戴黎聰 ，柯潯 ，曹瑩芳 ，張法偉，杜巖功，李以康，郭小偉，李茜，林麗，曹廣民

1. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039

地下水是世界上最大的淡水儲(chǔ)存之一，工業(yè)用水、居民用水和農(nóng)業(yè)用水分別占地下水的27%、36%和42%（D?ll et al.，2012）。隨著全球氣候變暖和人類活動(dòng)的加劇，地下水資源發(fā)生一系列改變，氣候變化主要是通過改變水文過程（降雨過程、蒸散過程及凍土消融過程等），從而影響地下水位的收支（Taylor et al.，2013；Green et al.，2011）。自 20世紀(jì) 70年代以來，青藏高原氣候發(fā)生暖干向暖濕的轉(zhuǎn)變，降水增多，蒸發(fā)降低，年均氣溫上升，大面積冰川消融以及多年凍土退化嚴(yán)重（徐曉明等，2017），導(dǎo)致高原地下水位分布格局在時(shí)間和空間上發(fā)生變化。盡管IPCC第三次和第四次評(píng)估報(bào)告提出，地下水在保證生態(tài)安全和人類水資源的供應(yīng)方面發(fā)揮著不可替代的作用（Parry et al.，2007），但關(guān)于氣候變化對(duì)地下水的影響以及未來地下水變化預(yù)測(cè)的研究仍鮮見報(bào)道。隨著水資源的愈加匱乏以及地下水污染加劇，地下水資源逐漸成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)（吳建強(qiáng)等，2017）。近年來，許多學(xué)者采用模型方法模擬氣候變化對(duì)地下水位的影響，并預(yù)測(cè)未來幾十年地下水位的變化，如ANN模型( Daliakopoulos et al.，2005)、SVM 模型(Mustafa et al.，2012)、RBF 模型（Zhang et al.，2017；Evans et al.，2018）等，但所取得的成效并不理想。一方面由于模型的不確定性，且不同模型的參數(shù)不同以及時(shí)空差異，同時(shí)，一些模型未考慮及一些重要的氣象因子參數(shù)（如風(fēng)速、蒸發(fā)等）；另一方面由于地下水的補(bǔ)給比地表水復(fù)雜，不僅受氣候條件和人類活動(dòng)影響，還受植被、地形等因素影響，導(dǎo)致不同模型模擬結(jié)果差異巨大。因此，有必要結(jié)合野外觀測(cè)井地下水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步明晰地下水位對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)特征。

以往研究認(rèn)為，降水是影響地下水位的主要驅(qū)動(dòng)因子，且可以在降水與地下水位之間建立一個(gè)參數(shù)方程，來表征降水與地下水位之間的關(guān)系（劉瑞國(guó)等，2009；張玲等，2008；王智磊等，2011）。同時(shí)，劉瑞國(guó)等（2009）研究也發(fā)現(xiàn)，降雨與地下水位在年內(nèi)和年際間的變化規(guī)律都具有較好的一致性，即當(dāng)降雨到達(dá)最大時(shí)，地下水位也達(dá)到最高，當(dāng)降雨減少時(shí)，地下水位也相應(yīng)下降。還有研究表明，氣溫和土溫是影響地下水位變化的重要驅(qū)動(dòng)因子，氣溫和土溫可以通過改變蒸散過程，從而影響地下水位的波動(dòng)（Tabari et al.，2012），且氣溫并不是一直都影響地下水位，只是當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時(shí)，氣溫對(duì)地下水位才有顯著的影響，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^深時(shí)，氣溫對(duì)地下水位影響微弱（蒲健辰等，2004；傅志敏等，2010）。，過去關(guān)于環(huán)境因子對(duì)地下水的研究多集中于低海拔非凍土地區(qū)（常娟等，2015；蒲健辰等，2004），而對(duì)寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)域地下水位的研究較為薄弱，這可能是受嚴(yán)酷的氣候條件所限制。由于季節(jié)的凍融作用顯著影響了寒區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致凍土區(qū)域地下水位的補(bǔ)給及分布特征明顯不同于非凍土區(qū)域（常娟等，2015）。過去研究發(fā)現(xiàn)，在多年凍土區(qū)域，地下水的來源主要是冰川凍土的融化和雪山融水，而降水對(duì)地下水位影響微弱（郭鳳清等，2016），且氣溫是影響地下水位變化最重要的環(huán)境因子。氣溫主要通過影響土壤的凍結(jié)與消融過程，從而間接影響地下水位的收支（楊文元等，2017）。風(fēng)速作為影響蒸散的主要影響因子，可能通過影響蒸散和凍土的消融過程間接影響地下水位的變化。

