承德壩上高原東部月亮湖湖面萎縮原因及應(yīng)對建議

殷志強，趙 磊，劉文波，李瑞敏，邵 海，彭 超，田鈺琛

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.河北省地礦局第四地質(zhì)大隊，河北 承德 067000；3.中國地質(zhì)大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083)

壩上高原位于渾善達克沙地邊緣，是京津冀最近的沙源區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱敏感區(qū)，范圍包括承德市圍場縣、豐寧縣的部分地區(qū)和張家口市的康保、尚義、沽源和張北縣的絕大部分地區(qū)[1]。這里屬于我們北方內(nèi)蒙古高原與燕山山地農(nóng)牧交錯帶、季風與非季風交匯區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)和環(huán)境過渡帶[2]，是京津冀重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)[3]。歷史時期這里經(jīng)歷了濕潤-冷干等多期次環(huán)境惡化和反轉(zhuǎn)事件[4-5]。近年來，隨著大規(guī)模人工林種植、農(nóng)業(yè)種植面積擴張、旅游開發(fā)強度提高，壩上高原逐漸出現(xiàn)了土地沙化、草地退化、自然湖泊面積萎縮、地下水位下降等趨勢[6-10]。關(guān)于這些問題，多位專家學者開展了深入研究，如魯晨曦等[10]研究認為人工林的蒸散量要普遍高于當?shù)刈匀恢脖坏恼羯⒘?，大?guī)模的人工造林活動會降低地下水位高度。Huang等[11]評估了干旱半干旱地區(qū)植樹造林對地下水補給的影響。高素改[12]研究認為壩上高原地區(qū)在1984—1996年間湖淖面積擴大，但在1996—2015年間，湖泊面積明顯萎縮，兩個時段湖面面積波動分別受控于氣候變化和人類活動影響。壩上高原地區(qū)的湖泊具有涵養(yǎng)水源、發(fā)展自然旅游的重要意義，但伴隨著全球氣候暖干與人類活動加劇，該地區(qū)的湖泊面積嚴重萎縮，直接制約了其生態(tài)功能的發(fā)揮和當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[13-17]。

月亮湖是承德壩上高原東部較典型的湖泊之一，關(guān)于該湖泊的湖面面積變化及成因機制，前人缺乏專門研究。本文在區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變分析的基礎(chǔ)上，以月亮湖及周邊環(huán)境為例，結(jié)合收集的溫度降水數(shù)據(jù)和植樹造林、旅游開發(fā)等人類活動數(shù)據(jù)，探討近年來湖泊面積快速萎縮的原因，研究湖泊萎縮的主要驅(qū)動力，提出生態(tài)平衡、科學保護湖泊資源的對策建議。

1 月亮湖區(qū)及周邊環(huán)境

位于承德壩上高原東部的月亮湖是該地區(qū)最大的高原型湖泊，該湖原名“沙腦泡子”，是一處因地形低洼匯水而成的封閉型咸水湖，具有高生態(tài)價值和高脆弱性特征。月亮湖所處的位置恰好位于壩上高原與燕山山地的過渡帶(圖1)，也是冬季風與夏季風的交匯區(qū)[1]。冬季風搬運的粉塵沉降到壩上高原和燕山山地，

而來自太平洋的夏季風攜帶的水汽在地形影響下降落到壩上高原和燕山山地過渡帶形成鋒面雨，為湖區(qū)提供了豐富的大氣降水。整個湖區(qū)匯水面積約為 2.48 km2，主要靠大氣降水補給，其原為小灤河支流如意河的源頭，但現(xiàn)因湖面萎縮不再為下游補給水源。

月亮湖所處的壩上高原，地勢較平坦，流水侵蝕微弱，風蝕強烈，多風蝕洼地，地表呈波狀起伏。由地形地貌可知，月亮湖、桃山湖、安固里淖[17-18]等壩上高原的湖泊所處地理位置海拔都屬于高原湖泊，具有高生態(tài)價值和高脆弱性特征(圖2)。湖區(qū)周邊表層的第四系砂質(zhì)地層主要為0.8～1.0 m的松散腐殖土，2.0～12.9 m的黑褐色中-細砂層；再下部為中新世漢諾壩灰黑色玄武巖，孔洞發(fā)育，微風化層厚1.0～3.0 m。砂層的含水率為12.6%～40.1%，比重平均2.65，黏聚力平均10.32 MPa，摩擦角平均值26.08°；新鮮玄武巖的抗壓強度5.87～11.67 MPa，巖石質(zhì)量等級Ⅲ級，工程地質(zhì)條件較好。

