祁苗苗，姚曉軍，劉時銀，朱 鈺，高永鵬，劉寶康

(1:云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院，昆明 650091)(2：西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070)(3：天水師范學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，天水 741000)

湖泊作為陸地水圈的重要組成部分，是連接地球表層冰凍圈、大氣圈、水圈和生物圈的紐帶，湖泊水量變化是其所在流域水量平衡綜合作用的結(jié)果[1]. 湖泊強(qiáng)烈萎縮或擴(kuò)張對自然環(huán)境和人類生活影響巨大，逐漸受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[2-3]. 青海湖位于青藏高原東北部，地處東亞季風(fēng)、印度季風(fēng)和西風(fēng)急流三者匯聚帶，同時湖區(qū)北接沙漠干旱區(qū)，東鄰黃土高原，西屬青藏高原. 作為我國最大的內(nèi)陸咸水湖，這種獨特的過渡性地理位置，使得青海湖不僅對環(huán)湖周邊區(qū)域氣候起著天然調(diào)節(jié)器的作用[4-5]，而且還擁有豐富的湖岸線資源. 據(jù)青海省水文水資源勘測局提供的數(shù)據(jù)，受流域內(nèi)降水增多影響，自2004年以來青海湖水位不斷上升、面積逐漸擴(kuò)大. 2018年對青海湖進(jìn)行實地考察時發(fā)現(xiàn)由于水位上升，湖岸線擴(kuò)張直接導(dǎo)致珍稀野生動物棲息地萎縮，同時鳥島保護(hù)區(qū)碼頭、停車場和部分建筑物被湖水淹沒或破壞. 青海湖水情的動態(tài)變化是氣候和周圍生態(tài)環(huán)境狀況的重要體現(xiàn)，因此準(zhǔn)確、及時地掌握青海湖動態(tài)狀況對保護(hù)生態(tài)環(huán)境有重要意義.

湖泊的形態(tài)特征指湖泊的湖盆結(jié)構(gòu)及其大小，是內(nèi)、外營力及人為因素長期相互作用下的綜合反映，其形成過程錯綜復(fù)雜[6]. 湖盆結(jié)構(gòu)通常由沿岸帶、亞沿岸帶和湖心敞水帶或深水帶3部分組成，諸多的湖沼學(xué)過程影響著水生植物的種類與分布，同時水生植物也對湖泊或水庫物理、化學(xué)、生物特征產(chǎn)生影響，特別是在沿岸帶區(qū)域[7]. 湖岸線較為復(fù)雜的水域可以增加水體與陸地的接觸面，有著改善水體循環(huán)和增強(qiáng)濕地凈化能力的作用，從而能夠支持相對高的生物多樣性[8]. 一般而言，在濕地公園鳥類棲息地營建研究中設(shè)計岸線時，會適當(dāng)延長岸線的長度，增加岸線的曲折不規(guī)則形式為鳥類提供理想的棲息生境[9]. 此外，湖岸線時序變遷的監(jiān)測對合理開發(fā)青海湖岸線資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境及促進(jìn)沿湖地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[10]. 目前對青海湖動態(tài)變化研究主要集中于湖泊形態(tài)特征(如水位、面積、水量等)，而對其湖岸線動態(tài)變化的研究相對缺乏. 因此本文基于高分辨率Landsat遙感影像監(jiān)測青海湖岸線動態(tài)變化，以期應(yīng)用于青海湖沿湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和沿岸地區(qū)開發(fā)等研究；同時基于青海湖下社水文站提供的長時間序列水位數(shù)據(jù)，研究青海湖水位變化對岸線曲折性造成的影響.

1 青海湖概況

青海湖(36.53°～37.25°N，99.60°～100.78°E)位于我國青藏高原東北部，是我國境內(nèi)最大的咸水湖(圖1). 湖邊主要島嶼有鳥島、海西島、沙島、二郎劍，湖中有海心山和三塊石兩個湖心島. 湖區(qū)東面自北向南依次分布有尕海、沙島湖、海晏灣和洱海4個子湖. 青海湖平均海拔為3200 m，湖岸線長度為445 km，岸線曲折，湖面略呈“凸”形，東西長約109 km，南北寬約39.8 km，湖水呈弱堿性，水位在3193.8 m時，湖區(qū)水域面積為4294 km2，平均水深18.3 m，最大水深26.6 m[11]. 近年來受流域內(nèi)降水量增多影響，青海湖水位不斷上升、面積逐漸擴(kuò)大.

