博斯腾湖芦苇覆盖率影响因素研究及预测

穆尼热·赛买提

(新疆巴音郭楞水文勘测局，新疆 巴音郭楞 841000)

水文系统和生态系统是自然界中的两个十分复杂的、又相互交叉的大系统。水量多少、水质好坏直接影响生态系统状况。反过来，生态系统(本文中的芦苇覆盖率)又影响水的良性循环。博斯腾湖地处我国的西北干旱区，水资源相对比较短缺，生态环境十分脆弱。博斯腾湖芦苇与湿地的其他生态资源一起形成一个复杂的生态系统。通过这些资源之间的相互协同作用，使博斯腾湖湿地表现出天然的生态功能。芦苇是湖内植物的优势种，其生物量大，分布广，对博斯腾湖湿地起控制作用，其生态功能突出体现在调节气候，净化污水，促淤防蚀，防洪固堤，维持生物多样性等方面。

博斯腾湖芦苇区是个属于博斯腾湖的小型生态系统。所谓的小型系统是否能正常发展，不致被破坏，又与湖泊水质，水量息息相关。为了定量表示他们之间的关系，需要建立数学模型。从总体来看，对于博斯腾湖芦苇的研究较少，资料缺乏。建立模型十分困难。所以本文在模型中与水质，水量有关的芦苇面积为参数，通过调查及询问，分析参数影响因素剪得相关关系，再插补一些年份资料，用ANN人工神经网络模型来模拟与预测。该方法的特点是：可描述由芦苇形成的小型生态系统等复杂的非线性关系；模型建立主要依赖于资料，不需要单个实验和识别参数；模型有很强的学习功能，当系统环境发生变化时，只需输入新的资料让模型再学习即可很快跟踪系统的变化，可操作性强；可以预测未来当输入因子变化时生态系统输出因子的变化趋势。

1 博斯腾湖芦苇变化趋势

图1为博斯腾湖1990-2014年年均芦苇变化图。从图中可以看出，1990年至1994年，芦苇面积几乎没有波动变化；1994至1997年间，出现芦苇面积缓慢增加的趋势，究其原因，此时的湖泊来水丰富，人类破坏度较小，周围居民经济发展速度所带来的湖泊污染现象还未出现。1998-2009年间，出现芦苇面积大幅下降的趋势，此时的湖泊来水十分紧张，多次投入大量人力和物力进行抗旱。2010-2014年，芦苇面积出现换面增长的趋势。

2 影响因素分析

芦苇的生长发育与环境条件密切关系，在不同环境条件下，芦苇生长发育也互不相同。目前来看，芦苇生育的好坏主要受水水位、温度、盐碱等几个因子影响。

2.1 气候因子影响

气候因子决定芦苇类型和空间分布。降水量、温度、太阳辐射等气候因子的相互作用会对芦苇生长产生复杂作用。

温度不仅决定芦苇空间分布，而且适度温度促进芦苇生长，温度升高蒸散会加强。博斯腾湖年均气温总体变化较小，呈缓慢下降趋势，与芦苇面积的变化趋势基本一致。多年平均气温11.5℃，年均最低温度1998年1月份平均温度达(-5.0℃),最高则2000年7月份平均温度达(35℃)。植物生长离不开光照，日照强度和日照时间在植物生长过程中起着重要作用。博斯腾湖流域年均太阳辐射总体变化小，年均太阳辐射总量4.186 8 KJ/cm2，2000年出现峰值(6.472 8 KJ/cm2)，最低值出现在1995年(3.980 0 KJ/cm2)。由于博斯腾湖年均温度与日照变幅不大，气候因素中主要影响芦苇生长因素是降雨量波动中的水位升降变化(见图2)。

图1 博斯腾湖1965-2000年年均芦苇面积变化曲线 图2 水位-芦苇面积变化趋势

2.2 水位—矿化度的影响

巴音郭楞自治州环境监测站从2000年对博斯腾湖进行检测，从评价结果来看，博斯腾湖水质总体为Ⅲ～Ⅳ类，主要污染物是盐分(总硬度，氯化物和硫酸盐)与有机质(高锰酸盐指数)，湖水存在富营养化趋势；其变化的主要影响因素很多，从相关性分析来看，与湖泊水位变化关系密切。博斯腾湖在1990～1999年间，出现连续低水位，此时的湖泊来水量较小，用水十分紧张。而从2000年以来，又出现连续的高水位，目前仍处于防洪线上。由于博斯腾湖水位较高，导致周围大片农田和村庄淹没，土壤盐碱化加重。盐泽区的苇籽繁殖就受到阻碍，芦苇茎秆灰绿色，叶粗糙脆硬，节间变短，盐量再增加，这类芦苇死亡率很高(见图3)。

