2000—2020 年蒙古高原湖泊變化及其影響因素分析

高彥哲， 阿拉騰圖婭， 曇 娜， 敖日格樂(lè)

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

湖泊作為重要的水資源，具有多種功能，能調(diào)節(jié)氣候、防洪灌溉、提供工業(yè)和飲用水源，還能繁衍水生動(dòng)物、植物，發(fā)展水產(chǎn)，改善湖區(qū)生態(tài)環(huán)境，提高環(huán)境質(zhì)量，為人們提供旅游度假場(chǎng)所，在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1]。蒙古高原地域廣闊、地形地貌復(fù)雜、植被類型多樣、自然條件嚴(yán)酷，是對(duì)全球變化響應(yīng)的敏感帶[2]。目前已知的全球9 條候鳥遷徙路線中3條路線經(jīng)過(guò)蒙古高原。蒙古高原湖泊數(shù)量眾多，且多為小型湖泊，湖盆較淺，季節(jié)性波動(dòng)明顯，在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下，高原湖泊在過(guò)去幾十年內(nèi)面積及數(shù)量大大縮減[3-5]。湖泊面積萎縮，水位下降，沙塵暴頻率增加，湖區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化，影響鳥類繁殖棲息，繁殖數(shù)量下降[6-8]。有關(guān)蒙古高原湖泊變化的國(guó)內(nèi)外研究成果較少，且多集中分析典型、大型湖泊變化[9-10]，成因上重點(diǎn)考慮對(duì)氣象要素和人為要素的研究[11-12]，而小型湖泊以及針對(duì)湖泊面積與土壤環(huán)境要素關(guān)系的研究相對(duì)薄弱。

鑒于此，監(jiān)測(cè)蒙古高原湖泊變化時(shí)空分布特征，結(jié)合多角度自然要素?cái)?shù)據(jù)，揭示湖泊變化影響因素，對(duì)蒙古高原，乃至全球氣候變化研究、保護(hù)候鳥棲息和繁衍場(chǎng)所、水環(huán)境及動(dòng)植物研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

蒙古高原位于亞洲東北部地區(qū)，東起大興安嶺，西至阿爾泰山脈，北界為薩彥嶺、肯特山和雅布洛諾夫山脈，狹義南抵陰山山脈[13]，廣義南沿長(zhǎng)城[14]，包括蒙古國(guó)全部、俄羅斯南部和中國(guó)北部地區(qū)。研究區(qū)選取蒙古國(guó)和中國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)的蒙古高原主體部分（圖1），地理位置介于37.25°～53.10°N，87.50°～126.07°E 之間，地勢(shì)起伏較大，自西向東逐漸降低。地形地貌復(fù)雜多樣，有高山、中山、低山、丘陵、高原、平原。其西北部為濕潤(rùn)半濕潤(rùn)區(qū)，地形較多為高山和中山，植被類型多為山地針葉林、典型草原和草甸草原；西南部為干旱區(qū)，地形主要為丘陵和平原，植被類型多為戈壁荒漠和荒漠草原；中東部主要為半干旱區(qū)，平原、丘陵和臺(tái)地等地形較多，植被類型主要為典型草原；東部在氣候分區(qū)上為濕潤(rùn)半濕潤(rùn)區(qū)，地形主要有中山和丘陵，植被類型多樣，有闊葉林、針葉林、草甸草原、灌叢和農(nóng)田；南部為半干旱區(qū)，地形主要為丘陵、平原和沙地，植被類型多為沙地植被、灌叢和農(nóng)田。

