白雪梅，春　喜，斯琴畢力格，宋　潔

(1：內(nèi)蒙古師范大學蒙古高原環(huán)境與全球變化自治區(qū)重點實驗室，呼和浩特 010022) (2：內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院，呼和浩特 010022) (3：內(nèi)蒙古師范大學濕地環(huán)境與修復自治區(qū)工程實驗室，呼和浩特 010022)

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近45 a內(nèi)蒙古渾善達克沙地湖泊群的變化*

白雪梅1,2，春喜1,3**，斯琴畢力格1,2，宋潔1,2

(1：內(nèi)蒙古師范大學蒙古高原環(huán)境與全球變化自治區(qū)重點實驗室，呼和浩特 010022) (2：內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院，呼和浩特 010022) (3：內(nèi)蒙古師范大學濕地環(huán)境與修復自治區(qū)工程實驗室，呼和浩特 010022)

渾善達克沙地處于季風邊緣區(qū)，其氣候特性和人類活動決定了該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱和環(huán)境變化的敏感性. 目前，該區(qū)湖泊生態(tài)環(huán)境問題十分嚴重，對研究區(qū)的水資源、草原景觀以及當?shù)鼐用裆a(chǎn)生活造成了嚴重影響. 選取1969年1∶50000地形圖所指示的面積≥0.01km2的175個湖泊為研究對象，結(jié)合1973-2013年的17期LandsatMSS/TM/ETM/OLI衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，對1969-2013年間的湖泊群變化進行了系統(tǒng)的研究和初步探討. 結(jié)果表明:1969年湖泊群總面積為502.04km2， 而2013年其面積為303.42km2，總體呈萎縮趨勢. 其中面積萎縮和干涸的湖泊分別為88和85個，而面積擴張的湖泊僅有2個(人工筑壩所致). 近45a間，1970s-1980s湖泊面積波動性減少，而在1990s初期則出現(xiàn)持續(xù)上升狀態(tài). 在1995-2011年湖泊面積總體下降，到2013年則出現(xiàn)微弱的擴張現(xiàn)象. 從湖泊變化空間分布格局來看，萎縮和干涸的湖泊集中在該沙地腹地.

渾善達克沙地;湖泊群;面積變化;荒漠化

湖泊作為自然界重要組成部分，不僅參與自然界的水分循環(huán)，同時能夠真實地反映流域不同時間尺度的氣候、環(huán)境變化及人類活動的信息[1]. 湖泊的面積變化受地貌、氣候、水文及人類活動等諸多因素的影響，因此在不同區(qū)域的時間變化特征存在一定的區(qū)域差異[2]. 譬如，在青藏高原地區(qū)，由于氣溫升高、冰川融化往往導致湖泊呈現(xiàn)一定的擴張趨勢[3-7]，但多數(shù)以降水補給為主的湖泊則顯示了不同程度的萎縮[8-9]. 在新疆地區(qū)的湖泊則具有不同程度的擴張現(xiàn)象，其主要原因是1995年以來降水量增加[10-14]. 而在內(nèi)蒙古地區(qū)，則普遍存在湖泊萎縮、干涸、鹽堿化等現(xiàn)象[15-21]. 上述研究表明，近50a以來不同地區(qū)湖泊面積變化特征不盡相同，并且其驅(qū)動因素也有較大差異. 因此，對不同地區(qū)湖泊演化歷史進行分析，不僅可以明晰湖泊面積變化的區(qū)域差異特征，探討其變化成因，還可以為區(qū)域氣候變化與人類活動強度提供直接的證據(jù). 渾善達克沙地位于內(nèi)蒙古中東部，是我國典型的干旱半干旱區(qū)過渡地帶. 伴隨著氣溫上升、降水量減少，氣候向暖干旱化趨勢發(fā)展[22]，湖泊面積退縮、湖泊水位下降[18-19]. 但上述研究僅限于單個湖泊面積變化，是否能夠反映該區(qū)域近50a湖泊面積變化的特點，尚需要結(jié)合整個沙地范圍的湖泊群長時間序列的演化特征進行分析.

