張振瑜，王乃昂＊＊2，吳 月，沈士平，張洵赫，常金龍

(1:蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州730000)

(2:蘭州大學(xué)干旱區(qū)氣候變化與水循環(huán)研究中心，蘭州730000)

巴丹吉林沙漠位于內(nèi)蒙古高原西部阿拉善荒漠的中心，呈典型大陸性氣候，是我國(guó)西北極端干旱區(qū)的典型區(qū)域［1］.沙漠腹地南部廣泛分布的高大沙山與湖泊引起眾多學(xué)者的關(guān)注［2-10］，而有關(guān)沙漠湖泊演化、地下水來(lái)源及水循環(huán)機(jī)制更是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)［3-16］.近年來(lái)隨著全球氣候變暖和干旱化趨勢(shì)加重，巴丹吉林沙漠湖泊出現(xiàn)了萎縮、分裂、干涸等現(xiàn)象，這些湖泊對(duì)于維護(hù)區(qū)域景觀多樣性有著重要意義，加強(qiáng)這些湖泊的調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)沙漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境的演化和保護(hù)以及湖泊資源的有效利用具有重要意義.

利用遙感手段對(duì)巴丹吉林沙漠腹地湖泊面積變化研究表明［14-15］，近40 a沙漠腹地湖泊在數(shù)量和面積上均呈減小趨勢(shì)，但這些研究主要針對(duì)湖泊群整體變化進(jìn)行描述和分析，所得結(jié)論也僅局限于所有湖泊數(shù)量、面積變化的總和.沙漠湖泊內(nèi)部變化情況復(fù)雜，湖泊群變化的整體情況并不能反映其內(nèi)部各個(gè)湖泊的變化［15］，例如湖泊群面積在減小中存在若干湖泊面積的擴(kuò)張，湖泊數(shù)量減少中也有一些湖泊新增.所以，準(zhǔn)確掌握湖泊群的變化情況十分必要.與此同時(shí)，沙漠湖泊面積變化的空間特征及探討目前僅限于季節(jié)變化［16］，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列湖泊面積空間變化的研究尚為空白.鑒于此，本文利用1973 -2010年4個(gè)時(shí)期湖泊面積信息建立湖泊面積空間變化數(shù)據(jù)庫(kù)，詳盡了解湖泊群內(nèi)部湖泊變化，利用各湖泊面積變化量做出直觀制圖表達(dá)，分析湖泊變化的時(shí)間和空間特征.由于不同湖泊存在湖盆結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、水循環(huán)特征等各方面差異，湖泊面積空間變化則正是這些差異的綜合體現(xiàn)，因此探討湖泊面積空間變化特征有助于揭示沙漠水循環(huán)與補(bǔ)給特征，進(jìn)而為今后深入探究湖泊水來(lái)源等科學(xué)問(wèn)題提供參考.

1 研究區(qū)概況

巴丹吉林沙漠位于雅布賴鹽湖與雅布賴山西北，宗乃山、省道S218以西，黑河正義峽出山口、弱水東岸至古日乃湖以東，合黎山、北大山、黑山頭以北，拐子湖、古居延澤以南，東西長(zhǎng)約442 km，南北寬約354 km，面積5.2162×104km2，是我國(guó)第二大沙漠［17］.巴丹吉林沙漠為極端干旱的大陸性氣候，蒸發(fā)量大，降水稀少，多年平均降水量由東南向西北減?。?］，區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體從西北向東南增加.巴丹吉林沙漠分布有大小湖泊146個(gè)，其中常年積水湖泊119個(gè)［15］，主要分布于沙漠東南部.為集中研究沙漠湖泊面積空間變化，選取沙漠東南部湖泊分布集中并常年有水的湖泊區(qū)域作為研究區(qū)(圖1).

圖1 巴丹吉林沙漠研究區(qū)地理位置Fig.1 The location of study area in the Badain Jaran Desert

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)發(fā)布的1973年MSS、1990年TM、2000年ETM+以及2010年TM數(shù)據(jù)，共4期影像.沙漠湖泊水量受地下水補(bǔ)給與蒸發(fā)量多寡的影響較大，湖泊面積和水位存在明顯的年內(nèi)差異［16］，影像的選擇必須是湖泊水位最穩(wěn)定的時(shí)期.在巴丹吉林沙漠，湖泊最高水位出現(xiàn)在春季，較低水位出現(xiàn)在秋、冬季節(jié)，夏季是湖泊水位劇烈變化的時(shí)期.為排除湖泊年內(nèi)變化對(duì)其階段變化的影響，所有影像均采用秋季平水期的數(shù)據(jù)，同時(shí)也避開(kāi)了冬季湖面的冰凍時(shí)期.影像日期分別為1973年10月7日、1990年9月17日、2000年9月20日和2010年8月23日，影像質(zhì)量良好，云量均小于1%.在遙感軟件的支持下對(duì)影像進(jìn)行了校正、拼接、裁剪、投影等預(yù)處理.

