王 偉,阿里木·賽買提,馬 龍,葛擁曉,吉力力·阿不都外力,*

1 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011

2 中國科學(xué)院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心, 烏魯木齊 830011

3 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

全球氣候變化背景下,西北干旱區(qū)從20世紀(jì)80年代以來,年平均氣溫出現(xiàn)“突變型”升高(0.517℃/10年),尤其是冬季氣溫升高,雪冰消融加快,河湖流域內(nèi)潛在蒸散顯著增加[1]。同時(shí)由于流域內(nèi)規(guī)?；r(nóng)業(yè)開發(fā)及人口壓力的增加,使得西北干旱區(qū)水資源的供需矛盾存在較大不確定性[2]。根據(jù)全國第二次湖泊調(diào)查(2007—2011)的數(shù)據(jù),新疆維吾爾自治區(qū)共有面積大于1km2湖泊108個(gè),總面積6236.4km2。相比于全國第一次湖泊調(diào)查(20世紀(jì)60—80年代),新疆消失湖泊(大于1km2)數(shù)量達(dá)62個(gè),總面積共計(jì)6952.8km2,占全國消失湖泊總面積的87%[3]。湖泊消失或萎縮不僅導(dǎo)致周邊綠洲濕地沙化,同時(shí)裸露的干涸湖底沉積物成為風(fēng)力侵蝕和搬運(yùn)的源,造成鹽堿塵暴頻發(fā),對流域內(nèi)生產(chǎn)生活和居民健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4]。因此開展長時(shí)間序列的新疆湖泊時(shí)空變化研究,對干旱區(qū)湖泊預(yù)警、水資源管理及可持續(xù)發(fā)展等有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

隨著20世紀(jì)50年代以來新疆綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展,大量水庫、灌溉水渠等水利工程開始修建[5],截止至2016年12月,全疆共有水庫538座,其中大型水庫21座[6]。實(shí)際上干旱區(qū)許多天然湖泊也承擔(dān)著農(nóng)業(yè)灌溉、防洪調(diào)蓄、水源保障等功能,因此天然湖泊和水庫(人工湖泊)難以從影像、命名、功能等方面加以區(qū)分。這些天然和人工湖泊的變化不僅受區(qū)域氣候變化影響,更容易受到灌溉引水等人類活動(dòng)的影響。受新疆“綠洲經(jīng)濟(jì),灌溉農(nóng)業(yè)”經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)制約,農(nóng)業(yè)灌溉對地表水資源的過渡消耗逐漸成為制約全疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)跨越式發(fā)展的主要矛盾[7]。因此深刻剖析過去幾十年新疆湖泊的時(shí)空變化特征,可為開展全疆水資源統(tǒng)籌調(diào)配和合理開發(fā)利用,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

隨著可獲取的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)量的增加,利用遙感技術(shù)進(jìn)行水體識(shí)別是目前最常用的湖泊面積變化監(jiān)測方法[8—9]。Landsat系列數(shù)據(jù)由于其空間分辨率高(30m),時(shí)間序列長(1972年起運(yùn)行)而被廣泛應(yīng)用于水體識(shí)別,土地覆蓋分類等研究[10—11]。Pekel等[12]基于Landsat遙感數(shù)據(jù),依托專家系統(tǒng)方法和GEE平臺(tái)探討了1984—2015年全球地表水體面積變化特征,但是專家系統(tǒng)的構(gòu)建、測試、驗(yàn)證過程復(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力,另外水體識(shí)別結(jié)果在一定程度上受到監(jiān)督樣本影響。與此同時(shí),近些年基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別方法廣泛應(yīng)用于水體提取研究中[13],但是這些方法結(jié)果精度高度依賴訓(xùn)練樣本的選擇。光譜指數(shù)法作為傳統(tǒng)的非監(jiān)督分類方法,由于該方法無須選擇樣本,只需依靠簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以快速提取水體信息,因此多用于Landsat、SPOT、Sentinel系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的水體識(shí)別研究中[14]。張飛等[15]基于1998—2013年5期Landsat數(shù)據(jù),利用歸一化水體指數(shù)(NDWI)和修正歸一化水體指數(shù) (MNDWI)提取艾比湖水體面積,探討了近年來艾比湖湖面的動(dòng)態(tài)變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。Jing等[16]基于MODIS數(shù)據(jù),利用混合水體指數(shù)(CWI)探討了2005—2015年新疆湖泊面積年際與季節(jié)變化特征。Yan等[17]基于Landsat數(shù)據(jù),綜合NDWI和歸一化雪被指數(shù)(NDSI)來區(qū)分青藏高原湖泊水體和雪蓋/冰川。但是由于水體識(shí)別同時(shí)受水質(zhì)、水深等自身因素以及山地陰影等外界因素干擾,水體識(shí)別方法的普適性有待提高[18]。

