2015, Vol. 27 
(2: 内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022)
(3: 内蒙古师范大学蒙古高原环境与全球变化实验室，呼和浩特 010022)
(2: College of Geographical Science, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, P.R.China)
(3: Key Laboratory of Mongolian Plateau Environment and Global Change, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, P.R.China)
湖泊不仅为生命提供了必要的水源，也记录了气候变化的重要信息，因而对全球变化与区域响应、水资源评估、环境和生物多样性研究具有重要的意义.目前，随着气候变化和人类活动，大量湖泊面临着污染、萎缩，甚至干涸的问题[1-5]，湖泊生态环境遭受严重威胁[6-9].研究报道近50年来国内湖泊变化显著[10-12]，自第一次全国湖泊调查(1960s1980s)到21世纪初，我国面积1km2以上的湖泊总面积减少了9605km2[13].由于受气候暖干化的影响[14]，青藏高原的青海湖[15-17]，干旱与半干旱区的博斯腾湖[18-19]、艾比湖[20-21]等诸多湖泊，近几十年来水位下降，环境质量逐步退化[22]；东亚季风边缘区的岱海[23]、达里诺尔[24]、呼伦湖[25]等湖泊出现严重萎缩，其周缘的湿地面积也经历了严重缩减的过程.
查干淖尔是位于中纬度季风边缘区的终闾湖，其对环境变化的响应相当敏感，湖泊水位变化明显，2002年查干淖尔西湖彻底干涸，湖盆裸露，成为流域主要的尘暴源地，出现严重的生态环境问题.目前，关于该湖的变迁及流域环境研究较少，本文利用不同时期的影像资料，对近50余年查干淖尔湖泊波动及其原因进行分析和初步探讨，为深入认识区域自然环境演化过程，以及为环境治理和水资源的可持续利用提供参考.
1 研究区概况查干淖尔湖(43°24′10″N，114°50′30″E)，又名呼日查干淖尔湖，位于内蒙古高原中北部，湖泊盆地南接浑善达克沙地，北邻阿巴嘎熔岩台地(图 1)，是处于东亚季风边缘区干旱与半干旱气候过渡带的封闭盐湖，对气候变化响应极为敏感.湖盆呈NE-SW向Qehan延伸的狭长形，地势东高西低.该湖分为西湖和东湖，其中，西湖湖底较为平坦，湖岸较陡，湖底海拔1009m；东湖湖底(海拔1015m)较西湖高(图 2).而且，两湖之间由天然堤坝相隔，中间有水闸控制东湖向西湖注水，该堤坝于2.42 ka B.P.前后出现，并奠定了现代湖盆形态的基础[26].查干淖尔流域面积1.4×104km2，流域总人口约3.4万人(2010年)，以放牧为主，无灌溉农业，2008年前无工业.湖泊水源主要靠高格斯台河和恩格尔河补给，恩格尔河流经巴润查干淖尔湖，由南岸向北注入查干淖尔西湖，目前恩格尔河在西湖入口段已经干涸；高格斯台河发源于正蓝旗，流经阿巴嘎旗红格尔高勒镇，进入查干淖尔东湖，为季节性河流.
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图 1 查干淖尔湖流域位置 Fig.1 Location of Lake Qehan basin |
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图 2 查干淖尔湖盆DEM图 Fig.2 The lake pan DEM of Lake |
查干淖尔湖泊流域夏季受东南季风影响，温和且降水集中，冬季受蒙古高压控制，干冷多风，属中温带半干旱大陆性季风气候.据内蒙古阿巴嘎旗气象站多年(1955-2010年)观测数据(图 3)，湖区年平均气温1.3℃，气温年较差较大(-21.3~20.9℃)；年平均降水量280mm，年际变化大(年变率达25.9%)，年内分配不均，降水主要集中在6、7、8月份(占全年降水总量的69.4%)；多年平均蒸发量为1977.2mm，是降水量的7.1倍；常年盛行偏西风，仅6-8月为东北风，年平均风速为3.3m/s.地带性土壤为淡栗钙土，此外还有沼泽性土、沙质草旬土和风沙土等非地带性土壤.植被为荒漠草原，有沙米、沙篙、冰草、小叶锦鸡儿、芦苇、杂类草及柴桦灌丛.