青藏高原作為中國(guó)冰川和凍土的重要分布區(qū)域，其地下水資源豐富（Zou et al.，2017），在保證中國(guó)和東南亞水資源安全上具有重要的戰(zhàn)略意義（趙林等，2010）。在全球氣候變暖背景下，關(guān)于環(huán)境因子對(duì)青藏高原地下水位驅(qū)動(dòng)的特征以及地下水位季節(jié)和年際動(dòng)態(tài)的研究十分薄弱，且過去評(píng)估環(huán)境因子對(duì)地下水位的影響多是定性分析，定量分析較少，尤其是關(guān)于風(fēng)速對(duì)地下水位的定量研究更是鮮見報(bào)道。因此，有必要研究該區(qū)域的地下水資源與環(huán)境因子的相互作用及其變化，定量探討環(huán)境因子對(duì)青藏高原地下水位的影響，確定影響地下水位的主控因子，這對(duì)于揭示氣候變暖對(duì)寒區(qū)水循環(huán)的影響具有重要的意義。

本文基于青海海北站高寒草甸 2012—2016年地下水位自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，選取風(fēng)速、降水、氣溫、蒸發(fā)、50 cm土溫等5個(gè)主要環(huán)境因子，采用優(yōu)勢(shì)分析方法，明晰地下水位的季節(jié)和年際動(dòng)態(tài)，定量評(píng)估各氣象因子對(duì)青藏高原地下水位變異的貢獻(xiàn)，揭示影響青藏高原地下水位的主控因子，為保障中國(guó)青藏高原水資源安全，合理管理和利用提供重要的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青海海北站矮嵩草草甸（37°37′N，101°19E）地處祁連山東段北支冷龍嶺南麓，大通河河谷的西北部。南北兩側(cè)分布冷龍嶺與大坂山，山地平均海拔4000 m，冷龍嶺主峰崗什卡海拔5254.5 m，常年積雪，且區(qū)域內(nèi)分布有季節(jié)性凍土，平均最大凍土深度約為2.2 m，平均凍結(jié)時(shí)間約為8個(gè)月，該區(qū)域發(fā)育有現(xiàn)代冰川。站區(qū)以山間灘地和丘陵低山為主，灘地海拔 3200 m。受高原大陸性氣候及祁連山的影響，海北站無明顯四季之分，一年只有冷暖兩季，夏季濕潤(rùn)多雨，冬季寒冷干燥，最熱月（7月）平均氣溫為9.8 ℃；最冷月（1月）平均氣溫為-14.8 ℃。年內(nèi)無絕對(duì)無霜期，相對(duì)無霜期僅20 d左右。年降水量在426～860 mm之間，多年平均降水量為590.1 mm，降水集中于5—9月，占全年降水總量的80%，年際和季節(jié)降水分布不均。全年日照時(shí)間為 2462.7 h，年總輻射量為 5.8556×105J·cm-2。該區(qū)域土壤類型為草氈寒凍雛形土，自1982年以來一直被作為冬季牧場(chǎng)，以矮嵩草（Kobresia humilis）為建群種，主要優(yōu)勢(shì)種有異針茅（Stipa aliena）、垂穗披堿草（Elymus nutans），次優(yōu)勢(shì)種有甘肅棘豆（Oxytropis kansuensis）和麻花艽（Gentiana straminea）等（郭鳳清等，2017；戴黎聰?shù)龋?018）。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

