1991—2017年葉爾羌河流域冰川景觀格局時空演變

彭加加,徐麗萍,曹 翠

石河子大學理學院, 石河子 832000

冰川作為冰凍圈的重要組成部分之一[1],根據其規模和形態特征,主要分為冰蓋和山地冰川[2]。其中,山地冰川既是存儲淡水資源的“固體水庫”,也是氣候變化的重要“指示器”[3—4]。隨著全球氣溫的不斷升高,近半個世紀以來,全球冰川普遍處于持續消融狀態[5],平均每年減少2260億t[6]。中國冰川主要分布在青新荒漠綠洲區。在內陸干旱地區,冰川作為一種特殊的自然景觀,常常被看作是干旱區的“生命線”[7]。氣候變暖背景下,冰川變化對干旱區的自然生態環境演變、農業生產和社會經濟可持續發展有著重要影響[8—11]。如何應對冰川變化產生的一系列影響,已成為當下亟待面對的重要現實問題。而冰川景觀格局演變研究,可提高對冰川景觀結構及組成變化的認識與理解,為應對冰川變化及其影響提供科學指導與決策支持。

近年來,景觀格局分析方法已被廣泛應用于眾多領域,尤其是不同土地類型(草地、荒漠、濕地等)景觀格局變化分析[12—14]。冰川作為一種特殊的土地利用類型,其變化帶來的影響也不容小覷,已引起了國內外學者的廣泛關注[15—17]。冰川消融過程也是一種景觀變化過程,冰川景觀結構及其組成的變化可以借助景觀指數來描述。將景觀生態學理論應用于冰川變化的研究已有初步的嘗試,姜亮亮、劉俊嶺等[18—19]運用景觀格局指數對冰川和永久積雪景觀要素進行分析發現,冰川覆被穩定性低,最大斑塊指數以及聚集度下降。李虹蓉[20]為探究祁連山吐爾根達坂地區冰川結構變化特征,引入景觀格局指數,分析發現冰川破碎度呈現先減小后增大趨勢,冰川斑塊大量消失。隨著RS、GIS技術越來越廣泛應用于冰川景觀變化的研究中,它們與景觀生態學理論相結合,可以更加直觀的顯示冰川景觀未來的變化趨勢。

葉爾羌河作為塔里木盆地西部最大的河流,其徑流大小主要取決于冰雪融水量。葉爾羌河不僅是保障新疆塔里木河生態系統健康運行的重要源流之一,還對維護流域乃至整個新疆生態環境安全、促進新疆經濟發展具有重要的作用[21—23]。對于整個葉爾羌河流域來說,冰川退縮大大削弱了冰川融水對河川徑流的調節作用,進而對整個流域的生態環境安全構成威脅,同時也對中下游地區居民的生活方式、經濟發展以及特色綠洲農業發展等產生不利影響。鑒于此,本文基于1991—2017年Landsat遙感影像數據,通過分析冰川斑塊面積隨海拔、坡度、坡向的變化以及冰川質心遷移狀況來揭示冰川景觀時空變化趨勢；嘗試應用能夠高度濃縮景觀空間格局信息的景觀格局指數并結合分形維數來揭示葉爾羌河流域冰川景觀結構變化特征以及評估冰川景觀穩定性。

1 研究區概況

葉爾羌河流域位于新疆西南部,塔里木盆地西緣(圖1)。流域范圍介于74°28′—80°55′ E,35°27′—40°42′ N之間,葉爾羌河流域總面積達9.89×104km2,全長約為1097 km,多年平均徑流量約為66.3×108m3,主要由冰雪融水和降水補給[24]。大西洋和印度洋暖、濕氣流受南天山、帕米爾高原和喀喇昆侖山的阻擋而無法入境,致使葉爾羌河流域常年干旱少雨,多年平均降水量僅30—60 mm[25],形成典型干旱大陸性氣候。流域內太陽輻射豐富,潛在蒸發量大,多年平均氣溫達9.38℃,其中多年平均最低氣溫為-3.29—5.89℃,多年平均最高氣溫達11.03—19.73℃[26]。葉爾羌河流域地形由東北向西南急劇升高,由960—1500 m的平原區升至極高山區的6000—8400 m,使西南部高大山區為冰川積累提供有利條件。

圖1 研究區域位置Fig.1 The study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1數據來源

