2000-2010年东北地区湖泊动态变化及驱动力分析*

李 宁，刘吉平，王宗明

(1:吉林师范大学旅游与地理科学学院，四平136000)

(2:中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春130102)

湖泊是湿地的重要形式，是地表特殊的自然综合体，同时又是重要的国土资源.湖泊能够调节径流、防洪减灾、沟通航运、发电、提供工农业生产及生活用水，具有重要的生态和经济效益［1］.湖泊是对全球气候变化的响应最敏感的地理单元之一，同时也受到人类活动的影响.因此，湖泊的变化又会进一步影响自然界和社会经济结构.

湖泊对自然界和人类社会有重要的意义，因此一直是众多科研工作者的研究重点和热点.近年来随着遥感技术和地理信息技术的发展和应用，不少学者借助遥感影像和土地利用数据获取湖泊动态变化信息，并分析导致湖泊面积变化的自然和人文驱动因素.如Guirguis等选择多时段的假彩色合成图像用主成分分析方法对埃及的Brullus湖从1983-1991年的动态变化进行了研究，结果表明由于围垦等原因，湖泊面积显著缩小［2］.张继承等研究了西藏地区湖泊动态变化，结果表明气候因子是该地区湖泊变化的驱动因子［3］.李卫红等研究了博斯腾湖水环境恶化的原因，并提出了相关的防治措施［4］.邵明诚等研究了巴音郭楞蒙古自治州湖泊动态变化，表明湖面蒸发量和人类活动是造成该州湖泊水位下降和水质下降的主要原因［5］.张凤太等研究了近40年江苏省湖泊动态变化，结果表明受人类活动的严重影响湖泊公益性功能(养殖、防洪、灌溉等)严重衰减［6］.朱宣清用多时段的TM卫星图像、雷达图像等多种遥感数据和历史、地理、考古等方面的资料，分别用密度分割、反差拉伸、比值合成等图像处理方法对白洋淀的历史演变和近期变化做了定量分析，为白洋淀的综合治理提出了建设性的意见，对促使社会经济与生态环境的良性循环大有裨益［7］.李晶晶等利用决策树分类法提取松嫩平原大安湖泊群近30年来4个不同时期的空间分布数据，并总结了其面积动态变化的影响因素［8］.桂智凡等研究了松嫩平原区湖泊对气候变化的响应，结果表明:在气候变化和人类活动共同影响下，松嫩平原湖区环境发生显著变化，这些变化可能会导致社会和经济的巨大风险［9］.许诗等研究了吉林省湖泊的时空变化特征，并提出气候变化、人口增加带来的压力和水利工程修建等因素对吉林省湖泊萎缩产生了重要影响［10］.以上研究成果主要集中在特定地区或特定湖泊的水质、水域面积、数量等方面，解读湖泊动态变化特征和驱动因子等科学问题，缺少对较大范围地理区域内湖泊的认识.

本文运用遥感和地理信息技术，对整个东北地区过去10年的湖泊动态化进行分析研究，提取天然湖泊和人工湖泊面积和数量变化参数，并分析湖泊变化的主要原因.运用动态度和质心偏移模型来研究东北地区湖泊的时空变化特征，并从气候变化和人类活动两方面来研究其变化的驱动因子.该研究成果有助于提高对东北地区地表水资源空间变化特征的认识，并将为本区的生态环境演变研究和资源环境保护提供科学依据.

1 研究区概况、数据来源及方法

1.1 研究区概况

东北地区(38°72'～53°55'N、115°52'～135°09'E)呈三面环山、中部敞开的地表结构.行政区划上包括黑龙江、吉林、辽宁3省的全部和内蒙古东北部的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市，面积为124.3×104km2，占全国总面积的13.5%，人口近1.2亿，是我国经济实力雄厚的大经济区域，在全国经济发展中占有重要地位.研究区属温带大陆性季风气候，冬季寒冷，夏季气温不高，东部地区的年降水量为400～700 mm，西部仅为250～400 mm，属于中国寒温带、温带、暖温带湿润、亚湿润和亚干旱地区.研究区内主要河流包括黑龙江、松花江、嫩江和辽河.区内湖泊众多，分布于平原区的湖泊成因多与地壳沉陷、地势低洼、排水不畅和河流的摆动等因素有关;分布于山区的湖泊，其成因多与火山活动密切相关;人工湖多是在自然湖盆基础上拦蓄围堰建成的［1］.

