PNAS：快速消失的蒙古高原湖泊
期刊：PNAS
中文题目：快速消失的蒙古高原湖泊
英文题目： Rapid loss of lakes on the Mongolian Plateau
作者：Shengli Tao, Jingyun Fang, Xia Zhao, Shuqing Zhao, Haihua Shen, Huifeng Hu, Zhiyao Tang, Zhiheng Wang,and Qinghua Guo.
发表日期：2014年12月24日
摘 要
蒙古高原湖泊广泛分布，作为关键的水源，几个世纪以来一直维持着蒙古草原的生态。然而，在过去几十年中，由于人类活动和气候变化的影响，高原经历了显著的湖泊萎缩和草原退化。为了量化高原上所有湖泊的变化及其相关驱动因素，我们使用了从1970年代到2000年代的多时相Landsat卫星图像，并结合了地面调查数据。研究结果表明，过去几十年中，高原湖泊数量急剧减少：水面积大于1平方公里的湖泊数量从1980年代末的785个减少到2010年的577个，内蒙古的减少速度（34.0%）高于外蒙古（17.6%）。自1990年代末以来，内蒙古的湖泊数量减少尤为显著，面积大于10平方公里的湖泊数量减少了30.0%。统计分析表明，在外蒙古，降水是湖泊变化的主要驱动因素，而在内蒙古，煤矿开采在其草原地区最为重要，灌溉在其耕种地区是主要因素。由于气候变化以及高原地下矿产和地下水开采的增加，湖泊的恶化预计将在未来几十年继续。为了保护草原和当地游牧民族，亟需采取有效行动来防止这些宝贵的湖泊进一步恶化。
研究背景
蒙古高原位于温带亚洲的内陆地区，支撑着欧亚大草原的东部部分。中国的内蒙古自治区（以下简称内蒙古）和蒙古国全境（以下简称外蒙古）构成了蒙古高原的核心区域，该区域面积约为275万平方公里，人口约2800万。高原上点缀着众多湖泊，周围是广阔的草原，这些湖泊滋养了蒙古人民，孕育了独特的蒙古游牧文明（图1）。这些湖泊中，有许多是国际上重要的湿地，为受威胁的物种和候鸟提供栖息地，其中13个被指定为受《拉姆萨尔公约》保护的湿地。然而，在过去几十年中，由于人类活动的加剧和气候变化的影响，许多湖泊显著缩小。湖泊的萎缩和干涸加剧了区域环境的恶化，直接威胁到当地居民的生计。由于湖泊和草原的退化，高原已成为中国北方沙尘暴的主要源头之一，1998年甚至在北美检测到了来自该地区的沙尘。尽管之前有一些研究考察了高原上部分湖泊的变化，但尚未对整个高原的湖泊变化进行集体研究。利用1970年代末到2010年期间的1240幅Landsat多时相图像，结合气候、地形、土地利用、人类活动和高分辨率Google Earth图像的信息，我们为整个高原建立了蒙古湖泊数据库（MONLAKE）。利用该数据库，我们探讨了过去三十年间湖泊的变化，并研究了其可能的驱动因素。
图1. 蒙古高原水域面积大于1平方公里的湖泊分布
研究结果
结果1：湖泊面积大于1平方公里的变化（1980年代末至2010年）（图2）
将湖泊分为小型（1-10平方公里）、中型（10-50平方公里）和大型湖泊（大于50平方公里）。
* 湖泊以中小型为主。1980年代末（约1987年），整个高原上检测到785个面积大于1平方公里的湖泊，其中内蒙古427个，外蒙古358个。其中，小型、中型和大型湖泊分别占88.4%、7.1%和4.5%。
* 在过去的二十年中，大量湖泊干涸。面积大于1平方公里的湖泊数量从1980年代末的785个减少到2010年的577个，内蒙古减少了145个湖泊，外蒙古减少了63个湖泊，分别减少了34.0%和17.6%。
* 湖泊水面积也迅速缩小。在内蒙古：湖泊的总水面积从1980年代末的4,160.2平方公里减少到2010年的2,900.6平方公里，减少了30.3%。
结果2：面积大于10平方公里的湖泊的时间变化（1970年代末至2010年）
为了进一步了解湖泊的变化，利用1970年代末和1980年代初的MSS数据以及1980年代末至2010年的TM/ETM+数据，研究了1970年代末至2010年期间所有中型（10-50平方公里）和大型湖泊（大于50平方公里）的时间序列变化。
