人类活动和气候变化对艾比湖湖泊面积的影响.doc
人类活动和气候变化对艾比湖湖泊面积的影响周驰1 ,2 ,3 ,何隆华1 ,杨娜4( 1 中国科学院 南京地理与湖泊研究所 ,南京 210008 ;2 中国科学院 研究生院 ,北京 100039 ;3 国网电力科学研究院 信息技术研究所 ,南京 210003 ;4 武汉大学 水资源和水电工程科学国家重点实验室 ,武汉 430072)摘要 :新疆艾比湖地处我国西北干旱区 ,为典型的内陆封闭性湖泊 ,由于受内陆极端干旱气候及人类活动的影响 ,导致湖泊面积显著变化 。湖泊面积变化所导致的生态环境恶化已成为制约当地社会经济发展的重要因素 。以 不同年份的多源遥感数据为数据源 ,分析了 1972 2008 年湖泊面积变化情况 ,并分析了特征年内湖泊面积变化的 原因 。认为气候要素中降水对湖泊面积影响较大 ,另外 ,人类活动引起绿洲变化 ,而绿洲农业灌溉用水对湖泊面积 变化影响较大 。同时 ,还分析了湖泊萎缩引起的湖泊水质恶化以及湖滨植被退化和区域沙漠化等环境效应 ,结果 表明 ,湖泊面积是流域生态保障的重要指标 ,可作为反应湖泊流域生态情况的重要指标 。由此提出了保护艾比湖 生态环境的若干建议 。关键词 :湖泊面积 ;生态环境 ;遥感 ; GIS ;艾比湖中图分类号 : P532文献标识码 : A文章编号 :025621492 (2010) 0220121206湖泊可持续利用与管理是当今世界水问题研究的热点 ,也是我国西部生态环境脆弱地区社会经济 可持续发展的关键问题 。湖泊对发展经济维持区域 生态环境平衡起到了重要的作用 ,然而 ,由于大量围 垦和拦截地表水流等人类活动致使湖泊面积变化剧 烈 ,许多湖泊日渐萎缩甚至消亡 。我国西部干旱区 湖泊萎缩干涸现象较多 ,但是 ,这些区域很难通过常 规观测手段获得整体湖面变化信息 。结合利用 R S 与 GIS 技术进行湖泊资源调查 ,能够实时获取大尺 度的湖泊信息 ,进行湖泊信息时空分析 ,有效地获取 和分析湖泊变化信息 ,从而达到对西部湖泊动态变 化研究的目的 ,同时 ,也为湖泊及生态环境保护和西 部水资源的合理开发与利用提供重要的基础资料 。 艾比湖位于新疆博尔塔拉蒙古自治州精河县西北部 (44°54 45°08N 、82°35 83°10E) 、准噶尔 盆地的西南隅 ,西北紧邻著名的风口阿拉山口 ,是新 疆最大的封闭性咸水湖 ( 图 1) 。湖水平均深度 11 4 m ,最 大 水 深 3 m , 湖 底 平 坦 , 坡 度 为 01 15 01 37 ,湖面海拔 189 m ,湖盆为最低洼地 ,是地表 水和地下水的汇集中心 。艾比湖湖区降水稀少 ,蒸发量大 ,为典型的中温带干旱性气候 。其多年平均降水量约为105 mm ,年潜蒸发量 2 221 mm 。艾比 湖流域总径流量 371 46 ×108 m3 。其中 ,年径流量大 于 1 ×108 m3 的河流有 7 条 ,历史时期可直接注入湖 中 1 。2 0 世 纪 5 0 年 代 以 来 , 由 于 区 域 人 口 迅 速 增基金项目 :中国湖泊水质 、水量和生物资源调查项目( 2006 F Y110600)作者简介 :周驰 ( 1984 ) ,男 ,硕士生 ,主要从事资源环境遥感研 究 , E2mail :zho uchi1984 ya hoo . co m. cn收稿日期 :2009206221 ; 改回日期 : 2009208227 . 文凤英编辑图 1 新疆艾比湖遥感影像Fig. 1 Remo te sensing image of Ebinur L a ke加 、工农业发展引水量大增以及水利工程的修建 ,流入艾比湖的地表径流不断减少 ,持续补给艾比湖的 只剩博尔塔拉河和精河 ,其余河流则以潜流方式流 入湖盆 ,入湖水量的快速减少导致湖泊萎缩 ,湖泊水域面积变化较大 。