1.2 数据资料来源

本研究以2000、2005和2010年的Landsat TM和ETM遥感影像为数据源，利用面向对象的分类方法，提取3期东北地区湖泊数据.湖泊数据获取流程如下:在Envi软件中将Landsat TM和ETM影像进行预处理(TM和ETM影像均拍摄于雨水较少的月份，数据来源于美国地质调查局网站，网址为http://glovis.usgs.gov/)，包括几何纠正、图像融合和图像裁剪.在eCognition 8.7支持下，利用面向对象的分类方法对3期遥感影像进行湖泊信息提取，获取湖泊的空间信息.最后利用2010年3次野外考察的GPS定位点和通过Google Earth高分辨率影像获取样点，对解译结果进行修正和评价.结果表明，提取的湖泊信息精度为90.4%.提取湖泊后，结合相关资料及参考2000年NLCD中的东北土地利用数据区分天然湖泊(指天然形成的积水区常年水位以下的土地)和人工湖泊(指人工修建的蓄水区常年水位以下的土地).本文中的气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网［11］.

1.3 湖泊变化动态度

应用湖泊动态度分析湖泊变化特征［12］.湖泊动态度是指某研究区一定时间范围内湖泊数量(或面积)在时间上的变化，其表达式为:

式中，K为研究时段内湖泊变化动态度;Ua、Ub分别为研究初期及研究末期的湖泊面积(或数量);T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K值就是该研究区湖泊面积(或数量)的年变化率.

1.4 质心偏移模型

通过质心分布变化来进一步分析不同时期湖泊在空间分布上的差异，公式为:

式中，Xt、Yt分别表示第t年该湖泊分布质心的经纬度坐标;Cti表示第t年第i个湖泊斑块的面积;Xi、Yi分别表示第i个湖泊斑块的经纬度坐标［13-14］.

质心偏移的方向可以说明湖泊在此方向上扩张或者在此方向的反方向上缩减.当湖泊在某方向上增加时，质心会向该方向上偏移;而当湖泊在某方向上减少时，质心会向该反方向的反方向偏移;质心偏移距离的大小可以反映出湖泊增加或减少的剧烈程度.

2 结果与分析

2.1 东北地区湖泊面积和数量动态变化

2000、2005和2010年东北地区湖泊分布情况见图1.遥感数据解译结果表明:2000、2005和2010年东北地区湖泊总面积分别为12234.02、11890.24 和11307.58 km2.2000-2010年间湖泊面积共减少了926.44 km2，湖泊面积缩小了7.57%，湖泊面积动态度为－0.76%.其中2000-2005年间，湖泊面积减少了2.81%，湖泊面积动态度为－0.56%.2005-2010年间，湖泊面积减少了4.90%，湖泊面积动态度为－0.98%.湖泊萎缩有加速的趋势.10年间，面积大于 1 km2的湖泊面积分别为 10217.44、10082.35和 9682.67 km2，缩小了4.75%，湖泊面积动态度为－0.48%.

图1 2000-2010年东北地区湖泊分布变化Fig.1 Changes of the lake distribution in northeast China from 2000 to 2010

2000、2005和2010年东北地区湖泊数量分别为21030、22583和16938个，10年间共减少了4092个，其中面积大于1 km2的湖泊数量分别为1043、950和882个，10年间减少了160个.

为进一步说明湖泊动态变化情况，结合研究区内湖泊分布并参考文献［15］，将湖泊按照面积大小分为4个等级:1～10、10～50、50～100和100 km2以上(表1).

表1 东北地区不同面积等级湖泊动态变化*Tab.1 Dynamic changes of lake area at different levels in northeast China

2000-2010年，面积大于1 km2的湖泊处于萎缩状态，总面积减小了534.77 km2，缩小了5.23%.其中，10～50 km2和100 km2以上的湖泊10年间呈先增加后减少的态势，前者总面积减少了1 km2，后者总面积减少了135.31 km2;1～10 km2的湖泊萎缩较为明显，湖泊总面积减少了332.71 km2，平均每年减少33.27 km2;50～100 km2的湖泊总面积减少了66.01 km2，前5年面积大幅减少，后5年面积略有增加.

表2 东北地区重点湖泊面积变化情况Tab.2 Area changes of key lakes in northeast China

2000-2010年，面积大于1 km2的湖泊减少了161个.其中，1～10 km2的湖泊数量变化较大，减少了162个;10～50 km2的湖泊增加了2个;50～100 km2的湖泊2000-2005年减少2个，2005-2010年增加1个;100 km2的湖泊2000-2005年增加1个，2005-2010年减少1个.