環(huán)境因子、地下水位埋深和地上生物量數(shù)據(jù)來源于青海海北站。環(huán)境因子數(shù)據(jù)包括降水（52203，RM Young，USA）、1.5 m處風(fēng)速（HMP45C，Vaisala，F(xiàn)inland）、蒸發(fā)、氣溫（Molis 520，Vaisala，F(xiàn)inland）和50 cm土壤溫度（Hydra ProbeⅡ，Stevens，USA），其中，降水、風(fēng)速、氣溫和50 cm土壤溫度數(shù)據(jù)采集頻率均為 30 min，蒸發(fā)數(shù)據(jù)是通過小型標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿觀測(cè)獲得的每日數(shù)據(jù)；計(jì)算2012—2016年各環(huán)境因子每月平均值。地下水位埋深數(shù)據(jù)由 LTC三參數(shù)電導(dǎo)率水位溫度自動(dòng)記錄儀（LTC，Solinst Ltd.，Canada）采集，其中一個(gè)傳感器用來測(cè)定水下的壓強(qiáng)變化，另一個(gè)用于大氣壓補(bǔ)償，采集頻率為30 min；地下水位埋深是淺層地下水位埋深（即2.6～6 m），下層為砂礫層，文中地下水位埋深表征地下水位的高低，即地下水位埋深越深，表示地下水位越淺。地上生物量于2014—2015年每年生長(zhǎng)季（5—9月）采集，采集方法為標(biāo)準(zhǔn)收獲法，樣方面積為50 cm×50 cm，重復(fù)10次，取其平均值。

2.2 分析方法

鑒于各環(huán)境因子之間存在顯著共線性及交互作用（表1），一般的多元線性回歸已不適用，故采用 R（3.3.1）中 yhat和 MBESS包中的優(yōu)勢(shì)分析（dominance analysis）方法（Budescu，1993），定量估測(cè)5個(gè)氣象因子（降水、氣溫、蒸發(fā)、50 cm土壤溫度、風(fēng)速）對(duì)地下水位的影響，其基本原理是對(duì)自變量進(jìn)行排秩和對(duì)各自變量相對(duì)重要性進(jìn)行定量估算，基本思想為：假設(shè)有一對(duì)隨機(jī)變量xi和xj，xh表示 p-2 個(gè)變量的任何一個(gè)子集（排除 xj，xh），當(dāng)添加到2p-2子模型的貢獻(xiàn)增量大于xj時(shí)的貢獻(xiàn)增量時(shí)，則變量xi優(yōu)于xj，即變量xi的相對(duì)重要性高于xj。與傳統(tǒng)方法相比，優(yōu)勢(shì)分析方法平均了變量的直接效應(yīng)、偏效應(yīng)和總體效應(yīng)，最大優(yōu)勢(shì)是能夠在全面比較所有可能的子模型條件下，計(jì)算預(yù)測(cè)變量的相對(duì)重要性，且各預(yù)測(cè)變量的總平均貢獻(xiàn)之和等于方差，各氣象因子對(duì)地下水位的相對(duì)重要性為各氣象因子的平均貢獻(xiàn)占總平均貢獻(xiàn)的比例。具體計(jì)算公式如下：

表1 各個(gè)變量之間的相關(guān)系數(shù)Table 1 The correlation coefficients among the variables

假如有3個(gè)隨機(jī)變量xl，x2，x3，計(jì)算k個(gè)變量的每個(gè)模型中各變量的平均貢獻(xiàn)，再對(duì)所有模型中的這些貢獻(xiàn)進(jìn)行求平均。其中xl的重要性計(jì)算如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水位和降水季節(jié)變化

