氣候變化及其對納帕海濕地的影響*

廖君,沈才明,余曉珊

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院高原湖泊生態(tài)與全球變化重點實驗室；高原地理過程與環(huán)境云南省重點實驗室,云南　昆明650500)

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氣候變化及其對納帕海濕地的影響*

廖君,沈才明,余曉珊

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院高原湖泊生態(tài)與全球變化重點實驗室；高原地理過程與環(huán)境云南省重點實驗室,云南昆明650500)

通過收集納帕海區(qū)域周邊4個氣象站1958-2008年溫度、降水和結(jié)冰日數(shù)的氣象觀測資料，采用線性趨勢估計以及Mann-Kendall檢驗法，對納帕海區(qū)域50年氣候進行分析，闡述氣候變化對納帕海濕地面積的影響。結(jié)果表明：納帕海區(qū)域從1958年至今氣溫一直呈上升趨勢，年平均氣溫升高1.2℃，氣溫線性變率為0.036℃/a；氣溫在1985年發(fā)生突變，由相對平穩(wěn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)為明顯上升的狀態(tài)。結(jié)冰日數(shù)和氣溫變化相反，顯示下降的趨勢，且突變在氣溫突變4年后發(fā)生。納帕海區(qū)域近50年降水趨勢變化不顯著，但年際變率較大。納帕海濕地近50年的變化受自然因素和人為因素疊加作用的影響，第1階段(1955-1974年)主要受氣候因素影響，濕地水域面積較大；第2階段(1975-1997年)主要受氣候因素和人為因素雙重影響，濕地水域面積大幅減少；第3階段(1998-2012年)受人類保護加強的影響，濕地水域面積擴大，但納帕海濕地的內(nèi)部生境處于退化中。

納帕海濕地；氣候變化；線性趨勢估計；Mann-Kendall檢驗法；濕地退化

在1906-2005年約100年的時間內(nèi)全球增暖0.74℃，暖化速率約為每10年0.074℃[1]。在此全球氣候暖化的大背景下，區(qū)域氣候變化以及頻發(fā)的極端氣象事件對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的安全影響巨大，因此，了解區(qū)域氣候變化歷史對認(rèn)識區(qū)域氣候變化的現(xiàn)狀及其影響大有裨益。

濕地生態(tài)系統(tǒng)作為全球重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，在全球的物質(zhì)循環(huán)與能量流動過程中發(fā)揮著巨大作用。在過去幾十年里，濕地資源也受到全球氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在氣候暖化背景下濕地退化的研究成為熱點[2]。云南是一個濕地資源豐富的區(qū)域，對其濕地資源分布區(qū)域氣候變化特征的研究對于保護區(qū)域濕地資源十分重要。納帕海濕地是滇西北典型的高原濕地，也是瀕危物種黑頸鶴(Grusnigricollis)和黑鸛(Ciconianigra)的棲息地；它處于農(nóng)牧交錯帶和旅游區(qū)，是生物多樣性和資源利用的沖突地區(qū)。在過去幾十年，該濕地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)逐漸退化的趨勢，關(guān)于納帕海濕地研究多數(shù)集中在其濕地景觀面積變化[3～4]和濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部生物群落的演替方面[5]，但對于納帕海濕地生態(tài)系統(tǒng)遭受的氣候因素的脅迫影響的研究，未見報道。本文通過收集納帕海區(qū)域周邊4個氣象站50年的觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合線性趨勢估計和5年滑動平均，分析納帕海區(qū)域氣候變化的特征，闡明氣候變化對納帕海濕地的影響，以期為該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的管理與保護提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

納帕海位于滇西北迪慶藏族自治州香格里拉縣境內(nèi)(圖1)的27°49′N至27°55′N和99°37′E至99°43′E之間，地處青藏高原南緣，屬于金沙江流域、滇西北橫斷山區(qū)，海拔3 260m。納帕海濕地的西、北、東部為海拔3 800m至4 449m的群山所環(huán)繞[6]。納帕海屬于中亞熱帶氣候類型，具有明顯的高原氣候特征，太陽輻射強，氣溫年較差小，日較差大。納帕海干濕季明顯，年均溫約5.4℃，降水高度集中在6-9月，年平均降水量約620mm，9月至次年5月有雪，11月至次年5月為明顯的干季[6]。納帕海自然保護區(qū)總面積31.25km2。

