陳鵬, 張冰*, 馬榮, 石建省, 司樂天

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 石家莊 050061; 2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點實驗室, 石家莊 050061; 3.中國地質(zhì)調(diào)查局第四紀(jì)年代與水文環(huán)境演變重點實驗室, 石家莊 050061; 4.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心, 北京 100083; 5.河北地質(zhì)大學(xué)城市地質(zhì)與工程學(xué)院, 石家莊 050031)

湖泊作為干旱-半干旱地區(qū)重要的水資源,是氣候和環(huán)境變化的重要指示器[1],湖泊萎縮不僅使?jié)竦孛娣e減少,更加劇了土壤鹽漬化的產(chǎn)生,裸露的湖床還會為鹽塵暴的產(chǎn)生提供物源基礎(chǔ)[2],對生態(tài)環(huán)境造成威脅。因此探索湖泊演變的驅(qū)動要素,對湖泊濕地的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。進(jìn)來年,在全球變化和人類活動的雙重影響下,導(dǎo)致干旱-半干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊萎縮、干涸[3]。許多學(xué)者對湖泊變化展開了研究[4],對各種自然與人為因素對湖泊演化的影響進(jìn)行了討論[5],但缺少針對驅(qū)動因素貢獻(xiàn)率及其動態(tài)變化的定量解析。李想等[6]分析了過去40年貝加爾湖周邊氣候變化及其對水位的影響,認(rèn)為氣候變化是驅(qū)動貝加爾湖水位變化的背景條件。張恒等[7]將過去30年京津冀地區(qū)湖泊變化分為3個階段,認(rèn)為1987—1996年湖泊變化主要由自然因素主導(dǎo),1997—2009年與2010—2017年兩個階段主要由人為因素主導(dǎo)。Su等[8]認(rèn)為高農(nóng)業(yè)用水量是導(dǎo)致咸海持續(xù)萎縮的原因。周璟等[9]認(rèn)為降水量是驅(qū)動青藏高原湖泊擴(kuò)張的主要因素。與此同時,針對察汗淖爾湖泊的研究也相對較少。王奕璇等[10]和劉一等[11]通過Mann-Kendall 檢驗法分析了氣象要素的變化對察汗淖爾湖泊面積的影響;陳曉璐[12]則認(rèn)為農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致地下水位快速下降,使湖泊呈現(xiàn)出快速萎縮。這些研究都對驅(qū)動湖泊變化的要素分析較為全面,但缺乏對驅(qū)動要素的定量貢獻(xiàn)的核算。

現(xiàn)通過遙感影像提取察汗淖爾湖泊面積變化過程,結(jié)合收集察汗淖爾流域內(nèi)氣象及地下水資料,利用Mann-Kendall檢驗、Spearman相關(guān)性分析等方法識別湖泊面積與各影響因素間的響應(yīng)特征,利用多元線性回歸法分階段分析各影響因素對湖泊面積變化的相對貢獻(xiàn)率,為認(rèn)識區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演變、湖泊濕地的保護(hù)與恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

壩上高原是北方農(nóng)牧交錯帶的核心區(qū)域,也是首都的水源涵養(yǎng)功能區(qū)和生態(tài)屏障區(qū),生態(tài)環(huán)境較為脆弱,以農(nóng)業(yè)開墾為主的高強(qiáng)度人類活動對本地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力,導(dǎo)致一系列生態(tài)安全問題[13]。湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)是以人類為主要要素的典型復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng),其在自然、經(jīng)濟(jì)、社會等循環(huán)中扮演重要角色,隨著人類活動的不斷增強(qiáng),諸如地下水開采、土地利用類型、種植模式等因素造成流域內(nèi)不同程度生態(tài)系統(tǒng)退化[14]。因此,對壩上高原典型湖泊察汗淖爾開展演變及驅(qū)動要素貢獻(xiàn)率分析,將對未來流域的可持續(xù)發(fā)展起到重要的指導(dǎo)作用,對壩上高原生態(tài)屏障的建設(shè)起支撐作用。

