地理研究  2017 , 36 (9): 1755-1772 https://doi.org/10.11821/dlyj201709012

研究论文

1962-2016年达里诺尔流域水、草退化及气候响应

马超12, 刘玮玮1, 赵鹏飞1, 马雯思1, 马威1

1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作 454000
2. 河南理工大学矿山空间信息国家测绘与地理信息局重点实验室,焦作 454000

Wetland and grassland egradation and the response to climate in Dalinor Basin duing 1962-2016

MA Chao12, LIU Weiwei1, ZHAO Pengfei1, MA Wensi1, MA Wei1

1. School of Surveying & Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China;
2. Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies of SBSM, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China

收稿日期: 2017-02-24

修回日期:  2017-07-19

网络出版日期:  2017-09-15

版权声明:  2017 《地理研究》编辑部 《地理研究》编辑部

基金资助:  国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合资助项目(U1261206,U1261106)

作者简介:

作者简介:马超(1967- ),男,内蒙古克什克腾旗人,博士,教授,主要从事遥感理论教学和遥感技术矿区地质灾害的监测研究。E-mail: mac@hpu.edu.cn

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摘要

基于Keyhole-1(1962年)、Landsat TM/ETM+/OLI数据(1985-2016年)、SRTM/ASTER DEM和湖区周边气象站点(1961-2012年)年均气温和降水数据,对达里诺尔三个主要湖泊的水域面积、人类活动典型环境要素(居民地、耕地和草场面积)以及主要流域植被覆盖度进行定量化表达及相关性分析。研究表明:达里诺尔流域一些生态、人文、地理指标发生了变化,55年来(1962-2016年)三个主要湖泊水域面积缩小了24.65%,居民地面积增加了15.32倍,耕地面积增加了7.86倍;32年来(1985-2016年)全流域平均植被指数降低了约38.46%,饲草(放牧及冬储用)面积占流域可利用面积52.80%;主要湖泊水域面积变化与全球气候要素变化不显著相关,与人类活动典型环境要素(居民地、耕地和草场面积变化)显著相关,人类活动正成为湖泊湿地退化的主导因素。

关键词: 达里诺尔流域 ; 湖泊湿地 ; 生态功能 ; 归一化植被指数 ; 气候变化 ; 人地关系

Abstract

The Dalinor Lake Wetland National Nature Reserve is included on the list of Asia important wetlands. Being an integrated ecosystem composed by lakes, rivers, swamps, wet meadows and sparse grasslands, the Dalinor reserve behaves as the important ecological function region in the eastern basin of Inner Mongolia Plateau, and also a natural eco-barrier of the Beijing-Tianjin region. Based on multi-sourced remote sensing data of Keyhole-1 (1962), Landsat TM/ETM+/OLI (1985-2016) and SRTM/ASTER DEM (2000, 2009), along with field observations of annual temperature and precipitation from 3 meteorological stations around the lake, interpretations and quantification were carried out on the water area of the three main lakes (i.e. Dalinor, Ganggengnor and Duolunor lakes) within Dalinor watershed, typical environmental elements of human activities (i.e., the area of the residential, cultivated and grazing land) and vegetation coverage derived from normalized difference vegetation index (NDVI), especially the variation of the river basin and climate change and their correlation between human activities in this 55-year period (1962-2016) were analyzed. The research reveals that: (1) There have been changes on the ecological, humanistic and geographical indicators of the Dalinor area. In the past 55 years, the water areas of the three lakes shrank by 24.65%, while the inhabitants and cultivated lands increased by 15.32 and 7.86 times, respectively. Focusing on a 32-year period from 1985 to 2016, the average NDVI was reduced by about 38.46% within the whole region, and the grassland (for pasture) reached 1720 km2, accounting for 52.8% of the available area. (2) The variation of the water area of the main lakes presented no significant correlation with the global climate change, however, its strong relationships with typical environmental elements (changes in the area of the residential, cultivated and grazing land) were observed, suggesting that human activities are becoming the dominant factors which lead to the wetland and grassland degradation. (3) The warming rate across the Dalinor basin climbed much higher than the average level of the global and Northeast Asia scale, indicating that a prominent warming-drying trend was performed during this period, to a certain extent, the fragile habitat of the Dalinor reserve acts like an "Ecological magnifier" to the global climate change. The wetland ecology of the Dalinor watershed is extremely sensitive to global climate change.

