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文档简介
1、第 24卷 第 4期 自 然 资 源 学 报 Vol 124No 14 2009年 4月 JOURNAL OF NAT URAL RES OURCES Ap r . , 2009 黄河源区湿地变化与气候变化的关系研究 李凤霞 1, 2, 常国刚 3, 肖建设 2, 周秉荣 2, 伏 洋 2(11中国气象局 干旱气候变化与减灾重点实验室 , 兰州 730020; 21青海省气象科学研究所 , 西宁 810001;31江西省气象局 , 南昌 330046摘要 :选择黄河源头玛多县 , 利用遥感手段分析了该地区 19902000年和 2000地动态变化 , 采用灰色关联度法 ,在 19902004年
2、间 , , 2其中 前 10年和后 4年平均减小速率分别为 和 210年的 118倍 。 , , 而高原沼泽湿地和河流湿地处, 40116%38137%和 46127%。 , 沼泽与日照和蒸发关联度最大 , 湖泊 , 河流与气温和蒸发关联度最大 。 词 :湿地 ; 气候变化 ; 转移矩阵 ; 黄河源头中图分类号 :Q149; P467 文献标识码 :A 文章编号 :1000-3037(2009 04-0683-081 引言湿地因其本身所具有的生态 、 经济 、 社会三大效益 , 而成为人类可持续发展战略研究中 关注的焦点之一 。 气候是控制湿地消长的最根本的动力因素 , 气候变化对湿地的物质循
3、环 、 能量流动 、 湿地生产力 、 水文过程 、 生物地球化学过程 、 湿地动植物以及湿地生态功能也具有 重要影响 13。 同时湿地消长也会改变湿地生态系统 , 进而加快气候变化的速度 4。国内 外有大量的学者研究了气候变化与水资源 、 湖泊湿地消长的关系 , 研究结果表明 , 随着气候 的暖干化 , 加之对水资源 、 湿地资源的开发利用越演越烈 , 导致了湿地大面积的消退 510。 张树清研究表明 , 三江平原湿地面积与雨水和湿度具有较好的正相关 , 与温度变化呈负相 关 , 湿地在维护区域气候 “ 冷湿 ” 效应中作用突出 11。由于气候变化和人为活动的影响 , 近几十年来 , 黄河源头
4、也出现草地退化 、 湿地萎缩 、 土 地沙漠化 、 水土流失 、 生物多样性丧失等一系列生态环境问题 , 研究黄河源头湿地变化特征 , 对研究青藏高原生态环境演变具有重要意义 。 本文旨在分析黄河源头湿地变化与气候变化 之间的关系 , 为科学保护黄河源区的生态环境提供科学依据 。2 研究区域和所用资料及方法研究区域位于黄河源头的玛多县 , 总面积 25253k m 2, 范围为 33°50 35°40 N, 96°50 收稿日期 :2007-08-13; 修订日期 :2008-10-27。基金项目 :青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划科研课题及应用推广项目
5、 (2006-S -3 ; 科技部科研 院所社会公益研究专项 (2005D I B 3J109 ; 干旱气象科学研究基金 (I A M200708 。第一作者简介 :李凤霞 (1964- , 女 , 江苏无锡人 , 研究员级高级工程师 , 学士 , 主要从事应用气象、 遥感应用研究和 生态环境监测与评估等工作 。 E 2mail:qhlfxs ohu . com 684 自 然 资 源 学 报 24卷99°20 E, 平均海拔 4500m , 地处巴颜喀拉山北麓 , 隶属于果洛藏族自治州 。玛多是黄河流经的第一个县 , 境内的鄂陵湖和扎陵湖是黄河流域最大的两个湖泊 , 也是三江源有名
6、的大淡 水湖 。 该地区由于河流湖泊众多 , 因而发育着大量的沼泽湿地 , 成为研究黄河源湿地变化的 典型地区 , 研究区范围见图 1。 图 1 黄河源区略图Fig 11 The l ocati on of the Yell ow R iver Source Regi on采用 1990、 2000、 2004年美国陆地卫星 T M 资料 , 进行几何校正 、 图像处理后 , 建立遥感 解译标志并对遥感信息资料进行判译 , 在 PC I 图像处理软件支持下 , 利用已经建立的遥感解译标志 , 在图像上选取训练区 , 使用分类监督法进行专题信息分类提取 , 判译各种湿地类型 , 利用图像处理软件
