黄河源头鄂陵湖面积变化及驱动力分析

李 娜,王 琳 ,文广超,王俊雷,武印文

(1. 黄河交通学院交通工程学院,河南 焦作 454000; 2. 河南理工大学资源环境学院,河南 焦作 454000;3. 河南黄河勘测信息工程院,河南 郑州 450004)

湖泊作为生态系统的重要结构之一,不仅是水资源的储存场所,也是大气圈、生物圈和陆地水圈相互作用的连接点[1],其形成、扩张、收缩和消失与区域生态环境变化密不可分[2-3]。湖泊面积变化是湖泊生态系统及其功能状况是否良好的重要指标,在评价湖泊健康程度和区域生态环境质量等方面具有实际意义[4]。鄂陵湖地处黄河源自然保护区,是黄河源头第一大淡水湖,人类活动较少,可以很好地反映出保护区内的生态环境变化情况,对其进行全面了解,有利于推进黄河源园区的生态保护和环境治理。文献[5]利用1976—2006年遥感数据,分析得出30年间鄂陵湖、扎陵湖面积受气候变化和人类活动呈现先减后增的趋势。文献[6]基于1976—2014年Landsat数据,探究了黄河源园区内42个湖泊面积变化,结果表明38年间大部分湖泊经历了稳定—萎缩—扩张—稳定4个阶段,相对于中小型内流湖泊,鄂陵湖和扎陵湖在连续干旱的气象环境下受影响较小。文献[7]基于大数据遥感平台探究了源区内高山湖泊面积变化,结果表明湖泊变化经历了减少—增加—减少—增加4个阶段,而影响湖泊动态变化的原因主要是降水、湿度变化及多年冻土消融。近些年青藏高原河流和高寒湖泊水文变化及其成因引起了地球科学学界的广泛关注,但多集中于湖泊变化与降水的关系,往往忽略了地理位置、土地利用类型等周边环境对湖泊面积变化的影响。基于此,本文以黄河源园区内鄂陵湖为研究对象,分析近20 年其面积的时空变化特征,探讨其变化趋势和驱动因子,以期为黄河流域的生态保护和环境治理提供理论依据和技术支撑。

1 研究区概况

黄河源园区是三江源国家公园内的自然保护区之一,位于青藏高原东北部,面积约1.9×104km2[8],总体地貌西北高东南低,平均海拔约4300 m,属于高原大陆性气候,年平均气温约-3.6℃,10月至次年4月湖泊均处于冻结状态,长达半年以上[9-10]。园区内年总降水量约361 mm。鄂陵湖是黄河源园区内最大的淡水湖,面积约679 km2,与扎陵湖并称为“黄河源头的姊妹湖”,是黄河源园区地下水排泄基准面,对黄河源园区径流量有调蓄作用[11]。

2 材料与方法

2.1 数据源与预处理

选取2001—2020年研究区7月或8月的Landsat数据,对其进行辐射定标、大气校正等预处理,并结合同期玛多县站点提供的气象数据。NDVI和土地利用类型数据均来自MODIS,对数据进行拼接、投影转换、裁剪及重采样。精度评定所用参照数据为Sentinel-2B影像,空间分辨率为10 m。该卫星于2017年发射,故本文只对2017—2020年水体提取结果进行验证。

2.2 研究方法

2.2.1 湖泊信息提取

选取归一化差异水体指数(normalized difference water index,NDWI)[12]作为鄂陵湖面积提取的方法,计算公式为

(1)

式中,Green为绿波段;NIR为近红外波段。

为保证鄂陵湖水体信息提取的精度,利用直方图双峰法[13]对鄂陵湖NDWI结果进行最佳阈值提取,并完成影像分割。

2.2.2 Mann-Kendall检验

曼肯德尔(Mann-Kendall,M-K)检验法是一种分析序列变化趋势的非参数检验方法[14],判断序列中是否存在突变。对于具有n个样本的时间序列Xi,构造一个秩序列

