科尔沁沙地湖泊消涨对气候变化的响应

常学礼, 赵学勇, 王 玮, 刘良旭

(1. 鲁东大学地理与规划学院，烟台 264025; 2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，兰州 730000)

科尔沁沙地湖泊消涨对气候变化的响应

常学礼1,*, 赵学勇2, 王 玮1, 刘良旭1

(1. 鲁东大学地理与规划学院，烟台 264025; 2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，兰州 730000)

湖泊是受气候变化影响显著的地理单元之一，不同地区湖泊消涨与气候变化关系的分析是理解陆地水文过程对未来气候变化响应的关键之一。对干旱、半干旱地区而言，湖泊消涨对气候变化的响应是干旱区生态保护和未来可持续发展的重要指征。气候变化对湖泊的影响在不同的区域已有较多的研究，但是针对湖泊群且基于湖泊大小分级和不同降水强度的对应研究还很鲜见。有鉴于此，作者在RS和GIS技术支持下，采用湖泊大小和降水强度分级的方法，分析了科尔沁沙地湖泊群消涨与气候变化的关系。在1971—2010年间，年均气温波动升高和降水量波动减少是该区域的主要气候变化特点。从5a移动平均分析来看，1990年是气温变化的转折点，1991—2010年的平均气温(7.36±0.55)℃，高于全球同期平均增温0.52℃。在1975—2009年间，科尔沁沙地湖泊面积和数量的变化趋势呈抛物线型减少，在1995年湖泊面积与数量最高。进入21世纪，湖泊面积萎缩、数量减少呈明显的加快趋势。到2009年，面积gt;0.05km2湖泊数量仅为81个，不足高峰期(1995年)的11%；湖泊总面积为4375.0hm2，不到1995年的26%。湖泊消涨主要受到年降水量波动影响，与年内降水分布格局无关，气温变化的影响不显著。

降水量波动；湖泊面积与数量；科尔沁沙地

湖泊作为受降水波动和气温升高直接影响的地理单元在全球气候变化研究中扮演着重要的角色。其对气候变化的响应可以表现在湖泊水位、面积和数量的变化[1- 5]，因此研究湖泊动态、水环境变化对气候的响应成为人们认识气候变化对区域地理环境影响的主要方面之一[5- 8]。从这一主题研究内容的特点来看主要集中在3个方面：一是利用湖相沉积物的各项指标来反演湖泊在长时间尺度上环境演变过程, 以及古气候如温度、降水量的变化[9- 11]；二是以湖泊水位变化对水生生物影响为主要研究对象，解释大型水生植物和浮游动物对水位变化的响应机制和生产力变化趋势[12- 15]；三是研究湖泊面积、水质变化与气候变化的相互关系[2- 4，16- 18]。

从研究湖泊消涨的地域分布特点来看，主要集中在青藏高原、欧亚大陆干旱区和半干旱区以及水资源丰富且湖泊分布密集的区域。其中，在高原湖泊变化研究中不仅关注了降水的影响，同时也强调了全球升温背景下冰川积雪融化速率加快导致了湖泊面积和数量的增加，成为全球升温研究的一个重要补充[3- 4，10]。在干旱区和半干旱地区的湖泊研究中，强调了湖泊是维持区域生态系统组成和生产力稳定的重要因素之一，它不仅是水资源可持续性利用中的主要源，而且也是区域环境退后与否的关键标志[19- 21]。在水资源相对丰富的长江和松花江流域，气候变化和人类活动干扰叠加导致的湖泊水量平衡失调成为人们关注的对象，湖泊消涨与区域降水的关系、人类活动导致的水质恶化等成为研究的焦点[2，8，18]。

从研究方法特点来看，近几十年来遥感技术的发展与完善极大地提高了湖泊空间信息的获取精度和频度[17，22- 23]，使湖泊变化的研究进入了可重复检查且常规观测无法替代的新阶段。

纵观已有湖波动态与气候变化的主题研究发现，在一定的区域和气候条件下，不同湖泊大小对降水变化和气温升高的响应机制尚未提及。为此，本文以半干旱区科尔沁沙地湖泊群为研究对象，从不同级别湖泊大小对气候变化的响应程度和不同降水量强度对湖泊的影响两个方面进行研究，尝试解释半干旱沙区湖泊群消涨对气候变化的响应机制。

1 研究区概况

研究区选择在内蒙古自治区通辽市科尔沁左翼后旗(简称科左后旗)，地理坐标介于 121°30′—123°42′E、42°40′—43°42′N(图1)。该区在中国气候区划上属东北温带半湿润气候区向内蒙古温带半干旱气候区的过渡地带，年降水量500mm 左右，主要集中在6—8月份，约占全年降水总量的70% 以上。土壤类型以风沙土为主，占总面积的69%，其次为草甸土占23%，碱土和沼泽土也有少量的分布。研究区的植被类型为沙地疏林草场和湿地-沼泽草场，优势植物种主要有榆树(UlmuspumilaL.)、山杏(PrunussibiricaL.)、芦苇(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.)、大香蒲(TyphaorientalisP.)、苔草(CarexmeyerianaKunth和铺地委陵菜(PotentillasupinaL.)等。

