2016, Vol. 28 
(2: 内蒙古师范大学地理科学学院, 呼和浩特 010022)
(3: 内蒙古师范大学湿地环境与修复自治区工程实验室, 呼和浩特 010022)
(2: College of Geographical Science, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, P. R. China)
(3: Inner Mongolia Repair Engineering Laboratory of Wetland Eco-environment System, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, P. R. China)
湖泊作为自然界重要组成部分, 不仅参与自然界的水分循环, 同时能够真实地反映流域不同时间尺度的气候、环境变化及人类活动的信息[1].湖泊的面积变化受地貌、气候、水文及人类活动等诸多因素的影响, 因此在不同区域的时间变化特征存在一定的区域差异[2].譬如, 在青藏高原地区, 由于气温升高、冰川融化往往导致湖泊呈现一定的扩张趋势[3-7], 但多数以降水补给为主的湖泊则显示了不同程度的萎缩[8-9].在新疆地区的湖泊则具有不同程度的扩张现象, 其主要原因是1995年以来降水量增加[10-14].而在内蒙古地区, 则普遍存在湖泊萎缩、干涸、盐碱化等现象[15-21].上述研究表明, 近50 a以来不同地区湖泊面积变化特征不尽相同, 并且其驱动因素也有较大差异.因此, 对不同地区湖泊演化历史进行分析, 不仅可以明晰湖泊面积变化的区域差异特征, 探讨其变化成因, 还可以为区域气候变化与人类活动强度提供直接的证据.浑善达克沙地位于内蒙古中东部, 是我国典型的干旱半干旱区过渡地带.伴随着气温上升、降水量减少, 气候向暖干旱化趋势发展[22], 湖泊面积退缩、湖泊水位下降[18-19].但上述研究仅限于单个湖泊面积变化, 是否能够反映该区域近50 a湖泊面积变化的特点, 尚需要结合整个沙地范围的湖泊群长时间序列的演化特征进行分析.
遥感技术具有宏观性、动态性和经济性的优势, 可以相对准确、客观地提取特定时期湖泊面积信息.因此, 本文利用浑善达克沙地地形图和遥感影像提取该区1969-2013年多时期湖泊水域并分析湖泊总面积、数量变化情况以及湖泊变化空间分布格局, 为未来气候变化背景下的湖泊演化提供参照.
1 研究区概况浑善达克沙地是我国十大沙漠沙地之一, 位于锡林郭勒盟中部偏西南部.地势由东南向西北缓慢降低, 地面起伏不大, 总面积为5.2×104 km2, 处于干旱半干旱过渡带, 是对环境演变响应强烈的生态脆弱地带[22].该地区第四纪以来构造运动强烈, 形成诸多湖泊盆地和风砂堆积[24-25], 使其存在众多湖泊、水泡子和泉眼以及内流河(图 1), 给脆弱的生态环境提供了宝贵的水资源, 成为当地居民生产生活的主要水源.这些湖泊主要以天然降水补给为水源, 受松散物质的影响, 产流量少、地表径流量较少, 而水面蒸发强烈, 雨季湖水上涨, 旱季水位下降, 能够较好地反映该地区生态环境变化的趋势、过程和特征.
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图 1 浑善达克沙地湖泊群的分布 Fig.1 Location of lakes in Hunshandake Sandy Land |
遥感卫星影像是湖泊变化研究较理想的信息源, 能够真实反映湖泊演化过程[26].为获取湖泊群变化情况, 共收集和整理到具有湖泊标注的1:50000、1:100000地形图和由美国地质调查局(USGS)发布的MSS/TM/ETM/OLI数据(表 1), 共17期影像, 遥感影像轨道号(Path/Row)为124/30、125/30.由于内陆湖泊季节变化大[27], 为排除湖泊年内变化对其阶段变化的影响, 同时也避开冬季湖面冰冻带来的影响, 所有影像均选在710月期间.为了保证影像图质量, 个别选取6月, 且选取的影像云量均小于1%.本文所用到的Landsat数据是从地理空间数据云(http//:www.gscloud.cn)免费获取的.