7、统计湿地图斑像元数并按每个像元 30m ×30m 进行面积统计计算 。气 象资料采用玛多县气象站的实际观测资料 。生态环境分类系统参照 “ 863” 西部金睛行动的“ 中国生态环境本底调查分类系统 ” , 该 生态分类系统包括 6个一级类型 、 11个二级类型和 16个三级类型 。 16个三级分类分别是 :建筑用地 、 林地 、 灌草过渡带 、 天然草地 、 沼泽 、 滩涂 、 河流 、 湖泊 、 沙地 、 戈壁 、 河滩 、 宜林草荒 地 、 不宜林草荒地 、 裸岩 、 盐碱地 、 永久雪地冰川 。3 湿地的动态变化和相互转化在过去的 15年里 , 黄河源区湿地的组成结构 (河流
8、、 湖泊 、 沼泽 、 湿地面积等发生了显 著的变化 , 同时该地区的气候特征也发生了明显的变化 。 311 湿地面积变化利用美国陆地卫星 ET M 、 T M 图像资料 , 通过对遥感资料的处理和判译 , 获得了黄河源 区 1990、 2000、 2004年 3个时期不同湿地类型的面积 , 见表 1。 从表 1得出不同时期的湿地 面积的动态变化情况 , 见表 2。从表 1看出 , 黄河源区的湿地以沼泽湿地和湖泊湿地为主 , 分别占到湿地总面的 4917%、 4318%, 二者面积之和占到湿地总面积的 92%以上 , 河流面积比重较小 , 占湿地总面积的 615%。 4期 李凤霞等 :黄河源区
9、湿地变化与气候变化的关系研究 685 表 1 黄河源区不同时期不同类型湿地的面积变化Table 1 I n different stages different wetlands changes in the Yell ow R iver Source Regi on湿地1990年 2000年 2004年斑块数 面积 /hm2斑块数 面积 /hm2斑块数 面积 /hm2表 2 黄河源区不同时期湿地面积动态变化Table 2 W etlands dynam ic changes fr om 1990t o in the ow R湿地19902000年 2000斑块数 面积 /hm2/hm2面积
10、/hm2沼泽 -174-127+-4+120-17597133湖泊 -24184-25-7693133-49-16195117河流 21986-4198117+29-6310115 -23109-16804156-401021652, 在 19902004年间 , 黄河源区的湿地呈现持续萎缩的状态 , 14年间面积 共减少 40102165h m 2, 减少速率平均为 2864148h m 2/a 。 其中前 10年减少 23298109hm 2, 后 4年减少 16804156h m 2, 平均减小速率分别为 2329181h m 2/a 和 4201114h m 2/a, 后 4年的 变化
11、速度是前 10年的 118倍 。 在不同的湿地类型中 , 沼泽 、 湖泊和河流面积均处于萎缩态 势 。 2004年 与 1990年 相 比 , 沼 泽 、 湖 泊 和 河 流 的 面 积 分 别 减 少 了 9145%、 9182%和 22119%。312 湿地类型变化利用 ARC /I N F O 软件 , 将黄河源区 1990、 2000和 2004年同期 3个时相的湿地景观类型 图进行空间叠加分析 , 并分成 2个不同的阶段 。第 1阶段为 19902000年 , 第 2阶段为 20002004年 。 把湿地景观格局变化分成离散的转化状态 , 从一个状态到另一个状态的转 化率 , 转化率
12、是指一种斑块类型转变为另一种斑块类型的面积占对比年该斑块类型面积的 比例 12。 采用马尔科夫转移矩阵来表示各种景观组分之间的转化情况 , 根据转移矩阵 , 可 以分析景观组分之间的转化及转化率 , 还可分析出不同景观类型的稳定程度 。马尔科夫转移矩阵用于描述景观空间结构变化 , 其概率模型 13表示为 :N t+t =PN t+t =P i j (n N t+t式中 , N t 和 Nt +t分别代表 t 和 t +t 时刻状态向量的值 , P 是转化概率矩阵 , 其中 , Pij表示从时间 t 到 t +t 系统从斑块类型 j 转变为斑块类型 i 的概率 , 0 Pij 1, 且 nj =
13、1P ij =1 (n 为斑块类型总数 利用马尔科夫转移矩阵对黄河源区湿地类型变化过程进行空间统计 , 得出黄河源区 19902000年和 20002004年 2个阶段湿地景观类型的转移概率矩阵 , 见表 3、 表 4。 分析表 3、 4得知 , 3种湿地类型中 , 沼泽和河流处于不稳定状态 , 转移概率分别达到 40116%38137%和 46127%40125%。其中沼泽主要转移类型为天然草地 、 灌草过渡 带 、 不宜林草荒地 、 宜林草荒地 , 其中向天然草地转移的概率最高 , 第 1阶段为 30155%, 第 2阶段为 24189%, 其次是灌草过渡带 , 第 1、 2阶段分别为 3
