基于自然與社會因素的岱海流域生態(tài)系統(tǒng)變化驅(qū)動力分析

郭珍德，姜晨冰

(1.涼城縣水利局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013750；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

人類社會發(fā)展與自然生態(tài)系統(tǒng)一直處于索取與給予、干擾與恢復(fù)的動態(tài)情景之下。隨著人類文明進步與科技日新月異的發(fā)展，越來越多的研究者把視野從如何最大限度的索取自然資源價值轉(zhuǎn)移到如何在人類自身需求和自然生態(tài)系統(tǒng)之間尋找平衡點，這不僅僅是因為資源日益枯竭的現(xiàn)狀，更是因為生態(tài)系統(tǒng)退化凸顯了其自身的價值[1]。岱海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部烏蘭察布市涼城縣境內(nèi)，是內(nèi)蒙古自治區(qū)三大內(nèi)陸湖之一，是國家重要濕地，也是自治區(qū)級湖泊濕地自然保護區(qū)。岱海是京津冀地區(qū)生態(tài)屏障的重要組成部分，是野生動物的重要棲息地，具有區(qū)域生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)和生物多樣性保護等重要生態(tài)功能。由于自然和人為因素的干擾，岱海水位下降[2]、湖面面積萎縮[3]、水污染嚴(yán)重[4]、鹽堿化程度加劇[5]，湖泊濕地面臨巨大的生態(tài)風(fēng)險。

水循環(huán)是流域生態(tài)系統(tǒng)各種生態(tài)過程的驅(qū)動因子以及能量流和物質(zhì)流的載體，并且將由源頭小溪至下游大河，連接成為一個連續(xù)的、流動的、獨特而完整的系統(tǒng)，是水資源中舉足輕重的核心元素，并受到各類水文因素的影響[6]。岱海流域是一個內(nèi)陸封閉型流域，眾多支流經(jīng)過一系列水文過程后最終匯入岱海湖。岱海生態(tài)系統(tǒng)的變化對流域自身的自然本底和經(jīng)濟社會發(fā)展的響應(yīng)十分敏感。土地和水域是流域生態(tài)系統(tǒng)最重要的資源環(huán)境基礎(chǔ)，其覆被變化和功能利用是人類活動作用于自然環(huán)境的主要途徑之一，人類通過對流域的利用和改造，改變了流域的景觀格局，滿足自身需求的同時，也帶來了一系列顯著的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[7- 8]。

土地利用/土地覆被的變化(Land use/cover change，LUCC)會引起一系列地球生物化學(xué)圈層的物質(zhì)流動和能量交換，進而對氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)演變、人與環(huán)境的作用和聯(lián)系等產(chǎn)生深刻的影響[9- 11]。LUCC是自然生態(tài)系統(tǒng)與人類行為與活動交互影響最為強烈的問題，在區(qū)域生態(tài)恢復(fù)、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展進程等諸多研究中占有十分重要的地位。土地利用/覆被變化研究作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要研究領(lǐng)域，受到研究者和決策者越來越重要的視角和參考[12- 14]。本文通過岱海流域內(nèi)近35年自然與社會變化因素的分析，探索識別影響岱海流域生態(tài)系統(tǒng)變化的主要驅(qū)動因子，為岱海生態(tài)保護和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

岱海流域面積為2312.75km2，流域行政區(qū)涉及涼城縣、豐鎮(zhèn)市和卓資縣，其中涼城縣占流域面積85%。流域地形呈低中山、山前沖洪積平原和湖積平原3個典型形態(tài)單元自外向內(nèi)分布，其中山區(qū)面積約占流域面積的62.4%，平原面積約占37.6%。流域人口主要分布在平原區(qū)的涼城縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)村，平原區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)制造、交通運輸、文化旅游等經(jīng)濟社會活動對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾顯著高于山區(qū)。岱海湖泊位于流域中部，難以避免的與各種人類活動發(fā)生密切聯(lián)系。為保護岱海濕地重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)和野生動植物資源，岱海被列入《中國濕地保護行動計劃》的179塊國家重要濕地之一，2001年11月設(shè)立內(nèi)蒙古岱海濕地自治區(qū)級自然保護區(qū)。本文選取岱海流域及以湖泊為主體的自然保護區(qū)為研究范圍，研究范圍內(nèi)主要包含湖泊、河渠、坑塘、灘涂、沼澤等濕地生態(tài)系統(tǒng)，以及流域內(nèi)的林地、草原和城鎮(zhèn)農(nóng)村等非濕地生態(tài)系統(tǒng)。

