趙　寧，馬　超，楊亞莉

(河南理工大學(xué)礦山空間信息國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,焦作 454000)

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1973-2013年紅堿淖水域水質(zhì)變化及驅(qū)動(dòng)力分析*

趙寧，馬超**，楊亞莉

(河南理工大學(xué)礦山空間信息國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,焦作 454000)

對(duì)1973-2013年8期Landsat MSS、TM、ETM+、OLI影像進(jìn)行了輻射定標(biāo)、大氣校正、輻射歸一化和波段運(yùn)算等處理；利用歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)，分期提取了紅堿淖水域面積，分析了湖水水質(zhì)及紅堿淖周圍植被變化. 研究表明：40 a間紅堿淖水域面積呈階段性萎縮趨勢(shì)，1990s后萎縮速率加劇，水域面積總體縮小45.7%;湖區(qū)周邊NDVI波動(dòng)性增加顯示了水退草進(jìn)的變化趨勢(shì);湖面NDVI值的驟增，暗示葉綠素a或懸浮物濃度增加，間接表明湖區(qū)水質(zhì)變差. 根據(jù)40 a來(lái)水域面積變化，紅堿淖的演變進(jìn)程可依據(jù)湖泊面積動(dòng)態(tài)度劃分為穩(wěn)定期(1973-1994年)和萎縮期(1994-2013年)兩個(gè)階段，氣候暖干化是影響穩(wěn)定期(1973-1994年)湖泊變化的主要因素，在萎縮期(1994-2013年)氣候暖干化疊加人類活動(dòng)是湖泊水量減少和水質(zhì)變差的誘因，高強(qiáng)度的人為干擾如人工筑壩、灌溉耗水和煤炭開采是紅堿淖水域面積銳減的主要原因.

紅堿淖；湖泊變化；NDVI；驅(qū)動(dòng)力；遙感監(jiān)測(cè)；MSS/TM/ETM+/OLI

湖泊水資源變化記錄了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水文過(guò)程的影響，及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取湖泊的水資源變化信息，對(duì)認(rèn)識(shí)區(qū)域乃至全球環(huán)境演變具有重要的參考意義[1]. 紅堿淖是我國(guó)最大的沙漠淡水湖，全世界最大的遺鷗繁殖與棲息地[2]. 紅堿淖濕地也被列為國(guó)家重要濕地自然保護(hù)區(qū). 近年來(lái)，隨著氣候變化與人為因素的干擾，紅堿淖面積逐年縮小、水質(zhì)變差，對(duì)周邊居民生活和濕地生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響. 因此，開展紅堿淖水域時(shí)空變化特征的研究，對(duì)減緩濕地的沙漠化進(jìn)程、保護(hù)流域水生態(tài)安全及協(xié)調(diào)流域水資源開發(fā)利用，兼具理論意義及應(yīng)用價(jià)值.

相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，光學(xué)傳感器以其高時(shí)間分辨率、低成本的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于湖泊水域動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)以及變化分析[3]. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在監(jiān)測(cè)手段、提取方法、植被覆蓋變化及水質(zhì)指數(shù)反演等方面取得了一些成果. 如李輝霞等采用SPOT/VGT逐旬歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)分析近10 a三江源地區(qū)植被變化趨勢(shì)，探討植被生長(zhǎng)與氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，定量評(píng)定氣候要素與人類活動(dòng)對(duì)NDVI變化的貢獻(xiàn)[4]； Doa等結(jié)合高空間分辨率的Landsat影像和高時(shí)間分辨率的MODIS影像來(lái)監(jiān)測(cè)Albufera de Valencia湖泊的水質(zhì)參數(shù)，如葉綠素a與透明度，并建立GP模型來(lái)分析湖泊水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律[5]；李均力等利用Landsat長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)，制作了4期青藏高原湖泊分布圖及湖泊變化圖，分析30多年來(lái)內(nèi)陸封閉流域內(nèi)湖泊變化的時(shí)空特征[6]；朱長(zhǎng)明等通過(guò)Landsat影像監(jiān)測(cè)近40 a博斯騰湖的面積、水位和庫(kù)容量等水文信息，分析了時(shí)間動(dòng)態(tài)變化過(guò)程與演變特征[1]；Han等對(duì)11期Landsat影像進(jìn)行SVM(Support Vector Machines)法影像分類，分析1973-2013年鄱陽(yáng)湖濕地土地利用的時(shí)空變化特征及土地類型轉(zhuǎn)移情況[7]. 但以往的研究大多數(shù)僅針對(duì)面積，目標(biāo)單一，缺乏對(duì)整個(gè)流域的系統(tǒng)性研究及綜合分析，不利于全局的把握及內(nèi)外因的分析. 目前，Landsat系列衛(wèi)星已交替運(yùn)行40 a，隨著2013年LDCM(Landsat Data Continuity Mission)的發(fā)射成功，Landsat系列衛(wèi)星將持續(xù)為對(duì)地觀測(cè)提供優(yōu)良的數(shù)據(jù)集[8]. 此數(shù)據(jù)集對(duì)地觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)，更適用于長(zhǎng)時(shí)間序列的變化分析；其空間分辨率高，從而在相同觀測(cè)區(qū)域上，獲得更多的信息量，更適用于中小尺度的對(duì)地監(jiān)測(cè).

