2000-2018年紅堿淖濕地水面積變化及其保護(hù)對(duì)策

謝治國(guó)，連迎馨，吳惠萍，高學(xué)睿*，李 輝，宋瑜龍，袁毓婕

(1. 陜西省林業(yè)科學(xué)院 濕地與草原研究所，西安 710068；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3. 陜西省淳化縣水旱災(zāi)害防御中心，陜西 咸陽(yáng) 711200；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

紅堿淖濕地位于陜北榆林市北部，黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶，是我國(guó)面積最大的沙漠淡水湖，素有“大漠明珠”之稱，其流域內(nèi)分布著包括扎薩克河、蟒蓋兔河等七條主要支流，對(duì)陜蒙地區(qū)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起著重要作用[1-2]。近年來(lái)，在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下，紅堿淖濕地面積不斷萎縮，地下水位下降，水質(zhì)鹽堿化程度加深，流域生態(tài)安全遭受著嚴(yán)重威脅[3]。遙感技術(shù)的快速發(fā)展，為濕地生態(tài)系統(tǒng)演變監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的方法和手段，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)濕地動(dòng)態(tài)變化[4,5]。其中不少學(xué)者利用遙感技術(shù)對(duì)紅堿淖濕地開(kāi)展了相關(guān)研究，李登科等[6]基于1986-2007年間的遙感數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為1990年以來(lái)紅堿淖湖水面積的急劇縮小是氣候變化和人為因素綜合作用的結(jié)果。楊立彬等[7]利用相關(guān)歷史文獻(xiàn)、水文地質(zhì)調(diào)查和遙感圖像，基于水量平衡原理，得出1929-2010年紅堿淖濕地面積的變化經(jīng)歷了形成期——穩(wěn)定期——急劇萎縮期等階段。雖然針對(duì)紅堿淖濕地生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律的研究較多，但對(duì)其成因分析和驅(qū)動(dòng)力解析研究相對(duì)較少。在氣候變化和人類活動(dòng)日益劇烈的條件下，為進(jìn)一步強(qiáng)化保護(hù)和合理利用紅堿淖濕地資源，給相關(guān)政策和技術(shù)的制定提供依據(jù)，我們借助遙感影像研究分析了紅堿淖濕地的時(shí)空演變規(guī)律及其主要驅(qū)動(dòng)因素。

1 研究區(qū)概況

紅堿淖濕地位于陜西省與內(nèi)蒙古自治區(qū)的交界處，地理坐標(biāo)范圍為39°04′～39°08′N，109°50′～109°56′E。2020年紅堿淖濕地面積約為35 km2，大部分在陜西省境內(nèi)(圖1)，周?chē)植嫉脑_克河、蟒蓋兔河等七條季節(jié)性河流總流域面積約為1 500 km2。紅堿淖濕地及其周?chē)饔蚍秶鷥?nèi)多年平均氣溫約為8.7 ℃，平均最高月(7月)、最低月(12月)氣溫分別為21.3、-29.7 ℃，年均降水量約 400 mm，受半干旱大陸性季風(fēng)氣候影響，全年干燥少雨，降水分布不均。春季回暖升溫快，夏季雨水充足，秋季天高氣爽，冬季漫長(zhǎng)寒冷。流域范圍內(nèi)多年平均相對(duì)濕度50%左右，年最大風(fēng)速約為3.0 m·s-1，以西和西北風(fēng)為主。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

紅堿淖濕地自然條件得天獨(dú)厚，有著良好的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，流域范圍內(nèi)植被覆蓋度為30%～50%，有50余種野生禽類繁衍生息，是全球最大的遺鷗繁殖地與棲息地，湖水含鹽度約3.5%，適合多種淡水魚(yú)類生存。紅堿淖地處毛烏素沙漠南緣，為典型風(fēng)沙地貌，周?chē)城?、流沙綿延不絕，其東側(cè)為爾林兔草原，西側(cè)擁有較為廣闊的天然草場(chǎng)，水草豐盛，牛羊成群。近些年，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，流域內(nèi)小麥、玉米、胡麻、向日葵等農(nóng)作物種植面積逐年擴(kuò)大，濕地流域范圍內(nèi)的河流水量越來(lái)越多地被人為截流用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水，濕地水源萎縮。同時(shí)，周邊礦產(chǎn)資源豐富，礦山開(kāi)采活動(dòng)在一定程度上破壞了流域地下水系統(tǒng)，也會(huì)在一定程度上影響紅堿淖濕地。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 遙感數(shù)據(jù) 本研究利用遙感數(shù)據(jù)獲取紅堿淖濕地的水體面積。提取水體時(shí)使用Landsat系列遙感影像，包括Landsat5、Landsat7、Landsat8遙感數(shù)據(jù)，時(shí)間為2000-2018年。研究區(qū)在Landsat系列遙感影像中的空間條帶編號(hào)為：行編號(hào)127，列編號(hào)33。遙感影像數(shù)據(jù)的各波段信息如表1所示。Landsat數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為30 m。