依據(jù)觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，季節(jié)尺度上，2012—2016年地下水位總體呈“雙峰雙谷”曲線趨勢(shì)，大致可分為兩個(gè)階段，1—8月為第一階段，9月—翌年1月為第二階段。在第一階段中，1—4月由于植物開始返青，蒸騰作用加強(qiáng)，加之風(fēng)速較大，降水較少，地表蒸發(fā)加強(qiáng)，地下水位逐漸下降，且在5月初地下水位到達(dá)第一個(gè)最低值，為(4.78±0.06) m；5—7月（生長(zhǎng)季），隨著凍土的消融完全，地下水位得到補(bǔ)給，表現(xiàn)為逐漸緩慢抬升趨勢(shì)，并在8月初地下水位達(dá)到第一個(gè)峰值，為(4.25±0.13) m。第二階段中，8—10月，地下水位逐漸下降，之后11—12月地下水位呈逐漸上升趨勢(shì)（圖1A）。降水年內(nèi)分配不均勻，主要集中在生長(zhǎng)季 5—9月，約占全年降水的80%，非生長(zhǎng)季降雨較少（20%）（圖1A）?？傮w而言，在季節(jié)尺度上，降水與地下水位的變化規(guī)律差異較大，降水變化趨勢(shì)呈單峰型，而地下水位變化表現(xiàn)為雙峰雙谷型，且降水變異大于地下水位（表2）。

圖1 地下水位和降水季節(jié)及年際變化Fig. 1 The seasonal and interannualvariation of precipitation and groundwater

表2 地下水位埋深和降水的季節(jié)和年際變化特征Table 2 Inter-annual and annual variation coefficient of groundwater level depth and rainfall

3.2 地下水位和降水的年際變化

據(jù) 2012—2016年觀測(cè)的地下水位和降水的年際變化特征（圖1B），地下水位變化趨勢(shì)為波動(dòng)型，總體表現(xiàn)為逐漸下降趨勢(shì)，并在 2013年出現(xiàn)一個(gè)波谷，之后緩慢上升，于 2014年達(dá)到最高，為(4.18±0.27) m；而降水變化則與地下水位不同，表現(xiàn)為先增加后減少，并在 2014年達(dá)到最大值，為567.2 mm?？傮w而言，地下水位與降水變化不一致，僅在 2014年，地下水位達(dá)到最大，降水也達(dá)到最大，具有較好的一致性。通過2012—2016 5年變異系數(shù)分析結(jié)果可知，相對(duì)于降水變化，地下水位年際變化較為穩(wěn)定（表2）。

3.3 地下水位季節(jié)變化主要影響因素

基于優(yōu)勢(shì)分析方法，定量評(píng)估了降水（X1）、氣溫（X2）、蒸發(fā)（X3）、風(fēng)速（X4）和50 cm土壤溫度（X5）對(duì)地下水位的貢獻(xiàn)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)分析，進(jìn)一步分析環(huán)境因子對(duì)地下水位的驅(qū)動(dòng)特征。結(jié)果表明，風(fēng)速與地下水位呈顯著負(fù)相關(guān)（r2=0.38，P＜0.01）（圖2D），且風(fēng)速是影響地下水位變異的主要驅(qū)動(dòng)氣象因子，占總貢獻(xiàn)（變異總方差）的36.8%，而降水對(duì)地下水位變異貢獻(xiàn)最小，僅占總貢獻(xiàn)9.3%（表 3）。地下水位變異還受蒸發(fā)和氣溫影響，且蒸發(fā)與地下水位呈極顯著負(fù)相關(guān)（r2=0.28，P＜0.01）（圖2C），占總貢獻(xiàn)（變異總方差）的27.68%，與單個(gè)因子對(duì)地下水位的影響相比，各因子之間的交互作用對(duì)地下水位影響更強(qiáng)（表3）。

4 討論和結(jié)論

4.1 氣象因子對(duì)地下水位變異的影響

圖2 降水（A）、50 cm土壤溫度（B）、蒸發(fā)（C）和風(fēng)速（D）與地下水位關(guān)系Fig. 2 Relationship between groundwater and precipitation (A), 50 cm soil temperature (B), evaporation (C), wind speed (D)

表3 5個(gè)氣象因子對(duì)地下水位的優(yōu)勢(shì)分析矩陣表Table 3 The dominance matrix for the groundwater level with five weather variables

