2000-2018年红碱淖湿地水面积变化及其保护对策

谢治国，连迎馨，吴惠萍，高学睿*，李 辉，宋瑜龙，袁毓婕

(1. 陕西省林业科学院 湿地与草原研究所，西安 710068；2.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3. 陕西省淳化县水旱灾害防御中心，陕西 咸阳 711200；4. 西北农林科技大学 农学院，陕西 杨凌 712100)

红碱淖湿地位于陕北榆林市北部，黄土高原与内蒙古高原的过渡地带，是我国面积最大的沙漠淡水湖，素有“大漠明珠”之称，其流域内分布着包括扎萨克河、蟒盖兔河等七条主要支流，对陕蒙地区的生态、经济和社会发展起着重要作用[1-2]。近年来，在气候变化和人类活动的双重影响下，红碱淖湿地面积不断萎缩，地下水位下降，水质盐碱化程度加深，流域生态安全遭受着严重威胁[3]。遥感技术的快速发展，为湿地生态系统演变监测提供了强有力的方法和手段，被广泛应用于监测湿地动态变化[4,5]。其中不少学者利用遥感技术对红碱淖湿地开展了相关研究，李登科等[6]基于1986-2007年间的遥感数据，分析认为1990年以来红碱淖湖水面积的急剧缩小是气候变化和人为因素综合作用的结果。杨立彬等[7]利用相关历史文献、水文地质调查和遥感图像，基于水量平衡原理，得出1929-2010年红碱淖湿地面积的变化经历了形成期——稳定期——急剧萎缩期等阶段。虽然针对红碱淖湿地生态系统演变规律的研究较多，但对其成因分析和驱动力解析研究相对较少。在气候变化和人类活动日益剧烈的条件下，为进一步强化保护和合理利用红碱淖湿地资源，给相关政策和技术的制定提供依据，我们借助遥感影像研究分析了红碱淖湿地的时空演变规律及其主要驱动因素。

1 研究区概况

红碱淖湿地位于陕西省与内蒙古自治区的交界处，地理坐标范围为39°04′～39°08′N，109°50′～109°56′E。2020年红碱淖湿地面积约为35 km2，大部分在陕西省境内(图1)，周围分布的扎萨克河、蟒盖兔河等七条季节性河流总流域面积约为1 500 km2。红碱淖湿地及其周围流域范围内多年平均气温约为8.7 ℃，平均最高月(7月)、最低月(12月)气温分别为21.3、-29.7 ℃，年均降水量约 400 mm，受半干旱大陆性季风气候影响，全年干燥少雨，降水分布不均。春季回暖升温快，夏季雨水充足，秋季天高气爽，冬季漫长寒冷。流域范围内多年平均相对湿度50%左右，年最大风速约为3.0 m·s-1，以西和西北风为主。

图1 研究区地理位置示意图

红碱淖湿地自然条件得天独厚，有着良好的生态环境系统，流域范围内植被覆盖度为30%～50%，有50余种野生禽类繁衍生息，是全球最大的遗鸥繁殖地与栖息地，湖水含盐度约3.5%，适合多种淡水鱼类生存。红碱淖地处毛乌素沙漠南缘，为典型风沙地貌，周围沙丘、流沙绵延不绝，其东侧为尔林兔草原，西侧拥有较为广阔的天然草场，水草丰盛，牛羊成群。近些年，随着经济社会的发展和人口的增长，流域内小麦、玉米、胡麻、向日葵等农作物种植面积逐年扩大，湿地流域范围内的河流水量越来越多地被人为截流用于农业、工业及生活用水，湿地水源萎缩。同时，周边矿产资源丰富，矿山开采活动在一定程度上破坏了流域地下水系统，也会在一定程度上影响红碱淖湿地。

2 数据来源及方法

2.1 数据来源

2.1.1 遥感数据 本研究利用遥感数据获取红碱淖湿地的水体面积。提取水体时使用Landsat系列遥感影像，包括Landsat5、Landsat7、Landsat8遥感数据，时间为2000-2018年。研究区在Landsat系列遥感影像中的空间条带编号为：行编号127，列编号33。遥感影像数据的各波段信息如表1所示。Landsat数据的时间分辨率为16 d，空间分辨率为30 m。

