黄河流域多尺度水系统结构变化特征

大河流域的水系统是支撑社会-生态系统的基础,理解水系统的结构变化是深入揭示区域系统演化的关键。基于自然-社会水系统视角,从黄河全流域和二级水资源分区尺度,利用1998—2018年降水、蒸发、径流、社会经济耗水等水系统变量,通过Mann-Kendall趋势检验和线性回归分析方法,分析了水系统要素的变化趋势及结构演变特征。结果表明：在全流域尺度,降水、蒸发分别以4.25 mm·a^-1、4.09 mm·a^-1的速率上升,但蒸发在空间上的变化更显著;径流量呈现先减少再上升后急剧下降的趋势,且与降水量显著正相关。社会系统耗水量呈现增速减缓的特征,农业灌溉占耗水结构的比例以0.50%的速率逐年下降;城镇公共、居民生活和生态环境耗水比例分别以0.07%、0.29%、0.11%的速率上升。在二级水资源分区尺度,各水系统分异特征明显,兰州至头道拐段及花园口以下区域水系统所支撑社会经济发展的功能已经出现了超载。各水系统要素间具有不同程度的协同演变趋势,在湿润区域,蒸发相较于降水具有明显的滞后现象,但在干旱区域两者变化趋势基本一致。黄河流域水系统要素在时空上均存在明显的异质性,未来人口和经济的进一步发展可能会使区域的水资源压力加剧。     

基于因果网络的黄河流域植被变化归因分析

人类与自然耦合系统是一个充满大量非线性互馈关系的复杂巨系统。当前对系统内单要素和静态特征的研究,虽有助于理解某个时刻的系统状态,却不能完整地表达其内部不同要素间错综复杂的关联。论文着眼于黄河流域区县尺度植被变化归因(以叶面积指数LAI作为表征植被的指标),综合利用人类—自然耦合系统多源数据和因果诊断方法,构建黄河流域LAI复杂因果网络。通过复杂网络统计方法对网络节点、结构特征进行分解,揭示影响流域LAI变化的关键要素及其空间分布特征。研究结果表明：① 1990—2018年流域LAI以1.3%/a的速率增长,增长速率在空间上由东南向西北逐渐递减。② 在网络视角下,降水量、气温、饱和水汽压差、农业用地、城镇化率和粮食产量为影响流域LAI变化的关键要素。③ 自然要素(如降水量和气温等)主导了流域内259个区县的LAI变化;社会经济(如城镇化率和粮食产量等)和土地利用类型(如林地和草地等)要素主导了流域内76个区县的LAI变化,主要集中于黄土高原且影响强度远大于自然要素。研究在人类—自然耦合系统框架下构建了黄河流域植被变化多层互馈网络,综合认知流域植被演变的自然和社会驱动力,为理解自然—社会系统复杂的互馈关系提供了一种新的思路和方法。