海口城市湿地动态变化对气候的响应

李苑菱，林江，陈毅青，陈宗铸，雷金睿，陈小花，吴庭天

（1.海南省林业科学研究院，海南海口 571100；2.海南东寨港国家级自然保护区管理局，海南海口 571100）

湿地资源分布状况和降雨、气温等气候因素之间存在着非线性的关系，相对较小的降雨和气温变化也会导致水文状况较大的变化[1～2]。中国《气候变化国家评估报告》指出，20 世纪中国气候变化与全球变暖的总趋势基本一致[3]。气候变化使得中国大面积湿地水资源系统的结构发生改变，引起湿地水资源的数量减少和质量下降，导致湿地生态功能退化，已影响和危及到区域生态安全和社会经济可持续发展。最新预测表明，这种变暖趋势将会继续，到21 世纪末全球气温将会上升1.1～6.4℃，降雨模式也会发生显著变化[4]。未来气候变化及其所带来的水文过程的改变都将会严重地威胁湿地生态系统的稳定和健康[5～6]。全国湿地资源调查报告指出，在2003 年至2013 年的10 年间，中国湿地面积减少了339.63×104hm2，占湿地总面积的8.82%[7]。气温升高和降水变化等是影响城市湿地分布和功能的主要气候因素[4]。而城市湿地污染和退化，严重影响城市的生态环境健康，增强城市热岛效应。地表水洼蓄和下渗能力大大减弱，河道防洪压力明显加大，促使内部生境破碎化，加剧城市内涝[5，8]。因此，城市湿地在环境调节和自然灾害防控方面的意义更加突出, 同时其对气候变化也更为敏感。

因此，了解海口市的城市湿地分布在气候变化下的响应规律，探讨城市湿地分布、面积等变化，不仅可以监测和预测气候变化对城市湿地主要生态功能产生的影响，而且对城市湿地的保护和生态修复策略提供科学有效的参考依据，对推进海南生态文明大省的建设具有重要的现实指导意义。

1 研究区域概况

海口市位于海南岛东北部，地处19°32′～20°05′N，110°10′～110°41′E，是海南省政治经济文化中心。海口市湿地资源较为丰富，全市共有湿地资源2.91 万hm2，湿地率达12.7%。市辖区内共有五源河、响水河、美舍河、三江红树林4 个国家湿地公园，铁炉溪、三十六曲溪、潭丰洋3 个省级湿地公园，新旧沟乡村湿地公园以及东寨港国家级自然保护区。湿地类型多样，共划分为4 个湿地类11 个湿地型。有全国唯一的热带火山熔岩地貌的羊山火山熔岩湿地；有被誉为“中国红树植物基因库”的东寨港国家级自然保护区；有“水漫为洋、水退为田”湿地与人和谐共生的新旧沟湿地。2017 年，海口成为全球首批入选国际湿地城市认证提名城市。2018年，海口荣获全球首批“国际湿地城市”称号，目前，全市近3 万hm2湿地纳入保护范围，2 个国家湿地公园、5 个省级湿地公园、45 个湿地保护小区和羊山湿地多用途管理区正在加快规划建设。

2 材料与方法

2.1 数据来源与预处理

通过查阅相关资料和实地调查，基于多平台、多时相的多光谱遥感数据对2011～2018 年的海口市湿地分布情况进行遥感影像解译工作。提取出湿地相关信息，建立湿地空间矢量数据库，确定海口市城市湿地分布基本情况。包括城市湿地的具体位置、面积、斑块数量、主要用途、水源等，并绘制2011～2018年时期海口市城市不同湿地类型分布图（图1）。

根据海口市气象数据（来源于海南省气象局网站），设置年季（2010～2018 年）的湿地面积对比，分析降水量、气温、相对湿度、日照时数和风速5 个气候因子对湿地面积的影响规律，并分析不同类型城市湿地面积的变化特征和差异性。