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表 1 本研究所选用的数据 Tab.1 The data used in this study |
首先利用扫描仪对地形图进行扫描生成栅格图像, 然后在ArcGIS软件环境下完成地形图配准、判读和数字化等过程.在地形图配准时, 采用公里网作为控制网, 投影统一采用高斯—克吕格投影.将下载的遥感影像在ENVI4.7图像处理软件中进行标准假彩色合成, 并借助配准后的地形图为基准, 对影像图进行几何校正, 每景影像不少于20个控制点, 影像校正误差精度平均控制在半个象元之内, 最大误差控制在一个象元以内.将研究区各年份的两幅影像图进行拼接处理, 之后将配准、拼接的影像导入ArcGIS软件中, 按浑善达克沙地界限将影像图裁剪并进行数字化处理.
对于湖泊边界的确定, 现今已有不少利用遥感技术提取湖泊边界的方法, 如单波段阈值法[28]、水体指数法[29]等, 但由于浑善达克沙地湖泊群的面积较小、变化复杂、盐渍化严重等实际情况, 本研究根据科技部科技基础性工作专项“中国湖泊水质、水量与生物资源调查”中制定的原则[1], 直接采取人工目视解译方法提取湖泊信息, 并结合多次野外考察, 经验证众多湖泊边界划定精度小于3 m, 满足本研究湖泊边界提取精度, 同时将矢量数据数字化精度控制在半个象元以内.
对提取结果计算湖泊年内变化, 定义湖泊变化率[30]为:
| $ R = \frac{{{A_m} - {A_n}}}{{{A_n}}} \times 100\% $ | (1) |
式中, Am、An分别表示后一时期和前一时期的湖泊数量或面积, R＞0表示湖泊扩张, R＜0表示湖泊萎缩, R=0表示湖泊稳定.
3 结果与讨论 3.1 湖泊群变化通过研究区1969年地形图数字化得到的面积≥0.01 km2的湖泊共有175个, 1969年其总面积为502.04 km2, 成为近45 a来的鼎盛时期, 而2013年其面积为303.42 km2, 减少了198.62 km2.水域面积下降幅度达到0.39%, 表明湿地生态系统功能退化, 质量下降, 且盐渍化严重.由图 2可知, 湖泊面积变化具有明显的上升与下降过程, 且总体呈下降趋势.具体而言, 1969-1989年, 湖泊面积大幅度下降, 减少116.07 km2, 降幅达到23.12%.而1989-1995年, 湖泊面积呈增加趋势, 增加53.97 km2, 涨幅为10.75%.其中1989-1993年增加趋势最为显著. 1995-2001年, 湖泊面积再次迅速减少, 减少106.13 km2, 降幅为21.14%, 其中2000-2001年的减幅达到71.80 km2/a, 46%的湖泊干涸(表 2).尽管在2003年, 湖泊面积有小幅度增加, 但是增加面积仅为1.73 km2, 出现这种现象可能与2003年的降水量微增有关.并且在此时期多数湖泊仍处于干涸状态, 水量未恢复.随后从2003年至2011年, 湖泊面积呈波动性减少, 减少了56.13 km2. 2011年, 湖泊面积仅为279.41 km2, 成为研究时段的最低值(图 2).而在2013年, 湖泊面积呈上升趋势, 增加了24.01 km2.总之, 在1969-2013年时段, 湖泊面积总体呈减少趋势, 减少速率达到4.64 km2/a, 并且经历了“下降-迅速上升-迅速下降-微增-波动性下降-增加”的过程, 其中1995-2001年的变化幅度最为明显.