青海湖流域?qū)俚湫透吆珊荡箨懶詺夂?，并因自身“湖泊效?yīng)”具有明顯的地區(qū)性氣候特征：終年氣溫偏低且日溫差較大，寒冷期長，年平均氣溫在-1.0～1.5℃之間，并呈東南向西北逐漸降低的趨勢[12]. 湖區(qū)四季多風(fēng)且風(fēng)力強(qiáng)勁，太陽輻射強(qiáng)，多年平均降水量為319～395 mm，集中于6-9月[10]. 青海湖是以降水補給為主的封閉湖泊，入湖河流約50條，多為季節(jié)性河流，主要有布哈河、沙柳河、泉吉河、哈爾蓋河等. 其中布哈河流量最大，約占入湖總流量的60%[12]. 青海湖通常于每年12月中旬開始凍結(jié)，翌年1月上旬完全凍結(jié)，全湖形成穩(wěn)定的冰蓋. 3月中下旬封凍的青海湖開始消融，至4月上旬完全消融[13]. 由于青海湖流域處在不同生態(tài)(草原-沙漠)和地理(青藏高原-黃土高原)結(jié)合點上，復(fù)雜多樣的地形、氣候、水文等條件導(dǎo)致該地區(qū)的植被類型多樣，是青藏高原生物多樣性最豐富的寶庫，被譽為“青藏高原基因庫”.

圖1 青海湖及周邊概況Fig.1 Location and surrounding of Lake Qinghai

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本文主要基于Landsat遙感影像監(jiān)測青海湖1973-2018年湖岸線變遷狀況. 為避免Landsat ETM+影像數(shù)據(jù)條帶丟失的影響，本文盡可能選擇Landsat MSS/TM/OLI遙感影像來獲取岸線信息. 由于內(nèi)陸湖泊季節(jié)性變化較大[14]，為減少湖泊年內(nèi)變化的影響，考慮青海湖區(qū)10月份農(nóng)業(yè)灌溉引水活動結(jié)束，同時氣溫下降、降水減少，冰川和積雪融水過程相對緩慢，及11-12月份湖泊較少受人為或降水過程影響，因此影像選取主要集中于該時段. 經(jīng)統(tǒng)計，在USGS(http://glovis.usgs.gov)網(wǎng)站共下載1973-2018年90景云量較少且質(zhì)量較好(湖區(qū)上空沒有云層覆蓋)的遙感影像.

選用距離青海湖最近的兩個氣象站-剛察及共和站點氣溫、降水及蒸發(fā)數(shù)據(jù)作為青海湖氣候背景參考，該數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site)免費獲取. 此外，本文基于青海湖周邊11個自動氣象站數(shù)據(jù)來驗證剛察及共和站數(shù)據(jù)是否可直接用于評估水量變化影響因素，該站點數(shù)據(jù)隸屬于2008年三江源項目和海北州新一代天氣雷達(dá)項目；布哈河和沙流河徑流量數(shù)據(jù)來源于青海省水文水資源勘測局.

2.2 研究方法

2.2.1 青海湖岸線信息提取 基于遙感影像的水體信息提取方法主要有波段比值法、水體指數(shù)法和“全局-局部”分布迭代法等[15-16]，這些方法通常需要較高質(zhì)量的影像，且易受混合像元影響. 由于本研究所涉及Landsat遙感影像數(shù)量不多，為提高解譯精度均采用人工目視解譯方法獲取1973-2018年45期青海湖岸線矢量數(shù)據(jù)，采用屏幕數(shù)字化方式將精度控制在一個像元之內(nèi). 青海湖由主湖區(qū)與相連水體(沙島湖)兩部分構(gòu)成，為與已有研究成果做比較，與主湖區(qū)分開的尕海和洱海不計入湖區(qū)面積，同時也不減除2個湖心島(海心山和三塊石)的面積. 計算青海湖面積誤差若不考慮混合像元的影響，則湖泊岸線每個像元有50%的湖泊面積被包含或者排除在外，因此人工目視解譯帶來的相對誤差平均為0.1%.

2.2.2 基于水位-面積關(guān)系的青海湖水量平衡估算 湖泊水量平衡(水量凈收支)最終表現(xiàn)為面積和水位的變化. 本文基于湖泊水位和面積構(gòu)建的湖泊蓄水量變化模型，估算1973-2018年水量平衡整體狀態(tài)[17]：

dV=A·HdAdH

(1)

即：

(2)

式中，V表示湖泊水位(m)從H1變化到H2時蓄水量的變化量(m3)，A1和A2分別指湖泊面積變化前、后的值(m2)，1961-2017年蓄水量的變化量之和即為研究時段內(nèi)的青海湖水量平衡整體狀態(tài).

