祁苗苗，姚曉軍，劉時(shí)銀，朱 鈺，高永鵬，劉寶康

(1:云南大學(xué)國(guó)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(duì)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(shí)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(guó)最大的內(nèi)陸咸水湖，這種獨(dú)特的過(guò)渡性地理位置，使得青海湖不僅對(duì)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(cè)局提供的數(shù)據(jù)，受流域內(nèi)降水增多影響，自2004年以來(lái)青海湖水位不斷上升、面積逐漸擴(kuò)大. 2018年對(duì)青海湖進(jìn)行實(shí)地考察時(shí)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(dòng)物棲息地萎縮，同時(shí)鳥(niǎo)島保護(hù)區(qū)碼頭、停車場(chǎng)和部分建筑物被湖水淹沒(méi)或破壞. 青海湖水情的動(dòng)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(shí)地掌握青海湖動(dòng)態(tài)狀況對(duì)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(yíng)力及人為因素長(zhǎng)期相互作用下的綜合反映，其形成過(guò)程錯(cuò)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(guò)程影響著水生植物的種類與分布，同時(shí)水生植物也對(duì)湖泊或水庫(kù)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(duì)高的生物多樣性[8]. 一般而言，在濕地公園鳥(niǎo)類棲息地營(yíng)建研究中設(shè)計(jì)岸線時(shí)，會(huì)適當(dāng)延長(zhǎng)岸線的長(zhǎng)度，增加岸線的曲折不規(guī)則形式為鳥(niǎo)類提供理想的棲息生境[9]. 此外，湖岸線時(shí)序變遷的監(jiān)測(cè)對(duì)合理開(kāi)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(duì)青海湖動(dòng)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(duì)其湖岸線動(dòng)態(tài)變化的研究相對(duì)缺乏. 因此本文基于高分辨率Landsat遙感影像監(jiān)測(cè)青海湖岸線動(dòng)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(kāi)發(fā)等研究；同時(shí)基于青海湖下社水文站提供的長(zhǎng)時(shí)間序列水位數(shù)據(jù)，研究青海湖水位變化對(duì)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(guó)青藏高原東北部，是我國(guó)境內(nèi)最大的咸水湖(圖1). 湖邊主要島嶼有鳥(niǎo)島、海西島、沙島、二郎劍，湖中有海心山和三塊石兩個(gè)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(gè)子湖. 青海湖平均海拔為3200 m，湖岸線長(zhǎng)度為445 km，岸線曲折，湖面略呈“凸”形，東西長(zhǎng)約109 km，南北寬約39.8 km，湖水呈弱堿性，水位在3193.8 m時(shí)，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(lái)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(zhǎng)，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(shì)[12]. 湖區(qū)四季多風(fēng)且風(fēng)力強(qiáng)勁，太陽(yáng)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(bǔ)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(kāi)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(kāi)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(diǎn)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(kù)，被譽(yù)為“青藏高原基因庫(kù)”.

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(cè)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(lái)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(dòng)結(jié)束，同時(shí)氣溫下降、降水減少，冰川和積雪融水過(guò)程相對(duì)緩慢，及11-12月份湖泊較少受人為或降水過(guò)程影響，因此影像選取主要集中于該時(shí)段. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(méi)有云層覆蓋)的遙感影像.

選用距離青海湖最近的兩個(gè)氣象站-剛察及共和站點(diǎn)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(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site)免費(fèi)獲取. 此外，本文基于青海湖周邊11個(gè)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證剛察及共和站數(shù)據(jù)是否可直接用于評(píng)估水量變化影響因素，該站點(diǎn)數(shù)據(jù)隸屬于2008年三江源項(xiàng)目和海北州新一代天氣雷達(dá)項(xiàng)目；布哈河和沙流河徑流量數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省水文水資源勘測(cè)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(gè)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(kāi)的尕海和洱海不計(jì)入湖區(qū)面積，同時(shí)也不減除2個(gè)湖心島(海心山和三塊石)的面積. 計(jì)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(gè)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(lái)的相對(duì)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?jī)羰罩?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(shí)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(shí)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(lái)評(píng)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(jiǎn)單的描述湖泊沿岸帶范圍，廣泛運(yùn)用于對(duì)不同湖泊的分類以及評(píng)價(jià)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(zhǎng)度和面積.

3 結(jié)果

3.1 青海湖岸線變化

近45年來(lái)，青海湖岸線處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(niǎo)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(niǎo)島和沙島區(qū)域湖岸線的變化在4個(gè)地區(qū)中最為明顯，尤其是隨著水位上漲鳥(niǎo)島地區(qū)岸線后退直接造成鳥(niǎo)類棲息地萎縮. 4個(gè)區(qū)域湖岸線的變化圖按照順時(shí)針?lè)较蚺帕校鐖D3～6.

