1975—2007年间三江源不同源区湿地变化特点及对气候变化的响应

2015-03-30燕云鹏刘建宇王怿飞

测绘通报 2015年2期

燕云鹏，徐辉，邢宇，刘刚，刘建宇，王怿飞

(1．中国国土资源航空物探遥感中心，北京100083;2．中国科学院大气物理研究所，北京100029;3．中国地质大学(北京)，北京100083)

近几十年来，三江源地区出现了一系列生态环境问题，比如草场退化、土壤沙化、盐渍化和水土流失等，这些现象与湖泊萎缩、河流干涸和冰川退缩等水资源减少直接相关，而间接原因却是与气温升高、降水减少等气候的暖干化变化趋势有关［1-5］。以往对于三江源的研究分为两种情形:三江源作为一个整体进行研究，或对3个源区分别进行研究，很少对三个源区的不同特点进行对比分析。而三江源地区由于面积辽阔，地形地理条件复杂，不同源区之间气象气候特点差别巨大［6-9］。比如对三江源多年平均气温观测表明，从长江源区最北部的伍道梁站到澜沧江源区最南部的囊谦站多年平均气温相差都在8℃～10℃之间。因此，不同源区之间的对比分析，不仅可以总结出各个源区湿地变化和气候变迁的共同趋势，而且可以比较分析出不同阶段各个源区的湿地面积变化特点以及与之密切相关的气候变化的特有规律，对于定量把握整个源区的湿地和气象因子等生态环境要素之间的相互影响具有重要意义。

一、研究区概况

三江源地区位于我国的西部，地处青藏高原腹地，是长江、黄河及澜沧江的源头。地理位置为北纬31°31'—35°52'，东经89°33'—101°54';行政区域涉及西藏那曲、昌都地区和青海海西、玉树、果洛地区的15个县市，总面积27万km2(研究区域如图1所示)。该区气候为典型的高原大陆性气候，表现为冷热两季交替:冷季长达7个月，热量低、降水少、风沙大;暖季水汽丰富、降水量多;全年平均降水量262．2～772．8 mm，其中6—9月降水量约占全年降水量的75%。区域内河流密布，湖泊、沼泽众多，雪山冰川广布，平均海拔3500—4800 m，是中国淡水资源的重要补给区和西部地区的生态屏障。该区域的水资源时空分布较为复杂，与地形地貌、地质构造、水文地质条件、河流水系、气候、植被等诸多因素有密切的关系。

二、研究方法

1．遥感数据选择和处理

根据研究目标和研究尺度对数据的要求，选择1∶25万图幅3个时相的遥感影像30幅，全区共计90幅。3个时相的数据分别为1975年的MSS数据(空间分辨率78 m)、2000年的ETM数据(全色波段空间分辨率15 m)和2007年的CBERS数据(空间分辨率19．5 m)。为了方便对比不同年份的遥感影像，减少因不同季节湿地面积变化带来的误差，不同年份尽量选择具有同季节、同色调的数据。

图1 三江源地理位置示意图

遥感数据处理流程主要分为:遥感数据预处理、影像纠正与配准、图像镶嵌和专题信息提取4个主要环节。遥感图像预处理在ENVI4．6中完成，主要包括图像噪声处理和图像波段配准处理两个步骤。图像噪声采用自适应滤波方法消除，图像波段错位通过平移图像实现图像波段配准。影像纠正与配准基于1∶10万地形图(局部地区采用1∶10万的DEM)，几何位置的重采样模型采用一次多项式方法，亮度值的重采样模型选择立方卷积法。图像镶嵌时，为降低色调差异，两景图像间进行了亮度匹配。遥感图像处理在ENVI4．6中完成，而几何纠正和专题提取等处理在ArcGIS9．2中完成。精度要求:在相邻图像重叠区内选择同名点作为镶嵌控制点，两景图像同名地物点应严格对准，拟合中误差应小于1个像元。在1∶10万或大于1∶10万(含1∶10万)比例尺的地形图上随机读取明显目标点坐标作为真值，与处理完成的1∶25万遥感影像平面图上的同名目标点坐标比较，按式(1)计算随机取样点中误差，要求误差应小于125 m。

