蒙新高原湖泊透明度時空變化趨勢及成因分析取得進展

　　透明度是反映湖泊物理、化學、生物和流域過程的綜合表征指標，是體現大尺度氣候變化和土地利用的指示指標。在國家自然科學基金面上項目和重大項目等資助下，中國科學院南京地理與湖泊研究所張運林研究組近日基于全國五大湖區1133對星地同步數據，構建和驗證了全國湖泊透明度遙感估算模型（圖1），并將模型應用于蒙新高原湖泊透明度反演及時空變化分析和驅動機制研究，相關成果發表在Water Research和Science of The Total Environment雜志上。

　　圖1 透明度模型的構建（a）與驗證（b）

　　一、蒙新地區湖泊透明度時空變化分析

　　首先，基于構建的透明度遙感估算模型，我們獲取了蒙新高原594個面積在0.1 km2以上湖泊透明度時空分布。從空間分布來看，較高的湖泊透明度主要分布在75°~ 93°E范圍, 少量高值分布在118°~122°E范圍。相比較而言，在93°~118°E 之間湖泊透明度值相對較低（圖 2）。從1986-2018年透明度長時間變化來看，355個湖泊透明度呈現上升的趨勢，205個湖泊透明度呈現下降的趨勢。其中，205個湖泊透明度呈現顯著上升的趨勢，75個湖泊透明度呈現顯著下降的趨勢，在這些顯著上升的湖泊中，透明度上升速率均值為0.15 m/10年，而這些顯著下降的湖泊中，透明度下降速率均值為0.08 m/10年。整體來看，所有湖泊透明度均值呈上升趨勢，透明度上升速率為0.14 m/10年（圖 3）。

　　圖2 蒙新高原湖泊1986-2019年透明度均值空間分布（空間分辨率為0.01°× 0.01°）

　　圖3 1986 -2018蒙新高原湖泊透明度顯著性變化湖泊分布（a）、透明度顯著性上升湖泊長期變化趨勢（b）、顯著性下降湖泊長期變化趨勢（c）以及所有湖泊透明度均值變化情況（d）

　　二、湖泊透明度影響因素時空變化分析

　　蒙新高原湖泊透明度主要影響因素時空變化分析結果表明，降雨整體呈上升趨勢（0.76±0.23mm/year），在內蒙古東部地區降雨呈下降趨勢。溫度整體呈上升趨勢（0.04±0.14℃/year），蒙新高原各地區均呈不同程度的上升趨勢。干旱指數整體呈現下降趨勢，速率為-0.04±0.07/year，朝著干旱方向在發展。除了內蒙在顯著下降（干旱）外，大部分地區變化并不顯著。NDVI整體上升趨勢，平均速率為0.04±0.11%/year。湖泊面積呈現顯著上升的趨勢，平均整體上升速率為12.17km2/year, 新疆92% 呈現顯著上升趨勢, 面積下降的湖泊主要分布在內蒙干旱地區（圖4）。

　　圖4 透明度主要解釋變量（降雨、溫度、干旱指數、植被指數以及湖泊面積）長期變化趨勢

　　三、蒙新地區湖泊透明度時空變化機制分析

　　通過分析蒙新高原地區降雨、溫度、植被指數、干旱指數以及湖泊面積對每個湖泊水體透明度的影響，對1986-2018年各湖泊透明度與各因子進行相關性分析（圖 5）。結果表明，70%的湖泊透明度與降雨量呈正相關，其中87個湖泊的透明度與降雨量呈顯著性正相關，表明降雨對湖泊水體的稀釋作用是這些湖泊變清的重要原因。63%的湖泊植被指數與透明度呈正相關（其中76個湖泊植被指數和透明度呈顯著性正相關），表明蒙新高原地區植被的變化可能是導致透明度上升的一個重要的間接因素。植被指數與溫度呈極顯著正相關（r=0.65，p<0.001），說明溫度升高導致海陸溫差加大和季風增強，誘發降水增加，進而促進植被生長，降低流域侵蝕對湖泊水體透明度的影響。干旱指數代表植被的生長環境，69%湖泊周邊干旱指數與湖泊的透明度呈正相關（108個湖泊呈顯著性正相關），表明湖泊流域濕潤環境對植被生長具有促進作用，進而對水質改善起到正反饋的作用。241個湖泊的年透明度與湖泊面積顯著正相關，以及94個湖泊透明度和溫度顯著正相關，說明湖泊擴張和變暖都會導致這些地區透明度的增加。空間上將蒙新高原湖泊分為四組（I、II、III和IV）。在第I組和第III組中，由于植被的綠化和降雨的增加以及湖泊面積的擴展，大多數湖泊的透明度是增加的。對于第II組湖泊，干旱引起的湖泊面積衰退主要發生在該地區，最終引起湖泊透明度的下降。第IV組湖泊的透明度呈現上升趨勢，主要是由高溫引起的冰川融化導致湖泊擴張引起（圖5）。

　　圖5 1986年-2018年，蒙新高原各湖泊透明度與五個解釋變量之間的相關系數分布。（a） 透明度與降雨量的相關系數，（b）透明度與溫度的相關系數，（c）透明度與PDSI的相關系數，（d）透明度與NDVI的相關系數，（e）透明度與湖泊面積的相關系數。

　　多元線性分析表明，年植被指數、年干旱指數、降雨、溫度以及湖泊面積五個變量可以解釋68%的透明度變化，其中湖泊面積的單因子貢獻最大，可以解釋0～83%的透明度變化，平均解釋率為25%，干旱指數、降雨、氣溫以及NDVI的平均解釋率分別為10%、10%、12%和10%。干旱指數、降雨和溫度3個變量可以解釋42%的植被指數變化，其中溫度對植被指數的貢獻最大（27%），其次是PDSI（8%）和降雨（7%）。降雨和氣溫對湖泊面積變化的解釋率為47%，其中單個因子溫度解釋率最高為39%，降雨為8%。降雨和溫度解釋73%的干旱指數變化，其中降雨為52%，溫度為22%（圖6）。總的來說，降雨、溫度上升通過形成暖濕的氣候、改變植被覆蓋率，加強植被過濾作用，同時通過擴大湖泊面積，對湖泊水質變清起到促進作用。

　圖6 各解釋變量對透明度、NDVI、湖泊面積以及PDSI長期變化的貢獻（a-d）以及蒙新高原湖泊透明度驅動機制示意（e-f）