圖1　納帕海濕地理位置示意圖

1.2研究方法

本文選取距離納帕海最近的四川木里(27.93°N，101.27°E，海拔2 426.5m)和云南貢山(27.75°N，98.67°E，海拔1 583.3m)、維西(27.17°N，99.28°E，海拔2 326.1m)及香格里拉(27.83°N，99.7°E，海拔3 276.1m)4個氣象站1958年-2008年氣象觀測資料進行統(tǒng)計分析，求取多年氣溫、降水和結(jié)冰日數(shù)的年平均值，并結(jié)合線性趨勢估計和5年滑動平均，分析納帕海區(qū)域氣候變化的特征，用Mann-Kendall檢驗法對納帕海地區(qū)氣候突變時間點作檢測。

1.2.1線性趨勢估計

線性趨勢估計是常用的分離氣候趨勢的統(tǒng)計方法，其原理以時間變量t作為自變量[7]，X的逐年變化作為因變量，建立線性方程X=a+bt。式中，X為氣候要素的線性趨勢，t為時間變量，b為線性方程的斜率。b>0表示氣候要素X(t)在統(tǒng)計時間內(nèi)呈線性增加趨勢；b<0表示氣候要素X(t)在統(tǒng)計時間內(nèi)呈線性下降趨勢；b≈0表示氣候要素X(t)在統(tǒng)計時間內(nèi)無明顯的變化趨勢。

1.2.2滑動平均

滑動平均值是從一個有n項的時間序列中來計算多個連續(xù)m項序列的平均值?；瑒悠骄梢韵魅跽穹?，濾掉長期變化中的小周期性振動而顯示出較大的變化趨勢，從曲線的上升、下降以及平緩來分析氣候特征[7]。本文選取5年滑動平均診斷納帕海區(qū)域氣候要素波動趨勢。

1.2.3Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法(簡稱M-K檢驗)，是時間序列數(shù)據(jù)趨勢檢驗中廣泛使用的非參數(shù)檢驗法。其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[8]。本文在Excel 2007中用Mann-Kendall方法實現(xiàn)了1958-2008年納帕海區(qū)域氣候變化趨勢檢測和突變年份檢驗。其方法參考張盛霖[9]：當(dāng)UF(k)或UB(k)值大于0，表明序列呈上升趨勢，小于0，則表明序列呈下降趨勢；當(dāng)UF(k)或UB(k)超過臨界值，表明上升或者下降趨勢顯著。超過臨界的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UF(k)和UB(k)兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點位于臨界線之間，那么交點對應(yīng)的時間便是突變開始的時間。

2　分析結(jié)果

2.1氣溫變化特征和突變

如圖2a所示，納帕海區(qū)域半個世紀(jì)的氣溫呈上升趨勢。線性趨勢估計表明，整體而言，在1958-2008年的50年間，氣溫上升了1.2℃，區(qū)域氣溫的線性變率為0.036℃/a(趨勢線的斜率)；而其間年均溫極端高值年份(1999年)和極端低值年份(1959年)的年均溫差值可達3.138℃，遠大于平均狀態(tài)的增溫，顯示了氣溫平均狀態(tài)和極端情況下的變化幅度。

從5年滑動平均來看，1958-2008年納帕海氣候呈現(xiàn)出波動增溫的趨勢。1975年前的5年滑動平均值基本上都大于趨勢值，表明這幾年增溫顯著；在1976-1992年，5年滑動平均值均小于趨勢值，說明期間的氣溫增加不明顯，基本變化在10.9℃，有±0.4左右的變化幅度；隨后又是一個顯著增溫的階段，5年滑動平均值都高于趨勢值。在90年代，最高溫的1999年和最低溫的1992年間溫差達2.05℃，增溫顯著。