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图 3 1955-2010年研究区(阿巴嘎旗)气象要素的月变化 Fig.3 The variations of monthly meteorological data of Abaga Banner during 1955-2010 |
本文利用的资料主要有：1958、1959年的航空相片；1973年11月、1975年9月、1977年6月的MSS遥感影像；1991年8月、1993年9月、1999-2003年(6、7和8月份)、2005-2010年(7、8、9月份)的TM/ETM+遥感影像；研究区1:5万地形图；2004年1:1万查干淖尔湖底实测高程图；1955-2010年查干淖尔湖泊周围的阿巴嘎旗、苏尼特左旗和正蓝旗3个气象站点的气象资料(气温、降水量、蒸发量等)以及查干淖尔镇昌图庙站径流量数据.野外考察在当地收集的社会人文(人口、牲畜数量)数据以及对当地居民调研访谈的资料.研究区影像挑选原则：(1)单景影像的平均云量小于5%，湖泊上空无云覆盖；(2)卫星遥感资料获取之前，无较大的异常强降雨或干旱，并在影像能获得的前提下选择信息量丰富的夏季时相影像；(3)以空间分辨率30m的卫星影像(如Landsat TM/ETM+)为主，其他影像为辅.
2.2 方法2010年6月至2011年9月对研究区进行两次共计半个月的野外考察，对湖泊流域自然和社会情况进行实地考察.在此基础上，对各期遥感影像数据进行预处理，对湖泊面积、水量和水位进行提取和数据分析.
在ENVI图像处理软件的支撑下，对所有经过假彩色图像合成的影像资料，以1988年出版的1:5万地形图作为底图，进行几何精校正，坐标统一采用ALBERS等面积投影和相应参数下的1954年北京坐标系，并对校正后的图像进行边缘增强、灰度变换等处理.
利用ArcGIS软件对影像进行目视解译，提取1958-2010年查干淖尔湖泊边界；建立湖泊DEM(Digital Elevation Model)，获取湖泊面积、水量和水位信息.
利用SPSS、Excel、Origin等软件，对得到的湖泊波动指标(湖泊面积、水量及水位)及湖泊变迁驱动因子(流域气温、降水、蒸发量、人口、牲畜头数)进行相关分析和主成分分析，探讨该湖泊波动的驱动机制.
3 结果近50余年来查干淖尔湖虽有湖泊扩张发生，但湖泊总体呈下降趋势(图 4、5).1958-2010年湖泊总面积锐减73.3%(从105.3km2降至28.1km2)，总面积在2000—2002年出现急剧下降，平均每年下降28km2，在这前后湖面的变化趋势都很平稳；湖泊总容积减少66.9%(从124.1×106m3降至41.1×106m3)，总容积波动趋势以1999年为界，之前下降幅度较大(平均下降2.3×106m3/a)，之后变化相对平缓(平均0.6×106m3/a).1959年湖泊总面积与总容积是近50余年的最高值，分别为111.8km2和151.9×106m3；2007年湖泊总面积与总容积达到最低，分别为26km2和33.7×106m3.
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图 4 查干淖尔湖近50年湖泊面积波动 Fig.4 Lake Qehan area changes over the past 50 years |
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图 5 查干淖尔湖湖泊总面积与容积的波动 Fig.5 The lake area and volume changes of Lake Qehan |
近50余年来查干淖尔东湖经历了降升降升的波动变迁：1958-1977年，东湖湖泊面积、容积和水位分别下降了5.8km2、13.3×106m3和0.4m，在1959年明显波动上升，出现近50余年来的最高值，随后大幅下降(水量降幅高达64.8%)，1977年为东湖面积、容积和水位的最低年；1977-2002年，东湖逐渐扩张，26年间湖泊面积、容积和水位分别增加11km2、56.7×106m3和1m；2002-2007年间，湖泊水位和容积分别以0.07m/a和2.2×106m3/a的速率不断下降，面积则保持相对平稳；2007-2010年，东湖容积以每年增加1.8×106m3的速度上升了7.3×106m3，湖泊水位在4年内迅速上升了0.4m，面积年际波动最大不超过1.2km2，相对稳定(图 6).
2002年查干淖尔西湖干涸，湖盆裸露，在过去的54年里西湖不断萎缩，湖泊容积、水位和面积分别减少80.2×106m3、7.4m和93.2km2，发生了剧烈的变化.西湖面积与水位在1969-1975年呈现上升波动，分别上升3km2和0.6m.54年里容积变化曲线则呈现降升降的趋势，1958-1969年的下降过程中，1959年有所上升，上升了1.1×106m3；1969-1975年容积增加19.9×106m3，1975年后剧烈下降，至2002年干涸，27年间容积减少了87.8×106m3(图 6).