图1 2011～2018 年海口湿地变化情况Fig.1 Changes in Haikou Wetlands from 2011～2018

2.2 数据分析方法

利用Excel 软件对湿地数据与气象数据进行统计分析，并利用SPSS 软件对湿地数据与气象数据进行皮尔逊相关性分析。

3 结果与分析

3.1 海口市湿地面积变化特征分析

根据2011～2018 年海口市湿地空间分布数据，对海口市各类型湿地面积变化状况进行分析统计（表1）。

表1 海口市各类型湿地面积变化Tab.1 Changes in wetland area of various types in Haikou City

图2 2011～2018 年海口市各类型城市湿地面积变化曲线（a.湿地总面积b.库塘c.水产养殖d.潟湖e.河流f.红树林）Fig.2 Change curve of wetland area of various types of cities in Haikou，2011-2018 (a. Total wetland area b.Reservoir Pond c. Aquaculture d. Lake e. River f.Mangroves)

图2 为2011～2018 年海口市各类型城市湿地的面积变化趋势图，由图2(a)可以看出，海口市的湿地总体面积变化明显且具有一定特征，其总体呈现出先增大后减小继而又缓慢增长的趋势，在2011～2013 年间呈迅速增长趋势，而到2014 年面积又急剧下降缩小，之后又呈缓慢增长趋势。

而海口市各类型湿地面积的变化趋势，由图2(b)中可以看出，海口市库塘湿地面积总体趋势为增长模式；由图2(c)可知，海口市水产养殖场湿地面积在2011～2017 年间均为缓慢增长趋势，但在2017～2018 年间急剧减少；从图2(d)、(e)、(f)中可以看出，海口市的潟湖湿地、河流湿地和红树林湿地面积在2011～2018 年间总体均呈下降趋势，且均在2013～2014 年间出现了面积急剧减少的现象。

3.2 海口市2010～2018 年间气候变化特征分析

通过收集海口市近8 年来的月值气象数据观测资料，选取了降水量、气温、相对湿度、日照时数和风速等5 个主要的气象因子数据，并对其2010～2018年间的年度变化趋势及月份变化趋势特征进行处理分析。

图3 2010～2018 年海口市各气象要素年度变化趋势（a.气温b.降水c.日照时数；d.相对湿度e.风速）Fig.3 Annual Trend Map of Meteorological Elements in Haikou City，2010-2018 (a. Temperature b. Precipitation c.hours of sunshine；d. relative humidity e.wind speed)

图3 为海口市2010～2018 年间的年平均降水量、年平均气温、年平均风速、日照时数和相对湿度的年度变化趋势折线图。通过对图3 进行分析，可以观察出近8 年来海口市的气候变化特征：(1)海口市2010～2018 年的年平均气温整体趋势为上升，整体上升率为平均每年0.072℃，最高值为2015 年的25.33℃，最低值为2011 年的23.29℃；(2)海口市2010～2018 年的年平均降水趋势为下降，整体下降率为平均每年39.318mm，最高值为2010 年的2445.1mm，最低值为2015 年的1673.2mm；(3)海口市2010～2018 年的年日照时数整体趋势为上升，整体上升率为平均每年47.847h，最高值为2015 年的2406.7h，最低值为2011 年的1486.2h；(4)海口市2010～2018 年的年平均相对湿度整体趋势为上升，整体上升率为平均每年0.141%，最高值为2014 年的82.58%，最低值为2010 年的80.67%；(5)海口市2010～2018 年的年平均风速趋势为下降，整体下降率为平均每年0.120m/s，最高值为2010 年的3.825m/s，最低值为2018 年的2.748m/s。

图4 2010～2018 年海口市气象要素月份变化趋势（a.气温b.降水c.日照时数；d.相对湿度e.风速）Fig.4 Trend of monthly changes in meteorological elements in Haikou City, 2010～2018 (a. Temperature b.Precipitation c. hours of sunshine；d. relative humidity e.wind speed)

图4 为海口市2010～2018 年间的年平均降水量、年平均气温、年平均风速、日照时数和相对湿度月份变化趋势折线图。综合图3、图4 进行分析表明：(1)海口市每一年度内的平均气温变化曲线夏高冬低趋势，最高气温大多在6～8 月，最低气温在12～2 月；(2)海口市每一年度内的平均降水量变化曲线同样呈夏高冬低趋势，降水高峰多集中在7～10 月，其中2010 年10 月的降水量为近8 年来的顶峰值；(3)海口市每一年度内的日照时数呈夏长冬短趋势；(4)海口市每一年度内的相对湿度整体相差不大，常年湿润；(5)海口市每一年度内的平均风速变化为秋冬两季风速较大，夏季风速最小。