从研究区内7个面积大于100 km2的湖泊变化情况(表2)来看:呼伦湖、连环泡、达里湖和月亮泡处于萎缩状态;兴凯湖和查干湖为扩张性湖泊;大龙虎泡处于稳定状态.

2000-2010年间，东北地区天然湖泊面积不断减少，人工湖泊面积先减少后增加.2000、2005和2010年东北地区天然湖泊面积分别为9231.58、9004.30 和 8207.08 km2，共减少了1024.5 km2(11.10%).同期人工湖泊的面积分别为 3002.44、2885.95 和 3100.50 km2，共增加了 98.06 km2(3.27%).天然湖泊减少了4080个，人工湖泊增加了62个.

2.2 湖泊变化空间差异分析

虽然整个东北地区湖泊面积持续减少，但不同地区、不同类型的湖泊面积变化却存在差异.天然湖泊、人工湖泊在不同时期、不同地区的面积和数量变化情况(表3)表明，内蒙古东部地区和吉林省天然湖泊面积呈持续减少趋势，分别减少了556.83和281.24 km2;辽宁省天然湖泊面积持续增加，增加了96.45 km2;黑龙江省天然湖泊面积先增加后减少，2010年比2000年减少了183.13 km2.

人工湖泊面积变化特点是:内蒙古东部地区人工湖泊面积先缓慢增加后急剧减少，2000-2005年增加了 4.02 km2(2.96%)，2005-2010 减少了 94.82 km2(67.92%)，总体面积减少了 90.87 km2(66.97%);黑龙江省和吉林省人工湖泊面积有所增加，前者先减少后增加，后者先增加后减少;辽宁省人工湖泊面积持续减少(表3).

天然湖泊的数量变化中，内蒙古东部地区10年间共减少了1432个，其中2000-2005年间减少了319个，2005-2010年间减少了1113个;黑龙江省共减少了641个，其中2000-2005年间减少了22个，2005-2010年间减少了619个;吉林省10年间减少了2007个，其中2000-2005年间增加了1879个，2005-2010年间减少了3886个;辽宁省共减少了6个，其中2000-2005年间减少了51个，2005-2010年间增加了45个.人工湖泊的数量变化中，内蒙古东部地区10年间共减少了59个，其中2000-2005年间增加了87个，2005-2010年间减少了146个;黑龙江省10年间增加了37个，其中2000-2005年间减少了61个，2005-2010年间增加了98个;吉林省10年间增加了19个，其中2000-2005年间增加3个，2005-2010年间增加61个;辽宁省共减少74个，其中2000-2005年间增加了34个，2005-2010年间减少了108个(表3).

综上所述，10年间，内蒙古东部地区天然湖泊和人工湖泊数量均在减少，其中前者持续减少，后者先增加后减少;黑龙江省天然湖泊数量持续减少，人工湖泊数量总体增加，呈先增加后减少的趋势;吉林省天然湖泊数量总体减少，呈先增加后减少的趋势，人工湖泊数量持续增加;辽宁省天然湖泊和人工湖泊的数量均在减少，其中天然湖泊数量先减少后增加，人工湖泊数量先增加后减少.

表3 东北地区天然、人工湖泊面积和数量Tab.3 The area and number of natural and artificial lakes in northeast China

2.3 湖泊质心偏移

2000-2010年间，湖泊质心向西偏移2°30'，向北偏移2°20'，整体向西北偏移327.07 km.2000-2005年间，湖泊质心向西北偏移342.72 km.2005-2010年间湖泊质心向东南偏移20.39 km.研究区内湖泊整体萎缩状态下，湖泊质心向西北偏移，说明西北方向湖泊萎缩面积相对较少.湖泊质心向西北方向偏移的原因可能为［16］:研究区东南方向综合经济发展水平及人口比重相对西北方向较大，东南方向工农业生产及生活用水量相应增加，造成东南方向湖泊萎缩程度大于西北方向，导致湖泊质心向西北方向偏移.

3 湖泊动态变化驱动力分析

湖泊水量变化主要受入湖径流、湖面降水、湖面蒸发和湖泊用水影响.研究区内湖泊处于萎缩状态，而引起湖泊萎缩的驱动因素主要有人文因素和自然因素2个方面，其中人文因素包括人口增加带来的压力和水利工程建设对水循环过程的破坏，自然因素包括气候变化及河川径流量的变化.