Keywords: Dalinor Basin ; wetland ; ecological function ; normalized difference vegetation index (NDVI) ; climate change ; man-land relationship

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马超, 刘玮玮, 赵鹏飞, 马雯思, 马威. 1962-2016年达里诺尔流域水、草退化及气候响应[J]. 地理研究, 2017, 36(9): 1755-1772 https://doi.org/10.11821/dlyj201709012

MA Chao, LIU Weiwei, ZHAO Pengfei, MA Wensi, MA Wei. Wetland and grassland egradation and the response to climate in Dalinor Basin duing 1962-2016[J]. Geographical Research, 2017, 36(9): 1755-1772 https://doi.org/10.11821/dlyj201709012

1 引言

湿地是自然界生物多样性最富有和生态功能最高的生态系统[1]。湖泊湿地作为全球三大生态系统之一,对调蓄纳洪、涵养水源、降解污染、维持生物多样性和区域生态平衡、促进农牧渔业发展起着十分重要的作用,此外,江河湖泊还通过“地—气”交互过程影响气候系统[2,3],是全球尺度上气候的“稳定器”和“调解器”以及区域气候变化的“指示器”[4-7]

自1971年国际自然和自然资源保护联盟《湿地公约》发布以来,湿地资源研究一直是国际研究热点。全球约有860万km2湿地,占全球陆地面积的6.4%[1]。然而世界湿地资源复杂多样,大量分布于热带及亚热带的海岸滩涂、极地冻原及青藏高原,湿地资源难于管控。3S技术的快速发展,特别是遥感技术因其多时相、多平台、信息丰富、定量化高、可比性强的优点,使得天地一体化全球湿地资源精准监测成为可能,已成为监测湿地资源变迁及生态功能演替的主要手段[8-18]

中国是世界上湿地资源最丰富的国家之一[19],但由于不合理利用导致80%的湿地资源面积丧失或功能退化[20,21],作为中国北方气候屏障的内蒙古地区湖泊湿地形势尤为严 峻[22-31]。位于蒙新高原的达里诺尔自然保护区拥有高原湖泊、干旱区湿地,远离海洋,毗邻贡格尔草原和浑善达克沙地,由于降水和入湖径流补给系数小,积极参与陆地水循环而蒸发强烈,其水资源弥足珍贵[32-35]。在全球变化和区域强烈的人类活动的双重压力下,达里诺尔流域的湖泊及湿地出现水生态失衡、水土流失、草原退化、生物多样性降低等一系列生态问题,不仅严重威胁内蒙古高原内陆河东部流域的生态平衡,也危及京津地区的生态安全和经济发展[36,37]。近年来,已有诸多学者关注达里诺尔湖泊湿地的生态安全,相关研究采用多时相遥感技术,从面积、变化率和空间分异等方面进行分析,认为达里诺尔湖面面积总体在缩小,气温升高,蒸发量上升和降水量减少是湖面萎缩的主要因素[38-41]。但目前对达里诺尔湖泊湿地资源管理及生态功能研究仍显不足,主要表现在:① 研究目标界定不清晰:有的研究只针对达里诺尔湖泊一个孤立目标进行了研究;而对“达里诺尔自然保护区”边界内的区域进行遥感调查也值得商榷,需知保护区边界仍不是真正意义上的生态边界;达里诺尔是集湖泊、河流、沼泽及湿草甸等为一体的综合湿地生态系统,以流域为研究对象更为恰当。② 现有的研究时空尺度相对不足:10~20年的气候数据难以准确表达气候的变迁,也难以体现其对全球变化的响应;时序较短、间隔较大、分辨率过高或过低的遥感数据,都不利于表现时空变化特征,容易导出“只见树木不见森林”的片面认识。③ 现有的研究对遥感信息挖掘深度有待提高:大部分研究只对湖泊面积等几何信息进行了监测,其他遥感物理信息诸如植被指数等利用不足。④ 现有的研究对人类活动影响的认识不足:没有立足当地特殊的生产方式,只是人云亦云地描述了人类活动的影响,遥感研究所能提供人地关系的科学证据不足。

本文以达里诺尔流域为研究对象,利用55年的遥感影像和气象数据,采用一系列预处理技术,获取研究区内湖面、居民地、耕地、草场信息和时间序列归一化植被指数(NDVI),通过分析流域内湖泊、居民地、耕地、草场的几何变化,流域内植被指数遥感物理变化和区域气候变化及“气候—人类活动—区域生态”三者的相关性,试图阐明达里诺尔流域生态要素的时空演变规律,揭示湖泊湿地变化驱动因子的作用机制和相互关系,评估湖泊湿地变化对周围环境、对未来环境的影响。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

达里诺尔(蒙语“诺尔”即“湖泊”)中心坐标为43°16'37"N、116°37'36"E,位于内蒙古克什克腾旗贡格尔草原西南部,湖周长百余公里,面积约2.38万hm2[36],是内蒙古的第二大内陆湖。达里诺尔流域(43.00°N~43.75°N、116.30°E~117.50°E)面积近40万hm2,由北到南形成了玄武岩台地、湖积平原、湖盆低地、风成沙地等依次排列的景观格局。亮子河(蒙语称“央森郭勒”)由西南向北注入达里诺尔。贡格尔河(蒙语称“贡格尔郭勒”)发源于黄岗梁地区向西南蜿蜒而去,流经白音敖包自然保护区,穿过美丽的贡格尔草原,最终流入达里诺尔湖。耗来河、亮子河、贡格尔河和沙里河(蒙语称“萨林郭勒”)贯穿于达里诺尔、岗更诺尔以及多伦诺尔之间,这些河流与之构成向心状内流水系[42],沿岸形成达里诺尔沼泽和湿草甸(图1)。