遙感技術(shù)具有宏觀性、動態(tài)性和經(jīng)濟性的優(yōu)勢，可以相對準確、客觀地提取特定時期湖泊面積信息. 因此，本文利用渾善達克沙地地形圖和遙感影像提取該區(qū)1969-2013年多時期湖泊水域并分析湖泊總面積、數(shù)量變化情況以及湖泊變化空間分布格局，為未來氣候變化背景下的湖泊演化提供參照.

1 研究區(qū)概況

渾善達克沙地是我國十大沙漠沙地之一，位于錫林郭勒盟中部偏西南部. 地勢由東南向西北緩慢降低，地面起伏不大，總面積為5.2×104km2，處于干旱半干旱過渡帶，是對環(huán)境演變響應(yīng)強烈的生態(tài)脆弱地帶[23]. 該地區(qū)第四紀以來構(gòu)造運動強烈，形成諸多湖泊盆地和風砂堆積[24-25]，使其存在眾多湖泊、水泡子和泉眼以及內(nèi)流河(圖1)，給脆弱的生態(tài)環(huán)境提供了寶貴的水資源，成為當?shù)鼐用裆a(chǎn)生活的主要水源. 這些湖泊主要以天然降水補給為水源，受松散物質(zhì)的影響，產(chǎn)流量少、地表徑流量較少，而水面蒸發(fā)強烈，雨季湖水上漲，旱季水位下降，能夠較好地反映該地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的趨勢、過程和特征.

圖1 渾善達克沙地湖泊群的分布Fig.1 Location of lakes in Hunshandake Sandy Land

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

遙感衛(wèi)星影像是湖泊變化研究較理想的信息源，能夠真實反映湖泊演化過程[26]. 為獲取湖泊群變化情況，共收集和整理到具有湖泊標注的1∶50000、1∶100000地形圖和由美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)發(fā)布的MSS/TM/ETM/OLI數(shù)據(jù)(表1)，共17期影像，遙感影像軌道號(Path/Row)為124/30、125/30. 由于內(nèi)陸湖泊季節(jié)變化大[27]，為排除湖泊年內(nèi)變化對其階段變化的影響，同時也避開冬季湖面冰凍帶來的影響，所有影像均選在7-10月期間. 為了保證影像圖質(zhì)量，個別選取6月，且選取的影像云量均小于1%. 本文所用到的Landsat數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云(http//:www.gscloud.cn)免費獲取的.

表1 本研究所選用的數(shù)據(jù)Tab.1 The data used in this study

2.2 研究方法

首先利用掃描儀對地形圖進行掃描生成柵格圖像，然后在ArcGIS軟件環(huán)境下完成地形圖配準、判讀和數(shù)字化等過程. 在地形圖配準時，采用公里網(wǎng)作為控制網(wǎng)，投影統(tǒng)一采用高斯—克呂格投影. 將下載的遙感影像在ENVI4.7圖像處理軟件中進行標準假彩色合成，并借助配準后的地形圖為基準，對影像圖進行幾何校正，每景影像不少于20個控制點，影像校正誤差精度平均控制在半個象元之內(nèi)，最大誤差控制在一個象元以內(nèi). 將研究區(qū)各年份的兩幅影像圖進行拼接處理，之后將配準、拼接的影像導入ArcGIS軟件中，按渾善達克沙地界限將影像圖裁剪并進行數(shù)字化處理.

對于湖泊邊界的確定，現(xiàn)今已有不少利用遙感技術(shù)提取湖泊邊界的方法，如單波段閾值法[28]、水體指數(shù)法[29]等，但由于渾善達克沙地湖泊群的面積較小、變化復雜、鹽漬化嚴重等實際情況，本研究根據(jù)科技部科技基礎(chǔ)性工作專項“中國湖泊水質(zhì)、水量與生物資源調(diào)查”中制定的原則[1]，直接采取人工目視解譯方法提取湖泊信息，并結(jié)合多次野外考察，經(jīng)驗證眾多湖泊邊界劃定精度小于3m，滿足本研究湖泊邊界提取精度，同時將矢量數(shù)據(jù)數(shù)字化精度控制在半個象元以內(nèi).

對提取結(jié)果計算湖泊年內(nèi)變化，定義湖泊變化率[30]為：

(1)

式中，Am、An分別表示后一時期和前一時期的湖泊數(shù)量或面積，R>0表示湖泊擴張，R<0表示湖泊萎縮，R=0表示湖泊穩(wěn)定.