表1 Landsat系列遥感影响数据的各波段信息

2.1.2 地面气象数据 从中国区域高时空分辨率地表气象驱动数据集(CMFD中提取获得研究区降水、气温等气象数据。该数据集专门为研究中国陆面过程而制作[8],由遥感产品、再分析数据集和气象站现场观测数据融合而成，在空间上网格化。数据集的数据记录从1979年1月开始，一直延续到2018年12月，时间分辨率为3 h，空间分辨率为0.1度。CMFD数据集提供了7个近地表气象要素，包括离地表2 m处气温、地面气压、比湿度、离地面10 m处风速、向下短波辐射、向下长波辐射和时段降水量。

2.2 红碱淖湿地面积提取方法

以遥感数据为依据，利用谷歌地球引擎(GEE)对红碱淖湿地面积的变化规律进行分析。GEE是基于云计算的地理信息处理平台[9]，可以提供海量卫星影像、其他观测数据以及对这些数据处理的足够运算能力，在学界广泛应用。本研究借助GEE平台，采用多波段谱间关系法提取湿地水体面积。该方法关可以增大水体与其他地物的光谱差异，差异越明显，识别效果越好。用以体现这种差异的特征变量，在水体面积提取中常用光谱特征指数。本研究湿地水体面积提取过程中，采用的光谱特征指数有NDWI[10]、MNDWI[5]和EVI[11]。其具体计算公式如下：

NDWI=(B5-B4)/(B5+B4)

(1)

MNDWI=(B3-B6)/(B3+B6)

(2)

EVI=2.5×(B5-B4)-(B5+6B4-7.5B2+1)

(3)

式中，B2、B3、B4、B5、B6分别代表landsat8对应的波段反射率。

由于研究区下垫面地形地质和地表水体水质均不同，因此，同一类型地物在各波段的反射率值会有差异。为了尽可能减小由于波段反射率差异导致的水体识别结果的不确定性，本研究根据各种水体指数的优缺点利用多波段谱间关系，提取红碱淖湿地水体的面积。根据Zou[12]等人的研究结果，将满足MNDWI>NDWI，或者MNDWI>EVI且EVI<0.1两种条件的像元可判定为红碱淖湿地水体像元，反之则归为非水体像元。

3 红碱淖湿地面积变化规律及其影响因素

3.1 湿地面积时空演变规律

3.1.1 湿地面积年际变化 从每16 d一景影像遥感数据提取并平均得到的红碱淖湿地年际水体面积值(表2)可看出，红碱淖湿地水体面积在2000-2018年呈现下降趋势。分阶段来看，其水体面积呈现快速下降—缓慢下降—缓慢上升变化趋势，即红碱淖湿地水体面积经历了极速萎缩期—缓慢萎缩期—缓慢增长期等3个阶段，它们对应的时间段依次为2000-2011年、2012-2015年、2016-2018年；萎缩期对红碱淖的空间形态影响最大，以东南部最为突出，位其次是北部和西部。按《水文情报预报规范》GB/T22482-2008标准，2000-2018年间特丰水年份1年，偏丰水年4年，平水年9年，偏枯水年5年(表2)，平水年年份数占一半，丰水年和枯水年年分数都是5年，表明本研究时段红碱淖湿地水面积变化总体相对比较平缓，没有特枯水年。

表2 红碱淖湿地水体面积年际变化

3.1.2 典型年份不同季节的水面积变化 按照时间间隔均匀性原则确定的四类丰枯年份不同季节的水面积变化如表3、图3所示，可以看出，红碱淖湿地水体面积在特丰、平水、偏枯年内从第一季度到第四季度均呈现先上升后下降趋势，偏丰年呈现从第一季度到第四季度上升趋势，特丰年湿地水体面积均值为60.45×106m2，偏丰年湿地水体面积均值为54.75×106m2，平水年湿地水体面积均值为46.71×106m2，偏枯年湿地水体面积均值为40.95×106m2。

