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、地下水來源及水循環(huán)機制更是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點［3-16］.近年來隨著全球氣候變暖和干旱化趨勢加重，巴丹吉林沙漠湖泊出現(xiàn)了萎縮、分裂、干涸等現(xiàn)象，這些湖泊對于維護區(qū)域景觀多樣性有著重要意義，加強這些湖泊的調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測，對沙漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境的演化和保護以及湖泊資源的有效利用具有重要意義.

利用遙感手段對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，但這些研究主要針對湖泊群整體變化進行描述和分析，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張，湖泊數(shù)量減少中也有一些湖泊新增.所以，準確掌握湖泊群的變化情況十分必要.與此同時，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］，對長時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個時期湖泊面積信息建立湖泊面積空間變化數(shù)據(jù)庫，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，分析湖泊變化的時間和空間特征.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)與補給特征，進而為今后深入探究湖泊水來源等科學(xué)問題提供參考.

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，東西長約442 km，南北寬約354 km，面積5.2162×104km2，是我國第二大沙漠［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小［4］，區(qū)內(nèi)地勢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，其中常年積水湖泊119個［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)來源與處理方法

本文數(shù)據(jù)來源于美國地質(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期.為排除湖泊年內(nèi)變化對其階段變化的影響，所有影像均采用秋季平水期的數(shù)據(jù)，同時也避開了冬季湖面的冰凍時期.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影像進行了校正、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、閾值分割和水體指數(shù)不能準確排除其他地物對湖泊邊界的影響.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對湖泊范圍進行界定.對于1973年的MSS影像，較低的空間分辨率使得誤提取對結(jié)果影響較大，考慮到方法與精度的問題，首先對影像進行圖像增強，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個的湖泊邊界.最后利用GIS工具對所得湖泊信息進行后處理，包括剔除誤判、統(tǒng)一湖泊統(tǒng)計指標、統(tǒng)計湖泊面積和周長、建立湖泊空間數(shù)據(jù)庫等.湖泊信息后處理與提取結(jié)果見文獻［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)理論進行統(tǒng)計.本文采用最常見、應(yīng)用最廣泛的全局Moran'sⅠ指數(shù)統(tǒng)計量來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定義了各對象的相互鄰接關(guān)系，若兩個對象相鄰，空間權(quán)重值Wij為1，否則為0.Moran'sⅠ指數(shù)用標準化統(tǒng)計量Z值的P值檢驗來確定自相關(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

表1 湖泊變化結(jié)果統(tǒng)計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，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，對5種類型的湖泊數(shù)量進行統(tǒng)計(表1).湖泊面積變化率R=(A2－ A1)/A1，A1、A2分別表示 T1、T2時期各湖泊的面積，本文取R0=0.1作為界定湖泊變化的閾值.

4個時段內(nèi)萎縮與干涸的湖泊整體多于擴張與新增的湖泊，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.1973 -1990年、1990 -2000年、2000--2010年3個時間序列較短的時段，各類型湖泊數(shù)量特點基本表現(xiàn)為:穩(wěn)定的湖泊＞萎縮的湖泊＞擴張的湖泊＞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43個，其次是穩(wěn)定的湖泊與干涸湖泊，擴張的湖泊與新增湖泊數(shù)量最少，僅分別為6個和7個;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)，而該時期仍然為湖泊群面積減少的時期［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期內(nèi)表現(xiàn)出了不同的變化特點.

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個時期Moran'sⅠ指數(shù)均為正值(表2).進一步對計算結(jié)果進行近似正態(tài)分布的顯著性檢驗，正態(tài)分布95%置信區(qū)間雙側(cè)檢驗閾值Z0.05=1.96，Z值均小于1.96，所有P值均未通過信度為0.05的顯著性檢驗(表2)，表明4個時期沙漠各湖泊面積變化量在整個空間上正相關(guān)關(guān)系并不顯著.