察汗淖爾流域位于壩上高原西側(cè),流域總面積約6 757.6 km2,地勢四周高中間低,切割較強(qiáng)烈,溝谷發(fā)育,中部為商-張盆地[15](圖1)。流域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,光照充足,晝夜溫差大,干旱、多風(fēng)、少水、無霜期短,多年平均氣溫-0.3～3.7 ℃,多年平均降水量361.61 mm,主要集中在6～9月,多年平均蒸發(fā)量為1 902.88 mm,為降水量的5.26倍,無霜期100 d左右。流域內(nèi)水資源總量為1.812×108m3,其中地下水資源量1.384×108m3,占流域水資源量的76%,農(nóng)業(yè)用水量占流域內(nèi)總用水量的80%。該地區(qū)土壤風(fēng)蝕較為嚴(yán)重,主要地帶性土壤為栗鈣土,優(yōu)勢物種主要有堿蓬、鹽爪爪、芨芨草與克氏針茅等。土地利用類型以耕地為主,主要種植作物為馬鈴薯、甜菜與莜麥等[16]。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)獲取

遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)及美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)(http://www.usgs.gov/)Landsat系列遙感影像,如圖2所示,時空分辨率為 8 d、250 m,行列號為 h26、V04。氣象資源主要來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn)。地下水?dāng)?shù)據(jù)來源于察汗淖爾流域20口地下水監(jiān)測井1990—2020年長時間序列5日觀測數(shù)據(jù)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》等。

圖2 1984—2019年察汗淖年際遙感影像

1.3 研究方法

主要采用Mann-Kendall檢驗[17]分析氣候變化趨勢的顯著性和突變性,通過Spearman相關(guān)性分析識別各影響因素與湖泊水面變化之間的響應(yīng)特征,最后運(yùn)用多元線性回歸法[18]分析各影響因素對湖泊面積變化的相對貢獻(xiàn)率,從而找出影響湖泊面積的主要驅(qū)動因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊面積變化特征分析

通過資料收集與察汗淖爾遙感影像分析,在1984—2020年察汗淖爾湖泊面積呈萎縮趨勢,每年面積減少0.94 km2(圖3),總體上察汗淖爾湖泊的水面變化特征可分為3個階段。第一階段:湖泊水面呈自然交替變化階段(1984—1999年),湖面季節(jié)性凸顯,察汗淖爾最大水體面積波動于20～50 km2。此階段下,流域內(nèi)地下水開采量較小,察汗淖爾湖泊具有穩(wěn)定的補(bǔ)給源,在降水量較少的干旱年份也能維持一定的水面面積。第二階段:湖泊水面呈現(xiàn)劇烈波動階段(2000—2005年),其變異系數(shù)為0.809。此階段下,流域內(nèi)地下水大量開采,導(dǎo)致其對湖泊補(bǔ)給量減少,進(jìn)而成為影響湖泊變化的主要因子,湖泊季節(jié)性變化明顯。第三階段:湖泊干涸-恢復(fù)交替階段(2006—2020年),此階段下湖泊失去了地下水的補(bǔ)給,在2006—2009年間湖泊基本處于干涸狀態(tài),隨后在人類活動的干預(yù)下,流域內(nèi)水庫向下游排水,使得湖泊水面短暫恢復(fù)(15～34 km2),隨后在2014—2017年水庫除險加固后長期無下泄水量,導(dǎo)致湖泊又快速萎縮。

圖3 察汗淖爾豐水期水面面積變化特征

2.2 氣候變化對察汗淖爾的影響分析

通過察汗淖爾周邊氣象站點觀測數(shù)據(jù),分析氣候變化對察汗淖爾面積的影像(圖4和圖5)。1990—2020年研究區(qū)內(nèi)年平均氣溫整體呈波動上升趨勢,速率為每10年上升0.2 ℃,年降水量整體變化趨勢不明顯,呈波動狀態(tài)。通過Mann-Kendall檢驗,自1998年以來,年平均氣溫呈上升趨勢但并不顯著(0