2 研究方法

2.1 数据源

空间数据从美国地质勘探局(USGS)遥感数据库免费向全球用户提供的1975—2009年期间的MSS、Landsat TM(ETM+)遥感数据库中选择(表1)。其中MSS数据的轨道号：path，129；row，30；Landsand TM(ETM+)数据的轨道号：path，120；row，30。影像采用USGS的加工产品，投影格式为WGS_1984_UTM。

2.2 湖泊面积提

在ERDAS环境中采用监督分类的方法对不同时期的影像进行运算处理，每一期的影像各自建立训练区50个以上，采样区必须包括不同湖泊色调以提高准确率。最后，对提取出的湖泊范围进行人工目视检查，主要对湖泊中水生植物形成的噪音进行人工属性调整，归属到湖泊。由于小的湖泊极易受到近期降水的影响，而本文研究的最小时间间隔也在2a左右，所以对湖泊面积小于0.05km2的予以剔除(图2)。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

序列Order获取时间Acquisitiontime时间间隔/aTimeinterval数据类型DatatypeP11975-09-230MSSP21978-10-043．03MSSP31983-10-045．00MSSP41988-09-234．97TMP51995-09-116．97TMP61999-08-293．97TMP72001-09-032．01ETM+P82007-08-275．98TMP92009-09-172．05TM

图2 不同信息源类型湖泊信息提取(1975，MSS；1995，TM；2001，ETM+)Fig.2 Extraction of lake information for different remote sensing data (1975, MSS; 1995, TM; 2001, ETM+)

2.3 精度检查

为了分析湖泊判断的准确与否，Cohen 1960年最先提出Kappa系数来比较生成图件与地物的一致性，随后在此基础上发展了标准Kappa系数、随机Kappa系数、位置Kappa系数等用来评价遥感图像解译的正确程度[24- 25]。本文采用随机Kappa系数(K) 来分析解译后影像的精度:

K=(pi-pr)/(pj-pr)

(1)

式中，K为Kappa系数，当Kgt;0.75时，影像分类精度较高；当0.4lt;K≤0.75时，影像分类精度一般；当K≤0.4时，影像分类精度较差。在本文中pj为遥感影像中确定的湖泊样点点数；pi为相同位置经监督分类与目视解译整合后与遥感影像标记的湖泊类型一致的点数；pr与pi相反，为不一致的点数。在精度检查中，检查点随机选择在湖泊边缘，样点数为100个，不同时期湖泊分类精度检查结果见表2，总体分类精度较高。

表2 不同时期湖泊分类精度检查

2.4 降水量和湖泊数据整合与级别划分

由于遥感数据的获取时间间隔不一致，所以对降水量数据和湖泊变化数据必须整合。整合假设是：任意两个时期湖泊面积和数量的变化是同期累积降水量、平均气温(或其它因子)影响所致。所以本文不同时期湖泊面积、数量以及同期气象要素要依据表1中间隔年份进行均分，用公式A=(Pi+1-Pi)/n整合为间隔期平均年变化值。其中A为某间隔期湖泊面积(或数量)平均年变化，Pi为相邻数据前一年的湖泊面积(或数量)值，Pi+1为相邻数据后一年对应值，n为间隔年限。

降水量数据整合依据中国气象数据共享服务网(http://new-cdc.cma.gov.cn:8081)提供的日值进行对应的统计，对研究区周边彰武、开原、四平、长岭、通辽、开鲁和宝国图等7个气象站的同期降水量和气温，在Arcgis9.3中Spatial analyst模块中用Kriging插值法进行计算。对插值结果用图1中研究区范围裁截，最后用每一降水量等值区的中值与所对应得面积进行面积加权计算，得出研究区的不同时段的年均降水量和气温。

考虑到湖泊大小对降水波动响应的异质性，本文按湖泊面积大小依次分成0.05—0.1km2、0.1—0.5 km2、0.5—1.0 km2、1.0—10 km2以及所有湖泊(总体)5个级别。同时，根据国家气象局对降水级别的划分标准，以及研究区在过去40a暴雨以上降水极少的情形，故采用小雨累计(24h降水量lt;10mm)、中雨累计(24h降水量10—25mm)、大雨累计(24h降水量gt;25mm)以及总降水量4个水平与湖泊变化进行对应分析。