(2)

定义统计变量UFk为

(3)

其中

(4)

(5)

式中,E(Sk)、Var(Sk)分别为累计数Sk的平均值和方差;UFk为标准正态分布。给定显著性水平α(α=0.05,Uα=1.96),若|UFk|>Uα,表示存在显著变化趋势,UFk>0表示呈现上升趋势,反之表示呈现下降趋势。

生成时间序列Xi对应的逆序列,重复上述计算过程,使得UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1)。若UFk和UBk曲线相交,且相交点在临界线之间,则交点对应的时刻就是突变发生的时刻。

2.2.3 相关性分析

皮尔逊(Pearson)相关性常用于揭示两个变量相互间的线性关系,可表示为

(6)

式中,r为相关系数;n为样本数量;xi、yi分别为变量值。当|r|越接近1时,表示两个变量间的相关性越强,反之两个变量间的相关性越弱。其中,r大于0时为正相关,小于0时则为负相关,一般r在0.5以上说明相关性较强[15]。

3 结果与分析

3.1 鄂陵湖面积时空变化特征分析

3.1.1 鄂陵湖面积时间变化特征

利用NDWI和双峰直方图法提取2017—2020年鄂陵湖边界(如图1所示),并采用Sentinel-2B 10 m影像对提取结果进行精度评定。经检验,总体精度均在90%以上,满足试验结果。采用该方法提取研究区剩余年份的全部数据,对其进行计算与分析,得到鄂陵湖面积M-K检验图(如图2所示)和变化图(如图3所示)。

图1 2020年NDWI双峰直方图

图2 鄂陵湖面积M-K突变检验

图3 鄂陵湖面积变化趋势

由图2可知,2001—2020年UF曲线长期处于0值以上,说明鄂陵湖面积总体呈上升趋势。2001—2004年UF曲线震荡剧烈,变化不明显,2005—2006年UF、UB曲线相交,期间鄂陵湖面积产生突变。2006年以后,UF曲线突破临界值,直至2020年均呈现显著上升水平,其中2012—2017年上升趋势减缓。基于此,将图3划分为稳定—扩张—收缩—扩张4个阶段:①稳定期(2001—2004年)。鄂陵湖面积由595.92 km2增长至601.13 km2,变化率为0.87%,整体趋势稳定。相关资料显示[5],2001年鄂陵湖下游水电站建成后,2004年水位较1998年上升0.03%,水位变化平稳,湖泊面积变化较小。②扩张期(2004—2012年)。湖泊急速扩张,2012年鄂陵湖面积达到676.28 km2,比2004年增加了75.15 km2,增长率为12.50%。自2004年之后黄河源区地温呈现一定的升高趋势,海拔每100 m温度变化0.57℃[16],地温升高,冰川和冻土融化及降水增多,为鄂陵湖扩张提供了水源[17]。③收缩期(2012—2017年)。研究区降水的减少及气温的升高直接导致湖泊面积锐减,总面积从676.28 km2降至623.91 km2,缩减7.74%。④扩张期(2017—2020年)。湖泊面积再次增长,最终在2020年达到654.18 km2,增长率为4.85%。区内湖泊面积的变化和降水形成一个反补的趋势,2012—2017年湖泊面积的收缩,为2017—2020年降水的增多提供了补给,直接导致湖泊面积扩张;同时国家政策的落实也降低了人类活动对生态环境的影响[18],使得湖泊面积扩张。

整体而言,2001—2020年鄂陵湖湖泊面积呈现一个明显的扩张趋势,与黄河源园区降水的增多有着直接关系,近些年国家政策的稳步落实,减少了玛多县草场的退化,减弱了水土流失的进程,从而使得区内生态环境转好和湖泊面积扩张。