新疆維吾爾自治區(qū)地處西北內(nèi)陸腹地,地形地貌復(fù)雜,湖泊類型多樣,不同類型水體光譜反射特性差異顯著。再加上山地陰影、冰川積雪、植被等因素干擾,基于單一光譜指數(shù)的水體識(shí)別存在較大誤差,難適用于整個(gè)區(qū)域。由于不同光譜指數(shù)所增強(qiáng)的地物信息不同,因此構(gòu)建基于多種光譜指數(shù)的水體識(shí)別方法,使其有效抑制非水體地物信息,提高水體信息的識(shí)別精度。本文基于遙感云計(jì)算平臺(tái)GEE開發(fā)了基于多種光譜指數(shù)的動(dòng)態(tài)閾值水體識(shí)別方法,借助于GEE平臺(tái)海量的遙感影像數(shù)據(jù)集和強(qiáng)大的云計(jì)算能力對1986—2019年新疆湖泊面積變化遙感監(jiān)測,探討了湖泊數(shù)量面積的時(shí)空變化特征及空間差異特征,初步定性分析新疆湖泊面積變化的主要原因,旨在為氣候變化和人類活動(dòng)下水資源開發(fā)利用與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國西北內(nèi)陸(34°22′—49°33′N, 73°22′—96°21′E),是中國陸地面積最大的省級行政區(qū)(圖1)。由于深居中緯度歐亞大陸中心,來自海洋的濕潤水汽難以到達(dá),年均降水量不足200mm,且空間分布不均[19]。同時(shí)境內(nèi)分布著全國面積最大的盆地—塔里木盆地,以及眾多的山系,北有阿爾泰山系,南有昆侖山系,中有橫亙?nèi)车奶焐缴较?。高大而綿長的山脈攔截了西風(fēng)環(huán)流帶來的水汽,成為干旱區(qū)的“濕島”,在加上區(qū)內(nèi)復(fù)雜的地形地貌條件,使得區(qū)域內(nèi)湖泊類型多樣,平原、山地、高原等不同地貌類型均有湖泊分布,如博斯騰湖、烏倫古湖、賽里木湖、阿雅克庫木湖等[20]。流域作為封閉的地形單元,往往具有相似的氣候環(huán)境和下墊面條件,流域內(nèi)的任何變化都會(huì)直接快速的通過河流反饋到湖泊。本研究基于中國1∶25萬二級流域分級數(shù)據(jù)集(http://www.geodata.cn),將研究區(qū)劃分為11個(gè)主要流域分區(qū)(圖1),以探討不同流域內(nèi)湖泊面積的變化特征。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 主要數(shù)據(jù)來源

GEE平臺(tái)包含Landsat數(shù)據(jù)集在內(nèi)的總量超過20Pb的歷史衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)集和地理空間數(shù)據(jù)[21]。Landsat系列衛(wèi)星是目前全球連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最長的地球觀測計(jì)劃(Landsat- 1 1972年7月23日發(fā)射),同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。因此本研究以GEE平臺(tái)上Landsat系列多光譜遙感衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)來源。鑒于研究區(qū)范圍較大,單一年份需要對至少113景原始衛(wèi)星影像進(jìn)行鑲嵌拼接才能覆蓋整個(gè)研究區(qū)。綜合考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)量以及連續(xù)性等因素,本研究決定采用1986—2019年的Landsat 5、7、8的大氣層頂(TOA)反射率數(shù)據(jù)(已完成大氣輻射校正和幾何校正),其中1986—1998年、2008—2009年的遙感數(shù)據(jù)來源于Landsat 5 TM傳感器,1996—2007年、2010—2012年的遙感數(shù)據(jù)來源于Landsat 7 ETM+傳感器,2013—2019年的遙感數(shù)據(jù)來源于Landsat 8 OLI傳感器。另外考慮到干旱區(qū)湖泊的季節(jié)差異性和冬季積雪的影響,本研究所用遙感影像獲取月份主要集中在8月—10月,最后基于GEE平臺(tái)對所有數(shù)據(jù)篩選出云量小于20%的影像進(jìn)行鑲嵌拼接。