式中，m为点位中误差;Δx、Δy为随机取样点坐标差;n为随机取样点个数。

2．气象资料统计

本项研究所采用的气象资料为三江源地区杂多、玉树、达日、玛多、囊谦、伍道梁、久治、曲麻莱、沱沱河、治多和中心站11个气象站1971—2010年逐日的平均气温和日最高气温、日最低气温、20-20时降水量和日照时数数据。以每年为单位，将1971—2010年分为40个时段，通过累加和平均，分别计算每个站的各项气象指标逐年平均值;然后基于各个站点的空间分布位置，分别计算三江源3个源区各个气象指标的逐年平均值。

3．专题数据提取方法

采用机器自动识别辅以人机交互解译的方法进行水体专题信息的提取，主要根据不同地物在各个波段上的波谱反射率差异进行识别。对于水体的识别，以ETM影像为例:因为研究区处于青藏高原区，分布有很多高山，云盖度也比较大，而在遥感影像上阴影(主要是云影和山体阴影)和水体比较相似。文中主要是利用ETM3和ETM4波段反射率之间的大小关系，并结合水体在ETM5和ETM7波段具有低反射率的特点，通过设定相应的阈值，建立以下水体信息的提取模型

式中，a和b为阈值，根据图像上阴影和水体反射率的相对大小进行适当调节。

4．湿地景观结构的分维计算

分形理论是20世纪70年代开始发展起来的涵盖多个学科领域的新理论，可以用于对自然现象比如海岸线、断层、地震以及湿地等进行定量分析［10-12］。利用分形理论计算所得到的分形维数，可以揭示复杂现象背后所隐藏的规律性、层次性和标度不变性，为人们通过部分认识整体、从有限认识无限提供了一种新的方法。参考徐建华等用来计算景观结构分形维数的方法［12］，通过修改后可以用来计算三江源地区湿地空间分布结构的分维数

对于某个期次的三江源地区分布图，先计算出每一块湿地单元的面积和周长，然后再用这两组数据作回归分析拟合，根据式(3)就可以计算出2/D，得到湿地空间分布结构的分维值D。D值的大小代表了湿地空间分布结构的复杂性与稳定性。对于某种湿地空间分布结构而言，D值越大，就表示该要素的空间结构越复杂;当D=1．50时，表示该类湿地要素处于一种类似于布朗运动的随机状态，即最不稳定状态;D值越接近1．5，就表示该要素越不稳定。由此定义各湿地要素的稳定性指数SK如下

三、研究结果与分析讨论

1．湿地面积的统计结果

湿地面积的统计结果如图2所示。全区湿地面积2007年与1975年相比减少了9．455%。分阶段而言，1975—2000年，三江源区湿地面积总共减少了13．499%;2000—2007年，三江源区湿地面积总共增加了4．675%，对比冯蜀青2000—2004年间三江源区的水资源面积增加了1．8%的统计结果，有比较高的可信度［13］。1975—2007年32年间，长江和澜沧江源区的湿地面积均有所减少，但是减少的幅度不同，长江源区湿地面积减少幅度较小，为10．337%，而澜沧江源区湿地面积减少的幅度较大，为34．110%;与此两个区不同，黄河区的湿地面积有所增加，但是增加的幅度不大，为1．616%。将32年时间分段来看，3个源区的湿地面积变化又具有不同的特点。在1975—2000年期间，3个区面积均发生了减少，其中澜沧江源区面积减少的幅度最大，减少了47．176%，将近一半;而长江源区面积减少最小，减少幅度不到10%，为9．720%。在2000—2007年的7年间，3个区的湿地面积变化也不一致:长江源区的湿地面积基本未变，仅减少了0．683%。黄河源区和澜沧江源区的湿地面积分别增加了近1/3，黄河源区增加了29．631%，而澜沧江源区湿地面积增加了24．736%。