圖4 年平均氣溫變化及其Mann-Kendall檢驗

通過實地調(diào)查以及對湖盆高程的分析,湖泊面積對降雨的響應(yīng)快速,因此對流域內(nèi)降雨類型變化進(jìn)行分析。根據(jù)中國氣象局規(guī)定的降雨強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計化德縣氣象站過去30年內(nèi)降水類型的變化情況(圖6)。由圖6可知,1990—2020年內(nèi)流域內(nèi)小雨、中雨和大雨除個別年份外沒有明顯變化,小雨多年平均為68.5次,中雨多年平均為7.8次,大雨多年平均為1.9次,暴雨次數(shù)則顯著下降,由1990年的59次下降為2020年的2次,下降速率為每年減少1.5次。

圖6 不同雨型年際變化

以上結(jié)果表明,流域內(nèi)氣候暖干化趨勢并不顯著,但降雨類型卻顯著變化,暴雨次數(shù)顯著減少,溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)量變大,不利于察汗淖爾湖泊水面面積的維持,加之人類活動的影響,導(dǎo)致湖泊水體收支不平衡,造成察汗淖爾不斷萎縮。

2.3 地下水對湖泊的支撐作用

察汗淖爾流域內(nèi)的商都、尚義、張北等縣是華北地區(qū)主要的蔬菜種植基地,從20世紀(jì)90年代開始,大規(guī)模地下水開采,逐漸改變流域水循環(huán)模式,進(jìn)而對區(qū)域內(nèi)河流、湖泊、地下水環(huán)境等帶來顯著影響。如圖7(a)所示,過去30年間,流域內(nèi)水澆地面積由16.36×104hm2增加到156.83×104hm2,增加了近10倍,其中2010年急劇增加,較2009年增加42.76×104hm2,年平均增加4.68×104hm2,流域內(nèi)蔬菜種植面積由6.47×104hm2增加到26.30×104hm2,增加了近4倍,年平均增加0.66×104hm2。大規(guī)模蔬菜種植與水澆地的增加,導(dǎo)致流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量持續(xù)增高,地下水高強(qiáng)度開采,導(dǎo)致流域內(nèi)地下水位持續(xù)下降。如圖7(b)所示,過去30年間農(nóng)業(yè)用水量由2 315×104m3增加為3 503×104m3,其中2009年到達(dá)峰值6 184×104m3,年平均增加39.6×104m3,相對應(yīng)地,流域內(nèi)地下水埋深由3.6 m下降為11.0 m,年平均下降0.25 m。

圖7 農(nóng)業(yè)種植及地下水埋深變化

由于流域內(nèi)潛水含水層厚度較小,在大規(guī)模地下水開采中,地下水位持續(xù)下降,水循環(huán)模式發(fā)生顯著變化(圖8)。20世紀(jì)70—80年代,流域內(nèi)地下水尚未進(jìn)行大規(guī)模開采,水動力場基本處于自然狀態(tài)。20世紀(jì)90年代,流域內(nèi)開始大規(guī)模種植西芹、甜菜、蘿卜等高耗水作物,采補(bǔ)失衡,地下水位持續(xù)下降,水動力場與水循環(huán)模式亦發(fā)生改變,至2005年地下水潛水面低于察汗淖爾湖底,湖泊失去地下水補(bǔ)給。

圖8 1975—2021年察汗淖爾流域地下水潛水面演化

2.4 徑流量對湖泊面積的影響

流域范圍內(nèi)主要入湖河流有大清河、五臺河、六臺河、不凍河、十八頃河、公雞河、特布烏拉河以及統(tǒng)領(lǐng)地河等,均為季節(jié)性河流,常年流量較小,長度為28～85 km,上游河流區(qū)域建設(shè)有大青溝、武家村、哈拉溝等水庫,2014—2017 年水庫除險加固后長期無下泄水量,導(dǎo)致地表水系連通性較差。