為研究氣候因素對湖泊數(shù)量和面積變化的影響,本文獲取了新疆維吾爾自治區(qū)42個(gè)氣象站點(diǎn)1986—2019年的逐日降水和平均氣溫?cái)?shù)據(jù),首先對降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行年累加處理,對氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行年均處理,本數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(http://data.cma.cn/data/)。

2 研究方法

2.1 遙感水體提取方法

本研究依據(jù)不同地物的光譜反射率特點(diǎn),提出了基于多種遙感光譜指數(shù)的動(dòng)態(tài)閾值的水體識(shí)別方法,其流程圖如圖2所示,主要采用5種遙感光譜指數(shù),分別為NDWI[22], MNDWI[23],多波段水體指數(shù)(MBWI)[24],歸一化植被指數(shù)(NDVI)[19], NDSI[25]。NDWI和MNDWI主要針對Landsat 5和Landsat 7的獲取的TM和ETM+影像進(jìn)行水體像元提取,Wang等[24]提出的MBWI主要針對Landsat 8獲取的OLI影像進(jìn)行水體像元提取,NDVI和NDSI主要為了過濾濕地植被和山地積雪對水體識(shí)別的影響。

圖2 基于GEE平臺(tái)和Landsat遙感影像的水體制圖技術(shù)路線

為了去除山體陰影對水體提取的影響,參考李均力等[26]在喜馬拉雅山地湖泊遙感識(shí)別研究,基于數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地形特征,將研究區(qū)分為高原地區(qū)(DEM>3500m),高山地區(qū)(1500m

2.2 趨勢分析法

本研究基于最小二乘法的一元線性回歸模型對湖泊變化率進(jìn)行趨勢分析,主要對1986—2019年84個(gè)湖泊面積(>10km2)進(jìn)行最小二乘擬合獲得湖泊面積變化率,計(jì)算公式為[19]

(1)

式中,n為研究時(shí)段的年數(shù)；Li為第i年的湖泊面積；S表示湖泊面積變化率,當(dāng)S為正值,則該湖泊面積呈現(xiàn)出上升的趨勢,相反有下降的趨勢。

為了更好地表達(dá)湖泊的變化趨勢,采用F檢驗(yàn)對湖泊面積的變化率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),顯著性檢驗(yàn)結(jié)果用統(tǒng)計(jì)顯著性P值來表示,根據(jù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果和變化趨勢斜率S的大小將湖泊的變化趨勢分為5種類型[19],如表1所示。

表1 湖泊變化趨勢類型

3 結(jié)果與討論

3.1 湖泊識(shí)別精度評價(jià)與有效性驗(yàn)證

本研究對基于單一水體指數(shù)的固定閾值方法與多指數(shù)動(dòng)態(tài)閾值方法的不同湖泊水體識(shí)別效果進(jìn)行對比,從圖3中可以看出,本文方法在識(shí)別高原湖泊水體有效去除山地積雪對水體識(shí)別的干擾。另外在山地陰影的干擾去除上,該方法也明顯優(yōu)于MNDWI和NDWI方法。針對平原水庫和沙漠尾閭湖周邊的涉水濕地,本方法也能更好將濕地與水體進(jìn)行區(qū)分。為了定量評價(jià)遙感影像水體識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性以及提取方法的可靠性,本研究以2017年10m分辨率全球土地覆蓋產(chǎn)品(FROM-GLC10)作為參考數(shù)據(jù),為避免混合像元造成的誤差,首先對參考數(shù)據(jù)源空間分辨率進(jìn)行重采樣至30m,然后建立水體識(shí)別混淆矩陣(表2)對結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)。對比兩種數(shù)據(jù)水體分類結(jié)果,本研究的水體識(shí)別的錯(cuò)分誤差為5.98%,漏分誤差為23.79%。通過對比兩種數(shù)據(jù),由于參考參考數(shù)據(jù)采用10m分辨率的Sentential- 2作為數(shù)據(jù)源,對于細(xì)小水體的識(shí)別效果要優(yōu)于本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因此本研究結(jié)果在細(xì)小水體提取中存在一定的漏提現(xiàn)象。