图2 32年来三江源各区湿地变化统计图表

2．气象资料的统计结果

通过对11个气象站点1975—2007年的气象资料统计，结果表明澜沧江源区的年平均气温、年最高气温和年最低气温的均值均是3个源区中最高的，其中1997年的年平均气温最高点比最低点高出4℃还多;而长江源区的3种温度同期记录基本是3个源区中最低的;而黄河源区和长江源区的统计结果曲线比较接近，就温度均值而言，黄河源区比长江源区大约高出0．2℃。如果把32年以2000年为界，分成两个阶段，表1是对3个源区两阶段1975—2000年和2000—2007年气象资料的对比统计结果。从中可以看出温度呈现逐渐上升态势。1975—2000年，温度上升缓慢;2000—2007年，升温速度变快。图3是3个源区的年平均温度统计图。

表1 1971—2007年三江源各源区两阶段的气象因子对比表格

20-20时降水量的年平均统计表明，32年来长江源区的降水值是3个源区中最低的，平均为348．416 mm/a;黄河源区和长江源区的20-20时降水量比较相似，分别为:492．589和501．972 mm/a。3个源区两个阶段降雨总体呈现上升态势，仅2000—2007年，澜沧江源区降雨稍有下降。具体而言，1975—2000年，长江源区和澜沧江源区的降雨增加比较多，每年约为1．500 mm，而黄河源区的降雨增加较少，仅为0．233 mm/a。2000—2007年，3个源区的降雨量变化具有各不相同的特点。澜沧江源区的降雨量出现了轻微下降;另两个源区的降雨量仍然出现增长，但是增长特点刚好相反。长江源区降雨量增速变缓，由1975—2000年的1．520 mm/a变为2000—2007年的0．330 mm/a;黄河源区的降雨量增速发生了突变增加，由1975—2000年的0．233 mm/a变为2000—2007年的8．700 mm/a。图4是3个源区的年平均降水量统计图表。

图3 1971—2007年三江源各源区年平均温度统计图表

图4 1971—2007年三江源各源区年平均降水量统计图表

长江源区的日照时数是3个源区中最高的，32年平均为7．519 h/d(小时/天，下同);黄河源区和澜沧江源区的日照时数比较相似，分别为:7．015和6．970 h/d。从1975—2000—2007年间三个源区两个阶段的变化趋势看，长江源区和黄河源区具有相似的特点，1975—2000年日照时数呈增长趋势，而2000—2007年日照时数呈下降趋势，下降速率比上升速率稍大。1975—2000—2007年3个阶段澜沧江源区基本呈比较均匀的下降趋势。

3．湿地资源的分形维数

湿地资源分形维数的计算结果如图5所示。1975—2007年的32年间，三江源3个区的分形结构稳定性指数均有所增加，但是增加的幅度不同，长江源区的湿地分维值从1．760变为1．927，增加了0．167，而澜沧江源区的分维值从1．671变为2．055，增加了0．384，是长江源区增加值的2倍还多。而黄河源区的分维值仅仅从1．824变为1．846，基本保持不变。同样将32年时间分段来看，3个区的湿地分维数变化又具有不同的特点。在1975—2000年期间，长江源区的分维值略有下降，从1．760下降到了1．730，而黄河源区和澜沧江源区的分维值都有所增加，尤其是澜沧江源区的湿地分维值从1．671增加为2．025。在2000—2007年的5年间，长江源区的分维值略有增加，从1．730上升到了1．928，澜沧江源区的分维值也略有上升，从2．025增加为2．055;而黄河源区的分维值略有降低，从1．945下降为1．846。

