黃河源頭鄂陵湖面積變化及驅(qū)動(dòng)力分析

李 娜,王 琳 ,文廣超,王俊雷,武印文

(1. 黃河交通學(xué)院交通工程學(xué)院,河南 焦作 454000; 2. 河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454000;3. 河南黃河勘測(cè)信息工程院,河南 鄭州 450004)

湖泊作為生態(tài)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)之一,不僅是水資源的儲(chǔ)存場(chǎng)所,也是大氣圈、生物圈和陸地水圈相互作用的連接點(diǎn)[1],其形成、擴(kuò)張、收縮和消失與區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化密不可分[2-3]。湖泊面積變化是湖泊生態(tài)系統(tǒng)及其功能狀況是否良好的重要指標(biāo),在評(píng)價(jià)湖泊健康程度和區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等方面具有實(shí)際意義[4]。鄂陵湖地處黃河源自然保護(hù)區(qū),是黃河源頭第一大淡水湖,人類活動(dòng)較少,可以很好地反映出保護(hù)區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境變化情況,對(duì)其進(jìn)行全面了解,有利于推進(jìn)黃河源園區(qū)的生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理。文獻(xiàn)[5]利用1976—2006年遙感數(shù)據(jù),分析得出30年間鄂陵湖、扎陵湖面積受氣候變化和人類活動(dòng)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[6]基于1976—2014年Landsat數(shù)據(jù),探究了黃河源園區(qū)內(nèi)42個(gè)湖泊面積變化,結(jié)果表明38年間大部分湖泊經(jīng)歷了穩(wěn)定—萎縮—擴(kuò)張—穩(wěn)定4個(gè)階段,相對(duì)于中小型內(nèi)流湖泊,鄂陵湖和扎陵湖在連續(xù)干旱的氣象環(huán)境下受影響較小。文獻(xiàn)[7]基于大數(shù)據(jù)遙感平臺(tái)探究了源區(qū)內(nèi)高山湖泊面積變化,結(jié)果表明湖泊變化經(jīng)歷了減少—增加—減少—增加4個(gè)階段,而影響湖泊動(dòng)態(tài)變化的原因主要是降水、濕度變化及多年凍土消融。近些年青藏高原河流和高寒湖泊水文變化及其成因引起了地球科學(xué)學(xué)界的廣泛關(guān)注,但多集中于湖泊變化與降水的關(guān)系,往往忽略了地理位置、土地利用類型等周邊環(huán)境對(duì)湖泊面積變化的影響。基于此,本文以黃河源園區(qū)內(nèi)鄂陵湖為研究對(duì)象,分析近20 年其面積的時(shí)空變化特征,探討其變化趨勢(shì)和驅(qū)動(dòng)因子,以期為黃河流域的生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

黃河源園區(qū)是三江源國家公園內(nèi)的自然保護(hù)區(qū)之一,位于青藏高原東北部,面積約1.9×104km2[8],總體地貌西北高東南低,平均海拔約4300 m,屬于高原大陸性氣候,年平均氣溫約-3.6℃,10月至次年4月湖泊均處于凍結(jié)狀態(tài),長達(dá)半年以上[9-10]。園區(qū)內(nèi)年總降水量約361 mm。鄂陵湖是黃河源園區(qū)內(nèi)最大的淡水湖,面積約679 km2,與扎陵湖并稱為“黃河源頭的姊妹湖”,是黃河源園區(qū)地下水排泄基準(zhǔn)面,對(duì)黃河源園區(qū)徑流量有調(diào)蓄作用[11]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

選取2001—2020年研究區(qū)7月或8月的Landsat數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理,并結(jié)合同期瑪多縣站點(diǎn)提供的氣象數(shù)據(jù)。NDVI和土地利用類型數(shù)據(jù)均來自MODIS,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影轉(zhuǎn)換、裁剪及重采樣。精度評(píng)定所用參照數(shù)據(jù)為Sentinel-2B影像,空間分辨率為10 m。該衛(wèi)星于2017年發(fā)射,故本文只對(duì)2017—2020年水體提取結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 研究方法