2.2.3 湖岸線發(fā)育系數(shù) 湖岸線發(fā)育系數(shù)(shoreline development index,SDI)被用來評估岸線的不規(guī)則程度[18]. 作為常用的湖泊幾何形態(tài)學(xué)指標(biāo)用于簡單的描述湖泊沿岸帶范圍，廣泛運用于對不同湖泊的分類以及評價其沿岸帶的重要性[19].

(3)

式中，SDI表示岸線發(fā)育系數(shù)，L(km)和A(km2)分別表示青海湖岸線長度和面積.

3 結(jié)果

3.1 青海湖岸線變化

近45年來，青海湖岸線處于動態(tài)變化過程，變化最大的區(qū)域主要是青海湖東岸的沙島(A)，西岸的鳥島(B)和鐵布卡灣(C)及北岸沙柳河入口(D)區(qū)域(圖2). 其中，鳥島和沙島區(qū)域湖岸線的變化在4個地區(qū)中最為明顯，尤其是隨著水位上漲鳥島地區(qū)岸線后退直接造成鳥類棲息地萎縮. 4個區(qū)域湖岸線的變化圖按照順時針方向排列，如圖3～6.

圖2 近45年湖岸線發(fā)生變化最大的區(qū)域Fig.2 The region with the greatest changes in lake shoreline in recent 45 years

鳥島坐落在青海湖的西北隅(圖2)，分為一東一西兩島，是我國以保護(hù)水禽為主的國家級自然保護(hù)區(qū). 近年來隨著青海湖動態(tài)變化導(dǎo)致鳥島地區(qū)岸線發(fā)生較大的變化，對鳥類棲息地造成很大的影響. 該區(qū)是流入青海湖主要河流-布哈河的入湖口. 圖3顯示了1973-2018年鳥島湖岸線的變化過程. 2004年之前，隨著青海湖水域的逐漸萎縮，布哈河入湖口逐漸向湖中心推進(jìn)，同時也影響周邊湖岸的變化，期間鳥島岸線向湖內(nèi)推進(jìn)的最大距離為3.12 km，岸線變化對周圍鳥類棲息環(huán)境影響較大. 2004年以來，隨著青海湖水位上升，岸線逐漸后退，至2018年后退最大距離為5.52 km，在研究時段內(nèi)，相鄰年間岸線最大變化距離出現(xiàn)在2017-2018年(為2.49 km). 2018年對青海湖進(jìn)行實地考察時發(fā)現(xiàn)，因水位上漲，鳥島保護(hù)區(qū)的碼頭、停車場和部分建筑物被湖水淹沒或破壞.

沙島湖位于青海湖的東岸(圖2)，原屬青海湖一部分. 圖4清楚地反映了1973-2018年間沙島湖演變過程，從早期湖灣到逐漸被風(fēng)沙和沉積物掩蓋了南部與青海湖的通道而形成獨立湖泊，又隨著湖岸線前進(jìn)，湖水重新淹沒部分裸露區(qū)域使其與湖泊主體逐漸連通. 沙島湖岸為堆積湖岸，沉積物的堆積作用使沙質(zhì)地表裸露區(qū)域越來越大，湖岸線逐漸后退，導(dǎo)致1973-1986年沙島湖與青海湖主體脫離而形成獨立的湖泊. 1995年之后，由于湖區(qū)地表的蒸發(fā)以及缺少地表水的補給，沙島湖逐漸萎縮[20]；2004年，隨著青海湖水位回升與面積擴(kuò)張，沙島湖面積逐漸擴(kuò)張，最終在2012年又與青海湖主體相連. 在此期間，沙島湖岸線向湖心縮進(jìn)最大距離達(dá)4.11 km，平均每年縮進(jìn)217 m，沙島湖的東西向長度也由1973年的6714 m縮短為2004年的3716 m. 2004-2018年，隨著湖岸線后退，湖水重新淹沒了部分裸露區(qū)域，與2004年相比，2018年岸線后退3.78 km，平均每年后退270 m，沙島湖東西向長度也由2004年的3716 m擴(kuò)張為2018年的6948 m.