基于優(yōu)勢(shì)分析方法定量評(píng)估了地下水位對(duì)各環(huán)境因子的響應(yīng)特征，研究結(jié)果表明，降水對(duì)地下水位的貢獻(xiàn)最小，這與一些學(xué)者的研究結(jié)果不一致，過去研究者認(rèn)為，降雨與地下水位有很好的相關(guān)關(guān)系，且降水是地下水的主要補(bǔ)給來源（幺文等，2017；謝麗純等，2011；肖德安等，2009），還有研究認(rèn)為，地下水位主要受人類生產(chǎn)生活用水影響，如工業(yè)、居民及農(nóng)業(yè)用水（嚴(yán)明疆等，2010）。本研究結(jié)果之所以與其他研究結(jié)果存在較大的差異，主要是由于以下兩個(gè)方面的不同：一方面是氣候和地貌條件不同，在低海拔地區(qū)，由于太陽輻射弱，年降水豐富，地表蒸發(fā)相對(duì)較弱，因此地下水位的收支主要由降水調(diào)節(jié)，降水量變化會(huì)直接影響地下水位的收支。而在青藏高原高海拔地區(qū)，由于生長(zhǎng)季風(fēng)速較大，太陽輻射強(qiáng)，蒸散能力強(qiáng)，降水量幾乎都以蒸散形式全部返回大氣中（Zhang et al.，2017），致使降水對(duì)地下水位的貢獻(xiàn)較小。本研究地下水位觀測(cè)井位于青藏高原東北隅，祁連山北支冷龍嶺東段南麓的大通河谷，平均海拔 3200 m，年均溫低于零度，并且發(fā)育著并發(fā)育有現(xiàn)代冰川，為該區(qū)域地下水的補(bǔ)給提供重要來源。同時(shí)，地下水位還受巖性影響，該區(qū)域分布著季節(jié)性凍土，對(duì)寒區(qū)地下水的收支、運(yùn)移和分布格局具有重要影響，比如凍土層作為寒區(qū)一種特殊的隔水層或弱透水層，一定程度上能夠阻礙地表水和地下水的交換，當(dāng)土壤凍結(jié)時(shí)，土壤導(dǎo)水率顯著下降，致使降水在土層中的入滲率顯著下降，最終導(dǎo)致降水對(duì)地下水位變化影響微弱（常娟等，2015）。還有研究表明，土壤凍結(jié)階段，在水勢(shì)梯度作用下，地下水會(huì)向土壤凍結(jié)鋒面轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致地下水在土壤凍結(jié)階段快速下降，而土壤融化階段，由于凍土融水的補(bǔ)給，地下水位在凍土融化階段呈抬升趨勢(shì)（Ireson et al.，2013）。另一方面是由于人類活動(dòng)影響不同，包括放牧、灌溉和土地利用等，青藏高原作為天然牧場(chǎng)，近年來，隨著放牧強(qiáng)度不斷加劇，草原退化嚴(yán)重，草氈層較厚，降水事件發(fā)生后，土壤表層水分進(jìn)入深層土壤受抑制，且80%降水發(fā)生在生長(zhǎng)季，而生長(zhǎng)季太陽日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，蒸發(fā)能力強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)，多數(shù)降水來不及向深層土壤滲透就被以蒸發(fā)或蒸騰的形式返回大氣中，致使降水不能及時(shí)補(bǔ)給地下水。當(dāng)然，還有研究表明，降水對(duì)地下水位的補(bǔ)給存在滯后現(xiàn)象，當(dāng)降雨達(dá)到最大時(shí)，地下水位需要幾個(gè)月，甚至幾年時(shí)間才能達(dá)到最大（嚴(yán)明疆等，2010）。本研究之所以出現(xiàn)降水與地下水位相關(guān)性微弱的結(jié)果，也可能與降水對(duì)地下水位的補(bǔ)給存在滯后效應(yīng)有關(guān)，未來需要進(jìn)一步研究。