3 结果

3.1近40年来气候变化趋势

从研究区周边7个气象站点1971—2010年的平均特征来看，降水量变化在314.6mm(2001年)至659.1mm(1994年)之间，40a平均值为(470.2±82.5)mm。从变化趋势来看(图3)，5a移动平均显示，在1985—1998年间研究区降水量高于平均值，明显处在降水高峰期，该时期平均降水量为(510.8±77.8)mm；从1999年开始研究区明显进入降水量低峰期，该时期平均降水量为(425.2±90)mm。

从不同周期的年平均气温特点来看(图3)，40a间年均气温变化在5.7℃(1976年)至8.5℃(2007年)之间，40年平均值为(6.93±0.72)℃。从5a移动平均的变化趋势来看，整体呈波动式增加。1990年之前的平均气温明显低于多年平均值，为(6.50±0.59)℃，从1991年以后平均气温明显高于多年平均值，为(7.36±0.55)℃。

图3 1971—2010年研究区气候变化特征分析Fig.3 Analysis of climate characteristics of the study area from 1971 to 2010

3.2近35年来湖泊变化趋势

结果分析表明(图4)，近几十年来研究区的湖泊变化无论是在数量上还是在面积上，都发生着显著的变化。从整体特征来看(图4)，在1975—2009年间湖泊总数量和总面积均表现出先增大后减小的变化趋势，最高值出现在1995年，总数量和总面积分别为765个和17059.9 hm2；最低值出现在2009年，总数量和总面积分别为81个和4375.0hm2。从不同级别湖泊数量和面积的变化来看(图4)，变化趋势与整体特征相似，在1995年都达到了峰值。从变化趋势预测方程的关联系数来看，0.05～0.1km2级别的湖泊具有最好的拟合关系。在相关系数最低的0.5—1km2级别，湖泊数量和面积变化趋势预测曲线的显著水平也在95%以上(湖泊数量：R=0.680gt;r8, 0.05=0.632；湖泊面积：R=0.658gt;r8, 0.05=0.632)。

图4 1975—2009年不同湖泊级别面积和数量的变化趋势Fig.4 Changes of lake area and number at different levels from 1975 to 2009

3.3 气候变化对湖泊的影响

3.3.1 降水波动

对湖泊数量和面积与其对应的同期年均降水量和气温进行Pearson关联分析(表3)。结果表明就降水事件的影响而言，不同级别的降水对湖泊的消涨都具正关联，但是只有年降水量达到了较显著的水平(双尾检查在0.05水平以上)。而年平均气温对湖泊消涨的影响呈负关联，在1.0—10 km2水平上相对最高。

表3 湖泊面积、数量与不同降水级别和气温的关联分析

** 和 *分别代表Sig.lt;0.01和Sig.lt; 0.05

进一步的回归分析表明，不同级别湖泊面积和数量对降水变化响应都呈线性关联，拟合回归方程都达到显著水平。从不同湖泊级别对年均降水量的响应区别来看，随湖泊面积增加，降水量对其影响越显著(图5)，其中，1.0—10 km2水平上年均降水量对湖泊变化的影响最显著，0.05—0.1km2水平上影响相对最小(图5)。

3.3.2 气温升高

考虑到温度升高对湖泊的影响在不同年份间的作用也具有累加效应的特点，故采用关联程度最高的1.0—10 km2级别(表3)分析湖泊变化与同期年平均温度的关系。图6的分析表明，温度升高对湖泊的影响呈负相关，但其与湖泊变化的关系远没有降水量显著，无论对湖泊数量还是面积，关系不显著。

4 讨论

5a移动平均的分析表明，在全球气候变化的影响下，科尔沁地区的降水从1999年开始明显进入降水量低峰期，而同期的年均气温从1990年开始呈现增温的趋势。对Jones等[26]提供的全球共享气象站数据分析表明，1971—2010年间的全球平均气温为0.17℃，其中1971—1990年间的平均气温为0.01℃，1991—2010年间为0.34℃，增加了0.33℃。而科尔沁地区在同一时期内由6.50℃升高到7.36℃，增加了0.86℃，高于全球同期增温0.52℃。考虑到全球变暖的纬度效应，可以认为科尔沁地区受全球变暖的影响相对较小，反映到本文湖泊消涨与年均气温的变化关系上，二者关联程度较低(表3、图6)。与此同时，降水量在1985—1998 年间经历了一个偏高的时期后，在1999年以后显著下降(图3)。

图5 不同级别湖泊与同期年均降水量的关系Fig.5 Relations between lake size and annual mean precipitation

图6 同期年平均气温对湖泊(1—10km2)消涨的影响Fig.6 Impact of annual mean air temperature on lake (1—10km2) fluctuation