图1   研究区位置示意图

Fig. 1   The study area and its geographical location

2.2 数据来源

主要遥感数据包括1962年美国“锁眼”照相侦察卫星(KeyHole-1,以下简称KH-1)7.5m分辨率的遥感影像,1985-2016年美国陆地卫星(Landsat-5/7/8)的TM、ETM+、OLI 15~30 m遥感影像(http://www.usgs.gov);数字高程模型数据包括30 m水平分辨率、1 m垂直分辨率的先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(ASTER GDEM,v2.0:http://datamirror.csdb.cn),90 m水平分辨率、1 m垂直分辨率航天飞机雷达地形测绘使命数字高程模型(SRTM3 DEM,v4.0:ftp://e0mss21u.ecs.nasa.gov/srtm/);此外还有从1 25万地形图形成的100 m分辨率的基础地理信息数据,1961-2012年的中国气象科学数据库中的全国的气象资料(http://cdc.nmic.cn/home.do)。

结合研究区域的特殊耕作时节、植物生长状况、气候、云层覆盖等情况,从可获取的数据中,筛选出植被长势较好的夏秋季遥感影像,进行耕地面积、居民地面积、草场面积以及NDVI等信息提取(表1);湖面面积提取多采用7-8月的丰水期数据。

表1   遥感数据源及用途分类

Tab.1   Data sources and uses for the study

数据类型KH-1L5L5L5L5L5L5L5L5L7L5L7L5L5L8L8MODIS
NDVI
SRTMDEMASTERGDEM
成像时间1962/06/281985/08/101986/07/121990/07/231991/08/111994/08/031995/07/211999/07/162000/07/182005/08/252006/09/212006/07/172010/08/312011/08/022015/07/122016/09/202006,2016/08/032000/
02/11
2009/
06/30
流域分析
NDVI计算
耕地/草场/居民地面积提取
湖面面积提取

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2.3 处理方法

2.3.1 流域分析 达里诺尔起源于“汗克拉”和“源水头”两个新生代断陷盆地,在新构造运动的影响下,几经变迁。中更新世中期出现在好鲁库一带,晚更新世中期占据好鲁库背斜两侧宽广地带,全新世地壳上升,湖水退缩在现今位置[42]。在达里诺尔湖群的南侧,是横贯东西的西拉木伦大断裂,它控制和影响了达里诺尔流域南北地貌格局和后期的差异性演化[43]

为了准确获得达里诺尔流域研究范围,利用SRTM/ASTER DEM借助GIS流域分析模型进行流域分析,获得了该区域的分水岭、汇水线和集水范围。最外层分水岭连线清晰地勾勒出一个封闭的高原盆地,其东部为大兴安岭在克什克腾旗境内的余脉,西部及北部为达里诺尔火山台地,南部为浑善达克沙地至现代分水岭,整体而言是“三面环山,一面向沙”,北高南低的格局(图2)。

图2   达里诺尔流域范围及其地势

Fig. 2   Watershed area and its topography of the Dalinor Lake

据此,本文获得了达里诺尔流域面积3912 km²,汇水线所圈闭的区域为本文的研究区。流域分析获得的达里诺尔流域范围,大致相当于文献记载的晚更新世末期的湖岸 线[41]。2000年SRTM DEM数据显示现今的达里诺尔湖面标高为1223 m,岗更诺尔为1242 m,多伦诺尔为1275 m;比较早时文献记载的达来诺尔1226 m,岗更诺尔1249 m,多伦诺尔1282 m[43],湖面标高有显著降低。但统计表明,SRTM/ASTER DEM均未达到米级精度[44],上述标高仅供参考。区内制高点为大兴安岭在克什克腾旗境内的黄岗梁地区,为2029 m,这一区域也是达里诺尔湖最大的输入径流——贡格尔河的发源地。

2.3.2 NDVI计算 受存档数据及云量影响,同时相的数据难以获取,研究选择了相近的时间间隔(5-6年)、相近时段(7-9月)的多光谱数据。通过多波段影像合成、辐射定标、大气校正、波段运算,获得该区域1985-2016年NDVI图像7期(图3)。

