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成果报告
雅鲁藏布江源区输沙量对气候变化的响应——水文-冰冻圈-植被要素影响的量化归因
2022-03-17 09:54:13 来源:中科院青藏所 作者: 【 】 浏览:548次 评论:0
    河流泥沙是关乎土地资源利用、粮食安全以及流域生态环境的重要指标,也是关乎碳源碳汇、土壤养分分配、地球生物化学过程等的重要指示。气候变化背景下,近几十年来的青藏高原江河源区输沙量以增加趋势为主,冰川、冻土、水文、植被等要素如何影响河流输沙量的变化、影响程度到底如何,均尚不明确。

针对这一科学问题,中科院青藏高原研究所环境变化与多圈层过程团队与合作者以雅鲁藏布江河源区(奴各沙站以上)为例,系统分析了1972-2008年的流域内气温、降水和输沙量等数据资料,利用寒区水文模型的径流分量模拟和土壤侵蚀模型的侵蚀因子计算等方法估算水文、冰冻圈和植被等关键影响要素,再通过基于统计回归的偏最小二乘路径模型(PLS-PM)和基于微分方程的泥沙恒等式(SI),定量刻画了气象要素、冰川融水、土壤冻融和植被覆盖等因子对输沙量年际变化的贡献率。

研究结果表明:1. 在流域暖湿化气候背景下,冰川融水径流显著增加,降水径流和总径流呈不显著增加趋势,侵蚀性降水及降水侵蚀力有所增加,春季解冻期显著提前且年内解冻期变长,植被覆盖度呈趋好状态,河流输沙量(悬移质)以每10年增加18.9%的变化率显著增加且没有检出突变拐点(图1 & 2)。2. 输沙量增加的归因分析结果表明,降雨侵蚀力增加和春季冻土解冻时间提前导致泥沙物源增加贡献71%(其中,降雨侵蚀力增加贡献55%、解冻期增长贡献16%);降水量增加贡献43%;植被覆盖度增加有效减缓了输沙量的增加,贡献-29%;尽管流域冰川面积占比较小(1.17%),冰川融水的增加仍贡献14%(图3 & 4)。

该研究定量刻画了冰冻圈关键要素变化对江河源区输沙量的影响,明确了植被对水土流失的有效缓冲作用,为气候变化增加河流输沙量的论点提供了可靠论据,为高寒流域径流泥沙变化归因研究提供了有效的理论框架,对理解未来气候变化下的高寒流域水土资源环境与生态安全屏障功能具有重要意义。

该研究成果以“The response of the suspended sediment load of the headwaters of the Brahmaputra River to climate change: Quantitative attribution to the effects of hydrological, cryospheric and vegetation controls”为题,在线发表于权威期刊《Global and Planetary Change》上。我所史晓楠副研究员为第一作者,张凡研究员为通讯作者。该研究获得第二次青藏科考(2019QZKK0203)和国家自然科学基金(4198810141571274)支持。

论文信息:Shi X., Zhang F.*, Lu X., Zhang Y., Zheng Y., Wang G., Wang L., Jagirania M.D., Wang T., Piao S. The response of the suspended sediment load of the headwaters of the Brahmaputra River to climate change: Quantitative attribution to the effects of hydrological, cryospheric and vegetation controls. Global and Planetary Change. 2022. Doi: 10.1016/j.gloplacha.2022.103753.

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2022.103753

1 雅鲁藏布江河源区气温、降水、径流量、输沙量年际变化趋势(1972-2008):气温、降水显著增加,径流量以10.6 mm/10a变率不显著增加,输沙量以2.27 Mt/10a变率显著增加

2 影响河流输沙量变化的关键因子年际变化趋势:降雨径流不显著增加、冰川融水径流显著增加、NDVI显著增加、作物管理因子显著降低、侵蚀性降水和降水侵蚀力不显著增加、冰川径流侵蚀力显著增加、冻融循环天数显著降低、解冻期显著提前、解冻期显著变长


3 基于PLS-PM方法建立的河流输沙量对气候变化响应的机制示意图

其中,矩形框表征的是显性变量、椭圆形框表征潜在变量。潜在变量对输沙量的影响可能是正向的(蓝色箭头)也可能是负向的(红色箭头)。箭头旁的数字和星号分别表示路径影响力系数和显著性水平(* 代表ρ< 0.10**代表ρ< 0.05*** 代表ρ< 0.01)

4 基于SI方法建立的河流输沙量对气候变化响应的定量归因示意图

关键因子对输沙量的影响可能是正向的(蓝色箭头)也可能是负向的(红色箭头)。箭头上的数字表示各因子对输沙量增加的贡献率。


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