圖4 沙島湖岸線的演變過程(按照順時針方向排列)Fig.4 The evolution of Lake Shadao shoreline (arranged in a clockwise direction)

鐵布卡灣北部岸線也隨青海湖面積變化出現(xiàn)前進(jìn)或后退(圖5). 受岸線區(qū)域砂質(zhì)的影響，加之此處是彎道，湖水流速減慢，湖岸堆積速度較快，導(dǎo)致湖岸變化較大[20]. 2004年之前，隨著青海湖面積萎縮，岸線逐漸向湖中心推進(jìn)，與1973年相比，2004年鐵布卡灣北部岸線達(dá)到最大推進(jìn)距離(為1.96 km)，平均每年向湖中心推進(jìn)60 m. 2004年之后，此處岸線隨著湖泊面積的增加而后退，在2017年岸線與1973年幾乎重合，直到2018年10月，由于青海湖流域降水量增大，青海湖水位上漲迅速，面積不斷擴(kuò)張，鐵布卡灣北部岸線出現(xiàn)擴(kuò)張，與1973年的岸線相距780 m. 2017-2018年是相鄰年間岸線變化最大的年份，最大變化距離為740 m. 由于泉灣毗鄰鐵布卡灣，2018年因水位上漲湖岸線后退，泉灣附近大范圍的草場被水淹沒.

圖5 鐵布卡灣岸線的演變過程及被淹沒的草場Fig.5 The evolution of Tiebuka Bay shoreline and submerged pasture

沙柳河位于青海湖的北岸(圖2)，是另一條流入青海湖的重要補給河，對青海湖的補給僅次于布哈河. 圖6展示了1973-2018年沙柳河及周邊地區(qū)湖岸線的演變過程. 沙柳河口的岸線變化也較明顯. 與布哈河周邊湖岸變化情況相似，由于河流的沖積以及地質(zhì)構(gòu)造作用，沙柳河入湖口兩側(cè)的湖岸變化較快，其中入湖口東側(cè)湖灣處的湖岸變化非常明顯. 1973-2004年，該河口岸線向湖中心推進(jìn)了2.42 km，隨后岸線隨著面積擴(kuò)張逐漸后退，與2004年相比，岸線后退最大距離是2.99 km，2017-2018年依然是岸線變化最大的年份，最大變化距離達(dá)1.72 km.

圖6 沙柳河岸線的演變過程Fig.6 The evolution of Shaliu River shoreline

3.2 青海湖動態(tài)變化

3.2.1 青海湖面積變化 1973-2018年青海湖面積總體呈先減后增趨勢. 其中，2004年面積減少至最小，比1973年減少209.67 km2(-4.76%). 根據(jù)青海湖水位實測數(shù)據(jù)，2004年亦是近45年水位最低的年份. 1986年面積出現(xiàn)驟減，比1973年減少113.20 km2，之后呈小幅度波動逐漸減少趨勢；2004-2018年面積增加19.59 km2，2018年達(dá)到最大，比1973年和2004年分別增加54.47和274.26 km2. 就面積變化幅度而言，1973-2004年期間面積相對于2004-2018年變化幅度較小，平均每年變化幅度為-6.38 km2，而2004-2018年間平均每年變化幅度為16.36 km2.

3.2.2 青海湖水位變化 根據(jù)青海湖下社水文站實測水位數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自1961年以來青海湖水位主要經(jīng)歷了下降和回升兩個過程. 1961-2004年青海湖水位共下降3.22 m，傾向率達(dá)-0.8 m/10 a，平均水位為3194.40 m(圖7a)；2004年以后，青海湖水位以每年15 cm速率迅速回升，傾向率達(dá)1.5 m/10 a，至2017年由3192.86 m回升至3194.93 m，共上升2.07 m，平均水位為3193.80 m. 根據(jù)已有青海湖水位實測數(shù)據(jù)和基于Landsat遙感影像提取的面積數(shù)據(jù)，構(gòu)建青海湖水位和面積的擬合方程. 如圖7b所示，青海湖水位和面積相關(guān)性達(dá)0.96，這與已有研究基本一致[21]. 基于本文構(gòu)建的水位-面積擬合方程及已有的水位實測數(shù)據(jù)，推算出1961-1987 年的青海湖水面面積(該時段影像缺失)，與Landsat遙感影像提取面積相比，平均相對誤差僅為0.25%，表明可基于推算的面積數(shù)據(jù)估算青海湖水量變化.

圖7 1961-2017年青海湖水位變化及水位-面積擬合關(guān)系Fig.7 The water level variations of Lake Qinghai from 1961 to 2017 and relationship between water level and area

3.2.3 青海湖水量變化 1961-2017年青海湖水量平衡為負(fù)平衡，觀測時段內(nèi)水量減少1.08 km3，平均減少速率為0.02 km3/a. 1961-2004年為青海湖水位下降期，水量減少13.24 km3，變化率為-0.3 km3/a，其中僅有9年水量增加，其余年份水量均略有減少，且其水量變化呈上下波動狀態(tài)，無明顯減少趨勢. 相鄰年間水量變化最大分別是1967-1968年(-2.29 km3)和1987-1988年(-1.89 km3). 2004年后水量迅速回升，總體呈明顯增加趨勢，尤其2015年后這種趨勢更加顯著，至2017年水量以0.15 km3/a的速率共增加12.16 km3.

