黄河源区湿地变化与气候变化的关系研究

第24卷　第4期自　然　资　源　学　报Vol124No14　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1990～2000年和2000～2004年的湿

地动态变化,采用灰色关联度法,分析了不同类型的湿地与各气象因子的关联系数。结果表明:

在1990～2004年间,黄河源湿地呈现持续萎缩的状态,减少速率平均为2864148h m2/a。其中

前10年和后4年平均减小速率分别为2329181和4201114h m2/a,后4年的变化速度是前10

年的118倍。高原湖泊处于比较稳定的状态,转移概率小于3%,而高原沼泽湿地和河流湿地处

于非常不稳定的状态,与其他土地类型的转移概率分别达到40116%～38137%和46127%～

40125%。不同的湿地类型与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。

关　键　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)04-0683-08

1　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[1～3]。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[5～10]。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 m2,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(2006-S-3);科技部科研院所社会公益研究专项(2005D I B3J109);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。E2mail:qhlfx@s https://www.360docs.net/doc/a012373333.html,

　自　然　资　源　学　报24卷684

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

Fig11　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、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

Table1　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

沼泽589186210140415173526113709168613107湖泊176164993101152156491117127148797184河流622843616385263241659122126148合计379640104356341195339537139

表2　黄河源区不同时期湿地面积动态变化

Table2　W etlands dynam ic changes fr om1990t o2004in the Yell ow R iver Source Regi on

湿地

1990～2000年2000～2004年1990～2004年

斑块数面积/hm2斑块数面积/hm2斑块数面积/hm2

沼泽-174-12684127+294-4913106+120-17597133湖泊-24-8501184-25-7693133-49-16195117河流+23-2111198+6-4198117+29-6310115合计-23298109-16804156-40102165

分析表2得出,在1990～2004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 m2,减少速率平均为2864148h m2/a。其中前10年减少23298109hm2,后4年减少16804156h m2,平均减小速率分别为2329181h m2/a和4201114h m2/a,后4年的变化速度是前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1990～2000年,第2阶段为2000～2004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+Δt=PN t+Δt=P i j(n)N t+Δt

式中,N

t 和N

t+Δt

分别代表t和t+Δt时刻状态向量的值,P是转化概率矩阵,其中,P

ij

表示从

时间t到t+Δt系统从斑块类型j转变为斑块类型i的概率,0≤P

ij

≤1,且

∑n

j=1

P 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1990～2000年和2000～2004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3156%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　1990～2000年黄河源区湿地景观类型转移矩阵(%)

Table3　Transiti on matrix of wetlands landscape fr om1990t o2000in the Yell ow R iver Source Regi on

2000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

沼泽59184014101643015531562162217901000100湖泊2183951040100017901000100015601780100河流1012801005317314198010001003180171210100天然草地3184010601529515801000100010001000100灌草过渡带5143010001000100941570100010001000100宜林草荒地01000100010001000100100100010001000100不宜林草荒地2104010901450100010001009714201000100河滩01000100171410100010001000100821590100滩涂0100017601000100010001000100010099124

表4　2000～2004年黄河源区湿地景观类型转移矩阵(%)

Table4　Transiti on matrix of wetlands landscape fr om2000t o2004in the Yell ow R iver Source Regi on

2004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

沼泽611630171111924189610621123140010001000100湖泊21639316101000156010001000100010021630157河流4169010059175171890100010061621110501000100

天然草地31170104013696143010001000100010001000100

灌草过渡带51820100010001009411801000100010001000100

宜林草荒地11990100010001000100981010100010001000100

不宜林草荒地21410117013201000100010097110010001000100河滩01002148713601000100010001009011601000100滩涂010001000100010001000100010001001001000100盐碱地010001000100010001000100010001000100100100

4　黄河源区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1962～2004年以及1990～2004年气温、降水、蒸发量的变化趋势予以分析。

41111　气温变化

1962～2004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、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

1962～2004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,夏秋两季降水量虽有增加,但不显著。由于年降水量主要集中在夏秋两季,从而夏秋两季降水量的变化趋势事实上决定了年降水量的变化趋势。值得关注的是,由多项式拟合的降水量阶段性变化趋势来看,尽管自1990年以来秋季降水量是逐年增加的,但黄河源区降水量总体上呈现出减少趋势,这在冬、春、夏三季表现得尤为明显。