14、156%和 6106%。 河流的主要转移 类型为河滩 、 天然草地 、 沼泽和不宜林草荒地 , 其中向河滩转移的概率第 1、 2阶段分别为 686 自 然 资 源 学 报 24卷 17121%和 11105%, 向天然草地转移的概率第 1、 2阶段分别为 14198%和 17189%, 向沼泽 转移的概率第 1、 2阶段转移概率分别为 10128%和 4169%。湖泊处于相对稳定状态 , 转移 概率为 4196%6139%, 其主要转移类型为沼泽和滩涂 , 转移概率均小于 3%。表 3 19902000年黄河源区湿地景观类型转移矩阵 (%Table 3 Transiti on matrix o
15、f wetlands landscape fr om 1990t o 2000in the Yell ow R iver Source Regi on年 1990年 沼泽 湖泊 河流天然草地灌草过渡带宜林草荒地不宜林草荒地河滩 滩涂表 4 20002004年黄河源区湿地景观类型转移矩阵 (%Table 4 Transiti on matrix of wetlands landscape fr om 2000t o 2004in the Yell ow R iver Source Regi on年 2000年 沼泽 湖泊 河流天然草地灌草过渡带宜林草荒地不宜林草荒地河滩 滩涂 盐碱地4 黄河源区
16、湿地与气候环境变化411 黄河源区气候要素变化趋势湿地生态系统对气候变化较为敏感 , 气候变化会影响湿地水文 、 生物地球化学过程 、 植 物群落及湿地生态功能等 14。 气候变暖引起湿地水文及土壤温度升高 , 将影响湿地的能量 平衡 , 使黄河源区湿地冰雪覆盖和季节冻土冻结时间减少 , 进而导致水位下降 , 而水位及积 水面积变化会影响湿地生态系统生物群落 、 温室气体排放强度及生物地球化学过程等 。在 气候变化的诸因子当中 , 以气温 、 降水 、 蒸发量对湿地的影响最为明显 , 为此以下对黄河源区 19622004年以及 19902004年气温 、 降水 、 蒸发量的变化趋势予以分析 。
17、41111 气温变化19622004年黄河源区近 44年来气候呈增暖趋势 , 四季及年平均气温总体上均在升 高 , 其中年平均气温气候倾向率达 0133 /10a,明显高于整个三江源地区 0127 /10a的年 平均气温变幅 , 而与黄河上游地区 0132 /10a的变幅基本持平 15。就四季及年平均气温 升幅而言 , 冬季气温升幅要明显高于其它三季及年平均气温 , 其气候倾向率高达 0158 /10a, 4期 李凤霞等 :黄河源区湿地变化与气候变化的关系研究 687 44年累计上升了约 216 。但就显著性水平来讲 , 年平均气温的增暖最为显著 , 通过了 01001信度的显著性检验 , 夏
18、 、 秋两季均达到了 0101信度的显著性水平 , 但春季最不显著 , 说明年平均气温的升高主要是由夏 、 秋两季引起的 。由多项式拟合的阶段性变化来看 , 自 1990年以来 , 四季及年平均气温总体上均呈持续增暖趋势 。41112 降水量变化19622004年黄河源区近 44年以来黄河源区年降水量总体上呈增多趋势 , 气候倾向 率达 1314mm /a,但并未达到 0105的显著性水平 。但就四季降水量的变化趋势来看 , 冬春 两季降水量呈明显增多趋势 , 且达到了 0101信度的显著性水平 , , 但不显著 。 由于年降水量主要集中在夏秋两季 ,定了年降水量的变化趋势 。 值得关注的是
19、, , 尽 管自 1990, 这 在冬 、 春 、 。41113年来黄河源区蒸发量呈显著增多趋势 , 其中年蒸发量的增幅 , 其气候倾向率高达 713mm /10a,达到了 01001信度的显著性水 平。 春、 夏、 秋季蒸发量的增多均超过了 0102信度的显著性水平 , 其中冬季最为 显著。 但夏、 秋两季与年蒸发量均呈增大趋势 , 并以夏季蒸发量的增大尤为明显。 与近 44年 来蒸发量一致增大趋势不同的是 , 1990年以来冬、 春两季呈减少趋势 , 其中以冬季最为明显。 以上分析表明 , 平均气温的升高 , 主要表现在夏 、 秋两季 , 而降水量的增加 , 则集中在冬 、 春季 , 说明
