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环境学院冯炼课题组在长江中下游湖泊研究取得重要成果

2020-08-19

近日,环境学院冯炼课题组在遥感旗舰期刊Remote Sensing of Environment发表了题为“Anthropogenic transformation of Yangtze Plain freshwater lakes: patterns, drivers and impacts”的论文。研究基于1973-2018年间所有Landsat遥感数据,追踪了近半个世纪以来人类活动对长江中下游112个大型湖泊(约占该区域湖泊总面积的97.8%)的围垦侵占过程。研究表明,在上世纪70年代,湖泊围垦活动以农业与建筑用地的扩张为主;自80年代中期以来,渔业养殖则成为湖泊开发利用的主要形式。分析显示,湖泊开发利用的变化过程与政策及重大社会经济事件的联系十分紧密。此外,对自然湖泊的围垦提高了长江流域洪涝的风险,而围垦养殖导致了湖泊富营养程度的增加。论文所有Landsat围垦提取结果数据都已经公开,下载链接:https://figshare.com/articles/dataset/Reclamation_shapefile_rar/12687230。冯炼课题组多名成员,以及环境学院郑春苗、刘俊国、郑一、王俊坚等多位老师参加了本研究。

 

研究背景

受人类活动及全球变暖的影响,全球湖泊环境在近几十年间发生了巨大变化。湖泊围垦是人类活动对湖泊改造的典型表现,它指的是将湖泊的自然开放水域转变为农业/城市用地或水产养殖区域,以满足日益增长的粮食和活动空间需求。人类开发利用长江中下游平原的湖泊和洼地已有数千年的历史,通过围垦湖泊增加稀缺的土地资源、农业用地及水产养殖区,以支持该地区的城市发展和农业生产。但围垦活动也给当地生态环境造成了严重的影响,比如生物多样性减少、湿地退化和水质下降等。对此,政府制定了一系列的政策措施来保护湖泊淡水生态系统。因此,准确详细地评估长江中下游湖泊围垦情况,将有助于理解人类发展对生态环境的影响,为政府决策提供科学支持,具有重要的研究应用价值。

 

主要发现

在过去近50年间,112个湖泊都存在不同程度的围垦活动。至2018年,长江中下游湖泊围垦总面积达6056.9 km2(与上海市面积相当),占1970s年湖泊总面积的41.6%。自80年代中期以来,水产养殖区显著扩大,水产养殖面积从1973年的1101.9 km2增加至2018年的3429.2 km2。与此同时,农业/城市用地面积从802.3 km2增加到2627.7 km2。鄱阳湖上游区域的农业/城市用地围垦面积相比下游更为突出,而在江苏省的湖泊中,围垦面积占比相对较小(图1)。

 

图1 长江中下游湖泊围垦的格局和长期变化。(a)2018年各湖泊水产养殖、农业/城市用地及自然水体面积的占比;(b)1973-2018年所有湖泊水产养殖、农业/城市用地及自然水体面积的变化

 

基于聚类分析,可将湖泊覆盖类型变化划分为3个时间阶段:1973-1985,1985-2000,2000-2018。 图2(a-b)用颜色标记了湖泊三种覆盖类型(即自然水体,农业/城市用地和水产养殖区)在各个时间阶段的面积变化百分比,以展现围垦的变化发展过程。第1阶段为最广泛的围垦活动,分别有92.9%和76.8%的湖泊农业/城市用地面积和水产养殖面积呈增加态势。第2阶段,围垦的发展以水产养殖的扩张为主,水产养殖面积增加了1186.7平方公里,增加的水产养殖面积由自然水域(562.5 km2)和农业/城市用地(624.2 km2)转换而来。第3阶段,大多数湖泊覆盖类型的变化以两种围垦类别之间的转换为主,然而从农业/城市用地转变为水产养殖区的面积(435.9 km2)大大超过由水产养殖区转变为农业/城市用地的面积(171.2 km2)。

 

图2 湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积变化特征和潜在的社会经济驱动力。(a)湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积变化;(b)湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积转变;(c)影响湖泊围垦的主要社会经济事件和政策。

湖泊围垦给长江流域带来了显著的经济效益,然而对自然生态系统造成的影响也是显而易见的。几乎所有湖泊的蓄水量都显著减少,进而导致了洪水发生风险的增加(图3a-b)。112个湖泊的蓄水总量下降了12.7 km3,占70年代湖泊蓄水量的29.8%。因此,湖泊蓄洪能力下降,在强降雨后地表径流增加,形成洪水泛滥。这种现象在“百湖之市”的武汉更为明显,围垦导致的湖泊蓄洪能力下降及城市化带来的不透水面增加,是武汉内涝问题形成的主要因素。此外,湖泊围垦也引发了水质问题,水产养殖区的隔断造成水交换减少,从而削弱了湖泊对主要污染物的稀释功能,而且水产养殖区广泛投放营养丰富的饵料用于渔业养殖,会进一步增加湖泊的营养负荷,造成富营养化和蓝藻繁殖。研究团队通过对实地采样的营养盐、叶绿素等水质参数的分析发现水产养殖区的叶绿素浓度和营养盐含量普遍高于自然水体区域(图3d)。

 

 

图3 围垦对湖泊水文和水质的影响。(a)1973年和2018年湖泊蓄水能力的对比,每个点代表一个湖泊;(b)长江流域洪水频率和年平均降雨的长期变化;(c)水产养殖区和自然水体区Landsat水体颜色指数(FUI,无量纲)的对比;(d)水产养殖区和邻近自然水体区的实测水质参数对比。

 

论文标题:Anthropogenic transformation of Yangtze Plain freshwater lakes: patterns, drivers and impacts

发表期刊:Remote Sensing of Environment

论文全文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425720303680?via%3Dihub