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(niǎo)島坐落在青海湖的西北隅(圖2)，分為一東一西兩島，是我國(guó)以保護(hù)水禽為主的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū). 近年來(lái)隨著青海湖動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致鳥(niǎo)島地區(qū)岸線發(fā)生較大的變化，對(duì)鳥(niǎo)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(niǎo)島湖岸線的變化過(guò)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(shí)也影響周邊湖岸的變化，期間鳥(niǎo)島岸線向湖內(nèi)推進(jìn)的最大距離為3.12 km，岸線變化對(duì)周圍鳥(niǎo)類棲息環(huán)境影響較大. 2004年以來(lái)，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(shí)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(duì)青海湖進(jìn)行實(shí)地考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，因水位上漲，鳥(niǎo)島保護(hù)區(qū)的碼頭、停車場(chǎng)和部分建筑物被湖水淹沒(méi)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(guò)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(dú)立湖泊，又隨著湖岸線前進(jìn)，湖水重新淹沒(méi)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(lái)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(dú)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(bǔ)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(zhǎng)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(méi)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(zhǎng)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(guò)程(按照順時(shí)針?lè)较蚺帕?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(chǎng)被水淹沒(méi).

圖5 鐵布卡灣岸線的演變過(guò)程及被淹沒(méi)的草場(chǎng)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(bǔ)給河，對(duì)青海湖的補(bǔ)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(guò)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(guò)程Fig.6 The evolution of Shaliu River shoreline

3.2 青海湖動(dòng)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(shì). 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(shí)測(cè)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(dòng)逐漸減少趨勢(shì)；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(duì)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(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自1961年以來(lái)青海湖水位主要經(jīng)歷了下降和回升兩個(gè)過(guò)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，推算出1961-1987 年的青海湖水面面積(該時(shí)段影像缺失)，與Landsat遙感影像提取面積相比，平均相對(duì)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(cè)時(shí)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(dòng)狀態(tài)，無(wú)明顯減少趨勢(shì). 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(shì)，尤其2015年后這種趨勢(shì)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(shì)相同，但也存在個(gè)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(gè)別年份面積存在差異，但總體變化趨勢(shì)及速率在相同時(shí)段內(nèi)與本文結(jié)果基本一致. 時(shí)興合等[23]、Zhu等[24]和張國(guó)慶等[21]分別基于實(shí)測(cè)和ICESat數(shù)據(jù)估算青海湖水量，其變化趨勢(shì)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(dòng)態(tài)變化對(duì)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(shí)段內(nèi)青海湖面積變化的空間差異對(duì)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?yàn)橹鲗?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(niǎo)島地區(qū)岸線推進(jìn)3.12 km，鳥(niǎo)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(niǎo)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(niǎo)類棲息地?cái)U(kuò)張約97.94 km2. 從整體來(lái)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(shì)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(dòng)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(jì)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(shì)基本一致，也為湖泊面積在空間上的變化和四個(gè)區(qū)域岸線變化趨勢(shì)提供了一種佐證.