20、了近 44年来黄河源区气候暖湿变化的不同季性 。同时 , 尽管黄河源区气候变化 存在一定阶段性变化和季节变化的差异 , 但 1990年以来则呈现出气温升高 、 降水量减少和 蒸发量增大的干旱化趋势 , 显然这一变化对于湿地的萎缩是具有明显驱动作用的 。另外在 气候变化的同时 , 人为因素对于湿地萎缩也起着至关重要的影响 , 研究表明 , 黄河源区人口、 牲畜数量、 G DP 、 农用车辆等人为因素都表现出增长的趋势 , 对湿地萎缩起到加剧的作用 16。 412 湿地变化与气候的关系41211 数据处理湿地变化是之前一段时间内气候变化导致的 , 因此将近 3年的气象数据累计求均值后 , 可以得到
21、年代相邻序列的气象数据 。 为了表示序列数据与当年数据的不同 , 在年代序列数 据后加 x 已示区别 。 分别将湿地面积和序列气象资料与其平均值相除 , 将数据作归一化处 理 , 其计算结果见表 5。表 5 黄河源区湿地与气候变化的比较结果表Table 5 Comparis on bet w een wetlands changes and regi onal cli m ate change in the s ource regi ons of the Yell ow灰色关联度分析是一种因素分析方法 , 是各因素间发展态势的量化比较分析 , 它通过系 统统计数列几何关系的比较来分析系统众多因
22、素间的关联程度 , 是曲线间几何形状的差 别 17。 这种方法对样本数大小没有太高的要求 , 所以比较适合分析小样本 、 多因素之间的 688 自 然 资 源 学 报 24 卷 关联程度 . 令 X 为因子集 , x0 X 为参考序列 , xi X 为比较序列 , x0 ( k , xi ( k 分别为 x0 与 xi的第 k 点的数 , 若 r ( x0 ( k , xi ( k 为实数 , 则 r ( x0 , xi = 1 n n k =1 r ( x 0 ( k , xi ( k i k ( 1 其中 , r ( x0 ( k , xi ( k = m inm in | ( x0 (
23、k - xi ( k | +m axm ax | ( x0 ( k - xi ( k | i k | ( x0 ( k - xi ( k | +maxmax | ( x0 ( k - xi ( k | i k 18 ,为分辨系 数 ,且 0, 1 ,一般情况下 = 015 . 按照式 ( 1 对表 5 进行计算 ,求出湿地面积变化与各气象因子变化之间的关联系数 ,计 算结果见表 6. 表 6 黄河源区湿地面积与气象因子的灰色关联系数 湿地面积 11000 0 01577 0 01765 8 01818 7 01806 0 11000 0 01573 5 01761 6 01737 6 0187
24、2 0 11000 0 01884 6 01735 4 01561 5 01821 9 Table 6 Grey relational coefficient betw een wetlands area and meteorological factors 项目 气温 降水 日照 蒸发 湿地面积 气温 降水 日照 蒸发 气温 降水 日照 蒸发 气温 降水 日照 蒸发 沼泽 湿地面积 湖泊 湿地面积 河流 从表 6 看出 ,不同的湿地类型对气象因子的关联度是不同的 .沼泽与日照和蒸发关联 度最大 ,湖泊与蒸发和降水关联度最大 ,河流与气温和蒸发关联度最大 . 5 结论与讨论 ( 1 黄河源区湿
25、地面积减少迅速 ,区域气候环境变化剧烈 ,超过全球气候变化速度 .湿 地在维护区域气候" 冷湿 " 效应中作用突出 .从表 6 可以看出 ,湿地面积消长与多项气候因 子变化有较好的相关关系 ,其中 : 沼泽湿地面积与日照, 蒸发和降水具有明显的相关关系 ,其灰色关联系数分别为 01818 7, 会出现日照增加 , 蒸发加大和降雨量减少的趋势 ; 反过来如果日照增加 , 蒸发加大和降雨量 减少 ,将导致沼泽湿地面积缩小 ,沼泽湿地主要表现出" " . 湿 效益 湖泊湿地面积与蒸发 , 降水有很好的相关关系 , 其灰色关联系数分别为 01872 0 和 01
26、761 6.湖泊湿地面积减少会导致蒸发增大和降水减少的趋势 ; 同样 , 蒸发加大 , 降水减 少 ,将制约湖泊湿地发育 ,使湖泊湿地面积进一步降低 . 01806 0 和 01765 8.其中与降水呈正相关 ,与蒸发和日照呈负相关 .说明沼泽面积减少后 , 01577 0 11000 0 01667 9 01668 9 01777 0 01573 5 11000 0 01667 9 01668 9 01777 0 01884 6 11000 0 01667 9 01668 9 01777 0 01765 8 01667 9 11000 0 01669 1 01727 7 01761 6 01