基于此，本文選取了Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像數(shù)據(jù)，提取1973-2013年間8期研究區(qū)NDVI影像，分析湖泊面積、水質(zhì)及湖泊周圍植被的變化規(guī)律；采用插值法獲取該區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，從氣候變化和人類活動(dòng)兩方面闡述湖泊變化的原因. 以期更深入地認(rèn)識(shí)沙漠湖泊演化規(guī)律及氣候變化和人為干擾對(duì)其的影響，為沙漠湖泊資源的合理開發(fā)、利用和保護(hù)提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)

日期軌道號(hào)平臺(tái)與傳感器分辨率/m1973-11-25P137R33Landsat1MSS601978-08-19P137R33Landsat3MSS601989-09-11P127R33Landsat5TM301994-08-24P127R33Landsat5TM301999-10-17P127R33Landsat7ETM+302002-11-02P127R33Landsat5TM302007-08-12P127R33Landsat5TM302013-09-13P127R33Landsat8OLI30

紅堿淖(38°13′～39°27′N，109°42′～110°54′E)位于陜西省神木縣與內(nèi)蒙古鄂爾多斯市陜蒙交界處，處于黃土高原與內(nèi)蒙古高原過(guò)渡地帶、毛烏素沙漠與鄂爾多斯盆地交匯處，海拔1200 m. 有扎莎克河、壕賴河、松道河、東葫蘆素河、七卜素河、前爾林兔河、馬連河7條季節(jié)性河流注入，流域面積約1500 km2(圖1).

研究區(qū)屬黃河流域內(nèi)陸閉流區(qū)范圍，為溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，干燥多風(fēng)，四季界限分明. 降雨偏少且年內(nèi)分配不均，多以暴雨形式集中在7-9月，年均降雨量在400 mm左右. 湖區(qū)周邊大部分為固定沙丘和沙蝕丘陵，植被種群為典型的沙生植被，如白刺(Nitrariatangutorum)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙柳(Salixcheilophila)等，植被覆蓋度為30%～50%[2]，而沙丘中間低處生長(zhǎng)有零星的樹木. 該流域有遺鷗(Larusrelictus)、黑鸛(Ciconianigra)、金雕(Aquilachrysaetos)等30多種野生珍禽繁殖棲息，水生生物種類繁多，具有很高的生態(tài)地位.

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study region

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

衛(wèi)星影像采用Landsat MSS、TM、ETM+和OLI數(shù)據(jù). 通過(guò)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http://www.usgs.gov/)免費(fèi)獲取8期研究區(qū)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)影像為L(zhǎng)1T級(jí)，質(zhì)量良好，含云量較低，已經(jīng)過(guò)幾何校正，不同數(shù)據(jù)間達(dá)到高精度配準(zhǔn). 數(shù)據(jù)集中為一年中的8-11月，以確保每期具有相近的氣候條件和水文條件. Landsat影像具體信息見表1.

氣象數(shù)據(jù)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.nmic.cn/home.do). 由于紅堿淖區(qū)域并未設(shè)置氣象站點(diǎn)，且氣象數(shù)據(jù)集所覆蓋站點(diǎn)分布較為稀疏，故選取了1973-2013年陜西、內(nèi)蒙古境內(nèi)共69個(gè)站點(diǎn)(圖2)的氣象數(shù)據(jù)，在ArcGIS中采用反距離空間加權(quán)插值法獲取研究區(qū)氣象數(shù)據(jù). 該氣象數(shù)據(jù)空間分辨率與觀測(cè)衛(wèi)星相同.