图3   研究区时间序列NDVI密度分割结果

Fig. 3   Time series NDVI density segmentation maps

研究区处于农牧交错带,属生态脆弱区,NDVI受时相影响较大,而本文区域同时相的遥感数据难以收集,因此获得的NDVI结果不适于定量分析,较适用于定性分析;研究对获得的结果进行了密度分割,意图从各级占比上获得一些宏观认识。

2.3.3 人类活动环境要素遥感解译 对KH-1扫描影像进行拼接和几何校正;对1985-2016年Landsat TM/ETM+/OLI多光谱数据进行彩色合成、假彩色合成、增强和图像融合,获得了8期中、高分辨率(分别为7.5 m、15 m和30 m)影像。在GIS平台下与流域范围叠加,通过研判和目视解译,提取与人类活动高度相关的耕地边界、草场边界和居民地边界(图4)。

图4   1962-2016年研究区湖泊、耕地、草场和居民地遥感解译结果

Fig. 4   Time series thematic map of lake area, cultivated land, grassland and residential land

可以看出,居民地数量及面积显著增加;耕地面积稳中有增;草场面积增加几成燎原之势,除了东部的大兴安岭林区,流域北部的干草原以及中东部的草甸草原大部分被开发成牧草草场,南部浑善达克沙地的疏林草地为围封草场,2016年草场面积占整个流域面积的52.8%(去除湖泊、耕地和居民地所占面积);占湖区周围可利用面积的78.0%,该区草地资源生态承载力已接近极限[45]。需要说明的是,通过耕作纹理和割草的“刈痕”容易区分出耕地和草地,通过围栏内外的草色可以区分自由放牧区和围栏放牧区;但对尚未收割的牧草冬储区和围封区则难以甄别。

2.3.4 湖泊面积遥感解译 对湖泊面积变化研究遵循控制单一变量,尽量保持同时相的原则,选取每年降雨量集中的第180~第240天(7-9月)的遥感影像。在满足云覆盖<10%,并考虑降水滞后效应的条件下,除1962年KH-1遥感影像外,研究选取1985-2016年间每2年为一组,每组间隔5年的7组共15期的遥感数据(表1)。通过对NDVI图像设定的最优分割阈值NDVI 0.02时,在ArcGIS软件中用等值线序列法提取得到湖泊变化边界(图5)。

图5   1962-2016年达里诺尔流域湖泊边界

Fig. 5   Remote sensing interpretation of the Dalinor's boundary during 1962-2016

图5局部放大图可以看出,湖面边界变动频繁,低浅的湖区对沿岸地形异常敏感,湖区整体呈萎缩趋势。55年以来达里诺尔湖面东部边界向后退缩了2300 m,最多处可达4800 m。

2.3.5 气象数据插值 达里诺尔整个流域缺乏气象观测站点。根据中国气象科学数据库的全国的气象资料,选取湖区周边最近的3个站点52年(1961-2012年)的年均气温和年均降雨量两个参数,站点名称分别为林西、锡林浩特、多伦,在ArcGIS中对研究区周边气象站监测资料进行克里金(Kriging)插值[46],得到与NDVI分辨率一致、投影相同的达里诺尔流域的气温和降雨数据。对气候数据(降雨量、气温)和人类活动数据(居民地面积、耕地面积、草场面积)以及湖泊生态指标(NDVI值、湖泊面积)进行相关性分析,探讨研究区域生态环境变化的相关因素及主要驱动力。

3 结果分析

3.1 气候变化分析

通过对湖区周边3个站点52年的年均气温和年均降雨的插值,获得了以达里诺尔为中心的年均气温和年均降雨量两个气候参数及变化趋势(图6)。分析1961-2012年间的气候信息,得出如下认识:

(1)如图6a所示,1961-2012年达里诺尔流域年均降水总体呈波动下降趋势。降水波动幅度大,有7期较为明显的相对低值,低值出现在1962年(280 mm)、1968年(220 mm)、1973年(250 mm)、1980年(250 mm)、1989年(285 mm)、1999-2001年(<302 mm),2005-2009年(<368 mm);相对而言,有6次区域相对高值,高值主要出现在1969年(450 mm),1974年(500 mm),1979年(450 mm),1990年(463 mm),1998年(505 mm),2012年(486 mm);这与近几十年中国大陆极端天气数据大致相吻合[47]。阶段性统计结果显示,1961-1980年这20年降水均值为380 mm(图6a中的p1),1981-2000年这20年的降水均值为371 mm(图6a中的p2),而2001-2012年这12年均降水量均值则降至330 mm(图6a中的p3),总体呈下降趋势。52年降水的平均下降速率为-10.5 mm/10a,近30年降水的平均下降速率为-12.4 mm/10a。