納帕海區(qū)域年平均氣溫M-K統(tǒng)計量曲線(圖3a)表明，氣溫上升的趨勢在1971年時通過95%的顯著性檢驗，到1973年時通過99%的顯著性檢驗，隨后UF(k)值變化在95%～99%的置信區(qū)間；1985年后，氣溫上升趨勢明顯通過99%的顯著性檢驗，氣溫上升趨勢顯著，和線性趨勢估計的結(jié)果一致。氣溫M-K統(tǒng)計量曲線(圖3a)還顯示，UF(k)和UB(k) 在1985年出現(xiàn)交叉點，表明在1985年前后納帕海出現(xiàn)了氣溫突變。突變前，1963-1984年的氣溫相對平穩(wěn)，在10.6℃上下有大約±0.3左右的波動；突變后，1985-1999年的年平均溫度明顯上升，氣溫的線性變率可達0.095℃/a。

圖2　　　　納帕海近50年均溫(a)、年降水量(b)和年結(jié)冰天數(shù)(c)變化特征

2.2降水及結(jié)冰天數(shù)變化特征和突變

由圖2b可知，近50年降水未呈現(xiàn)明顯的趨勢性變化。線性趨勢估計得出0.76的b值和0.008的R2，說明降水不存在趨勢性變化?？傮w來說，近50年年降水的平均值是1 042mm，年際變化幅度較大，如1959年與1960年、1963年與1964年、1987年與1988年和2002年與2003年的年均降水分別相差396mm、370mm、354mm和332mm，最大差值可達多年年平均降水的38%。

年平均降水的5年滑動平均、線性趨勢估計和年際變化同時表明，近50年降水也存在著階段性變化。1958-1966年的平均年降水是1 051mm，和近50年的平均年降水接近，但年際變化大，前述最大年際差異就存在于此階段。隨后是一個降水相對減少的階段(1967-1987年)，平均年降水是1 013mm；其中，最初11年的平均降水比后10年減少更為明顯。跟隨此階段的是一個降水明顯增加的階段(1988-1993年)，此6年的年降水都高于近50年的平均年降水，6年平均值為1 146mm，高出近50年平均值100mm多。1994年以后年均降水量又呈減少態(tài)勢，雖然多年平均的年均降水(1 036mm)與近50年平均值接近，但和第一階段一樣顯示了幅度較大的年際變化。需要指出的是，降水中降雪成分在過去的近50年里可能逐漸減少。有文獻表明香格里拉氣象站降雪日數(shù)由1958年的58d下降至2006年的34d，平均下降率是10d/4.5a[10]。

圖3　　　　納帕海區(qū)域周邊4個站點的Mann-Kendall氣候突變檢測

納帕海區(qū)域年平均降水量M-K統(tǒng)計量曲線(圖3b)表明，納帕海區(qū)域近50年平均降水量變化趨勢不顯著。1976年以前出現(xiàn)了密集的UF(k)和UB(k)的交叉點(1958年、1960年、1961年、1962年、1963年、1965年、1973年、1975年)，指示了年際降水量的劇烈變化。

納帕海區(qū)域結(jié)冰日數(shù)的線性趨勢估計(圖2c)和M-K統(tǒng)計量曲線(圖3c)表明，1958年至今納帕海區(qū)域的結(jié)冰日數(shù)一直呈下降趨勢，這種下降趨勢通過99%顯著性檢驗；UF(k)和UB(k)在1989年出現(xiàn)交叉點，指示結(jié)冰日數(shù)在1989年前后發(fā)生了突變，在1989年前，結(jié)冰日數(shù)較多，年際變化幅度大，1989年后，結(jié)冰日數(shù)維持在50d左右，最大天數(shù)不超過65d，最小天數(shù)僅為40d?？傮w來說，結(jié)冰日數(shù)的變化趨勢和氣溫變化趨勢相反，氣溫上升，結(jié)冰日數(shù)減少，結(jié)冰日數(shù)的突變時間點滯后氣溫突變時間點4年。

2.3氣候變化對納帕海濕地的影響

喻慶國等[11]以1955-2011年具有代表性的18個年度36期的航空和衛(wèi)星影像資料探討了納帕海水域面積的變化。在本研究中，選取其中32個干季(上一年11月至當(dāng)年5月)數(shù)據(jù)，同一年干季有多個數(shù)據(jù)，取它們的平均值，最終得到納帕海18個干季水域面積數(shù)據(jù)。結(jié)合過去近50年的年平均溫度和年平均降水的變化，1955年以來納帕海濕地水體干季面積動態(tài)顯示出3階段的變化趨勢(圖4)。

