加拿大伊利湖与安大略湖盆地近期气候与土地利用变化：对径流及水质的影响

《Sustainability》：Recent Changes in Climate and Land Use in the Canadian Lake Erie and Lake Ontario Basins: Implications for Runoff and Water Quality

　　

气候变化与土地利用变化是大湖盆地水文与水质动态的主要驱动因素。本研究旨在调查2009–2022年间加拿大伊利湖盆地（CLEB）与加拿大安大略湖盆地（CLOB）内选定典型流域的气候、土地利用、径流及总磷（TP）负荷的近期变化。研究结果表明，近期增暖与水文气候变率已改变安大略南部的水文情势，表现为冬季温度升高与季节性径流偏移。土地利用变化，包括行栽作物扩张与城镇用地扩展，进一步影响流域响应。TP负荷变化与水文气候条件及土地利用变化相关。这些发现突显了变化水文气候条件下事件驱动型养分输运日益增加的重要性，并支持适应季节性径流变率与事件驱动型养分输运的流域综合管理方法。本研究为理解安大略南部流域气候与土地利用变化对水文和养分负荷的复合影响提供了见解。分析结果增进了对大湖地区水质动态的理解，并支持在未来气候与土地利用变化条件下制定更有效、适应性强且综合的流域管理策略。

本研究发表于《Sustainability》，聚焦于北美五大湖中加拿大伊利湖盆地（Canadian Lake Erie Basin, CLEB）与加拿大安大略湖盆地（Canadian Lake Ontario Basin, CLOB）近期气候与土地利用变化对水文过程及水质的影响。研究背景源于五大湖作为加拿大与美国重要的饮用水、工农业、交通、旅游及生态可持续性水源，正面临污染与藻华等环境挑战。根据加拿大环境与气候变化部（Environment and Climate Change Canada, ECCC）及美国环保署报告，伊利湖与安大略湖盆地的总磷（Total Phosphorus, TP）浓度已超过大湖水质协议（Great Lakes Water Quality Agreement, GLWQA）及安大略省水质目标（Provincial Water Quality Objective, PWQO）规定的阈值。为应对这些问题，美加两国签署了GLWQA，并于2018年发布了加拿大-安大略伊利湖行动计划（Canada-Ontario Lake Erie Action Plan, LEAP FTWQA），2023年又启动了大湖淡水生态系统倡议（Great Lakes Freshwater Ecosystem Initiative, GLFEI）。然而，气候变化增加极端事件频率与强度，改变蒸散发并影响流域水文与水质；土地利用变化同样改变流域过程并显著影响水量与水质。尽管已有研究记录了五大湖地区水文气候变率增加、径流情势变化及磷输运动态演变，但鲜有研究采用一致的比较框架综合评估CLEB与CLOB近期气候、土地利用、径流及TP负荷的协同变化。本研究旨在调查这两个盆地近期气候与土地利用变化及其对选定典型案例研究流域水量与水质的影响，以期为理解该区域气候、土地利用、径流及水质变化，以及未来变化条件下有效水质管理方案的制定提供科学依据。

研究采用的技术方法主要包括：气候数据来源于ECCC的加拿大地表再分析数据集第二版（Canadian Surface Reanalysis Version 2.1, CaSR-V2.1）1980–2018年网格化日数据，空间分辨率约10 km，并通过反距离权重插值法将多个气象站点观测数据延伸至2022年；土地利用数据采用加拿大农业与农业食品部（Agriculture and Agri-Food Canada, AAFC）2011–2022年年度作物清查数据库；选取CLEB的格兰德河（Grand River）、西德纳姆河（Sydenham River）、泰晤士河（Thames River）及CLOB的卡拉瑟斯溪（Carruthers Creek）、达芬斯河（Duffins River）、汉伯河（Humber River）、鲁日河（Rouge River）共7个典型流域进行分析；流量数据来自加拿大水文调查局（Water Survey of Canada, WSC）及格兰德河流域保护局（Grand River Conservation Authority, GRCA）；水质数据来自安大略省水质监测网络（Provincial Water Quality Monitoring Network, PWQMN）、多伦多地区保护局区域流域监测项目（Regional Watershed Monitoring Program, RWMP）及ECCC水质监测与监督项目（Water Quality Monitoring and Surveillance, WQMS）。分析方法包括描述性统计、曼-肯德尔（Mann–Kendall, MK）趋势检验结合森氏斜率（Sen's slope）估计趋势幅度；基流分离采用土壤和水文评估工具（Soil and Water Assessment Tool, SWAT）中递归数字滤波法，设定10天退水常数；TP浓度与负荷估算采用基于时间、流量和季节的加权回归结合卡尔曼滤波（Weighted Regressions on Time, Discharge, and Season with a Kalman filter, WRTDS-K）方法，该方法通过状态空间框架实现时变系数，更好捕捉水质动态的变化；季节划分为冬季（12–2月）、春季（3–5月）、夏季（6–8月）及秋季（9–11月），水文年为12月1日至次年11月30日。

研究结果部分，"降水和温度的变化"表明，基于CaSR-V2.1数据（1980–2018年），CLEB和CLOB年均降水量分别为903 mm和921 mm，无显著趋势；但年均温度显著上升，速率分别为0.022 °C/yr和0.031 °C/yr。季节上，冬季和春季降水呈增加趋势，夏季和秋季呈减少趋势，秋季CLOB降水减少趋势显著；各季节温度均呈上升趋势，秋季两地趋势显著。空间上，北部高海拔区降水较多，西南部温度较高。2007年后降水变率增大，2012年两地均为低降水年份。