圖1 研究區(qū)及湖泊分布示意圖Fig.1 Study area and distribution of lakes

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的Landsat TM、ETM+、OLI 系列衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，選取了2000—2020年每年8—10月豐水期的共21期3591景影像，云量小于10%，個(gè)別影像信息缺失時(shí)，由7 月或11月的影像代替。數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）來(lái)源于美國(guó)航空航天局和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局聯(lián)合測(cè)量的SRTM數(shù)據(jù)。植被指數(shù)、白天地表溫度數(shù)據(jù)分別從MODIS遙感影像中MOD13A2、MOD11A2獲取。4層土壤水分、氣溫、降水量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來(lái)源于ERA5-Land再分析數(shù)據(jù)集[15]，取自哥白尼氣候數(shù)據(jù)庫(kù)，空間分辨率為0.1°×0.1°。4 層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)分別是第一層（0～7 cm）、第二層（7～28 cm）、第三層（28～100 cm）和第四層（100～289 cm）4個(gè)不同深度的墑情數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

利用Landsat綠波段和中紅外波段，通過(guò)改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（Modified normalized difference water index，MNDWI）[16]提取了湖泊水面信息，該方法可以較好地區(qū)分陰影與水體，以及鹽堿地和水體[17]，計(jì)算公式為：

式中：ρGreen為L(zhǎng)andsat TM、ETM+和OLI 傳感器的綠波段（0.52～0.60 μm）；ρMIR為中紅外波段（1.55～1.75 μm）。結(jié)合人工目視解譯，獲取蒙古高原2000—2020 年1 km2以上的湖泊面積信息，并從提取的結(jié)果中抽取500 個(gè)樣本，利用Google earth 高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并將5 km2以上的湖泊與水文地圖對(duì)比，準(zhǔn)確率分別為98.20%和84.03%。

將湖泊作為點(diǎn)要素，采用最鄰近指數(shù)法揭示蒙古高原湖泊在地理空間中相互鄰近的程度及其變化。當(dāng)最鄰近指數(shù)>1 時(shí)，表明湖泊分布類型為離散分布；當(dāng)最鄰近指數(shù)<1 時(shí)，表明湖泊分布類型為集聚分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖泊時(shí)間變化

提取2000—2020 年逐年的1 km2以上湖泊信息，分析年際變化趨勢(shì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蒙古高原湖泊面積和數(shù)量年際變化很大，在2000—2009年呈減少趨勢(shì)，2009—2020 年有所恢復(fù)（圖2）。湖泊水面面積在2003、2008、2012、2016 年和2018 年出現(xiàn)了相對(duì)高值，2002、2006、2009、2015 年和2017 年出現(xiàn)了相對(duì)于鄰近2 a 萎縮的低值。2000 年湖泊面積最大為19345.19 km2，2009 年湖泊面積達(dá)到最低值為17176.82 km2。研究期內(nèi)湖泊面積減少了1443.91 km2，變化率為7.46%；從數(shù)量看，2018年湖泊數(shù)量最多，為877 個(gè)，2009 年湖泊最少，為578 個(gè)，研究期內(nèi)湖泊數(shù)量共減少了92 個(gè)，變化率為11.17%，其變化曲線波動(dòng)較大。

圖2 2000—2020年蒙古高原湖泊面積和數(shù)量年際變化Fig.2 Annual changes of lake area and quantity in Mongolian Plateau from 2000 to 2020

為確定不同規(guī)模湖泊的變化趨勢(shì)，根據(jù)湖泊面積大小，將湖泊劃分4 個(gè)等級(jí)：1～10 km2為小型湖泊；10～100 km2為中型湖泊；100～1000 km2為大型湖泊；>1000 km2為特大型湖泊。統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)的湖泊面積和數(shù)量變化情況結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各等級(jí)湖泊總面積排序與等級(jí)大小排序一致，即特大型湖泊>大型湖泊>中型湖泊>小型湖泊，總數(shù)量排序卻與之相反（表1）。

表1 各等級(jí)湖泊面積和數(shù)量變化情況Tab.1 Changes of lake area and quantity at different levels

