近35年南四湖水域面積動態變化及驅動力分析

侯學會，徐洪彪，李新華，王猛，隋學艷，梁守真

（1.山東省農業科學院，山東 濟南 250100；2.臨沂市水文局，山東 臨沂 276001）

水域是濕地生態系統的重要組成部分，在維護濕地生態系統平衡、調節流域小氣候、保護流域生態功能等方面占據重要地位。在全球氣候變化和人類活動不斷加劇的背景下，濕地生態系統的水域面積發生了不同程度的變化，引起氣象、水文和生態等多學科學者的重視。南四湖是我國華北地區最大的淡水湖，地處鳥類遷徙的咽喉地帶，珍稀生態資源豐富［1］。南四湖又是南水北調東線的重要樞紐，京杭大運河貫穿湖區，湖周邊農業等人類活動頻繁。近年來，受氣候和人類活動的共同擾動，南四湖出現湖區萎縮、水位下降［1，2］、生態環境受到破壞［3，4］等問題，因此，開展長時間序列的水域面積動態監測并分析其影響因素具有重要意義，已引起眾多學者的關注。如蔣齋等［5］基于Landsat影像解譯發現，1975—2015的近40年間，南四湖水域在波動中略微增長，但湖區面積出現萎縮；梁佳欣等［6］基于三期遙感數據得出1985—2015年間南四湖水域面積有擴大趨勢的結論；Sun等［7］基于MODIS數據研究發現，2000—2010年間，南四湖水域面積略微增加，但水體覆蓋的累積時間顯著低于全國其他湖泊。但呂方等［8］基于四期遙感解譯的結果認為，在1982—2012的30年間，南四湖自然水域面積以17.63 km2／a的幅度減少。

南四湖水體覆蓋面積受自然和人為因素的共同作用，并且特殊年份的重要氣候變化對湖面影響極為明顯。但已有研究多只分析整個研究時段內的湖面面積變化，而對特殊年份的突變因素，如特大干旱、特大降水等考慮不足。因此，基于前人研究結果，本研究利用長時間序列的Landsat影像，提取1984—2018年南四湖水域覆蓋區，并在分析近35年南四湖水域面積總體變化的基礎上，以2002年特大干旱年為界點，進一步探討2002年前后南四湖水域面積的動態變化；并結合流域氣溫、降水等氣象資料和相關社會經濟數據，對南四湖水域面積變化的自然和人為驅動因素進行分析，以期為流域生態環境保護提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

南四湖（34°45′～35°34′N，116°56′～117°36′E）是華北地區最大的內陸型淡水湖，從南向北，由微山湖、昭陽湖、獨山湖和南陽湖四個湖區串聯組成，位于山東和江蘇兩省七縣市（濟寧市、微山縣、滕州市、棗莊市、魚臺縣和沛縣、徐州市）交界處（圖1），行政上屬濟寧市微山縣管轄，為南水北調東線的主要調蓄樞紐之一，地理位置比較重要。南四湖流域為典型的暖溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均溫約14℃，年均降水量700 mm左右［9］。近年來，隨著南四湖流域氣候變化和人類活動愈加頻繁，南四湖水資源短缺問題日益嚴重，生態環境不斷惡化。

圖1 研究區域位置概況

1.2 數據源

本研究采用的遙感數據來自于美國地質調查局網站覆蓋研究區的1984—2018年Landsat系列衛星數據，空間分辨率為30 m。為排除突發降水、植被、冰等因素對水域面積提取結果的影響，主要選擇9月下旬至11月上旬的影像，共篩選出28期數據。基于ENVI軟件對遙感影像進行幾何校正、輻射定標、大氣校正等預處理，并對Landsat－7 ETM SLC－off數據基于Landsat Gapfill插件進行條帶修復。然后基于南四湖試驗區矢量界線裁剪獲取研究區的遙感數據。

研究區的氣溫和降水資料來源于中國氣象科學數據共享網（http：／／data.cma.cn／），選擇南四湖流域及周邊40個氣象站點的年均溫和總降水量數據。以海拔高度作為調整因子，基于MicroMet模型［10］將站點數據插值為柵格數據，然后以南四湖試驗區為基準，建立30 km的緩沖區，統計獲得該緩沖區內1984—2018年的年均溫和降水總量。另外，收集了1993年以后微山縣漁業總產值統計資料，以期為探索人類活動對南四湖水域面積的影響提供參考。

