洪湖是湖北省最大的淡水湖，也是中国七大淡水湖之一，它位于长江中游江汉平原腹地。1951年围湖造田以来，江湖一体格局被打破，包括洪湖流域在内的江汉平原湖泊数量、面积急剧下降^{[1, 2, 3]}，20世纪80年代中后期湖泊面积变化趋于稳定。20世纪70年代中后期江湖隔断后，长江上游来水对洪湖影响小，特别是洪湖春季水资源的影响更小，洪湖实质上成为这一地区的大型平原水库^[2]，承担着中下游地区汛期蓄洪、冬春灌溉的任务，也承担了生物多样性、旅游、环境净化等多种功能。

近几十年来湖泊湿地遭遇了水面萎缩、水体干涸、湿地退化、旱涝急转等一系列水文与生态问题^{[4, 5, 6]}，导致湿地所拥有的多项功能正逐渐削弱。特别是2011年冬春连旱更为历史所罕见，洪湖湖水干枯，生态几乎遭受毁灭性的破坏。尽管在不同时期和不同区域湖泊水文和生态变化的原因各不相同，但一般认为是人类活动和气候变化共同作用的结果^{[7, 8, 9]}，而人类活动和气候变化哪个是主因，各有多大影响力至今仍存在争议。到目前为止，有关洪湖生态环境及其变化的研究不少^{[1, 2, 3, 10, 11, 12]}，但对导致洪湖湖泊生态环境变化的主要因子进行定量分析的研究并不多见。本文利用降水、水文、土地利用资料，采用湖泊水量平衡原理、统计学等方法，量化分析人类活动和气候变化对洪湖春季干旱的影响，旨在为恢复洪湖湿地生态、可持续发展提供科学依据。

研究区域如图 1。气象资料为洪湖流域及其周边各地面气象观测台站实测地面气象数据，资料年代统一为1960—2011年，数据来自于湖北省气象档案馆；1982—2011年逐日洪湖挖沟咀水位来自荆州市水利局；水产养殖面积来自于湖北省统计局湖北农村统计年鉴编辑委员会^[13]。

图 1 研究区域地理位置示意图 Fig. 1 Location of study area

图选项

洪湖流域降水量计算

研究区域内有荆门、荆州、监利、洪湖4个气象站点，且站点分布不均匀(图 1)，利用简单的算术平均方法计算其区域降水量不尽合理，精度也较低^[14]；为了较科学准确反映该区域降水情况，本研究对区域以0.05°×0.05°网格化，增加周边相邻的公安、潜江、仙桃、嘉鱼等站点逐日降水资料，采用距离平方反比法(计算公式如式1)，计算区域内各网格点降水量，再对所有网格降水值求其平均，即得到区域降水量。

点击浏览公式

式中,n为格点数目，R_i为第i点的样点值，d_i为第i样点到插值点的距离，R为待估值。当样点与插值点重合时样点权重为1，其它点权重为0，插值点值等于样点值。

洪湖水文干旱标准: 美国著名水文学家Ray K.Linsley^[15]把水文干旱定义为“某一给定的水资源管理系统下，河川径流在一定时期内满足不了供水需要”；袁文平等^[16]人提出生态环境用水是水文干旱的重要指标。魏显虎等^[3]研究指出洪湖春季水位控制在24 m以上，是内荆河航运、春季旅游、渔业生产和抗(春)旱水文重要指标；宁龙梅等^[11]利用生物最小空间法和生态水文法计算认为洪湖湿地维护生态系统的最低生态水位为23.64 m。本文以月平均水位24.0 m为一般性干旱水位；以月平均水位23.64 m为大旱水位标准。