圖3 不同水體識(shí)別方法在不同類型湖泊中的識(shí)別結(jié)果

表2 水體識(shí)別混淆矩陣

同時(shí)從國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data)上收集1990—2015年新疆主要湖泊(大于1km2)面積數(shù)據(jù)與本研究結(jié)果進(jìn)行對比,從而對湖泊面積數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。該數(shù)據(jù)為Zhang等[10]基于Landsat衛(wèi)星影像和地形圖繪制了8期中國湖泊數(shù)據(jù)(1960s,1970s,1990,1995,2000,2005,2010,2015)。本研究選擇其中6期數(shù)據(jù)(1990—2015)的湖泊面積結(jié)果作為參考值,來驗(yàn)證本文提取的新疆維吾爾自治區(qū)主要湖泊面積的有效性,兩組湖泊面積的相關(guān)性如圖4所示。1990—2015年兩組數(shù)據(jù)的擬合曲線的R2均大于0.99,擬合斜率均接近于1,尤其以1995年和2015年的湖泊提取結(jié)果最接近該數(shù)據(jù)集(R2≥0.999),這也驗(yàn)證了基于多種水體指數(shù)的動(dòng)態(tài)閾值水體提取方法的可行性。

圖4 本研究湖泊提取結(jié)果和前人湖泊提取結(jié)果比較

3.2 湖泊現(xiàn)狀及數(shù)量變化特征

根據(jù)2019年新疆湖泊水體提取的結(jié)果顯示,新疆現(xiàn)有面積大于0.5km2的湖泊有611個(gè),大于1km2的湖泊有375個(gè),其中面積在1—5km2的湖泊有254個(gè),面積在5—10km2的湖泊有42個(gè),面積在10—50km2的湖泊有61個(gè),面積在50—100km2的湖泊有8個(gè),面積在100—500km2的湖泊有5個(gè),面積在500—1000km2的湖泊有3個(gè),面積大于1000km2的湖泊有2個(gè)。從空間分布上看(圖1),新疆地區(qū)湖泊分布極不均衡,這也是造成區(qū)域水資源空間差異的重要原因[27]。從湖泊數(shù)量空間分布上看,約40%的湖泊集中在環(huán)天山地區(qū),約30%的湖泊集中在南部羌塘高原區(qū),約21%的湖泊集中分布在阿爾泰山南麓,塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地湖泊分布較少。本研究結(jié)合高程數(shù)據(jù)計(jì)算了不同湖泊平均海拔高度,結(jié)果顯示約有37%的湖泊分布在海拔低于1000m的低海拔地區(qū),約有34%的湖泊在海拔1000—3000m的中海拔地區(qū),約有27%的湖泊在海拔大于3000m的高海拔地區(qū)。

另外本文研究了1986年以來不同面積湖泊數(shù)量的變化情況(圖5),1986—2012年湖泊總數(shù)量保持周期性平穩(wěn)波動(dòng),但是近10年來湖泊總數(shù)量呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(35.4個(gè)/a),主要以5km2以下湖泊數(shù)量增加明顯。根據(jù)湖泊空間分布特征,將研究區(qū)分為4個(gè)區(qū)域-環(huán)天山地區(qū)、阿爾泰山南麓地區(qū),羌塘高原區(qū)以及其他區(qū)域,對比分析不同區(qū)域湖泊數(shù)量的變化特征(圖6)。從圖6可以看出,環(huán)天山地區(qū)的湖泊數(shù)量經(jīng)歷了先減少后增加的過程,羌塘高原區(qū)的湖泊數(shù)量處于持續(xù)增加狀態(tài),且近10年來的顯著增加湖泊主要集中在環(huán)天山地區(qū),其次是羌塘高原地區(qū)。