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表 2 湖泊数量和面积变化统计 Tab.2 The statistical changes of lake numbers and areas |
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图 2 1969-2013年浑善达克沙地湖泊总面积变化 Fig.2 Area changes of lakes in Hunshandake Sandy Land from 1969 to 2013 |
为了更好地反映浑善达克沙地湖泊时空变化实际情况, 根据湖泊面积变化率将湖泊变化分为4个类型, 即扩张型、稳定型、萎缩型和干涸型, 并进行湖泊数量变化统计(表 2).其中干涸型包括:①湖泊水干枯; ②干枯的湖泊重新积水再枯.稳定型包括两个时期间面积变化小于0.002 km2的湖泊.
从湖泊变化类型来看, 17个时段内萎缩型、干涸型湖泊数量明显多于扩张型、稳定型湖泊数量, 表明近45 a来, 浑善达克沙地湖泊整体以萎缩、干涸为主.在各时段湖泊变化表现不均匀, 1969-1973年, 萎缩型湖泊数量最多, 为89个(也是17个时间段中萎缩型湖泊数量最多的时段), 面积减少量达到51.27 km2, 湖泊严重萎缩. 1973-1977年, 干涸型湖泊数量最多, 为91个, 但到1989-1993年, 扩张型湖泊数量有所增加, 达到92个, 萎缩型湖泊数量减少到14个, 湖泊面积增加量达到48.10 km2, 为近45 a来的最大值, 湖泊面积明显扩张.同样, 1993-1995年, 扩张型湖泊数量多于其他类型的湖泊数量, 表明1990s初期湖泊明显扩张, 不仅湖泊数量增多, 而且其面积也明显增加.而2000-2001年, 扩张型的湖泊数量锐减, 达到21个, 萎缩型和干涸型的湖泊具有增加趋势, 分别为74和80个, 减少面积为71.80 km2, 湖泊以萎缩型和干涸型为主. 2001-2003 年, 与上期相比扩张型湖泊数量增加, 萎缩型湖泊数量减少, 湖泊群以扩张为主, 但其增加量并不明显, 多数湖泊出现滞后现象. 2007-2009年, 53%的湖泊处于干涸状态, 干涸数量为17个时段中最多的.总体来讲, 1969-2013年, 扩张型湖泊为2个, 萎缩型88个, 干涸型85个, 增减量为198.61 km2, 湖泊严重萎缩、干涸.
3.2 典型湖泊变化由于研究区面积小于10 km2的湖泊占湖泊总量的97%, 而面积大于10 km2的湖泊只占3%, 但是占水域面积比重达到71.40%, 不仅能够反映气候的短尺度(气候突变)变化, 而且能够指示出气候长时间尺度的趋势性变化过程.浑善达克沙地湖泊群中面积大于10 km2的湖泊仅有5个, 分别为达来淖尔、呼日查干淖尔、岗更淖尔、宝沙达来和巴彦呼日淖尔, 1969年其总面积为358.66 km2, 近45 a来面积变化量分别为-29.56、-57.59、4.41、-10.11和-8.11 km2(图 3).其中, 达来淖尔1969年面积为210.80 km2, 1993年其面积为222.08 km2, 具有上升趋势.而从2001年开始严重萎缩, 至2013年减少了25.46 km2, 其变化趋势与张宝林等的研究结果相近[19].呼日查干淖尔从1969-2001年湖泊面积呈快速减少趋势, 减少面积达到64.54 km2, 特别是2002年该湖西湖的干涸导致其面积锐减[18].而到2013年其面积为52.22 km2, 与2001-2011年相比具有增加趋势.岗更淖尔从1969-2013年面积呈平稳波动性增加趋势, 近45 a年增加了4.41 km2.宝沙达来1969-1993年湖泊面积减少了6.66 km2, 而1995年的面积为3.86 km2, 与1993年相比面积有所扩张.至2001年时面积达到3.21 km2, 相比1995年具有减少趋势, 并且到2011年时面积迅速减少, 达到近45 a最低值, 面积仅为0.52 km2.而2013年的面积为1.76 km2, 相比2011年增加了1.24 km2, 经历了严重萎缩、扩张的过程.巴彦呼日淖尔1969-1989年萎缩了6.67 km2, 而1993年湖面有所增加, 增加面积达到2.47 km2.至2001年其面积萎缩, 相比1993年萎缩了3.55 km2, 而到2003年具有增加趋势, 至2011年迅速减少, 达到近45 a最低值.而到2013年扩张了1.67 km2.总之, 5个湖泊中除了岗更淖尔面积扩张, 其余4个均表现为萎缩状态, 且变化趋势较为一致.其湖泊变化规律与相关研究结果相一致[31].