图 2是1982—2011年洪湖水位及降水量、水位及其均方差、5月水位时间变化特征；表 1 是1982—2011年30a间百分位为10的最低与最高的各月平均水位，即3a最低与3a最高月平均水位值及它们差值。从图 2a中可以看出：洪湖水位低值出现在冬春交替季节2—3月，月平均水位为23.98—24.02 m；洪湖水位最高3个月为7—9月，月平均水位为25.16—25.24 m；相较降水最多的5—7月在季节上 滞后2个月；在春季随时间推移降水量增加迅速，而 水位升高速率却非常缓慢，4、5月两月分别仅比上月升高0.02、0.20 m。分析还发现，在30a中4月、5月水位低于24.0 m分别有10a、9a，即有1/3年份水位对航运及春季旅游等构成影响。从图 2b均方差值变化可以看出：5月最大，为0.66 m,12—2月最小，表明12—2月水位变化小，相对稳定；5月水位相对较低，而变化最大，显示5月洪湖水位极不稳定；从图 2c显示5月水位的不稳定在20世纪90年代中后期至今表现尤为突出。从表 1中看出：同为低水位年，3—5月的水位较冬季12—2月水位更低，低于23.64 m的大旱水位；统计还发现30a中春季低于大旱水位持续时间30 d以上(含30 d)的有6a；5月份尤为突出，其中两年低于23.5 m，分别为2011年5月23.34 m和 2000年5月23.47 m，也是历史上月平均水位最低的两年。

图 2 洪湖月水位及月降水 (a) 、月水位及均方差 (b) 以及1982—2011年洪湖平均水位 (c) 时间变化特征 Fig. 2 The time variation characteristic of the monthly mean Honghu′s water level and precipitation (a) ,the monthly mean Honghu′s water level and its mean square deviation (b) and yearly mean water level from 1982 to 2011 (c)

图选项

入春以后随着温度上升，该地区农渔业活动逐渐展开，到4月下旬至5月双季早稻、一季中稻移栽，渔事活动需水量激增^[17]，是造成春季湖水水位上升困难，甚至不能满足用水需要而导致干旱的主要原因，因此5月水位对于洪湖春旱最具有代表性。

表 2是洪湖5月水位与不同时段降水量的相关系数。表中可以看出5月水位与单月降水量相关性最好是4月，其次是5月降水量；与2个月降水总量的相关性最高的是4—5月，其次是3—4月降水量；与连续3个月降水总量的相关性最高的是3—5月，均达到了信度为α=0.001极显著水平。再进一步统计时长为4个月的2—5月和1—4月，和时长5个月的1—5月降水与5月水位相关性，得到它们相关系数分别为：0.8145、0.7313、0.8112，其相关性均低于时长为2、3个月。由此可以看出：时间上距离5月越长久的时段降水，对5月水位的影响越小；5月水位与前期2—3个月的降水相关性最好；与上年度夏季(6—8月)的降水量，无论是单月还是多月均呈负相关。图 3是洪湖水位与4—5月及3—5月降水量相关图，从图中看出，春季降水量对水位的影响十分明显，春季(3—5月)降水增加或减少100 mm降水将导致水位上升或下降0.36 m。3—5月降水量52a(1960—2011)平均值R₅₂为397.4 mm，春季降水减少10%，5月水位均将下降0.14 m；当春季较常年偏少20%时洪湖水位接近一般性干旱水位，会出现水资源不足；当降水偏少45%时接近大旱水位，将对该地区农业与生态产生极为严重影响。

图 3 洪湖水位与4—5月降水量 (a) 及3—5月降水量 (b) 相关图 Fig. 3 The correlation between the Honghu water level with the precipitation from April to May (a) and from March to May (b)

图选项

对水位与其它气象因子相关分析发现：5月水位与5月平均气温相关性最好，为-0.4772，达到了α=0.01信度水平；其次是4—5月的平均气温，相关系数为-0.3104，只达到了α=0.1信度水平；与蒸发量及其它时段温度相关性更低。综上所述，春季水位低，尤其是5月水位变化大、不稳定，是洪湖湿地生态功能最容易受到影响的季节；春季降水量与5月水位的关系最密切，可见春季降水对于洪湖湿地干旱缺水至关重要。

