积极的水资源管理为旱地地区退化湖泊的恢复带来了可能:以中国罗布泊为例

近几十年来，在气候变化和人类活动的影响下，全球干旱地区湖泊的萎缩和退化是普遍现象，如中亚咸海的消失¹内蒙古高原岱海和黄旗海的萎缩和退化^2，3.它是美国大盐湖的关键州⁴以及伊朗北部乌尔米亚湖的干涸⁵等。为了保护和恢复这些脆弱和独特的生态系统，为依赖生态系统的生命实现可持续的未来，迫切需要大力开展保护工作和恢复行动^6，7，8．在这里，我们记录了一个可能恢复的干旱湖泊，罗布泊，被称为“死亡之海”，它经历了完全干涸，但现在正在恢复的道路上。

罗布泊是一个干燥的盐湖盆地，位于中国新疆维吾尔自治区东南部的塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠之间。1)，位于中国最大的内陆盆地塔里木河流域的终点。它是地球上最神秘的地方之一，因为它在古代丝绸之路文明中所扮演的角色⁹关于五大湖消失的争论¹⁰,核测试⁹，以及卫星图像中“大耳朵”的特殊形状¹¹．

据史料记载，约公元220年，罗布泊是中国最大的湖泊，面积达5350平方公里¹²碳数据显示，该湖存活了2万多年，直到大约400年前开始缩小，在此之前，它支撑着一个繁荣的人类社区和本地生态系统¹³．到1931年，湖面面积达到1900平方公里¹⁴．1950年，经过上游区域农业的大规模开发，罗布泊水面逐渐减少，1962年，罗布泊湖完全干涸，被美国第一颗地球资源卫星重新发现¹⁵．

罗布泊干涸的原因是由于耕地扩张、过度放牧和水利工程建设等不可持续的水资源开发和利用活动，导致塔里木河和康奇河两大支流的水量减少¹⁶．上游水量的减少也导致了两江水质的急剧恶化，包括河流截流、地下水位的急剧下降、生态环境的退化胡杨森林、沙漠化的加剧、生物多样性的破坏(包括最后一群野生双峰驼)，以及一系列其他后果¹⁷．

该地区水资源的开发和过度利用引起了学术界和社会各界的广泛关注¹⁸．2000年和2015年开始对塔里木河和康奇河进行恢复补水，实现了下游湖泊和湿地生态系统的恢复^19，20.，为两江的终点湖罗布泊的复兴带来了希望。此外，在过去50年里，区域气候变暖和变湿(温度和降水增加)^21，22增加了塔里木河流域的水资源²³．预计这一趋势至少将持续到21世纪中期²⁴，这也增加了罗布泊重生的可能性。因为这个干旱的湖泊在气候变化和人类活动的双重负面影响下干涸了，记录了它在气候变化和人类活动的双重积极影响下的恢复，激发了对一个在人类历史上扮演重要角色的地方恢复的希望。

本文分析了罗布泊地区地表水面积变化的原因及其对地下水位的影响。根据塔里木河流域地表水面积和气象要素的变化、罗布泊地下水位和各支流地表水的变化，对罗布泊未来恢复的可能性进行了评估。

塔里木河流域地表水变化

近30年来，塔里木河流域及各支流地表水面积明显增加。在河流中，喀尔甘河的增长率最高，其次是塔里木河和开渡河-康奇河(表3)1)．Pettitt’s检验结果表明，开渡河-康奇河和察尔坎河的地表水面积分别在1999年和2002年发生了突变(图1)。2c,无花果。2d,表2)，而塔里木河及整个盆地在2004年的降水量则达到了这一水平。2无花果。2b,表2)．从空间分布上看，三支流下游地表水面积呈明显增加趋势:博斯腾湖下游康奇河和海都河的地表水面积也呈明显增加趋势，且在2002年出现突变(图2)。2e,表2）;近几十年来，察尔羌河和塔里木河的终点湖太特马湖的地表水面积明显增加，2001年出现突变(图1)。2f,表2)．流域地表水的时空变化可能会对区域地下水系统的变量产生影响。

罗布泊地区地下水的变化

1962年以来，罗布泊一直处于干旱状态，气候极度干旱，年降雨量不足50毫米，蒸发率高达2728毫米²⁵．土地覆被类型有盐壳、戈壁和沙质。由于没有地表径流，土壤水和地表水的年变化可以忽略不计。因此，GRACE卫星获得的陆地总储水量的变化可以用来反映地下水储水量的变化:

在那里,\δGW (\ \)地下水的变化,δTWS \ (\ \)是总储水量的变化，δSM \ (\ \)而且\δ瑞典文(\ \)分别为土壤水和地表水的变化量，值为零。

基于GRACE卫星获得的Mascons GRACE产品(等效水高数据)的趋势分析结果²⁶2003 - 2019年，罗布泊地区地下水水位呈明显下降趋势，但2010年以来下降趋势放缓，2015年出现明显的逆转趋势(图2)。3.a).基于观测和遥感探测，在开渡河-康奇河流域下游也有相似的结果²⁷．