(2)如图6b所示,1961-2012年达里诺尔流域年均气温总体呈波动上升趋势。根据滑动平均,显示温度变化主要分为两个阶段:1961-1987年均气温变化稳中有升;进入20世纪80年代,气温升高趋势显著。1969年(1.5 ℃)和1987年(3.3 ℃)是两个阶段低值年份;2007年达到年均气温最高值4.9 ℃。52年的气温距平分析显示,1987年为气温变化速率的转折点,这与尤莉等得出的气候突变点结论一致[48]。阶段性统计结果显示,1961-1987年的平均气温2.68 ℃(图6b中的t1),1987年后的平均气温为3.85 ℃(图6b中的t2),增温非常显著。52年气温增加的倾向率为+0.35 ℃/10a。

图6   1961-2012年研究区气温和降水变化趋势

Fig. 6   The trend of temperature and precipitation in the study area during 1961-2012

当然,气候变化并不是简单的线性过程。根据2007年第四次及2013年第五次的IPCC评估报告,人类活动是近50年来气候变化的主要影响因子[49,50]。在全球气温升高的总趋势下,气候的区域变化并不均匀,赤峰市属于温带大陆性季风性气候,无海洋存储气候系统内部额外增加热量,受季风影响较大,雨水波动较大。从多年的年均降雨量和气温来看,总趋势是气温显著上升,降雨量波动下降,这些结论印证了该地区的暖干化气候状态,也和部分研究结果一致[38,51]

近50年来,达里诺尔流域气温增加的速率为0.35 ℃/10a,高于全球的升温速率(0.12 ℃/10a)[52],高于北半球的升温速率(0.30 ℃/10a)[53],高于中国的平均升温速率(0.22 ℃/10a)[54],也高于华北的平均升温速率(0.30 ℃/10a)[55]

3.2 人类活动增强的证据

达里诺尔流域起源于白垩纪时期[56],形成于全新世中晚期的B.P. 3500[42,43],因其三面环山,河湖广布,曾经是古生物的乐园。考古资料证明,人类在这里生息繁衍已长达3600余年之久。人类活动的最早记录是在夏家店晚期(相当商代早期),遗址发现于达来诺尔湖西南亮子河东岸[56]。其后在唐,辽,金文献中均有记载。自元代始,出现了真正意义上的城郭(为应昌路辖区)和较大规模的人类经济活动。如今,“金界壕”岭南线(另称“成吉思汗边墙”,建于1195年)和“鲁王城”(建于1270年)遗址在遥感影像上仍清晰可辨[56]

达里诺尔流域位于中国北方农牧交错带,一直以来沿续着“以畜牧业为主以农耕渔猎为辅”的生活方式。为了收集近半个世纪以来人类活动增强的证据,提取了达里诺尔流域1962年及1985-2016年间,每隔5年的耕地、草场、居民地数量与面积信息(表2)。

表2   1962年及1985-2016年达里诺尔流域人文环境要素

Tab. 2   Human dimensions of Dalinor Basin in 1962 and 1985-2016

1962/06/281985/08/101990/07/231995/07/212000/07/182006/09/212011/08/022016/09/20
耕地(km236.5292.5595.70131.10172.60181.20213.40287.20
居民地(数目/面积km228/3.9744/18.9046/22.9046/26.4247/32.9947/34.4748/43.7263/60.82
草场(km20.0178.35176.43223.16253.621065.351295.771720.21

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根据解译和数据研判,55年来,居民地的数量与面积均有显著增加,面积上2016年比1962年扩大了15倍;耕地面积在1962-2000年间持续增长,2000之后受畜牧业的挤压增速略有减弱,2000-2016年耕地面积相对稳定;该流域早期以自由放牧为主,1962年人工草场面积为零,几乎维持着原生草原状态;1985-2000年围栏草场面积仅为200 km²左右,并无大幅变动;而2006年后增速加快,2016年草场面积剧增到1720 km²,最近16年平均增加速率达到了90 km²/a(图7)。

图7   1962-2016年达里诺尔流域耕地、居民地、草场面积变化趋势

Fig. 7   The changing trend of the cultivated land, residents and grassland area in Dalinor Basin during 1962-2016

据克什克腾旗2006-2015年国民经济和社会发展统计公报,2006-2015连续十年克什克腾旗接待国内外旅游人数以10.2%~21.9%的比率高速增长;2015年,户籍人口仅有24.9万人的克什克腾旗全年共接待国内外旅游人数达430万人次,创造产值35亿元(http://www.kskt.gov.cn)[57]。旅游经济提振了一系列产业,如畜牧业、食品加工业等,当地珍贵的动植物资源受到严重威胁。

3.3 植被指数和湖泊面积变化趋势

3.3.1 植被指数变化 遥感植被指数是最重要的生态环境变化的指示因子之一,与植被的生物总量(GPP)或植被净第一性生产力(NPP)呈正相关[58,59]。鉴于当地的气候特点,农作物及牧草收获均在9月份,加之云覆盖及Landsat 7后期数据出现条带等数据缺陷,主要选取7-8月的遥感数据用于NDVI提取,通过区域平均,形成每隔5年提取一次的32年NDVI时间序列(图8)。