3 結(jié)果與討論

3.1 湖泊群變化

通過研究區(qū)1969年地形圖數(shù)字化得到的面積≥0.01km2的湖泊共有175個，1969年其總面積為502.04km2，成為近45a來的鼎盛時期，而2013年其面積為303.42km2，減少了198.62km2. 水域面積下降幅度達到0.39%，表明濕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化，質(zhì)量下降，且鹽漬化嚴重. 由圖2可知，湖泊面積變化具有明顯的上升與下降過程，且總體呈下降趨勢. 具體而言，1969-1989年，湖泊面積大幅度下降，減少116.07km2，降幅達到23.12%. 而1989-1995年，湖泊面積呈增加趨勢，增加53.97km2，漲幅為10.75%. 其中1989-1993年增加趨勢最為顯著. 1995-2001年，湖泊面積再次迅速減少，減少106.13km2，降幅為21.14%，其中2000-2001年的減幅達到71.80km2/a，46%的湖泊干涸(表2). 盡管在2003年，湖泊面積有小幅度增加，但是增加面積僅為1.73km2，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與2003年的降水量微增有關(guān). 并且在此時期多數(shù)湖泊仍處于干涸狀態(tài)，水量未恢復. 隨后從2003年至2011年，湖泊面積呈波動性減少，減少了56.13km2. 2011年，湖泊面積僅為279.41km2，成為研究時段的最低值(圖2). 而在2013年，湖泊面積呈上升趨勢，增加了24.01km2. 總之，在1969-2013年時段，湖泊面積總體呈減少趨勢，減少速率達到4.64km2/a，并且經(jīng)歷了“下降-迅速上升-迅速下降-微增-波動性下降-增加”的過程，其中1995-2001年的變化幅度最為明顯.

圖2 1969-2013年渾善達克沙地湖泊總面積變化Fig.2 Area changes of lakes in Hunshandake Sandy Land from 1969 to 2013

為了更好地反映渾善達克沙地湖泊時空變化實際情況，根據(jù)湖泊面積變化率將湖泊變化分為4個類型，即擴張型、穩(wěn)定型、萎縮型和干涸型，并進行湖泊數(shù)量變化統(tǒng)計(表2). 其中干涸型包括：① 湖泊水干枯；②干枯的湖泊重新積水再枯. 穩(wěn)定型包括兩個時期間面積變化小于0.002km2的湖泊.

從湖泊變化類型來看，17個時段內(nèi)萎縮型、干涸型湖泊數(shù)量明顯多于擴張型、穩(wěn)定型湖泊數(shù)量，表明近45a來，渾善達克沙地湖泊整體以萎縮、干涸為主. 在各時段湖泊變化表現(xiàn)不均勻，1969-1973年，萎縮型湖泊數(shù)量最多，為89個(也是17個時間段中萎縮型湖泊數(shù)量最多的時段)，面積減少量達到51.27km2，湖泊嚴重萎縮. 1973-1977年，干涸型湖泊數(shù)量最多，為91個，但到1989-1993年，擴張型湖泊數(shù)量有所增加，達到92個，萎縮型湖泊數(shù)量減少到14個，湖泊面積增加量達到48.10km2，為近45a來的最大值，湖泊面積明顯擴張. 同樣，1993-1995年，擴張型湖泊數(shù)量多于其他類型的湖泊數(shù)量，表明1990s初期湖泊明顯擴張，不僅湖泊數(shù)量增多，而且其面積也明顯增加. 而2000-2001年，擴張型的湖泊數(shù)量銳減，達到21個，萎縮型和干涸型的湖泊具有增加趨勢，分別為74和80個，減少面積為71.80km2，湖泊以萎縮型和干涸型為主. 2001-2003 年，與上期相比擴張型湖泊數(shù)量增加，萎縮型湖泊數(shù)量減少，湖泊群以擴張為主，但其增加量并不明顯，多數(shù)湖泊出現(xiàn)滯后現(xiàn)象. 2007-2009年，53%的湖泊處于干涸狀態(tài)，干涸數(shù)量為17個時段中最多的. 總體來講，1969-2013年，擴張型湖泊為2個，萎縮型88個，干涸型85個，增減量為198.61km2，湖泊嚴重萎縮、干涸.