表1 Landsat系列遙感影響數(shù)據(jù)的各波段信息

2.1.2 地面氣象數(shù)據(jù) 從中國(guó)區(qū)域高時(shí)空分辨率地表氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(CMFD中提取獲得研究區(qū)降水、氣溫等氣象數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集專門(mén)為研究中國(guó)陸面過(guò)程而制作[8],由遙感產(chǎn)品、再分析數(shù)據(jù)集和氣象站現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)融合而成，在空間上網(wǎng)格化。數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)記錄從1979年1月開(kāi)始，一直延續(xù)到2018年12月，時(shí)間分辨率為3 h，空間分辨率為0.1度。CMFD數(shù)據(jù)集提供了7個(gè)近地表氣象要素，包括離地表2 m處氣溫、地面氣壓、比濕度、離地面10 m處風(fēng)速、向下短波輻射、向下長(zhǎng)波輻射和時(shí)段降水量。

2.2 紅堿淖濕地面積提取方法

以遙感數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用谷歌地球引擎(GEE)對(duì)紅堿淖濕地面積的變化規(guī)律進(jìn)行分析。GEE是基于云計(jì)算的地理信息處理平臺(tái)[9]，可以提供海量衛(wèi)星影像、其他觀測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)這些數(shù)據(jù)處理的足夠運(yùn)算能力，在學(xué)界廣泛應(yīng)用。本研究借助GEE平臺(tái)，采用多波段譜間關(guān)系法提取濕地水體面積。該方法關(guān)可以增大水體與其他地物的光譜差異，差異越明顯，識(shí)別效果越好。用以體現(xiàn)這種差異的特征變量，在水體面積提取中常用光譜特征指數(shù)。本研究濕地水體面積提取過(guò)程中，采用的光譜特征指數(shù)有NDWI[10]、MNDWI[5]和EVI[11]。其具體計(jì)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分別代表landsat8對(duì)應(yīng)的波段反射率。

由于研究區(qū)下墊面地形地質(zhì)和地表水體水質(zhì)均不同，因此，同一類型地物在各波段的反射率值會(huì)有差異。為了盡可能減小由于波段反射率差異導(dǎo)致的水體識(shí)別結(jié)果的不確定性，本研究根據(jù)各種水體指數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)利用多波段譜間關(guān)系，提取紅堿淖濕地水體的面積。根據(jù)Zou[12]等人的研究結(jié)果，將滿足MNDWI>NDWI，或者M(jìn)NDWI>EVI且EVI<0.1兩種條件的像元可判定為紅堿淖濕地水體像元，反之則歸為非水體像元。

3 紅堿淖濕地面積變化規(guī)律及其影響因素

3.1 濕地面積時(shí)空演變規(guī)律

3.1.1 濕地面積年際變化 從每16 d一景影像遙感數(shù)據(jù)提取并平均得到的紅堿淖濕地年際水體面積值(表2)可看出，紅堿淖濕地水體面積在2000-2018年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。分階段來(lái)看，其水體面積呈現(xiàn)快速下降—緩慢下降—緩慢上升變化趨勢(shì)，即紅堿淖濕地水體面積經(jīng)歷了極速萎縮期—緩慢萎縮期—緩慢增長(zhǎng)期等3個(gè)階段，它們對(duì)應(yīng)的時(shí)間段依次為2000-2011年、2012-2015年、2016-2018年；萎縮期對(duì)紅堿淖的空間形態(tài)影響最大，以東南部最為突出，位其次是北部和西部。按《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》GB/T22482-2008標(biāo)準(zhǔn)，2000-2018年間特豐水年份1年，偏豐水年4年，平水年9年，偏枯水年5年(表2)，平水年年份數(shù)占一半，豐水年和枯水年年分?jǐn)?shù)都是5年，表明本研究時(shí)段紅堿淖濕地水面積變化總體相對(duì)比較平緩，沒(méi)有特枯水年。