2 月亮湖面積變化及補給特征

2.1 月亮湖水域面積變化

多期次7—11月份的遙感影像解譯數(shù)據(jù)顯示：1975年以來，月亮湖湖泊面積先增大后減小，湖面面積在1993年為最大，后逐漸萎縮減?。?018年與1993年同期相比，月亮湖水域面積減少了93%。近40年來，湖泊面積由1975年的0.21 km2增加到1993年的0.43 km2，然后又減少到2018年的0.03 km2。綜合分析認為：1975—1993年為湖面較快增長期，1993—2013年為緩慢萎縮期，之后為較快萎縮期(圖3)。

圖3 月亮湖湖面面積1975—2018年變化曲線Fig.3 Variation curve of the water area of Moon Lake from 1975 to 2018

2.2 湖區(qū)周邊植被及水位補給特征

月亮湖區(qū)周邊植被主要為樟子松和落葉松人工林，湖東部和南部的落葉松栽種距今約60 a。湖西部和北部的落葉松樹齡主要為41～50 a和11～20 a(圖4)。

圖4 月亮湖西部和北部主要喬木年齡分組Fig.4 Age groups of major forest in the west and north of Moon Lake

月亮湖旅游區(qū)于2004年開始運行，多年6—10月份每天游客量平均約7500人。湖周邊有2口取水井供旅游開發(fā)和生活用水使用，湖東側(cè)水井(圖5中2#水井)已近干涸，湖西側(cè)的水井(圖5中1#水井)地下水位也呈波動式下降態(tài)；湖區(qū)周邊原設(shè)有跑馬場，常有牲畜前來飲水。近年來，由于自然氣候變化和旅游開發(fā)、道路修筑、森林種植等因素，月亮湖的水面面積和深度均呈下降趨勢，水面萎縮明顯，由原來的湖變成了現(xiàn)在的水坑，已達歷史極低水位，且湖中水草茂盛，水體呈富營養(yǎng)化。

2019年對月亮湖及周邊的地下水位進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)湖面水位標高為1 687.5 m，湖西側(cè)的1#水井地下水位標高為1 682.71 m，湖西南約2 000 m處的泉眼標高為1 597.41 m，湖東側(cè)2#水井地下水位標高為1 672.73 m，地下水位等值線及地下水流向如圖5所示，月亮湖區(qū)水文地質(zhì)條件見圖6。因此可以推測，月亮湖水面相對較高，可能會向周邊的水井補給地下水。在月亮湖向如意河補給通道上鉆孔揭示的地下水位顯示，月亮湖的水位與鉆孔揭示的水位水力梯度接近1%，仍有可能向下游補給，實際上遙感影像顯示如意河上游仍然是濕地，可能與月亮湖的補給有一定聯(lián)系。根據(jù)2016—2019年月亮湖西側(cè)游樂場1#水井水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該井水位動態(tài)變化較大(圖7)，初步推測可能是人為開采影響所致。湖區(qū)東側(cè)游樂場水井的地下水位埋深監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該井的地下水位呈現(xiàn)總體下降趨勢(圖7)。

圖5 月亮湖周邊地下水位等值線及地下水流向圖Fig.5 Contour map of groundwater level and their flow directions around Moon Lake

圖6 月亮湖區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.6 Hydrogeological section of Moon Lake area

圖7 月亮湖東側(cè)游樂場水井(1#)地下水位埋深動態(tài)曲線Fig.7 Dynamic curve of groundwater levels at the 1 # well on the east side of Moon Lake

3 月亮湖周邊人工林

建國初期，為了阻擋頻襲北京的沙塵暴，防止呈扇形圍聚在北京北面的巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、渾善達克等沙地南侵，1962年國家選擇在壩上地區(qū)的塞罕壩組建大型機械化林場，在玄武巖風化殼區(qū)、第四系風成黃土區(qū)和河流沖洪積地帶植樹造林。截至2016年，在壩上高原植樹造林約9.8×104ha，其中1962—1978年為快速植樹造林階段，1979—2003年為較慢速增加階段，之后植樹造林增加面積更為緩慢(圖8)。建成了紅松洼、塞罕壩、木蘭圍場、御道口等國家級和省級自然保護區(qū)，打造出了世界上面積最大的人工森林，生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)。月亮湖就位于塞罕壩機械林場的人工林區(qū)，月亮湖區(qū)周邊均為1962年以來不同年份種植的人工林。