3 材料與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

3.1.1自然因子數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)主要為岱海流域1984—2017年(35a)的逐日氣溫、降雨及蒸發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為涼城氣象站。氣象站臺的區(qū)站號、站名、經(jīng)緯度及海拔等基本信息見表1。

表1 岱海流域氣象站基本信息

水文水資源數(shù)據(jù)主要為岱海流域1984—2017年(35a)的實際入湖水量、社會經(jīng)濟耗水量、天然入湖水量、水庫、塘壩蒸發(fā)及水資源總量，數(shù)據(jù)來源為涼城縣水資源公報及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3.1.2社會因子數(shù)據(jù)

社會因子數(shù)據(jù)主要為流域內(nèi)涼城縣1984—2017年總?cè)丝?、耕地面積、國內(nèi)生產(chǎn)總值、糧食產(chǎn)量等共11項指標(biāo)，數(shù)據(jù)來源為《涼城縣統(tǒng)計年鑒》。

3.1.3土地利用數(shù)據(jù)

流域土地利用類型和生境數(shù)據(jù)遙感衛(wèi)星GF- 1、Sentinel- 2A、Landsat MSS、TM、ETM+、OLI影像作為信息源，采用“遙感數(shù)字影像-人機交互判讀-計算機匯總-建立數(shù)據(jù)庫”來獲取不同時期土地利用專題數(shù)據(jù)。

3.2 研究方法

3.2.1Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗法是世界氣象組織(WMO)推薦并已經(jīng)廣泛應(yīng)用的一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法。非參數(shù)檢驗方法也稱無分布檢驗，其優(yōu)點是不需要樣本服從某種分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，定量化程度高、檢測范圍廣、計算方便，更適合用于順序變量和類型變量。

3.2.2灰色關(guān)聯(lián)分析法的計算步驟

(1)對資料的初步分析處理。用動態(tài)折線圖或散點圖觀察資料的變動軌跡，并對異常值進行處理，使歷史數(shù)據(jù)序列趨于平穩(wěn)。

(2)確定序列矩陣。系統(tǒng)特征序列用Y0表示，相關(guān)因素序列(比較序列)用x1，x2，x3……xi表示，i+1序列構(gòu)成矩陣。

(3)為清除量綱，并在數(shù)量上統(tǒng)一，用“初值化”方法進行數(shù)據(jù)處理。

(4)求差序列、最大差和最小差，計算二道關(guān)聯(lián)系數(shù)。

3.2.3Pearson相關(guān)性分析法

變量X和Y之間的相關(guān)可以用很多統(tǒng)計量來測量，最常用的是皮爾森相關(guān)系數(shù)，用r來表示，其定義及計算公式如下：

(1)

式中，n—樣本量；Xi、Yi—觀測量；X、Y—樣本均值；Sx、S—方差。

r描述的是X和Y變量間線性相關(guān)強弱的程度，取值在±1之間。若r>0，表明2個變量是正相關(guān)，即一個變量的值越大，另一個變量的值也越大；若r<0，表明2個變量是負(fù)相關(guān)，即一個變量的值越大，另一個變量的值反而越?。蝗魊=0，則表明2個變量間不是線性關(guān)系，但有可能是其他方式的相關(guān)。

