1991—2017年叶尔羌河流域冰川景观格局时空演变

彭加加,徐丽萍,曹 翠

石河子大学理学院, 石河子 832000

冰川作为冰冻圈的重要组成部分之一[1],根据其规模和形态特征,主要分为冰盖和山地冰川[2]。其中,山地冰川既是存储淡水资源的“固体水库”,也是气候变化的重要“指示器”[3—4]。随着全球气温的不断升高,近半个世纪以来,全球冰川普遍处于持续消融状态[5],平均每年减少2260亿t[6]。中国冰川主要分布在青新荒漠绿洲区。在内陆干旱地区,冰川作为一种特殊的自然景观,常常被看作是干旱区的“生命线”[7]。气候变暖背景下,冰川变化对干旱区的自然生态环境演变、农业生产和社会经济可持续发展有着重要影响[8—11]。如何应对冰川变化产生的一系列影响,已成为当下亟待面对的重要现实问题。而冰川景观格局演变研究,可提高对冰川景观结构及组成变化的认识与理解,为应对冰川变化及其影响提供科学指导与决策支持。

近年来,景观格局分析方法已被广泛应用于众多领域,尤其是不同土地类型(草地、荒漠、湿地等)景观格局变化分析[12—14]。冰川作为一种特殊的土地利用类型,其变化带来的影响也不容小觑,已引起了国内外学者的广泛关注[15—17]。冰川消融过程也是一种景观变化过程,冰川景观结构及其组成的变化可以借助景观指数来描述。将景观生态学理论应用于冰川变化的研究已有初步的尝试,姜亮亮、刘俊岭等[18—19]运用景观格局指数对冰川和永久积雪景观要素进行分析发现,冰川覆被稳定性低,最大斑块指数以及聚集度下降。李虹蓉[20]为探究祁连山吐尔根达坂地区冰川结构变化特征,引入景观格局指数,分析发现冰川破碎度呈现先减小后增大趋势,冰川斑块大量消失。随着RS、GIS技术越来越广泛应用于冰川景观变化的研究中,它们与景观生态学理论相结合,可以更加直观的显示冰川景观未来的变化趋势。

叶尔羌河作为塔里木盆地西部最大的河流,其径流大小主要取决于冰雪融水量。叶尔羌河不仅是保障新疆塔里木河生态系统健康运行的重要源流之一,还对维护流域乃至整个新疆生态环境安全、促进新疆经济发展具有重要的作用[21—23]。对于整个叶尔羌河流域来说,冰川退缩大大削弱了冰川融水对河川径流的调节作用,进而对整个流域的生态环境安全构成威胁,同时也对中下游地区居民的生活方式、经济发展以及特色绿洲农业发展等产生不利影响。鉴于此,本文基于1991—2017年Landsat遥感影像数据,通过分析冰川斑块面积随海拔、坡度、坡向的变化以及冰川质心迁移状况来揭示冰川景观时空变化趋势；尝试应用能够高度浓缩景观空间格局信息的景观格局指数并结合分形维数来揭示叶尔羌河流域冰川景观结构变化特征以及评估冰川景观稳定性。

1 研究区概况

叶尔羌河流域位于新疆西南部,塔里木盆地西缘(图1)。流域范围介于74°28′—80°55′ E,35°27′—40°42′ N之间,叶尔羌河流域总面积达9.89×104km2,全长约为1097 km,多年平均径流量约为66.3×108m3,主要由冰雪融水和降水补给[24]。大西洋和印度洋暖、湿气流受南天山、帕米尔高原和喀喇昆仑山的阻挡而无法入境,致使叶尔羌河流域常年干旱少雨,多年平均降水量仅30—60 mm[25],形成典型干旱大陆性气候。流域内太阳辐射丰富,潜在蒸发量大,多年平均气温达9.38℃,其中多年平均最低气温为-3.29—5.89℃,多年平均最高气温达11.03—19.73℃[26]。叶尔羌河流域地形由东北向西南急剧升高,由960—1500 m的平原区升至极高山区的6000—8400 m,使西南部高大山区为冰川积累提供有利条件。

