迫主导。高辐射强迫下，极端升温加剧土壤干燥，削弱植被保护效应，使温度成为输沙主导因子。这一转变通过物理级联路径实现：温度升高→蒸散发增强→土壤干旱加剧→土壤结构破坏→植被干旱胁迫→侵蚀增强。

**讨论与结论**

讨论部分分析了气候变化预估的不确定性来源（情景不确定性、模式不确定性、内部变率），指出本研究采用多SSP情景对比、优选BCC-CSM2-MR模式（与其他13个CMIP6 GCM对比表现最优）等方法部分降低了不确定性，但单模式及粗分辨率（125km）仍为局限性，未来需结合多模式集合与高分辨率区域气候模型。此外，累积斜率变化率法（CSCRM）的“人类活动贡献”包含直接干预、人-气候交互及未考虑自然因素的综合效应，需谨慎解读，但该方法在多年尺度上可有效识别主导驱动因子。

**结论**（翻译自原文Conclusion部分）：

本研究通过针对农牧交错带内陆河流域的时间分段动态参数调整策略优化了常规SWAT建模框架，并建立了嵌套多情景模拟与多尺度归因体系。明确阐明了气候变化与径流-泥沙动态之间的物理联系，并定量确定了驱动机制转变的临界阈值。研究结果可制定差异化适应策略，以应对变化环境下的可持续水土资源管理。主要发现如下：

历史动态（1982-2023）揭示了气候与人类活动强迫下的不同水文响应。基准期（1982-2000）径流和输沙率分别小幅增加0.08 m³/s和1.20 kg/s，主要受降水增强驱动；而变化期（2001-2023）径流和输沙率分别大幅减少0.19 m³/s和0.26 kg/s，归因于热强迫加剧（+0.15°C/a）加速地表水消耗和土壤干旱化。值得注意的是，植被恢复（NDVI增加6.06%）增强了土壤固结能力，协同减缓了输沙量。

土地利用变化对水文调节具有显著影响。在生态恢复项目（如退耕还林还草）驱动下，草地面积由耕地转化为主，至2020年覆盖率达71.09%，预计至2060年达90.91%。这一趋势改善了土壤结构、有机质含量和抗侵蚀能力，从根本上改变了流域尺度水沙动态。

未来预估（2030-2100）表现出明显的情景依赖响应。低辐射强迫（SSP126/SSP245）下径流和输沙趋势不显著，而高辐射强迫（SSP370/SSP585）下两者均显著增加（P<0.01）。空间上，径流深度和泥沙模数沿上游-下游梯度呈一致先减后增模式，最小值出现在具有厚层透水土壤的中游子流域，最大值出现在陡坡低渗透基质的上游。关键的是，径流-泥沙关系从历史时期的线性相关（R²>0.85）转变为未来情景下的强非线性耦合，由极端降水增强和土壤可蚀性增加驱动。

驱动机制转变识别了关键管理阈值。温度在所有情景下主导径流变化（贡献率57%-196%）。然而，输沙量表现出根本性转变：在SSP126/SSP245下人类活动主导，而在SSP370/SSP585下热强迫主导。SSP245与SSP370之间的临界阈值标志着从植被保护主导转向气候强迫控制，凸显了生态水文对辐射强迫的非线性响应。这些发现要求农牧交错带采取差异化适应策略以实现可持续水土资源管理：低强迫情景下实施植被恢复与蓄水基础设施，高强迫条件下采用高效灌溉技术与气候响应型土地利用规划。