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 輻射定標(biāo)和大氣校正

影像原始數(shù)據(jù)值為DN值，對(duì)圖像做輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，將DN值轉(zhuǎn)化為地物的真實(shí)反射信息. 首先，對(duì)6幅非MSS圖像進(jìn)行重采樣，使其空間分辨率為60 m，從而與MSS影像相配準(zhǔn)，采樣方法為最鄰近像元法. 其次，將原始DN值轉(zhuǎn)換為傳感器入瞳處輻亮度值，計(jì)算公式為：

Lλ=Gain·DNλ+Bias

(1)

式中，Lλ為傳感器接收到的輻亮度值(W/(cm2·μm·sr))；DNλ為圖像灰度值；Gain和Bias分別為圖像的增益與偏置，可從頭文件中讀取.

假設(shè)地面是朗伯面反射且天空輻照度各向同性，將輻亮度L轉(zhuǎn)化為表觀反射率ρ，表觀反射率有利于不同傳感器的分析比較.

(2)

式中，ρλ為表觀反射率；d為天文單位的日地距離；ESUNλ為大氣層外相應(yīng)波長(zhǎng)的太陽(yáng)光譜輻射照度，兩者均可查得[9]；θs為以度為單位的太陽(yáng)天頂角，θs=90°-太陽(yáng)高度角，太陽(yáng)高度角可通過(guò)頭文件查得.

采用FLAASH算法進(jìn)行大氣校正. ENVI提供的FLAASH模塊是嵌入MORTRAN4+輻射傳輸代碼來(lái)校正影像的，計(jì)算出的反射率精度高. FLAASH模型最大可能利用圖像本身信息，對(duì)部分輸入?yún)?shù)(如能見度初始值、大氣模式等)的敏感性并不體現(xiàn)出強(qiáng)依賴，且其鄰近效應(yīng)處理環(huán)節(jié)大大提高了輻射校正的整體水平，因而在數(shù)據(jù)處理中尤其是針對(duì)歷史數(shù)據(jù)，F(xiàn)LAASH算法更加適用[6,10].

FLAASH模塊主要參數(shù)選擇：區(qū)域平均海拔為1.2 km；氣溶膠模型選為鄉(xiāng)村，并使用K-T氣溶膠反演方法，即暗像元法. 因?yàn)閷?duì)于暗像元，近紅外通道反射率與紅藍(lán)通道反射率具有很好的線性關(guān)系，同時(shí)氣溶膠在短波紅外波段的影響與可見光波段相比可以被忽略[11]；由于缺少相應(yīng)波段不執(zhí)行水汽反演.

2.2 NDVI的獲取與數(shù)據(jù)同化

NDVI是近紅外波段與可見光波段數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值，即：

(3)

相較于其他植被指數(shù)，歸一化植被指數(shù)應(yīng)用最為廣泛.NDVI可以用于監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)的季節(jié)和年際變化，并減少由衛(wèi)星觀測(cè)角、太陽(yáng)光照差異、地形、云陰影和部分大氣衰減等引起的噪聲，增強(qiáng)對(duì)植被響應(yīng)的能力.NDVI用非線性拉伸的方式增強(qiáng)了近紅外與紅色通道反射率的對(duì)比度，其結(jié)果是對(duì)于低值部分有所拉伸，而高值部分受到壓縮，使得NDVI對(duì)低覆蓋植被區(qū)的靈敏度提高，所以NDVI特別適合于本文的荒漠化草原植被研究.

多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)由于受到不同的大氣條件、光照條件、土壤濕度狀況、物候周期特性等環(huán)境參數(shù)的影響，使同一地區(qū)所成的影像具有較大的輻射差異. 而傳感器不同將導(dǎo)致波段位置和寬度不同，其波譜響應(yīng)函數(shù)也不同，從而使傳感器所接收的紅光和近紅外波段信號(hào)存在差異. 為此，在利用多源遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)之前，需要進(jìn)行輻射同化，以控制和減少非地物變化所造成的輻射差異. 輻射同化即輻射歸一化，是基于參考影像來(lái)校正待校正影像，使不同時(shí)相影像上的相對(duì)穩(wěn)定的同名地物具有相同的輻射特性. 在研究中，由于1999年獲取的ETM+影像無(wú)云層覆蓋，影像質(zhì)量良好，所以選用該年度的NDVI圖像作為參考影像，對(duì)其他年份的NDVI圖像進(jìn)行歸一化處理.