2.2.1 湖泊信息提取

選取歸一化差異水體指數(shù)(normalized difference water index,NDWI)[12]作為鄂陵湖面積提取的方法,計(jì)算公式為

(1)

式中,Green為綠波段;NIR為近紅外波段。

為保證鄂陵湖水體信息提取的精度,利用直方圖雙峰法[13]對(duì)鄂陵湖NDWI結(jié)果進(jìn)行最佳閾值提取,并完成影像分割。

2.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)

曼肯德爾(Mann-Kendall,M-K)檢驗(yàn)法是一種分析序列變化趨勢(shì)的非參數(shù)檢驗(yàn)方法[14],判斷序列中是否存在突變。對(duì)于具有n個(gè)樣本的時(shí)間序列Xi,構(gòu)造一個(gè)秩序列

(2)

定義統(tǒng)計(jì)變量UFk為

(3)

其中

(4)

(5)

式中,E(Sk)、Var(Sk)分別為累計(jì)數(shù)Sk的平均值和方差;UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。給定顯著性水平α(α=0.05,Uα=1.96),若|UFk|>Uα,表示存在顯著變化趨勢(shì),UFk>0表示呈現(xiàn)上升趨勢(shì),反之表示呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

生成時(shí)間序列Xi對(duì)應(yīng)的逆序列,重復(fù)上述計(jì)算過程,使得UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1)。若UFk和UBk曲線相交,且相交點(diǎn)在臨界線之間,則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變發(fā)生的時(shí)刻。

2.2.3 相關(guān)性分析

皮爾遜(Pearson)相關(guān)性常用于揭示兩個(gè)變量相互間的線性關(guān)系,可表示為

(6)

式中,r為相關(guān)系數(shù);n為樣本數(shù)量;xi、yi分別為變量值。當(dāng)|r|越接近1時(shí),表示兩個(gè)變量間的相關(guān)性越強(qiáng),反之兩個(gè)變量間的相關(guān)性越弱。其中,r大于0時(shí)為正相關(guān),小于0時(shí)則為負(fù)相關(guān),一般r在0.5以上說明相關(guān)性較強(qiáng)[15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 鄂陵湖面積時(shí)空變化特征分析

3.1.1 鄂陵湖面積時(shí)間變化特征

利用NDWI和雙峰直方圖法提取2017—2020年鄂陵湖邊界(如圖1所示),并采用Sentinel-2B 10 m影像對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定。經(jīng)檢驗(yàn),總體精度均在90%以上,滿足試驗(yàn)結(jié)果。采用該方法提取研究區(qū)剩余年份的全部數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行計(jì)算與分析,得到鄂陵湖面積M-K檢驗(yàn)圖(如圖2所示)和變化圖(如圖3所示)。

圖1 2020年NDWI雙峰直方圖

圖2 鄂陵湖面積M-K突變檢驗(yàn)

圖3 鄂陵湖面積變化趨勢(shì)