2000—2020 年特大型湖泊數(shù)量不變，而面積減少了378.28 km2，變化率為3.34%，占總湖泊面積減少量的比例為26.20%；大型湖泊面積減少幅度最大，達(dá)745.65 km2，變化率為18.93%，占總湖泊面積減少量的比例為51.64%。湖泊數(shù)量變化不大，只減少了3 個(gè)，變化率為23.08%；中型湖泊面積減少46.22 km2，變化率為2.20%，占總湖泊面積減少量的比例為3.20%。湖泊數(shù)量減少了7 個(gè)，變化率為8.86%；小型湖泊面積減少了273.76 km2，變化率為13.80%，占總湖泊面積減少量的比例不大，只占18.96%，但其湖泊數(shù)量減少最多，共82個(gè)，變化率為11.28%，占湖泊減少總數(shù)的比例最大，達(dá)89.13%。整體上，除特大型湖泊數(shù)量不變，特大型湖泊面積及其他等級(jí)的湖泊面積和數(shù)量均有所減少，其中面積變化方面大型、特大型湖泊的貢獻(xiàn)較大，數(shù)量方面小型、中型湖泊的貢獻(xiàn)較大。

3.2 湖泊空間變化

為分析蒙古高原湖泊面積變化的空間分異特征，獲取每年1 km2以上的湖泊在其他年份的面積情況，并將湖泊面積變化分為5種類型：研究初期存在而研究末期干涸的為消亡，面積變化率<-2%的為萎縮，在-2%～2%之間的為穩(wěn)定，>2%的為擴(kuò)張，研究初期沒(méi)有而研究末期存在的為新增。從圖2已發(fā)現(xiàn)湖泊變化具有階段性，因此以2009 年為分界點(diǎn)，分析2000—2009 年和2009—2020 年2 個(gè)不同時(shí)期湖泊變化類型及其空間分布特征。

從結(jié)果（圖3）看，整體上蒙古高原中東部、西北部和南部湖泊分布較為密集。2000—2009 年萎縮湖泊為467 個(gè)，占其總湖泊數(shù)量的41.47%，主要分布中東部、西北部和南部湖泊集中分布區(qū)；其次為消亡的湖泊數(shù)量為285 個(gè)，占湖泊總數(shù)的25.31%，主要分布在中東部地區(qū)；擴(kuò)張的湖泊有177個(gè)，占湖泊總數(shù)的15.72%，零散分布在各個(gè)區(qū)域，較為集中的是南部地區(qū)；新增的湖泊為99 個(gè)，占湖泊總數(shù)的8.79%，除西南部地區(qū)，其他與擴(kuò)張湖泊的分布區(qū)域基本一致；穩(wěn)定的湖泊為98 個(gè)，占湖泊總數(shù)的8.70%，主要分布在西北部地區(qū)。2009—2020 年與前10 a相同的一點(diǎn)是湖泊變化各類型中萎縮湖泊的數(shù)量也是最多，達(dá)354 個(gè)，占總湖泊數(shù)量的31.22%，主要分布中東部、西北部和南部地區(qū)；與前10 a不同的是數(shù)量排位第2的類型為擴(kuò)張的湖泊，數(shù)量達(dá)339個(gè)，占湖泊總數(shù)的29.89%，主要分布在中東部地區(qū)；新增的湖泊為293 個(gè)，占湖泊總數(shù)的25.84%，同樣主要分布在中東部地區(qū)；穩(wěn)定的湖泊為85 個(gè)，占湖泊總數(shù)的7.50%，主要分布在西北部地區(qū)；消亡的湖泊數(shù)量為63 個(gè)，占湖泊總數(shù)的5.56%，在中部和東南部地區(qū)零散分布。

圖3 蒙古高原2個(gè)時(shí)間段內(nèi)湖泊面積空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of lake area in Mongolian Plateau in two periods

總體上，整個(gè)研究期多數(shù)湖泊面積萎縮，前期消亡湖泊較多，后期新增和擴(kuò)張的湖泊較多；萎縮湖泊分布較為離散，前期消亡湖泊與后期新增湖泊分布較為一致，多集中在中東部地區(qū)；2 個(gè)時(shí)期面積穩(wěn)定的湖泊集中在西北部地區(qū)。

