湖泊作为陆地水圈的组成部分,参与自然界的水分循环,其水域变化是其所在流域水量平衡的综合结果[1],对气候的变化极为敏感[2,3]。据统计,全国共有面积大于1.0km2的湖泊2693个,总面积81414.6km2[4]。近年来,伴随着湖区荒漠化、生态退化、自然灾害频发等问题日益严重,湖泊研究越来越受到人们的关注[5,6]。很多学者对湖泊进行了较为系统的研究,主要集中在长时间序列湖泊面积变化、湖泊水位变化和湖泊的水量平衡[7,8,9],研究区域涉及青藏高原湖区、西北干旱湖区、云贵高原湖区、东北平原与山地湖区、东部平原湖区等典型区域[10,11,12,13,14]。

内流区是指地表径流不与海洋相通的地区[15],按照一级流域划分方案,全国现有7个一级内流区[16],除伊犁河流域外均有面积大于100km2的湖泊分布[2,4],主要包括青藏高原湖区和西北干旱区湖区[2,16],湖泊水资源一直是影响区域经济发展的关键因素[17]。在内流区的大部分湖泊,只有入湖流量补给,而无流出,更能反映流域内气候变化,湖水损耗主要是湖面蒸发和人类活动[2]。由于研究目的不同,国内学者尚未对我国内流区湖泊动态变化进行详细研究,因此缺少内流区间的湖泊变化差异对比分析,亟需应用遥感资料和地理信息技术建立我国内流区2000年以来较长时间序列的湖泊空间数据库,明晰我国不同内流区湖泊变化差异及影响因素,从而为我国内流区生态、经济建设乃至跨流域调水提供数据支持和理论依据。

1、研究区概况

我国内、外流区大致沿大兴安岭西麓—内蒙古高原南缘—阴山—贺兰山—祁连山—日月山—巴颜喀拉山—念青唐古拉山—冈底斯山一线分布,此线以西,除额尔齐斯河流入北冰洋外,基本上属于内流区[4]。按照流域划分体系,我国一级内流区主要包括青藏高原腹地、柴达木盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地、阴山北部、祁连山北部和伊犁河内流区(见图1)[16]。内流区气候干旱、降水稀少,区内湖泊以盐湖和咸水湖为主,淡水湖较少,有冰雪融水补给,来水较丰,因此湖泊具有较大的面积,深度也较大[2]。考虑到湖泊受季节影响较为强烈[18],湖泊面积越大越稳定[17],因此选取内流区内所有面积大于100km2的88个湖泊作为研究对象,区内除伊犁河流域外,其他流域均有此规模的湖泊分布,基本能够代表我国内流区湖泊变化特征。

图1中国内流区范围及其境内主要湖泊分布

2、数据和方法

提取中国一级内流区范围,采用地理空间数据云提供的空间分辨率为90m的SRTM,参考《中国湖泊志》确定研究区湖泊位置及名称[2]。湖泊矢量基础数据参考“中国2005—2006年1∶25万面积1.0km2以上湖泊分布数据集”[19]、“2000—2011年可可西里地区主要湖泊边界矢量数据”[7]、“2000—2014年中国西北地区湖泊边界矢量数据”[18]。此外,于USGS网站下载317景LandsatTM/ETM+遥感影像,用以补充解译缺失年份的湖泊矢量数据,从而形成“2000—2014年中国内流区湖泊矢量数据集”。为保证补充解译的湖泊矢量数据与参考数据的统一,用于补充解译的影像时间集中于湖泊状态较为稳定的10月,仅有21景影像采集时段为9月和11月。

基于SRTM地形数据,利用ArcGIS9.3水文模型提取中国一级内流区范围,结合GoogleEarth软件以及Ma等[4]和张国平等[16]的研究成果,对提取结果进行验证,确保提取的流域与实际湖泊水系特征相吻合。湖泊边界矢量通过人工目视解译获取,解译标准参照中国国家科技基础性工作专项“中国湖泊水质、水量与生物资源调查”制定的原则[4],解译精度控制在一个像元以内。

3、结果与讨论

3.1中国内流区湖泊现状

根据流域划分方案[4,16],中国共有29个一级流域,其中内流区2014年面积大于100km2的湖泊共88个(见表1),总面积32018.46km2。青藏高原腹地湖泊数量最多、面积最大,分别占内流区湖泊总数的77%、总面积的69%;其次是柴达木盆地,分别占湖泊总数的14%、总面积的20%;塔里木盆地和祁连山北部仅有博斯腾湖和东居延海面积大于100km2,伊犁河流域无大于100km2的湖泊。

表12014年中国内流区面积大于100km2的湖泊数量

3.2中国内流区湖泊面积变化特征

2000—2014年中国内流区湖泊面积持续增大(见图2)。2000年内流区88个面积大于100km2的湖泊总面积为28771.13km2,2014年为32018.46km2,14a增加了3247.33km2,平均每年增加231.95km2。2000—2002年与2009—2012年内流区湖泊总面积增加最为明显,均超过了1000km2。