图1 研究区域位置Fig.1 The study area

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

2.1.1数据来源

本文选用了由Landsat系列卫星所搭载的TM、ETM+和OLI传感器获得的遥感影像数据,均来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)。为减少云雪对冰川斑块提取的影响,1991—2017年所选影像成像时间为7—9月且云量低于20%,最终选定了1991、1996、2001、2008、2013、2017年6个时期的24景影像(表1)。本研究所选取的DEM 数据为30 m分辨率的SRTM1数据集产品,来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)。

2.1.2冰川斑块提取

本文选取的遥感影像数据为Level 1T级,不需要进行几何校正。由于研究区横跨4景遥感影像,所以在辐射定标和大气校正后需对4景影像进行图像拼接和裁剪,以便完全覆盖到研究区的冰川。与其他地物类型相比,冰川在可见光波段反射能力较强,在遥感影像上能够与其他地物形成较为明显的反差[27]。故目前常用监督与非监督分类法[28]、雪盖指数法(NDSI)[29]、比值阈值法[30]、面向对象分类法[31]等对冰川进行解译。本文借助ENVI 5.3软件对TM和ETM+采用6、2、3波段进行假彩色合成,OLI采用7、2、3波段进行假彩色合成,并选取训练样本。采用最大似然监督分类法对6期遥感影像数据进行冰川斑块提取,然后对分类结果进行目视解译修改,以提高精度。最后对分类后结果进行精度验证,6期分类结果精度均大于90%,Kappa系数均大于0.90,符合分类标准。

表1 遥感数据信息列表

2.2 研究方法

2.2.1景观格局指数

景观格局指数能够高度浓缩景观空间格局信息,反映其结构组成特征[32]。本文根据景观格局指数选取原则,尝试从景观水平选择5个景观格局指数来分析叶尔羌河流域冰川景观的变化,包括：斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、平均形状指数(SHAPE-MN)、平均周长面积比(PARA-MN)和分离度指数(SPLIT)。应用于冰川景观的含义：

①斑块数(NP)：研究区斑块数量,无量纲,值域范围≥1,斑块数量变化既反映研究区冰川景观消融状况,又能揭示冰川景观破碎度变化趋势(NP值越大,表明冰川景观破碎度越高)。

②最大斑块指数(LPI)：反映冰川斑块中最大斑块占整个冰川斑块的比例,其变化可以表征大面积冰川的变化状况。表达式为：

(1)

式中,ai表示第i个冰川斑块的面积,A表示冰川斑块总面积。

③平均形状指数(SHAPE-MN)：通过以正方形的标准进行对照,其值越大,反映出冰川因不断消融,冰川斑块形状越来越不规则。表达式为：

(2)

式中,ai表示第i个冰川斑块的面积,pi表示第i个冰川斑块的周长,n表示冰川斑块个数。

④平均周长面积比(PARA-MN)：反映冰川景观在空间形状上的凹凸情况或破碎化程度,其值越大,表明冰川景观破碎化越严重。表达式为：

(3)

式中,ai表示第i个冰川斑块的面积,pi表示第i个冰川斑块的周长,n表示冰川斑块个数。

⑤分离度指数(SPLIT)：数值的增加,可以反映出冰川斑块面积的减小和冰川斑块大小的变薄[33]。表达式为：

(4)

式中,ai表示第i个冰川斑块的面积,A表示冰川斑块总面积,n表示冰川斑块个数。

2.2.2冰川景观质心迁移

质心是描述地理现象空间分布的一个重要指标,质心可用于对地理分布变化的跟踪。冰川景观质心迁移变化能够很好地从空间上描述冰川景观的时空演变特征,通过了解各研究时段冰川景观的质心分布,可以发现冰川景观空间的变化趋势,揭示冰川景观消融或堆积的面积分布。因此,本文将景观质心分析用于冰川景观的研究,探讨冰川景观格局的演变特征。

(5)

(6)

式中,Xt、Yt分别表示第t时期冰川景观分布的质心经度和纬度坐标；Cti表示冰川景观第t时期第i斑块的面积；Xi、Yi分别表示第i个斑块的质心经纬度坐标[14]。

2.2.3冰川景观稳定性评估

分形理论是通过建立面积-周长的关系来反映地物空间结构的理论[34]。冰川具有复杂的空间结构特性,仅从单一指数分析冰川变化具有片面性。因此,本文应用分形理论获取叶尔羌河流域冰川分维系数来量化冰川空间结构稳定性及变化趋势。表达式如下：

(7)