从等效水高空间变化趋势(每个像素的变化)可以看出，罗布泊地区(特别是南部和东部地区)的地下水位呈现出恢复的趋势(图1)。3.b)。

气候变化对地表水的影响

塔里木河流域地表水面积的变化主要受降水、冰川融水和蒸散发的影响。近30年来，流域年降水量、年平均气温和年蒸散量明显增加，但年平均气温增加相对缓慢(图1)。4)．Pettitt’s检验结果表明，2001年降水和蒸散发发生突变，2006年平均气温发生突变。这些年降水和蒸散发临界点的变化与流域和支流系统的地表水面积的变化密切相关(表53.,无花果。2)，表明它们对增加盆地地表水面积变化的紧密影响。

Pearson相关检验结果表明，各支流地表水面积与全流域年降水量、蒸散量和平均气温之间存在显著的相关特征。年蒸散发的Pearson相关系数最高，其次为年降水量和年平均气温。流域年降水量和蒸散量与各条河流的地表水面积呈正相关关系(Table4)．可能的原因有:1)地表水面积的扩大提供了更多容易蒸发的下垫面²⁸；2)温度的升高为蒸发提供了足够的热量。流域蒸散发随地表水面积增加同步增加，说明该地区降水增加和气温升高引起的冰川融水增加大于蒸散发的增加，是流域地表水面积增加的主要原因。

基于冰川演化方案和降水-径流模型结果，1971 - 2010年塔里木河源区降水(包括降雨和融雪)和冰川融水对地表径流的平均贡献分别为71.8%和28.2%²⁹．另一项估计显示，冰川融化对总径流的平均贡献为30-37%^30.．根据最新降水情景模拟结果，塔里木河流域未来(2021 ~ 2100年)降水将较基准期(1961 ~ 2005年)明显增加。³¹．冰川融化的水量也将随着冰川的收缩而增加，直到2050年左右^30.．因此，在气候变化趋势逆转之前，它们将对区域地表水有持续的正贡献。

人类活动对地表水的影响

2001年，中国政府启动了塔里木河流域综合治理修复工程³²该项目旨在复兴该湖，恢复整个盆地的河岸和周边生态系统。塔里木河上游向下游实施生态调水21次，累计调水84.5亿立方米³³．生态补充措施实施20年来，该地区地表水分布发生了明显变化。自2001年以来，太特马湖的地表水面积也在持续增加。2f).这种变化与塔里木河上游生态输水直接相关。通过对受生态输水影响河段的监测统计，2001年4月至11月的生态输水期，塔里木河的水头时隔30年再次到达太特马湖(表1)5)．此外，泰特马湖地表水域面积与全年出水量之间存在线性关系(图1)。5)，直接反映了生态输水对太特马湖回水的影响。在此过程中，塔里木河下游生态系统逐渐恢复，塔里木河下游原生植被面积增加^20.．

自2015年以来，当地政府发起了一项拯救康奇河的行动。实施塔里木河、博斯腾湖、康奇河中下游调水5次(2016年至2020年每年调水一次)，累计调水15.7亿立方米，使数百公里断流多年的河流恢复了活力³⁴．获得水源使当地生态系统得以恢复，因此植被显著增加³⁵．

罗布泊地表水变化对地下水位的影响

塔里木河流域各支流地表水的增加，提高了各支流的地下水位^34，36也对罗布泊的地下水位产生了影响。为了表征三江对罗布泊地区地下水位变化的影响，分别分析了2015年前后三江地表水面积与罗布泊地区等效水高的相关性。结果表明:2015 ~ 2019年罗布泊三江地表水面积变化与等效水高呈明显正相关关系，其中塔里木河地表水面积变化与等效水高相关性最强;而在2015年(2003 ~ 2014年)之前，塔里木河和察尔羌河的地表水面积与罗布泊的等效水高呈负相关关系(表2)6)．这说明在2015年以前，罗布泊上游河流每年的地下水补给量小于总蒸散发量，导致地下水逐渐减少。2015年以后，地下水补给与区域蒸散发的差值逐渐减小，其次是地下水递减。虽然该地区地下水仍在减少，但已处于正恢复状态(图5)。3.)．2015 - 2019年孔旗河下游两侧地下水水位在生态输水影响下的观测数据反映的地下水位恢复就是这一过程的例证。在此期间，年平均地下水位上升0.6 ~ 0.98m³⁴．根据野外调查结果，核心区地下水埋深(图。1， P1)和边缘区域(图。1， P2)约1.5 ~ 2.0 m(图2)。6)．因此，在区域气候趋势、生态输水强度和地下水开采没有进一步变化的情况下，未来罗布泊地区的地下水位将进一步恢复³⁷强度。当区域地下水补给与蒸散发达到平衡后，罗布泊生态系统将逐步恢复。

