湯英，丁成翔，徐利崗，周乾

(1.寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021；2.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016)

半干旱風(fēng)沙草原區(qū)是北方主要的生態(tài)系統(tǒng)類型，對(duì)調(diào)節(jié)局地和全球氣候具有重要意義[1]，而降水及可利用降水量的不同時(shí)間尺度分配、豐枯變化、時(shí)空分布等特征是區(qū)域內(nèi)天然草地植被生長(zhǎng)和作物灌溉的關(guān)鍵影響因子.當(dāng)前，全球氣候變暖已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)[2]，中國(guó)北方典型荒漠區(qū)降水有增加趨勢(shì)[3]，西北干旱區(qū)降水以16.6 mm/10 a幅度增加[4]，河西走廊地區(qū)極端降水日數(shù)增多，極端降水總量呈增加趨勢(shì)[5]，而內(nèi)蒙古地區(qū)近60 a來降水量減少，出現(xiàn)了干燥化趨勢(shì)[6].寧夏降水整體呈下降趨勢(shì)，秋季減少趨勢(shì)顯著，冬季則有增加趨勢(shì)[7].目前的報(bào)道多以地理區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)類型區(qū)的降水及可利用降水量時(shí)空分布和變化趨勢(shì)研究相對(duì)較少.寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)，位于鄂爾多斯臺(tái)地向黃土高原過渡地帶，是西北干旱風(fēng)沙草原區(qū)的典型區(qū)域，當(dāng)?shù)貧夂蚋珊瞪儆?，水資源極為短缺.本文基于長(zhǎng)系列氣象資料，開展寧夏鹽池干旱風(fēng)沙區(qū)降水及可利用降水量的多時(shí)間尺度變化及其未來趨勢(shì)研究，以期為當(dāng)?shù)靥烊徊輬?chǎng)修復(fù)、人工草地及農(nóng)作物科學(xué)灌溉提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，東鄰陜西定邊縣，南依甘肅環(huán)縣，北與內(nèi)蒙古鄂托克前旗毗鄰，是寧夏唯一一個(gè)牧區(qū)縣.地理位置E 106°30′06″～107°39′54″，N 37°04′33″～38°10′17″，國(guó)土面積8 661.3 km2，現(xiàn)有耕地8.3萬hm2，牧草地45.9萬hm2(占土地總面積53.1%)，分布有干草原草場(chǎng)、荒漠草原草場(chǎng)、沙生植被草場(chǎng)及鹽生植被草場(chǎng)四種草場(chǎng)類型，各類植物175種.地勢(shì)南高北低，海拔1 300～1 951 m，內(nèi)有中部干旱臺(tái)地丘陵區(qū)和黃土丘陵區(qū)兩大地貌類形，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，干旱少雨，多年平均降水量269 mm，主要集中在7～9月，多年平均蒸發(fā)量1 200～1 500 mm，干旱指數(shù)4.5～5.6.年平均氣溫8.5 ℃，日照2 789.2～2 867.9 h，光熱資源豐富.境內(nèi)河流主要有枯水河、馬蓮河以及苦水河等，多年平均地表水資源總量0.269億m3，徑流深4.1 mm，年徑流系數(shù)0.02.

1.2 數(shù)據(jù)來源

利用中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)，收集國(guó)家基準(zhǔn)站點(diǎn)鹽池站(N 37°48′,E 107°23′)1954年1月～2019年12月的月降水及月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)系列，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性、一致性分析，對(duì)部分缺失數(shù)據(jù)，采用克里金插值進(jìn)行插補(bǔ)處理.

1.3 研究方法

1.3.1 高橋浩一郎陸面蒸發(fā)公式 降水量反映了區(qū)域的水分收人狀況，而蒸發(fā)量則表示其水分消耗程度，因此一個(gè)地區(qū)的可利用降水量可利用式(1)計(jì)算，高橋浩一郎陸面蒸發(fā)公式[8-9]利用降水量和氣溫資料就可對(duì)蒸發(fā)進(jìn)行估算，計(jì)算公式為式(2).

Pe=P-E

(1)

(2)

(3)

式中，Pe為可利用降水量，mm；P為月降水量，mm；E為陸面蒸發(fā)量，單位mm；T為月平均氣溫，℃；α為蒸發(fā)系數(shù)，β為可利用降水率.