1.3 研究方法

1.3.1 水域面積提取 依據改進歸一化差異水體指數（modified normalized differencewater index，MNDWI）（公式1）［11］進行南四湖水域面積提取。該指數能夠很好地區分出建設用地和水體區域，并且能夠揭示水體微細特征。但該指數在區分山體陰影和水體時可能出現混淆［12］，因此，在根據地物MNDWI特征初步提取研究區水體區域的基礎上，我們又基于決策樹構建分類體系，對水體和陰影進一步區分。

式中，ρgreen為綠波段的反射率，綠波段如Landsat TM／ETM＋的第2波段、Landsat OLI的第3波段；ρmir為中紅外波段的反射率，中紅外波段如Landsat TM／ETM＋的第5波段、Landsat OLI的第6波段。

1.3.2 氣候因素對水域面積影響的分析方法一般來講，不同氣候要素之間存在一定的相關關系，為更明確地分析氣候因素（氣溫和降水量）對南四湖水域面積變化的影響，本研究采用偏相關分析方法評價南四湖水域面積與氣溫和降水的相關關系，并以皮爾遜相關系數P評價相關關系的顯著性。偏相關系數和相關系數的計算公式如下：

式（2）中，rxy，z表示在去除變量z影響的條件下變量x與變量y的偏相關系數；rxy、ryz、rxz分別為變量x與y、y與z、x與z間的相關系數，根據公式（3）求得。

2 結果與分析

2.1 近35年南四湖水域面積年際變化特征

圖2為基于Landsat影像提取的28年的南四湖水域面積。從整體上看，研究區水域面積最大的年份在2007年，為1 119.29 km2，最少的年份在2002年，僅為242.76 km2，前者是后者的4.6倍。雖然1984—2018年間南四湖水域面積在波動中以年變化量為7.35 km2的速度增加，但以2002特大干旱年為分割年看，1984—2002年及2003—2018年兩個時間段，南四湖水域面積減少趨勢均比較明顯：1984年，南四湖水域面積為1 012.48 km2，而2002年僅有242.76 km2的區域被水體覆蓋，年減少量達35.86 km2，減少比較劇烈；雖然在2003年水域面積迅速恢復到903.71 km2，但之后在波動中整體仍呈減少趨勢，到2018年研究區水域面積僅為682.46 km2。

圖2 1984—2018年南四湖水域面積的時間變化

進一步對南四湖試驗區內水體覆蓋時間和典型時段內的水域變化空間格局進行分析，結果如圖3所示。在提取的28年南四湖水體區域數據中，水體覆蓋比較穩定的區域僅為120.26 km2，占最大水體面積的9.97%，主要分布在微山湖南部和獨山湖北部，而微山湖北部和西部水域面積波動較大，在很多年份幾乎沒有水體覆蓋，覆蓋時間少于5年（圖3A）。從整個研究區來看，水體覆蓋20年以上的區域為41.01%，而10年以下的區域比例達25.26%。根據圖3B，1984—2002年間，有53.98%的區域水體覆蓋顯著減少，水域不斷向湖中心萎縮，僅微山湖南部、獨山湖北部和南陽湖北部區域水體面積保持不變。而2003—2018年間（圖3C），水體覆蓋區域相對比較穩定，67.49%的水域面積不變，水域減少的區域僅占25.23%；而在微山湖的西部、昭陽湖的西部和南陽湖的南部區域，水域面積出現擴大趨勢，擴大面積占研究區面積的7.28%。

圖3 1984—2018年研究區水域面積變化的空間格局

2.2 近35年南四湖區域氣候變化

從圖4可以看出，1984—2018年間，南四湖區域年均溫平均為14.24℃，在波動中以每10年0.49℃的速率上升；1984—1986年，南四湖區域溫度均低于平均溫度，其中1984年氣溫最低，為12.52℃，而2017年年均溫最高，達15.55℃。與氣溫時間變化趨勢比較一致，1984—2018年間，南四湖區域年均降水量為654.21 mm，呈現波動中增加的趨勢，年增量平均為10.06 mm，其中，2002年和2017年分別是年降水量最少和最多的 年份，降水量分別為351.13 mm和942.93 mm。

圖4 1984—2018年南四湖區域氣溫和降水的時間變化趨勢

2.3 南四湖水域面積變化的驅動力分析

2.3.1 氣候因素對南四湖水域面積的影響 從整體上看，氣溫與水域面積有一定的負相關關系，而降水對水域面積的增加有正效應（表1）。尤其是1984—2002年降水偏少的年份，氣溫上升對水域面積減少的負影響極顯著，偏相關系數為－0.746（P＜0.01）；根據二者線性擬合結果，氣溫每升高1℃，水域面積減少227.97 km2。而1984—2018年間，降水的增加對水域面積擴大的正效應達到顯著水平，二者的偏相關系數為0.418（P＜0.05）。

