近35年南四湖水域面積動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)力分析

侯學(xué)會(huì)，徐洪彪，李新華，王猛，隋學(xué)艷，梁守真

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.臨沂市水文局，山東 臨沂 276001）

水域是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡、調(diào)節(jié)流域小氣候、保護(hù)流域生態(tài)功能等方面占據(jù)重要地位。在全球氣候變化和人類活動(dòng)不斷加劇的背景下，濕地生態(tài)系統(tǒng)的水域面積發(fā)生了不同程度的變化，引起氣象、水文和生態(tài)等多學(xué)科學(xué)者的重視。南四湖是我國華北地區(qū)最大的淡水湖，地處鳥類遷徙的咽喉地帶，珍稀生態(tài)資源豐富［1］。南四湖又是南水北調(diào)東線的重要樞紐，京杭大運(yùn)河貫穿湖區(qū)，湖周邊農(nóng)業(yè)等人類活動(dòng)頻繁。近年來，受氣候和人類活動(dòng)的共同擾動(dòng)，南四湖出現(xiàn)湖區(qū)萎縮、水位下降［1，2］、生態(tài)環(huán)境受到破壞［3，4］等問題，因此，開展長時(shí)間序列的水域面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測并分析其影響因素具有重要意義，已引起眾多學(xué)者的關(guān)注。如蔣齋等［5］基于Landsat影像解譯發(fā)現(xiàn)，1975—2015的近40年間，南四湖水域在波動(dòng)中略微增長，但湖區(qū)面積出現(xiàn)萎縮；梁佳欣等［6］基于三期遙感數(shù)據(jù)得出1985—2015年間南四湖水域面積有擴(kuò)大趨勢的結(jié)論；Sun等［7］基于MODIS數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，2000—2010年間，南四湖水域面積略微增加，但水體覆蓋的累積時(shí)間顯著低于全國其他湖泊。但呂方等［8］基于四期遙感解譯的結(jié)果認(rèn)為，在1982—2012的30年間，南四湖自然水域面積以17.63 km2／a的幅度減少。

南四湖水體覆蓋面積受自然和人為因素的共同作用，并且特殊年份的重要?dú)夂蜃兓瘜嬗绊憳O為明顯。但已有研究多只分析整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)的湖面面積變化，而對特殊年份的突變因素，如特大干旱、特大降水等考慮不足。因此，基于前人研究結(jié)果，本研究利用長時(shí)間序列的Landsat影像，提取1984—2018年南四湖水域覆蓋區(qū)，并在分析近35年南四湖水域面積總體變化的基礎(chǔ)上，以2002年特大干旱年為界點(diǎn)，進(jìn)一步探討2002年前后南四湖水域面積的動(dòng)態(tài)變化；并結(jié)合流域氣溫、降水等氣象資料和相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，對南四湖水域面積變化的自然和人為驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，以期為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南四湖（34°45′～35°34′N，116°56′～117°36′E）是華北地區(qū)最大的內(nèi)陸型淡水湖，從南向北，由微山湖、昭陽湖、獨(dú)山湖和南陽湖四個(gè)湖區(qū)串聯(lián)組成，位于山東和江蘇兩省七縣市（濟(jì)寧市、微山縣、滕州市、棗莊市、魚臺縣和沛縣、徐州市）交界處（圖1），行政上屬濟(jì)寧市微山縣管轄，為南水北調(diào)東線的主要調(diào)蓄樞紐之一，地理位置比較重要。南四湖流域?yàn)榈湫偷呐瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均溫約14℃，年均降水量700 mm左右［9］。近年來，隨著南四湖流域氣候變化和人類活動(dòng)愈加頻繁，南四湖水資源短缺問題日益嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。