本文選用了由Landsat系列衛星所搭載的TM、ETM+和OLI傳感器獲得的遙感影像數據,均來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)。為減少云雪對冰川斑塊提取的影響,1991—2017年所選影像成像時間為7—9月且云量低于20%,最終選定了1991、1996、2001、2008、2013、2017年6個時期的24景影像(表1)。本研究所選取的DEM 數據為30 m分辨率的SRTM1數據集產品,來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)。

2.1.2冰川斑塊提取

本文選取的遙感影像數據為Level 1T級,不需要進行幾何校正。由于研究區橫跨4景遙感影像,所以在輻射定標和大氣校正后需對4景影像進行圖像拼接和裁剪,以便完全覆蓋到研究區的冰川。與其他地物類型相比,冰川在可見光波段反射能力較強,在遙感影像上能夠與其他地物形成較為明顯的反差[27]。故目前常用監督與非監督分類法[28]、雪蓋指數法(NDSI)[29]、比值閾值法[30]、面向對象分類法[31]等對冰川進行解譯。本文借助ENVI 5.3軟件對TM和ETM+采用6、2、3波段進行假彩色合成,OLI采用7、2、3波段進行假彩色合成,并選取訓練樣本。采用最大似然監督分類法對6期遙感影像數據進行冰川斑塊提取,然后對分類結果進行目視解譯修改,以提高精度。最后對分類后結果進行精度驗證,6期分類結果精度均大于90%,Kappa系數均大于0.90,符合分類標準。

表1 遙感數據信息列表

2.2 研究方法

2.2.1景觀格局指數

景觀格局指數能夠高度濃縮景觀空間格局信息,反映其結構組成特征[32]。本文根據景觀格局指數選取原則,嘗試從景觀水平選擇5個景觀格局指數來分析葉爾羌河流域冰川景觀的變化,包括：斑塊數(NP)、最大斑塊指數(LPI)、平均形狀指數(SHAPE-MN)、平均周長面積比(PARA-MN)和分離度指數(SPLIT)。應用于冰川景觀的含義：

①斑塊數(NP)：研究區斑塊數量,無量綱,值域范圍≥1,斑塊數量變化既反映研究區冰川景觀消融狀況,又能揭示冰川景觀破碎度變化趨勢(NP值越大,表明冰川景觀破碎度越高)。

②最大斑塊指數(LPI)：反映冰川斑塊中最大斑塊占整個冰川斑塊的比例,其變化可以表征大面積冰川的變化狀況。表達式為：

(1)

式中,ai表示第i個冰川斑塊的面積,A表示冰川斑塊總面積。

③平均形狀指數(SHAPE-MN)：通過以正方形的標準進行對照,其值越大,反映出冰川因不斷消融,冰川斑塊形狀越來越不規則。表達式為：

(2)

式中,ai表示第i個冰川斑塊的面積,pi表示第i個冰川斑塊的周長,n表示冰川斑塊個數。

④平均周長面積比(PARA-MN)：反映冰川景觀在空間形狀上的凹凸情況或破碎化程度,其值越大,表明冰川景觀破碎化越嚴重。表達式為：

(3)

式中,ai表示第i個冰川斑塊的面積,pi表示第i個冰川斑塊的周長,n表示冰川斑塊個數。

⑤分離度指數(SPLIT)：數值的增加,可以反映出冰川斑塊面積的減小和冰川斑塊大小的變薄[33]。表達式為：

(4)

式中,ai表示第i個冰川斑塊的面積,A表示冰川斑塊總面積,n表示冰川斑塊個數。

2.2.2冰川景觀質心遷移

質心是描述地理現象空間分布的一個重要指標,質心可用于對地理分布變化的跟蹤。冰川景觀質心遷移變化能夠很好地從空間上描述冰川景觀的時空演變特征,通過了解各研究時段冰川景觀的質心分布,可以發現冰川景觀空間的變化趨勢,揭示冰川景觀消融或堆積的面積分布。因此,本文將景觀質心分析用于冰川景觀的研究,探討冰川景觀格局的演變特征。

(5)

(6)

式中,Xt、Yt分別表示第t時期冰川景觀分布的質心經度和緯度坐標；Cti表示冰川景觀第t時期第i斑塊的面積；Xi、Yi分別表示第i個斑塊的質心經緯度坐標[14]。

2.2.3冰川景觀穩定性評估

分形理論是通過建立面積-周長的關系來反映地物空間結構的理論[34]。冰川具有復雜的空間結構特性,僅從單一指數分析冰川變化具有片面性。因此,本文應用分形理論獲取葉爾羌河流域冰川分維系數來量化冰川空間結構穩定性及變化趨勢。表達式如下：

(7)