采用基于線性回歸分析法的偽不變特征法進(jìn)行輻射歸一化處理. 偽不變特征法根據(jù)變量之間的相互關(guān)系來(lái)模擬回歸方程，具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯，從而能準(zhǔn)確地反映出變量之間的關(guān)系. 兩時(shí)相影像不變像元的輻射關(guān)系是線性的，而且在影像范圍內(nèi)大氣分布均勻. 因此可用回歸方程來(lái)實(shí)現(xiàn)影像的NDVI值歸一化處理：

y=a·x+b

(4)

式中，x為待校正影像的NDVI值；y為參考影像的NDVI值；a、b為待定參數(shù)，可通過(guò)選取偽不變特征點(diǎn)(PIF)來(lái)計(jì)算待定參數(shù). 雖然有些變化是不可避免的，但是PIF的光譜特征應(yīng)該隨時(shí)間變化很小，如未受擾動(dòng)的沙地、裸地、深水體等地物. 研究選用沙地和深水體兩類地物作為PIF，分別求得1999年參考影像與其余7幅影像的歸一化方程及對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)的平方(R2). 7個(gè)R2值均大于或等于0.99(圖3)，即參考影像與待校正影像的對(duì)應(yīng)PIF有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此以所求方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換的可靠性極高.

圖3 求解的回歸方程及R2Fig.3 Regression equation and R2

2.3 湖泊面積矢量提取

由于水體的NDVI值極低，所以利用NDVI圖像能清晰地辨別水陸邊界，通過(guò)人機(jī)交互方式，提取8期紅堿淖湖泊水域的矢量信息，建立8期紅堿淖湖泊矢量圖層. 圖4顯示了這8期影像所對(duì)應(yīng)的8條紅堿淖水陸邊界線.

圖4 1973-2013年多時(shí)相影像的紅堿淖水陸邊界線Fig.4 Boundary lines of Lake Hongjiannao extracted from multi-temporal images from 1973 to 2013

2.4 湖泊面積動(dòng)態(tài)度

利用湖泊面積動(dòng)態(tài)度分析湖泊變化特征，可以真實(shí)地反映不同時(shí)期湖泊面積變化的劇烈程度. 湖泊面積動(dòng)態(tài)度是指某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)湖泊面積的變化，其表達(dá)式為[12]：

(5)

式中，LC為研究時(shí)段內(nèi)湖泊面積動(dòng)態(tài)度，Ua和Ub分別為研究初期和研究末期的湖泊面積，T為研究時(shí)長(zhǎng).

3 結(jié)果與分析

3.1 紅堿淖面積變化

“一個(gè)人駕車還要爬山，不累嗎？怎么不約些朋友出來(lái)呢？”他放松式的長(zhǎng)嘆一口氣，將雙手交叉在后腦勺后靠著，說(shuō)了句：“一個(gè)人爬山快啊”，便談起了往時(shí)的登山經(jīng)歷。開始時(shí)一共五人，本想一起用一年的時(shí)間“越百川”，從家鄉(xiāng)出發(fā)才到峨眉山時(shí)，便出現(xiàn)了計(jì)劃外的狀況：本應(yīng)按計(jì)劃四天完成，五人的速度均是“與眾不同”，領(lǐng)先的人不愿等待，落伍的人也難以加快腳步，才出發(fā)一個(gè)月便打亂了所有的計(jì)劃。

表2 紅堿淖面積變化動(dòng)態(tài)度Tab.2 Dynamic degree of Lake Hongjiannao area

年份面積/km2(Ub-Ua)/km2LC/%197358.33197857.77198954.00199453.20199947.80200243.54200738.84201331.67-0.112-0.19-0.342-0.59-0.160-0.30-1.080-2.03-1.420-2.97-0.940-2.16-1.195-3.08

1973-1994年期間紅堿淖面積持續(xù)縮小，從1973年的58.33 km2減少到1994年的53.20 km2，21年間水域面積共減少5.13 km2，縮小了8.79%；1994-2013年該湖區(qū)面積變化率增大，2013年湖區(qū)面積僅為31.67 km2，比1994年縮小了40.47%(表2). 可見，研究時(shí)段(1973-2013年)內(nèi)湖泊面積整體呈階段性萎縮趨勢(shì)，1973-1994年間為相對(duì)穩(wěn)定期，而1990s中期開始進(jìn)入萎縮期；40 a間水域面積總體減小26.66 km2，共縮小45.7%(圖5a).