图 4a、b、c是分别为洪湖流域1960—2011年年降水量、夏季降水量、春季降水量变化趋势图;图 4d为春季少雨年的降水量变化趋势，即分别从不同年代中提出5个降水最低值(2000—2011年为6个最低值)组成的降水时间序列变化趋势图。图中可以看出，年降水量与夏季降水量均呈现增加趋势；春季降水量呈现减少趋势，它们没有通过显著性检验；而春季少雨年的降水量变化趋势呈现比较明显的减少趋势，减少速率为-12.57 mm/10a，趋势系数r=0.3633，信度在α=0.1以上，即过去50年春季少雨年降水量减少了62.8 mm。进一步对3—5月、6—8月2个时段的降水量占年降水总量百分率变化趋势分析发现：3—5月降水量占年降水总量百分率趋势倾向率为-0.99%/10a，趋势系数r=0.2154，呈下降趋势，没有通过显著性检验；而6—8月降水量占年降水总量百分率趋势倾向率为1.41%/10a，趋势系数r=0.2272，信度在α=0.1以上，呈现出较为明显上升趋势。可见该地区年降水有越来越向夏季集中的趋势。从表 2中可以看出，夏季降水量的增加与次年5月水位为负相关，即对春季水资源有负面影响，这可能与夏季强降水增加^[18]有关，这种强降水往往伴随洪涝灾害，造成水资源量流失。

图 4 降水量时间变化趋势，(a) 为年降水量，(b) 为夏季降水量，(c) 为春季降水量, (d) 为春季少雨年降水量变化趋势 Fig. 4 Trend of precipitation, (a) for annual precipitation, (b) for the summer precipitation, (c) for spring precipitation,and (d) for the precipitation trend of drought spring years

图选项

分析还发现：1990—2011年相对于1960—1989年而言，枯水年(年降水量80%保证率)降水均呈明显的增加趋势,近20年较前30年均上升了100 mm以上；丰水年(20%保证率)降水量也略有增加。而对洪湖水位影响最关键最重要的春季降水量来说，与年降水量特征则相反，春季少雨年的降水量越来越少，在1960—2011年的52a中春季3—5月降水量由小到大排名的前10位中有4a在2000—2011年，2a在1990—1999年，1960—1989年的30a中只有4a；且其中排在少雨年前3位的分别1997、2011、2000年，均发生在近20年。

卫星遥感监测显示^[19]包括洪湖流域在内的江汉平原土地利用的构成中耕地接近70%，其中水田占59.83%；1990—2000年六大土地利用类型中旱地水田以及林地均有所减少；增加最多的是水域面积。统计年鉴也显示洪湖、监利两县2000年水田面积与旱地面积较1990年均减少0.5×10⁴ hm²，而水产面积却增加了1.0×10⁴ hm²；2000—2011年旱地面积减少2.0×10⁴ hm²，而水产面积又增加了4.4×10⁴ hm²。图 5是1990年以来洪湖周边两县市淡水养殖精养鱼池面积逐年变化情况。图中可以看出,两县市精养鱼池面积2000年是1991年2.1倍；2011年是1991年7.1倍，2000年的3.4倍；2000年后其增长速率明显加快。对洪湖跟踪监测研究^[1]显示洪湖湖泊及其周边滩地面积从20世纪50年代的 712 km²减少到90年代的 350 km²左右，从20世纪90年代以来基本稳定在340—350 km²。由此可见，2010年洪湖市精养面积已经相当于一个现有的洪湖湖面面积，监利县精养面积是现有洪湖湖面面积的60%。精养鱼塘是所有土地利用类型中变化最大、增长最快的一类。

图 5 洪湖、监利2县市1990年以来精养鱼池年际变化 Fig. 5 Inter-annual variation characteristics of fine aquarium areas in honghu and Jianli county since 1990

图选项

5 月农业用水量是全年最多最集中时段，相对于该地区降水最多最集中的6月而言，在时间上滞后1个月左右；而近年来水产养殖业的快速发展，造成了春季农业用水猛增，当春季雨水偏少的年份，洪湖水资源不足问题显露出来。

根据湖泊水量平衡方程^{[20, 21]}：

点击浏览公式

式中,ΔV为湖泊库容的变化量，A为湖泊水面面积(m²)，是水位h(m)的函数；P为湖面降雨量(mm)；E为湖面蒸发量(mm)；Q_in为入湖水量(m³)；Q_out为出湖水量(m³)。