表2 紅堿淖濕地水體面積年際變化

3.1.2 典型年份不同季節(jié)的水面積變化 按照時(shí)間間隔均勻性原則確定的四類豐枯年份不同季節(jié)的水面積變化如表3、圖3所示，可以看出，紅堿淖濕地水體面積在特豐、平水、偏枯年內(nèi)從第一季度到第四季度均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，偏豐年呈現(xiàn)從第一季度到第四季度上升趨勢(shì)，特豐年濕地水體面積均值為60.45×106m2，偏豐年濕地水體面積均值為54.75×106m2，平水年濕地水體面積均值為46.71×106m2，偏枯年濕地水體面積均值為40.95×106m2。

表3 豐欠典型年份水體面積季度變化

圖2 典型年份不同季節(jié)水面積變化

3.2 主要影響因素分析

3.2.1 氣象因素 根據(jù)已有研究，降水和氣溫是影響紅堿淖濕地面積變化的兩個(gè)主要?dú)庀笠蛩?。紅堿淖濕地所在流域年降水量在2000-2011年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2012年以后該區(qū)域年降水量呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢(shì)。上述變化規(guī)律與紅堿淖2000-2018年濕地面積的變化過(guò)程十分吻合。與此同時(shí)，氣溫的上升會(huì)增加濕地水體的蒸散發(fā)量，從而在一定程度上減小濕地水體面積?？傮w而言，降水對(duì)紅堿淖濕地面積的變化呈現(xiàn)正向作用，而氣溫則呈現(xiàn)負(fù)向作用。

3.2.2 人為因素

(1)農(nóng)業(yè)灌溉

紅堿淖地處干旱半干旱沙漠地區(qū)，土地沙化嚴(yán)重，土壤肥力低下，廣種薄收。建國(guó)后政府組織實(shí)施農(nóng)田水利建設(shè)，植樹(shù)種草，疏通渠道，改良土壤。2018年湖域周邊耕地(平原旱地)面積達(dá)2.25萬(wàn)公頃，占流域面積15.0%。因此沿湖農(nóng)田灌溉需水量大，造成局部區(qū)域地下水超采，地下水位持續(xù)下降，匯集到紅堿淖的水量也相應(yīng)減少。因此，農(nóng)業(yè)灌溉用水增加造成紅堿淖濕地水體面積減少。

(2)水利工程建設(shè)

河流和地下水是紅堿淖補(bǔ)給的重要渠道，補(bǔ)水減少是導(dǎo)致紅堿淖面積萎縮的關(guān)鍵因素之一。紅堿淖原有的7條季節(jié)性補(bǔ)給河流，營(yíng)盤(pán)河上游2005 年修建了扎薩克水庫(kù)，蟒蓋兔河上游2009年修建了高梨廟溝水庫(kù)，阻斷了來(lái)自內(nèi)蒙古的這兩條主要河流補(bǔ)水水源；除爾林兔河和七卜素河依然補(bǔ)給外，其他河流相繼斷流，修建水庫(kù)等水利工程和河流斷流給紅堿淖濕地水體面積減少產(chǎn)生了重要影響。七卜素河2012年治理河道25 km，2013年修建鏈鎖式護(hù)岸7.5 km，2015年續(xù)建鏈鎖式護(hù)岸10 km，2017年修復(fù)水毀護(hù)岸，這些河道整治水利工程有利于紅堿淖濕地水體恢復(fù)、管理和保護(hù)。

(3)礦產(chǎn)開(kāi)采

紅堿淖地處煤炭資源豐富地帶，2010年規(guī)劃的新街礦區(qū)面積2 189 km2，紅堿淖約1/4水面在井田范圍內(nèi)。從2005年開(kāi)始中國(guó)石油華北油氣分公司在札薩克鎮(zhèn)、爾林兔鎮(zhèn)、中雞鎮(zhèn)等區(qū)域進(jìn)行天然氣勘探開(kāi)采，至2015年底紅堿淖保護(hù)區(qū)內(nèi)有天然氣氣井44口、集氣站2處。高強(qiáng)度的煤炭和天然氣開(kāi)發(fā)在帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的同時(shí)，也造成了土地沉陷、地下水位下降、地下水系統(tǒng)遭受破壞等現(xiàn)象，也一定程度加劇了紅堿淖濕地水體面積的減少。