由圖2可知,2001—2020年UF曲線長期處于0值以上,說明鄂陵湖面積總體呈上升趨勢(shì)。2001—2004年UF曲線震蕩劇烈,變化不明顯,2005—2006年UF、UB曲線相交,期間鄂陵湖面積產(chǎn)生突變。2006年以后,UF曲線突破臨界值,直至2020年均呈現(xiàn)顯著上升水平,其中2012—2017年上升趨勢(shì)減緩。基于此,將圖3劃分為穩(wěn)定—擴(kuò)張—收縮—擴(kuò)張4個(gè)階段:①穩(wěn)定期(2001—2004年)。鄂陵湖面積由595.92 km2增長至601.13 km2,變化率為0.87%,整體趨勢(shì)穩(wěn)定。相關(guān)資料顯示[5],2001年鄂陵湖下游水電站建成后,2004年水位較1998年上升0.03%,水位變化平穩(wěn),湖泊面積變化較小。②擴(kuò)張期(2004—2012年)。湖泊急速擴(kuò)張,2012年鄂陵湖面積達(dá)到676.28 km2,比2004年增加了75.15 km2,增長率為12.50%。自2004年之后黃河源區(qū)地溫呈現(xiàn)一定的升高趨勢(shì),海拔每100 m溫度變化0.57℃[16],地溫升高,冰川和凍土融化及降水增多,為鄂陵湖擴(kuò)張?zhí)峁┝怂碵17]。③收縮期(2012—2017年)。研究區(qū)降水的減少及氣溫的升高直接導(dǎo)致湖泊面積銳減,總面積從676.28 km2降至623.91 km2,縮減7.74%。④擴(kuò)張期(2017—2020年)。湖泊面積再次增長,最終在2020年達(dá)到654.18 km2,增長率為4.85%。區(qū)內(nèi)湖泊面積的變化和降水形成一個(gè)反補(bǔ)的趨勢(shì),2012—2017年湖泊面積的收縮,為2017—2020年降水的增多提供了補(bǔ)給,直接導(dǎo)致湖泊面積擴(kuò)張;同時(shí)國家政策的落實(shí)也降低了人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[18],使得湖泊面積擴(kuò)張。

整體而言,2001—2020年鄂陵湖湖泊面積呈現(xiàn)一個(gè)明顯的擴(kuò)張趨勢(shì),與黃河源園區(qū)降水的增多有著直接關(guān)系,近些年國家政策的穩(wěn)步落實(shí),減少了瑪多縣草場(chǎng)的退化,減弱了水土流失的進(jìn)程,從而使得區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)好和湖泊面積擴(kuò)張。

3.1.2 鄂陵湖面積空間演變特征

采用象限方位分析法研究湖泊面積的擴(kuò)張與收縮[19],以其質(zhì)心為原點(diǎn),東西方向?yàn)闄M軸,南北方向?yàn)榭v軸,將鄂陵湖分為正北、東北、正東等8個(gè)區(qū)域,并將20年湖岸線進(jìn)行疊加(如圖4所示),統(tǒng)計(jì)出各方向的面積,用于觀測(cè)鄂陵湖在空間分布的差異。

圖4 鄂陵湖湖岸線疊加圖

鄂陵湖總體上顯著擴(kuò)張,8個(gè)方向面積均有所增加,其中西南方向變化最為劇烈,共增加22.52 km2,其次是正南方向增加13.62 km2,正西方向增加11.73 km2,而西北方向變化最小,僅增加0.92 km2,較為穩(wěn)定。

為更好地探究鄂陵湖的空間變化特征,以雷達(dá)圖的形式表征湖泊面積在該方位的變化情況,分析湖泊面積在不同時(shí)期的空間變化特征,如圖5所示。湖泊面積變化主要集中在西南部,除了收縮期(2012—2017年)西南部區(qū)域較上一年份出現(xiàn)面積減少的情況外,其余時(shí)間段湖泊面積均表現(xiàn)為穩(wěn)定或擴(kuò)張的變化趨勢(shì)。其中以2018年變化最為明顯,較2017年面積擴(kuò)張20.41 km2。鄂陵湖作為黃河的過水湖,西南部主要堆積為第四紀(jì)松散堆積物,同期降水增多,河床被河流下切,向下位移,使得西南部湖泊面積擴(kuò)張[20]。2002年南部區(qū)域也有一個(gè)較為明顯的增加(12.02 km2),由同年氣溫和蒸發(fā)量的升高,南部冰川融化為區(qū)內(nèi)面積擴(kuò)張?zhí)峁┝怂囱a(bǔ)給。2012—2017年,湖泊處于收縮期,湖泊面積較上一年最大減少了10.27 km2。由上述可知,該時(shí)間研究區(qū)內(nèi)降水減少、氣溫上升,同時(shí)蒸發(fā)量驟增,湖泊水源補(bǔ)給缺乏,是該區(qū)域面積減少的主要因素。整體而言,8個(gè)方位中除了西南和南部較上一年份呈現(xiàn)出較為明顯的變化外,其余方位均與湖泊整體面積變化趨勢(shì)一致,且變化較小(約5 km2)。