图8   1985-2016年达里诺尔流域植被指数变化趋势

Fig. 8   Variation trend of NDVI in Dalinor basin during 1985-2016

图8所示,NDVI年均值呈下降趋势。受物候及牧草收割影响,2006和2016年NDVI平均值下降幅度较大。进一步,本文对图3所示的NDVI图像进行密度分割,对区域植被类型及趋势做有限量化统计(表3)。植被指数小于0的主要为水体,占据总调查面积的6.62%;低于0.2的裸地及沙地占整个研究区的4.4%左右;34.24%的地区植被指数介于0.2到0.4的稀疏草地;植被指数介于0.4和0.6的草地及湿草地面积占研究区的35.53%左右;高NDVI值的灌丛及林地约占19.21%。受数据质量限制,2006年和2016年两期数据选用的是9月份的遥感数据,气候及当地9月份牧草收获的影响显著,大部分区域NDVI在0.6以下,利用2006年和2016年8月份的MODIS NDVI数据进行了验证,总体趋势是一致的。除去这两期NDVI数据,可以看到,后三类植被类型覆盖度估计应分别为14.0%、46.0%、31.0%。另外,2000年的数据也有不明原因的影响。

表3   NDVI密度分割百分比统计

Tab.3   Statistics from NDVI density slice

统计级别NDVI密度分割百分比(%)类别
1985/08/101990/07/231995/07/212000/07/182006/09/212011/08/022016/09/20平均
[-1.0,0.0]6.45.910.25.86.15.35.96.62水域
(0.0,0.2]0.74.0*1.02.92.51.718.14.40裸地及沙地
(0.2,0.4]12.713.415.243.570.3**14.170.1**34.24稀疏草地
(0.4,0.6]44.243.548.138.520.0**49.45.9**35.53草地及湿草地
(0.6,1.0]36.033.225.59.31.10**29.50.0**19.21灌丛及林地

注:*表示该期数据有云覆盖影响;**表示该期数据受牧草收割及低温影响。

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从最近32年(1985-2016年)NDVI空间分布可以看出(图3),植被指数明显偏低的裸地和沙地,主要分布在达里诺尔湖泊退缩后的东北部碱性极高的滩涂和浑善达克沙地近湖地区;稀疏草地主要分布在达里诺尔湖西的自由放牧草原和浑善达克沙地远湖地区;贡格尔湿地、贡格尔草原以及东北部的山地植被长势良好;贡格尔湿地、白音敖包自然保护区及地处大兴安岭的黄岗梁国家森林公园是区域仅存的NDVI高值区。由于云及时相影响,对NDVI进行时间序列定量化分析尚不成熟。

3.3.2 湖泊面积变化趋势 利用KH-1照片扫描影像对1962年湖泊面积进行目视解译;为了避免降水的影响,使面积统计更为可靠,对1985-2016年每隔5年一次,每次两期相邻年份,进行植被指数数据的阈值法计算机自动提取,并取平均值(表4)。

表4   达里诺尔流域湖泊面积变化(km2

Tab.4   Remote sensing interpretation of the lake area in Dalinor basin (km2)

1962/06/281985/
08/10
1986/07/121990/
07/23
1991/08/111994/
08/03
1995/07/211999/
07/16
2000/
07/18
2005/08/252006/
07/17
2010/
08/31
2011/
08/02
2015/
07/12
2016/09/20
1962年1985-1986均值1990-1991均值1994-1995均值1999-2000均值2005-2006均值2010-2011均值2015-2016均值
达里
诺尔
257.000209.554208.604212.812215.100219.046217.403218.945212.634203.905201.942200.683190.697185.130197.006
257.000209.079213.956218.225215.790202.924195.690191.068
岗更
诺尔
20.25019.22218.34017.83215.40118.27218.59519.73619.76118.15120.41120.20920.60313.19422.212
20.25018.78116.61718.43419.74919.28120.40617.703
多伦
诺尔
2.0881.9491.9421.8941.8111.7521.7001.8171.1811.8501.4541.4990.8931.4551.949
2.0881.9461.8531.7261.4991.6521.1961.702

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表4可见,达里诺尔、岗更诺尔和多伦诺尔三湖的面积比近似100 10 1。湖面面积在1962年为统计年限中的最大值,此后流域内各湖泊面积呈波动性下降趋势;55年来三湖面积变化趋势分别为-1.122,-0.013,-0.013,可见达里诺尔的湖面面积变化是最为显著的(图9a中的虚线)。通过分段线性拟合,最近30年,三湖面积变化趋势分别为-0.758,0.037,-0.015,岗更诺尔湖面面积有阶段性增加趋势(图9b中的实线)。