圖5 1986—2019年新疆不同面積湖泊數(shù)量變化情況

圖6 1986—2019年新疆不同區(qū)域湖泊數(shù)量變化情況

3.3 湖泊面積變化及其空間差異特征

3.3.1主要湖泊面積變化特征

本研究選取了1986—2019年平均水體面積大于10km2的湖泊(84個(gè)),通過趨勢分析法研究了湖泊面積的變化趨勢,研究發(fā)現(xiàn),54個(gè)湖泊面積發(fā)生顯著變化,其中41個(gè)湖泊呈現(xiàn)出顯著擴(kuò)張態(tài)勢,13個(gè)湖泊呈現(xiàn)出顯著收縮態(tài)勢,共有36個(gè)湖泊發(fā)生極顯著變化趨勢。表3中列舉了研究區(qū)內(nèi)1986—2019年平均水體面積大于100 km2的大型湖泊屬性特征和變化趨勢,從表中可以看出,所有的大型高原湖泊發(fā)生極顯著擴(kuò)張,尤其以阿雅克庫木湖擴(kuò)張速率(+16.52km2/a)最快,其次是阿其克庫勒湖(+8.20km2/a)。其余主要大型湖泊呈現(xiàn)出不同程度變化,但是變化均不顯著。值得注意的是,修建于2002年的羅布泊鉀鹽池的面積從最初的9.89km2已經(jīng)增長至2019年的225.39km2,已經(jīng)成為新疆的第十大湖泊。

表3 新疆大型湖泊基本情況和變化趨勢

3.3.2不同流域湖泊面積變化特征

根據(jù)中國1:25萬二級流域分級數(shù)據(jù)集,研究區(qū)被劃分為11個(gè)流域分區(qū),因此本文對二級流域內(nèi)湖泊面積變化特征進(jìn)行分析。從湖泊變化趨勢的空間分布上看,呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢的湖泊主要集中在青藏高原北部以及阿爾泰山南部(圖7)。天山北坡以平原水庫為主的湖泊呈現(xiàn)出顯著收縮趨勢,但變化速率不高。塔里木河流域的湖泊既有擴(kuò)張也有收縮,但總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢。塔里木河干流區(qū)的大西海子水庫呈極顯著的收縮趨勢(-0.50km2/a),而位于塔里木河干流尾閭的康拉克湖(+1.80km2/a)和臺(tái)特瑪湖(+4.06km2/a)分別呈現(xiàn)出極顯著和顯著的擴(kuò)張趨勢。

圖7 1986—2019年湖泊面積變化趨勢空間分布

圖8為1986—2019年不同流域湖泊總面積變化趨勢圖(虛線為線性趨勢),橫坐標(biāo)為年,縱坐標(biāo)為流域湖泊總面積。從圖8上看,人為干擾較少的昆侖山北麓小河流域、羌塘高原內(nèi)陸河流域湖泊面積處于顯著增長態(tài)勢,以羌塘高原內(nèi)陸河流域最為顯著(37.72km2/a,R2=0.92)。以天山北麓諸河流域和塔里木河流域?yàn)榇淼沫h(huán)天山地區(qū)湖泊面積卻存在顯著的年際波動(dòng),位于東天山吐哈盆地小河流域湖泊面積呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢。

圖8 1986—2019年不同流域湖泊總面積變化趨勢

3.3.3不同湖泊類型面積變化特征

綜合研究區(qū)內(nèi)湖泊的地貌特征、海拔高度,如圖9所示將湖泊劃分為3種類型。平原湖泊,主要海拔低于1500m的自然形成的湖泊或者人工修建用于灌溉的水庫,主要有博斯騰湖,烏倫古湖,蘑菇海水庫等,這些湖泊由于位于海拔較低的平原地區(qū),受灌溉引水、攔洪蓄水等影響也比較大。高山湖泊,主要指海拔位于1500—3500m的湖泊,這些湖泊多直接依靠冰雪融水補(bǔ)給,主要有賽里木湖、瓊塊勒巴什湖、喀納斯湖等,這些湖泊受人類活動(dòng)影響較小,受氣候因素影響較大。高原湖泊,主要指海拔大于3500m以上的湖泊,主要集中在青藏高原北部,主要有阿雅克庫木湖、阿其格庫勒湖、鯨魚湖等,這類湖泊面積變化主要受氣候因素影響,基本上不受人類活動(dòng)干擾。