顯著的空間正相關(guān)說明地理變量在空間上存在明顯的集聚模式，究其原因往往因為這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 給 方式、補 給 來 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，是因為這些湖泊沒有受到某種或某些因素的顯著影響，或者這些因素對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)庫對各時期湖泊變化量進行制圖.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，對不同時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個時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，范圍遍及整個研究區(qū).面積擴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、音德爾圖、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)中東部的包爾準特- 查干腦亥圖一線與毛日圖、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個不同時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)定的一個時期，面積變化明顯的湖泊數(shù)量也最少，幾乎沒有明顯的湖泊面積減小的區(qū)域.研究區(qū)東部的包爾準圖與音德爾圖，北部的烏爾塔布拉格與巴彥諾爾，中部的布爾特和車日格勒是面積擴大明顯的湖泊.

4)整體而言，1973--2010年有3個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個時期中最大.湖泊面積擴大的區(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個時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，這是因為該時期湖泊變化是其余3個時期湖泊變化累積的結(jié)果，雖然各時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特、呼和吉林、音德爾圖、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)最東部的包爾準特近年來面積連續(xù)擴張，共增加了0.048 km2.面積減小的湖泊分布于整個研究區(qū)域，面積減小劇烈的湖泊往往有聚集分布的態(tài)勢.

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活動的影響.內(nèi)陸湖泊的面積變化與水量變化趨勢一致，對于地處極端干旱區(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給外還有地下水的補給，支出部分為湖泊水面蒸發(fā).

研究區(qū)南緣最近兩個氣象站點降水觀測記錄顯示(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.從變化趨勢上看兩地降水量均略有增加，但均未通過信度為0.05的顯著性檢驗.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)本研究組對湖泊區(qū)水量平衡的討論，降水對湖泊水量變化的貢獻率僅約為10%［23］，因此在長時間尺度上，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］，本研究組實地觀測發(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，但觀測結(jié)果并未出現(xiàn)蒸發(fā)量間數(shù)量級或倍數(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］與湖泊面積變化進行對比，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存在于面積增大與減小兩類湖泊中.湖泊TDS值的高低與湖泊面積變化特點并沒有表現(xiàn)出對應(yīng)關(guān)系，因此可以說二者不存在必然聯(lián)系.根據(jù)以上兩點，湖水蒸發(fā)的“鹽度效應(yīng)”對蒸發(fā)量的影響并沒有在湖泊面積變化中得到相應(yīng)證實，說明湖泊間的蒸發(fā)差異亦不是導(dǎo)致湖泊空間變化特點的根本原因.

巴丹吉林沙漠湖泊中分布有相當數(shù)量的泉眼，深層泉水源源不斷對湖泊水量的補給是維系湖泊水量相對穩(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湖泊有一定的補給作用.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］指出南北湖泊補給來源可能來自不同的方向.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個湖泊接受地下水補給量不同［18］.劉建剛［8］認為，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給來源、補給強度和補給量等存在差別.

基于以上，我們有理由認為近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)域補給來源不同或不同湖泊補給方式存在差異所致.同時，這些補給來源與補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)的計算得到面積變化量在整個空間上并沒有表現(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)的計算僅是統(tǒng)計學(xué)意義上的值，但其在一定程度上可以說明在湖泊面積變化中深層地下水的補給更可能影響湖泊面積的變化.由于目前湖泊水來源存在爭議，又缺乏各自湖泊精確的水量平衡計算，所以有關(guān)影響湖泊面積空間變化的各因素貢獻率的大小仍需探討.

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，運用統(tǒng)計分類、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個湖泊，新增7個湖泊.面積減小的湖泊有43個，面積增大的湖泊有6個.(2)空間分布上，面積減小的湖泊在整個湖泊區(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.(3)湖泊面積變化量在整個空間上沒有表現(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)域地下水補給來源不同或不同湖泊存在補給方式的差異所致.

巴丹吉林沙漠湖泊變化復(fù)雜，由于目前湖泊水補給來源與補給途徑上存有很大爭議，并缺乏對湖泊自身形態(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)合本研究團隊建立在沙漠腹地的觀測實驗站資料，精確計算湖泊水量平衡，定量分析湖泊水循環(huán)中各成分貢獻率，是進一步研究的重點.

致謝:本文在寫作修改過程中得到蘭州大學(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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