研究選用數(shù)據(jù)不是等時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，所得變化量不能反映面積變化的劇烈程度，需根據(jù)湖泊面積動(dòng)態(tài)做進(jìn)一步定量分析. 穩(wěn)定期湖泊面積年變化率小于-0.59%，萎縮期年變化率大于-2.03%，2007-2013年年變化率達(dá)到-3.08%(表2). 可見，萎縮期相對(duì)穩(wěn)定期變化十分劇烈，是湖域面積減小的主要時(shí)期.

紅堿淖湖區(qū)呈三角形狀，在8期NDVI圖像上設(shè)置了1#和2#兩條剖面線，獲得NDVI時(shí)間序列剖面圖(圖6)，NDVI值小于0的部分為湖水區(qū)，大于0的為陸地. 由于扎莎克河、壕賴河、前爾林兔河、東葫蘆素河的注水量從減少到斷流，時(shí)間序列NDVI圖像清晰見證了紅堿淖形狀和大小的顯著變化，如1973年在湖區(qū)周圍可以明顯看到一些小規(guī)模的湖沼，隨年份的增長(zhǎng)，逐漸干涸成為沙地；1989年右下角的湖面逐漸與湖體分離，形成牛軛湖，最后形成新月形的沙灣；下方的湖心島，由于水位下降，2002年成為半島，最后演化成穩(wěn)定的湖岸等.

圖6 1973-2013年紅堿淖時(shí)間序列NDVI圖像Fig.6 Time series NDVI images of Lake Hongjiannao from 1973 to 2013

3.2 紅堿淖周圍植被變化

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在很大程度上代表了一個(gè)地區(qū)環(huán)境的總體狀況. 本文設(shè)置的緩沖區(qū)是從紅堿淖最外邊界向外擴(kuò)展19 km，使7條季節(jié)性補(bǔ)給水源均被包含在緩沖區(qū)內(nèi). 由圖5c可見，緩沖區(qū)NDVI均值呈波動(dòng)性增長(zhǎng)模式，在1999年出現(xiàn)的波谷是湖水退卻之后植被的形成期，其后1999-2013年保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，水退草進(jìn)，植被占據(jù)了原來(lái)的湖區(qū).

3.3 紅堿淖水質(zhì)變化

對(duì)于環(huán)境簡(jiǎn)單的沙漠內(nèi)陸湖泊，影響其水質(zhì)變化的主要因素有二：懸浮物濃度和浮游植物生物量，兩者主要由沙漠區(qū)嚴(yán)重的水土流失引起. 懸浮物濃度多少直接影響水體透明度、渾濁度和水色等光學(xué)性質(zhì)，而浮游植物生物量常用葉綠素a估測(cè). 葉綠素a在440和675 nm附近形成兩個(gè)吸收峰，在550 nm附近達(dá)到吸收最小值，隨其濃度的升高，將在700～800 nm波段出現(xiàn)突出的反射峰[13-15]. 對(duì)懸浮物的研究表明，500～600 nm波段適合用來(lái)監(jiān)測(cè)懸浮物，700～900 nm波段懸浮物濃度變化敏感，是遙感估算的最佳波段[14,16-17].