湖泊數(shù)量的變化會(huì)引起湖泊空間分布形態(tài)變化，從而導(dǎo)致水資源的空間分配、候鳥遷徙安全路徑的變動(dòng)。為此引入最鄰近指數(shù)方法，研究了蒙古高原湖泊空間分布變化情況。該方法不僅可以從宏觀上了解湖泊的空間分布格局，并且可以測(cè)定湖泊變化引起的空間分布變化強(qiáng)度，有利于判斷湖泊何種變化類型使得湖泊分布更加聚集或離散。根據(jù)湖泊變化趨勢(shì)計(jì)算2000、2009 年和2020 年蒙古高原1 km2以上湖泊的最鄰近指數(shù)（表2）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的最鄰近指數(shù)均小于1，表明蒙古高原湖泊分布為聚集型，且均為顯著聚集型。研究期內(nèi)蒙古高原湖泊最鄰近指數(shù)持續(xù)增加，預(yù)期平均距離先增加后減少，揭示了2000—2009年蒙古高原主要由于中東部密集區(qū)湖泊數(shù)量減少的同時(shí)西南部稀疏區(qū)新增湖泊，導(dǎo)致其空間分布集聚性減弱，2009—2020 年中東部湖泊數(shù)量增加的同時(shí)中部稀疏區(qū)又新增湖泊，導(dǎo)致整體分布較為離散，空間分布集聚性減弱，產(chǎn)生異因卻同向的趨勢(shì)。

表2 蒙古高原湖泊空間集聚情況Tab.2 Spatial agglomeration of lakes in Mongolian Plateau

3.3 湖泊變化影響因素

湖泊面積變化受各種環(huán)境要素影響，故從大氣環(huán)境、地表環(huán)境和土壤環(huán)境3個(gè)層面，獲取研究期的年均氣溫、年降水量、年蒸發(fā)量、植被指數(shù)、地表溫度和4 層土壤水分變化情況，并依據(jù)研究期內(nèi)蒙古高原湖泊面積變化特征，以2009年為界揭示各要素對(duì)2個(gè)階段湖泊面積變化的影響及其差異。

3.3.1 各環(huán)境因素蒙古高原多年平均氣溫為3.02 ℃，2007 年為最大值，2012 年為最小值，2007—2012 年年均氣溫波動(dòng)幅度較大，整體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)（圖4a）；年降水量在研究期內(nèi)呈波動(dòng)略微增加的趨勢(shì)，2003年為最大值，2017年為最小值（圖4b），在2003、2008、2012、2016 年和2018 年表現(xiàn)為較高的水平，與湖泊面積變化曲線的波峰相吻合；年蒸發(fā)量整體呈波動(dòng)略微下降趨勢(shì)，2003 年為最大值，2009 年為最小值（圖4c）。在2003、2012、2016 年和2018 年表現(xiàn)為較高的蒸發(fā)量，同年湖泊面積較大，2006、2009 年和2017 年表現(xiàn)為較低的蒸發(fā)量，在這些年份湖泊面積較??；植被指數(shù)整體呈顯著增加趨勢(shì)（圖4d），2000—2009年植被指數(shù)波動(dòng)較小，2009—2020 年波動(dòng)較大，年際變化幅度逐漸加大；研究期內(nèi)地表溫度呈波動(dòng)略微減少趨勢(shì)，2000 年達(dá)到最高值，2012 年達(dá)到最低值（圖4e），在2003、2012、2016年和2018 年為波谷，同年湖泊面積處于波峰；研究期內(nèi)土壤不同深度的墑情變化趨勢(shì)不盡相同。其中，第一、二和三層土壤水分在2000—2007 年呈減少趨勢(shì)，僅在2003 年或2004 年有所增加，2007—2020 年呈增加趨勢(shì)（圖4f～h），尤其是第二層土壤水分增加趨勢(shì)更為明顯；第四層土壤水分整體呈顯著減少趨勢(shì)（圖4i）。4 層土壤水分多年平均值分別 為0.18 m3·m-3、0.20 m3·m-3、0.19 m3·m-3和0.19 m3·m-3，第二層土壤水分的均值最高。整體上年均氣溫和植被指數(shù)的增加趨勢(shì)，第四層土壤水分的減少趨勢(shì)較明顯，其余環(huán)境因素波動(dòng)幅度較大。