1.3.2 M-K秩次相關(guān)法 對(duì)序列趨勢(shì)變化的定量說明，本文采用Mann-Kendall的秩次相關(guān)法[10].其基本原理是：時(shí)間序列P(i=1，2,…,n)，其任意對(duì)偶值(Pi，Pj,j>i)，如果Pi>Pj，則序列絕對(duì)上升，反之，則絕對(duì)下降.如序列不是單調(diào)上升或下降，則有

(4)

式中：f為對(duì)偶值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的對(duì)數(shù).若m>0，則序列呈上升趨勢(shì)，反之，則呈下降趨勢(shì).m的絕對(duì)值越大，說明序列變化趨勢(shì)越顯著.顯著水平α=0.05的臨界檢驗(yàn)值為±1.96.

1.3.3 氣候趨勢(shì)系數(shù)法 年降水系列是符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量.它的變化趨勢(shì)是指：隨著時(shí)間的推移，其數(shù)值的持續(xù)增減狀況.逐年時(shí)間是遞增序列，可看作自然數(shù)列1，2，…，n.n個(gè)時(shí)刻(年)的要素序列與自然數(shù)列1，2，…，n具有相關(guān)性，如果相關(guān)顯著，則表示該要素值氣候趨勢(shì)明顯，有增加(減少)趨勢(shì)[11].要素與自然序列的相關(guān)系數(shù)可表示為：

(5)

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用Minitab 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Surfer 17.0軟件及WPS Office 2019軟件進(jìn)行圖件繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽池縣降水及可利用降水量年內(nèi)和年際變化特征

2.1.1 鹽池縣降水及可利用降水量年內(nèi)變化特征 基于鹽池縣1954～2019年降水量(P)、陸面蒸發(fā)量(E)及可利用降水量(Pe)系列，分析其年內(nèi)分配情況(表1)，并分別計(jì)算各參量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(表2).從表1中可以看出鹽池縣多年平均降水量為297.4 mm，可利用降水量為55.4 mm(可利用降水率為0.18)，且主要集中在6～9月，占年降水量的71.7%，可利用降水量的80.9%；占3～10月作物生育期內(nèi)降水量的75.1%，可利用降水量的83.8%.8月份可利用降水量最高為21.7 mm，其次為7月10.5 mm.多年平均各月蒸發(fā)系數(shù)為0.67～0.94，5～6月份最高為0.94，全年為0.82；降水可利用率為0.06～0.33.從表2種可以看出，年降水量系列變異系數(shù)為0.269 4，年際間差異不大，極值比為4.0，可利用降水量系列變異系數(shù)為0.561 3，年際間差異較大，極值比為22.1.

表1 寧夏鹽池縣多年平均降水量及可利用降水量年內(nèi)分配情況

表2 寧夏鹽池縣降水量及可利用降水量基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.1.2 鹽池縣降水及可利用降水量年際間變化特征 繪制鹽池縣1954～2019年陸面蒸發(fā)量及蒸發(fā)系數(shù)變化過程線(圖1)、可利用降水量與可利用降水率變化過程線(圖2)及距平變化圖(圖3).從圖中可以看出鹽池縣年降水量和陸面蒸發(fā)量變化趨勢(shì)相似，可劃分為3個(gè)豐枯時(shí)段，其中1970年以前降水量和可利用降水量相對(duì)較豐，且變化劇烈，1970～2014處于偏枯年份，變化相對(duì)平緩.近5 a來，降水量相對(duì)偏豐，但可利用降水量有下降趨勢(shì).從累計(jì)距平可以看出(圖3)，豐枯時(shí)段仍分為3個(gè)，但時(shí)間有所滯后，降水量和陸面蒸發(fā)1979年以前為正距平，1980～2016年為負(fù)距平，2016年以來降水量較多年平均偏豐.