湖泊的提取要盡量做到精確、快速、自動(dòng)化.由于沙漠環(huán)境中水體與其他地物特殊的光譜特性，傳統(tǒng)的影像分類(lèi)、閾值分割和水體指數(shù)不能準(zhǔn)確排除其他地物對(duì)湖泊邊界的影響.因此，本文采用朱金峰等［16］提出用以提取沙漠湖泊的水體指數(shù)——DLWI對(duì)湖泊范圍進(jìn)行界定.對(duì)于1973年的MSS影像，較低的空間分辨率使得誤提取對(duì)結(jié)果影響較大，考慮到方法與精度的問(wèn)題，首先對(duì)影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，然后根據(jù)多次沙漠湖泊考察結(jié)果，人工判讀出像元數(shù)不少于3個(gè)的湖泊邊界.最后利用GIS工具對(duì)所得湖泊信息進(jìn)行后處理，包括剔除誤判、統(tǒng)一湖泊統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、統(tǒng)計(jì)湖泊面積和周長(zhǎng)、建立湖泊空間數(shù)據(jù)庫(kù)等.湖泊信息后處理與提取結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)［15］.

巴丹吉林沙漠各湖泊面積變化量之間的相互關(guān)系與相關(guān)程度，可用空間自相關(guān)理論進(jìn)行統(tǒng)計(jì).本文采用最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣泛的全局Moran'sⅠ指數(shù)統(tǒng)計(jì)量來(lái)探尋湖泊面積變化量的自相關(guān)性.全局Moran'sⅠ的公式為:

式中，n是空間單元數(shù)，xi和xj分別表示對(duì)象在i處和j處的變量值，且i≠j.空間權(quán)重矩陣Wij定義了各對(duì)象的相互鄰接關(guān)系，若兩個(gè)對(duì)象相鄰，空間權(quán)重值Wij為1，否則為0.Moran'sⅠ指數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z值的P值檢驗(yàn)來(lái)確定自相關(guān)的顯著性水平.

3 湖泊變化分析與討論

3.1 湖泊變化總體趨勢(shì)

表1 湖泊變化結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 The statistical results of lake changes

利用建立的湖泊面積變化空間數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)湖泊面積變化率將研究區(qū)湖泊變化情況分為5類(lèi)，對(duì)5種類(lèi)型的湖泊數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1).湖泊面積變化率R=(A2－ A1)/A1，A1、A2分別表示 T1、T2時(shí)期各湖泊的面積，本文取R0=0.1作為界定湖泊變化的閾值.

4個(gè)時(shí)段內(nèi)萎縮與干涸的湖泊整體多于擴(kuò)張與新增的湖泊，表明近40 a巴丹吉林沙漠水資源整體表現(xiàn)為減少的特點(diǎn).1973 -1990年、1990 -2000年、2000--2010年3個(gè)時(shí)間序列較短的時(shí)段，各類(lèi)型湖泊數(shù)量特點(diǎn)基本表現(xiàn)為:穩(wěn)定的湖泊＞萎縮的湖泊＞擴(kuò)張的湖泊＞干涸湖泊＞新增湖泊(1990--2000年略有不同);在整體的37 a間，萎縮的湖泊數(shù)量最多，達(dá)43個(gè)，其次是穩(wěn)定的湖泊與干涸湖泊，擴(kuò)張的湖泊與新增湖泊數(shù)量最少，僅分別為6個(gè)和7個(gè);值得注意的是，1990--2000年，新增湖泊最多而干涸湖泊最少，部分干涸湖泊水量又重新恢復(fù)，而該時(shí)期仍然為湖泊群面積減少的時(shí)期［14-15］(表1);以上特征均表明巴丹吉林沙漠湖泊變化情況復(fù)雜，湖泊群中部分湖泊在不同時(shí)期內(nèi)表現(xiàn)出了不同的變化特點(diǎn).

3.2 湖泊面積變化自相關(guān)分析

湖泊面積變化量的全局自相關(guān)系數(shù)結(jié)果顯示，4個(gè)時(shí)期Moran'sⅠ指數(shù)均為正值(表2).進(jìn)一步對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行近似正態(tài)分布的顯著性檢驗(yàn)，正態(tài)分布95%置信區(qū)間雙側(cè)檢驗(yàn)閾值Z0.05=1.96，Z值均小于1.96，所有P值均未通過(guò)信度為0.05的顯著性檢驗(yàn)(表2)，表明4個(gè)時(shí)期沙漠各湖泊面積變化量在整個(gè)空間上正相關(guān)關(guān)系并不顯著.