圖4 2000—2020年各環(huán)境因素變化趨勢(shì)Fig.4 Trends of environmental factors from 2000 to 2020

3.3.2 湖泊面積變化影響因素將各環(huán)境因素分別與2 個(gè)時(shí)間段的湖泊面積擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2000—2009 年湖泊面積減少與年均氣溫增加、年蒸發(fā)量和4層土壤水分減少密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.46、0.61、0.61、0.78、0.80 和0.91，而與年降水量、植被指數(shù)和地表溫度的相關(guān)性較弱（圖5）。其中，土壤水分隨其埋藏越深，對(duì)湖泊面積減少的影響越大；2009—2020 年湖泊面積與年降水量、年蒸發(fā)量、植被指數(shù)和第一、二、三層土壤水分呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.72、0.82、0.67、0.66、0.84 和0.69；與年均氣溫、地表溫度和第四層土壤水分的相關(guān)性較弱（圖6）。在以2009 年為分界點(diǎn)的2 個(gè)時(shí)間段內(nèi)湖泊面積變化與年蒸發(fā)量和第一、二、三層土壤水分均表現(xiàn)為較顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中除第三層土壤水分，其余與湖泊面積增加的正相關(guān)關(guān)系更強(qiáng)；而整體上湖泊面積變化與地表溫度的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)較弱；年均氣溫升高和第四層土壤水分減少對(duì)湖泊面積萎縮的影響較大；植被指數(shù)和年降水量增加與湖泊面積擴(kuò)張的關(guān)系較顯著。

圖5 2000—2009年湖泊面積與各環(huán)境因素的關(guān)系Fig.5 Relationship between lake area and environmental factors from 2000 to 2009

圖6 2009—2020年湖泊面積與各環(huán)境因素的關(guān)系Fig.6 Relationship between lake area and environmental factors from 2009 to 2020

4 討論

目前，眾多學(xué)者針對(duì)典型湖泊或小區(qū)域內(nèi)湖泊面積變化進(jìn)行研究的成果較多[18-21]。雖有部分以中亞和青藏高原等大區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)[22-24]，分析眾多湖泊的變化特征，但多數(shù)未將空間大尺度、小型湖泊和時(shí)間連續(xù)等特點(diǎn)結(jié)合進(jìn)行分析，尤其是蒙古高原的相關(guān)研究更少。為此，監(jiān)測(cè)蒙古高原湖泊面積和數(shù)量變化趨勢(shì)，揭示湖泊空間分布的變化規(guī)律，對(duì)水源地變遷、候鳥等生物多樣性保護(hù)、全球氣候暖干化的警示具有十分重要的實(shí)際意義。

已有關(guān)于湖泊面積的影響因素研究多集中于氣溫、降水量、蒸發(fā)量和植被等自然因素的影響[25-27]，采用其他自然要素研究的文獻(xiàn)較少。而湖泊水量變化不僅受到大氣環(huán)境和地表環(huán)境的影響，還會(huì)受到地下水文環(huán)境的影響，并且淺小湖泊對(duì)周圍環(huán)境變化更敏感。因此，以能夠較準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到的眾多湖泊作為大量樣本，分析湖泊面積變化情況，并揭示湖泊面積變化與氣溫、降水量、蒸發(fā)量、植被指數(shù)、地表溫度和土壤水分等自然因素的關(guān)系，有助于更深入了解影響湖泊水量收入與支出以及水量平衡的主要要素，從而為探討不同地區(qū)及不同類型湖泊動(dòng)態(tài)變化的主要影響因素及其差異，對(duì)湖泊水源保護(hù)具有理論指導(dǎo)意義。