近代湖泊环境的变化，特别是短时间尺度百－十年尺度的环境变化与人文因素密切相关［17］，人文因素是研究区内湖泊动态变化的主要影响因素.水利工程的修建直接影响人工湖泊面积变化(表4)的同时，还导致下游及沿岸天然湖泊不断萎缩和消亡.研究区内天然湖泊的大幅减少是湖泊面积减少的主要原因.

表4 东北地区重点人工湖泊面积变化Tab.4 Area changes of key artificial lakes in northeast China

3.1 自然因素的影响

降水和径流作为湖泊的重要补给水源，其变化对湖泊的变化有重要影响.随着全球气候变暖，东北地区气候趋于干旱化.贺伟等［18］研究显示，1961-2005年东北地区总体气候呈现明显暖干化趋势.干燥的气候不仅导致湖泊萎缩，也促使湖泊湿地向草原和盐碱地转化，同时，湖泊湿地的退化改变了下垫面性质，更加剧了局部气候的干旱化.俞方圆［19］研究显示:1958-2008年，松花江流域降水量和气温分别呈微弱的下降和显著的上升趋势，同时，2000-2008年松花江流域主要水文站径流量均呈下降趋势.董李勤等对1978-2008年嫩江流域年均径流深进行分析发现，嫩江流域干支流径流深均有不同程度的减少［20］.河川径流的减少直接导致入湖水量的减少，造成湖泊面积萎缩.

对东北地区气温和降水的研究结果(图2)表明，10年间东北地区降水呈上升趋势，气温变化不大.结合表3可知，人工湖泊面积变化对近10年气候变化的响应较为明显，天然湖泊面积变化对10年间气候变化的响应不明显.

图2 东北地区气候变化Fig.2 Changes of climatic factors in northeast China

3.2 人类活动的影响

随着人口的不断增加，粮食需求量增大，人地矛盾加剧，许多湖泊湿地被改造成耕地，直接导致了湖泊萎缩甚至干涸.工农业生产、生活用水量的不断增加，加大了对地表及地下水资源的索取量，致使地表径流减少和地下水位下降，影响了入湖水量，地下水位的下降反过来加剧了地下水与湖泊水量的交换，为达到新的水量平衡，使湖泊水体大量补给地下水［21］，导致湖泊面积减少，水质咸化.

水库和堤防的修建改变了水文过程，截断了下游湖泊的补给水源，这些湖泊因得不到充足的水源而缺水，出现萎缩和干涸现象.据统计，松嫩水系已建有中型水库67座，小型水库413座，堤防长度达到6338 km，并修建了许多引水灌区［22］.嫩江流域“南引”、“中引”、“北引”等引水工程的建设，虽然满足了工农业用水需要，却减少了下游河流径流，给下游湖泊湿地带来负面效应，影响其生态、水文过程.研究表明，洮儿河上游察尔森水库以及灌溉水渠的建设使下游河流径流量减少［23］，“引洮入向(海)”和“引洮济霍(林河)”等工程进一步加剧了下游水资源短缺的问题，下游月亮泡等湖泊湿地因入水量逐年减少而出现萎缩、退化趋势.嫩江流域上游营建水库或引水用于农田灌溉，水源被大量截流或分流，使莫莫格保护区失去了补水源泉，改变了莫莫格湿地原来的水资源空间分布格局和自然水文情势，莫莫格由于得不到足够的水量补给，面积呈现出逐年下降的趋势［24］.

4 结论与建议

2000-2010年间东北地区湖泊处于萎缩状态，湖泊总面积减少了926.44 km2，其中天然湖泊面积减少了1024.5 km2，人工湖泊面积增加了98.06 km2.湖泊面积萎缩受自然因素和人类活动的共同影响，气候变化是湖泊面积萎缩的内在因素，而人类活动却加速了这种变化，即人类活动叠加在气候变化之上，对湖泊的变化产生了放大作用.干旱的气候和人类活动使湖泊湿地退化日益严重，而退化和减少的湖泊又加剧了局部气候的干旱化.

为了保护和改善湖泊生态环境，目前应该加强水资源的合理开发和高效利用;进一步重视流域内水利工程的系统化建设，统一协调上下游和湖区内外的关系;有效控制围垦规模，科学利用和管理土地;正确处理湖泊保护和合理利用的关系，促进人与湖泊的和谐发展和湖泊资源的可持续利用.深入开展湖泊的基础与应用研究工作，加强开展湖泊在气候变化和人类活动胁迫下的变化趋势研究，有助于我们应对区域日益严重的水资源危机和水安全风险，趋利避害，实现人类与自然的和谐共处［8-10］.

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