表2 湖泊數(shù)量和面積變化統(tǒng)計Tab.2 The statistical changes of lake numbers and areas

3.2 典型湖泊變化

由于研究區(qū)面積小于10km2的湖泊占湖泊總量的97%，而面積大于10km2的湖泊只占3%，但是占水域面積比重達到71.40%，不僅能夠反映氣候的短尺度(氣候突變)變化，而且能夠指示出氣候長時間尺度的趨勢性變化過程. 渾善達克沙地湖泊群中面積大于10km2的湖泊僅有5個，分別為達來淖爾、呼日查干淖爾、崗更淖爾、寶沙達來和巴彥呼日淖爾，1969年其總面積為358.66km2，近45a來面積變化量分別為 -29.56、-57.59、4.41、-10.11和-8.11km2(圖3). 其中，達來淖爾1969年面積為210.80km2，1993年其面積為222.08km2，具有上升趨勢. 而從2001年開始嚴重萎縮，至2013年減少了25.46km2，其變化趨勢與張寶林等的研究結(jié)果相近[19]. 呼日查干淖爾從1969-2001年湖泊面積呈快速減少趨勢，減少面積達到64.54km2，特別是2002年該湖西湖的干涸導致其面積銳減[18]. 而到2013年其面積為52.22km2，與2001-2011年相比具有增加趨勢. 崗更淖爾從1969-2013年面積呈平穩(wěn)波動性增加趨勢，近45a年增加了4.41km2. 寶沙達來1969-1993年湖泊面積減少了6.66km2，而1995年的面積為3.86km2，與1993年相比面積有所擴張. 至2001年時面積達到3.21km2，相比1995年具有減少趨勢，并且到2011年時面積迅速減少，達到近45a最低值，面積僅為0.52km2. 而2013年的面積為1.76km2，相比2011年增加了1.24km2，經(jīng)歷了嚴重萎縮、擴張的過程. 巴彥呼日淖爾1969-1989年萎縮了6.67km2，而1993年湖面有所增加，增加面積達到2.47km2. 至2001年其面積萎縮，相比1993年萎縮了3.55km2，而到2003年具有增加趨勢，至2011年迅速減少，達到近45a最低值. 而到2013年擴張了1.67km2. 總之，5個湖泊中除了崗更淖爾面積擴張，其余4個均表現(xiàn)為萎縮狀態(tài)，且變化趨勢較為一致. 其湖泊變化規(guī)律與相關(guān)研究結(jié)果相一致[31].

圖3 5個面積大于10 km2的湖泊面積變化Fig.3 Area changes of five lakes with the area larger than 10 km2

3.3 湖泊變化的空間分布格局

湖泊變化不僅表現(xiàn)在時間序列上，而且空間上也具有分異特征. 1969-2013年研究區(qū)面積增加的湖泊分布于沙地北部，有崗更淖爾和查干淖爾(圖4)，可能是該湖人工筑壩導致其面積增加；面積減少的湖泊主要分布于沙地腹地，數(shù)量最多，共88個；面積干涸的湖泊共85個，這些湖泊面積較小，對干旱和蒸發(fā)的響應(yīng)較為敏感. 湖泊面積萎縮、嚴重鹽漬化可能主要由氣候干旱所致.

圖4 1969-2013年渾善達克沙地湖泊面積變化趨勢(1和2分別代表崗更淖爾和查干淖爾)Fig.4 Area variation tendency of lakes in Hunshandake Sandy Land from 1969 to 2013

3.4 討論

自1970s以來，渾善達克沙地湖泊群發(fā)生了萎縮和干涸現(xiàn)象，尤其是進入21世紀以后，變化更為明顯. 這一現(xiàn)象與蒙古高原地區(qū)湖泊變化[32]及我國多數(shù)湖泊變化基本一致[2,15]. 從湖泊群長時間序列變化可看出，研究區(qū)面積較大的湖泊變化主控湖泊群總面積的變化(圖3)，而面積較小的湖泊變化則反映湖泊群數(shù)量變化(表2)，能夠表明該地區(qū)近 50a湖泊嚴重萎縮、干涸的整體特點.