圖8 不同時(shí)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(zhǎng)度是表征湖泊形態(tài)特性的一項(xiàng)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(guò)程，并隨著湖泊的演變過(guò)程呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化[6]. 近45年來(lái)青海湖岸線長(zhǎng)度以0.88 km/a的速率逐漸延長(zhǎng)，1997年之前岸線長(zhǎng)度呈較為平穩(wěn)的上升趨勢(shì)，1997-2004年呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，2004年之后呈劇烈波動(dòng)增加趨勢(shì). 圖9是1973-2018年青海湖水位(圖9a)和面積(圖9b)與岸線長(zhǎng)度的對(duì)比關(guān)系. 從總體變化趨勢(shì)來(lái)看，水位和面積均與岸線長(zhǎng)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(shuō)明青海湖岸線長(zhǎng)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(shí)段來(lái)看，尤其在1997年之前，盡管水位在下降，面積減少，但岸線長(zhǎng)度一直呈增加趨勢(shì)，這表明當(dāng)青海湖水位大于3193.3 m或面積大于4249.3 km2時(shí)，岸線長(zhǎng)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(zhǎng)度的變化趨勢(shì)一致. 2007年之后，當(dāng)水位大于3193.3 m或面積大于4249.3 km2時(shí)，岸線長(zhǎng)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(zhǎng)度的對(duì)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(gè)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(duì)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(jí)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(shì)，和岸線長(zhǎng)度變化趨勢(shì)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(zhǎng)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(zhǎng)度不斷增大，因此在二者比值的情況下SDI值才會(huì)逐漸增大. 1997-2007年岸線發(fā)育系數(shù)有一個(gè)較小的波動(dòng)，說(shuō)明當(dāng)水位保持在一定范圍內(nèi)，水位變化對(duì)面積和岸線長(zhǎng)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(shì)一致. 2007年之后岸線發(fā)育系數(shù)呈現(xiàn)劇烈波動(dòng)式的上升狀態(tài). 說(shuō)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(zhǎng)度的變化趨勢(shì)一致. 為進(jìn)一步對(duì)比各時(shí)段湖岸線長(zhǎng)度變化速度，采用某一時(shí)間段內(nèi)湖岸線長(zhǎng)度的年均變化百分比來(lái)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(zhǎng)度延長(zhǎng)，為負(fù)則表示縮短. 統(tǒng)計(jì)6個(gè)時(shí)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(zhǎng)度在此期間不穩(wěn)定延長(zhǎng)變化趨勢(shì)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(lái)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(chǎng)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(dú)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(bǔ)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(shí)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(dòng)(如湖周耕地及不臺(tái)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(dòng)及草場(chǎng)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(kāi)始對(duì)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(niǎo)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(dòng)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(duì)青海湖水量貢獻(xiàn)甚微[29]，人類活動(dòng)對(duì)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(dòng)，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(gè)自動(dòng)氣象站(表1)僅可獲取2015-2017年氣象資料，受數(shù)據(jù)時(shí)段限制無(wú)法提供對(duì)應(yīng)研究時(shí)段的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，且沒(méi)有對(duì)蒸發(fā)量進(jìn)行監(jiān)測(cè). 盡管如此，該數(shù)據(jù)可用來(lái)驗(yàn)證距青海湖最近的氣象站點(diǎn)(剛察、共和)數(shù)據(jù)是否可直接用于評(píng)估降水、蒸發(fā)等對(duì)水量變化的貢獻(xiàn)(虧損). 如圖11所示，計(jì)算自動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(dú)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(diǎn)降水和自動(dòng)氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)不具備非常高的一致性(圖11b)，站點(diǎn)降水月均數(shù)據(jù)比自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)偏高約11%，總體上二者變化趨勢(shì)基本一致，這也說(shuō)明在數(shù)據(jù)有限的情況下，站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)也可用來(lái)評(píng)估其對(duì)水量的貢獻(xiàn).

表1 青海湖周邊自動(dòng)氣象站信息

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

青海湖補(bǔ)給主要來(lái)源于入湖徑流和降水量. 在青海湖的補(bǔ)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(shí)測(cè)徑流量數(shù)據(jù)(1974-2015年)，將其與對(duì)應(yīng)時(shí)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(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)年份的徑流量，將研究時(shí)段分為水位下降期和上升期分析自然因素對(duì)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(shì)(-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(shì)(0.001 mm/a)，但遠(yuǎn)不能彌補(bǔ)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(shí)，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(shí)間控制[31]，此外還受濕度、溫度、太陽(yáng)輻射等氣象因子的綜合影響. 因此，蒸發(fā)對(duì)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(gè)研究時(shí)段來(lái)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(dòng)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(lái)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(shì). 氣溫的升高除促進(jìn)湖面蒸發(fā)影響水量平衡之外，也會(huì)驅(qū)動(dòng)雪線的變化，從而通過(guò)補(bǔ)給地表徑流增加湖泊水量平衡中的收入項(xiàng). 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(bǔ)給青海湖的徑流量呈顯著的上升趨勢(shì)，且凍土及冰雪融化對(duì)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(yùn)用RS和GIS技術(shù)，對(duì)青海湖岸線動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)鳥(niǎo)類棲息地的影響進(jìn)行研究，同時(shí)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(lái)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(niǎo)島、鐵布卡灣及北岸沙柳河入口區(qū)域. 尤其自2004年以來(lái)，鳥(niǎo)島地區(qū)岸線后退距離最大(5.52 km)，淹沒(méi)范圍約97.94 km2，對(duì)周圍鳥(niǎo)類棲息地影響較大.

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

3)總體上岸線長(zhǎng)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(duì)青海湖動(dòng)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(shí)，岸線曲折性會(huì)隨著水位和面積變化呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，而水位高于3193.3 m時(shí)，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(dòng)及草場(chǎng)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.