圖4　　　　1955-2012年納帕海濕地水體干季面積變化(據(jù)喻慶國等[11]數(shù)據(jù)繪制)及年均溫和

第1階段(1955-1974年)納帕海區(qū)域處在受自然因素調(diào)控、人為活動較弱的階段。此階段的氣溫是過去近50年最低的時期，年均降水量雖表現(xiàn)出較大的年際變化，但多年均值僅略低于近50年的平均值。因此，當(dāng)時的氣候條件有利于納帕海濕地維持較大的水域面積和沼澤面積。彭濤對1974年1月15日的衛(wèi)星圖象研究表明，當(dāng)天的水體和沼澤面積分別為889.12hm2和2 182.06hm2，占納帕海濕地的24.32%和59.70%[3]，明顯指示了這一點。對珍稀鳥類的觀測似乎也說明此階段的納帕海濕地還保持著良好的自然狀態(tài)。20世紀(jì)60年代以前國家一級保護動物丹頂鶴(Grusjaponensis)數(shù)量較多，1980年冬僅見8～9只，而現(xiàn)在已經(jīng)不見蹤跡[12]。

第2階段(1975-1997年)納帕海濕地受人類活動影響強烈、濕地急劇萎縮退化的階段。年平均氣溫在本階段早期和前一階段差別不大，但在1985年發(fā)生氣溫突變后，年平均氣溫明顯上升，導(dǎo)致隨后的1989年發(fā)生了結(jié)冰日數(shù)的突變。此時期的降水量基本和近50年的平均值接近，盡管也有較大的年際變化，但此時段的納帕海濕地水域面積一直維持在超低狀態(tài)，并在1980年出現(xiàn)近50年面積的最小值。這顯然并不僅是氣候因素之故，因1980年及其之前3年均不是特別偏暖偏干的年份，如此長時間的濕地水域面積萎縮除了氣候因素外，還和人類活動有關(guān)。20世紀(jì)70年代末，為擴大牧場和耕地人們采取增大落水洞口的辦法加大湖水排泄速度和排泄量[13]，居民直接在排水疏干區(qū)域開墾或放牧，濕地沼澤景觀被分割，同時破壞生物生存環(huán)境的連續(xù)性和完整性，引起沼澤逆向生態(tài)演替，加速沼澤退化，結(jié)果導(dǎo)致水域面積進一步縮小。另也與人類破壞森林覆蓋度加劇水域面積減少有關(guān)[14]，因受此區(qū)高寒氣候和傳統(tǒng)生活文化影響，香格里拉縣居民對木材需求量比較大，尤其在1980年后，全縣出現(xiàn)了繼“大躍進”后的第二次亂砍亂伐時期[15]。

第3階段(1998-2012年)納帕海濕地人為保護加強，濕地水域面積有所擴大。此階段的氣溫是整個研究時期年平均溫度最高的時期，年均降水略低于近50年的平均值。溫度的增加和降水的減少引起蒸發(fā)量的增加和湖泊水量的減少，導(dǎo)致濕地水體面積的降低。但是，正如圖4所示，此階段納帕海的水域面積遠高于上階段，且2011年納帕海水域面積達到近50年最大值。納帕海濕地水域面積的增加和進入21世紀(jì)后的氣候條件不符，很顯然和人為加強保護納帕海[16]有關(guān)。國家和地方政府相關(guān)宏觀政策的實施，如天保工程建設(shè)(1998年)、退耕還林過程(1999年)、生態(tài)立州(2003年)、濕地生態(tài)恢復(fù)工程(2005年)等，使得納帕海流域的森林覆蓋率得到提高和流域生態(tài)系統(tǒng)有所改善。香格里拉縣森林覆蓋率從20世紀(jì)50年代的43.8%降至1984年的34.4%，上升至2007年的74.99%[11]。但需要指出的是，此階段納帕海濕地的水域面積雖在擴大且流域生態(tài)系統(tǒng)有所改善，但濕地內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)仍在退化。肖德榮等對納帕海水生植物群落分布格局變化研究表明[5]，這一時段水質(zhì)的改變使得耐污、耐肥的茭草(Zizanialatifolia)、水蔥(Schoenoplectustabernaemontani)、穗狀狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)等非優(yōu)勢物種逐漸占據(jù)優(yōu)勢，成為群落的優(yōu)勢種。濕地水生植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)變化的指示，證明納帕海濕地內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)在退化。