圖5 鄂陵湖不同階段空間變化

3.2 鄂陵湖面積變化驅(qū)動(dòng)力分析

3.2.1 氣象因素

降水量的多少對(duì)湖泊面積產(chǎn)生直接影響。2001—2019年研究區(qū)年際降水量變化幅度較大(如圖6所示),整體以8.78 mm/a的速率增加。2009年降水量最大(474.91 mm),2001年降水量最小(267.42 mm),其余年份圍繞平均值上下波動(dòng)。其中,2001—2004和2012—2017年年降水量較小,這與鄂陵湖面積在這兩個(gè)階段有所減小的趨勢(shì)相吻合。

圖6 2001—2020年降水量變化趨勢(shì)

氣溫是重要的氣候要素之一,2001—2019年研究區(qū)年平均氣溫整體呈現(xiàn)略微上升趨勢(shì)(如圖7所示)。氣溫越高,湖泊蒸發(fā)量越大,水量會(huì)有一定程度的減小[6];同時(shí)會(huì)導(dǎo)致湖泊周邊冰川凍土解凍,形成細(xì)小的河流對(duì)鄂陵湖進(jìn)行一定的補(bǔ)給,致使湖泊面積在短期內(nèi)出現(xiàn)較小程度的增長。

圖7 2001—2020年氣溫變化趨勢(shì)

2001—2018年研究區(qū)蒸發(fā)量變化波動(dòng)較大(如圖8所示)。該地區(qū)多年平均蒸發(fā)量為366.31 mm,2016年出現(xiàn)最大值,為431.92 mm,2009年出現(xiàn)最小值,為297.05 mm。2001—2004年蒸發(fā)量基本保持穩(wěn)定,2004—2012年蒸發(fā)量均小于平均水平,自2012年開始蒸發(fā)量上升,2016年以后下降,但仍保持在平均值以上,該變化趨勢(shì)與鄂陵湖面積變化趨勢(shì)相反。

圖8 2001—2020年蒸發(fā)量變化趨勢(shì)

3.2.2 植被覆蓋

2001—2020年研究區(qū)植被覆蓋情況空間分布差異顯著,呈現(xiàn)出由北向南遞增的空間分布格局(如圖9所示)。在黃河源園區(qū)北部、中南部及扎陵湖、鄂陵湖周邊植被覆蓋較高。20 年間植被覆蓋總體呈上升趨勢(shì)(如圖10所示),2001—2004年植被覆蓋基本無變化,且2003年為20 年間的最低點(diǎn),僅有0.38;2004—2012年東北部區(qū)域植被覆蓋明顯增加,鄂陵湖周邊及北部有少量植被生長;2012—2017年北部和西北部分區(qū)域出現(xiàn)了植被退化,植被覆蓋度開始直線下降,持續(xù)到2015年,與鄂陵湖面積變化的趨勢(shì)一致;2017—2020年整個(gè)研究區(qū)植被覆蓋度增加,在北部和東北部方向尤為突出,2018年達(dá)到20年間的最大值(0.49),且之后一直保持在多年平均值之上的水平,變化與鄂陵湖面積變化趨勢(shì)相吻合。

圖10 2001—2020年植被覆蓋變化趨勢(shì)

3.2.3 土地利用類型

土地利用是人類與自然相互作用最直接的表現(xiàn)形式[21]。如圖11所示,研究區(qū)主要以草地為主,遠(yuǎn)超其他地類面積,但在20年內(nèi)草地面積減少35.00 km2。其次是湖泊河流和未利用地,約占6%和2.5%,期間分別增加71.00 km2和減少88.75 km2。濕地和建設(shè)用地占比較少,其中濕地增加65.75 km2,建設(shè)用地基本無變化。總體而言,20 年間研究區(qū)土地利用類型主要是由未利用地轉(zhuǎn)向水體、濕地,建設(shè)用地保持穩(wěn)定,間接說明區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)好。