圖8 塞罕壩地區(qū)1962—2016年人工植樹造林面積統(tǒng)計Fig.8 Statistical curves of artificial afforestation area in Saihanba area from 1962 to 2016

4 月亮湖面積萎縮原因

4.1 湖面面積與區(qū)域溫度和降水關(guān)系

距離月亮湖12 km外的塞罕壩氣象站完整記錄了1975年以來的逐月溫度和降水數(shù)據(jù)，可以為分析月亮湖的湖面面積變化及成因提供依據(jù)。從該氣象站記錄的降水量數(shù)據(jù)可以看出，1975年以來的降水總體呈增加趨勢，1975—2018年年降水量增加了約50 mm，其中1975—1993年為緩慢增加期、1993—2003年為緩慢下降期、2003年以來為基本穩(wěn)定期(圖9a)。1975—2018年壩上高原塞罕壩地區(qū)年均氣溫升高約0.8 ℃，各個季節(jié)升溫差異較大，其中春季上升約0.5 ℃，夏季上升約0.7 ℃，秋季上升約0.5 ℃，冬季上升約0.4 ℃(圖9b)。

圖9 塞罕壩地區(qū)1975—2018年年降水量(a)和年均溫(b)變化曲線Fig.9 Variation curves of annual precipitation (a) and average annual temperature (b) from 1975 to 2018 in Saihanba area

通過與月亮湖最近的塞罕壩地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)進行對比，顯示1975年以來該地區(qū)的降水量總體上呈增加趨勢，說明匯入月亮湖中的大氣降水是增加的。其中1993年以前湖面面積增大與降水量增加基本同步，1993—2003年間二者也有相似波動趨勢，2003年之后二者之間沒有必然聯(lián)系。該地區(qū)溫度也呈增加的態(tài)勢，由于溫度升高會導(dǎo)致蒸發(fā)量增強，溫度升高導(dǎo)致的蒸發(fā)加強可能對氣候干旱化的影響更加明顯[19]，因此2003年之后湖泊面積萎縮可能與自然因素中的溫度升高導(dǎo)致增發(fā)量增大有一定關(guān)系。綜合比較湖泊面積多項式擬合曲線和蒸發(fā)量擬合曲線可見，月亮湖湖面面積大小變化與蒸發(fā)量關(guān)系更密切(圖10)。

圖10 塞罕壩地區(qū)1975—2018年湖面面積、降水量和蒸發(fā)量變化特征Fig.10 Variation characteristics of lake size, precipitation and evaporation in Saihanba area from 1975 to 2018

圖11 塞罕壩地區(qū)累計造林面積與年降水量和溫度變化關(guān)系Fig.11 Relationship between cumulative afforestation areas and annual precipitation and temperature in Saihanba area

4.2 湖面面積與植樹造林關(guān)系

月亮湖周邊的植被類型主要為1962年以來陸續(xù)種植的人工林，其次為天然草地和濕地。該地區(qū)1975—2016年，人工林種植面積增加了5.7×104ha，分析認為該地區(qū)降水量的增加可能與不斷增加的人工森林有著正相關(guān)關(guān)系(圖11)，但隨著造林面積的增加，月亮湖水域的面積呈減小趨勢(圖8)，但二者是否有直接相關(guān)性還需要進一步深入研究。另外一種推測可能是溫度升高后更有利于森林生長，隨著森林面積擴大和樹齡增加，雖然降水量增加了，但森林增加了水源涵養(yǎng)能力，抑制了降水后的地表徑流量，同時通過葉面蒸騰作用將水分散發(fā)到空氣中[20-21]，因此會造成月亮湖匯水范圍內(nèi)入湖的水量相應(yīng)減少。

