气候变化及其对纳帕海湿地的影响*

廖君,沈才明,余晓珊

(云南师范大学 旅游与地理科学学院高原湖泊生态与全球变化重点实验室；高原地理过程与环境云南省重点实验室,云南　昆明650500)



气候变化及其对纳帕海湿地的影响*

廖君,沈才明,余晓珊

(云南师范大学 旅游与地理科学学院高原湖泊生态与全球变化重点实验室；高原地理过程与环境云南省重点实验室,云南昆明650500)

通过收集纳帕海区域周边4个气象站1958-2008年温度、降水和结冰日数的气象观测资料，采用线性趋势估计以及Mann-Kendall检验法，对纳帕海区域50年气候进行分析，阐述气候变化对纳帕海湿地面积的影响。结果表明：纳帕海区域从1958年至今气温一直呈上升趋势，年平均气温升高1.2℃，气温线性变率为0.036℃/a；气温在1985年发生突变，由相对平稳的状态转为明显上升的状态。结冰日数和气温变化相反，显示下降的趋势，且突变在气温突变4年后发生。纳帕海区域近50年降水趋势变化不显著，但年际变率较大。纳帕海湿地近50年的变化受自然因素和人为因素叠加作用的影响，第1阶段(1955-1974年)主要受气候因素影响，湿地水域面积较大；第2阶段(1975-1997年)主要受气候因素和人为因素双重影响，湿地水域面积大幅减少；第3阶段(1998-2012年)受人类保护加强的影响，湿地水域面积扩大，但纳帕海湿地的内部生境处于退化中。

纳帕海湿地；气候变化；线性趋势估计；Mann-Kendall检验法；湿地退化

在1906-2005年约100年的时间内全球增暖0.74℃，暖化速率约为每10年0.074℃[1]。在此全球气候暖化的大背景下，区域气候变化以及频发的极端气象事件对区域生态系统的安全影响巨大，因此，了解区域气候变化历史对认识区域气候变化的现状及其影响大有裨益。

湿地生态系统作为全球重要的生态系统之一，在全球的物质循环与能量流动过程中发挥着巨大作用。在过去几十年里，湿地资源也受到全球气候变化的严峻挑战，在气候暖化背景下湿地退化的研究成为热点[2]。云南是一个湿地资源丰富的区域，对其湿地资源分布区域气候变化特征的研究对于保护区域湿地资源十分重要。纳帕海湿地是滇西北典型的高原湿地，也是濒危物种黑颈鹤(Grusnigricollis)和黑鹳(Ciconianigra)的栖息地；它处于农牧交错带和旅游区，是生物多样性和资源利用的冲突地区。在过去几十年，该湿地生态系统呈现逐渐退化的趋势，关于纳帕海湿地研究多数集中在其湿地景观面积变化[3～4]和湿地生态系统内部生物群落的演替方面[5]，但对于纳帕海湿地生态系统遭受的气候因素的胁迫影响的研究，未见报道。本文通过收集纳帕海区域周边4个气象站50年的观测数据，结合线性趋势估计和5年滑动平均，分析纳帕海区域气候变化的特征，阐明气候变化对纳帕海湿地的影响，以期为该区域生态系统的管理与保护提供参考。

1　材料与方法

1.1研究区概况

纳帕海位于滇西北迪庆藏族自治州香格里拉县境内(图1)的27°49′N至27°55′N和99°37′E至99°43′E之间，地处青藏高原南缘，属于金沙江流域、滇西北横断山区，海拔3 260m。纳帕海湿地的西、北、东部为海拔3 800m至4 449m的群山所环绕[6]。纳帕海属于中亚热带气候类型，具有明显的高原气候特征，太阳辐射强，气温年较差小，日较差大。纳帕海干湿季明显，年均温约5.4℃，降水高度集中在6-9月，年平均降水量约620mm，9月至次年5月有雪，11月至次年5月为明显的干季[6]。纳帕海自然保护区总面积31.25km2。