利用NDVI值分析水質(zhì)變化是經(jīng)驗(yàn)法的一種，基于近紅和紅波段的最佳波段組合，兩波段與葉綠素a、懸浮物均較相關(guān). 當(dāng)葉綠素a濃度介于10 ～100 μg/L之間時(shí)，與NDVI值表現(xiàn)出較好的線性正相關(guān)關(guān)系[18-19]. 對(duì)于藻類濃度較低的湖泊，有實(shí)驗(yàn)表明懸浮物與RNDVI(NDVI值)表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系[20]. 相對(duì)一般內(nèi)陸湖泊，紅堿淖水污染較輕，各水質(zhì)參數(shù)值也不高，可以用NDVI值分析兩者的變化，但因Landsat系列衛(wèi)星波段設(shè)置較寬，很難進(jìn)一步分離兩者間的相互影響，僅能定性說(shuō)明兩者所表示的水質(zhì)變化情況[20-22]. 湖面NDVI值總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且除2007年為暴發(fā)式增長(zhǎng)外，其余年份均為疊加式緩慢增長(zhǎng)，而且水體中NDVI劇增與湖面面積驟降幾乎是同時(shí)發(fā)生的. 水域面積的劇烈變化、水深減小都可能導(dǎo)致水中懸浮物增加、透明度減弱、近岸淺水區(qū)水生植物增加，導(dǎo)致紅堿淖水質(zhì)變差，但NDVI值大多數(shù)時(shí)間小于0，并未出現(xiàn)藍(lán)藻水華現(xiàn)象(圖7). 1973-1999年NDVI增加0.47×10-3，1999-2013年NDVI增加0.011(圖5b).

圖7 1973-2013年1#與2#剖面線的NDVI變化Fig.7 NDVI values of No.1 and No.2 profiles from 1973 to 2013

4 驅(qū)動(dòng)力分析

紅堿淖水域面積和水質(zhì)變化的原因一方面是自然因素，如氣候的變化；另一方面是人類活動(dòng)的影響.

4.1 氣候暖干化

受全球氣候變暖的影響，紅堿淖研究區(qū)氣候呈暖干化變化趨勢(shì).

由69個(gè)氣象站資料獲得的湖區(qū)周圍41 a溫度數(shù)據(jù)(圖8a)可知，紅堿淖地區(qū)年均溫度呈階段性變化，即1973-1984年年均溫度呈下降趨勢(shì)，1984-1998年年均溫度呈上升趨勢(shì)，1998-2013年年均溫度相對(duì)平穩(wěn). 但總體呈上升趨勢(shì)，增溫速率為0.033℃/a.

由69個(gè)氣象站資料獲得的湖區(qū)周圍41 a降水量數(shù)據(jù)(圖8b)可知，紅堿淖年均降水在波動(dòng)中下降，年均降水量下降速率為0.013 mm/a. 1973-2013年的41 a年均降水量的平均值為390 mm/a，湖區(qū)降水圍繞390 mm等降水量線上下波動(dòng)，除1978和2003年兩個(gè)驟然高值外，出現(xiàn)1981-1984年、2007-2011年兩期降水連續(xù)走低的階段.

綜上所述，紅堿淖受溫度升高與降水減少共同作用，紅堿淖水域面積變化與溫度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)相吻合，即隨溫度的升高，蒸散量加大，從而導(dǎo)致湖泊面積減?。患t堿淖地處年均降水量極低的干旱區(qū)，面積與降水的變化趨勢(shì)總體相一致，但相關(guān)性較低，不考慮地表徑流的補(bǔ)給作用，即使在連續(xù)干旱的1981-1984年，水域面積并沒(méi)有出現(xiàn)顯著性減少. 緩沖區(qū)陸表NDVI值與降水的變化波動(dòng)特征存在較顯著的耦合關(guān)系. 而湖區(qū)NDVI值變化只在1973-1999年與降水變化波動(dòng)相一致，與同期溫度變化相關(guān)性較差. 可見，氣候變化是影響紅堿淖流域生態(tài)系統(tǒng)變化的原因之一.

圖8 1973-2013年年均氣候因素變化Fig.8 Changes of climatic factors from 1973 to 2013

4.2 人類活動(dòng)的影響

1)人工水庫(kù)和大壩阻斷地表水補(bǔ)給. 7條季節(jié)性河流是紅堿淖的主要地表水補(bǔ)給源，近年來(lái)，人為阻斷已嚴(yán)重影響了河流的補(bǔ)給作用. 1997-2004年期間，內(nèi)蒙古在扎莎克河、壕賴河這兩條主要河流上修筑了多個(gè)小型水庫(kù)以及人工湖[1,23]. 2005年，建成扎莎克水庫(kù)大壩，阻斷了紅堿淖最大的注水河流扎莎克河[24]. 2009年，在東葫蘆素河建造地下水庫(kù)，使該河流遭到斷截[25]. 注水河流被攔截，極大地減少了河水的注入量，導(dǎo)致1994年之后湖泊面積萎縮幅度增強(qiáng)，2007-2013年湖泊面積動(dòng)態(tài)度高達(dá)-3.08%，變化越來(lái)越劇烈.