從圖9(a)可知:通過對1975—2020年不凍河河道徑流量與降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:在1986年極端干旱的年份(當(dāng)年降水量僅為235.8 mm)河道依然能維持75×104m3的年徑流量,說明在人類活動還不強(qiáng)烈時,河道接受地下水的補(bǔ)給;河道徑流量在1990年達(dá)到峰值,但隨后在1991年降雨量較上一年由439.8 mm減小為400.18 mm,降水量小幅減小,河道徑流量卻呈斷崖式下跌,由1 750×104m3減小為113×104m3,減小了約15倍,說明隨著人類活動逐漸增強(qiáng),改變了地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系;在2003年,降水量較前一年由295.1 mm增加至505.3 mm,河道徑流量卻由323×104m3減小為97×104m3,說明隨著地下水位持續(xù)下降,大氣降水無法有效轉(zhuǎn)化為地表徑流。通過圖9(b)可知,徑流量與湖泊面積相關(guān)性不大(相關(guān)系數(shù)R2=0.21),說明地表徑流對于維持湖泊面積作用有限,湖泊主要依賴于地下水和大氣降水,在失去地下水的補(bǔ)給后,湖泊迅速萎縮、干涸,變?yōu)閮H在降水充沛時才有水面的季節(jié)性湖泊。

圖9 察汗淖爾流域徑流量變化及與湖泊面積的關(guān)系

2.5 湖泊面積與影響因素間響應(yīng)特征及貢獻(xiàn)率分析

對察汗淖爾面積與各影響因素進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析(圖10)。察汗淖爾面積變化主要與農(nóng)業(yè)用水量與地下水埋深呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.71與-0.67;與徑流量呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.57,這說明農(nóng)業(yè)用水量對察汗淖爾面積影響最大,農(nóng)業(yè)用水量越大,察汗淖爾面積越小。另外,農(nóng)業(yè)用水量與地下水埋深正相關(guān),與徑流量負(fù)相關(guān),地下水埋深與徑流量負(fù)相關(guān)。

圖10 湖泊面積與各驅(qū)動因素相關(guān)性分析

通過多元線性回歸對湖泊面積變化與各影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行擬合[式(1)],擬合回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.49,再利用各影響因素的系數(shù)確定其貢獻(xiàn)率(圖11),數(shù)據(jù)處理與分析采用SPSS 22軟件(https://www.ibm.com)進(jìn)行。

圖11 湖泊面積變化驅(qū)動要素貢獻(xiàn)率

(1)

由圖11可知,在近30年間,高額的農(nóng)業(yè)用水量是導(dǎo)致察汗淖爾湖泊萎縮的主要影響因素,其貢獻(xiàn)率為51.1%,大量開采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉活動導(dǎo)致流域內(nèi)局部地下水超采嚴(yán)重,地下水位普遍下降,使地下水埋深成為驅(qū)動察汗淖爾變化的次要影響因素,其貢獻(xiàn)率為33.3%。各影響因素貢獻(xiàn)率大小依次為農(nóng)業(yè)用水量>地下水埋深>降水量>徑流量>年均溫,這說明察汗淖爾湖泊萎縮受主要受人類活動的影響。

3 討論

3.1 氣候變化與人類活動對湖泊的影響

干旱-半干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊的萎縮與干涸是一個復(fù)雜的過程,驅(qū)動要素眾多[19],在湖泊變化的動態(tài)過程中,各驅(qū)動要素對湖泊變化的貢獻(xiàn)率不同。首先,眾多學(xué)者的研究表明,在湖泊變化的過程中,氣候條件是湖泊萎縮或干涸的重要背景因素[20]。察汗淖爾湖泊周邊氣候變化已有眾多研究成果[21],本文研究通過Mann-Kendall檢驗與降水類型變化分析,得出氣候變化不利于察汗淖爾湖泊水面面積的維持。其次,流域內(nèi)人類活動,如地下水開采、修建水庫等進(jìn)一步加劇湖泊萎縮[22]。從20世紀(jì)90年代以來,流域范圍內(nèi)開始發(fā)展錯季蔬菜種植,耗水蔬菜的種植造成了地下水的大量消耗,導(dǎo)致地下水位普遍下降,減少了地下水對湖泊的補(bǔ)給,導(dǎo)致湖泊萎縮。在研究區(qū)附近的岱海流域,岱海湖面面積萎縮主要受人類社會生產(chǎn)生活影響較大,其次為自然因素[23],與本次研究結(jié)果相一致。