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图 3 5个面积大于10 km2的湖泊面积变化 Fig.3 Area changes of five lakes with the area larger than 10 km2 |
湖泊变化不仅表现在时间序列上, 而且空间上也具有分异特征. 1969-2013年研究区面积增加的湖泊分布于沙地北部, 有岗更淖尔和查干淖尔(图 4), 可能是该湖人工筑坝导致其面积增加; 面积减少的湖泊主要分布于沙地腹地, 数量最多, 共88个; 面积干涸的湖泊共85个, 这些湖泊面积较小, 对干旱和蒸发的响应较为敏感.湖泊面积萎缩、严重盐渍化可能主要由气候干旱所致.
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图 4 1969-2013年浑善达克沙地湖泊面积变化趋势(1和2分别代表岗更淖尔和查干淖尔) Fig.4 Area variation tendency of lakes in Hunshandake Sandy Land from 1969 to 2013 |
自1970s以来, 浑善达克沙地湖泊群发生了萎缩和干涸现象, 尤其是进入21世纪以后, 变化更为明显.这一现象与蒙古高原地区湖泊变化[32]及我国多数湖泊变化基本一致[2, 15].从湖泊群长时间序列变化可看出, 研究区面积较大的湖泊变化主控湖泊群总面积的变化(图 3), 而面积较小的湖泊变化则反映湖泊群数量变化(表 2), 能够表明该地区近50 a湖泊严重萎缩、干涸的整体特点.
气候变化直接影响着湖泊水量的变化, 而湖泊对气候变化具有一定的反映.对收集到的浑善达克沙地周边7个气象站点(图 1)的气温与降水量数据进行初步分析.其结果表明, 湖泊面积的减少、增加时段(图 2)与降水量的下降和气温上升时段(略)相对应.这一结论与诸多研究结果相一致[18-19].同时, 随着社会生产力的发展, 研究区人口增加已成为不争的事实[33], 人类活动也对湖泊面积变化产生了一定的影响.据野外调查及影像图判读发现, 岗更淖尔和查干淖尔(苏尼特左旗)面积呈扩张趋势与湖泊周围湿地部分被开垦成农田并修建水渠储水有关.
4 结论利用1969-1970年地形图和1973-2013年的遥感影像图, 获取浑善达克沙地湖泊面积变化数据并分析得出近45 a湖泊面积变化规律:1) 1969-2013年, 湖泊群总面积由502.04 km2减少到303.42 km2, 总体呈萎缩趋势.至2013年, 沙漠腹地湖泊共萎缩88个, 干涸85个, 扩张2个.其中, 湖泊面积保持长期下降的阶段为1969-1977、1984-1989、1995-2001、2003-200、2010-2011年, 上升的阶段为1977-1984、1989-1995、2001-2003、2009-2010、2011-2013年. 2)面积大于10 km2的典型湖泊中, 除岗更淖尔面积具有扩张趋势, 其余4个湖泊均萎缩.表明近45 a来研究区湖泊变化剧烈, 湖泊面积锐减, 多数湖泊呈萎缩状态. 3)空间分布上, 浑善达克沙地湖泊群整体呈萎缩、干涸趋势且集中分布于研究区腹地.
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