基于卫星遥感地表水和地下水数据集，通过非参数趋势分析、突变时间检测分析和单因素相关分析，分析了气候变化和人类活动影响下塔里木河流域罗布泊地表水面积的变化及其对罗布泊地下水位变化的影响。

1. 1)

   近30年来，塔里木河流域的塔里木河、察尔干河和开渡河—康奇河的地表水面积明显增加;

2. 2）

   区域降水增加是流域地表水面积增加的主要原因;

3. 3）

   输水对塔里木河和康奇河地表水的空间分布有重要影响。2000年，塔里木河从上游向下游开始生态输水，2001年泰特玛湖地表水面积发生突变;

4. 4)

   2010年以来，罗布泊地区地下水位下降趋势放缓，2015年以来出现了明显的逆转趋势，这种变化与塔里木河地表水面积变化的相关性最强;

5. 5）

   在区域气候趋势、生态输水强度和地下水开采强度没有发生不可预期的变化的情况下，未来罗布泊地区的地下水位将部分或完全恢复。当罗布泊区域地下水达到得失平衡后，区域水生态系统将逐步恢复。

罗布泊是一个在气候变化和人类活动的影响下干涸的干旱地区的大湖。本研究认为，未来在气候变化和人类治理的双重影响下，它可能会恢复。本研究对全球干旱半干旱区(特别是毗邻研究区的中亚地区)湖泊生态保护与恢复以及未来适应气候变化影响具有重要参考价值。

地表水的数据

地表水数据提取自谷歌地球引擎中的JRC年度水分类历史(V1.3)数据集。该数据集由1984年3月16日至2020年12月31日期间获取的数百万张陆地卫星5号、7号和8号的卫星遥感图像生成^37，38，39．由于其具有较高的准确性和时空连续性，在公开共享后得到了广泛的应用^40，41．与中国内陆地表水数据集(ISWDC)时间序列的交叉比较⁴²和塔里木河流域本地数据集⁴³空间分布格局与时间变化趋势具有很高的一致性。这里使用了总水域面积，包括永久水域和季节性水域。1995年数据由于研究区异常值，通过计算相邻年份(1994年和1996年)的平均值进行插值。

气候数据

从全球陆资料同化系统(GLADAS)模拟的近实时地表变化数据中提取降水、温度和蒸散发数据。⁴⁴,包括GLDAS_NOAH025_M2。1989 - 1999年0模型数据和2000 - 2019年GLDAS_NOAH025_M2.1模型数据，空间分辨率为0.25°，时间分辨率为1个月。前人研究表明，GLADS水文模型数据在反映青藏高原降水变化和蒸散发方面具有较高的精度^45，46而温度数据在全球范围内一般是准确的⁴⁷．该数据集已成功应用于塔里木河流域气候变化、陆地水储量和农业用水之间的关系研究^48，49．利用研究区31年来367个月的总降水(降水和降雪量)、气温和蒸散发数据。2002年6月- 2002年9月和2016年1月5个月的数据缺失，缺失年份(2002年和2016年)使用相邻年份的平均值。

地下水数据

等效水高数据来自GRACE-FO RL06 Mascon解决方案(版本02)的数据集，该方案由德克萨斯大学奥斯汀分校的空间研究中心生成⁵⁰．这个数据集比其他算法生成的结果更好²⁶．Yang(2021)基于该数据集得到了孔旗河流域地下水储量变化趋势，与野外观测结果一致。在本研究中，使用了2003年至2019年的每月0.25°分辨率数据。由于数据异常明显，将2018年的数据替换为相邻年份的平均值。

Mann-Kendall (M-K)趋势检验

Mann-Kendall检验是一种非参数检验^51，52．其优点是少数异常值对其影响不大，且样本不需要遵循一定的分布。它被广泛应用于不同尺度的变化趋势检测⁵³．Kendall’s tau是趋势值。当\(τ\)>0，表示样品有增加的趋势;当\(τ\)为负数，表示有下降趋势。alpha是显著性水平，并且p值是决定拒绝或接受零假设的参数。

佩蒂特的测试

Pettitt检验是在M-K检验的基础上改进的算法。它可以识别时间序列数据中的突变点⁵⁴．它是检测时间序列中单个未知突变点的常用工具，也是常用的非参数检验方法之一⁵³．alpha是显著性水平，p值是决定拒绝或接受原假设的参数。一般认为，当p值小于5%时，变化显著，说明序列在此时发生了突变。

双变量皮尔森相关检验

皮尔逊相关系数包括标准差和协方差，用来表示两个变量之间关系的数值特征。其绝对值越接近1，相关性越好。它的绝对值越接近0，相关性越差——0表示不相关，正数表示正相关，负数表示不相关。用置信区间评价相关系数的信度⁵⁵．有单侧显著性检验和双面显著性检验。在输出Pearson值表中，相关系数右上方的单星表示满足单边检验，双星表示满足单边检验。如果数值表中相应指标的相关系数中没有星号，则说明两个变量不相关或相关性不显著。