表3 丰欠典型年份水体面积季度变化

图2 典型年份不同季节水面积变化

3.2 主要影响因素分析

3.2.1 气象因素 根据已有研究，降水和气温是影响红碱淖湿地面积变化的两个主要气象因素。红碱淖湿地所在流域年降水量在2000-2011年呈现下降趋势，2012年以后该区域年降水量呈现较明显的上升趋势。上述变化规律与红碱淖2000-2018年湿地面积的变化过程十分吻合。与此同时，气温的上升会增加湿地水体的蒸散发量，从而在一定程度上减小湿地水体面积。总体而言，降水对红碱淖湿地面积的变化呈现正向作用，而气温则呈现负向作用。

3.2.2 人为因素

(1)农业灌溉

红碱淖地处干旱半干旱沙漠地区，土地沙化严重，土壤肥力低下，广种薄收。建国后政府组织实施农田水利建设，植树种草，疏通渠道，改良土壤。2018年湖域周边耕地(平原旱地)面积达2.25万公顷，占流域面积15.0%。因此沿湖农田灌溉需水量大，造成局部区域地下水超采，地下水位持续下降，汇集到红碱淖的水量也相应减少。因此，农业灌溉用水增加造成红碱淖湿地水体面积减少。

(2)水利工程建设

河流和地下水是红碱淖补给的重要渠道，补水减少是导致红碱淖面积萎缩的关键因素之一。红碱淖原有的7条季节性补给河流，营盘河上游2005 年修建了扎萨克水库，蟒盖兔河上游2009年修建了高梨庙沟水库，阻断了来自内蒙古的这两条主要河流补水水源；除尔林兔河和七卜素河依然补给外，其他河流相继断流，修建水库等水利工程和河流断流给红碱淖湿地水体面积减少产生了重要影响。七卜素河2012年治理河道25 km，2013年修建链锁式护岸7.5 km，2015年续建链锁式护岸10 km，2017年修复水毁护岸，这些河道整治水利工程有利于红碱淖湿地水体恢复、管理和保护。

(3)矿产开采

红碱淖地处煤炭资源丰富地带，2010年规划的新街矿区面积2 189 km2，红碱淖约1/4水面在井田范围内。从2005年开始中国石油华北油气分公司在札萨克镇、尔林兔镇、中鸡镇等区域进行天然气勘探开采，至2015年底红碱淖保护区内有天然气气井44口、集气站2处。高强度的煤炭和天然气开发在带动当地经济迅猛发展的同时，也造成了土地沉陷、地下水位下降、地下水系统遭受破坏等现象，也一定程度加剧了红碱淖湿地水体面积的减少。

(4)生态林建设

红碱淖流域地处丘陵地区，地势较高，农业以种植业和养殖业为主，种植业以粮食作物为主，主要有春小麦、大麦、玉米等，其次为油料和经济类作物；主要依靠广阔天然草场的养殖业，目前以设施养殖为主。为抵御西临的毛乌素沙地风沙危害，保护农田和草场，防护林以人工营造的防风固沙林、农田和牧场防护林为主，每年造林面积约20 km2，多为灌木林，乔木林较少。

当地大规模的生态林建设在一定程度改善当地植被状况的同时，也因植被耗水影响湿地水面积减少。自2006-2008年，红碱淖开始实施环湖绿化生态环境改善工程，湖区周边绿化面积从20%增至45%。2018年湖域范围内林地面积59 km2，占流域面积3.9%，草地面积846 km2，占流域面积56.7%。年NDVI均值从0.327增加至0.482，对沙漠地区生态环境的改善产生了极其重要的影响。但在当地约450 mm的年降水量无法满足植被生长需求时，则需开发利用浅层地下水，一定程度降低地下水位，进而造成水域面积和湿地面积减小。

(5)人工补水

红碱淖生态保护备受关注，2012-2014年当地政府累计投入6亿元，用于加大红碱淖生态环境保护。2012年红碱淖被列入全国湖泊生态环境保护项目，获得生态环境部和财政部的支持。2015年陕蒙两省区水利厅签署红碱淖保护工作备忘录，通过札萨克水库放水为红碱淖补水，每年补水100万～150万立方米。2016年10-11月札萨克水库开闸放水十多天，放水总量为100万立方米，湖面上升2～2.5 cm。人工补水对红碱淖湿地水体面积恢复作用明显。

