孟慶吉 李曉東

(1. 白城師范學院 旅游與地理科學學院, 吉林 白城 137000;2. 濱州學院 黃河三角洲生態(tài)環(huán)境研究中心, 山東 濱州 256600)

0 引言

湖泊作為陸地水體的重要組成部分,在自然界水循環(huán)中扮演著重要的角色[1],并且湖泊對氣候變化反應敏感,湖泊的萎縮與擴張是氣候變化和人類活動的指示器[2]。干旱區(qū)的湖泊是區(qū)域水循環(huán)的重要組成部分,其對氣候變化和人類活動的反應更加敏感,對干旱區(qū)的湖泊進行遙感監(jiān)測,有助于我們認識其變化規(guī)律,探究湖泊變化的原因,對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

近些年來,學者應用遙感技術(shù)對湖泊的變化進行了大量的研究。運用空間分析法,研究表明,毛烏素沙地湖泊近30年總體上處于萎縮狀態(tài),且主要在東北地區(qū)[3];1978—2015年間博斯騰湖面積總體呈現(xiàn)減少的變化趨勢,是氣候因素與人為因素共同作用的結(jié)果[4];利用監(jiān)督分類和目視解譯的方法研究發(fā)現(xiàn),1983—2018年達里諾爾湖湖泊水域總面積整體呈下降趨勢,萎縮區(qū)主要集中在湖東、西、東北方向[5];基于Landsat8遙感影像,經(jīng)對比研究發(fā)現(xiàn),在景區(qū)中增強水體指數(shù)(enhanced water index，EWI)水體提取精度最好,在山區(qū)中改進的歸一化水體指數(shù)(modified normalized difference water index,MNDWI)水體提取精度最好[6]。將波段加和法與歸一化水體指數(shù)(normalized difference water index,NDWI)和MNDWI等方法進行比較研究,發(fā)現(xiàn)波段加和法較其他方法能夠更加精確地提取狹窄水面,使小區(qū)域水體與其他地物的區(qū)分邊界更加明顯直觀[7];以武漢市沙湖區(qū)域為研究對象,經(jīng)對比研究發(fā)現(xiàn),面向?qū)ο蠓诸惙ㄌ崛∷w的效果優(yōu)于NDWI和單波段閾值法[8]。以上學者雖對湖泊變化和水體提取方法有一定研究,但未將多種方法同時用于水體提取并對水體變化進行細致的驅(qū)動因素分析。鑒于此,本研究以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源,以歸一化水體指數(shù)為研究方法,分析1989—2020年達里諾爾湖泊面積變化狀況,研究影響變化的驅(qū)動因素,以期為達里諾爾湖的保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

達里諾爾湖位于內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗西部,是內(nèi)蒙古地區(qū)四大名湖之一,地理坐標范圍為43°13′37″～43°23′21″ N,116°29′54″～116°44′12″ E。達里諾爾湖整體呈海馬狀,為封閉型高原內(nèi)陸微咸湖泊,平均水深11 m,湖泊面積約230 km2。該湖地處溫帶大陸性氣候區(qū),氣候較為干旱,屬生態(tài)環(huán)境脆弱地帶且抗干擾能力差,年降水量在121～511 mm之間,多年平均氣溫為3.41 ℃,多年平均蒸發(fā)量為1 853 mm。湖泊淡水水量補給主要來源于貢格爾河、沙里河、亮子河和耗來河等河流,湖泊周邊及河谷河口處分布著大量沼澤濕地及水泡,野生濕地植物廣布,鳥類種類豐富,生態(tài)多樣性良好。但隨著全球氣候變暖及人類活動加劇,致使達里諾爾湖受到一定程度的影響,使得近些年來湖泊萎縮、濕地植被減少和鳥類數(shù)量下降成為難以逆轉(zhuǎn)的事實。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

本研究在綜合考慮研究區(qū)的實際情況、湖泊水文信息的季節(jié)變化,以及遙感影像的分辨率、云量等情況后,最終選擇了Landsat系列衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源,分別選取了1989、2000和2010年的Landsat TM數(shù)據(jù),以及2020年的Landsat OLI數(shù)據(jù),分辨率均為30 m,共4景;氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),選擇的是距離研究區(qū)最近的錫林浩特氣象站;人為因素數(shù)據(jù)來源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》。