近年来 ,艾比湖研究主要集中在以下几个方面 : (1) 关于湖区沙尘暴的起因 、危害及治理方略 的 研 究 223 ; (2 ) 关 于 艾 比 湖 流 域 第 四 纪 环 境 方 面 的 研 究 425 ; (3 ) 湖 泊 水 面 变 化 的 特 征 和 原 因 分 析 及 影响 627 ; (4) 艾比湖生态环境特征及其保护措施的研 究 8211 。本文将通过对湖泊年际和年内变化情况进 行分析 ,结合气象资料和人类活动变化来探讨湖泊 变化的主要原因 ,并分析湖泊面积变化对湖区生态 环境的影响 。2 . 1湖泊面积变化情况艾比湖在过去几十年内 ,湖泊面积发生了剧烈的变化 。湖泊面积年际变化情况如图 2 所示 ,湖泊 面积从 1972 年以来先呈减少趋势 ,到 1990 s 有所回升 ,上升幅度不大 ,呈小幅度波动 。但在 2000 年后 ,艾比湖面积发生了急剧的增加 ,在 2003 年增加到了837 k m2 ,比过去 30 年内 ( 1970 s 以来) 的最大面积 值还多出将近 40 % ,之后虽然又下降 ,但在 2002 年至 2005 年这 4 年内的湖泊面积却是近 30 年内最大 的几年 ,且增加幅度很大 。自 2003 年以后湖泊面积 逐年减少 ,至 2008 年湖泊面积仅 408 k m2 , 成为近 几十年来湖泊面积最小的年份 。资料与方法1本次研究湖泊面积提取使用了 1972 年 M SS 数据 ,1990 年和 2001 2008 年 TM 的 9 10 月份数 据 ,2004 年 3 12 月 MOD IS 影像数据 ,其他年份数据引用其他资料数据 1 。L a nd sat 数据来自 L a nd2sat 共享数据网 ,MOD IS 数据来自 N A SA 网站 。在 ERDA S 软件的支持下对 L a ndsat 数据进行 处理 ,首先 ,对各影像数据进行条带噪声消除处理 , 处理后的数据使用标准假彩色合成 ,然后 ,对图像进行了精校正 ,误差要求为一个像元 ,从而实现几何纠 正和归一化坐标系目标 。最后 ,对遥感影像进行影 像增强处理 ,去除图像噪声使水陆边界明显以便于 提取湖面边界信息 。而 MOD IS 数据是在 EN V I 软 件下 ,完成自动校正和转投影工作 。最好在 GIS 软件 A RC GIS 平 台 下 , 根 据 图 像 光 谱 特 征 和 纹 理 特 征 ,提取出历年湖泊的边界 。艾比湖入湖径流主要来自于其周围的两大河流 精河和博尔塔拉河 。而流域范围内有两个气象站 , 分 别 是 精 河 站 和 阿 拉 山 口 站 , 通 过 对 这 两 个 站1970 2008 年气象数据的收集和分析 ,来研究艾比 湖面积在各气象要素影响下所发生的变化 。对湖泊 面积与两站的气象因子做相关性分析 ,以分析气象 因子对湖泊面积变化的 影响 。1970 2008 年 艾 比 湖温度 、降水等气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网 。图 2 艾比湖湖泊面积年际变化Fig. 2 A nnual variatio n in water area of t he Ebinur L a ke由于 2004 年 前 后 湖 泊 面 积 变 化 显 著 , 故 选 取2004 年做特征年对湖泊面积的年内变化情况进行 分析 ,其湖泊面积逐月变化情况如图 3 所示 。图 3 2004 年艾比湖湖泊面积动态图Fig. 3 Cha nge in water a rea of t he Ebi nur L a ke in 2004由图 3 可知 ,艾比湖湖泊面积变化季节性特征表现明显 ,3 月份湖滨地区的积雪开始融化 ,入湖水 量丰富 ,加之冬半年气温低 、蒸发量少 ,故该月份湖水位最高 ;5 月份博尔塔拉河枯水期开始 ,由于农业 大量用水 ,截取入湖径流 ,加上夏季气温高 ,蒸发强烈 ,使湖水位逐渐下降 ; 9 月中旬 ,新疆地区日照时 间增长 ,湖面蒸发严重 ,且农田用水量较大 ,使艾比 湖原本较浅的水位下降 ,面积缩减 ,湖泊面积在 9 月结果与分析2呈现为最小的时期 ;随后 ,秋冬季节随着蒸发量的减少 ,农业用水量减少 ,湖泊水位逐渐恢复上升 ; 直到 翌年的 3 月份 , 积雪 融化 , 艾 比 湖湖 泊水 位再 次 上 升 ,湖泊面积增大 。