式中,A表示某一冰川面积；P表示该冰川的周长；D表示分维系数；k表示待定系数。将式(7)取对数得到：

(8)

式中,C为常数。由式(8)可建立冰川周长-面积关系。D值越大,表明冰川空间结构越复杂。当D值越接近1.50,表明冰川空间结构越不稳定。冰川空间结构稳定性指数SK计算表达式为：

SK=|1.5-D|

(9)

式中,SK值越大,表明冰川空间结构相对稳定；相反,则越不稳定。

3 结果分析

3.1 叶尔羌河流域冰川景观时空变化特征

3.1.1冰川斑块面积变化

1991—2017年,叶尔羌河流域冰川斑块面积由6108.62 km2减少到5309.12 km2,共减少799.50 km2(-13.09%)。叶尔羌河流域冰川景观整体上呈现持续退缩状态,在不同时段冰川斑块面积消减速率存在差异(图2)。其中,1996—2001年时间段冰川斑块面积消减速率最快,达0.7%/a；其次依次为1991—1996年、2001—2008年、2013—2017年时间段,消减速率分别为0.69%/a、0.47%/a、0.45%/a；2008—2013年时间段冰川斑块面积消减速率最慢,仅为0.30%/a。上述各时段冰川斑块面积消减速率表明叶尔羌河流域冰川景观萎缩呈现减缓趋势。

图2 1991—2017年叶尔羌河流域冰川斑块面积变化Fig.2 The area change of glacier patch in the Yarkant River Basin from 1991 to 2017

3.1.2冰川景观海拔、坡度、坡向变化

海拔作为冰川景观变化主要地形影响因子之一[35]。由于不同海拔梯度上太阳辐射量、温度、降水等存在一定差异,导致冰川景观在不同海拔梯度消减率存在差异。本文利用DEM数据,应用ArcGIS软件提取了叶尔羌河流域冰川景观分布区的海拔因子,并以200 m为间距,将冰川景观分布的海拔梯度范围划分为9个梯度,得到叶尔羌河流域冰川景观变化的垂直分布特征。叶尔羌河流域冰川景观分布在海拔4100—5900 m之间,主要集中发育在海拔5000—5800 m,占总面积的75.44% (图3)。从海拔梯度变化来看,所有海拔梯度冰川斑块面积均减少,且随着海拔梯度的上升,冰川斑块面积变化率逐渐减小。其中,海拔为5400—5800 m的海拔高度带冰川斑块面积消减最多,为448.52 km2,占该流域冰川景观总消减面积的56.10%,是最大的冰川景观消减面积贡献海拔高度带；消减率最为剧烈的3个海拔梯度带为<4400、4400—4600、4800—5000 m,其消减率分别高达63.68%、53.88%、53.87%。这也应证了海拔越低的地区温度越高,冰川景观退缩率越大,低海拔地区为冰川景观主要退缩区[36]。从时间上分析,1991—2017年叶尔羌河流域冰川斑块面积在同一海拔梯度上总体呈现消减趋势,且在相同时间间隔变化率呈波动减小状态(表2)。

图3 叶尔羌河流域不同海拔高度带冰川斑块面积变化Fig.3 Area change of glacier patch with different attitudes in the Yarkant River Basin

表2 叶尔羌河流域不同时期冰川斑块面积变化及海拔梯度统计

根据坡度分类标准[37],将叶尔羌河流域冰川区坡度划分为6个等级：平坡(<5°)、缓坡(5°—15°)、斜坡(15°—25°)、陡坡(25°—35°)、急陡坡(35°—40°)、急坡(>40°),本研究以这6个等级来分析该流域不同坡度冰川景观的分布状况以及变化特征(图4)。叶尔羌河流域冰川景观主要集中分布在坡度>35°的地形上,占总面积的95.67%,表明叶尔羌河流域冰川以山地冰川为主。1991—2017年不同坡度区间的冰川斑块面积呈现出相似的波动减少趋势。冰川斑块面积变化大小按坡度排序为：陡坡>缓坡>急坡>斜坡>急陡坡,减少值分别为15.98%、15.60%、14.18%、10.94%和2.87%。随着坡度的增加,冰川斑块面积消减率呈现减少的趋势,表明坡度的大小影响着冰川景观的消减速度,坡度较为缓和的区域冰川景观消减较快。