图9   湖泊面积变化的分段线性拟合趋势

Fig. 9   Piecewise linear fitting of lake area change in recent half century

达里诺尔—岗更诺尔以沙里河相贯通,多伦诺尔通过耗来河为达里诺尔补给。有文献表明“达里诺尔—岗更诺尔”成分几乎一致,说明二者是互联互通的,也因此达里诺尔—岗更诺尔湖泊面积波动保持较高的一致性[60]。但由于面积相差悬殊,达里诺尔在面积变化波动中起决定性作用。如达里诺尔出现湖面面积缩小之后,岗更诺尔湖面也会随之缩小;达里诺尔出现湖面面积增大之后,岗更诺尔湖面也会随之增大(图9c、图9b)。多伦诺尔湖面面积呈持续下降趋势,由于存在显著的高差,与达里诺尔没有明显互动趋势(图9a)。

4 讨论

湖泊湿地的演化动力主要有三种力量:地质地貌因素、气候变化因素和人类活动。本文主要这三方面来探讨湖泊湿地的演化。

(1)从地质成因上看,达里诺尔是全新世地壳上升,历经89万年地质演化退缩在现今位置[42],可以说,上新世初见端倪的浑善达克沙地就是大湖时期“大达里诺尔”的前世今生[61]。如今,构造活动已趋于稳定,而达里诺尔流域却在1985-2016年短暂的30年间,局部地区(如大更诺尔、咸水泡、台里花海子等)已经显现出逆向演替特征,即“湖泊湿地—沼泽化草甸—草甸—沙化草地—荒漠”等不同阶段,可见地质演变不足以在如此短暂的时间产生如此大的影响。

(2)气候变化在推动湿地演化的过程中发挥着重要作用。达里诺尔流域地处干旱—半干旱季风气候区,蒸发量是降水量的3.6倍~4倍,强烈响应全球变化趋势。结合降雨数据,以达里诺尔为例,1985-1997年降雨量虽有波动,但年均降雨量均维持在400 mm以上,这一时期的达里诺尔湖泊面积持续上升;1998年的降雨量达到500 mm,湖泊面积也最大,湖泊面积和降雨量有相关性。根据对湖泊面积变化对气候的响应分析得出:2000年之前,人为因素比较小的前提下,暖干化致使气温持续升高降水持续减少,蒸发量增大,径流量减少,对湖区补给降低;而自1985年以来气温持续增高,2000年以后的12年间,出现了9年降水量低于350 mm的干旱期,而当地的气温增高速率异常明显,湖面面积出现显著下降。值得注意的是,2010-2012年降雨量偶有回升达到450 mm,但湖泊面积仍保持下降趋势,说明短期降雨量的增加已无法扭转湖泊面积缩小的趋势。但由于数据量太少(只有6个时间点),统计分析尚不能支持类似“降雨量与湖泊面积变化呈正相关,气温与湖泊面积变化呈负相关”[38-41]的结论。另据同位素示踪技术对达里诺尔流域地表水和地下水环境的研究,获得了两点重要认识[60]:其一,是印证了地处干旱—半干旱地区的达里诺尔蒸发量大于降雨量的事实;其二,认为达里诺尔流域地下水与地表水的关系是地下水补给地表水。泉水补给河水,泉水和河水补给湖水,而井水与泉水的氢、氧同位素值相似,说明达里诺尔、岗更诺尔周围地下水补给湖水。另有研究认为多伦诺尔主要靠地下水补给[43]。在暖干化(一说“间冰期”)水汽强烈蒸散发的作用下,达里诺尔流域能够几千年生生不息,说明地下水的补给对维系达里诺尔流域湖泊面积的动态平衡起着十分关键的作用。

(3)进入21世纪,流域内草场、耕地、居民地面积迅速扩张,人类活动对湖泊面积变化影响愈加剧烈。如2000年后人类开垦的耕地和草场面积呈现井喷式增长,不能不联想到,过度放牧,人畜用水都使得区域的湿地面积大幅度萎缩,湿地质量降低,蓄水能力下降等,对地下水补给的影响很大。虽然湿地的变化与人类活动影响没有获得直接证据,但人类活动无论在方式、方法上还是在程度上,都起着越来越重要的作用[4]。本文以地处贡格尔河上游的“台里花海子”与“台里花噶查(Tai Riyahua)”为例(图10),可以演示这样的一种“人—地”关系:55年来台里花嘎查从无到有(图10a);32年来台里花嘎查从小到大(图10b~图10h);台里花海子却由大变小,由清波荡漾到水草丛生,几十年时间即演变为“半水半草”的窘境,湖泊与村落此消彼长,演绎了一段“人进湖退”的生态悲剧。