式中,A表示某一冰川面積；P表示該冰川的周長；D表示分維系數；k表示待定系數。將式(7)取對數得到：

(8)

式中,C為常數。由式(8)可建立冰川周長-面積關系。D值越大,表明冰川空間結構越復雜。當D值越接近1.50,表明冰川空間結構越不穩定。冰川空間結構穩定性指數SK計算表達式為：

SK=|1.5-D|

(9)

式中,SK值越大,表明冰川空間結構相對穩定；相反,則越不穩定。

3 結果分析

3.1 葉爾羌河流域冰川景觀時空變化特征

3.1.1冰川斑塊面積變化

1991—2017年,葉爾羌河流域冰川斑塊面積由6108.62 km2減少到5309.12 km2,共減少799.50 km2(-13.09%)。葉爾羌河流域冰川景觀整體上呈現持續退縮狀態,在不同時段冰川斑塊面積消減速率存在差異(圖2)。其中,1996—2001年時間段冰川斑塊面積消減速率最快,達0.7%/a；其次依次為1991—1996年、2001—2008年、2013—2017年時間段,消減速率分別為0.69%/a、0.47%/a、0.45%/a；2008—2013年時間段冰川斑塊面積消減速率最慢,僅為0.30%/a。上述各時段冰川斑塊面積消減速率表明葉爾羌河流域冰川景觀萎縮呈現減緩趨勢。

圖2 1991—2017年葉爾羌河流域冰川斑塊面積變化Fig.2 The area change of glacier patch in the Yarkant River Basin from 1991 to 2017

3.1.2冰川景觀海拔、坡度、坡向變化

海拔作為冰川景觀變化主要地形影響因子之一[35]。由于不同海拔梯度上太陽輻射量、溫度、降水等存在一定差異,導致冰川景觀在不同海拔梯度消減率存在差異。本文利用DEM數據,應用ArcGIS軟件提取了葉爾羌河流域冰川景觀分布區的海拔因子,并以200 m為間距,將冰川景觀分布的海拔梯度范圍劃分為9個梯度,得到葉爾羌河流域冰川景觀變化的垂直分布特征。葉爾羌河流域冰川景觀分布在海拔4100—5900 m之間,主要集中發育在海拔5000—5800 m,占總面積的75.44% (圖3)。從海拔梯度變化來看,所有海拔梯度冰川斑塊面積均減少,且隨著海拔梯度的上升,冰川斑塊面積變化率逐漸減小。其中,海拔為5400—5800 m的海拔高度帶冰川斑塊面積消減最多,為448.52 km2,占該流域冰川景觀總消減面積的56.10%,是最大的冰川景觀消減面積貢獻海拔高度帶；消減率最為劇烈的3個海拔梯度帶為<4400、4400—4600、4800—5000 m,其消減率分別高達63.68%、53.88%、53.87%。這也應證了海拔越低的地區溫度越高,冰川景觀退縮率越大,低海拔地區為冰川景觀主要退縮區[36]。從時間上分析,1991—2017年葉爾羌河流域冰川斑塊面積在同一海拔梯度上總體呈現消減趨勢,且在相同時間間隔變化率呈波動減小狀態(表2)。

圖3 葉爾羌河流域不同海拔高度帶冰川斑塊面積變化Fig.3 Area change of glacier patch with different attitudes in the Yarkant River Basin

表2 葉爾羌河流域不同時期冰川斑塊面積變化及海拔梯度統計

根據坡度分類標準[37],將葉爾羌河流域冰川區坡度劃分為6個等級：平坡(<5°)、緩坡(5°—15°)、斜坡(15°—25°)、陡坡(25°—35°)、急陡坡(35°—40°)、急坡(>40°),本研究以這6個等級來分析該流域不同坡度冰川景觀的分布狀況以及變化特征(圖4)。葉爾羌河流域冰川景觀主要集中分布在坡度>35°的地形上,占總面積的95.67%,表明葉爾羌河流域冰川以山地冰川為主。1991—2017年不同坡度區間的冰川斑塊面積呈現出相似的波動減少趨勢。冰川斑塊面積變化大小按坡度排序為：陡坡>緩坡>急坡>斜坡>急陡坡,減少值分別為15.98%、15.60%、14.18%、10.94%和2.87%。隨著坡度的增加,冰川斑塊面積消減率呈現減少的趨勢,表明坡度的大小影響著冰川景觀的消減速度,坡度較為緩和的區域冰川景觀消減較快。