3.2.4主成分分析法

主成分分析(Principal component analysis，PCA)也叫主分量分析或因子分析(Factor analysis)。在地理學(xué)研究中，經(jīng)常會遇到多變量問題，變量太多無疑會增加分析問題的難度和復(fù)雜性，而且在許多實際問題中，多個變量之間是具有一定相關(guān)關(guān)系的，因此，人們自然地想到，能否在各個變量之間相關(guān)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，用較少的新變量代替原來較多的變量，而且使這些較少的新變量能夠盡可能多地保留原來較多變量所反映的信息。主成分分析就是把原來對個變量化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計方法。從數(shù)學(xué)的角度來看，這是一種降維處理技術(shù)。主成分分析是用1個或2個公因子，來完成對原始變量的分析。

4 結(jié)果分析

4.1 自然驅(qū)動力分析

4.1.1氣溫變化趨勢分析

根據(jù)涼城縣35a氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，岱海年平均氣溫變化曲線如圖1所示，其氣候傾向率按一階線性趨勢方程計算得出，為顯現(xiàn)年際變化，由二階多項式擬合其變化趨勢。

由圖1中可以看出，近35a來岱海流域氣溫基本呈現(xiàn)出上升的趨勢，其氣候傾向率0.31℃/10a。對年平均氣溫進一步進行M-K突變分析可知，自1986年起，其年平均氣溫UF線均在0以上波動，并在1999年后超過1.96信度線，表明溫度在時間序列里的變化呈現(xiàn)出逐步增加的趨勢，且變化隨時間愈發(fā)增大。UF與UB線的交點顯示變化趨勢突變發(fā)生于1989—1993年之間。

4.1.2降雨量變化趨勢分析

根據(jù)涼城縣35a降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，岱海流域四季降雨量分別占年降雨量的14%、62%、20%、4%，因此本次著重對夏季(6—8月)降雨量進行分析，岱海流域夏季降雨量變化曲線如圖2所示。

由圖2中所示，降雨量呈現(xiàn)出下降趨勢，其氣候傾向率為-18.4mm/10a。根據(jù)M-K分析可知，夏季雨量UF線于1999年之前位于0線之上，1999年后位于0線之下，說明在1984—1999年間夏季降雨量呈現(xiàn)上升趨勢，而在1999—2017年呈現(xiàn)下降趨勢。UF線在整個時間序列內(nèi)均未超過±1.96信度線，說明變化趨勢不顯著。UF與UB線存在多個交點，說明變化趨勢突變發(fā)生于1999—2004年之間。

4.1.3蒸發(fā)量變化趨勢分析

岱海流域年平均蒸發(fā)量變化曲線如圖3所示，其氣候傾向率為-9.7mm/10a。

根據(jù)圖3的M-K分析可知，年平均蒸發(fā)量UF線在1984—1985年、1988—1998年、2013—2017年位于0線以下，說明在此時間區(qū)間內(nèi)蒸發(fā)量呈現(xiàn)下降趨勢，而其余時間段則呈現(xiàn)上升趨勢，蒸發(fā)量變化波動明顯。UF線在整個時間序列內(nèi)均未超過±1.96信度線，說明變化趨勢不顯著。UF與UB線在2012年左右相交，即2012年為蒸發(fā)量的突變年份。

圖1 岱海流域1984—2017年平均氣溫變化圖及M-K趨勢分析結(jié)果

圖2 岱海流域1984—2017年夏季降雨量變化圖及M-K趨勢分析結(jié)果

圖3 岱海流域1984—2017年蒸發(fā)量變化圖及M-K趨勢分析結(jié)果

4.1.4水資源量變化趨勢分析

岱海流域水資源總量變化曲線如圖4所示，總體呈現(xiàn)出下降趨勢。

圖4 岱海流域1984—2017年水資源總量變化圖及M-K趨勢分析結(jié)果

根據(jù)圖4的M-K分析可知，水資源總量UF線幾乎全部位于0線以下，且于2009年左右超過1.96信度線，說明流域內(nèi)水資源總量呈持續(xù)下降趨勢，且下降趨勢愈發(fā)顯著。UF與UB線存在多個交點，說明變化趨勢突變發(fā)生于1999—2004年之間。