3.3 海口市城市湿地面积变化对气候波动的响应

湿地面积的变化会引起地表下垫面条件的变化，进而影响大气环流，且对气候系统具有重要的反馈作用。总体而言，海口市湿地面积在2011～2018年度间现出先扩张后萎缩继而又缓慢增长的趋势特征，这与其周围的气温、降水量、风速和日照等因素有着密切的关系。

3.3.1 海口市湿地总面积与各气候因素间的相关性分析

结合表2 与图5，分别将年平均气温、年降水量、年相对湿度、年日照时数和年均风速这5 种气象因子的变化与海口市湿地总面积变化进行比较分析，可得出以下结果：

(1)由图5(a)可以看出，从2011～2018 年间海口市的年均气温与湿地面积的变化曲线为气温增高面积减小，气温降低面积增大的趋势。求出气温与面积的相关系数约为0.431，P 值为0.286。

(2)由图5(b)可以看出，海口市年均降水量大致呈先增大后减小的趋势，与湿地面积变化一致，特别是2013～2014 年间降水量的减少使得湿地面积有所减小。求出降水量与面积的相关系数约为0.335，P 值为0.418。

(3)由图5(c)可以看出，海口市年日照时数与湿地面积的变化趋势相反，表现为日照时数增加时面积减小，日照时数降低面积增大的趋势，求出日照时数与面积的相关系数约为0.021，P 值为0.961。

(4)由图5(d)可以看出，海口市年均相对湿度与面积变化曲线大体一致。求出相对湿度与面积的相关系数约为0.304，P 值为0.465。

(5)由图5(e)可以看出，海口市年平均风速整体呈下降趋势。求出年平均风速与面积的相关系数约为-0.490，P 值为0.217。

综合以上结果来看，可知海口市的湿地总面积变化与各气象因子间均无明显的相关性，分析出现这一现象的原因可能是由于选取样本数量过少以及海口市湿地总面积整体变化不大而导致的。

表2 海口市湿地总面积与各气象要素间的分析统计Tab.2 Analysis and statistics table between the total area of wetlands in Haikou City and meteorological elements

图5 海口市湿地总面积与各气象要素间的相关性分析（a.气温b.降水量c.日照时数d.相对湿度e.风速）Fig.5 Analysis of correlation between the total area of wetlands in Haikou City and meteorological elements (a.Temperature b. Precipitation c. hours of sunshine; d.relative humidity e. wind speed)

3.3.2 不同类型湿地面积变化与气象因子间的相关性分析

结合表3 至表7，对海口市不同类型的湿地面积变化与年均气温、年降水量、年相对湿度、年日照时数和年均风速等5 种气象因子的变化进行相关性分析。

表3 海口市库塘湿地与各气象要素间的分析统计Tab.3 Analysis and statistics table between Reservoir Pond Wetlands and Meteorological Elements in Haikou City

由表3 可知：(1)库塘湿地面积变化与降水量的相关系数约为-0.145，P 值为0.732，无相关性；(2)库塘湿地面积变化与气温的相关系数约为0.558，P值为0.150，无相关性；(3)库塘湿地面积变化与相对湿度的相关系数约为0.656，P 值为0.077，通过了90%显著性检验，具有一定的相关性，且为较强的正相关；(4)库塘湿地面积变化与日照时数的相关系数约为0.601，P 值为0.115，无相关性；(5)库塘湿地面积变化与风速的相关系数约为-0.969，P 值为0.000，通过了99%显著性检验，具有极显著的相关性，且为极强的负相关。

表4 海口市水产养殖场湿地与各气象要素间的分析统计Tab.4 Analysis and statistics table between Aquaculture Wetlands and Meteorological Elements in Haikou City

由表4 可知：(1)水产养殖场的湿地面积变化与降水量的相关系数约为-0.595，P 值为0.120，无相关性；(2)水产养殖场湿地面积变化与气温的相关系数约为0.432，P 值为0.286，无相关性；(3)水产养殖场湿地面积变化与相对湿度的相关系数约为0.124，P 值为0.770，无相关性；(4)水产养殖场湿地面积变化与日照时数的相关系数约为0.285，P 值为0.494，无相关性；(5)水产养殖场湿地面积变化与风速的相关系数约为-0.073，P 值为0.864，无相关性。