图5 32年间三江源各源区湿地资源分形维数计算结果图表

4．湿地变化和气候变化之间的关系分析

(1)湿地面积变化和气象因子间的关联关系

监测数据表明，湿地面积在2000年前后有非常大的变化，1975—2000年湿地面积整体呈减少趋势，平均每年减少0．540%;而2000—2007年以后呈增加趋势，平均每年增加0．668%。从气象资料分析，全区的平均气温、最高气温以及最低气温，2001—2007年的均值比1975—2000年的均值大约要高1℃。2000年前后全区的平均降雨量基本持平，2001—2007年的年平均降雨量比1975—2000年仅减少6．227 mm/a。2001—2007年的日照时数与1975—2000年相比基本相等。由此可以看出，湿地面积变化主要还是受温度这个气象因子的影响。可能由于2000年以后温度增加速率超过一定的极值，冰川消融速度加快，冰川融水大量增加，导致在2000年以后降雨基本保持以前的水平，甚至比以前还稍有减少的情况下，湿地面积的增长和新生速度超过了减少和消亡的速度，导致2000年以后湿地面积没有继续之前减少的趋势，反而整体出现了增加。

分源区而言，长江源区的32年间，1975—2000年平均温度呈现波浪式上升，而2000—2007年基本连续上升的趋势(2004年和2006年例外)。20世纪90年代初开始，降雨逐渐增多，长江源区呈现暖湿化趋势，这与陈芳等的研究结果长江源区自1986年起出现气候转向暖湿的信号基本一致［14］;而从2000年左右开始，降雨开始减少，气候逐渐暖干化，同时温度升高的速率增加，冰川消融加速，综合因素作用导致，与1975—2000年湿地面积变化相比，2000-2007年的湿地面积减少幅度变小。

黄河源区2000—2007年温度的年均增量比1975—2000年有了大的增加，降雨量2000—2007年的年均增量比1975—2000年增加更加明显，从前一阶段的0．233 mm/a增加到了8．700 mm/a。因此从第二个阶段的气象因子分析，2000—2007年间黄河源区出现了明显的暖湿化趋势，湿地面积出现了明显的增加，增加了29．631%，近1/3。

温度因子上，澜沧江源区与黄河源区类似，2000—2007年温度的年均增量比1975—2000年有了大的增加。从降雨量来看，1975年开始，澜沧江源区就是3个源区中最高的，达到了579．437 mm/a，比长江源区高出了48．200%。在1975—2000年间，降雨量以1．495 mm/a比较高的值在增加，按理气候出现暖湿化趋势，澜沧江源区湿地面积应该增加，可是澜沧江源区的湿地面积反而出现了大幅度的减少。根据第二个阶段2000—2007年气象因子分析，澜沧江源区温度升高更快，降雨量减少，湿地面积反而出现了比较大的增加，增加了29．631%，近1/3。这在3个源区中是个反常现象。

(2)湿地资源镶嵌结构变化与气候关系的分形学解释

通过相关系数检验的T检验和F检验，利用分形稳定性指数可以解释不同地区湿地的变化情况，如稳定程度、复杂程度等。32年间，总体来看，3个区的分形稳定性指数都变大了。但是分别来看，各个区又有各自的特点:澜沧江源区的分形稳定性指数增加最多，从1975年的0．171增加为2007年的0．555，因此湿地资源镶嵌结构变得相对最为稳定。长江源区的分形稳定性指数增加量次之，从1975年的0．260增加为2007年的0．428，因此湿地景观镶嵌结构也变得较为稳定，但是其变化过程不像澜沧江源区一直比较稳定，而是在2000年左右出现过反复，因为长江源区的分形稳定性指数在2000年前后为0．230，比起1975年低了0．030，这就是说长江区域的湿地资源分布结构在2000年前后曾经向不稳定的方向发展，到2007年时又变得较为稳定了。而黄河源区的变化最值得关注，1975年的分形稳定性指数是3个区中最大的一个，但是到了2000年，即变为3个区中的第二位，而到了2007年，又降为3个区中的最低值。但是单从分形稳定性指数本身来看，黄河源区的值并没有太多变化，1975年为0．324，到2000年升高为0．445，而到2007年又降为0．346。黄河源区的分形稳定性指数虽然也有些变化，但是相对来说，它又是3个区中变化最小的，也就是说这30年来，相对于另外两个源区，黄河源区的湿地资源镶嵌结构始终处于最不稳定的状态。