3.1.2 鄂陵湖面积空间演变特征

采用象限方位分析法研究湖泊面积的扩张与收缩[19],以其质心为原点,东西方向为横轴,南北方向为纵轴,将鄂陵湖分为正北、东北、正东等8个区域,并将20年湖岸线进行叠加(如图4所示),统计出各方向的面积,用于观测鄂陵湖在空间分布的差异。

图4 鄂陵湖湖岸线叠加图

鄂陵湖总体上显著扩张,8个方向面积均有所增加,其中西南方向变化最为剧烈,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,而西北方向变化最小,仅增加0.92 km2,较为稳定。

为更好地探究鄂陵湖的空间变化特征,以雷达图的形式表征湖泊面积在该方位的变化情况,分析湖泊面积在不同时期的空间变化特征,如图5所示。湖泊面积变化主要集中在西南部,除了收缩期(2012—2017年)西南部区域较上一年份出现面积减少的情况外,其余时间段湖泊面积均表现为稳定或扩张的变化趋势。其中以2018年变化最为明显,较2017年面积扩张20.41 km2。鄂陵湖作为黄河的过水湖,西南部主要堆积为第四纪松散堆积物,同期降水增多,河床被河流下切,向下位移,使得西南部湖泊面积扩张[20]。2002年南部区域也有一个较为明显的增加(12.02 km2),由同年气温和蒸发量的升高,南部冰川融化为区内面积扩张提供了水源补给。2012—2017年,湖泊处于收缩期,湖泊面积较上一年最大减少了10.27 km2。由上述可知,该时间研究区内降水减少、气温上升,同时蒸发量骤增,湖泊水源补给缺乏,是该区域面积减少的主要因素。整体而言,8个方位中除了西南和南部较上一年份呈现出较为明显的变化外,其余方位均与湖泊整体面积变化趋势一致,且变化较小(约5 km2)。

图5 鄂陵湖不同阶段空间变化

3.2 鄂陵湖面积变化驱动力分析

3.2.1 气象因素

降水量的多少对湖泊面积产生直接影响。2001—2019年研究区年际降水量变化幅度较大(如图6所示),整体以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),其余年份围绕平均值上下波动。其中,2001—2004和2012—2017年年降水量较小,这与鄂陵湖面积在这两个阶段有所减小的趋势相吻合。

图6 2001—2020年降水量变化趋势

气温是重要的气候要素之一,2001—2019年研究区年平均气温整体呈现略微上升趋势(如图7所示)。气温越高,湖泊蒸发量越大,水量会有一定程度的减小[6];同时会导致湖泊周边冰川冻土解冻,形成细小的河流对鄂陵湖进行一定的补给,致使湖泊面积在短期内出现较小程度的增长。

图7 2001—2020年气温变化趋势

2001—2018年研究区蒸发量变化波动较大(如图8所示)。该地区多年平均蒸发量为366.31 mm,2016年出现最大值,为431.92 mm,2009年出现最小值,为297.05 mm。2001—2004年蒸发量基本保持稳定,2004—2012年蒸发量均小于平均水平,自2012年开始蒸发量上升,2016年以后下降,但仍保持在平均值以上,该变化趋势与鄂陵湖面积变化趋势相反。

图8 2001—2020年蒸发量变化趋势

3.2.2 植被覆盖

2001—2020年研究区植被覆盖情况空间分布差异显著,呈现出由北向南递增的空间分布格局(如图9所示)。在黄河源园区北部、中南部及扎陵湖、鄂陵湖周边植被覆盖较高。20 年间植被覆盖总体呈上升趋势(如图10所示),2001—2004年植被覆盖基本无变化,且2003年为20 年间的最低点,仅有0.38;2004—2012年东北部区域植被覆盖明显增加,鄂陵湖周边及北部有少量植被生长;2012—2017年北部和西北部分区域出现了植被退化,植被覆盖度开始直线下降,持续到2015年,与鄂陵湖面积变化的趋势一致;2017—2020年整个研究区植被覆盖度增加,在北部和东北部方向尤为突出,2018年达到20年间的最大值(0.49),且之后一直保持在多年平均值之上的水平,变化与鄂陵湖面积变化趋势相吻合。