4.1.5關(guān)聯(lián)分析

為進一步闡明氣候因子變化與岱海生態(tài)系統(tǒng)之間的相關(guān)關(guān)系，選取年平均氣溫、年平均降雨量、年平均蒸發(fā)量、流域水資源總量及其衍生因子等20項指標(biāo)與岱海湖面積進行灰色關(guān)聯(lián)分析，其結(jié)果見表2，分析排序如圖5所示。

表2 自然因子與岱海湖湖面面積灰色關(guān)聯(lián)得分表

圖5 自然因子與岱海湖湖面面積灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果排序圖

由圖5可知，各項自然因子灰色關(guān)聯(lián)得分均大于0.5，說明各項自然因子與岱海湖面面積均具有較好的關(guān)聯(lián)性，其中與流域水資源相關(guān)的水庫、塘壩蒸發(fā)量、實際入湖量、天然入湖水量及流域水資源總量這4項指標(biāo)與岱海湖面積的關(guān)聯(lián)度最高，由此可知岱海湖歷年來的面積變化主要受流域內(nèi)水資源變化情況的影響，結(jié)合流域水資源總量呈總體下降的趨勢可知，岱海湖面積持續(xù)縮減，生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)退化，與流域內(nèi)水資源變化情況，尤其是最終可進入湖泊的水資源量密切相關(guān)。

4.2 社會驅(qū)動力分析

人類社會活動及經(jīng)濟發(fā)展是造成湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化的重要原因之一。為闡明人類社會活動與岱海生態(tài)系統(tǒng)之間的相關(guān)關(guān)系，以流域內(nèi)涼城縣作為典型研究區(qū)，選取1984—2017年的11項社會經(jīng)濟發(fā)展指標(biāo)，結(jié)合同時期岱海湖面積進行相關(guān)性及主成分分析。

Person相關(guān)性分析結(jié)果見表3。由相關(guān)性分析結(jié)果可知，除總?cè)丝谕?，其?0項指標(biāo)與岱海湖面面積變化均存在顯著的相關(guān)關(guān)系，其中湖面面積變化與指標(biāo)X1、X3、X4、X5、X6、X7、X11顯著負(fù)相關(guān)，與指標(biāo)X8、X9、X10顯著正相關(guān)。

表3 岱海流域社會驅(qū)動力因子與湖面面積Pearson相關(guān)性分析表

旋轉(zhuǎn)后主成分載荷矩陣見表4。根據(jù)表4分析結(jié)果，第一主成分與觀測變量X1、X3、X4、X5、X7有較強正相關(guān)，均為直接經(jīng)濟發(fā)展指標(biāo)，可看出研究區(qū)產(chǎn)業(yè)間經(jīng)濟發(fā)展較為均衡，國民經(jīng)濟發(fā)展對第三產(chǎn)業(yè)的依賴性較強，而第三產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展勢必對需水及用水量有了更高層次的要求；第二主成分與X8、X9有較強正相關(guān)，說明研究區(qū)以糧食作物作為主要農(nóng)作物，經(jīng)濟作物在耕地的占比較低；第三主成分與X2有較強正相關(guān)，可概括為人口變化情況。由此可以進一步得到論斷，岱海湖面積的年季變化與研究區(qū)社會經(jīng)濟的發(fā)展關(guān)系最為密切，其原因可能是產(chǎn)業(yè)發(fā)展導(dǎo)致的耗水量激增、糧食作物耕作方式由旱田向水澆地轉(zhuǎn)變以及人均耗水量增加等。

表4 旋轉(zhuǎn)后主成分載荷矩陣表

通過對3個因子的加權(quán)求和可得出研究區(qū)域社會因子驅(qū)動力的綜合得分，權(quán)數(shù)可根據(jù)方差貢獻程度進行選擇。本研究綜合加權(quán)公式，以旋轉(zhuǎn)平方和加載的方差貢獻率作為權(quán)重，即F1的權(quán)重λ1=0.532，F(xiàn)2的權(quán)重λ2=0.228，F(xiàn)3的權(quán)重λ3=0.120，經(jīng)計算后得到岱海流域社會因子主成分分析綜合得分，如圖6所示。