图6 32年间三江源各源区湿地资源分形稳定性指数计算结果图表

各个源区均有一个相对恒定的气象指标体系，在此体系内部，如果参数在一定阀值区间变动，那么对于湿地生态系统的影响比较小，湿地资源镶嵌结构也相应处于一种稳定状态;如果参数变动比较大，尤其是一些起决定意义的参数，超出了一定的阀值范围，那么湿地资源镶嵌结构就会失稳，湿地资源镶嵌结构就处于一种不稳定的状态。湿地资源分形稳定性指数的变化从某种程度上反映了气候因子的改变。

长江源区的分形稳定性指数1975—2000年间几乎没有变化，始终处于一种不太稳定的状态，到了2007年指数增加，稳定性指数变为原来的近两倍，因此长江源区湿地资源镶嵌结构应该变得相对较为稳定。长江源区分形稳定性指数和日照时数有比较好的一致性，1975—2000年，日照时数变大，分形稳定性指数减小，整个湿地系统变得不太稳定;2000—2007年，日照时数减少，湿地资源的稳定性指数也相应回升。

黄河源区2000年的分形稳定性指数比1975年略有增加，而到2007年指数比2000年又有所降低，但是2007年的指数还是比1975年要稍高，这反映了黄河源区的湿地资源镶嵌结构经历了一个先变得比较稳定又变得不太稳定的过程。从黄河源区2000年前后的气象指标分析来看，温度和降雨有所增加，日照时数都有所减少，反映了黄河源区2000—2007年经历了一个暖湿化的过程，湿地资源镶嵌结构也相应不太稳定。

1975—2000—2007年间两个阶段，澜沧江源区日照时数持续减少，而降雨量在前个阶段增加后，第二个阶段基本保持不变，这些气象参数变化特点与本区暖湿化的主要特点基本一致。因此，湿地资源的稳定性指数才能稳定增加，湿地资源镶嵌结基本保持稳定。

四、结论

1)1975—2000年湿地面积整体呈减少趋势，每年平均减少0．540%;而2000—2007年以后呈增加趋势，每年平均增加0．668%。从气象资料分析，全区的平均气温、最高气温以及最低气温，2001—2007年的均值比1975—2000年的均值大约要高1℃。2000年以后温度增加速率超过一定的极值，导致冰川融水大量增加，因此气温迅速增加应该是河流、湖泊、沼泽等湿地面积增大的最大原因。

2)1975—2000年湿地面积变化相比，长江源区2000—2007年的湿地面积减少明显幅度变小。黄河源区2000—2007年间出现了明显的暖湿化趋势，湿地面积出现了明显的增加。在1975—2000年间，气温逐渐上升，降雨量以1．495 mm/a增加，气候出现暖湿化趋势，澜沧江源区的湿地面积反而出现了大幅度的减少;而由2000—2007年气象因子分析，澜沧江源区温度升高更快，降雨量减少，湿地面积反而出现了比较大的增加。这在3个源区中是个反常现象。

3)总体来看，32年间3个源区的分形稳定性指数都变大了。其中，长江源区分形稳定性指数和日照时数有比较好的一致性，1975—2000年，日照时数变大，分形稳定性指数减小，整个湿地系统变得不太稳定;2000—2007年，日照时数减少，湿地资源的稳定性指数也相应回升。黄河源区由于2000年开始经历了一个暖湿化的过程，因此32年间湿地资源镶嵌结构经历了一个先变得比较稳定又变得不太稳定的过程。澜沧江源区湿地资源的稳定性指数总体呈增加趋势，湿地资源镶嵌结基本保持稳定。

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