圖4 葉爾羌河流域不同坡度、坡向冰川斑塊面積變化Fig.4 Glacier patch area change of different slopes and different aspects in the Yarkant River Basin

由于陰陽坡向太陽輻射度的不同,對冰川景觀消減速度影響存在差異。因此,本文為探究葉爾羌河流域冰川景觀在不同坡向的變化特征,將冰川分布區坡向劃分為：陰坡(0°—90°和270°—360°)、陽坡(90°—270°) (圖4)。1991—2017年,葉爾羌河流域陽坡和陰坡冰川景觀變化特征相似,面積均呈下降趨勢,并存在一定波動。在陰坡上,冰川斑塊面積從122.86 km2減少到103.29 km2,減少了19.58 km2(占1991年陰坡冰川景觀的7.79%),冰川景觀消減速率為0.30%/a。同期,在陽坡上,冰川斑塊面積從5985.76 km2減少到5205.83 km2,減少了779.93 km2(占1991年陽坡冰川景觀面積的13.20%),冰川景觀消減速率為0.51%/a。陽坡冰川斑塊面積的消減速率明顯高于陰坡,這與氣候變化和氣象條件有關。由于氣候變暖,陽坡和陰坡的冰川景觀都在消減,但陽坡上的光照和太陽輻射相對較強,因此陽坡冰川景觀的消減速率相對較高。

3.2 葉爾羌河流域冰川景觀格局動態變化

為探索1991—2017年葉爾羌河流域各時期冰川景觀空間結構變化特征,本文選擇了能夠高度濃縮景觀空間結構信息的景觀格局指數(圖5)。其中,1991—2017年葉爾羌河流域冰川斑塊數量(NP)整體呈現減少趨勢,冰川斑塊減少總數達476個。同時,冰川最大斑塊指數(LPI)呈下降趨勢,最大斑塊指數由9.33降至3.81,表明葉爾羌河流域冰川景觀整體呈現消減趨勢,且表現為小面積冰川斑塊融化消失,冰川斑塊數量減少；大面積冰川斑塊不斷消融,進而導致大斑塊冰川的面積占比降低。1991—2017年葉爾羌河流域冰川平均形狀指數(SHAPE-MN)、平均周長面積比(PARA-MN)以及分裂指數(SPLIT)變化趨勢相同,表現為波動上升趨勢。其中,冰川平均形狀指數(SHAPE-MN)呈先增后減,再緩慢增加趨勢,表明葉爾羌河流域冰川斑塊因不斷消融,其形狀越來越不規則；冰川平均周長面積比(PARA-MN)呈波動上升趨勢,且 2001—2017年間平均周長面積比(PARA-MN)明顯大于1991—2001年,表明葉爾羌河流域冰川不斷消融,導致冰川斑塊分裂,致使冰川斑塊破碎化程度變大；1991—2017年,冰川景觀分裂指數(SPLIT)由39.87不斷增加到93.79,表明葉爾羌河流域冰川景觀呈現持續消減狀態,且冰川厚度變薄,冰儲量在不斷減少。表明26年來,葉爾羌河流域冰川景觀呈現不斷消減狀態,且冰川景觀破碎化程度明顯增加。

圖5 葉爾羌河流域冰川景觀指數變化Fig.5 Changes of landscape pattern index of glacier in the Yarkant River Basin

3.3 葉爾羌河流域冰川景觀格局質心遷移分析

圖6 葉爾羌河流域冰川景觀的質心遷移 Fig.6 Centroids shifting of glacier landscape in the Yarkant River Basin

冰川景觀質心的變化可以揭示冰川景觀消融或堆積的面積分布。根據質心的算法,計算出葉爾羌河流域1991、1996、2001、2008、2013以及2017年6個時期冰川景觀的質心坐標,結果如圖6所示。從經度方向分析葉爾羌河流域冰川景觀質心變化特征得出,冰川景觀的質心先快速向東偏移,然后折向西偏移；接著2008—2017年間重復以上運動趨勢。從緯度方向分析葉爾羌河流域冰川景觀質心變化特征得出,冰川景觀的質心整體上呈現向北偏移的趨勢,這也表明由于北部大量大面積冰川斑塊的存在,而大面積斑塊冰川消融速度小于小面積斑塊冰川,致使冰川景觀的質心呈現不斷向北偏移的趨勢。從整體分析葉爾羌河流域冰川景觀的質心變化特征得出,1991—2017年冰川景觀的質心遷移的軌跡總體上呈“W”字型,整體呈現東北偏移趨勢,表明該流域冰川在不斷消融,且大面積斑塊冰川主要分布在東北方向。