图10 2001—2020年植被覆盖变化趋势

3.2.3 土地利用类型

土地利用是人类与自然相互作用最直接的表现形式[21]。如图11所示,研究区主要以草地为主,远超其他地类面积,但在20年内草地面积减少35.00 km2。其次是湖泊河流和未利用地,约占6%和2.5%,期间分别增加71.00 km2和减少88.75 km2。湿地和建设用地占比较少,其中湿地增加65.75 km2,建设用地基本无变化。总体而言,20 年间研究区土地利用类型主要是由未利用地转向水体、湿地,建设用地保持稳定,间接说明区内生态环境转好。

图11 研究区土地利用类型图

3.2.4 相关性分析结果

采用Pearson相关性分析法,将湖泊面积与上述5个驱动因子进行相关性分析,定量探测鄂陵湖面积变化的主要驱动力,结果见表1。按各因子对湖泊面积的贡献度大小,2001—2020年鄂陵湖面积变化的驱动因素由主到次依次为:降水、气温、植被覆盖、蒸发量、土地利用。降水与湖泊面积的相关系数达到0.8以上,说明两者呈高度正相关,2001—2020年黄河源园区降水量明显增多,为鄂陵湖提供了充足的补给来源,是鄂陵湖面积持续增长的主要原因。气温和植被覆盖度的相关系数大于0.5,呈中度正相关,说明气温与植被覆盖度对鄂陵湖面积的变化有一定的正向促进作用,气温升高冰川冻土融化在一定程度上为鄂陵湖水源提供了补给。蒸发量与鄂陵湖面积变化表现为中度负相关,表明20 年间其对鄂陵湖面积的增长存在一定程度的抑制作用。土地利用类型在相关性检验中表现为正向低相关度,但未通过显著性检验,证明其对鄂陵湖面积变化作用并不明显。

表1 湖泊面积与驱动因子相关系数

4 讨论与结论

4.1 讨 论

黄河源园区作为三江源国家公园,是青海省重要生态屏障之一,承担着维护黄河流域生态安全的重大使命[22]。2001年以来,受自然因素和人类活动的影响,黄河源园区鄂陵湖面积表现为波动增长的趋势,呈现出先收缩、后扩张的变化规律,与三江源全域湖泊面积变化趋势相同[23],也与文献[7,24]的研究结果一致;同时反映了青藏高原地区的生态环境具有相似性,受人类活动影响小,受自然环境影响较大。根据相关性分析,鄂陵湖面积变化与植被覆盖呈显著正相关关系,说明近些年该地区生态修复工程取得了一定成效,生态环境明显改善,与文献[25—26]研究结果一致。

4.2 结 论

本文以黄河源园区鄂陵湖为研究区,选取2001—2020年共20期Landsat系列影像,从时间和空间序列上分析了湖泊面积的变化状况,结合降水、气温、蒸发量等数据,探讨了致使鄂陵湖面积变化的驱动力因素。结论如下:

(1)2001—2020年鄂陵湖平均面积为639.10 km2。整体上鄂陵湖面积呈现扩张趋势,20年间共增加了58.26 km2,大致经历了稳定期(2001—2004年)、扩张期(2004—2012年)、收缩期(2012—2017年)、扩张期(2017—2020年)4个阶段。

(2)在空间上,鄂陵湖近20年以西南部区域面积变化最为明显,2018年西南部较上年面积扩张达20.41 km2;湖泊收缩期(2012—2017年)西南部区域湖泊边界呈现出持续收缩的趋势。基础地质条件与气象条件的变化是西南部区域面积变化的主要原因。

(3)2001—2020年鄂陵湖面积与蒸发量呈中度负相关,与气温、植被覆盖呈中度正相关,与降水呈高度正相关,土地利用类型未通过显著性检验,对湖泊面积变化影响较小。