與已有研究結(jié)果相比，本文結(jié)果變化趨勢相同，但也存在個別差異. 如駱成鳳等[3]和Tang等[22]均基于Landsat遙感影像提取青海湖面積，除本身遙感解譯存在誤差外，由于投影方式不同等造成個別年份面積存在差異，但總體變化趨勢及速率在相同時段內(nèi)與本文結(jié)果基本一致. 時興合等[23]、Zhu等[24]和張國慶等[21]分別基于實測和ICESat數(shù)據(jù)估算青海湖水量，其變化趨勢均與本研究基本一致. 由于選用估算水量平衡公式及數(shù)據(jù)精度不同，僅造成水量年均變化速率與本文結(jié)果略有不同.

3.3 青海湖動態(tài)變化對岸線曲折性的影響

湖泊面積在空間上的變化特征與湖泊的地理位置、地形特征等密切相關(guān)[25]. 借鑒幾何學(xué)上的象限方位分析方法[26]，探究不同時段內(nèi)青海湖面積變化的空間差異對岸線變遷造成的影響. 結(jié)果如圖8a所示，萎縮期面積共減少209.67 km2，主要以正東方向為主導(dǎo)，正西及西北方位萎縮也較為明顯，這直接導(dǎo)致位于湖區(qū)東部的沙島湖岸線向湖中心推進(jìn)約4.11 km，水域面積萎縮約80.95 km2；正西方位鳥島地區(qū)岸線推進(jìn)3.12 km，鳥類棲息地范圍減少約31.69 km2，鐵布卡灣和沙柳河岸線也向湖心推進(jìn)約2 km. 擴(kuò)張期青海湖面積共增加了274.26 km2(圖8b)，其中在正東擴(kuò)張面積最大、正西及西北方位擴(kuò)張也很明顯，同期鳥島地區(qū)岸線變化最大，隨著面積擴(kuò)張岸線后退了5.52 km，尤其在2017年后退速率驟增，鳥類棲息地擴(kuò)張約97.94 km2. 從整體來看，青海湖主要在正西、正東和西北方向面積擴(kuò)張較大(圖8c)，其中正西方向面積變化最大，平均每年擴(kuò)張0.53 km2，除東北方向面積呈萎縮趨勢外，其余方向均出現(xiàn)不同程度的擴(kuò)張，湖泊岸線的擴(kuò)張方向也跟面積在空間上的變化規(guī)律一致. 湖泊幾何中心遷移可以反映湖泊面積、湖底地形和湖底沉積的動態(tài)變化[21]，尤其是湖泊面積變化與幾何中心遷移密切相關(guān)[22]. 分別計算湖泊萎縮期和擴(kuò)張期各年份幾何中心經(jīng)緯度，提取移軌跡(圖8d)，這與青海湖在各方向上的面積變化趨勢基本一致，也為湖泊面積在空間上的變化和四個區(qū)域岸線變化趨勢提供了一種佐證.

圖8 不同時段內(nèi)青海湖各方位的面積變化及幾何中心遷移軌跡Fig.8 Variation in area of Lake Qinghai in each direction and moving track of geometric center in different periods

湖泊的岸線長度是表征湖泊形態(tài)特性的一項重要指標(biāo)，反映了湖泊及流域地質(zhì)、地貌、水文等各種內(nèi)、外力相互作用的強(qiáng)度和發(fā)展過程，并隨著湖泊的演變過程呈現(xiàn)動態(tài)變化[6]. 近45年來青海湖岸線長度以0.88 km/a的速率逐漸延長，1997年之前岸線長度呈較為平穩(wěn)的上升趨勢，1997-2004年呈波動下降趨勢，2004年之后呈劇烈波動增加趨勢. 圖9是1973-2018年青海湖水位(圖9a)和面積(圖9b)與岸線長度的對比關(guān)系. 從總體變化趨勢來看，水位和面積均與岸線長度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性并不顯著(相關(guān)系數(shù)分別為0.14和0.19)，說明青海湖岸線長度受水位和面積的影響并不明顯，可能受其他因素如地形等影響更大. 但從不同的時段來看，尤其在1997年之前，盡管水位在下降，面積減少，但岸線長度一直呈增加趨勢，這表明當(dāng)青海湖水位大于3193.3 m或面積大于4249.3 km2時，岸線長度隨著水位的下降逐漸增加. 1997-2007年青海湖水位、面積和岸線長度的變化趨勢一致. 2007年之后，當(dāng)水位大于3193.3 m或面積大于4249.3 km2時，岸線長度隨著水位上升不斷增加，年際變化較大.