圖1 研究區(qū)域位置概況

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究采用的遙感數(shù)據(jù)來自于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站覆蓋研究區(qū)的1984—2018年Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。為排除突發(fā)降水、植被、冰等因素對水域面積提取結(jié)果的影響，主要選擇9月下旬至11月上旬的影像，共篩選出28期數(shù)據(jù)?；贓NVI軟件對遙感影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，并對Landsat－7 ETM SLC－off數(shù)據(jù)基于Landsat Gapfill插件進(jìn)行條帶修復(fù)。然后基于南四湖試驗(yàn)區(qū)矢量界線裁剪獲取研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)。

研究區(qū)的氣溫和降水資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：／／data.cma.cn／），選擇南四湖流域及周邊40個(gè)氣象站點(diǎn)的年均溫和總降水量數(shù)據(jù)。以海拔高度作為調(diào)整因子，基于MicroMet模型［10］將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值為柵格數(shù)據(jù)，然后以南四湖試驗(yàn)區(qū)為基準(zhǔn)，建立30 km的緩沖區(qū)，統(tǒng)計(jì)獲得該緩沖區(qū)內(nèi)1984—2018年的年均溫和降水總量。另外，收集了1993年以后微山縣漁業(yè)總產(chǎn)值統(tǒng)計(jì)資料，以期為探索人類活動(dòng)對南四湖水域面積的影響提供參考。

1.3 研究方法

1.3.1 水域面積提取 依據(jù)改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)（modified normalized differencewater index，MNDWI）（公式1）［11］進(jìn)行南四湖水域面積提取。該指數(shù)能夠很好地區(qū)分出建設(shè)用地和水體區(qū)域，并且能夠揭示水體微細(xì)特征。但該指數(shù)在區(qū)分山體陰影和水體時(shí)可能出現(xiàn)混淆［12］，因此，在根據(jù)地物MNDWI特征初步提取研究區(qū)水體區(qū)域的基礎(chǔ)上，我們又基于決策樹構(gòu)建分類體系，對水體和陰影進(jìn)一步區(qū)分。

式中，ρgreen為綠波段的反射率，綠波段如Landsat TM／ETM＋的第2波段、Landsat OLI的第3波段；ρmir為中紅外波段的反射率，中紅外波段如Landsat TM／ETM＋的第5波段、Landsat OLI的第6波段。

1.3.2 氣候因素對水域面積影響的分析方法一般來講，不同氣候要素之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，為更明確地分析氣候因素（氣溫和降水量）對南四湖水域面積變化的影響，本研究采用偏相關(guān)分析方法評價(jià)南四湖水域面積與氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系，并以皮爾遜相關(guān)系數(shù)P評價(jià)相關(guān)關(guān)系的顯著性。偏相關(guān)系數(shù)和相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式（2）中，rxy，z表示在去除變量z影響的條件下變量x與變量y的偏相關(guān)系數(shù)；rxy、ryz、rxz分別為變量x與y、y與z、x與z間的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)公式（3）求得。

2 結(jié)果與分析

2.1 近35年南四湖水域面積年際變化特征

圖2為基于Landsat影像提取的28年的南四湖水域面積。從整體上看，研究區(qū)水域面積最大的年份在2007年，為1 119.29 km2，最少的年份在2002年，僅為242.76 km2，前者是后者的4.6倍。雖然1984—2018年間南四湖水域面積在波動(dòng)中以年變化量為7.35 km2的速度增加，但以2002特大干旱年為分割年看，1984—2002年及2003—2018年兩個(gè)時(shí)間段，南四湖水域面積減少趨勢均比較明顯：1984年，南四湖水域面積為1 012.48 km2，而2002年僅有242.76 km2的區(qū)域被水體覆蓋，年減少量達(dá)35.86 km2，減少比較劇烈；雖然在2003年水域面積迅速恢復(fù)到903.71 km2，但之后在波動(dòng)中整體仍呈減少趨勢，到2018年研究區(qū)水域面積僅為682.46 km2。