顯著的空間正相關(guān)說(shuō)明地理變量在空間上存在明顯的集聚模式，究其原因往往因?yàn)檫@些變量受某些因素的顯著影響，致使這些變量存在“空間依賴”.巴丹吉林沙漠湖泊之間不僅空間位置不同，湖泊的理化性質(zhì)［18-21］、湖盆 結(jié) 構(gòu)［1］、補(bǔ) 給 方式、補(bǔ) 給 來(lái) 源 也 有 差別［3-4，6-8，10-12］，加之沙漠下部存在地質(zhì)構(gòu)造、斷裂破碎帶的影響［4，6-7］，這些差別的存在致使各湖泊間有較大“距離”差異.筆者推斷，湖泊面積變化量整體上未呈現(xiàn)出顯著自相關(guān)關(guān)系，是因?yàn)檫@些湖泊沒(méi)有受到某種或某些因素的顯著影響，或者這些因素對(duì)不同湖泊的影響程度有所不同造成的.

3.3 湖泊面積變化空間特征及討論

表2 湖泊面積變化量自相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 The statistical results of lake areachanges autocorrelation

為方便分析湖泊面積變化空間特征，利用已建空間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各時(shí)期湖泊變化量進(jìn)行制圖.1973--2010年湖泊面積變化量在空間上的分布位置可知，面積減小的湖泊在整個(gè)湖泊區(qū)范圍均有分布，多數(shù)湖泊面積減少量小于0.05 km2;東西方向上，面積增大的湖泊大多分布于湖泊群東側(cè)區(qū)域，僅有1個(gè)面積增大不明顯的湖泊分布于湖泊區(qū)偏西側(cè);南北方向上，湖泊群北部區(qū)域面積增大的湖泊很少，其中面積增加較大的湖泊分布相對(duì)集中于39.8°N附近(圖2).

圖2 1973 -2010年巴丹吉林沙漠湖泊面積變化量的空間分布位置Fig.2 The spatial distribution of lake area changes in the Badain Jaran Desert during 1973 2010

根據(jù)反距離加權(quán)原理，對(duì)不同時(shí)期湖泊面積變化量在研究區(qū)范圍內(nèi)插值.1973 -1990年、1990 -2000年、2000--2010年、1973--2010年4個(gè)時(shí)期湖泊變化空間分布格局，直觀表現(xiàn)了湖泊區(qū)湖泊變化的時(shí)間、空間特征(圖3).

1)197 3--1990年，研究區(qū)北部多數(shù)湖泊，包括中部的浩尼吉林- 巴倫敖勒斯圖一線，準(zhǔn)散根吉林、昭爾格圖一帶，以及研究區(qū)東南部部分湖泊為湖泊面積減小明顯的區(qū)域，范圍遍及整個(gè)研究區(qū).面積擴(kuò)張的湖泊分布在研究區(qū)中東部地區(qū)，典型湖泊有呼和吉林、音德?tīng)枅D、呼都格吉林、扎木呼都格等，位于研究區(qū)中部的哈拉木格圖面積也擴(kuò)大，其余湖泊面積變化量較小.

2)199 0--2000年，湖泊面積變化趨于穩(wěn)定，面積減小的湖泊主要集中在研究區(qū)中部以哈拉木格圖為中心的區(qū)域，另外巴彥諾爾與伊和吉格德面積減小亦較為明顯.研究區(qū)中東部的包爾準(zhǔn)特- 查干腦亥圖一線與毛日?qǐng)D、南部的交斯圖、通古圖、西北角的西諾爾圖是湖泊面積增大的主要區(qū)域.

圖3 4個(gè)不同時(shí)段湖泊面積變化量空間分布格局Fig.3 The spatial pattern of the lake area changes during four different periods

3)200 0--2010年，是湖泊變化最為穩(wěn)定的一個(gè)時(shí)期，面積變化明顯的湖泊數(shù)量也最少，幾乎沒(méi)有明顯的湖泊面積減小的區(qū)域.研究區(qū)東部的包爾準(zhǔn)圖與音德?tīng)枅D，北部的烏爾塔布拉格與巴彥諾爾，中部的布爾特和車(chē)日格勒是面積擴(kuò)大明顯的湖泊.