当降水、蒸发等气象条件不变时，入湖水量Q_in变化不会太大，尤其是枯水年降水偏少时更是如此。洪湖出湖水量Q_out与周边工业、生活、农业用水以及外排泄洪有关。

点击浏览公式

式中,I₁、I₂、L、F分别为周边农业用水、工业、生活、以及外排泄洪等水量(m³)，据调查该地区80%左右用水是农业灌溉^[12]，可见农业灌溉用水I₁对出湖水量Q_out的影响很大，农业灌溉用水由周边农业结构所决定。

点击浏览公式

式中,W₁、W₂、W₃ 分别为旱作物、水稻、水产养殖耗水量，k₁ 、k₂、k₃分别为旱作物、水稻、水产养殖面积占农业用地权重系数。旱作物棉花^[22]苗期日均耗水量不足3 mm，蕾期,花铃期、吐絮期耗水量分别6.4、4.6、2.1 mm/d；玉米^[23]苗期日均耗水量不足3 mm，拔节、抽穗、灌浆期耗水量分别6.3、5.4、4.7 mm/d。洪湖地区正常情况下双季早稻4月底5月初移栽，5月中旬一季中稻进入移栽期；水稻^[24]移栽前泡田用水量129 mm，移栽后30d日均耗水量约5 mm；而水产养殖在鱼苗投放(4—5月)前鱼塘注水升高水位，据调查投放前鱼塘注水平均升高500 mm左右,日均水面蒸发及渗漏量耗水量5—7 mm。由此可以看出，水产养殖耗水量远大于水稻，水稻远大于旱作物。

表 3是根据式(4)计算的洪湖、监利两县不同时间不同降水量条件下春季农业灌溉用水需求值。218、318 mm分别为洪湖春季较常年平均偏少45%和20%的降水量。从表中可以看出：当春季降水量分别偏少20%、45%时，2011年春季农业灌溉需水量是1989年2倍之多；特别是在偏少45%时，其灌溉需水量相当多年平均年入湖水量^[2]19.6×10⁸ m³的45%。由此可见由农业用地结构变化导致灌溉用水量增加对洪湖春季水资源短缺的压力也增加了1倍之多。

对1989—2011年精养鱼池面积与水位进行相关性分析，其水位与洪湖和监利两县市精养总面积的相关系数为-0.1494,两者相关性不显著。以春季3—5月52a平均降水量R₅₂为分界线将1989—2011年4—5月降水量分为偏多与偏少两组样本进行相关分析发现，偏多一组中两者间呈正相关，其相关系数为0.1021(样本数n =11)，不显著，这可能是与降水过多时养殖户为防止水溢鱼逃，鱼塘向外大量排水而导致洪湖抬高有关。但当降水偏少时两者为较好的负相关关系，相关系数为-0.4954(样本数n =12),达到了α=0.1的显著性水平,其斜率，亦即降水偏少时水产养殖对洪湖水位的影响率为-0.158 m/10⁴ hm²。

2 000年与2011年均为特大冬春连旱年，对两者进行了对比分析，表 4是这2年春季水文气象特征之比较。2000年5月24—25日洪湖汇水区出现了一次暴雨过程，2011年6月4日之后4次强降水过程。表中可以看出：3月1日—5月24日期间2000年较2011年降水量少21.7 mm，气温较2011年高1.4 ℃；从气象要素看，截至到5月24日为止春季干旱2000年显然重于2011年；但从水文要素上看，4月水位2011年较2000年高，4月底进入农业集中用水期后、2011年无论是平均水位、最低水位，还是低水位维持时间等各项水文特征值明显低于2000年，2011年洪湖水文干旱明显更旱一些。从水稻种植面积上看，2011年洪湖市早稻面积不足2000年的50%，监利也减少10%以上; 80%以上一季中稻因无水灌溉推迟移栽；水产养殖业仅洪湖市水产养殖面积增加了1.7倍(图 5)。对2011年大旱实地调查也是这样，90%以上的水产养殖鱼池水位虽然较一般年份同期低，但都保持了相应水位，干旱对水产养殖影响相对小。由此可见，春季降水量较常年偏少时精养鱼池对水的需求及对洪湖地区造成的干旱十分明显。