圖2 1984—2018年南四湖水域面積的時(shí)間變化

進(jìn)一步對南四湖試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體覆蓋時(shí)間和典型時(shí)段內(nèi)的水域變化空間格局進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。在提取的28年南四湖水體區(qū)域數(shù)據(jù)中，水體覆蓋比較穩(wěn)定的區(qū)域僅為120.26 km2，占最大水體面積的9.97%，主要分布在微山湖南部和獨(dú)山湖北部，而微山湖北部和西部水域面積波動(dòng)較大，在很多年份幾乎沒有水體覆蓋，覆蓋時(shí)間少于5年（圖3A）。從整個(gè)研究區(qū)來看，水體覆蓋20年以上的區(qū)域?yàn)?1.01%，而10年以下的區(qū)域比例達(dá)25.26%。根據(jù)圖3B，1984—2002年間，有53.98%的區(qū)域水體覆蓋顯著減少，水域不斷向湖中心萎縮，僅微山湖南部、獨(dú)山湖北部和南陽湖北部區(qū)域水體面積保持不變。而2003—2018年間（圖3C），水體覆蓋區(qū)域相對比較穩(wěn)定，67.49%的水域面積不變，水域減少的區(qū)域僅占25.23%；而在微山湖的西部、昭陽湖的西部和南陽湖的南部區(qū)域，水域面積出現(xiàn)擴(kuò)大趨勢，擴(kuò)大面積占研究區(qū)面積的7.28%。

圖3 1984—2018年研究區(qū)水域面積變化的空間格局

2.2 近35年南四湖區(qū)域氣候變化

從圖4可以看出，1984—2018年間，南四湖區(qū)域年均溫平均為14.24℃，在波動(dòng)中以每10年0.49℃的速率上升；1984—1986年，南四湖區(qū)域溫度均低于平均溫度，其中1984年氣溫最低，為12.52℃，而2017年年均溫最高，達(dá)15.55℃。與氣溫時(shí)間變化趨勢比較一致，1984—2018年間，南四湖區(qū)域年均降水量為654.21 mm，呈現(xiàn)波動(dòng)中增加的趨勢，年增量平均為10.06 mm，其中，2002年和2017年分別是年降水量最少和最多的 年份，降水量分別為351.13 mm和942.93 mm。

圖4 1984—2018年南四湖區(qū)域氣溫和降水的時(shí)間變化趨勢

2.3 南四湖水域面積變化的驅(qū)動(dòng)力分析

2.3.1 氣候因素對南四湖水域面積的影響 從整體上看，氣溫與水域面積有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而降水對水域面積的增加有正效應(yīng)（表1）。尤其是1984—2002年降水偏少的年份，氣溫上升對水域面積減少的負(fù)影響極顯著，偏相關(guān)系數(shù)為－0.746（P＜0.01）；根據(jù)二者線性擬合結(jié)果，氣溫每升高1℃，水域面積減少227.97 km2。而1984—2018年間，降水的增加對水域面積擴(kuò)大的正效應(yīng)達(dá)到顯著水平，二者的偏相關(guān)系數(shù)為0.418（P＜0.05）。

表1 1984—2018年南四湖水域面積與氣候要素的偏相關(guān)關(guān)系

2.3.2 人類活動(dòng)對南四湖水域面積的影響 南四湖在行政上劃歸微山縣管轄，其水產(chǎn)養(yǎng)殖是微山縣主要的漁業(yè)產(chǎn)值來源。根據(jù)收集到的微山縣漁業(yè)總產(chǎn)值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（圖5）可以看出，1993年以來，除大旱年份外，南四湖水域面積與漁業(yè)總產(chǎn)值的變化趨勢基本相反，2009年之前，漁業(yè)總產(chǎn)值整體較低，同時(shí)期南四湖水域覆蓋面積較廣；而2010年之后，隨著漁業(yè)總產(chǎn)值的迅速增長，南四湖水域面積出現(xiàn)一定萎縮。