2)農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)林建設(shè). 1990s以后，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉面積逐年增加. 以爾林兔鎮(zhèn)為例，1995年水澆地面積為840 hm2，2003年則為1720 hm2[26]. 大規(guī)模地抽取地下水進(jìn)行灌溉，使得地下水位下降，導(dǎo)致地下水補(bǔ)給量減少. 同時(shí)生態(tài)林建設(shè)勢(shì)必會(huì)影響到紅堿淖地區(qū)的植被覆蓋，2006年開始，紅堿淖實(shí)施了環(huán)湖綠化生態(tài)環(huán)境改善工程，造林約1334×104m2，湖區(qū)周邊的綠化面積從20%提升到45%[27]. 研究顯示，2007-2013年NDVI值并未隨溫度升高和降水下降而減少,這正與該工程之后所呈現(xiàn)的生態(tài)效應(yīng)相對(duì)應(yīng). 但生態(tài)建設(shè)在干旱地區(qū)存在水量保證程度差的問(wèn)題，當(dāng)?shù)?00 mm左右的降水不能滿足植被生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，需要利用淺層地下水.

3)煤礦開采的潛在影響. 紅堿淖周邊煤炭資源極其豐富，大規(guī)模的煤炭開采造成地表塌陷、地下含水層結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致局部地下水流場(chǎng)發(fā)生變化，土地沙漠化加劇和植被退化. 2009年，神木縣前爾林兔河附近地下水下降5.32 m，20多個(gè)泉眼干涸[25]. 同時(shí)，以煤化工為主的工業(yè)化工基地需集中供水，耗水量極大. 工業(yè)排放和當(dāng)?shù)亻_發(fā)的旅游業(yè)使湖水富營(yíng)養(yǎng)化加劇，礦物元素增加使葉綠素含量增高，對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響.

5 討論

研究表明，紅堿淖濕地面積從1997年后變化劇烈，魚類產(chǎn)量減少，鸕鶿(Phalacrocoraxcarbo)等水鳥已消失，水生態(tài)退化[23]. 本文同樣發(fā)現(xiàn)1990s中期后面積變化劇烈，并劃分了面積變化的穩(wěn)定期和萎縮期，這種劃分與楊立彬等和唐克旺等對(duì)紅堿淖面積變化的分析結(jié)果相似[24,28]. 紅堿淖流域蘊(yùn)藏著復(fù)雜多樣的植物群落，能有效地調(diào)節(jié)大氣組分，李登科等認(rèn)為紅堿淖濕地植被變化可分為4個(gè)階段：1982-1988年植被覆蓋持續(xù)增加；1989-1998年相對(duì)穩(wěn)定；1999-2001年維持較低；2002-2007年快速升高，并分析認(rèn)為近年湖區(qū)植被變化受周圍退耕還林等人為因素的影響明顯，本文的結(jié)論與其較為一致[2].

濕地是天然的過(guò)濾器，可以降低流速，凈化水質(zhì)，有助于雜質(zhì)和有毒物質(zhì)的沉淀和排除. 濕地水分通過(guò)蒸發(fā)變成水蒸氣，然后又以降雨的形式回歸周圍地區(qū)，保持當(dāng)?shù)氐臐穸群徒涤炅浚{(diào)節(jié)局部小氣候. 紅堿淖面積的萎縮使局部氣候惡化，降雨量減少，將導(dǎo)致植被減少，從而使?jié)竦刈詢裟芰p弱，加速濕地沙漠化進(jìn)程.

根據(jù)水量平衡原理，紅堿淖面積變化是其水量收支狀況的反映，水量收入主要包括降水補(bǔ)給、地表水補(bǔ)給和地下水補(bǔ)給，支出部分為湖區(qū)蒸散作用. 穩(wěn)定期，紅堿淖流域收支基本穩(wěn)定，氣候變化是水域變化的主要原因；萎縮期，人類活動(dòng)使地表水?dāng)嗔鳎叵滤^(guò)度開采，成為影響紅堿淖變化的主要原因，即受氣候因素的影響相對(duì)減弱，受人為因素的影響顯著，這與Tao等對(duì)蒙古高原內(nèi)陸湖泊的研究結(jié)果一致[29].