4 红碱淖湿地保护与修复对策

红碱淖湿地所处陕西省长城沿线风沙区气候干燥，地表水资源量锐减，城市化进程加快，大规模煤油气田开发用水量激增、对地下水系统干扰加剧，湿地保护和合理利用威胁增多、程度增强，缺乏统一规划和协调机制，因此，红碱淖湿地保护与修复应重点聚焦以下几个方面。

4.1 加大管理力度，建立湿地保护与修复约束机制

湿地作为生态资源，其经济价值容易被忽视，也往往缺乏保护和修复的明确责任主体。对此红碱淖湿地保护和修复应加强顶层设计和规划，明确湿地保护的责任主体、职责权限、管理程序、行为准则和法律责任；强化约束机制，建立健全自然资源资产产权制度、湿地生态效益补偿制度、湿地保护目标考核制度、湿地动态监测和预警制度；加大红碱淖湿地保护工程投入，保护湿地面积，提升湿地生态系统的整体功能，提高湿地生态服务功能和湿地产品供给能力，促进生态改善和民生改善。

4.2 深化区域合作，建立跨区域湿地用水保障机制

红碱淖流域地跨陕西和内蒙古两个省区，其部分水源来自上游内蒙古自治区。近年来随着经济快速发展和区域水资源供需矛盾日益突出，上游修建水利工程拦截了大量水资源，造成红碱淖湿地来水量骤减，湿地生态系统平衡受到严重威胁。应科学合理制定红碱淖湿地保护规模和目标，并据此确定适宜的生态用水需求总量和过程线；深入推进跨区域生态用水联合保障机制建设，强化流域水资源统一管理，协调上下游用水，合理配置生产、生活及生态用水，严守河道生态最低流量红线，确保红碱淖湿地的水源得到有效保障。

4.3 加强科学研究，完善红碱淖湿地生态监测体系

近些年，遥感技术、大数据、物联网等性技术的快速发展为湿地生态系统监测提供了强有力的技术支撑。红碱淖湿地生态系统监测体系十分薄弱，以下几方面亟需提升改善：一是生态功能特征监测，应充分利用卫星遥感、无人机遥感和定位传感器监测等手段，强化监测湿地水面面积、水位、植被生长状况等，为湿地保护与利用提供科学依据；二是水生态环境监测，应重点监测湿地水体及周边支流的水文、水质、水环境状况，保障红碱淖湿地生态系统健康发展；三是加强湿地动物种群监测，准确掌握鸟类、鱼类等湿地生态系统重要组成变化动态，维持湿地动物种群稳定发展。

4.4 解决湿地保护资金投入不足、法律不健全问题

资金投入不足是红碱淖湿地保护工作面临的一大问题。由于资金匮乏，已建成的湿地保护区不能完全发挥应有的保护功能，必要的湿地保护基础研究工作未充分开展。应积极争取中央财政资金，加大地方财政的支持力度，按照“权、责、利”相统一的原则，合理划分中央和地方政府在湿地保护方面的责任，丰富资金投入渠道。此外，要健全湿地保护法规，严格按照《陕西省湿地保护条例》做好红碱淖保护工作，进一步强化和细化各相关部门的具体职责，理顺工作关系，完善工作机制，加强工作统筹，形成工作合力。加强对自然湿地保护的监管，实施负面清单管理，依法对湿地利用进行监督，严厉查处违法利用湿地的行为，对造成湿地生态严重破坏的责任单位和个人要责令其限期恢复，并依法追究责任。

4.5 加强宣传教育，提倡全民保护

湿地保护是一项新兴事业，社会公众对湿地的认知度不高，未把湿地作为一个完整的生态系统来对待，对湿地的生态价值和保护湿地的重要意义尚未形成共识，湿地保护宣传教育工作的广度、力度、深度亟待加强。应大力加强宣传教育，提高民众湿地保护意识，营造保护湿地的良好社会风气。