圖1 鹽池縣降水量、陸面蒸發(fā)量及蒸發(fā)系數(shù)變化過程

圖2 鹽池縣可利用降水量與降水可利用系數(shù)變化過程

圖3 鹽池縣降水量(A)陸面蒸發(fā)量(B)及可利用降水量(C)距平變化過程線

2.2 鹽池縣降水及可利用降水量四季和年代際變化特征

2.2.1 鹽池縣降水及可利用降水量的四季變化特征 分別統(tǒng)計(jì)鹽池縣四季的年降水量、陸面蒸發(fā)量及可利用降水量(表3)，繪制1954～2019年各季節(jié)降水量及可利用降水量變化圖(圖4).從表3中可以看出，夏季降水量最大為169.7 mm，占年降水量的57%，可利用降水量35.2mm，占全年的63.5%；秋季次之，降水量占全年的23.6%，可利用降水量占全年的24.4%.全年降水可利用率為0.18，春季降水可利用率最低為0.07，冬季最高為0.25，這與鹽池縣春季降水稀少但風(fēng)沙強(qiáng)烈，冬季氣溫寒冷陸面蒸發(fā)降低的實(shí)際情況一致.從圖4中可以看出，夏季節(jié)水及可利用降水量均較其他季節(jié)大，且變化較為劇烈，秋季次之，變化也相對(duì)劇烈，冬季變化最為平緩.

圖4 寧夏鹽池縣降水量(A)及可利用降水量(B)四季變化過程圖

表3 寧夏鹽池縣降水量及可利用降水量四季變化特征表

2.2.2 鹽池縣降水及可利用降水量的年代際變化特征 分別計(jì)算鹽池縣降水量及可利用降水量各年代的平均值及相對(duì)多年平均距平值(表4).從表4可知鹽池縣20世紀(jì)50～60年代屬于豐水期，正累積距平分別為19.8 mm和374.1 mm，20世紀(jì)70～80年代是顯著的枯水期，負(fù)累積距平值分別達(dá)-429.0 mm和-242.8 mm，可利用降水量顯著低于多年平均，累計(jì)負(fù)距平分別為-230.0 mm和-150.8 mm.20世紀(jì)90年代及21世紀(jì)初有小幅負(fù)距平，屬于一般年型，分別為-47.4 mm和-59.4 mm，20世紀(jì)90年代可利用降水量為正距平為12.5 mm.2011年以來，進(jìn)入偏豐期，降水量正距平累計(jì)達(dá)484.5 mm，可利用降水量有所增加，累計(jì)正距平55.6 mm.

表4 寧夏鹽池縣降水量及可利用降水量年代際變化特征表

2.3 鹽池縣降水及可利用降水量周期分析

將鹽池(1954～2019年)降水量及可利用降水量系列進(jìn)行中心化處理，并用Morlet小波[12]進(jìn)行變換，分別取不同的a和b值計(jì)算小波變換的模平方和實(shí)部.繪制小波變換實(shí)部時(shí)頻分布(圖5).從圖5可以看出，年降水量和可利用降水量在整個(gè)研究時(shí)段顯著存在3 a和5 a及10 a周期尺度；降水量在20世紀(jì)80年代末期至2010 s以5 a主周期為主，20世紀(jì)60～70年代及2010 s以后主要以10 a振蕩周期為主，且正負(fù)位相交替出現(xiàn).可利用降水量整個(gè)分析期內(nèi)均存在5 a左右主周期，20世紀(jì)60年代至目前以10 a振蕩周期為主，且正負(fù)位相交替出現(xiàn).繪制可利用降水量小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程(圖6)，顯示3 a及5 a尺度的小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程，可利用降水量豐枯變化較為頻繁.10 a尺度的小波變換實(shí)部變化過程相對(duì)平穩(wěn)，且分別在1962年、1978年、1987年、1998年、2008年和2012年發(fā)生豐枯突變.綜上可知，在整個(gè)分析期內(nèi)，可利用降水量系列存在3 a、5 a和10 a主周期.

A：年降水量；B：可利用降水量.A:precipitation;B:available precipitation.

圖6 Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部變化過程

2.4 鹽池縣降水及可利用降水量趨勢(shì)分析

采用M-K秩次相關(guān)法及氣候趨勢(shì)系數(shù)法計(jì)算鹽池縣降水量、陸面蒸發(fā)量及可利用降水量增減趨勢(shì)的檢驗(yàn)參數(shù)及其趨向率(表5).從表5可知，鹽池縣未來夏季、秋季、冬季降水量均呈增加趨勢(shì)，增幅為0.5～3.3 mm/10 a，年降水量以5.3 mm/10 a增幅顯著增加(通過P=0.05顯著性檢驗(yàn))，夏季、秋季及冬季可利用降水量也呈增加趨勢(shì)，變幅為0.1～1.3 mm/10 a，而春季和年可利用降水量則呈減少趨勢(shì)，降幅分別為0.5 mm/10 a和1.5 mm/10 a(通過P=0.05顯著性檢驗(yàn)).