6 結(jié)論與建議

40 a間，紅堿淖水域在面積和水質(zhì)上都發(fā)生了滄海桑田的變化.

1)紅堿淖水域面積呈階段性萎縮趨勢(shì)，在1994年前后劃分為兩個(gè)主要階段：1973-1994年間湖泊面積動(dòng)態(tài)度小于-0.59%，受氣溫增高和降水減少的共同作用；1994-2013年湖泊面積動(dòng)態(tài)度大于-2.03%，在區(qū)域暖干化背景下，受人工筑壩阻斷地表補(bǔ)給、農(nóng)林灌溉耗水減少地下補(bǔ)給、煤礦開采破壞含水層的共同作用，水域面積減少了26.66 km2，水域面積總體縮小45.7%.

2)湖區(qū)NDVI值呈上升趨勢(shì)，表明葉綠素a或懸浮物濃度增加，水質(zhì)變差；同時(shí)緩沖區(qū)NDVI值變化顯示近岸植被及湖區(qū)周邊植被覆蓋度呈波動(dòng)性增加趨勢(shì). 氣候變化和人工建庫(kù)建壩導(dǎo)致7條季節(jié)性河流的主要地表水補(bǔ)給能力下降、沙漠化使湖域水深變淺、工業(yè)排放和當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)開發(fā)使湖水富營(yíng)養(yǎng)化加劇，使紅堿淖水質(zhì)變差.

近年來(lái)，人為干擾的強(qiáng)度有增無(wú)減，其作用遠(yuǎn)超氣候變化帶來(lái)的自然演變，為了避免沙漠中最大的淡水湖--紅堿淖成為“第二個(gè)羅布泊”，提出如下建議：

1)在生產(chǎn)生活用水與生態(tài)用水出現(xiàn)嚴(yán)重對(duì)立的情況下，提倡科學(xué)用水，改變傳統(tǒng)灌溉方式，提高水的利用率.

2)嚴(yán)格按照環(huán)境影響評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估煤礦開采的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，減少耗水項(xiàng)目，控制旅游資源的過(guò)渡開發(fā)，維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡.

致謝： 感謝遙感專業(yè)2012級(jí)本科生王鑫同學(xué)在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面所做的工作.

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Water quality variation of Lake Hongjiannao and its driving force analysis from 1973 to 2013

ZHAO Ning, MA Chao**& YANG Yali

(KeyLaboratoryofMineSpatialInformationTechnologiesofSBSM,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,P.R.China)

With radiometric calibration, atmospheric correction, radiation normalization and band calculation on eight multispectral images from Landsat MSS, TM, ETM+and OLI from 1973 to 2013, the area and water quality (derived fromNDVI) of Lake Hongjiannao and the vegetation coverage around the lake were acquired. The study showed that the area of the lake presented a stage of shrinking trend over the past four decades. Especially, after the 1990s the rate of decline was intensified, and it totally shrank by 45.7%. Change of theNDVIvalues in the buffer zone that the vegetation covered around the lake were generally improved with the fluctuations. At the same time, theNDVIof water surface of the lake showed a statistically significant increasing trend, which suggested that chlorophyll-a or suspended substance was increasing and caused a degraded water quality. According to changes in lake water area, the evolution process of the lake can be divided into a stable stage (1973-1994) and a shrinking stage (1994-2013). Climate warming and drying had significant influence on change of the lake area during the stable stage. Climate change and human activities were the causes of the lake water area decrease and water quality variation. Intensive human activities, such as building reservoir, irrigation and coal mine exploitation were the dominant drivers for lake changes.

Lake Hongjiannao; lake changes;NDVI; driving forces; remote sensing monitoring; MSS/TM/ETM+/OLI

*國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與神華集團(tuán)有限責(zé)任公司項(xiàng)目(培育項(xiàng)目U1261106，重點(diǎn)項(xiàng)目U1261206)資助. 2015-09-28收稿；2016-01-01收修改稿. 趙寧(1988～)，女，碩士研究生；E-mail: bzn612@163.com.

**通信作者；E-mail: d_insar@126.com.