圖9 1973-2018年青海湖水位(a)和面積(b)與岸線長度的對比關(guān)系Fig.9 Comparison of water level(a) and area(b) with shore line length of Lake Qinghai from 1973 to 2018

圖10 1973-2018年青海湖岸線發(fā)育系數(shù)(a)和岸線變化強(qiáng)度(b)Fig.10 The shoreline development index(a) and shoreline change intensity(b) of Lake Qinghai from 1973 to 2018

湖岸線發(fā)育系數(shù)意義在于它反映了沿岸帶群落在整個湖泊容積中占有更大比例的潛在能力. 作為常用的湖泊幾何形態(tài)學(xué)指標(biāo)，其值愈大表示岸線愈不規(guī)則，相對能夠提供的沿岸帶生境多樣性越高[7]，相應(yīng)的沿岸帶面積也較大，這就有可能支持更高的湖泊初級生產(chǎn)力. 由圖10a可知，1973-2018年青海湖岸線發(fā)育系數(shù)呈逐漸增大趨勢，和岸線長度變化趨勢基本一致，表明岸線的曲折性在不斷增大. 岸線發(fā)育系數(shù)與岸線長度和湖泊面積直接相關(guān)，1997年之前岸線發(fā)育系數(shù)不斷增大主要是由于在此期間面積不斷減小，岸線長度不斷增大，因此在二者比值的情況下SDI值才會逐漸增大. 1997-2007年岸線發(fā)育系數(shù)有一個較小的波動，說明當(dāng)水位保持在一定范圍內(nèi)，水位變化對面積和岸線長度的影響都比較大，在此期間岸線發(fā)育系數(shù)與水位變化趨勢一致. 2007年之后岸線發(fā)育系數(shù)呈現(xiàn)劇烈波動式的上升狀態(tài). 說明隨著水位上升湖泊面積的增大，岸線曲折性呈現(xiàn)較大的年際變化，這與岸線長度的變化趨勢一致. 為進(jìn)一步對比各時段湖岸線長度變化速度，采用某一時間段內(nèi)湖岸線長度的年均變化百分比來表示湖岸線的變化強(qiáng)度[26]. 湖岸線變化強(qiáng)度為正表示湖岸線長度延長，為負(fù)則表示縮短. 統(tǒng)計6個時段內(nèi)湖岸線的變化強(qiáng)度(圖10b)，2009-2014年變化強(qiáng)度最大(達(dá)1.18%)，這與湖岸線長度在此期間不穩(wěn)定延長變化趨勢基本一致. 2014-2018年青海湖岸線以0.87%的強(qiáng)度縮短，變化強(qiáng)度僅次于1996-2004年. 1973-1986岸線年變化強(qiáng)度最小，為0.10%.

4 討論

4.1 湖岸線變遷影響因素

近45年來青海湖岸線發(fā)生了較大的變遷，1973-2004年間，青海湖水位的下降和面積的縮小，為湖岸沙漠化的發(fā)展提供了物源和場地，從而使得湖泊岸線向湖中心推進(jìn)，如沙島湖岸線向湖心縮進(jìn)最大距離達(dá)4.11 km. 這主要是由于沙島湖岸為堆積湖岸，湖流改造和沙漠化促進(jìn)了湖岸線形態(tài)發(fā)生變化，沉積物的堆積作用導(dǎo)致1973-1986年沙島湖與青海湖主體脫離而形成獨立的湖泊. 加之1995年之后，由于湖區(qū)地表的蒸發(fā)缺少地表水的補給，沙島湖逐漸萎縮[20]；此外，青海湖周邊分布有廣泛的沖洪積物、沖積物、湖積物等松散沙質(zhì)堆積物，且入湖河流也可能攜帶不少泥沙，加之湖區(qū)盛行西北風(fēng)等使得自然生態(tài)環(huán)境較為脆弱，導(dǎo)致了沙質(zhì)荒漠化土地范圍明顯擴(kuò)大且速度加快，不僅表現(xiàn)為東南部沙質(zhì)荒漠化土地向南和向北擴(kuò)張，而且泥沙淤積增加和湖水位下降導(dǎo)致東南部的沙質(zhì)荒漠化土地逐漸向西部水體擴(kuò)張，同時在布哈河入湖處的北部形成了沿湖濱分布的弧形沙質(zhì)荒漠化土地帶[27]. 伴隨著土地沙漠化，青海湖周圍地區(qū)的草地也出現(xiàn)較為嚴(yán)重的退化現(xiàn)象，此外，人類活動(如湖周耕地及不臺理利用草地)間接導(dǎo)致沙漠化發(fā)展[28]. 如湖北岸沖積扇上的耕地，由于地形的原因，水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致湖岸淤積岸線向湖中心推進(jìn). 因此推斷1973-2004年間湖水位下降和土地沙漠化是造成湖岸變化的直接成因，人類活動及草場退化加速了湖泊岸線的變遷. 隨著青海湖的萎縮及生態(tài)環(huán)境的惡化，引起了人們的高度重視，開始對青海湖轉(zhuǎn)變發(fā)展模式，施行生態(tài)管理. 2004年之后，隨著青海湖水位回升與面積擴(kuò)張，岸線逐漸后退，至2018年后退最大距離為5.52 km(鳥島區(qū)域). 沙島湖面積逐漸擴(kuò)張，最終在2012年又與青海湖主體相連.