"土地利用和作物类型的变化"显示，2011–2022年间两盆地均呈现行栽作物（玉米和大豆）扩张、牧草和饲料用地减少的趋势，玉米和大豆面积MK检验Z值为正，牧草饲料Z值为负。城市用地显著增加（Z = 4.43–4.46），CLEB从约1272 km²增至1692 km²（增幅33%），CLOB从2608 km²增至3165 km²（增幅21%）。冬小麦面积相对稳定。这些变化反映了农业集约化趋势，行栽作物系统通常伴随更高施肥量、更多地下排水 tile drainage 及机械化耕作，可能增加磷素可利用性和径流驱动型养分流失风险。

"径流和流量的变化"表明，CLEB流域年径流深为349–442 mm，径流系数约0.38–0.46，基流占年径流29–44%；CLOB流域年径流深128–445 mm，城市化高的流域径流响应更快。长期记录显示冬季和夏季径流呈增加趋势，泰晤士河泰晤士维尔站冬季Z = 2.63、夏季Z = 3.24，汉伯河韦斯顿站冬季Z = 3.73、夏季Z = 5.35，这可能与区域增温和冬季降水增加有关。春季泰晤士维尔站呈微弱下降趋势（SS = ?0.19），但不显著。

"TP负荷的变化"表明，CLEB流域年TP负荷为0.49–0.79 kg/ha，CLOB为0.53–0.67 kg/ha；泰晤士河负荷最高，与其高农业强度、点源及较高径流深相关。湿润年份TP负荷升高，干旱年份如2010和2012年则显著降低，泰晤士河流域年TP负荷从2010年0.33 kg/ha增至2011年1.11 kg/ha，增幅逾三倍。春季为TP输运主导季节，冬季和夏季事件亦有贡献。近年泰晤士维尔站和韦斯顿站冬季TP负荷的贡献可能增加，反映增温和冬季降水增加对非生长季养分活化的影响。

讨论部分，"气候和土地利用变化对研究区径流和TP负荷的影响"指出，研究发现径流和TP负荷存在显著年际变率，受气候变率与土地利用变化的复合影响。冬季温度升高增强了非生长季和早春径流，改变水文情势和养分输出季节分布。行栽作物扩张及牧草饲料减少，通过增强磷素可利用性和水文连通性，提高了径流驱动型养分流失的敏感性。城市不透水面增加虽面积比例相对较小，但可能因增强水文连通性和限制入渗而产生不成比例的影响。冬季和春季增流与农业强度叠加，导致关键时期TP负荷升高；城市流域不透水面与强降雨的交互亦放大径流峰值和污染物输运。然而，由于未采用因子情景分析或效应分解方法，这些交互作用尚不能定量区分为加性或协同效应。

"分析中的不确定性"部分阐述了数据来源与方法假设带来的多重不确定性：气候数据融合再分析与站点数据可能存在方法不一致；AAFC作物清查数据存在分类误差和时间不一致性；农业管理数据（施肥量、耕作措施、粪肥管理、排水改良等）缺乏限制因果归因；单一退水参数简化不同水文地质条件的基流分离差异；TP负荷估算受采样频率影响显著，月度采样可能低估风暴事件贡献，WRTDS-K虽能部分缓解但仍依赖离散样本的统计关系；不同数据集时间覆盖差异及2009–2022年相对较短的分析期，限制统计功效和趋势解释的确定性。

"适应策略"部分提出，针对CLEB和CLOB流域TP负荷对水文变率和土地利用动态的强敏感性，以及高流条件下日益增强的响应，需采取源头削减与输运限控双管齐下的策略。具体包括：增强水分滞留以减少快速径流的措施，如控制排水（controlled drainage）、河岸缓冲带（riparian buffers）和湿地恢复；适应性养分管理，优化施肥时机与 placement，采用精准农业技术，避免晚秋、冬季解冻和早春等高风险期施肥；基于自然解决方案，如河流与湿地恢复、洪泛区重建、低影响开发（low-impact development）；改善肥料管理、减少土壤扰动和排水管理；强化政策治理框架，转向基于成效的保护项目，识别关键源区，加强利益相关者协作与跨尺度协调；整合长期监测与过程模型和统计模型，定期更新负荷估算并调整管理策略。

研究结论部分翻译如下：本研究识别了近几十年来CLEB和CLOB典型流域气候、水文、土地利用及TP负荷的并发变化。结果表明冬季径流增加、水文情势季节性偏移、行栽作物农业扩张及若干农业流域TP输出风险升高。这些发现对GLWQA和LEAP框架下的养分管理具有重要意义，提示主要基于年度或生长季条件的策略可能低估变化水文气候情势下的未来磷素损失。研究结果强调需要采取适应性的流域管理方法，综合考虑农业景观中的气候恢复力、季节性径流偏移和水文连通性。本研究还强调需要加强流域监测网络以捕捉事件驱动型磷负荷动态，在产流响应显著的农业流域，增加融雪期和大径流事件期间的采样尤为重要，因为双周或月度采样可能显著低估年TP输出。扩大自动化事件驱动型监测和高频采样将改善负荷估算与趋势识别。若干不确定性仍有待解决，包括采样频率对负荷估算的影响、基流分离方法的不确定性、以及区分气候、土地利用和管理措施对养分输出影响的挑战。未来研究应纳入事件尺度监测、情景建模和不确定性分析，以量化水文气候变率、农业集约化和流域管理的交互效应。加强长期监测、适应性管理和过程分析的综合集成，将支持大湖地区在变化气候和土地利用条件下的养分削减努力和可持续发展。