雅魯藏布江源區輸沙量對氣候變化的響應 ——水文-冰凍圈-植被要素影響的量化歸因
河流泥沙是關乎土地資源利用、糧食安全以及流域生態環境的重要指標，也是關乎碳源碳匯、土壤養分分配、地球生物化學過程等的重要指示。氣候變化背景下，近幾十年來的青藏高原江河源區輸沙量以增加趨勢為主，冰川、凍土、水文、植被等要素如何影響河流輸沙量的變化、影響程度到底如何，均尚不明確。
針對這一科學問題，“亞洲水塔動態變化與影響”任務“河流演變與影響”專題中科院青藏高原研究所環境變化與多圈層過程團隊與合作者以雅魯藏布江河源區（奴各沙站以上）為例，系統分析了1972-2008年的流域內氣溫、降水和輸沙量等數據資料，利用寒區水文模型的徑流分量模擬和土壤侵蝕模型的侵蝕因子計算等方法估算水文、冰凍圈和植被等關鍵影響要素，再通過基于統計回歸的偏最小二乘路徑模型（PLS-PM）和基于微分方程的泥沙恒等式（SI），定量刻畫了氣象要素、冰川融水、土壤凍融和植被覆蓋等因子對輸沙量年際變化的貢獻率。
研究結果表明：1. 在流域暖濕化氣候背景下，冰川融水徑流顯著增加，降水徑流和總徑流呈不顯著增加趨勢，侵蝕性降水及降水侵蝕力有所增加，春季解凍期顯著提前且年內解凍期變長，植被覆蓋度呈趨好狀態，河流輸沙量（懸移質）以每10年增加18.9%的變化率顯著增加且沒有檢出突變拐點（圖1、2）。2. 輸沙量增加的歸因分析結果表明，降雨侵蝕力增加和春季凍土解凍時間提前導致泥沙物源增加貢獻71%（其中，降雨侵蝕力增加貢獻55%、解凍期增長貢獻16%）；降水量增加貢獻43%；植被覆蓋度增加有效減緩了輸沙量的增加，貢獻-29%；盡管流域冰川面積占比較小（1.17%），冰川融水的增加仍貢獻14%（圖3、4）。
該研究定量刻畫了冰凍圈關鍵要素變化對江河源區輸沙量的影響，明確了植被對水土流失的有效緩沖作用，為氣候變化增加河流輸沙量的論點提供了可靠論據，為高寒流域徑流泥沙變化歸因研究提供了有效的理論框架，對理解未來氣候變化下的高寒流域水土資源環境與生態安全屏障功能具有重要意義。
該研究成果以“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”為題，在線發表于權威期刊《Global and Planetary Change》上。中科院青藏高原研究所史曉楠副研究員為第一作者，張凡研究員為通訊作者。該研究獲得第二次青藏科考(2019QZKK0203)等項目支持。
論文信息：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.
全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2022.103753
圖1 雅魯藏布江河源區氣溫、降水、徑流量、輸沙量年際變化趨勢（1972-2008）：氣溫、降水顯著增加，徑流量以10.6 mm/10a變率不顯著增加，輸沙量以2.27 Mt/10a變率顯著增加
圖2 影響河流輸沙量變化的關鍵因子年際變化趨勢：降雨徑流不顯著增加、冰川融水徑流顯著增加、NDVI顯著增加、作物管理因子顯著降低、侵蝕性降水和降水侵蝕力不顯著增加、冰川徑流侵蝕力顯著增加、凍融循環天數顯著降低、解凍期顯著提前、解凍期顯著變長
圖3 基于PLS-PM方法建立的河流輸沙量對氣候變化響應的機制示意圖
其中，矩形框表征的是顯性變量、橢圓形框表征潛在變量。潛在變量對輸沙量的影響可能是正向的（藍色箭頭）也可能是負向的(紅色箭頭)。箭頭旁的數字和星號分別表示路徑影響力系數和顯著性水平（* 代表ρ< 0.10、**代表ρ< 0.05、*** 代表ρ< 0.01)。
圖4 基于SI方法建立的河流輸沙量對氣候變化響應的定量歸因示意圖
關鍵因子對輸沙量的影響可能是正向的（藍色箭頭）也可能是負向的(紅色箭頭)。箭頭上的數字表示各因子對輸沙量增加的貢獻率。