4.2 水量變化影響因素

青海湖地處東亞季風(fēng)區(qū)、印度夏季季風(fēng)和西風(fēng)急流交匯處，其動態(tài)變化與氣候和環(huán)境演變密切相關(guān). 已有研究表明，冰川融水對青海湖水量貢獻(xiàn)甚微[29]，人類活動對其水量變化的影響也較小[27]. 作為封閉型內(nèi)陸湖，降水、蒸發(fā)和徑流比其他自然因素更直接地影響青海湖水量平衡. 在人為因素影響不顯著的情況下，降水量、入湖徑流量和蒸發(fā)量決定其水位波動，為進(jìn)一步探討青海湖水量變化的影響因素，本文利用入湖徑流量、降水量及湖面蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)分析其變化原因.

青海湖周邊11個自動氣象站(表1)僅可獲取2015-2017年氣象資料，受數(shù)據(jù)時段限制無法提供對應(yīng)研究時段的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，且沒有對蒸發(fā)量進(jìn)行監(jiān)測. 盡管如此，該數(shù)據(jù)可用來驗證距青海湖最近的氣象站點(剛察、共和)數(shù)據(jù)是否可直接用于評估降水、蒸發(fā)等對水量變化的貢獻(xiàn)(虧損). 如圖11所示，計算自動氣象站獲取的月氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)平均值，分別與剛察及共和站點數(shù)據(jù)的平均值做擬合分析，與降水?dāng)?shù)據(jù)相比，氣溫表現(xiàn)出非常高的一致性(R2=0.99)(圖11a)，而氣溫又是影響蒸發(fā)的主控因素，從而間接表明基于站點蒸發(fā)數(shù)據(jù)估算湖面蒸發(fā)量準(zhǔn)確性較高. 由于青海湖獨特的地理位置和較大的水面范圍導(dǎo)致湖區(qū)降水并不均勻，從而造成站點降水和自動氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)不具備非常高的一致性(圖11b)，站點降水月均數(shù)據(jù)比自動氣象站數(shù)據(jù)偏高約11%，總體上二者變化趨勢基本一致，這也說明在數(shù)據(jù)有限的情況下，站點降水?dāng)?shù)據(jù)也可用來評估其對水量的貢獻(xiàn).

表1 青海湖周邊自動氣象站信息

圖11 氣溫(a)和降水(b)數(shù)據(jù)的對比Fig.11 Comparison of temperature (a) and precipitation (b) data