圖3 生長(zhǎng)季風(fēng)速與生長(zhǎng)季地下水位埋深關(guān)系（A）；非生長(zhǎng)季風(fēng)速與非生長(zhǎng)季地下水位埋深關(guān)系（B）；風(fēng)速與蒸發(fā)關(guān)系（C）；風(fēng)速與熱通量的關(guān)系（D）Fig. 3 Relationship between growing wind speed and growing groundwater level (A); the relationship between non-growing wind speed and non-growing groundwater level (B); the relationship between wind speed and evaporation (C); the relationship between wind speed and thermal flux (D) at the seasonal scale

本研究表明，在所有環(huán)境因子當(dāng)中，風(fēng)速是影響青藏高原地下水位變化最重要的環(huán)境因子（表 3和圖3D），為了明確風(fēng)速與地下水位的關(guān)系，本研究進(jìn)一步對(duì)生長(zhǎng)季的風(fēng)速與生長(zhǎng)季的地下水位以及非生長(zhǎng)季的風(fēng)速和非生長(zhǎng)季的地下水位進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是生長(zhǎng)季還是非生長(zhǎng)季，風(fēng)速與地下水位都存在極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）（圖3A、B）。風(fēng)速對(duì)地下水位的影響主要通過以下兩個(gè)方面，一方面風(fēng)速影響土壤水分蒸發(fā)和植物蒸騰過程，風(fēng)速能夠通過連續(xù)不斷地波動(dòng)擾動(dòng)，加快表層土壤的空氣流動(dòng)，帶走水汽飽和的空氣帶，換之以干燥的空氣，從而加快地表水分的蒸發(fā)，且風(fēng)速越大，土壤表面水分的蒸發(fā)越快（r2=0.46，P＜0.01）（圖 3C），植物蒸騰作用越強(qiáng)（r2=0.86，P＜0.01）（圖4），最終影響地下水位的收支。另一方面，當(dāng)風(fēng)速大時(shí)，云量較少、輻射較強(qiáng)，進(jìn)而加快了地表水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致地下水位下降。當(dāng)然，地下水位除了受風(fēng)速影響，還受氣溫和50 cm土壤溫度影響。氣溫和土溫主要是通過影響蒸散和凍土凍結(jié)與融化過程，從而改變地下水位的收支。盡管氣象因子對(duì)地下水位變化具有重要影響，但僅能解釋49%的變異，仍有51%變異不能被其解釋，這主要是由于地下水影響因素較為復(fù)雜，本研究?jī)H考慮了環(huán)境因子和植被因素對(duì)地下水位影響，未來將結(jié)合凍土的凍結(jié)與消融過程以及地形等因素進(jìn)一步明晰影響寒區(qū)地下水位變化的主控因子，為保障青藏高原水資源安全和合理管理、利用提供基礎(chǔ)資料。

圖4 地上生物量與地下水位埋深關(guān)系Fig. 4 Relationship between aboveground biomass and groundwater level depth

4.2 結(jié)論

季節(jié)尺度上，地下水位變化總體呈雙峰雙谷曲線趨勢(shì)，生長(zhǎng)季（5—8月）地下水位高于非生長(zhǎng)季（1—4月和9—12月），8月初地下水位達(dá)到最高，約為(4.25±0.13) m，5月初地下水位達(dá)到最低，約為(4.78±0.06) m；年際尺度上，地下水位總體呈降低趨勢(shì)，相比于降水年際變異，地下水位年際變異較小。

在各環(huán)境因子中，風(fēng)速是影響地下水位最重要的環(huán)境因子，其次依次是蒸發(fā)、氣溫和土壤溫度，而降水對(duì)地下水位影響微弱。盡管氣象因子對(duì)地下水位的變異貢獻(xiàn)較大，但5個(gè)環(huán)境因子（降雨、風(fēng)速、蒸發(fā)、氣溫和50 cm土壤溫度）對(duì)地下水位的變異貢獻(xiàn)只有49.4%，仍有50.6%的方差變異不能被解釋。