图22000—2014年中国内流区湖泊面积变化情况

3.3中国内流区各流域湖泊变化特征

由图3可知:2000—2014年青藏高原腹地和柴达木盆地湖泊面积呈增大趋势,2014年比2000年分别增加3336.19、311.28km2,增速分别为222.41、20.75km2/a;塔里木盆地和准噶尔盆地湖泊面积在2002年、2003年最大,之后呈萎缩趋势,2014年比2000年分别减小216.32、228.74km2;阴山北部和祁连山北部湖泊面积在2003年最小,之后呈增大趋势,2014年阴山北部湖泊面积比2000年减小2.79km2,而祁连山北部湖泊面积增大47.71km2。

图32000—2014年中国内流区各流域湖泊面积变化

3.4中国内流区湖泊面积变化空间差异

2000—2014中国内流区主要湖泊面积变化及分布情况见图4,可以看出,各湖泊面积变化存在一定的差异性。把湖泊面积变化分为增大、减小、先增大后减小、先减小后增大4种情况,其中:面积增大的湖泊最多,有61个,全部位于青藏高原腹地和柴达木盆地;其次为面积减小和面积先减小后增大两种湖泊,均有11个,散布在整个内流区;面积先增大后减小的湖泊有5个,分别为青藏高原腹地的拜惹布错和班戈错、准噶尔盆地的艾比湖和赛里木湖、柴达木盆地的卓乃湖。

图42000—2014中国内流区主要湖泊面积变化及分布情况

为比较湖泊面积变化的差异性,分别计算2014年与2000年各湖泊面积变化百分比(见图5)。其中:2014年72个湖泊面积比2000年有所增大,占内流区湖泊数量的82%。卓乃湖和艾比湖面积减幅接近40%,博斯腾湖等14个湖泊面积减幅小于30%,青海湖和纳木错等38个湖泊面积增幅小于20%,28个湖泊面积增幅为20%～80%,6个湖泊面积成倍增大。从空间分布来看,2014年比2000年面积明显增大的湖泊主要集中在可可西里地区和羌塘高原地区,面积减小的湖泊则散布于整个内流区。

图52014年与2000年中国内流区主要湖泊面积变化百分比

3.5中国内流区湖泊变化驱动因素分析

影响中国内流区湖泊面积变化的主要因素有地表径流、湖面降水、冰川融水、湖面蒸发和地下水交换、冻土、沼泽等[9]。2000—2014年,全球气温升高明显加快[20],中国西北地区由暖干逐渐向暖湿转化,冰川退化严重[21,22]。青藏高原腹地近年来降水增加明显,蒸发显著减少,冰川融水增加,湖泊面积增大主要因素为有利的气候条件[23,24,25,26]。柴达木盆地近年来处于丰水期,蒸发减少,降水量增加,冰雪融水增多,导致该区2001年以来湖泊面积显著增大[27,28]。内蒙古地区气温升高,蒸发量显著增大,降水量明显减小,这种不利的气候条件导致区内湖泊面积萎缩[29]。2000—2014年,祁连山北部地区和阴山北部地区降水量先增大后减小再增大[30,31],与该区湖泊面积变化规律一致。祁连山北部地区2000年以来气温降低,蒸发量减少,湖泊面积略有增大[30];阴山北部自2000年后气温升高明显、蒸发量呈先增大再减小后增大的趋势[31,32],湖泊面积略有减小。1961—2013年,准噶尔盆地降水量呈增大趋势,蒸发量显著减小,湖泊面积增大主要因素为有利的气候条件[26,33]。塔里木盆地降水量略有增大,蒸发量显著减小,区内除博斯腾湖外其余湖泊面积均呈增大趋势[18,34]。

2014年中国内流区共有16个湖泊面积较2000年减小,原因与各湖泊之间存在水道联系、局地气候和人类活动的干扰有关,如色林错流域的班戈错、错鄂、吴如错、格仁错与色林错存在水道联系[35],西昆仑地区阿鲁错与美马错亦存在水道联系[7],卓乃湖、海丁诺尔、盐湖和库赛湖的水道联系引起湖水串联性外溢事件[6],郭扎错、太阳湖、饮马湖流域局地气候变化引起冰川补给变化[7,36],柴达木盆地茶卡盐湖、准噶尔盆地艾比湖、塔里木盆地博斯腾湖、青藏高原腹地玛旁雍错、阴山北部达来诺尔地区人类用水供需矛盾加剧[37,38,39]。

4、结论

(1)中国现有7个一级内流区,2014年区内大于100km2的湖泊有88个,总面积32018.46km2,除伊犁河流域外均有分布,其中青藏高原腹地湖泊数量最多、面积最大,分别占内流区湖泊总数的77%、总面积的69%。

(2)2000—2014年,中国内流区湖泊面积呈增大趋势,共增加3247.33km2,平均每年增加231.95km2。柴达木盆地和青藏高原腹地湖泊面积持续增大,塔里木盆地和准噶尔盆地湖泊面积2003年之后持续萎缩,阴山北部和祁连山北部湖泊面积2003年之后平稳增大。湖泊面积增大明显区域主要集中在可可西里地区和羌塘高原地区,面积减小区域散布于整个内流区。

(4)2000—2014年,中国内流区降水量增大、蒸发量减小、冰川加速退缩,导致区内湖泊面积整体增大,个别湖泊面积减小或波动与局地气候、湖泊之间存在水道联系、人类活动干扰有关。

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基金:国家自然科学基金资助项目(41861013);甘肃省高等学校创新能力提升项目(2019B-252);西藏自治区自然科学基金资助项目(XZ2019ZRG-171(Z)).