表1 1984—2018年南四湖水域面積與氣候要素的偏相關關系

2.3.2 人類活動對南四湖水域面積的影響 南四湖在行政上劃歸微山縣管轄，其水產養殖是微山縣主要的漁業產值來源。根據收集到的微山縣漁業總產值的統計數據（圖5）可以看出，1993年以來，除大旱年份外，南四湖水域面積與漁業總產值的變化趨勢基本相反，2009年之前，漁業總產值整體較低，同時期南四湖水域覆蓋面積較廣；而2010年之后，隨著漁業總產值的迅速增長，南四湖水域面積出現一定萎縮。

圖5 1993—2016年南四湖水域面積與微山縣漁業總產值的時間變化趨勢

3 討論與結論

本研究基于1984—2018近35年的28期Landsat衛星數據，在提取南四湖水域的基礎上，分析水域面積變化的時空趨勢，并基于站點的氣象資料和統計年鑒數據，對水域面積變化的驅動力進行探討。結果如下：

1984—2018年，南四湖流域氣溫和降水都在波動中呈現增加的趨勢。其中，氣溫的增加幅度為0.49℃／10a，高于全球0.2℃／10a的增溫速率［13］，約是北半球近20年及全國近60年增溫速度（分別為0.25℃／10a、0.24℃／10a）的兩倍，增溫幅度較大。與田莉娟等［14］基于雨量站點研究結果比較一致，1984年以來，南四湖流域降水在波動中增加，年降水量增加值為10.06 mm，尤其是2003年以來的降水偏豐［15］。

1984—2018年間南四湖水域面積在波動中略有增加，這與蔣齋［5］、Sun［7］等的研究結果相一致。但本研究以2002特大干旱年為界點進行進一步分析發現，1984—2002年及2003—2018年這兩個時間段內，南四湖水域面積實際上均呈下降趨勢，減少速率分別為35.86 km2／a和19.53 km2／a。受特大干旱氣象災害［16］的影響，2002年南四湖水域面積僅為242.76 km2，僅為2007年最大水域面積的21.69%。從水域覆蓋的時間長度分析，被水覆蓋時間長于28年的區域僅占研究區面積的9.97%，主要集中在湖中心，而湖兩側區域的水域面積不斷萎縮［7］，尤其是微山湖西側，水體覆蓋時間基本在10年以下。

雖然1984—2018年間氣溫對南四湖水域面積的影響比較微弱，但在1984—2002年的枯水年，上游補水量有限，氣溫成為影響南四湖水域面積的主要因素之一，二者的偏相關系數為－0.746，達到極顯著水平，主要是因為氣溫的升高使流域蒸騰增加［13，17］，導致水域面積不斷減少。而在2002年之后，隨著流域進入豐水年，上游來水補給量增大，氣溫的升高對南四湖水域面積的影響僅為－0.263，沒有通過顯著性檢驗。

與青藏高原等流域湖泊面積與降水量正相關關系顯著［18－23］不同，雖然1984—2018年間南四湖區域的降水量增加比較明顯，但在1984—2002、2003—2018年兩個時段內水域面積與降水量的偏相關關系并不顯著，僅在整個研究時段內呈顯著正相關，說明降水量并不是控制南四湖水域的主要因素［24］。這與南四湖水量來源存在很大關系，作為南水北調東線上的重要調蓄水湖泊，南四湖水域面積在一定程度上受上游來水的影響［3］，特別是枯水年的生態調水，在很大程度上可以維護南四湖流域的生態環境穩定。

除氣象條件和南水北調的因素外，人類活動也是影響南四湖自然水域面積的主要因素之一。本研究結果表明，1993—2016年間，南四湖自然水域面積與微山縣漁業總產值的變化趨勢相反，這與許吉仁等［24］的研究比較一致。1987—2010年，水產養殖區從12.85 km2擴大到489.75 km2，尤其是南四湖的西側，大面積的蘆葦沼澤和藕田轉變為水產養殖區，導致自然水域面積大幅度減少［8，25］。另外，蔣齋［5］、于泉洲［16］等也指出，水產養殖區的擴大是南四湖湖泊面積不斷萎縮的原因之一。