4.3 旅游開發(fā)對湖泊的影響

2013年7月30日影像顯示水域面積為3.4×105m2，2018年6月29日影像顯示水域面積為7.5×104m2，從2013—2018年的5年間，月亮湖水面面積縮小趨勢明顯(圖12)。月亮湖面積減少的原因除了蒸發(fā)等自然因素外，可能與人類活動密切相關(guān)。人類活動對該湖泊的影響主要表現(xiàn)在：(1)湖區(qū)周邊圍湖造房、游樂場和馬場等旅游項目較多，硬化的水泥路面阻斷了湖泊周邊的地表天然徑流補給通道，隔斷了兩側(cè)地表水力聯(lián)系，人為縮小并限定了湖區(qū)補水范圍，這種影響在干旱半干旱區(qū)尤其明顯。(2)湖區(qū)東北側(cè)(2#，見圖5)和西側(cè)(1#)的2口水井抽取地下水，2009—2018年間，湖區(qū)東北側(cè)水井每年7—10月份抽取地下水約200 m3，湖區(qū)西側(cè)水井每年7—10月份抽取地下水約162 m3，抽取的地下水主要用于旅游經(jīng)營者和游客使用。(3)據(jù)不完全統(tǒng)計，月亮湖區(qū)6—10月份每天平均用水人數(shù)為50人，每天按照50 L定額估算，每年(6月1日—10月10日共 132 d)用水330 m3；馬匹200頭，按照每天每頭10 L定額估算，每年用水量264 m3，人蓄飲水量每年約為594 m3，2口井抽取的地下水每年合計362 m3，缺口232 m3應(yīng)該主要由月亮湖提供。因此，每年月亮湖除了需要補給地下水外，還需要提供約232 m3的水為旅游服務(wù)。

圖12 2013年和2018年月亮湖水域面積對比(底圖為Google earth影像)Fig.12 Comparison images of the water area of Moon Lake in 2013 and 2018 (base map from Google Earth)

5 壩上高原湖泊萎縮應(yīng)對建議

月亮湖水面萎縮有自然和人為雙重因素，但筆者認為更重要的是人為因素造成了月亮湖快速萎縮。主要表現(xiàn)在：(1)近年來的旅游開發(fā)，抽取地下水和牲畜大量飲用湖區(qū)地表水對該湖泊影響較大，造成湖區(qū)周邊地下水位下降、泉水干涸，這是人類活動直接作用的結(jié)果；(2)湖區(qū)周邊山坡的原始植被為草地，現(xiàn)絕大部分已改為人工林，由于人工林的蒸散量要普遍高于當?shù)夭莸氐茸匀恢脖坏恼羯⒘?魯晨曦等，2017)[10]，葉面蒸騰作用加強；(3)湖區(qū)的游樂場等地原為如意河上游的濕地和草地，現(xiàn)已退化為沙地，沙質(zhì)裸露，水源涵養(yǎng)能力下降。

綜合分析認為：地下水開采和旅游開發(fā)(牲畜)用水增多是湖泊萎縮的主要原因，這在壩上高原具有典型性和普遍性，也是全球氣候變化與人類旅游活動的綜合體現(xiàn)。因此，建議壩上地區(qū)發(fā)展生態(tài)節(jié)水旅游，實施湖區(qū)及周邊地區(qū)地下水禁限采，強化水源涵養(yǎng)保護，以更好地發(fā)揮壩上高原是京津冀重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)的功能。

6 結(jié)論

通過對壩上高原生態(tài)環(huán)境資料的分析整理，尤其是對高原東部的月亮湖進行的深入調(diào)查研究，分析了自然因素和人類活動雙重作用對該地區(qū)湖泊的影響，基本查清了湖面萎縮的主要原因，取得的主要結(jié)論：

(1)月亮湖水面面積自1975年以來，呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，其中1975—1993年為湖面較快增長期，1993—2013年為緩慢萎縮期，之后為較快萎縮期。

(2)年際尺度上月亮湖區(qū)降水量和蒸發(fā)量都呈增加趨勢，但因溫度升高和大規(guī)模植樹造林后植被類型改變引起葉面蒸騰作用加強可能是湖泊萎縮的重要原因。

(3)人類活動對湖泊面積的影響作用也不容忽視，如月亮湖區(qū)周邊人工林面積增加和周邊道路硬化、地下水開采和牲畜飲水增多等。建議壩上地區(qū)發(fā)展生態(tài)節(jié)水旅游，實施湖區(qū)及周邊地區(qū)地下水禁限采，強化水源涵養(yǎng)區(qū)建設(shè)。