人类活动与气候变化两者对洪湖地区水量收支变化量大小比较。如前所述，利用式(4)计算在降水偏少2成时，由于近20年土地利用的变化导致该地区两县市春季农业灌溉需水量增加了1倍以上，即增加了4.14×10⁸ m³以上农业灌溉需水量。与此同时气候变化导致春季降水量也在下降，据图 4c、d显示过去50a春季降水量减少速率为4.44 mm/10a，少雨年的降水量减少速率为-12.57 mm/10a，由此计算，50a春季降水量与春季少雨年的降水量分别减少了22.2、62.8 mm，相当于两县市降水分别减少了1.24×10⁸ m³、3.51×10⁸m³。从时间变化率上看，人类活动对洪湖春季干旱产生的影响更大。

再进一步比较两者对洪湖水资源实际影响。从上面的气象、农业与水文观测资料统计分析已经得到：在春季降水偏少时，水产养殖影响系数为-0.158 m/10⁴ hm²，由此计算在降水偏少的情况下，1989—2011年由于水产面积的增加，洪湖5月水位产生的影响约0.83 m。而春季降水对洪湖水位的影响系数为0.36 m/100mm，如前所述近50年春季降水量与春季少雨年的降水量分别减少了22.2、62.8 mm，据此推算其对水位产生的影响分别为0.08、0.23 m。显然人类活动大于气候变化。对2000年和2011年两个典型春季大旱年进行参数比较后发现，水产养殖对洪湖干旱、农业及生态影响是巨大的。

(1) 春季5月是洪湖地区渔事活动及春耕春播等农业用水最重要最集中时期，需水量大，全年水资源最脆弱时期，水位略高于冬季，但均方差是冬季2—3倍，导致干旱出现频率高、程度重。春季降水量与洪湖水位相关系数为0.8305，相关性极为显著；春季降水量是对水资源短缺影响最大的气象因子，也是该地区春季干旱的重要气象指标。

(2)虽然近50年来该地区年降水量有增加的趋势，且丰水年和枯水年降水量均呈增加趋势；但这种趋势表现为向夏季集中，即夏季降水量呈增加趋势，而夏季降水增多对次年春季水资源有负面影响。春季降水量则呈现为减少趋势，尤其是春季少雨年比较明显，信度在α=0.1以上，春季少雨年的降水量下降率为-12.57 mm/10a，即过去50a春季少雨年的降水量减少了62.8 mm。另外在1960—2011年春季降水量最少的10a中，后20年就占有6a，其中有4a发生在2000—2011年，春季少雨年频率也呈增加趋势。

(3) 在降水偏少时精养鱼池面积增加导致水资源短缺，加速洪湖水位下降，渔业的大量需水造成旱年更旱。近20年来随着社会经济的发展洪湖地区土地利用变化很大，尤其是水产养殖面积的快速增加，周边洪湖、监利两县市精养鱼池面积增加了近7倍，即20年增加了5×10⁴ hm²，面积相当于1.6个洪湖湖面面积；造成春季降水量低于历年同期的20%便会导致水资源不足，低于45%可能产生大旱；与湖北省水利厅^[25]在10多年前划定的连续3个月降水距平百分率在-25—-50%为一般干旱，≤-50%为大旱指标有了较明显的变化。

(4) 近几十年在人类活动与气候变化双重影响下洪湖春旱增多加重，从水量平衡分析并结合气象、农业与水文观测资料的统计分析，人类活动对洪湖春季干旱的影响更大。本文所指的人类活动主要是指农业结构变化，尤其是水产养殖面积的增加；但不包括城镇化发展导致的工业用水、生活用水增加、以及各种污染造成水资源浪费而对干旱产生的影响。

综上所述，目前土地利用结构不利于该地区生态环境改善及农业可持续发展，应当加大调整农业结构力度，尤其要避免盲目发展水产养殖导致湿地生态破坏；同时真正落实国家“退田还湖”政策，扩大湖泊库容，减少夏季集中性降水的外排力度。另外，据研究^[26]该地区9月份之后发生暴雨洪涝概率低，不足4%，减少秋季雨水外排，甚至在秋季适当开闸引入长江水资源，增加冬季洪湖蓄水量，可以有效提高洪湖抗春旱能力。