* 内蒙古大多数中型和大型湖泊的水面积下降显著。从1980年代末的总面积3,136.4平方公里减少到2010年的2,461.6平方公里，下降了21.5%。例如，呼伦湖（内蒙古最大的湖泊，也是中国五大淡水湖之一）自2000年以来缩小了357.2平方公里（17%）。达里诺尔湖减少了14%。自1970年代以来，岱海和红碱淖分别缩小了78.8平方公里（53%）和21.3平方公里（38%）。陶力庙-阿拉善诺尔、奈曼西湖和黄旗海已经干涸。
* 外蒙古的中型和大型湖泊变化表现出显著地理差异。东部干旱地区的一些湖泊缩小或干涸，而西部地区的湖泊变化不显著，甚至因上游山区冰川加速融化而略有增加，例如克鲁格斯湖和乌布苏湖。
图2. 1980年代末至2010年蒙古高原湖泊变化(A) 1980年代末和2010年湖泊大小的频率分布，揭示了所有湖泊大小（尤其是小型湖泊，即1–10 km2）的湖泊数量显著减少。(B) 1980年代末和2010年内蒙古和外蒙古地区湖泊水面面积的比较（对数尺度）；插图显示了小型、中型和大型湖泊的干涸湖泊比例，表明在研究期间大量湖泊消失，尤其是在内蒙古地区。(C) 1980年代末至2010年内蒙古和外蒙古地区湖泊大小变化率的频率分布，显示大部分湖泊的水面面积有所减少， 但少数湖泊的面积有所增加。变化率为−100%表示湖泊已经干涸。
结果3：区域气候和人类活动对湖泊变化的影响
使用年均温度（AMT，摄氏度）、年降水量（AP，毫米）和潜在蒸散量（PET）作为区域气候的指标，以及放牧、煤矿开采和灌溉作为人类活动的指标来分析区域气候和人类活动对湖泊变化的影响，以探讨可能的驱动因素。
* 气温和降水的影响。在过去的30年中，内蒙古和外蒙古的AMT和PET均呈一致增加趋势（P < 0.001），而1990年代后AP呈下降趋势（前者P = 0.056，后者P = 0.009）。这可能加剧了1990年代后的高原干旱化，并成为湖泊缩小的可能原因。
* 放牧的影响。两个地区的放牧强度均增加，尽管2005年后增加趋势放缓。过度放牧导致草原退化，进而影响草原的土壤功能和水保持能力，从而影响湖泊供水。
* 煤矿开采的影响。自1990年代末以来，煤矿开采在内蒙古广泛进行，尤其是在草原地区。煤矿企业数量从2000年的156家增加到2010年的865家，相关煤炭产量从72百万吨增加到789百万吨。煤矿开采是一个极其耗水的行业，它切断河流并破坏地下含水层，每提取一吨煤消耗2.54立方米水。在内蒙古的耕地地区，地下水和河流的开采用于农业灌溉可能是湖泊缩小的另一个驱动因素。
* 耕作灌溉的影响。内蒙古地区地下水和河流的开采用于农业灌溉可能是湖泊缩小的另一个驱动因素。过去几十年中，内蒙古的灌溉耕地面积从1970年代末的0.66百万公顷增加到2010年的3.03百万公顷。在内蒙古东南部（传统上是农牧过渡区，年降水量为300-400毫米），草原被大量开垦为耕地，灌溉导致地下水和河水迅速枯竭。例如，通辽市的地下水位从1980年的2.5米下降到2009年的5.2米。相比之下，内蒙古耕地的快速扩张与外蒙古北部地区湖泊稀少的耕地分布形成鲜明对比。此外，外蒙古的农业面积自1990年代末以来有所减少，表明灌溉对湖泊变化的影响可以忽略不计。
图3. 1980年代末至2010年内蒙古和蒙古地区中型湖泊（10–50 km2）和大型湖泊（>50 km2）相对水面积（RWA，百分比）的变化
注：为了确定这些中型和大型湖泊的整体变化趋势，文章计算了从1970年代末到2010年的九个时期（1976-1980年、1981-1985年、1986-1990年、1991-1993年、1994-1997年、1998-2000年、2001-2003年、2004-2007年和2008-2010年）的相对水面积（RWA，百分比），使用以下公式：
其中，n 是湖泊数量，Ai 表示第 i 个湖泊在九个时期之一的平均面积，As,i 是第 i 个湖泊在基期（1986-1990年）的水面积。1986-1990年被用作基期，因为该时期有所有中型和大型湖泊的卫星图像。
驱动因素分析：自然和人类因素对蒙古高原湖泊面积变化的驱动因素分析。
* 在外蒙古，AP解释了湖泊面积变化的70.4%，放牧强度解释了额外的21.6%。在内蒙古整个地区，煤炭产量解释了湖泊面积变化的66.5%，AP和放牧强度分别解释了额外的20.4%和8.0%。进一步分析表明，在内蒙古的草原地区，煤矿开采对湖泊面积变化的解释力为64.6%，其次是AP（18.3%）和放牧强度（13.8%），但在内蒙古的耕地地区，灌溉解释了大部分变化（80.0%）。