(4)生態(tài)林建設(shè)

紅堿淖流域地處丘陵地區(qū)，地勢(shì)較高，農(nóng)業(yè)以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，種植業(yè)以糧食作物為主，主要有春小麥、大麥、玉米等，其次為油料和經(jīng)濟(jì)類作物；主要依靠廣闊天然草場(chǎng)的養(yǎng)殖業(yè)，目前以設(shè)施養(yǎng)殖為主。為抵御西臨的毛烏素沙地風(fēng)沙危害，保護(hù)農(nóng)田和草場(chǎng)，防護(hù)林以人工營(yíng)造的防風(fēng)固沙林、農(nóng)田和牧場(chǎng)防護(hù)林為主，每年造林面積約20 km2，多為灌木林，喬木林較少。

當(dāng)?shù)卮笠?guī)模的生態(tài)林建設(shè)在一定程度改善當(dāng)?shù)刂脖粻顩r的同時(shí)，也因植被耗水影響濕地水面積減少。自2006-2008年，紅堿淖開(kāi)始實(shí)施環(huán)湖綠化生態(tài)環(huán)境改善工程，湖區(qū)周邊綠化面積從20%增至45%。2018年湖域范圍內(nèi)林地面積59 km2，占流域面積3.9%，草地面積846 km2，占流域面積56.7%。年NDVI均值從0.327增加至0.482，對(duì)沙漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生了極其重要的影響。但在當(dāng)?shù)丶s450 mm的年降水量無(wú)法滿足植被生長(zhǎng)需求時(shí)，則需開(kāi)發(fā)利用淺層地下水，一定程度降低地下水位，進(jìn)而造成水域面積和濕地面積減小。

(5)人工補(bǔ)水

紅堿淖生態(tài)保護(hù)備受關(guān)注，2012-2014年當(dāng)?shù)卣塾?jì)投入6億元，用于加大紅堿淖生態(tài)環(huán)境保護(hù)。2012年紅堿淖被列入全國(guó)湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目，獲得生態(tài)環(huán)境部和財(cái)政部的支持。2015年陜蒙兩省區(qū)水利廳簽署紅堿淖保護(hù)工作備忘錄，通過(guò)札薩克水庫(kù)放水為紅堿淖補(bǔ)水，每年補(bǔ)水100萬(wàn)～150萬(wàn)立方米。2016年10-11月札薩克水庫(kù)開(kāi)閘放水十多天，放水總量為100萬(wàn)立方米，湖面上升2～2.5 cm。人工補(bǔ)水對(duì)紅堿淖濕地水體面積恢復(fù)作用明顯。

4 紅堿淖濕地保護(hù)與修復(fù)對(duì)策

紅堿淖濕地所處陜西省長(zhǎng)城沿線風(fēng)沙區(qū)氣候干燥，地表水資源量銳減，城市化進(jìn)程加快，大規(guī)模煤油氣田開(kāi)發(fā)用水量激增、對(duì)地下水系統(tǒng)干擾加劇，濕地保護(hù)和合理利用威脅增多、程度增強(qiáng)，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)機(jī)制，因此，紅堿淖濕地保護(hù)與修復(fù)應(yīng)重點(diǎn)聚焦以下幾個(gè)方面。

4.1 加大管理力度，建立濕地保護(hù)與修復(fù)約束機(jī)制

濕地作為生態(tài)資源，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值容易被忽視，也往往缺乏保護(hù)和修復(fù)的明確責(zé)任主體。對(duì)此紅堿淖濕地保護(hù)和修復(fù)應(yīng)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃，明確濕地保護(hù)的責(zé)任主體、職責(zé)權(quán)限、管理程序、行為準(zhǔn)則和法律責(zé)任；強(qiáng)化約束機(jī)制，建立健全自然資源資產(chǎn)產(chǎn)權(quán)制度、濕地生態(tài)效益補(bǔ)償制度、濕地保護(hù)目標(biāo)考核制度、濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警制度；加大紅堿淖濕地保護(hù)工程投入，保護(hù)濕地面積，提升濕地生態(tài)系統(tǒng)的整體功能，提高濕地生態(tài)服務(wù)功能和濕地產(chǎn)品供給能力，促進(jìn)生態(tài)改善和民生改善。