27、667 9 11000 0 01669 1 01727 7 01735 4 01667 9 11000 0 01669 1 01727 7 01818 7 01668 9 01669 1 11000 0 01825 3 01737 6 01668 9 01669 1 11000 0 01825 3 01561 5 01668 9 01669 1 11000 0 01825 3 01806 0 01777 0 01727 7 01825 3 11000 0 01872 0 01777 0 01727 7 01825 3 11000 0 01821 9 01777 0 01727 7 01825
28、3 11000 0 4期 李凤霞等 : 黄河源区湿地变化与气候变化的关系研究 689 河流湿地与气温的关系最为密切 , 灰色关联系数为 01884 6, 区域气温升高 , 湿地的 " " 冷 效应减弱 ; 反之 ,湿地面积增高 ,区域气温下降 ,湿地的" " 冷 效应加强 . ( 2 黄河源头的高原沼泽湿地和河流湿地处于非常不稳定的状态 , 向非湿地的转化率 较高 ; 而湖泊处于比较稳定的状态 .本项目中利用 RegCM3 模式进行湿地敏感性试验 ,通过 减少三江源地区湿地来定量模拟湿地变化与气候变化的关系 .结果表明 : 三江源气候变化 与大面积湿地的
29、退化或消失密切相关 .湿地面积减少后 ,三江源大部分地区月平均气温呈 现出增加趋势 ,降水量呈现出减少趋势 .说明湿地与气温变化呈负相关 , 与降水量呈正相 响结果的综合分析不足 ,有待今后作进一步研究 . 参考文献 ( References : 1 杨永兴 . 国际湿地科学研究的主要特点 , 进展与展望 J . 地球科学进展 , 2002, 21 ( 2 : 111 118. YANG Yong2xing . ( 2 : 111 - 118. 关 .即湿地面积减少 ,区域气温升高 ,降水量减少 ,湿地的" 冷湿 " 效应减弱 . ( 3 由于缺少湿地小气候观测资料 ,对气
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44、 . 14 郭跃东 ,何岩 ,邓伟 . 扎龙河滨湿地水系统脆弱性特征及影响因素分析 J . 湿地科学 , 2004, 2 ( 1 : 47 53. GUO 15 李林 ,李凤霞 ,郭安红 ,等 . 近 43 年来" 三江源 " 地区气候变化趋势及其突变研究 J . 自然资源学报 , 2006, 21 ( 1 : 2. Q inghai Meteorological Science Institute, Xi' ning 810001, China; 3. J iangxi Meteorology Bureau, Nanchang 330046, China Abst
45、ract: B y remote sensing technology wetlands changes from 1990 to 2000 and from 2000 to 2004 were analyzed in M aduo county ( in the Yellow R iver Source Region , and transfor rule m ficient betw een different wetlands and meteorological factors was studied. The results indicated orological factors
46、was different Swamp land was highly relative to sunlight and evaporation, and . perature and evaporation. Yellow R iver 2000 and that from 2000 to 2004 were respectively 2329. 81 ha / a and 4201114 ha / a. The de2 3%. The changes of s wamp lands and rivers were very unstable. The transform p robabili
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