圖11 研究區(qū)土地利用類型圖

3.2.4 相關(guān)性分析結(jié)果

采用Pearson相關(guān)性分析法,將湖泊面積與上述5個(gè)驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行相關(guān)性分析,定量探測(cè)鄂陵湖面積變化的主要驅(qū)動(dòng)力,結(jié)果見表1。按各因子對(duì)湖泊面積的貢獻(xiàn)度大小,2001—2020年鄂陵湖面積變化的驅(qū)動(dòng)因素由主到次依次為:降水、氣溫、植被覆蓋、蒸發(fā)量、土地利用。降水與湖泊面積的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上,說明兩者呈高度正相關(guān),2001—2020年黃河源園區(qū)降水量明顯增多,為鄂陵湖提供了充足的補(bǔ)給來源,是鄂陵湖面積持續(xù)增長的主要原因。氣溫和植被覆蓋度的相關(guān)系數(shù)大于0.5,呈中度正相關(guān),說明氣溫與植被覆蓋度對(duì)鄂陵湖面積的變化有一定的正向促進(jìn)作用,氣溫升高冰川凍土融化在一定程度上為鄂陵湖水源提供了補(bǔ)給。蒸發(fā)量與鄂陵湖面積變化表現(xiàn)為中度負(fù)相關(guān),表明20 年間其對(duì)鄂陵湖面積的增長存在一定程度的抑制作用。土地利用類型在相關(guān)性檢驗(yàn)中表現(xiàn)為正向低相關(guān)度,但未通過顯著性檢驗(yàn),證明其對(duì)鄂陵湖面積變化作用并不明顯。

表1 湖泊面積與驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)系數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

黃河源園區(qū)作為三江源國家公園,是青海省重要生態(tài)屏障之一,承擔(dān)著維護(hù)黃河流域生態(tài)安全的重大使命[22]。2001年以來,受自然因素和人類活動(dòng)的影響,黃河源園區(qū)鄂陵湖面積表現(xiàn)為波動(dòng)增長的趨勢(shì),呈現(xiàn)出先收縮、后擴(kuò)張的變化規(guī)律,與三江源全域湖泊面積變化趨勢(shì)相同[23],也與文獻(xiàn)[7,24]的研究結(jié)果一致;同時(shí)反映了青藏高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有相似性,受人類活動(dòng)影響小,受自然環(huán)境影響較大。根據(jù)相關(guān)性分析,鄂陵湖面積變化與植被覆蓋呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明近些年該地區(qū)生態(tài)修復(fù)工程取得了一定成效,生態(tài)環(huán)境明顯改善,與文獻(xiàn)[25—26]研究結(jié)果一致。

4.2 結(jié) 論

本文以黃河源園區(qū)鄂陵湖為研究區(qū),選取2001—2020年共20期Landsat系列影像,從時(shí)間和空間序列上分析了湖泊面積的變化狀況,結(jié)合降水、氣溫、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù),探討了致使鄂陵湖面積變化的驅(qū)動(dòng)力因素。結(jié)論如下:

(1)2001—2020年鄂陵湖平均面積為639.10 km2。整體上鄂陵湖面積呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì),20年間共增加了58.26 km2,大致經(jīng)歷了穩(wěn)定期(2001—2004年)、擴(kuò)張期(2004—2012年)、收縮期(2012—2017年)、擴(kuò)張期(2017—2020年)4個(gè)階段。

(2)在空間上,鄂陵湖近20年以西南部區(qū)域面積變化最為明顯,2018年西南部較上年面積擴(kuò)張達(dá)20.41 km2;湖泊收縮期(2012—2017年)西南部區(qū)域湖泊邊界呈現(xiàn)出持續(xù)收縮的趨勢(shì)。基礎(chǔ)地質(zhì)條件與氣象條件的變化是西南部區(qū)域面積變化的主要原因。

(3)2001—2020年鄂陵湖面積與蒸發(fā)量呈中度負(fù)相關(guān),與氣溫、植被覆蓋呈中度正相關(guān),與降水呈高度正相關(guān),土地利用類型未通過顯著性檢驗(yàn),對(duì)湖泊面積變化影響較小。