表5 海口市潟湖湿地与各气象要素间的分析统计Tab.5 Analysis and statistics table between Lake Wetlands and Meteorological Elements in Haikou City

由表5 可知：(1)潟湖湿地面积变化与降水量的相关系数约为0.617，P 值为0.103，无相关性；(2)潟湖湿地面积变化与气温的相关系数约为-0.602，P 值为0.114，无相关性；(3)潟湖湿地面积变化与相对湿度的相关系数约为-0.518，P 值为0.189，无相关性；(4)潟湖湿地面积变化与日照时数的相关系数约为-0.705，P 值为0.051，通过了90%显著性检验，具有一定的相关性，且为较强的负相关；(5)潟湖湿地面积变化与风速的相关系数约为0.726，P 值为0.041，通过了95%显著性检验，具有显著的相关性，且为较强的正相关。

表6 海口市河流湿地与各气象要素间的分析统计Tab.6 Analysis and statistics table between River Wetlands and Meteorological Elements in Haikou City

由表6 可知：(1)河流的湿地面积变化与降水量的相关系数约为0.421，P 值为0.298，无相关性；(2) 河流湿地面积变化与气温的相关系数约为-0.305，P 值为0.462，无相关性；(3)河流湿地面积变化与相对湿度的相关系数约为-0.517，P 值为0.189，无相关性；(4)河流湿地面积变化与日照时数的相关系数约为-0.500，P 值为0.207，无相关性；(5)河流湿地面积变化与风速的相关系数约为0.482，P 值为0.226，无相关性。

表7 海口市红树林湿地与各气象要素间的分析统计Tab.7 Analysis and statistics table between Mangrove Wetlands and Meteorological Elements in Haikou City

由表7 可知：(1)红树林湿地面积变化与降水量的相关系数约为0.785，P 值为0.021，通过了95%显著性检验，具有显著的相关性，且为较强的正相关；(2) 红树林湿地面积变化与气温的相关系数约为-0.436，P 值为0.280，无相关性；(3)红树林湿地面积变化与相对湿度的相关系数约为-0.235，P 值为0.576，无相关性；(4)红树林湿地面积变化与日照时数的相关系数约为-0.662，P 值为0.074，通过了90%显著性检验，具有一定的相关性，且为较强的负相关；(5)红树林湿地面积变化与风速的相关系数约为0.475，P 值为0.234，无相关性。

综合以上结果可知，海口市库塘湿地面积的变化与相对湿度和风速2 种气象因素存在相关性，相对湿度与面积呈正相关，而风速与面积呈负相关；潟湖湿地面积的变化与日照时数和风速2 种气象因素存在相关性，风速与面积呈正相关，而日照时数与面积呈负相关；红树林湿地面积的变化则与降水量和日照时数2 种气象因素存在相关性，降水量与面积呈正相关，而日照时数与面积呈负相关；水产养殖场湿地和河流湿地2 种类型的面积变化与各气象要素间不存在相关性。

4 结论

通过对海口市近8 年来城市湿地面积对气候变化的响应进行分析研究，研究结果表明：1)海口市的湿地总体面积变化明显且具有一定特征，其总体呈现出先增大后减小继而又缓慢增长的趋势；2) 海口市2010～2018 年的年均气温、年日照时数和年均相对湿度整体上均为上升趋势，而年均降水量与年均风速均为下降趋势；3) 海口市的湿地总面积变化与各气象因子间均无明显的相关性，导致这一现象出现的原因可能与选取样本数量过少以及海口市湿地总面积整体变化不大有关，但海口市不同类型湿地面积的变化与不同气候因子间的相关性各有不同，如库塘湿地与相对湿度和风速存在相关性，潟湖湿地与日照时数和风速存在相关性，而水产养殖场湿地和河流湿地均不存在相关性。这一研究也验证了众多学者的研究结果[9～14]。湿地对气候变化的响应是在气候因素作用下湿地水文系统和湿地生态过程相互作用的结果。湿地水文条件是决定湿地生态过程的关键因子。在气候变化影响下，即使湿地水文状况发生较小的变化，湿地生态过程也会发生较大幅度的反应。