4)整體而言，1973--2010年有3個(gè)湖泊面積明顯減小的區(qū)域，分別位于研究區(qū)偏西北部、東南緣部分淡水湖泊以及研究區(qū)中東部以浩尼吉林為中心的湖泊區(qū)域，而且湖泊面積減小程度在4個(gè)時(shí)期中最大.湖泊面積擴(kuò)大的區(qū)域主要在研究區(qū)中東部呼和吉林- 塔馬英一線，還包括包爾準(zhǔn)圖和烏蘭吉林，皆分布于浩尼吉林萎縮區(qū)外圍.

5)從湖泊面積變化劇烈程度可以看出，1973--1990年、1990 -2000年、2000--2010年3個(gè)時(shí)期湖泊面積變化劇烈程度依次減弱，這與前人研究結(jié)果一致［14］.1973 -2010年湖泊面積變化程度最為劇烈，面積變化顯著的湖泊數(shù)量也最多，這是因?yàn)樵摃r(shí)期湖泊變化是其余3個(gè)時(shí)期湖泊變化累積的結(jié)果，雖然各時(shí)期湖泊面積變化情況不盡相同，但多數(shù)湖泊面積變化方向基本一致，所以階段性變化結(jié)果加大了最終狀態(tài)與原始狀態(tài)之間的差異.

6)從4期湖泊面積變化空間分布可以看出，面積增大的湖泊主要分布于東部，特別是增大明顯的湖泊多分布于中東部區(qū)域的外圍，典型湖泊包括包爾準(zhǔn)特、呼和吉林、音德?tīng)枅D、小海子、阿拉特圖、塔馬英、扎拉特、烏蘭吉林等.值得一提的是，研究區(qū)最東部的包爾準(zhǔn)特近年來(lái)面積連續(xù)擴(kuò)張，共增加了0.048 km2.面積減小的湖泊分布于整個(gè)研究區(qū)域，面積減小劇烈的湖泊往往有聚集分布的態(tài)勢(shì).

巴丹吉林沙漠人煙稀少，沙漠腹地湖泊區(qū)居民不足30戶，生產(chǎn)方式以放牧為主，所以研究區(qū)湖泊面積變化基本不受人類(lèi)活動(dòng)的影響.內(nèi)陸湖泊的面積變化與水量變化趨勢(shì)一致，對(duì)于地處極端干旱區(qū)的沙漠湖泊，湖泊面積變化由其各自匯水區(qū)內(nèi)水量收支狀況所表現(xiàn)，水量收入部分除降水直接補(bǔ)給外還有地下水的補(bǔ)給，支出部分為湖泊水面蒸發(fā).

研究區(qū)南緣最近兩個(gè)氣象站點(diǎn)降水觀測(cè)記錄顯示(圖4)［22］，近40 a兩地多年平均降水量阿拉善右旗為117.6 mm，雅布賴鎮(zhèn)為89.7 mm.從變化趨勢(shì)上看兩地降水量均略有增加，但均未通過(guò)信度為0.05的顯著性檢驗(yàn).兩地降水雖有差別但不是很大，研究區(qū)域地表均一、地形相似，故而其外圍兩地年均降水量27.9 mm的差別不會(huì)導(dǎo)致腹地不同湖泊區(qū)域降水量的巨大差異.另外根據(jù)本研究組對(duì)湖泊區(qū)水量平衡的討論，降水對(duì)湖泊水量變化的貢獻(xiàn)率僅約為10%［23］，因此在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，湖泊面積空間變化所表現(xiàn)的特征并非降水變化所致.

湖泊蒸發(fā)方面，巴丹吉林沙漠湖泊年蒸發(fā)量大于1000 mm［3］，本研究組實(shí)地觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，湖水蒸發(fā)存在“鹽度效應(yīng)”，即不同鹽度的湖泊蒸發(fā)量并不相等［24］.雖然不同鹽度湖泊蒸發(fā)存在差別，但觀測(cè)結(jié)果并未出現(xiàn)蒸發(fā)量間數(shù)量級(jí)或倍數(shù)的巨大差異.其次，將2010年9月沙漠湖泊水化學(xué)分析結(jié)果［25］與湖泊面積變化進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)TDS值高的湖泊不僅存在于面積增大的湖泊，也存在于面積減小的湖泊中，同樣TDS值較低的湖泊也同時(shí)存在于面積增大與減小兩類(lèi)湖泊中.湖泊TDS值的高低與湖泊面積變化特點(diǎn)并沒(méi)有表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以說(shuō)二者不存在必然聯(lián)系.根據(jù)以上兩點(diǎn)，湖水蒸發(fā)的“鹽度效應(yīng)”對(duì)蒸發(fā)量的影響并沒(méi)有在湖泊面積變化中得到相應(yīng)證實(shí)，說(shuō)明湖泊間的蒸發(fā)差異亦不是導(dǎo)致湖泊空間變化特點(diǎn)的根本原因.