图4 叶尔羌河流域不同坡度、坡向冰川斑块面积变化Fig.4 Glacier patch area change of different slopes and different aspects in the Yarkant River Basin

由于阴阳坡向太阳辐射度的不同,对冰川景观消减速度影响存在差异。因此,本文为探究叶尔羌河流域冰川景观在不同坡向的变化特征,将冰川分布区坡向划分为：阴坡(0°—90°和270°—360°)、阳坡(90°—270°) (图4)。1991—2017年,叶尔羌河流域阳坡和阴坡冰川景观变化特征相似,面积均呈下降趋势,并存在一定波动。在阴坡上,冰川斑块面积从122.86 km2减少到103.29 km2,减少了19.58 km2(占1991年阴坡冰川景观的7.79%),冰川景观消减速率为0.30%/a。同期,在阳坡上,冰川斑块面积从5985.76 km2减少到5205.83 km2,减少了779.93 km2(占1991年阳坡冰川景观面积的13.20%),冰川景观消减速率为0.51%/a。阳坡冰川斑块面积的消减速率明显高于阴坡,这与气候变化和气象条件有关。由于气候变暖,阳坡和阴坡的冰川景观都在消减,但阳坡上的光照和太阳辐射相对较强,因此阳坡冰川景观的消减速率相对较高。

3.2 叶尔羌河流域冰川景观格局动态变化

为探索1991—2017年叶尔羌河流域各时期冰川景观空间结构变化特征,本文选择了能够高度浓缩景观空间结构信息的景观格局指数(图5)。其中,1991—2017年叶尔羌河流域冰川斑块数量(NP)整体呈现减少趋势,冰川斑块减少总数达476个。同时,冰川最大斑块指数(LPI)呈下降趋势,最大斑块指数由9.33降至3.81,表明叶尔羌河流域冰川景观整体呈现消减趋势,且表现为小面积冰川斑块融化消失,冰川斑块数量减少；大面积冰川斑块不断消融,进而导致大斑块冰川的面积占比降低。1991—2017年叶尔羌河流域冰川平均形状指数(SHAPE-MN)、平均周长面积比(PARA-MN)以及分裂指数(SPLIT)变化趋势相同,表现为波动上升趋势。其中,冰川平均形状指数(SHAPE-MN)呈先增后减,再缓慢增加趋势,表明叶尔羌河流域冰川斑块因不断消融,其形状越来越不规则；冰川平均周长面积比(PARA-MN)呈波动上升趋势,且 2001—2017年间平均周长面积比(PARA-MN)明显大于1991—2001年,表明叶尔羌河流域冰川不断消融,导致冰川斑块分裂,致使冰川斑块破碎化程度变大；1991—2017年,冰川景观分裂指数(SPLIT)由39.87不断增加到93.79,表明叶尔羌河流域冰川景观呈现持续消减状态,且冰川厚度变薄,冰储量在不断减少。表明26年来,叶尔羌河流域冰川景观呈现不断消减状态,且冰川景观破碎化程度明显增加。

图5 叶尔羌河流域冰川景观指数变化Fig.5 Changes of landscape pattern index of glacier in the Yarkant River Basin

3.3 叶尔羌河流域冰川景观格局质心迁移分析

图6 叶尔羌河流域冰川景观的质心迁移 Fig.6 Centroids shifting of glacier landscape in the Yarkant River Basin

冰川景观质心的变化可以揭示冰川景观消融或堆积的面积分布。根据质心的算法,计算出叶尔羌河流域1991、1996、2001、2008、2013以及2017年6个时期冰川景观的质心坐标,结果如图6所示。从经度方向分析叶尔羌河流域冰川景观质心变化特征得出,冰川景观的质心先快速向东偏移,然后折向西偏移；接着2008—2017年间重复以上运动趋势。从纬度方向分析叶尔羌河流域冰川景观质心变化特征得出,冰川景观的质心整体上呈现向北偏移的趋势,这也表明由于北部大量大面积冰川斑块的存在,而大面积斑块冰川消融速度小于小面积斑块冰川,致使冰川景观的质心呈现不断向北偏移的趋势。从整体分析叶尔羌河流域冰川景观的质心变化特征得出,1991—2017年冰川景观的质心迁移的轨迹总体上呈“W”字型,整体呈现东北偏移趋势,表明该流域冰川在不断消融,且大面积斑块冰川主要分布在东北方向。