2 . 2气象因子对湖泊变化的影响在全球气候背景下 ,西北干旱区的主要组成部分 新疆地区的气候也发生了变化 。其主要表现 为降水普遍增多 ,气温微弱上升 。据新疆气象局资料 ,20 世纪 90 年代新疆气温升高了 01 3 ,但降水 量却比 80 年代增加了 20 %50 %不等 。新疆地区 的主要湖泊 , 博斯腾 湖 、艾比 湖 等降 水量 普遍 偏 多5 %10 % 。夏季降水量偏多 5 %20 % ,降水量增 加直接导致河流水量增大 。2005 年水情年报记载 ,2005 年新疆降水量比多年平均值偏多 20 %以上 ,地 表水资源量比多年平均值偏多 10 %20 % 12 。通过对精河站和阿拉山口站 1970 2008 年气 象数据的收集和分析 ,来研究艾比湖湖泊面积在各 气象要素影响下所发生的变化 。根据前人的研究成果及各气象要素资料的可获得性 ,选择了平均气温 、 平均相对湿度 、降水量 、平均风速 、日照时数 5 个气 象要素进行分析 。分别计算各个站点各要素与湖泊面积的相关系 数 ,其最终值如表 1 所示 。图 4 归一化后平均降雨量和湖泊面积相关图Fig. 4 Co r relatio n bet ween average rainf all a nd la ke area af ter no r malized综上所述 ,可以初步认定 ,艾比湖湖泊面积在年际和年内变化都非常显著 ,而气候及人类活动的影 响是影响艾比湖湖泊面积发生剧烈变化的两个重要 因素 。2 . 3人类活动对湖泊变化的影响人类通过多种方式对湖泊产生影响 ,最显著的人类活动就是流域内农业用地的增加 ,灌溉水量的 增加 ,大量地引用入湖径流 ,从而影响湖泊面积 。20 世纪 70 年代至今流域绿洲发生 了 显著 的变 化 ( 图5) 。根据野外实地考察数据 ,采用最大似然分类法 ,在软件 ERDA S 下对 20 世纪 70 年代以来 4 个时期10 月左右的遥感影像进行监督分类 ,最终分类精度 均在 99 %以上 ,将研究区分为三类 : 水体 ( 蓝色) 、绿洲 (绿色) 、其他类型用地 ( 灰色) 。其中绿洲为农用 地 、林地 、生水植被和不同覆盖度的草地 。除湖泊水表 1 各气象要素与新疆湖泊面积相关系数Ta ble 1 Co r relatio n coefficient s fo r met eo rolo gical f acto r s a nd la ke a rea 平均气温平均相对湿度平均风速日照时数站点降水量其他划分为其他类型用地 13 。体和绿洲外 ,阿拉山口站精河站- 0 . 416 60 . 364 60 . 416 70 . 059 2- 0 . 557 21972 1990 年期间 ,绿洲的面积呈明显的扩大趋势 。期间大规模的水土开发和垦荒 ,使得大量自 然条件相对较好的沟壑 、盐碱地 、裸土地 、荒滩 、荒坡 、荒漠 、戈壁开发为农田 、林地 、草场等 ,其增加面积占绿洲面积比例增加 ,而非农作物绿洲增加面积 所占比例不大 。农林用地面积大增使农业用水水量 增加 ,这也是湖面萎缩的一个主要原因 。1990 2001 年期间 , 绿洲面积继续扩大 , 但 较 前一阶段有所减缓 ,且随着农业生产力水平的提高 , 采用喷灌等节水技术 ,用水量变化不大 ,湖泊面积相 对稳定 。2001 2007 年期间 ,虽然绿洲面积增加速度有所减缓 ,但增加总量很大 ,且增加用地类型仍主要为 农田 。农业用水量大 ,加上降雨和径流减少 ,这一时 期湖泊面积萎缩严重 。- 0 . 241 70 . 466 50 . 390 6- 0 . 