4.2 深化區(qū)域合作，建立跨區(qū)域濕地用水保障機(jī)制

紅堿淖流域地跨陜西和內(nèi)蒙古兩個(gè)省區(qū)，其部分水源來(lái)自上游內(nèi)蒙古自治區(qū)。近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和區(qū)域水資源供需矛盾日益突出，上游修建水利工程攔截了大量水資源，造成紅堿淖濕地來(lái)水量驟減，濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡受到嚴(yán)重威脅。應(yīng)科學(xué)合理制定紅堿淖濕地保護(hù)規(guī)模和目標(biāo)，并據(jù)此確定適宜的生態(tài)用水需求總量和過(guò)程線；深入推進(jìn)跨區(qū)域生態(tài)用水聯(lián)合保障機(jī)制建設(shè)，強(qiáng)化流域水資源統(tǒng)一管理，協(xié)調(diào)上下游用水，合理配置生產(chǎn)、生活及生態(tài)用水，嚴(yán)守河道生態(tài)最低流量紅線，確保紅堿淖濕地的水源得到有效保障。

4.3 加強(qiáng)科學(xué)研究，完善紅堿淖濕地生態(tài)監(jiān)測(cè)體系

近些年，遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等性技術(shù)的快速發(fā)展為濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。紅堿淖濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系十分薄弱，以下幾方面亟需提升改善：一是生態(tài)功能特征監(jiān)測(cè)，應(yīng)充分利用衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)遙感和定位傳感器監(jiān)測(cè)等手段，強(qiáng)化監(jiān)測(cè)濕地水面面積、水位、植被生長(zhǎng)狀況等，為濕地保護(hù)與利用提供科學(xué)依據(jù)；二是水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)濕地水體及周邊支流的水文、水質(zhì)、水環(huán)境狀況，保障紅堿淖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展；三是加強(qiáng)濕地動(dòng)物種群監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確掌握鳥(niǎo)類、魚(yú)類等濕地生態(tài)系統(tǒng)重要組成變化動(dòng)態(tài)，維持濕地動(dòng)物種群穩(wěn)定發(fā)展。

4.4 解決濕地保護(hù)資金投入不足、法律不健全問(wèn)題

資金投入不足是紅堿淖濕地保護(hù)工作面臨的一大問(wèn)題。由于資金匱乏，已建成的濕地保護(hù)區(qū)不能完全發(fā)揮應(yīng)有的保護(hù)功能，必要的濕地保護(hù)基礎(chǔ)研究工作未充分開(kāi)展。應(yīng)積極爭(zhēng)取中央財(cái)政資金，加大地方財(cái)政的支持力度，按照“權(quán)、責(zé)、利”相統(tǒng)一的原則，合理劃分中央和地方政府在濕地保護(hù)方面的責(zé)任，豐富資金投入渠道。此外，要健全濕地保護(hù)法規(guī)，嚴(yán)格按照《陜西省濕地保護(hù)條例》做好紅堿淖保護(hù)工作，進(jìn)一步強(qiáng)化和細(xì)化各相關(guān)部門(mén)的具體職責(zé)，理順工作關(guān)系，完善工作機(jī)制，加強(qiáng)工作統(tǒng)籌，形成工作合力。加強(qiáng)對(duì)自然濕地保護(hù)的監(jiān)管，實(shí)施負(fù)面清單管理，依法對(duì)濕地利用進(jìn)行監(jiān)督，嚴(yán)厲查處違法利用濕地的行為，對(duì)造成濕地生態(tài)嚴(yán)重破壞的責(zé)任單位和個(gè)人要責(zé)令其限期恢復(fù)，并依法追究責(zé)任。

4.5 加強(qiáng)宣傳教育，提倡全民保護(hù)

濕地保護(hù)是一項(xiàng)新興事業(yè)，社會(huì)公眾對(duì)濕地的認(rèn)知度不高，未把濕地作為一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)對(duì)待，對(duì)濕地的生態(tài)價(jià)值和保護(hù)濕地的重要意義尚未形成共識(shí)，濕地保護(hù)宣傳教育工作的廣度、力度、深度亟待加強(qiáng)。應(yīng)大力加強(qiáng)宣傳教育，提高民眾濕地保護(hù)意識(shí)，營(yíng)造保護(hù)濕地的良好社會(huì)風(fēng)氣。