* 蒙古高原不同地区湖泊变化的驱动因素不同：在外蒙古，自然因素（降水）是主要驱动因素，而在内蒙古整个地区，煤矿开采是最重要的因素。进一步分析表明，在内蒙古的草原地区，煤矿开采最为显著，但在其耕地地区，灌溉是湖泊面积变化的主要原因。
* 内蒙古和外蒙古的人口密度差异可能导致这两个地区的人为干扰差异巨大。因此，尽管内蒙古和外蒙古的气候都趋于更干燥和更温暖，但湖泊面积的变化趋势差异很大：前者迅速下降，而后者变化不显著。此外，内蒙古因煤矿开采和灌溉导致的湖泊缩小在许多湖泊中得到了证实。例如，在草原地区，煤矿开采导致了鄂尔多斯湖群和达里诺尔湖群的迅速缩小，甚至导致乌拉盖湖群干涸。在耕地地区，通过抽取地下水和拦截河流增加灌溉，导致黄旗海、岱海、居延海和奈曼西湖显著退化甚至干涸。与内蒙古相比，外蒙古的人类活动强度相对较低，只有西部外蒙古的少数湖泊受到过度放牧的影响。
研究意义
这项研究通过卫星图像和地面调查数据，详细记录了蒙古高原湖泊数量和面积的快速减少，揭示了1980年代末到2010年间面积大于1平方公里的湖泊数量减少了26.5%，其中内蒙古的减少速度（34.0%）高于外蒙古（17.6%），同时识别了湖泊消失的主要驱动因素，即外蒙古的降水减少和内蒙古的煤矿开采与农业灌溉，强调了尽管两地气候趋势相似，但湖泊面积变化存在显著区域差异，内蒙古湖泊面积迅速下降而外蒙古变化不显著，研究预测由于气候变化和地下资源开采的持续影响，湖泊恶化预计将在未来几十年继续，因此呼吁采取更有效的行动来保护湖泊和草原生态系统，包括控制放牧、退耕还草、调水工程补充湖泊水量以及加强对煤矿开采和农业灌溉的管理，研究结果为政策制定者提供了科学依据，帮助他们更好地理解湖泊消失的原因和影响，制定更有效的保护政策，同时强调了中国、外蒙古和其他邻国之间的合作对于应对这一挑战的重要性。
图4. 过去几十年内蒙古和蒙古的气候变化和人类活动变化(A) 年均温（AMT）异常值，(B) 年降水量（AP）异常值，(C) 潜在蒸散量（PET）异常值，(D) 羊和山羊的数量，(E) 煤炭生产量，(F) 内蒙古灌溉耕地面积。这些图表表明，研究期间年均温和潜在蒸散量显著增加，自1990年代中期以来年降水量有所减少，且内蒙古的牲畜数量和煤炭生产量增加，尤其是在内蒙古。此外，内蒙古的灌溉耕地面积也显著增加。
研究创新之处
利用多时相Landsat卫星图像和地面调查数据，全面评估了蒙古高原湖泊数量和面积的快速减少，揭示了1980年代末至2010年间湖泊的显著变化；深入分析了气候变化和人类活动对湖泊消失的影响，识别出不同地区湖泊变化的主要驱动因素，如外蒙古的降水减少和内蒙古的煤矿开采与农业灌溉；强调了区域差异，预测了未来湖泊恶化趋势，并呼吁采取有效保护措施，为政策制定者提供了科学依据，同时突显了国际合作应对湖泊消失挑战的重要性。
对我们开展工作启示
为了提高湖泊数量统计的准确性，首先应采用改进的水体指数，如改进的归一化差异水体指数（MNDWI）和自动水体提取指数（AWI），这些指数相较于传统的NDWI能够更有效地抑制非水体地物的干扰，提高水体提取的精度。其次，利用高分辨率遥感数据，如10米分辨率的Sentinel-2 MSI数据，可以捕捉到更小面积的湖泊和水体，从而提高湖泊数量统计的准确性。此外，结合深度学习和机器学习算法，如卷积神经网络（CNN），可以直接从高分辨率卫星图像中学习水体的特征，进一步提高水体识别的精度。同时，增加地面调查的覆盖范围，特别是对偏远和难以到达的地区进行详细调查，并鼓励公众参与湖泊监测，以补充卫星数据和地面调查的不足。最后，建立长期的湖泊监测计划，定期获取和分析卫星数据，持续跟踪湖泊的变化，并促进数据共享和国际合作，共享卫星数据、地面调查数据和分析结果。通过这些综合措施，可以显著提高湖泊数量统计的准确性，为湖泊保护和管理提供更可靠的数据支持。
文献来源：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1411748112
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：王正
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