表5 寧夏鹽池縣可利用降水量變化趨勢(shì)及其趨向率

3 討論與結(jié)論

依據(jù)鹽池縣1954～2019年計(jì)66 a的日降水和氣溫資料，利用高橋浩一郎公式計(jì)算了當(dāng)?shù)仃懨嬲舭l(fā)量，得出可利用降水量月值系列，鹽池縣多年平均降水量297.4 mm，可利用降水量55.4 mm(可利用降水率0.18).從年內(nèi)分配來看，可利用降水量與年降水的變化規(guī)律相似，3～5月份僅占年可利用降水量的11.2%，6～9月則占80.9%，8月份可利用降水量最高為21.7 mm，可利用系數(shù)0.18，11～12月份可利用降水量較少，但可利用率較大分別為0.26和0.33.春季可利用降水量6.1 mm，夏季最大為35.2 mm，占全年的63.5%，冬季最小僅占全年的1.0%.3～5月可利用降水量?jī)H為11.4 mm，不利于天然草場(chǎng)植被的萌發(fā)及種子萌芽，也不利于對(duì)天然草場(chǎng)補(bǔ)播改良等修復(fù)技術(shù)的展開.對(duì)有灌溉條件尤其是高效節(jié)水灌溉的作物種植影響不大.6～9月是植物主要的生長(zhǎng)期，較高的可利用降水量對(duì)天然草場(chǎng)植物生長(zhǎng)、植被蓋度的增加以及植物生殖生長(zhǎng)的完成都具有積極的意義，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善具有重要作用.春季可利用降水率最低為0.07，冬季最高為0.25，這與鹽池縣春季降水稀少但風(fēng)沙強(qiáng)烈，冬季氣溫寒冷陸面蒸發(fā)降低的實(shí)際情況相一致.

利用Mann-kendell秩次相關(guān)法及氣候趨勢(shì)系數(shù)法分析了鹽池縣年降水量及可利用降水量未來的變化趨勢(shì)及其梯度.未來當(dāng)?shù)啬杲邓恳?.3 mm/10 a增幅顯著增加，夏季、秋季、冬季降水量也呈增加趨勢(shì)，增幅為0.5～3.3 mm/10 a；年度和春季可利用降水量呈減少趨勢(shì)，降幅分別為1.5 mm/10 a和0.5 mm/10 a，夏季、秋季及冬季可利用降水量呈增加趨勢(shì)，增幅0.1～1.3 mm/10 a，結(jié)論與張智[13]結(jié)論一致，但該文章對(duì)寧夏中部干旱帶未來可利用降水量的降低僅給出了定性的判斷，缺乏量化評(píng)價(jià).馬忠明[14]分析了寧夏中部地區(qū)農(nóng)作物生育期內(nèi)有效降水量(Pa)的時(shí)空變化特征及其未來趨勢(shì)，7～9月占總有效降水量的70.8%，生育期Pa呈減少趨勢(shì)，降幅為3.5 mm/10 a.當(dāng)?shù)啬杲邓匡@著增加，而可利用降水量則顯著降低，分析原因是由于氣溫的升高[15]，造成了陸面蒸發(fā)量的增大，導(dǎo)致可利用降水量的減少.但相對(duì)于未來年降水量的高增幅(5.3 mm/10 a)，可利用降水量小幅減少(1.5 mm/10 a)，則可利用降水量絕對(duì)總量仍然是增加的，且未來夏秋季可利用降水量仍然有增加的趨勢(shì)，對(duì)于未來當(dāng)?shù)靥烊徊輬?chǎng)生態(tài)環(huán)境維系與人工改良修復(fù)、人工草地及農(nóng)作物更好的生長(zhǎng)于產(chǎn)出都較為有利.本文的研究將為寧夏干旱風(fēng)沙草原區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的改善及雨水資源的合理利用以及人工草地和農(nóng)作物更合理科學(xué)的灌溉提供理論支持，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義和利用價(jià)值.