在研究期间，科尔沁沙地湖泊的变化呈现单峰型的变化过程，在1995年间湖泊面积和数量达到峰值，进入21世纪湖泊面积萎缩、数量减少呈明显的加快趋势。到2009年,大于0.05km2湖泊数量仅为81个，不足高峰期(1995年，765个)的11%；湖泊面积仅为1995年的26%左右。从湖泊分布格局的变化趋势来看，无论是湖泊面积还是数量，不同级别的变化过程都呈抛物线型变化趋势，不同级别湖泊面积和数量的变化基本一致。其中1995年湖泊的面积和数量是最大时期(图4)。进入到21世纪研究区湖泊面积和数量呈显著的下降趋势。

从不同降水量级别的影响来看，不同降水强度的累计降水量对湖泊消涨的影响不显著，只有年降水量达到了显著水平(表3)。据此可以推断，年内降水量的分布格局对湖泊变化影响甚微。从湖泊大小对降水量波动的响应来看，随湖泊面积的增加与年降水量的关系趋向密切(图5)。产生这一结果的原因主要有两种可能，一是面积较小的湖泊可以得到较大面积湖泊萎缩和近期降水事件发生而形成的补充(即等级理论中的小系统对干扰过程反响明显，变化速率快；较大的系统对干扰过程反响不明显，变化速率较慢[27]，从而导致面积较小湖泊群的数量特征变化较小，对降水量的波动响应不明显；二是本文遥感数据的获取时间间隔较长(2—7a，表1)，很难在符合分析要求的数据系列中获取与降水事件完全匹配的影像，这样对那些在不同时期都存在、面积大的湖泊准确地得到了反映，而对于面积较小、在影像数据获取时面积小于0.05km2的湖泊，则不能得到准确的反映。

从气温升高对湖泊变化的影响来看，二者关系不显著。这一特点与分布在青藏高原和内陆干旱区、依赖冰川融化补给的湖泊类型明显不同[3,28]，科尔沁沙地湖泊主要受降水波动的影响，而青藏高原和内陆干旱区湖泊则显著受到气温升高和降水量变化的双重影响，因为气温升高引发的冰川融化对增加湖水补给扮演着重要的作用[3,17,19- 20,28]。

从科尔沁沙地湖泊消涨与相邻的松嫩平原湖泊群的研究结果比较来看[18,22]，二者的变化趋势显著的不同。产生这一结果的原因可能与科尔沁沙地的湖泊特点有关，因为科尔沁沙地的湖泊在多数情况下与河流没有直接的连通，只有在特大的丰水年才出现与河流贯通的现象，所以直接受到局地降水波动的影响。而相邻的松嫩平原湖泊群与嫩江相连能够得到流域降水形成的径流补充并且受到湿地保护政策的人为影响，从而湖泊面积呈增加的趋势。

5 结论

本研究表明，近40年来半干旱风沙区湖泊面积和数量呈抛物线型下降，湖泊的消涨主要受到年降水量波动影响与年内降水分布格局无关，气温变化的影响不显著。

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ResponsesoflakefluctuationtoclimatechangeinHorqinSandyLand

CHANG Xueli1,*, ZHAO Xueyong2, WANG Wei1, LIU Liangxu1

1CollegeofGeographyandPlanning,LudongUniversity,Yantai264025,China2ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofScience,Lanzhou730000,China

Lake is a geographical unit sensitive to climate change; it is an important aspect to understand the responses of terrestrial hydro-ecological process to future climate change in different regions. Especially, the lake variation is a significant indictor for ecological conservation and sustainable development in arid and semi-arid zone. Researches have indicated that lake fluctuation was influenced by climate change, but few analyzed the relationship between lake variation and climate change based on lake scale and precipitation classification. RS and GIS techniques were employed in this article to analyze the relationship between lake area/number and precipitation class in Horqin Sandy Land. Analysis showed that air temperature increase and annual precipitation reduction are two dominant characteristics in Horqin Sandy Land from 1971 to 2010. Five-year moving average analysis revealed that the annual mean air temperature had a turning point at 1990 and the mean value was (7.36±0.55)℃ from 1991 to 2010, higher than 0.52℃ of the global mean during same period. The lake area and number were changed in a pattern of parabola form 1975 to 2009, and the peaks of the both were at 1995. There was a rapid lake shrinkage in recent decade, and as a result the number and area of lakes with an area more than 0.05 km2in 2009 was less than 11% and 26% of that in 1995, respectively. Lake variation was not affected by precipitation distribution in a year, but the amount of annual precipitation. The annual mean air temperature was not a significant factor to lake variation.

precipitation fluctuation; lake area and number; Horqin Sandy Land

国家自然科学基金(41271193); 国家科技支撑计划(2011BAC07B02); 鲁东大学学科建设项目资助

2012- 07- 11;

2012- 10- 26

*通讯作者Corresponding author.E-mail: xlchang@126.com

10.5846/stxb201207110979

常学礼, 赵学勇, 王玮, 刘良旭.科尔沁沙地湖泊消涨对气候变化的响应.生态学报,2013,33(21):7002- 7012.

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