图3 矿化度-芦苇面积 图4 人口与芦苇面积2次多项

变化趋势式变化趋势

2.3 人类活动影响

博斯腾湖是巴州重要水源地，全州80%的经济水量和人口依赖于博斯腾湖水生存或发展。

如图4看出，人口与芦苇面积变化进行一元回归分析，拟合度,相关度 ,这表明芦苇面积与人口变化趋势呈显著性正相关。1993年随着社会经济的发展，湖区周围居民，农民开始大幅度破坏芦苇生长，使芦苇面积逐步缩减，部分芦苇地干枯，产量呈下降这一情况持续到2000年末。之后国家重度关系博斯腾湖水量，水质，严禁人类继续破坏博斯腾湖胡芦苇增长。2003年开始芦苇面积恢复1980年的芦苇面积。

3 ANN模型预测芦苇面积及模型检验

利用ANN模型，根据博斯腾湖气候因子——降水(总入湖水量)、水位与矿化度和人口等作为输入量，预测博斯腾湖芦苇覆盖面积(见表1)。

在博斯腾湖芦苇区，做过三次比较详细的调查，分别是1965年，1981年，1992年。1988年也做过粗略调查。从总体来看，对博斯腾湖芦苇研究较少，资料相对缺乏。然而，利用已有的资料，通过调查以及相关分析等措施，插补一些年份资料，用人工神经网络模型来预测和模拟。

图5 ANN模型模旱地与沼泽地拟值与预测值拟合度

图6 沼泽地芦苇面积ANN模型模拟值与实值对比曲线 图7 旱地芦苇面积ANN模型模拟值与实值对比曲线

表1 芦苇分类面积预测结果(1998-2000年) 104 m2

从图5～图7可以看出，ANN模型模拟效果较好，预测结果与1995-1997年实测值对比(作为参考年)，基本符合最近几年的实际。从图8看出，残差分布没有一定的规律性，都对零随机分布，模拟值与预测值很接近，说明模型有很好的预测性。

图8 沼泽与旱地芦苇面积残差图

4 结语

本文先对芦苇覆盖率各影响因素进行一元回归相关性分析，水位与矿化度用spss13.0对训练集做相关分析，最后对芦苇覆盖率用ANN人工神经网络来进行模拟与预测。对博斯腾湖芦苇覆盖率进行科学客观的分析，并通过对多年数据的分析建立了芦苇覆盖率影响因素间的相关性分析，还对覆盖率等复杂的非线性的生态成分进行了人工神经网络来模拟和预测。模型的预测值和模拟值很吻合。可以预测未来当输入因子发生变化时生态系统输出因子的变化趋势也就芦苇覆盖面积变化趋势。这为合理的调控博斯腾湖生态环境提供合理的理论依据。对巴音郭楞自治州(一下简称巴州)的经济社会协调发展和生态系统的可持续发展都具有重要意义。

(1)由于博斯腾湖芦苇气候因素(气候，太阳辐射)等因素多年均变化总体变化很小，所以本文主要对入湖总水量(降雨量)年均变化对芦苇覆盖变化进行相关性分析。分析结果降雨-芦苇面积极相关关系，相关度P=0.000 607。根据多年资料进一步对总入湖水量(降雨量)引起的水位变幅与矿化度进行相关分析。分析结果水位-矿化度拟合的很好，拟合度R2=0.946。再进一步对矿化度与芦苇面积变化进行相关分析。分析结果矿化度-芦苇面积极相关关系，相关度P=5.86E-0.6。

(2)博斯腾湖芦苇早期是巴州人口依靠生存的主要资源，后期开始又是个发展生活条件与旅游的基地。所以不断扩大农田开发占用芦苇地，使芦苇面积逐步缩减。对人类因素引起的芦苇覆盖面积变化相关性分析，分析结果人口-芦苇面积正相关关系，相关度P=0.032 9，拟合度R2=0.948 2。

(3)博斯腾湖生态系统是既复杂又非线性的大系统。水量(总入湖水量)-水质(矿化度)-生态(芦苇)关系就是一个非线性的生态系统。因此本文对芦苇面积变化用人工神经网络来进行模拟与预测。模拟值与预测值拟合的很好。

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