1986—2019年新疆湖泊變化時空特征及趨勢分析

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)實驗室, 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,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,總面積共計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]。因此開展長時間序列的新疆湖泊時空變化研究,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,實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(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),時間序列長(1972年起運(yùn)行)而被廣泛應(yīng)用于水體識別,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、驗證過程復(fù)雜且費(fèi)時費(fèi)力,另外水體識別結(jié)果在一定程度上受到監(jiān)督樣本影響。與此同時,近些年基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像識別方法廣泛應(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態(tài)變化特征及其驅(qū)動機(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。但是由于水體識別同時受水質(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)的水體識別存在較大誤差,難適用于整個區(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)的水體識別方法,使其有效抑制非水體地物信息,提高水體信息的識別精度。本文基于遙感云計算平臺GEE開發(fā)了基于多種光譜指數(shù)的動態(tài)閾值水體識別方法,借助于GEE平臺海量的遙感影像數(shù)據(jù)集和強(qiáng)大的云計算能力對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)行時間最長的地球觀測計劃(Landsat- 1 1972年7月23日發(fā)射),同時也是應(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個氣象站點(diǎn)1986—2019年的逐日降水和平均氣溫數(shù)據(jù),首先對降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行年累加處理,對氣溫數(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)的動態(tài)閾值的水體識別方法,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別的影響。

圖2 基于GEE平臺和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個湖泊面積(>10km2)進(jìn)行最小二乘擬合獲得湖泊面積變化率,計算公式為[19]

(1)

式中,n為研究時段的年數(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檢驗對湖泊面積的變化率進(jìn)行顯著性檢驗,顯著性檢驗結(jié)果用統(tǒng)計顯著性P值來表示,根據(jù)顯著性檢驗結(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 湖泊識別精度評價與有效性驗證

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)動態(tài)閾值方法的不同湖泊水體識別效果進(jìn)行對比,從圖3中可以看出,本文方法在識別高原湖泊水體有效去除山地積雪對水體識別的干擾。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。為了定量評價遙感影像水體識別結(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,然后建立水體識別混淆矩陣(表2)對結(jié)果進(jìn)行精度評價。對比兩種數(shù)據(jù)水體分類結(jié)果,本研究的水體識別的錯分誤差為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)小水體的識別效果要優(yōu)于本實驗數(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 不同水體識別方法在不同類型湖泊中的識別結(jié)果

表2 水體識別混淆矩陣

同時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),這也驗證了基于多種水體指數(shù)的動態(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,大于1km2的湖泊有375個,其中面積在1—5km2的湖泊有254個,面積在5—10km2的湖泊有42個,面積在10—50km2的湖泊有61個,面積在50—100km2的湖泊有8個,面積在100—500km2的湖泊有5個,面積在500—1000km2的湖泊有3個,面積大于1000km2的湖泊有2個。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,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/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),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個湖泊面積發(fā)生顯著變化,其中41個湖泊呈現(xiàn)出顯著擴(kuò)張態(tài)勢,13個湖泊呈現(xiàn)出顯著收縮態(tài)勢,共有36個湖泊發(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為代表的環(huán)天山地區(qū)湖泊面積卻存在顯著的年際波動,位于東天山吐哈盆地小河流域湖泊面積呈現(xiàn)出波動下降的趨勢。

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干擾。

圖9 1986—2019年不同湖泊類型空間分布

正因為這些湖泊所處地理位置的氣候特征和人類活動的強(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)波動的狀態(tài),主要因為賽里木湖、喀納斯湖、托勒庫勒湖等面積一直處于平穩(wěn)波動態(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,平原湖泊從1986年到2003年處于波動擴(kuò)張態(tài)勢,2003年以后進(jìn)入一個高位震蕩的時期,這主要是因為艾比湖和瑪納斯湖受流域氣候變化和人類活動雙重作用下發(fā)生強(qiáng)烈的年際波動[28]。

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

3.4 湖泊動態(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磩討B(tài)變化有重要影響。因此本文基于全疆42個氣象站的逐日監(jiān)測數(shù)據(jù),計算得到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的重要原因之一[38]。 同時水循環(huán)要素的改變也加劇了整個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人類活動影響因素分析

近些年來不斷增強(qiáng)的人類活動也是導(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?？鐓^(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施生態(tài)輸水21次,自大西海子水庫累計下泄生態(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態(tài)監(jiān)測,討論分析了1986—2019年湖泊數(shù)量和面積的時空動態(tài)變化特征,并初步定性分析氣候變化和人類活動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)的動態(tài)閾值水體識別方法可以較好識別干旱區(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)行有效性驗證,取得了較好的驗證結(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/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,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)同時受冰川加速退縮以及人類活動影響,近些年來湖泊面積持續(xù)高位波動。