3　結(jié)論

納帕海地區(qū)的氣候在過去的近50年里發(fā)生了明顯的變化，特別是年平均溫度和結(jié)冰日數(shù)。線性趨勢估計和Mann-Kendall檢驗法分析表明，年平均溫度存在明顯的增溫趨勢，而結(jié)冰日數(shù)存在顯著的下降趨勢；氣溫在1985年發(fā)生突變，由相對穩(wěn)定的氣溫狀態(tài)突變?yōu)轱@著上升的狀態(tài)，而結(jié)冰日數(shù)的突變時間點滯后氣溫突變時間點4年；降水在整個研究時間段里沒有明顯的變化趨勢，但年際間存在較大的變化幅度，最大差值可達多年年平均降水的38%。

納帕海區(qū)域氣候變化對納帕海濕地的變化有明顯的影響。在研究期內(nèi)，第1階段(1955-1974年)，人類活動較弱，氣候調(diào)控著納帕海濕地，濕地的水域面積較大；在第2階段(1975-1997年)，氣溫增加導(dǎo)致濕地水域面積減少，人為活動加劇(破壞森林覆蓋和開挖落水洞)導(dǎo)致納帕海濕地水域面積減少加劇，濕地萎縮退化；到了第3階段(1998-2012年)，雖然氣候暖干化導(dǎo)致濕地水域面積減少，但隨著人為開墾力度的減緩和濕地保護意識的增強，納帕海濕地水域面積減少得到抑制，相比第2階段有所增加。進入21世紀(jì)后，濕地面積在人為因素作用下有所增加，但納帕海濕地已出現(xiàn)以中生草甸為主的非濕地景觀替代濕地景觀，同時納帕海水生植物群落中挺水群落數(shù)增加[17]表示濕地深水環(huán)境逐漸在喪失，表明納帕海濕地生境已發(fā)生退化。

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Climate Changes and Its Influence on Napahai Wetland

LIAO Jun，SHEN Cai-ming，YU Xiao-shan

(Key Laboratory of Plateau Lake Ecology and Global Change,Yunnan Provincial Key Laboratory of Plateau Geography Process and Environment Changes,College of Tourism and Geographical Science,Yunnan Normal University,Kunming Yunnan 650500,P.R.China)

The observational meteorological data from 4 weather stations around the Napahai Wetland from 1958 to 2008 were analyzed to reveal the trend and abrupt shift of climate changes using linear trend estimation and the Mann-Kendall test method.The results show a warming trend in mean annual temperature and a downward trend in the number of icing days.Mean annual temperature increased 1.2℃ from 1958 to 2008 with a warming rate of 0.036℃/a.An abrupt shift of temperature from a relatively stable status to a status of significant increase occurs in 1985,and another abrupt shift in the number of icing days 4 years later.No significant trend exists in annual precipitation,but it has a large inter-annual variability in the recent 50 years.Both climate conditions and human activities have significant influences on the evolution of the Napahai Wetland.Climate conditions controlled the water area of the wetland in the first stage(1955-1974),whereas both climate conditions and the human activities caused the large shrink of its water area in the second stage(1975-1997).Its water area began to increase because of the human’s protect in 21century,but the habitats within the wetland have been in a degradation process.

Napahai Wetland；climate change;linear trend estimation;Mann-Kendall test method;Wetland degradation

2016-02-01

云南省高端科技人才引進項目(2013HA024)，國家自然科學(xué)基金項目(批準(zhǔn)號：41372191)，云南省科技計劃重點項目(2014FA005)共同資助。

廖君(1992-)，女，碩士生，主要從事湖泊沉積與環(huán)境演化研究。E-mail:liaojun@163.com

簡介：沈才明(1963-)，男，教授，博士，主要從事古氣候?qū)W研究。E-mail:cmshen@hotmail.com

P 343.3

A

1672-8246(2016)04-0136-06

doi:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.04.023