(4)单纯地把32年(1985-2016年)“流域湖面面积—耕地面积、居民地面积、草场面积、NDVI均值、气温、降水”导入SPSS©IBM Statistics软件,两两做相关性分析,得到如下一组Pearson相关系数:

P流域湖面面积—耕地面积=-0.797(在0.05水平(双侧)上显著相关,n=7);

P流域湖面面积—居民地面积=-0.831(在0.05水平(双侧)上显著相关,n=7);

P流域湖面面积—草场面积=-0.946(在0.01水平(双侧)上显著相关,n=7);

P流域湖面面积—NDVI均值=0.597(置信水平低,相关性不明显,n=7),受牧草收割影响,无法做出结论;

P流域湖面面积—降水=0.305(不相关,缺2016年数据,n=6);P流域湖面面积—气温=0.006(不相关,缺2016年数据,n=6)。

图10   55年来台里花噶查与台里花海子人进湖退趋势

Fig. 10   Tai Riyahua Lake trend over the recent 55 years

分析时间序列湖泊面积变化的影响因素,在人地关系不太紧张的20世纪,气候是达里诺尔流域生态演变的主宰者,降雨量和湖面面积有相关性,气温上升引起的蒸发量增加对湖泊面积变化无显著影响。进入21世纪以来,高速增长的旅游业刺激当地大肆发展畜牧业经济,开垦荒地、开辟草场、引湖泊和地下水流灌溉,造成水土流失,土地荒漠化,湖泊面积萎缩,人类活动已经成为区域生态环境恶化的主要贡献者。

5 结论

(1)达里诺尔流域对全球气候变化极为敏感。52年间,达里诺尔流域降水的平均下降速率为-10.5 mm/10a,气温增加的倾向率为+0.35 ℃/10a,暖干化的气候征兆异常明显。

(2)55年来达里诺尔流域人类活动显著增强,居民地的数量与面积均显著增加,耕地面积持续稳定增长,随着旅游经济和畜牧业发展,草场面积呈爆发式增长,草地资源生态承载力已接近极限。

(3)55年来达里诺尔流域三个主要湖泊——达里诺尔、岗更诺尔及多伦诺尔水域面积分别缩小了25.65%、12.58%、18.49%,总体缩小了24.65%,近30年来全流域植被覆盖度降低了约38.46%,局部地区(如大更诺尔、咸水泡、台里花海子等)已经显现出逆向演替特征:即湖泊退化为湿地,湿地开发为草场,多年草场成沙化草地等,流域生态功能正发生着深刻的变化。

(4)达里诺尔湖泊湿地国家自然保护区这个生物的基因库,瓦氏雅罗鱼(Leuciscus waleckii)唯一的栖息地和众多珍惜鸟类的天堂,作为北方地区的天然气候屏障,其多元化的综合地貌及生态景观已经展示了其生态演替的足迹。

(5)高速公路、铁路及一大批煤制油、煤制气工程打破了浑善达克沙地几十万年的宁静,美丽的贡格尔草原撒满了成群的牛羊,达里诺尔湖畔也迎来了如织的游客。虽然达里诺尔流域受到了近半个世纪以来从未有过的青睐,但繁荣的景象的背后也潜伏着前所未有的生态危机,如不采取适当的措施修复退化的生态环境,达里诺尔流域的未来并不乐观。

致谢:感谢河南理工大学王海江副教授、河海大学张晓克副教授对本文的指导;感谢河南理工大学杨娜副教授对本文英文摘要的润色。

The authors have declared that no competing interests exist.


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Abstract Tropical wetlands are not included in Earth system models, despite being an important source of methane (CH4) and contributing a large fraction of carbon dioxide (CO2) emissions from land use, land use change, and forestry in the tropics. This review identifies a remarkable lack of data on the carbon balance and gas fluxes from undisturbed tropical wetlands, which limits the ability of global change models to make accurate predictions about future climate. We show that the available data on in situ carbon gas fluxes in undisturbed forested tropical wetlands indicate marked spatial and temporal variability in CO2 and CH4 emissions, with exceptionally large fluxes in Southeast Asia and the Neotropics. By upscaling short-term measurements, we calculate that approximately 9065±6577 Tg CH4 year611 and 454065±651480 Tg CO2 year611 are released from tropical wetlands globally. CH4 fluxes are greater from mineral than organic soils, whereas CO2 fluxes do not differ between soil types. The high CO2 and CH4 emissions are mirrored by high rates of net primary productivity and litter decay. Net ecosystem productivity was estimated to be greater in peat-forming wetlands than on mineral soils, but the available data are insufficient to construct reliable carbon balances or estimate gas fluxes at regional scales. We conclude that there is an urgent need for systematic data on carbon dynamics in tropical wetlands to provide a robust understanding of how they differ from well-studied northern wetlands and allow incorporation of tropical wetlands into global climate change models.
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