圖9 1986—2019年不同湖泊類型空間分布

正因?yàn)檫@些湖泊所處地理位置的氣候特征和人類活動(dòng)的強(qiáng)度和方式不同,不同湖泊變化特征各異。從圖10中可以看出高原湖泊總面積自1995年以來一直處于穩(wěn)定的線性增加趨勢,總面積從1995年1530km2擴(kuò)張到2019年的2810km2,平均每年擴(kuò)張51.2km2。1986—2009年高山湖泊一直處于平穩(wěn)波動(dòng)的狀態(tài),主要因?yàn)橘惱锬竞?、喀納斯湖、托勒庫勒湖等面積一直處于平穩(wěn)波動(dòng)態(tài)勢,由于2009年后硝爾庫勒湖(阿圖什)、巴里坤湖面積恢復(fù)以及帕米爾高原的瓊塊勒巴什湖不斷擴(kuò)張,高山湖泊總面積在2009年后處于急速增加狀態(tài)。與此同時(shí),平原湖泊從1986年到2003年處于波動(dòng)擴(kuò)張態(tài)勢,2003年以后進(jìn)入一個(gè)高位震蕩的時(shí)期,這主要是因?yàn)榘群同敿{斯湖受流域氣候變化和人類活動(dòng)雙重作用下發(fā)生強(qiáng)烈的年際波動(dòng)[28]。

圖10 1986—2019年不同湖泊類型面積變化(實(shí)線:面積變化,虛線:線性趨勢)

3.4 湖泊動(dòng)態(tài)變化的影響因素分析

3.4.1氣候變化影響因素分析

流域降水和雪冰融水形成的地表徑流是干旱區(qū)湖泊的重要補(bǔ)給來源[29],因此氣溫和降水作為主要?dú)夂蛞蛩貙磩?dòng)態(tài)變化有重要影響。因此本文基于全疆42個(gè)氣象站的逐日監(jiān)測數(shù)據(jù),計(jì)算得到1986—2019年新疆年均氣溫和年降水量變化趨勢(圖11)。研究結(jié)果表明,新疆年均氣溫在1997年發(fā)生“突變型”升高,之后一直保持高位震蕩的態(tài)勢,這點(diǎn)與前人研究一致[1]。在氣候因素中,氣溫對以雨水補(bǔ)給型湖泊的影響為負(fù)效應(yīng),而對雪冰融水補(bǔ)給型湖泊的影響為正效應(yīng)[30—31]。研究區(qū)內(nèi)高原湖泊主要位于羌塘高原內(nèi)陸河流域,屬于典型的冰川-凍融水補(bǔ)給流域[31],同時(shí)這一區(qū)域快速增長的氣溫導(dǎo)致高原湖泊面積迅速擴(kuò)張[32—33]。在降水量年際變化方面,1986—2001年年降水量整體呈下降趨勢,2002年以后降水量開始呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢,降水量變化與湖泊總面積的關(guān)系并不顯著。但是受厄爾尼諾現(xiàn)象影響,2010年和2016年降水量異常增多可能是造成高山湖泊發(fā)生顯著擴(kuò)張的原因[34—36]。氣候變化對湖泊面積的影響不只受單一氣候變量作用,而取決于區(qū)域的水熱組合[37]。在全球氣候變暖背景下,相比于青藏高原地區(qū),環(huán)天山地區(qū)冰川分布海拔較低,氣溫升高導(dǎo)致的天山地區(qū)冰川加速退縮是導(dǎo)致區(qū)域湖泊面積高位波動(dòng)的重要原因之一[38]。 同時(shí)水循環(huán)要素的改變也加劇了整個(gè)水文過程的不確定性以及區(qū)域地表水資源的不均衡分布[1, 36]。