010 1- 0 . 490 0可见湖泊面积与各因素的相关关系大小不一 ,其中与气温和日照时数呈反比 ,与降雨量和平均相 对湿度呈正比 ,而与平均风速相关性不大 。表 1 中两个站得到的信息虽然不是十分一致 , 但可得出平均相对湿度和降水量与湖泊面积的相关 系数较大 ,其中平均相对湿度又与降水量是密切相 关的 。为了较为形象地反映这一结论 ,列出图 4 予 以说明 。图中的平均降水量是对两站的数据进行加和求平均值处理后归一化的数据 ,由图中也可以明 显看出 ,平均降水量与湖泊面积的变化具有很强的 相关性 ,即随着降水 量的 增 多 , 湖泊 面积 也相 应 增 加 。图 5 各时期新疆绿洲分布的遥感影像Fig. 5 Cla ssificatio n grap h of remo te sensi ng images of oa si s di st ributio ns in diff erent times的 。风沙作用致使湖滨带植被衰退 ,加速了湖面萎缩 。而湖面面积减小 ,导致大面积湖底裸露 ,湖底沉 积物在大风天气过程中成为新的沙尘 ,为风沙天气 产生创造了条件 。由于艾比湖萎缩造成的裸露湖底位于阿拉山口 风口的下风向 ,使 1 500 k m2 的干涸湖底成为巨大的2 . 4艾比湖面积变化对湖区生态环境的影响近几十年来 ,由于湖泊萎缩引发湖泊水质恶化 、湖滨植被退化和流域内沙漠化等环境问题 ,进而造 成艾比湖景观格局发生变化 ,生态环境恶化 。2 . 4 . 1对湖泊矿化度的影响艾比湖形成于第四纪高山冰雪融水丰沛时期 ,在鼎盛时期 ,面积为 3 0003 500 k m2 ,贮水量 7001000 亿 m3 ,为水质良好的淡水湖 。荒漠带沙源地 ,且其以每年 391 8 k m2 的速度增加 。艾比湖周围原已固定 、半固定的沙丘大量活化 。艾比湖南部沙丘前 移 速度 从 20 世 纪 70 年 代 每年 以13 m 发展到 90 年代的每年 30 m 15 。此外 ,据自治 区环保局测算 ,因湖泊萎缩形成的干涸湖底 ,在太阳 曝晒下产生盐尘细小颗粒 ,在阿拉山口的大风作用下 ,盐尘颗粒可以被气流携带至 5 000 k m 以外 ,对表 2 艾比湖的湖泊面积和矿化度 (矿化度数据来自文献 7 ,14 )Ta ble 2 L a ke a rea and salinit y of Ebinur L ake ( t he dat a a bo ut sali nit y f ro m ref e re nce s 7 ,14 ) 年份195019721990 2001 20052007整个华北地区的植被 、农作物和人民生活构成威胁 。湖泊面积/ k m2矿化度/ ( g ·L - 1 )1 200596 . 2534 . 5 536 . 9 525 . 4172 110115 129465 . 9据精河县 气 象 局 数 据 , 60 年 代 平 均 浮 沙 天 气01 6 天 ,80 年代 501 8 天 ,90 年代 561 4 天 ,而 2001 2005 年平均 41 4 天 7 。八九十年代沙尘天气增多 ,主要与因湖泊面积萎缩 、植被破坏和覆盖度低的绿 洲区域形成荒漠有关 。所以 ,维持艾比湖的水域面 积 ,对艾比湖地区小气候产生影响 ,有利于沙尘天气 降低 。2 . 4 . 3 对湖岸绿洲的影响湖泊对干旱区绿洲的形成 、发育起着重要的作 用 。湖泊面积变化影响地下水位 ,从而对湖泊周围70-170由表 2 可知 ,50 90 年代 ,湖泊面积剧减 ,湖水矿化度增幅较大 。2000 年以后 ,由于对湖水水质的 整治力度加大 ,以及湖泊面积的相对稳定 ,矿化度缓慢增加 ,变化不大 ( 2005 年面积为南部湖区面积) 。2007 年湖泊面积陡降 ,其矿化度出现了大幅增加 。2 . 4 . 2对湖岸沙漠化的影响 湖泊面积的变化和风沙天气的形成是相互作用绿洲植被的个体生长 、群落演替和多样性产生影响 。