2.2 研究方法

在提取水體之前先要在Envi軟件中對遙感影像進行預處理,預處理主要包括輻射定標和大氣校正。為了能更加準確地區(qū)分水體邊界和提取水體面積,需要進行波段組合,經(jīng)過多次嘗試并結(jié)合前人的相關(guān)經(jīng)驗[9],最終確定了美國陸地衛(wèi)星4/5號專題制圖儀(thematic mapper，TM)所獲取的多波段掃描影像和實用陸地成像儀(operational land imager，OLI)遙感影像分別以4/3/2和5/4/3波段進行彩色合成的組合方式。

提取水體的方法有很多[10],通過對本研究區(qū)水體的不同水體提取方法進行試驗后,選擇了NDWI、閾值法和決策樹法三種方法相結(jié)合的方式來提取水體,其中,歸一化水體指數(shù)是應用范圍較廣且經(jīng)多次試驗后認為適合本研究區(qū)的水體指數(shù),能夠最大程度地區(qū)分遙感影像中的水體和非水體信息,但是如何細致的將水體信息提取出,這就需要將決策樹法和閾值法相結(jié)合并作用到經(jīng)NDWI處理后的結(jié)果之上,并通過調(diào)控閾值范圍來最大程度地將水體信息提取出來。

水提信息提取的具體步驟如下所示,首先在Envi軟件中進行波段運算(Band Math)并插入NDWI計算公式,分別選取相應波段進行計算,在得到水體提取結(jié)果后,再通過多次目視判讀和建立新的決策樹相結(jié)合的方法來進一步確定提取水體的閾值,以保證閾值提取的湖泊范圍和目視判讀的范圍一致,再將提取的范圍轉(zhuǎn)化成矢量文件;最后將矢量文件在ArcGIS中打開并計算湖泊面積。其中,這4期影像的閾值分別設定為0.08、0.06、0.12和0.11。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖泊面積變化

由表1、圖1和圖2可以看出,1989—2020年達里諾爾湖湖泊面積整體呈下降態(tài)勢,31年間湖泊面積縮減了32.34 km2,平均每年減少1.04 km2。其中,1989—2000年湖泊面積增長了4.88 km2,平均每年增長0.44 km2,變化率為2.3%;2000—2010年湖泊面積減少了28.51 km2,平均每年下降2.85 km2,占湖泊面積的13.09%,這個時段湖泊面積縮減速度最快,表明此時段湖泊受自然和人為因素影響最為顯著;2010—2020年湖泊面積縮減了8.71 km2,平均每年縮減0.87 km2,占湖泊面積的4.6%;湖泊面積縮減幅度最大的區(qū)域為東側(cè)和北側(cè)地區(qū)。由此可以看出,研究時段內(nèi)湖泊面積不斷萎縮,表明研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在持續(xù)惡化,環(huán)境變干導致的生態(tài)脆弱程度持續(xù)增加,整體抗干擾能力持續(xù)下降,增加了本地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化的風險。

表1 1989—2020年達里諾爾湖面積變化

圖1 1989—2020年達里諾爾湖面積變化示意圖

圖2 1989—2020年達里諾爾湖面積變化折線圖

3.2 驅(qū)動因素分析

3.2.1自然因素

1989—2020年達里諾爾湖年降水量和多年平均氣溫變化圖見圖3和圖4,可以看出,研究時段內(nèi)達里諾爾湖降水量無明顯變化趨勢,但總體波動幅度較大,多年平均值為278.08 mm,降水量的最大值和最小值分別出現(xiàn)在2012年和2005年,數(shù)值分別為511.7 mm和121.1 mm。研究時段內(nèi),氣溫總體呈持續(xù)增長態(tài)勢但波動性較大,多年平均氣溫為3.41 ℃,其中,1989—1999年氣溫有較小幅度波動,氣溫多年平均值為3.29 ℃;2000—2007年氣溫總體較為平穩(wěn)且變化幅度不大,氣溫多年平均值為3.48 ℃;2008年以后氣溫雖然有所增長但變化幅度較大,氣溫多年平均值為3.46 ℃。研究區(qū)氣溫持續(xù)升高導致蒸發(fā)量增大,再加上多年來降水量的變化幅度較大,易造成湖泊水量補給來源不穩(wěn)定,二者的共同作用增加了達里諾爾湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境的不穩(wěn)定性,使得原本處于生態(tài)脆弱地帶上的研究區(qū)更是“雪上加霜”,易造成土地退化甚至沙漠化,從而進一步加快生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢。