图1　纳帕海湿地理位置示意图

1.2研究方法

本文选取距离纳帕海最近的四川木里(27.93°N，101.27°E，海拔2 426.5m)和云南贡山(27.75°N，98.67°E，海拔1 583.3m)、维西(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个气象站1958年-2008年气象观测资料进行统计分析，求取多年气温、降水和结冰日数的年平均值，并结合线性趋势估计和5年滑动平均，分析纳帕海区域气候变化的特征，用Mann-Kendall检验法对纳帕海地区气候突变时间点作检测。

1.2.1线性趋势估计

线性趋势估计是常用的分离气候趋势的统计方法，其原理以时间变量t作为自变量[7]，X的逐年变化作为因变量，建立线性方程X=a+bt。式中，X为气候要素的线性趋势，t为时间变量，b为线性方程的斜率。b>0表示气候要素X(t)在统计时间内呈线性增加趋势；b<0表示气候要素X(t)在统计时间内呈线性下降趋势；b≈0表示气候要素X(t)在统计时间内无明显的变化趋势。

1.2.2滑动平均

滑动平均值是从一个有n项的时间序列中来计算多个连续m项序列的平均值。滑动平均可以削弱振幅，滤掉长期变化中的小周期性振动而显示出较大的变化趋势，从曲线的上升、下降以及平缓来分析气候特征[7]。本文选取5年滑动平均诊断纳帕海区域气候要素波动趋势。

1.2.3Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法(简称M-K检验)，是时间序列数据趋势检验中广泛使用的非参数检验法。其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰[8]。本文在Excel 2007中用Mann-Kendall方法实现了1958-2008年纳帕海区域气候变化趋势检测和突变年份检验。其方法参考张盛霖[9]：当UF(k)或UB(k)值大于0，表明序列呈上升趋势，小于0，则表明序列呈下降趋势；当UF(k)或UB(k)超过临界值，表明上升或者下降趋势显著。超过临界的范围确定为出现突变的时间区域。如果UF(k)和UB(k)两条曲线出现交点，且交点位于临界线之间，那么交点对应的时间便是突变开始的时间。

2　分析结果

2.1气温变化特征和突变

如图2a所示，纳帕海区域半个世纪的气温呈上升趋势。线性趋势估计表明，整体而言，在1958-2008年的50年间，气温上升了1.2℃，区域气温的线性变率为0.036℃/a(趋势线的斜率)；而其间年均温极端高值年份(1999年)和极端低值年份(1959年)的年均温差值可达3.138℃，远大于平均状态的增温，显示了气温平均状态和极端情况下的变化幅度。

从5年滑动平均来看，1958-2008年纳帕海气候呈现出波动增温的趋势。1975年前的5年滑动平均值基本上都大于趋势值，表明这几年增温显著；在1976-1992年，5年滑动平均值均小于趋势值，说明期间的气温增加不明显，基本变化在10.9℃，有±0.4左右的变化幅度；随后又是一个显著增温的阶段，5年滑动平均值都高于趋势值。在90年代，最高温的1999年和最低温的1992年间温差达2.05℃，增温显著。

纳帕海区域年平均气温M-K统计量曲线(图3a)表明，气温上升的趋势在1971年时通过95%的显著性检验，到1973年时通过99%的显著性检验，随后UF(k)值变化在95%～99%的置信区间；1985年后，气温上升趋势明显通过99%的显著性检验，气温上升趋势显著，和线性趋势估计的结果一致。气温M-K统计量曲线(图3a)还显示，UF(k)和UB(k) 在1985年出现交叉点，表明在1985年前后纳帕海出现了气温突变。突变前，1963-1984年的气温相对平稳，在10.6℃上下有大约±0.3左右的波动；突变后，1985-1999年的年平均温度明显上升，气温的线性变率可达0.095℃/a。

图2　　　　纳帕海近50年均温(a)、年降水量(b)和年结冰天数(c)变化特征

2.2降水及结冰天数变化特征和突变

由图2b可知，近50年降水未呈现明显的趋势性变化。线性趋势估计得出0.76的b值和0.008的R2，说明降水不存在趋势性变化。总体来说，近50年年降水的平均值是1 042mm，年际变化幅度较大，如1959年与1960年、1963年与1964年、1987年与1988年和2002年与2003年的年均降水分别相差396mm、370mm、354mm和332mm，最大差值可达多年年平均降水的38%。