圖6 岱海流域社會因子驅(qū)動力綜合得分變化圖

由圖6可知，社會驅(qū)動力對岱海湖面面積變化的驅(qū)動強度呈現(xiàn)先減弱后增強的趨勢，自1997年開始逐年增強，至2014年增幅減弱，2016年起出現(xiàn)下降，說明自2016年開始實施的“兩節(jié)兩補兩恢復(fù)”岱海水生態(tài)修復(fù)恢復(fù)工程一定程度上削減了社會驅(qū)動力對岱海的影響，但驅(qū)動強度仍處于較高水平。

4.3 土地利用變化分析

本研究利用ArcGIS分析了岱海流域內(nèi)城鎮(zhèn)用地、農(nóng)民居點用地、工交建設(shè)用地、水澆地、山區(qū)旱地和平原旱地6種影響因素類土地利用類型在1975、1986、1988、1993、1998、2003、2008、2013、2018年的分布情況，見表5。

由分析可知，城鎮(zhèn)用地與公交建設(shè)用地面積隨經(jīng)濟發(fā)展迅速升高，分別提升128%和203%。城鎮(zhèn)生活用水和工業(yè)用水的激增，導(dǎo)致對地表水的過度使用，同時，地下水的超采導(dǎo)致地下水位迅速下降，致使湖泊水量下降，湖面萎縮、湖泊岸線長度和多樣性急劇下降。21世紀(jì)以來，岱海湖泊的旅游業(yè)及漁業(yè)的興起，帶動了北岸的涼城縣岱海旅游區(qū)、漁港，以及西北部和東部的漁塘進一步發(fā)展，為滿足這些產(chǎn)業(yè)發(fā)展增加的基礎(chǔ)建設(shè)用地，進一步加劇了對湖泊岸線的侵蝕，導(dǎo)致岸線長度和多樣性的下降。

從耕地變化角度來看，岱海流域內(nèi)農(nóng)耕土地類型主要為水澆地、山區(qū)旱地、平原旱地相結(jié)合的方式。流域內(nèi)農(nóng)灌用水主要通過機井的方式抽取地下水，農(nóng)業(yè)用水的抽取直接威脅到地下水量，致使地下水水位迅速下降。相較于地表水，地下水資源處于一個更加復(fù)雜的環(huán)境，流域內(nèi)地下水過度開采，導(dǎo)致地下水水量減少，水位下降。岱海湖泊水資源通過下滲、虹吸的作用補給地下水，使湖泊內(nèi)水量持續(xù)下降，湖面減小，岸線萎縮。同時，流域內(nèi)溫度持續(xù)上升、凈蒸發(fā)量大等自然因素致使岱海成為一個內(nèi)陸湖泊，水量通過降雨補給嚴(yán)重失衡，凈蒸發(fā)量大又導(dǎo)致已存湖水水量在自然情況下的持續(xù)減少；此外，城鎮(zhèn)管網(wǎng)設(shè)施、農(nóng)耕地對徑流的攔蓄，進一步限制降雨對湖泊水量的補給。

表5 岱海流域不同年份土地利用類型統(tǒng)計表

5 結(jié)論

(1)新時期黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的提出，對岱海保護與修復(fù)提出了更高要求。本研究從驅(qū)動力分析入手，結(jié)合區(qū)域土地利用演變情況，定量分析了自然與社會驅(qū)動力對岱海生態(tài)系統(tǒng)變化影響，識別其內(nèi)在機制。

(2)根據(jù)研究結(jié)果可知，入湖水資源量和區(qū)域人均耗水量增加分別是影響最顯著的自然和社會驅(qū)動因子，故增加入湖水資源量和流域產(chǎn)業(yè)集約節(jié)約用水是修復(fù)岱海生態(tài)系統(tǒng)的重要手段。

(3)岱海作為內(nèi)陸封閉湖泊，生態(tài)系統(tǒng)變化的原因十分復(fù)雜，目前受基礎(chǔ)資料制約仍不清楚地下水循環(huán)等因素如何對其產(chǎn)生的影響，需進一步研究。