區(qū)域尺度的湖泊研究對(duì)了解不同區(qū)域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)十分重要[28]。蒙古高原和青藏高原均為氣候變化的敏感區(qū)域，但2 個(gè)高原的湖泊面積變化情況明顯不一致。近幾十年來(lái)青藏高原湖泊面積整體呈增加趨勢(shì)[29-31]，而本研究結(jié)果表明蒙古高原的湖泊面積雖2009年后有所增加，總體上還是呈減少趨勢(shì)。造成這種差異的根本要素相同，均為降水量和氣溫變化，但其影響機(jī)制不同，結(jié)果也不同。由此可見(jiàn)，從研究區(qū)的地理環(huán)境特征出發(fā)尋求原因很有必要，這對(duì)提升湖泊變化過(guò)程與機(jī)制的認(rèn)識(shí)，深入研究區(qū)域環(huán)境變化和小流域治理等具有一定的理論和實(shí)踐意義。本研究中，雖對(duì)影響整個(gè)蒙古高原湖泊面積的大氣、地表、土壤環(huán)境要素進(jìn)行了相關(guān)分析，梳理出不同時(shí)間段內(nèi)普遍影響的主要要素，而在影響機(jī)制方面沒(méi)有深入分析。如從理論角度講，植被覆蓋度上升，會(huì)提高降雨下滲比例，補(bǔ)給地下水，再通過(guò)地下徑流補(bǔ)給湖泊水。但研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2000—2009 年蒙古高原植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)的情況下湖泊面積反而萎縮，這可能是植被的水源涵養(yǎng)功能沒(méi)有能夠有效發(fā)揮作用。土壤水分與湖泊面積相關(guān)性較強(qiáng)，反映了蒙古高原的湖泊水除了降水直接補(bǔ)給外，還有很大比重是地下水補(bǔ)給。這些都表明具體要素之間相互作用的機(jī)制需進(jìn)一步挖掘。

5 結(jié)論

（1）研究期內(nèi)蒙古高原湖泊面積和數(shù)量波動(dòng)幅度較大，整體上有所減少，同時(shí)也表現(xiàn)出階段性變化，2000—2009 年呈減少趨勢(shì)，2009—2020 年呈增加趨勢(shì)；小型湖泊數(shù)量最多，特大型湖泊面積最大，除特大型湖泊數(shù)量不變，其面積及其余湖泊面積和數(shù)量均有所減少，大型湖泊變化率最大。

（2）蒙古高原中東部、西北部和南部湖泊分布較多，且不同階段不同變化類型的湖泊數(shù)量及分布差異較大。除2 個(gè)時(shí)間段內(nèi)萎縮湖泊均最多，且均分布在湖泊密集區(qū)；穩(wěn)定湖泊均較多分布在西北部地區(qū)。2009 年之前消亡湖泊較多，多集中在中東部湖泊密集區(qū)，導(dǎo)致湖泊空間分布集聚性減弱，2009年之后新增和擴(kuò)張湖泊較多，同樣多集中在中東部且在中部稀疏區(qū)更為分散，使湖泊分布集聚性繼續(xù)減弱。

（3）近20 a 來(lái)高原年均氣溫和植被指數(shù)顯著增加，第四層土壤水分呈顯著減少趨勢(shì)，其余環(huán)境因素變化方向不一致，波動(dòng)較大。這些環(huán)境要素中，2009年之前年均氣溫升高和4層土壤水分減少對(duì)湖泊面積減少的影響較大，之后植被指數(shù)、年降水量和第一、二、三層土壤水分增加與湖泊面積略微恢復(fù)的關(guān)系較為顯著。