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图 6 查干淖尔湖东湖和西湖湖泊面积、容积和水位的波动 Fig.6 Lake area, volume and level changes of East and West Lake Qehan |
据上述分析，50余年来查干淖尔湖经历了逐渐萎缩的过程.湖泊总面积、总容积与西湖面积、容积表现出较高的相关性(R2＞0.93)，与东湖相关性较小(R2＜0.27)，且东、西湖与总湖泊面积之间的相关性较容积间的相关性好，东、西湖湖泊水位与面积和容积间的相关性均较好(R2≈0.95).
一般情况下湖泊水量的流失是湖盆构造断裂引起的湖水下渗，人畜饮用，入湖径流减少以及流域气温、蒸发量升高，降水量降低等因素综合作用的结果.对查干淖尔湖容积和面积与自然和人为要素进行相关分析及主成分分析(表 1)，结果表明：湖泊容积与乡村人口、气温和径流量呈极显著相关(P＜0.01)，与蒸发量呈显著相关(P＜0.05)；湖泊面积却只与气温呈极显著相关，与蒸发量呈显著相关.气候因素作为影响湖泊波动的第一主成分，其中高绝对值载荷指标有蒸发量、径流量和气温；人为因素为第二主成分，乡村人口与牲畜头数为高绝对值载荷指标.结合相关分析与主成分分析的结果，可知查干淖尔湖的变化主要是受乡村人口及径流量、蒸发量和气温共同作用，且气候因素的贡献率大.下面分别探讨各因素对湖面波动的作用.
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表 1 近50余年来查干淖尔湖变迁与各要素的相关系数及主成分分析 Tab.1 The correlation coefficients and principal component analysis between the lake area, volume and the meteorological elements and human activities over the recent 50 years |
查干淖尔积水盆地是以中生代凹陷盆地为基础的新生代坳陷盆地[27]，受第三纪构造运动影响，构建湖盆框架[28]，于中、晚更新世区域升降作用下形成[29]，至全新世稳定.所以，查干淖尔现代湖盆地质构造稳定，不构成近50年来湖泊水量减少、湖面波动的原因.
4.2 流域蒸发、降水和气温作用根据1955-2010年流域(阿巴嘎旗、苏尼特左旗和正蓝旗)气象站点的资料统计，50余年来查干淖尔流域年平均气温上升了2.5℃，平均每10年上升0.5℃，多年平均降雨量略有下降，多年平均蒸发量是降水量的8.1倍，并随气温的升高而增加(图 7).可知，近50多年来查干淖尔流域气候变化特征呈暖干化.
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图 7 1955-2010年昌图庙站年径流量和查干淖尔流域3个气象站年降水量、年均气温与年蒸发量的变化 Fig.7 The annual runoff data from Changtumiao hydrological station and annul precipitation,evaporation and temperature data from three meteorological stations during 1955-2010 |
湖泊水量与面积变化同湖面降雨和蒸发紧密相关，一般情况降水增加湖泊补给，有利于湖泊扩张；而蒸发作用减少湖水补给量，促使湖面下降.1959年降水量最多，达422.4mm，比平均降水量高出156.9mm，气温与蒸发量相对较低，湖泊面积与容积为近50余年来最大值.21世纪初，流域降水量下降，蒸发量升高，查干淖尔湖泊经历了一次剧烈萎缩.2001年，降水量降至近50余年的最低值168.7mm，蒸发量升高至2409.8mm，湖面比2000年湖面减小33.7%.2002年，蒸发量较高，降水量较低，分别为2124.5mm和187.8mm，西湖干涸，湖泊面积骤减约1/2.湖泊容积与气温(R=-0.689，P＜0.01)呈极显著负相关，与蒸发量呈显著负相关(R=-0.546，P＜0.05)，湖泊变化与气候波动有很好的相关性.可知，近50年来查干淖尔湖泊萎缩.流域湿地面积锐减与流域气候的暖干化趋势基本一致.