氣候變化直接影響著湖泊水量的變化，而湖泊對氣候變化具有一定的反映. 對收集到的渾善達克沙地周邊7個氣象站點(圖1)的氣溫與降水量數(shù)據(jù)進行初步分析. 其結(jié)果表明，湖泊面積的減少、增加時段(圖2)與降水量的下降和氣溫上升時段(略)相對應(yīng). 這一結(jié)論與諸多研究結(jié)果相一致[18-19]. 同時，隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，研究區(qū)人口增加已成為不爭的事實[33]，人類活動也對湖泊面積變化產(chǎn)生了一定的影響. 據(jù)野外調(diào)查及影像圖判讀發(fā)現(xiàn)，崗更淖爾和查干淖爾(蘇尼特左旗)面積呈擴張趨勢與湖泊周圍濕地部分被開墾成農(nóng)田并修建水渠儲水有關(guān).

4 結(jié)論

利用1969-1970年地形圖和1973-2013年的遙感影像圖，獲取渾善達克沙地湖泊面積變化數(shù)據(jù)并分析得出近45a湖泊面積變化規(guī)律：1) 1969-2013年，湖泊群總面積由502.04km2減少到303.42km2，總體呈萎縮趨勢. 至2013年，沙漠腹地湖泊共萎縮88個，干涸85個，擴張2個. 其中，湖泊面積保持長期下降的階段為1969-1977、1984-1989、1995-2001、2003-200、2010-2011年，上升的階段為1977-1984、1989-1995、2001-2003、2009-2010、2011-2013年. 2)面積大于10km2的典型湖泊中，除崗更淖爾面積具有擴張趨勢，其余4個湖泊均萎縮. 表明近45a來研究區(qū)湖泊變化劇烈，湖泊面積銳減，多數(shù)湖泊呈萎縮狀態(tài). 3)空間分布上，渾善達克沙地湖泊群整體呈萎縮、干涸趨勢且集中分布于研究區(qū)腹地.

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Changes of lakes in Hunshandake Sandy Land in the past 45 years, Inner Mongolia

BAI Xuemei1,2, CHUN Xi1,3**, SIQIN Bilige1,2& SONG Jie1,2

(1: Key Laboratory of Mongolian Plateau Environment and Global Change，Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022， P.R.China) (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)

ThecharacteristicsofclimaticandhumanactivityintheHunshandakeSandyLandwhichislocatedinthemarginmonsoonarea,determinethevulnerabilityofecosystemandsensitivityofenvironmentchange.Atpresent,theecologicalproblemsoflakesintheareaisveryserious,whichaffectswaterresource,grasslandlandscapeandlocalresident’slifeandproduction.Choosing175lakeswhicheachcoversareamorethan0.01km2basedtopographicmapsinscaleof1∶50000andcombiningdatawith17stagesofLandsatMSS/TM/ETM/OLIsatelliteremotesensingimagesduring1973-2013,wesystematicallystudiedthechangesoflakeareasduringaperiodof1969-2013systematically.Theresultshowsthatthetotalareaoflakesdecreasedfrom502.04km2in1969to303.42km2in2013,whichpresentsashrinkingtrendoverallin88shrinkinglakesand85driedlakes,butonly2lakesareexpanding.Concretelyspeaking,thefluctuatingdowntrendoftotallakeareasoccurredfromthe1970stothe1980s,continuouslyshowsanupwardtrendintheearly1990s,theoveralldowntrendduring1995-2011,andslightlyexpandingtrendafter2013.Intheviewofspatialdistributionpattern,shrinkinganddriedlakesaredistributedinthedeserthinterlandofthestudyarea.

HunshandakeSandyLand;lakegroup;areachange;desertification

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目(2012CB426508)、國家自然科學基金項目(41261008)、內(nèi)蒙古自治區(qū)水安全協(xié)同創(chuàng)新項目、內(nèi)蒙古自治區(qū)2014年碩士研究生科研創(chuàng)新項目(S20141013520)和內(nèi)蒙古師范大學2014年度碩士研究生科研創(chuàng)新項目(CXJJS14067)聯(lián)合資助. 2015-09-01收稿; 2015-12-24收修改稿. 白雪梅(1990～)，女，碩士研究生;E-mail:1066549481@qq.com.

**通信作者; E-mail: chunxi@imnu.edu.cn.