41113　蒸发量变化

1962～2004年黄河源区近44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及其显著性水平均最为突出,其气候倾向率高达713mm/10a,达到了01001信度的显著性水平。四季当中冬、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

Table5　Comparis on bet w een wetlands changes and regi onal cli m ate change in the s ource regi ons of the Yell ow 年代沼泽湖泊河流气温降水蒸发日照1990x110573110525111095110544110350019900019525 2000x019853019983110271110544110497019405110289 2004x019574019492018633018912019153110695111086 41212　灰色关联度分析

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,x

0∈X为参考序列,x

i

∈X为比较序列,x

(k),x

i

(k)分别为x0与x i的第

k点的数,若r(x0(k),x i(k))为实数,则

r(x0,x i)=1

n

∑n

k=1

r(x0(k),x i(k))(1)

其中,r(x

0(k),x

i

(k))=

m in

i

m in

k

|(x0(k)-x

i

(k)|+ρmax

i

max

k

|(x0(k)-x

i

(k)|

|(x0(k)-x

i

(k)|+ρmax

i

max

k

|(x0(k)-x

i

(k)|

,ρ为分辨系

数,且ρ∈[0,1],一般情况下ρ=015[18]。

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

Table6　Grey relati onal coefficient bet w een wetlands area and meteor ol ogical fact ors

项目湿地面积气温降水日照蒸发

沼泽湿地面积110000015770017658018187018060气温015770110000016679016689017770降水017658016679110000016691017277日照018187016689016691110000018253蒸发018060017770017277018253110000

湖泊湿地面积110000015735017616017376018720气温015735110000016679016689017770降水017616016679110000016691017277日照017376016689016691110000018253蒸发018720017770017277018253110000

河流

湿地面积110000018846017354015615018219

气温018846110000016679016689017770

降水017354016679110000016691017277

日照015615016689016691110000018253

蒸发018219017770017277018253110000

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018187、018060和017658。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,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018720和017616。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。

　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018846,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RegC M3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,对气候变化与湿地变化的相互影响、影响机理和影响结果的综合分析不足,有待今后作进一步研究。

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a ti on sh i p between W etl ands Changes and C lima te Change

i n the Y ellow R i ver Source Reg i on

L I Feng2xia1,2,CHANG Guo2gang3,X I A O J ian2she2,ZHOU B ing2r ong2,F U Yang2

(1.Key Laborat ory of A rid Cli m ate Change and D isaster Reducti on,C MA,Lanzhou730020,China;

2.Q inghaiMeteor ol ogical Science I nstitute,Xi’ning810001,China;

3.J iangxiMeteor ol ogy Bureau,Nanchang330046,China) Abstract:By re mote sensing technol ogy wetlands changes fr om1990t o2000and fr om2000t o 2004were analyzed in Maduo county(in the Yell ow R iver Source Regi on),and transf or m rule bet w een different wetlands was opened out.By Grey Correlative Analysis method the relative coef2 ficient bet w een different wetlands and meteor ol ogical fact ors was studied.The results indicated that,s wa mp land and lake were dom inant wetlands in the Yell ow R iver Source Regi on,which ac2 counted for92%of the t otal wetlands area.Fr om1990t o2004,wetlands in the Yell ow R iver Source Regi on continued shrinking at a rate of2864148ha/a.The decreasing rate fr om1990t o 2000and that fr om2000t o2004were res pectively2329.81ha/a and4201114ha/a.The de2 creasing rate during the latter4years was118ti m es of that during the f or https://www.360docs.net/doc/a012373333.html,ke change in the p lateau was stable,and the transf or m p r obability t o other land types was less than 3%.The changes of s wa mp lands and rivers were very unstable.The transf or m p r obability of s wa mp land t o other land types was fr om38.37%t o40.16%,and that of river t o other land types was fr om40125%t o46127%.The relative coefficient bet w een different wetlands and mete2 or ol ogical fact ors was different.S wa mp land was highly relative t o sunlight and evaporati on,and lake was highly relative t o evaporati on and p reci p itati on,and river was highly relative t o air te m2 perature and evaporati on.

Key words:wetlands;cli m ate change;transiti on matrix of land use types;s ource regi on of the Yell ow R iver