地下水位降低 ,将使得湿地植被因缺水死亡 ;水位突 然升高 ,旱生植被则会被演替 。由历史资料可知 16 :1950 s 以前 ,艾比湖周围有梭梭林 61 67 万 h m2 ,胡杨林 31 78 万 h m2 ,芦苇 41 67万 h m2 ,1978 年时梭梭林和胡杨林不到 4 万 h m2 ,1990 年芦苇面积仅 11 39 万 h m2 。湖区外围地带性 植被呈现退化状态 ,植被盖度和植物多样性降低 ,灌 木 、半灌木有向一年生草本植物群落退化的趋势 。最后必须提高水资源利用率 ,合理利用每一滴水 。(2) 改善湖泊生态环境 湖区的植被和草地已大面积退化和土地沙化 ,所以在退耕还林方面 ,还需加大资金投入 ,用于恢复湖区植被和草场 ,并且选择合适植被种类 ,尽量防止 自然和人为破坏草场 。阻止滩地资源的过度围垦 , 保护湖泊滩地湿地生态系统和生物多样性的生态系 统 。应本着保护与开发并重 ,利用与建设同步的原 则 ,加强对湖泊资源的开发和管理 。(3) 湖泊面积实时保护 艾比湖每年的耗水量很大且还在不断增加 ,而补给量却相对固定 。对比罗布泊 ,一个面积巨大湖泊 ,因孔雀河等入湖河流的断流而消亡 。艾比湖与 其有很多相似之处 ,加上艾比湖不合理的人口密度和生态用水与经济用水的巨大矛盾 ,湖泊水量收支 严重失衡 。因此 ,湖泊水量除节流 ,减少流域内耗水量 ,还应开源 ,加快引水工程和增加其他河流的入水量 。同时设置水域保护线 ,确保湖泊有相当的面积 ,并通过遥感实时监测面积变化 ,为维护整个湖区的 生态系统稳定护航 。致谢 :本文写作受到吴敬禄老师悉心的指导 ,在此表示诚挚的感谢 。结论和建议3艾比湖是准噶尔盆地西南部诸河流的尾闾 ,又处于阿拉山口大风之下 ,生态环境十分脆弱 ,艾比湖 湖面变化以及生态环境劣变 ,将直接影响艾比湖流域乃至整个天山北坡经济带的社会经济发展 。通过本文分析可以看出 , 1972 年至 2008 年艾比湖湖面 积波动变化 ,湖面的缩小与人类活动和气候因素有 紧密联系 。艾比湖作为一封闭的内陆湖泊 ,其萎缩的直接原因是由于入湖水量急剧减少而引起的 ,而 入湖水量减少的主要原因是人类活动用水 。艾比湖 流域内绿洲变化可以看出近几十年人类的活动 ,突 出表现为农用地大面积增加 ,从而用水量持续增大 。 而 2002 2005 年湖泊面积整体增大 ,表明气候条件 变化对湖泊面积变化也有很大影响 。湖泊面积变化也引起系列生态环境问题 ,艾比湖水位的波动变化 导致湖滨植被带的移动 ,裸露湖底成为沙源等 。人 类活动和气候影响着湖泊面积的变化 ,同时湖泊面 积变化也影响着湖区生态环境的变化 。虽然近年来 ,采取退耕还林 ,培育生态林 ,大力推广高效灌溉节水技术等一系列措施 ,生态环境有 了一定的改善 。但近年来湖泊面积持续减少 ,2008 年湖泊面积已降至近几十年来最低 ,将对湖区环境 的影响和区域保护提出新问题 ,因此 ,艾比湖湖泊面 积保持及其流域 生态 环 境的 改善 , 仍 任 重而 道远 。 就此提出几点湖泊和流域环境保护的建议 :(1) 水资源合理开发和利用 艾比湖流域属资源型缺水地区 ,流域内用水状况与艾比湖息息相关 。因此 ,首先应该分析艾比湖 流域水资源可利用量 ,计算天然生态植被和维护湖泊面积生态环境的最小需水量 ,为湖泊面积变化研 究提供资料依据 。其次应从流域水资源的开发利用 及保护角度 ,必须坚持可持续发展原则 ,实现水资源 全流域统一规划 。此外 ,应协调水资源合理分配 ,积 极发展高经济效益产业 ,兼顾生态效益与经济效益 。参考文献( Ref erences)贾春光 ,王晓峰 ,杨龙 ,等. 艾比湖水位变化对湖区生态效益影响的初探J . 新疆师范大学学报 : 自然科学版 , 2005 , 24 ( 3 ) :1412144 . 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