圖3 1989—2020年達里諾爾湖年降水量變化圖

圖4 1989—2020年達里諾爾湖多年平均氣溫變化圖

3.2.2人為因素

人為因素作為影響湖泊變化的重要的因素之一,其作用有時大于自然因素,尤其是在干旱半干旱氣候區(qū)的人口密集區(qū),人類活動的影響更甚。因此,本研究主要選取了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、耕地面積和牲畜存欄量這三個指標來分析人類活動對湖泊變化的影響?？耸部蓑v旗的耕地面積由1989年的621 km2增長為2019年的1 037 km2,增長率為66.91%,增長幅度較大;牲畜存欄量由1989年的93.07萬頭增長為2019年的115.5萬頭,增長率為24.1%;工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值在1989年為1.78億元,到2019年增長為119.69億元,增長了67倍,在2000—2010年時段增長幅度最大,這與湖泊萎縮速度最快的時間段相吻合,這也就證明了經(jīng)濟的快速發(fā)展必然會導致對水資源的需求快速增長,再加上耕地面積和牲畜存欄量的增長,會進一步加劇對水資源的索取,致使達里諾爾湖水源補給量減少,加快湖泊縮減的速度。同時,耕地面積和牲畜存欄量的增長也勢必會造成大量的草地和濕地被破壞,并且研究區(qū)本身處于干旱地區(qū),此種情況會增加生態(tài)環(huán)境的不穩(wěn)定因素,從而加快研究區(qū)內(nèi)土地退化的速度,易造成土地沙漠化和水土流失等災害的發(fā)生。

4 結(jié)束語

1989—2020年達里諾爾湖湖泊面積整體呈下降趨勢,其中,2000—2010年湖泊面積縮減速度最快,減小了28.51 km2,變化率為13.09%。研究時段內(nèi)湖泊面積的減小,表明達里諾爾湖的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在逐漸惡化,整體的不穩(wěn)定性在逐漸增加,生態(tài)環(huán)境的脆弱化程度在增加。

驅(qū)動因素從自然和人為兩個方面進行分析。研究時段內(nèi)，達里諾爾湖的氣溫在不斷升高、降水無明顯變化趨勢,但二者的波動性程度較大,代表了本地區(qū)的氣候環(huán)境極不穩(wěn)定。研究時段內(nèi)，克什克騰旗的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、耕地面積和牲畜存欄量這三個指標的數(shù)值都有明顯增長,這代表人類活動對研究區(qū)的影響進一步加劇。氣溫和降水的變化使得研究區(qū)變干且湖泊水量補給來源受到影響,人類活動加劇致使對水資源的需求急劇增加,二者的共同作用致使湖泊持續(xù)萎縮,對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了難以挽回的傷害。

本文在對達里諾爾湖進行水體信息提取時,所應用的方法還僅局限于傳統(tǒng)方法,在往后的研究中應該運用最新的研究方法,以提高研究的層次性和精確性,并且在確定提取水體的閾值時,由于受個人目視解譯經(jīng)驗的限制,易造成所確定的閾值和真實數(shù)值可能存在些許偏差,在今后需進一步提升個人經(jīng)驗水平;在驅(qū)動因素分析方面,無論是自然因素還是人為因素,所選擇的指標體系雖具代表性但不夠全面,僅能大致反映出研究區(qū)的變化狀況受這些因素影響,在往后研究中需引進更多評價指標,從而使驅(qū)動因素分析更具有代表性和深度性。