圖5 1993—2016年南四湖水域面積與微山縣漁業(yè)總產(chǎn)值的時(shí)間變化趨勢

3 討論與結(jié)論

本研究基于1984—2018近35年的28期Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在提取南四湖水域的基礎(chǔ)上，分析水域面積變化的時(shí)空趨勢，并基于站點(diǎn)的氣象資料和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，對水域面積變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行探討。結(jié)果如下：

1984—2018年，南四湖流域氣溫和降水都在波動(dòng)中呈現(xiàn)增加的趨勢。其中，氣溫的增加幅度為0.49℃／10a，高于全球0.2℃／10a的增溫速率［13］，約是北半球近20年及全國近60年增溫速度（分別為0.25℃／10a、0.24℃／10a）的兩倍，增溫幅度較大。與田莉娟等［14］基于雨量站點(diǎn)研究結(jié)果比較一致，1984年以來，南四湖流域降水在波動(dòng)中增加，年降水量增加值為10.06 mm，尤其是2003年以來的降水偏豐［15］。

1984—2018年間南四湖水域面積在波動(dòng)中略有增加，這與蔣齋［5］、Sun［7］等的研究結(jié)果相一致。但本研究以2002特大干旱年為界點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，1984—2002年及2003—2018年這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，南四湖水域面積實(shí)際上均呈下降趨勢，減少速率分別為35.86 km2／a和19.53 km2／a。受特大干旱氣象災(zāi)害［16］的影響，2002年南四湖水域面積僅為242.76 km2，僅為2007年最大水域面積的21.69%。從水域覆蓋的時(shí)間長度分析，被水覆蓋時(shí)間長于28年的區(qū)域僅占研究區(qū)面積的9.97%，主要集中在湖中心，而湖兩側(cè)區(qū)域的水域面積不斷萎縮［7］，尤其是微山湖西側(cè)，水體覆蓋時(shí)間基本在10年以下。

雖然1984—2018年間氣溫對南四湖水域面積的影響比較微弱，但在1984—2002年的枯水年，上游補(bǔ)水量有限，氣溫成為影響南四湖水域面積的主要因素之一，二者的偏相關(guān)系數(shù)為－0.746，達(dá)到極顯著水平，主要是因?yàn)闅鉁氐纳呤沽饔蛘趄v增加［13，17］，導(dǎo)致水域面積不斷減少。而在2002年之后，隨著流域進(jìn)入豐水年，上游來水補(bǔ)給量增大，氣溫的升高對南四湖水域面積的影響僅為－0.263，沒有通過顯著性檢驗(yàn)。

與青藏高原等流域湖泊面積與降水量正相關(guān)關(guān)系顯著［18－23］不同，雖然1984—2018年間南四湖區(qū)域的降水量增加比較明顯，但在1984—2002、2003—2018年兩個(gè)時(shí)段內(nèi)水域面積與降水量的偏相關(guān)關(guān)系并不顯著，僅在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)呈顯著正相關(guān)，說明降水量并不是控制南四湖水域的主要因素［24］。這與南四湖水量來源存在很大關(guān)系，作為南水北調(diào)東線上的重要調(diào)蓄水湖泊，南四湖水域面積在一定程度上受上游來水的影響［3］，特別是枯水年的生態(tài)調(diào)水，在很大程度上可以維護(hù)南四湖流域的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。

除氣象條件和南水北調(diào)的因素外，人類活動(dòng)也是影響南四湖自然水域面積的主要因素之一。本研究結(jié)果表明，1993—2016年間，南四湖自然水域面積與微山縣漁業(yè)總產(chǎn)值的變化趨勢相反，這與許吉仁等［24］的研究比較一致。1987—2010年，水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)從12.85 km2擴(kuò)大到489.75 km2，尤其是南四湖的西側(cè)，大面積的蘆葦沼澤和藕田轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，導(dǎo)致自然水域面積大幅度減少［8，25］。另外，蔣齋［5］、于泉洲［16］等也指出，水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的擴(kuò)大是南四湖湖泊面積不斷萎縮的原因之一。