圖11 1986—2019年新疆年均氣溫和降水量變化

3.4.2人類活動(dòng)影響因素分析

近些年來不斷增強(qiáng)的人類活動(dòng)也是導(dǎo)致湖泊數(shù)量增加的主要原因之一,在河流中上游修建攔引蓄等水利設(shè)施進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉是區(qū)域重要的水資源開發(fā)利用方式。自20世紀(jì)50年代以來,全疆共建設(shè)各類水庫578座,一半以上集中環(huán)天山地區(qū)[6]。從修建時(shí)間上看,2010—2020年是水庫建設(shè)高峰期,這10年內(nèi)全疆共建水庫136座,占全疆水庫總量的23.53%[5]。因此,近些年來人工水庫數(shù)量的增加也從人類活動(dòng)角度解釋了湖泊數(shù)量增加原因。近40年來,新疆人口由1978年的1283萬人增加到2018年的2486萬人,耕地面積增加了約3.15×104km2,增幅超過50%[39]。人口和耕地面積的增加使得工農(nóng)業(yè)用水生產(chǎn)生活需求增加,尤其在環(huán)天山地區(qū),該區(qū)域人口及城市群分布密集,灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),河流湖泊等地表水資源受人為干擾較大,因此強(qiáng)烈的人類活動(dòng)減弱了湖泊的擴(kuò)張過程[40—42]。比如柴窩堡湖作為曾經(jīng)烏魯木齊市的主要水源地,由于城市用水量和農(nóng)業(yè)灌溉用水的增加,湖泊面積從2011年的28km2驟降至2014年枯水期的不足1km2。跨區(qū)域生態(tài)輸水工程對部分區(qū)域湖泊面積也產(chǎn)生顯著影響,自2000年4月開始,塔里木河流域管理局先后向塔里木河下游實(shí)施生態(tài)輸水21次,自大西海子水庫累計(jì)下泄生態(tài)水達(dá)8.43×1010m3。受塔里木河干流生態(tài)輸水工程影響[43],大西海子水庫的面積不斷減少,臺(tái)特瑪湖的面積不斷增加,但是塔里木河干流區(qū)湖泊總面積呈增加趨勢(圖10)。

4 結(jié)論

本研究主要基于GEE平臺(tái)和Landsat數(shù)據(jù),對新疆地區(qū)湖泊數(shù)量和面積變化逐年動(dòng)態(tài)監(jiān)測,討論分析了1986—2019年湖泊數(shù)量和面積的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征,并初步定性分析氣候變化和人類活動(dòng)對湖泊面積變化的影響,主要結(jié)論如下:

(1) 本研究提出的基于多種遙感光譜指數(shù)的動(dòng)態(tài)閾值水體識(shí)別方法可以較好識(shí)別干旱區(qū)不同類型的湖泊水體,并有效抑制山地陰影、冰川積雪、濕地植被對水體識(shí)別的影響,并結(jié)合前人的研究成果對該方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證,取得了較好的驗(yàn)證結(jié)果。

(2) 1986年以來新疆地區(qū)湖泊(>0.5km2)在數(shù)量上整體處于增加態(tài)勢,尤其是近10年來以來,湖泊數(shù)量呈現(xiàn)出急劇增加的趨勢(35.4個(gè)/a),主要集中在環(huán)天山地區(qū)和青藏高原北部地區(qū),面積小于5km2的湖泊數(shù)量增加較為顯著。

(3) 1986—2019年,主要湖泊(>10km2)面積整體上呈現(xiàn)出顯著擴(kuò)張趨勢,顯著擴(kuò)張的湖泊主要集中在青藏高原北部地區(qū),其中以阿雅克庫木湖擴(kuò)張趨勢最為顯著(+16.52km2/a,P<0.01)。然而環(huán)天山地區(qū)湖泊面積則處于頻繁的年際波動(dòng),塔里木河源流區(qū)湖泊面積受外界干擾程度較高。

(4) 溫升背景下,由于受到豐富的雪冰融水的補(bǔ)給和較小的外界干擾,高原湖泊面積在1997年后持續(xù)穩(wěn)定擴(kuò)張,相反環(huán)天山地區(qū)同時(shí)受冰川加速退縮以及人類活動(dòng)影響,近些年來湖泊面積持續(xù)高位波動(dòng)。