3.4 叶尔羌河流域冰川景观稳定性分析

通过分形理论,建立叶尔羌河流域冰川景观的周长-面积关系式,通过线性回归分析得到分维数以及空间结构稳定性指数(表3)。分析可知,1991—2017年间叶尔羌河流域冰川景观分维系数(D)下降率为4.07%,而该时间段冰川景观稳定性指数(SK)呈波动增加趋势,冰川景观稳定性增强率为18.52%。叶尔羌河流域冰川景观结构复杂度的微弱降低,以及冰川景观结构稳定性的增强,表明该流域冰川景观消减率略微降低,但仍然处于持续消融状态。

4 讨论与结论

4.1 讨论

气温是冰川景观融化的主要影响因素,降水是冰川景观积累的主要影响因素,二者的结合,共同决定着冰川景观的演化趋势[38]。研究期间,叶尔羌河流域气候呈暖湿化趋势[39]。气候变暖,导致该流域冰川斑块面积、数量的减少。冰川景观作为全球生态系统中特殊而重要的组成部分,一方面对维持区域生态稳定和调节河流径流具有重要意义[16]；另一方面,冰川景观的消融易引发冰川洪水、冰湖溃决等灾害,威胁下游地区的社会经济发展及人民生命财产安全[40]。然而,叶尔羌河流域的冰川景观在不断缩减,所以对冰川景观进行适当的保护,减缓冰川景观消融的速度,对于改善干旱区绿洲的整体生态环境具有重要意义。

表3 1991—2017年叶尔羌河流域冰川景观分维数、空间结构稳定性指数变化

在过去的研究中,多数学者主要从冰川面积、长度、体积等方面来研究冰川景观时空演变,但这不能直接反映斑块内部及不同斑块之间冰川覆被分布的复杂程度。本文从景观生态学的角度出发,借助景观格局指数来分析了冰川景观结构的演变特征。研究结果较好的反映了研究区冰川景观结构的变化趋势,这可提高对冰川景观结构变化的认识与理解,为应对冰川景观变化及其影响提供参考依据。冰川景观结构复杂多样,形态各异,本文仅从冰川单一结构出发,探究了其演变特征。在今后的研究中还需要根据冰川斑块的大小进行细化,分类分等级讨论不同冰川斑块的结构变化,以便更清晰的认识冰川景观结构的演变过程。

4.2 结论

在RS和GIS技术支持下,以叶尔羌河流域为研究区,运用遥感影像对叶尔羌河流域26年来冰川景观时空变化特征进行了提取与分析,主要得到以下结论：

(1) 1991—2017年,叶尔羌河流域冰川斑块面积共减少799.50 km2(-13.09%)；冰川斑块面积消减主要集中在海拔5400—5800 m之间,相较之下,海拔4400 m以下的区域冰川斑块面积消减率最高,达63.68%；该流域冰川景观主要集中分布在坡度>35°的地形上,陡坡冰川斑块面积消减率最高(15.98%),急陡坡消减率最低(2.87%)；阴阳两坡冰川景观均呈退缩趋势,阳坡冰川斑块面积的消减速率明显高于阴坡,分别为0.51%/a和0.30%/a。

(2) 从景观水平对研究区冰川景观格局变化进行了分析,利用不同指数从不同角度描述了冰川斑块的变化特征。结果表明：1991—2017年叶尔羌河流域冰川斑块减少总数达476个；冰川景观最大斑块指数由1991年的9.33降低至2017年的3.81；冰川景观平均形状指数、平均周长面积比、分裂指数总体均呈现上升趋势,冰川景观因消融形状越发不规则、破碎度增加、厚度变薄。表明26年来,叶尔羌河流域冰川景观呈现不断消减状态,且冰川景观破碎程度显著增加。

(3) 通过质心迁移模型分析了研究区冰川景观的空间迁移变化特征。结果表明：1991—2017年间叶尔羌河流域冰川景观无论在经度还是纬度均发生了迁移,变化轨迹呈“W”字型,整体呈现东北偏移趋势,表明该流域大面积斑块冰川主要分布在东北方向,且冰川景观在不断消减。

(4) 1991—2017年间,冰川景观结构复杂度的微弱降低,冰川结构稳定性的增强,表明该流域冰川景观消减率略微降低,但仍然处于持续消融状态。