年平均降水的5年滑动平均、线性趋势估计和年际变化同时表明，近50年降水也存在着阶段性变化。1958-1966年的平均年降水是1 051mm，和近50年的平均年降水接近，但年际变化大，前述最大年际差异就存在于此阶段。随后是一个降水相对减少的阶段(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年减少更为明显。跟随此阶段的是一个降水明显增加的阶段(1988-1993年)，此6年的年降水都高于近50年的平均年降水，6年平均值为1 146mm，高出近50年平均值100mm多。1994年以后年均降水量又呈减少态势，虽然多年平均的年均降水(1 036mm)与近50年平均值接近，但和第一阶段一样显示了幅度较大的年际变化。需要指出的是，降水中降雪成分在过去的近50年里可能逐渐减少。有文献表明香格里拉气象站降雪日数由1958年的58d下降至2006年的34d，平均下降率是10d/4.5a[10]。

图3　　　　纳帕海区域周边4个站点的Mann-Kendall气候突变检测

纳帕海区域年平均降水量M-K统计量曲线(图3b)表明，纳帕海区域近50年平均降水量变化趋势不显著。1976年以前出现了密集的UF(k)和UB(k)的交叉点(1958年、1960年、1961年、1962年、1963年、1965年、1973年、1975年)，指示了年际降水量的剧烈变化。

纳帕海区域结冰日数的线性趋势估计(图2c)和M-K统计量曲线(图3c)表明，1958年至今纳帕海区域的结冰日数一直呈下降趋势，这种下降趋势通过99%显著性检验；UF(k)和UB(k)在1989年出现交叉点，指示结冰日数在1989年前后发生了突变，在1989年前，结冰日数较多，年际变化幅度大，1989年后，结冰日数维持在50d左右，最大天数不超过65d，最小天数仅为40d。总体来说，结冰日数的变化趋势和气温变化趋势相反，气温上升，结冰日数减少，结冰日数的突变时间点滞后气温突变时间点4年。

2.3气候变化对纳帕海湿地的影响

喻庆国等[11]以1955-2011年具有代表性的18个年度36期的航空和卫星影像资料探讨了纳帕海水域面积的变化。在本研究中，选取其中32个干季(上一年11月至当年5月)数据，同一年干季有多个数据，取它们的平均值，最终得到纳帕海18个干季水域面积数据。结合过去近50年的年平均温度和年平均降水的变化，1955年以来纳帕海湿地水体干季面积动态显示出3阶段的变化趋势(图4)。

图4　　　　1955-2012年纳帕海湿地水体干季面积变化(据喻庆国等[11]数据绘制)及年均温和

第1阶段(1955-1974年)纳帕海区域处在受自然因素调控、人为活动较弱的阶段。此阶段的气温是过去近50年最低的时期，年均降水量虽表现出较大的年际变化，但多年均值仅略低于近50年的平均值。因此，当时的气候条件有利于纳帕海湿地维持较大的水域面积和沼泽面积。彭涛对1974年1月15日的卫星图象研究表明，当天的水体和沼泽面积分别为889.12hm2和2 182.06hm2，占纳帕海湿地的24.32%和59.70%[3]，明显指示了这一点。对珍稀鸟类的观测似乎也说明此阶段的纳帕海湿地还保持着良好的自然状态。20世纪60年代以前国家一级保护动物丹顶鹤(Grusjaponensis)数量较多，1980年冬仅见8～9只，而现在已经不见踪迹[12]。