巴丹吉林沙漠湖泊中分布有相當(dāng)數(shù)量的泉眼，深層泉水源源不斷對(duì)湖泊水量的補(bǔ)給是維系湖泊水量相對(duì)穩(wěn)定的重要原因之一［4，6，8］.另外，分布于沙層下的淺層地下水也可能對(duì)湖泊有一定的補(bǔ)給作用.在伊克力敖包褶皺帶南北兩側(cè)，沙漠湖泊水化學(xué)成分存在明顯差異，馬妮娜等［18］指出南北湖泊補(bǔ)給來(lái)源可能來(lái)自不同的方向.僅一丘之隔的巴丹東湖與巴丹西湖，其水化學(xué)特征迥然不同的原因在于2個(gè)湖泊接受地下水補(bǔ)給量不同［18］.劉建剛［8］認(rèn)為，處于同一沙漠相同環(huán)境氣候條件下的湖泊，礦化度的不同反映了湖泊水的補(bǔ)給來(lái)源、補(bǔ)給強(qiáng)度和補(bǔ)給量等存在差別.

基于以上，我們有理由認(rèn)為近40 a巴丹吉林沙漠腹地湖泊面積變化表現(xiàn)出的空間特征是由不同湖泊區(qū)域補(bǔ)給來(lái)源不同或不同湖泊補(bǔ)給方式存在差異所致.同時(shí)，這些補(bǔ)給來(lái)源與補(bǔ)給方式之間的差異也可能是導(dǎo)致不同湖泊理化特性存在差異的主要原因.

上文3.2節(jié)中湖泊面積變化量空間自相關(guān)的計(jì)算得到面積變化量在整個(gè)空間上并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，湖泊之間面積變化不存在明顯的空間依賴.雖然空間自相關(guān)的計(jì)算僅是統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的值，但其在一定程度上可以說(shuō)明在湖泊面積變化中深層地下水的補(bǔ)給更可能影響湖泊面積的變化.由于目前湖泊水來(lái)源存在爭(zhēng)議，又缺乏各自湖泊精確的水量平衡計(jì)算，所以有關(guān)影響湖泊面積空間變化的各因素貢獻(xiàn)率的大小仍需探討.

圖4 1970 -2010年巴丹吉林沙漠南緣阿拉善右旗與雅布賴鎮(zhèn)降水變化［22］Fig.4 Variation of precipitation at Alxa Right Banner and Yabra in the southern Badain Jaran Desert during 1970 2010

4 結(jié)論

本文利用1973、1990、2000、2010年4期秋季遙感影像，準(zhǔn)確提取了巴丹吉林沙漠腹地湖泊邊界信息，建立了湖泊面積變化空間數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分類(lèi)、空間自相關(guān)、湖泊變化空間制圖的方法，獲得近40 a沙漠湖泊面積變化規(guī)律為:(1)近40 a間，沙漠腹地共干涸19個(gè)湖泊，新增7個(gè)湖泊.面積減小的湖泊有43個(gè)，面積增大的湖泊有6個(gè).(2)空間分布上，面積減小的湖泊在整個(gè)湖泊區(qū)域均有分布，面積增大的湖泊較多分布于研究區(qū)東側(cè)，且多在中東部區(qū)域外圍;面積減小劇烈的湖泊在空間上有聚集分布的態(tài)勢(shì).(3)湖泊面積變化量在整個(gè)空間上沒(méi)有表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，湖泊面積變化的空間特征可能是不同湖泊區(qū)域地下水補(bǔ)給來(lái)源不同或不同湖泊存在補(bǔ)給方式的差異所致.

巴丹吉林沙漠湖泊變化復(fù)雜，由于目前湖泊水補(bǔ)給來(lái)源與補(bǔ)給途徑上存有很大爭(zhēng)議，并缺乏對(duì)湖泊自身形態(tài)、湖盆結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)等研究，使得本文在定量解釋湖泊面積變化方面尚存欠缺.結(jié)合本研究團(tuán)隊(duì)建立在沙漠腹地的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站資料，精確計(jì)算湖泊水量平衡，定量分析湖泊水循環(huán)中各成分貢獻(xiàn)率，是進(jìn)一步研究的重點(diǎn).

致謝:本文在寫(xiě)作修改過(guò)程中得到蘭州大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究所黃銀洲博士與馬寧碩士的幫助，特此感謝.

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