3.4 葉爾羌河流域冰川景觀穩定性分析

通過分形理論,建立葉爾羌河流域冰川景觀的周長-面積關系式,通過線性回歸分析得到分維數以及空間結構穩定性指數(表3)。分析可知,1991—2017年間葉爾羌河流域冰川景觀分維系數(D)下降率為4.07%,而該時間段冰川景觀穩定性指數(SK)呈波動增加趨勢,冰川景觀穩定性增強率為18.52%。葉爾羌河流域冰川景觀結構復雜度的微弱降低,以及冰川景觀結構穩定性的增強,表明該流域冰川景觀消減率略微降低,但仍然處于持續消融狀態。

4 討論與結論

4.1 討論

氣溫是冰川景觀融化的主要影響因素,降水是冰川景觀積累的主要影響因素,二者的結合,共同決定著冰川景觀的演化趨勢[38]。研究期間,葉爾羌河流域氣候呈暖濕化趨勢[39]。氣候變暖,導致該流域冰川斑塊面積、數量的減少。冰川景觀作為全球生態系統中特殊而重要的組成部分,一方面對維持區域生態穩定和調節河流徑流具有重要意義[16]；另一方面,冰川景觀的消融易引發冰川洪水、冰湖潰決等災害,威脅下游地區的社會經濟發展及人民生命財產安全[40]。然而,葉爾羌河流域的冰川景觀在不斷縮減,所以對冰川景觀進行適當的保護,減緩冰川景觀消融的速度,對于改善干旱區綠洲的整體生態環境具有重要意義。

表3 1991—2017年葉爾羌河流域冰川景觀分維數、空間結構穩定性指數變化

在過去的研究中,多數學者主要從冰川面積、長度、體積等方面來研究冰川景觀時空演變,但這不能直接反映斑塊內部及不同斑塊之間冰川覆被分布的復雜程度。本文從景觀生態學的角度出發,借助景觀格局指數來分析了冰川景觀結構的演變特征。研究結果較好的反映了研究區冰川景觀結構的變化趨勢,這可提高對冰川景觀結構變化的認識與理解,為應對冰川景觀變化及其影響提供參考依據。冰川景觀結構復雜多樣,形態各異,本文僅從冰川單一結構出發,探究了其演變特征。在今后的研究中還需要根據冰川斑塊的大小進行細化,分類分等級討論不同冰川斑塊的結構變化,以便更清晰的認識冰川景觀結構的演變過程。

4.2 結論

在RS和GIS技術支持下,以葉爾羌河流域為研究區,運用遙感影像對葉爾羌河流域26年來冰川景觀時空變化特征進行了提取與分析,主要得到以下結論：

(1) 1991—2017年,葉爾羌河流域冰川斑塊面積共減少799.50 km2(-13.09%)；冰川斑塊面積消減主要集中在海拔5400—5800 m之間,相較之下,海拔4400 m以下的區域冰川斑塊面積消減率最高,達63.68%；該流域冰川景觀主要集中分布在坡度>35°的地形上,陡坡冰川斑塊面積消減率最高(15.98%),急陡坡消減率最低(2.87%)；陰陽兩坡冰川景觀均呈退縮趨勢,陽坡冰川斑塊面積的消減速率明顯高于陰坡,分別為0.51%/a和0.30%/a。

(2) 從景觀水平對研究區冰川景觀格局變化進行了分析,利用不同指數從不同角度描述了冰川斑塊的變化特征。結果表明：1991—2017年葉爾羌河流域冰川斑塊減少總數達476個；冰川景觀最大斑塊指數由1991年的9.33降低至2017年的3.81；冰川景觀平均形狀指數、平均周長面積比、分裂指數總體均呈現上升趨勢,冰川景觀因消融形狀越發不規則、破碎度增加、厚度變薄。表明26年來,葉爾羌河流域冰川景觀呈現不斷消減狀態,且冰川景觀破碎程度顯著增加。

(3) 通過質心遷移模型分析了研究區冰川景觀的空間遷移變化特征。結果表明：1991—2017年間葉爾羌河流域冰川景觀無論在經度還是緯度均發生了遷移,變化軌跡呈“W”字型,整體呈現東北偏移趨勢,表明該流域大面積斑塊冰川主要分布在東北方向,且冰川景觀在不斷消減。

(4) 1991—2017年間,冰川景觀結構復雜度的微弱降低,冰川結構穩定性的增強,表明該流域冰川景觀消減率略微降低,但仍然處于持續消融狀態。