第2阶段(1975-1997年)纳帕海湿地受人类活动影响强烈、湿地急剧萎缩退化的阶段。年平均气温在本阶段早期和前一阶段差别不大，但在1985年发生气温突变后，年平均气温明显上升，导致随后的1989年发生了结冰日数的突变。此时期的降水量基本和近50年的平均值接近，尽管也有较大的年际变化，但此时段的纳帕海湿地水域面积一直维持在超低状态，并在1980年出现近50年面积的最小值。这显然并不仅是气候因素之故，因1980年及其之前3年均不是特别偏暖偏干的年份，如此长时间的湿地水域面积萎缩除了气候因素外，还和人类活动有关。20世纪70年代末，为扩大牧场和耕地人们采取增大落水洞口的办法加大湖水排泄速度和排泄量[13]，居民直接在排水疏干区域开垦或放牧，湿地沼泽景观被分割，同时破坏生物生存环境的连续性和完整性，引起沼泽逆向生态演替，加速沼泽退化，结果导致水域面积进一步缩小。另也与人类破坏森林覆盖度加剧水域面积减少有关[14]，因受此区高寒气候和传统生活文化影响，香格里拉县居民对木材需求量比较大，尤其在1980年后，全县出现了继“大跃进”后的第二次乱砍乱伐时期[15]。

第3阶段(1998-2012年)纳帕海湿地人为保护加强，湿地水域面积有所扩大。此阶段的气温是整个研究时期年平均温度最高的时期，年均降水略低于近50年的平均值。温度的增加和降水的减少引起蒸发量的增加和湖泊水量的减少，导致湿地水体面积的降低。但是，正如图4所示，此阶段纳帕海的水域面积远高于上阶段，且2011年纳帕海水域面积达到近50年最大值。纳帕海湿地水域面积的增加和进入21世纪后的气候条件不符，很显然和人为加强保护纳帕海[16]有关。国家和地方政府相关宏观政策的实施，如天保工程建设(1998年)、退耕还林过程(1999年)、生态立州(2003年)、湿地生态恢复工程(2005年)等，使得纳帕海流域的森林覆盖率得到提高和流域生态系统有所改善。香格里拉县森林覆盖率从20世纪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，此阶段纳帕海湿地的水域面积虽在扩大且流域生态系统有所改善，但湿地内部生态系统仍在退化。肖德荣等对纳帕海水生植物群落分布格局变化研究表明[5]，这一时段水质的改变使得耐污、耐肥的茭草(Zizanialatifolia)、水葱(Schoenoplectustabernaemontani)、穗状狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、金鱼藻(CeratophyllumdemersumL.)等非优势物种逐渐占据优势，成为群落的优势种。湿地水生植物作为湿地生态系统变化的指示，证明纳帕海湿地内部生态系统在退化。

3　结论

纳帕海地区的气候在过去的近50年里发生了明显的变化，特别是年平均温度和结冰日数。线性趋势估计和Mann-Kendall检验法分析表明，年平均温度存在明显的增温趋势，而结冰日数存在显著的下降趋势；气温在1985年发生突变，由相对稳定的气温状态突变为显著上升的状态，而结冰日数的突变时间点滞后气温突变时间点4年；降水在整个研究时间段里没有明显的变化趋势，但年际间存在较大的变化幅度，最大差值可达多年年平均降水的38%。

纳帕海区域气候变化对纳帕海湿地的变化有明显的影响。在研究期内，第1阶段(1955-1974年)，人类活动较弱，气候调控着纳帕海湿地，湿地的水域面积较大；在第2阶段(1975-1997年)，气温增加导致湿地水域面积减少，人为活动加剧(破坏森林覆盖和开挖落水洞)导致纳帕海湿地水域面积减少加剧，湿地萎缩退化；到了第3阶段(1998-2012年)，虽然气候暖干化导致湿地水域面积减少，但随着人为开垦力度的减缓和湿地保护意识的增强，纳帕海湿地水域面积减少得到抑制，相比第2阶段有所增加。进入21世纪后，湿地面积在人为因素作用下有所增加，但纳帕海湿地已出现以中生草甸为主的非湿地景观替代湿地景观，同时纳帕海水生植物群落中挺水群落数增加[17]表示湿地深水环境逐渐在丧失，表明纳帕海湿地生境已发生退化。

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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进项目(2013HA024)，国家自然科学基金项目(批准号：41372191)，云南省科技计划重点项目(2014FA005)共同资助。

廖君(1992-)，女，硕士生，主要从事湖泊沉积与环境演化研究。E-mail:liaojun@163.com

简介：沈才明(1963-)，男，教授，博士，主要从事古气候学研究。E-mail:cmshen@hotmail.com

P 343.3

A

1672-8246(2016)04-0136-06

doi:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.04.023