3.2 人工林對流域水循環(huán)的影響

眾多學(xué)者的研究表明:大規(guī)模植樹造林對區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生影響,造成一定的生態(tài)風(fēng)險[24]。察汗淖爾流域所在的壩上高原是北方農(nóng)牧交錯帶的典型區(qū)域,生態(tài)環(huán)境脆弱,同時兼具京津地區(qū)重要的生態(tài)屏障和供水源地的特殊作用,自退耕還林工程在全國范圍內(nèi)開展以來,在流域范圍內(nèi)種植大量人工林,在同樣位于壩上高原的月亮湖,隨著造林面積的增加,月亮湖水域的面積呈減小趨勢[25]。察汗淖爾流域內(nèi)人工林主要呈斑塊狀分布,面積為308.09 km2,占流域面積的4.56%,具有一定防風(fēng)固沙的生態(tài)效益,以小葉楊與小葉錦雞兒為主,根據(jù)調(diào)查訪問,主要種植與20世紀(jì)80年代。

采用ArcGIS 10.2(http://www.esri.com)Toolbox “分區(qū)統(tǒng)計”功能,對流域2000—2020年蒸發(fā)量按不同土地覆蓋類型進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計,計算不同土地覆蓋類型的蒸發(fā)量平均值。由圖12可知,林地蒸發(fā)量>草地>裸地,在壩上地區(qū)氣候暖干化的背景條件下[21],流域2000—2020年蒸發(fā)量呈明顯增加趨勢,其中2013年蒸發(fā)量達(dá)到峰值,林地蒸發(fā)量為389.89 mm,草地為370.27 mm,裸地為354.69 mm。人工林雖然增加了水源涵養(yǎng)能力,但會截留降水的10%～40%[26],減少總徑流量,同時通過蒸散發(fā)消耗土壤水分和地下水[27],經(jīng)估算,察汗淖爾流域人工林每年蒸發(fā)消耗水資源約0.95×108m3,因此造成流域范圍內(nèi)匯入湖泊的水量相對減少,造成湖泊萎縮。

圖12 地表植被蒸發(fā)量變化

3.3 湖泊變化對環(huán)境的反饋

湖泊變化分為湖泊萎縮與湖泊擴(kuò)張[9],本次主要討論湖泊萎縮對環(huán)境的反饋。干旱-半干旱區(qū)湖泊的萎縮往往意味著土壤鹽漬化的產(chǎn)生[28],Wang等[29]的研究表明:湖泊水量的變化將導(dǎo)致土壤鹽漬化的加劇,帶來巨大的生態(tài)風(fēng)險,造成湖泊周圍植被退化,裸露的湖床還會為鹽塵暴的產(chǎn)生提供物源基礎(chǔ)[30]。劉浩等[31]的研究還表明:咸海的萎縮導(dǎo)致沿湖岸邊界30 km的范圍內(nèi)地表溫度顯著升高,溫度的升高導(dǎo)致湖泊蒸發(fā)量增大,將造成湖泊的進(jìn)一步萎縮。

4 結(jié)論

(1)察汗淖爾在過去30年間逐漸萎縮,幾乎干涸。主要經(jīng)歷了3個階段的變化:湖泊水面呈自然交替變化階段(1984—1999年);湖泊水面呈現(xiàn)劇烈波動階段(2000—2005年);湖泊干涸-恢復(fù)交替階段(2006—2020年)。湖泊面積最大值出現(xiàn)在1991年,約為50.5 km2,最小值出現(xiàn)在2006年、2007—2008年,約為0.01 km2。

(2)氣候變化不利于察汗淖爾湖泊水面面積的維持,高額的農(nóng)業(yè)用水量是導(dǎo)致湖泊萎縮的主要原因。由于大量開采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉,地下水潛水面于2005年低于察汗淖爾湖底,湖泊失去地下水補(bǔ)給。農(nóng)業(yè)用水量相關(guān)系數(shù)為-0.71,貢獻(xiàn)率為51.1%,地下水埋深相關(guān)系數(shù)為-0.67,貢獻(xiàn)率為33.3%。

(3)以察汗淖爾湖泊為研究對象,圍繞湖泊面積變化特征,對驅(qū)動湖泊面積變化的因素展開研究,確定了各驅(qū)動要素對湖泊面積變化的貢獻(xiàn)率,為同類型內(nèi)陸湖泊濕地的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。