4.3 径流补给查干淖尔湖水源由恩格尔河和高格斯台河两河流补给.据2010年野外考察得知恩格尔河在西湖入湖口处已经干涸，该河发源于正蓝旗，流经巴润查干淖尔湖，最后注入查干淖尔湖，是典型的内流河.据实地访谈和影像判读，1970s末巴润查干淖尔湖周围湿地部分被开垦成农田，并修建水渠，引河水进行灌溉，农田面积约10km2，占流域面积的0.07%，且河流下游建有一个瓦窑，也使用河水(图 8).恩格尔河在气候暖干化的影响下，径流减小(图 7).所以，恩格尔河断流是人为与气候双重因素导致的.
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图 8 恩格尔河下游情况(2014年Google Earth地图) Fig.8 The downstream condition of Enger River(Map from Google Earth, 2014) |
高格斯台河发源于正蓝旗，流经阿巴嘎旗红格尔高勒镇，汇入查干淖尔东湖.1955-2010年查干淖尔镇昌图庙站径流数据(图 7)显示，流域多年平均径流量4267.7×106m3，略有下降，1955年至今下降653.4×106m3.根据近30年来的流域土地利用情况，得知流域内耕地和人为活动用地面积仅占流域面积的0.5%左右，而且并没有主要分布在高格斯台河附近.相关分析得到湖泊容积与径流量(R=0.57，P＜0.01)呈极显著相关；第一主成分中径流量载荷绝对值最大，为0.846，是影响湖泊波动的主要原因.所以，河流径流量与湖泊波动密切相关，且径流量的减少主要受流域气候暖干化的影响.
4.4 人类活动的影响原本由天然堤坝相连的查干淖尔湖，自查干淖尔东湖渔场建立，便东、西湖各自独立，东湖向西湖的水补给受堤坝水闸的人为控制(放水时间和水量没有记录).所以，东湖水位在人为控制下保持1m范围的波动，而西湖缺少了来自东湖的主要补给，水位持续下降，水位波动变幅高达7.6m.
研究区在2008年前并无工业，且流域人口稀少，1958年仅1.9万人，1985年增至4万人，之后不断减少，至2010年人口为3.4万，人均占地面积0.4km2.牲畜头数以1999年为分界点，先增加后骤减，2010年研究区大小牲畜头数37万(图 9).根据国务院研究室农村经济司课题组制定的2010年全国农村人均用水量70L/d，牲畜饮水量30L/d的标准，2010年查干淖尔湖流域人口用水量和牲畜饮水量分别为0.87×106m3和4.28×106m3，仅为径流量的0.1%.按此标准计算的近50余年来流域年人为饮用水量约为径流量的0.2%，相对较少.对流域土地利用状况进行分析，人类活动用地(居民地和耕地)只占流域面积的0.5%.相关分析表明湖泊面积与乡村人口和牲畜头数均无相关性，湖泊容积与乡村人口(R=-0.569，P＜0.01)呈极显著负相关.主成分分析显示，第二主成分(人为因素)中乡村人口与牲畜头数的载荷值分别为0.877和0.780，前者较后者作用大.第一主成分与第二主成分对查干淖尔湖泊波动的累计贡献率为69.12%，人为因素贡献率仅为27.1%.因此，人为活动对该湖泊波动影响较小.
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图 9 1955-2010年查干淖尔流域人口及牲畜头数变化曲线 Fig.9 The changes of annual population and livestocks of Lake Qehan basin from 1955 to 2010 |
近50余年来查干淖尔湖经历了逐渐萎缩的过程，1958-2010年湖泊总水量锐减66.9%(从124.1×106m3降至41.1×106m3)，湖泊总面积缩小73.3%(从105.3km2降至28.1km2)，西湖水位锐减7.6m，东湖水位波动范围不超过1m.湖区气候暖干化，年平均气温上升2.5℃，年降水量下降36.6mm.查干淖尔湖容积与气温和乡村人口呈极显著负相关，与径流量呈极显著正相关，且气候变化作为影响湖泊波动的第一主成分贡献率比人类活动的大，所以，研究区湖泊萎缩、湿地面积减少是气候变化与人类活动共同作用的结果，且气候暖干化起主要作用.在全球气候变暖的背景下，查干淖尔湖流域生态环境出现恶化是不可否认的事实.尤其是2002年，西湖干涸，裸露湖盆导致的盐尘暴危害严重，极大地污染了空气、食物、土壤和水源等，应采取措施重点保护.
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