青海湖補給主要來源于入湖徑流和降水量. 在青海湖的補給河流中，流域面積大于300 km2的干支流有16條，其中，分布于流域西北部的布哈河和沙柳河是徑流量最大的2條河流，其流量總和占青海湖流域入湖總流量的73%以上，尤其是布哈河的徑流主導(dǎo)著青海湖水量變化[30]. 本文根據(jù)實測徑流量數(shù)據(jù)(1974-2015年)，將其與對應(yīng)時段的水量變化做相關(guān)性分析，在0.01置信水平下二者表現(xiàn)出顯著正相關(guān)(R2=0.79)，根據(jù)徑流量-水量變化的擬合方程估算出沒有實測數(shù)據(jù)年份的徑流量，將研究時段分為水位下降期和上升期分析自然因素對其影響程度. 在青海湖水位下降期(圖12a)，湖面蒸發(fā)量呈略減趨勢(-0.097 mm/a)，入湖河流年徑流量以每年0.103 km3的速率減少，至2004年徑流量減少量占水量減少量的33%. 盡管期間降水量呈略增趨勢(0.001 mm/a)，但遠(yuǎn)不能彌補徑流量減少直接造成的青海湖水量減少，水位下降. 因此，在此期間，影響青海湖水量平衡的主要因素是入湖徑流量；與水位下降期相比，水位上升期(圖12b)布哈河和沙柳河的年總增加徑流量占水量增加量的8%. 同時，降水量以4.99 mm/a的速率增加，湖面蒸發(fā)量以5.868 mm/a的速率減少，盡管湖區(qū)蒸發(fā)量較大，但青海湖蒸發(fā)量主要受大風(fēng)天氣頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時間控制[31]，此外還受濕度、溫度、太陽輻射等氣象因子的綜合影響. 因此，蒸發(fā)對青海湖地區(qū)的影響有限. 在徑流量和降水增加、蒸發(fā)量減少的自然條件下青海湖水量迅速增加. 從整個研究時段來看，在年蒸發(fā)量逐漸減少的背景下，2005年入湖徑流量和降水量年均變化均比2004年之前的平均值分別高出51%和16%. 自動氣象站數(shù)據(jù)表明2015-2017年間年降水量平均值比1961-2014年間均值高出25.75 mm，因此可推斷2015年以來降水量和徑流量驟增是直接導(dǎo)致青海湖面積迅速擴(kuò)張的關(guān)鍵要素.

青海湖位于全球氣候變化的重要響應(yīng)區(qū)，氣溫總體變化呈上升趨勢. 氣溫的升高除促進(jìn)湖面蒸發(fā)影響水量平衡之外，也會驅(qū)動雪線的變化，從而通過補給地表徑流增加湖泊水量平衡中的收入項. Tang等[22]研究表明，祁連山主峰-崗什卡雪峰在1995-2005年期間雪線高度由4342.2 m降至4326.9 m，然而，2006-2016年由于積雪消融雪線從4360.2 m升至4385.3 m. 王歡等[32]研究發(fā)現(xiàn)布哈河流域近5年冰雪覆蓋面積縮小迅速，補給青海湖的徑流量呈顯著的上升趨勢，且凍土及冰雪融化對徑流影響達(dá)75%. 表明青海湖流域正向暖濕化發(fā)展. 因此，青海湖水量變化應(yīng)歸因于綜合的氣候變量.

圖12 青海湖水位下降期(a)和上升期(b)降水、蒸發(fā)及徑流量的變化Fig.12 Changes in precipitation, evaporation and runoff during the water level fall (a) and rise (b) periods of Lake Qinghai

5 結(jié)論

本文基于Landsat遙感數(shù)據(jù)和氣象資料，綜合運用RS和GIS技術(shù)，對青海湖岸線動態(tài)變化及其對鳥類棲息地的影響進(jìn)行研究，同時結(jié)合面積、水位和氣象數(shù)據(jù)討論影響青海湖岸線變化的因素，以期為政府部門加強(qiáng)湖岸帶的資源監(jiān)管和治理工作提供決策支持與依據(jù). 主要結(jié)論如下：

1)近45年來青海湖岸線發(fā)生變化最大的區(qū)域是東岸的沙島，西岸的鳥島、鐵布卡灣及北岸沙柳河入口區(qū)域. 尤其自2004年以來，鳥島地區(qū)岸線后退距離最大(5.52 km)，淹沒范圍約97.94 km2，對周圍鳥類棲息地影響較大.

2)1973-2018年青海湖岸線長度以0.88 km/a的速率逐漸延長. 1997年之前岸線長度呈較為平穩(wěn)的上升趨勢，1997-2004年呈波動趨勢下降，2004年之后呈劇烈波動趨勢增加. 岸線曲折性也表現(xiàn)出相同的變化趨勢.

3)總體上岸線長度和曲折性受水位和面積的影響并不顯著，但在不同的水位情況下，二者對青海湖動態(tài)變化做出不同的響應(yīng). 尤其當(dāng)水位小于3193.3 m或面積小于4249.3 km2時，岸線曲折性會隨著水位和面積變化呈現(xiàn)相同的變化趨勢，而水位高于3193.3 m時，岸線曲折性一直在增加，且水位上升速率越大則曲折性年際變化較大.

4)1973-2004年間青海湖水位下降和土地沙漠化是造成湖岸變化的直接成因，人類活動及草場退化加速了湖泊岸線的變遷. 2004年之后，隨著青海湖水位回升與面積擴(kuò)張，岸線逐漸后退，尤其在2017-2018年岸線后退距離最大.