基于遥感信息的植被变化对岱海湖面积的影响

刘 凯，孙 丽，张志成，张 鹏，刘金善，张存霞

（1.乌兰察布市农林科学研究所，内蒙古 乌兰察布 012000；2.农业农村部耕地利用遥感重点实验室，北京 100121；3.农业农村部规划设计研究院，北京 100121；4.内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010018）

湖泊不仅是人类的宝贵水资源，也是地球湿地景观的重要组成部分，是全球水文循环不可或缺的一部分[1]。岱海作为内蒙古三大内陆湖之一，是干旱、半干旱地区的重要水源，也是调节区域气候的重要湿地生态系统。近几十年来受气候因素和人为因素的双重影响，包括岱海湖在内，很多地区的内陆湖泊面积显著减少[2]，流域区域的环境恶化加剧。1937—1963年，学者们研究岱海湖情况时，影响因素为气候因素的居多[3-4]。但1986—2017年的研究结果表明，人类社会生产活动是岱海湖面面积变化的主要因素[5-10]，而社会因素中农作物播种面积和人口变化对岱海湖的面积和水位影响较大[11]，主要表现在灌溉用水的增加。湖面重心作为描述湖泊空间特征的重要指标，利用重心转移分析能够直观反映特定时间尺度下，要素的空间变化特征，结合同期植被变化分析，可进一步探索人类生产活动对湖泊面积的影响。以往研究在探索影响岱海湖面面积缩减的气象因素和社会因素方面取得了一定成果，研究结果也为该地区湖泊保护提供了重要参考，并起到了积极作用。但对主要因素（如人类社会生产活动）具体作用的方式和范围研究还少有涉及。本研究在以往大量相关研究的基础上，基于遥感数据，利用重心转移分析、土地类型转移矩阵、相关性分析等方法，以受人类和自然因素影响导致的植被覆盖变化情况为载体，探索了流域内主要土地覆盖类型和不同环湖区域内土地覆盖类型对岱海湖面积变化的影响，以期为岱海保护区范围划定和相关湖泊研究提供借鉴。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

研究对象为内蒙古自治区乌兰察布市凉城县境内的岱海湖，研究区域为岱海湖主要支流形成的流域，地理坐标为北纬40.183 3°～40.800 0°，东经112.266 7°～122.983 3°，流域内栅格总面积约3 411.00 km2。湖周围地形特点呈北陡南缓，北靠蛮汉山，东邻丰镇丘陵，南接马头山丘陵，西侧分布着间歇性入湖河流。湖泊面积东西长约25 km，南北宽约20 km，面积近年来保持在50 km2左右，是国家湿地保护行动中重要湿地之一，同时也是内蒙古自治区重要湿地保护区。

1.2 数据来源

选用1990—2020年的Landsat TM和OLI系列遥感影像作为研究区湖泊面积提取的主要数据源（表1）。所选7期影像数据采集时间均为每年8—9月，以减少季节差异带来的误差。在进行湖泊面积提取分析之前，需要进行投影转换和影像裁剪等预处理工作。

表1 遥感影像数据信息

选用中国科学院空天信息创新研究院发布的全球30 m地表覆盖精细分类产品作为研究区植被类型分析数据源，时间为1990—2020年，时间间隔为5年[12-14]。该数据产品以2020年全球30 m地表精细分类产品（GLC_FCS30）为基准数据，并沿用GLC_FCS30分类体系，为GlobeLand30分类体系细分产品[15]，共包括农田、林地、草原、灌木、湿地、稀疏植被等10个大类，由于林地和稀疏植被细分类别在研究区内分布较为分散，数量较少，无法达到分析要求。因此，在研究过程中参照GlobeLand30体系将其进行了合并处理。

选用ASTER GDEM 30 m空间分辨率DEM高程数据作为流域分析数据源，使用ArcMap进行岱海流域边界提取。

1.3 研究方法

1.3.1 湖面积提取

湖面积的提取采用NDWI和近红外波段模型。该方法已经通过验证，其提取湖面积精确度达到99%以上，可以满足研究所需精度[16]，计算方法为

式中，针对本研究使用的数据，ρgreen为绿色波段，即Landsat OLI第三波段、TM第二波段；ρnir为近红外波段，即Landsat OLI第五波段、TM第四波段。

式中，th1、th2为阈值。在使用大律法和迭代法进行阈值提取时，两种方法计算的阈值相近，但大律法的运算效率低于迭代法，且对于噪声敏感，对图像质量的相对要求较高，本研究使用迭代法进行阈值提取。

1.3.2 重心迁移分析

重心是描述地理要素空间特征的重要指标[17]。通过计算不同时期岱海湖面重心，能够直观地描述湖面的空间迁移情况。重心计算公式[18]为

式中，Xt和Yt分别为第t年水域重心的经纬度；Sti为组成第t年水域中第i个简单图形水域面积；xi和yi分别为第i个简单图形水面经纬度。重心转移方向以0°表示正东方向，并规定逆时针为正，顺时针为负。

1.3.3 土地类型转移矩阵

土地类型转移矩阵是马尔可夫（Markov）模型在土地利用方面的应用。通过模型可描述土地类型面积之间的转化状况。本研究使用马尔可夫模型定量分析原始植被覆盖面积变化及向其他主要类型转移情况。其转移矩阵式[19]为

式中，Pij表示在某个时间段内初期某种土地类型转为末期某种土地类型的面积。

由于本研究使用的地表覆盖精细分类产品为30 m栅格数据，按土地类型转移矩阵分析要求，需要将原数据进行矢量化处理，因而面积统计值在转移矩阵中和原数据直接统计会存在系统误差（20%～30%）。

2 结果与分析

2.1 岱海湖面积年变化特征

由表2可知，1990—2020年岱海湖面积总体呈现缩减趋势。1990年为110.833 0 km2，2020年为48.122 5 km2，减小62.710 5 km2。1995—2000年和2010—2015年两个阶段湖面积缩减最快，缩减面积分别为18.379 9、28.716 2 km2，变化率分别达-17.877 2%、-35.067 1%。而1990—1995年、2000—2005年、2005—2010年、2015—2020年缩减相对平缓，变化率分别为-7.237 0%、-4.020 5%、1.051 1%、-9.498 4%。

表2 岱海湖面积年变化

2.2 岱海湖面积时空变化特征

由表3可知，湖面积重心时空变化特征可以概括为2个时期：第一个时期为2005年以前，为自然转移时期，该时期主要受人类社会生产活动影响，其特征为西南部水域快速缩减，重心快速向东北方向 转 移，包 括1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年3个阶段，重心分别向东北方向偏移了222.54、543.43、197.39 m；第二时期为2005年以后，为工业转移时期，该时期湖南岸岱海电厂建成，影响冬季湖面水分蒸发[20]，使湖南岸水域开始缩减，在工业因素和人类社会生产活动的共同作用下，重心逐步向北偏西方迁移，该时期包括2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年3个阶段，重心分别位移10.71、464.01、123.10 m。

表3 湖面重心点转移情况

2.3 岱海流域内主要土地覆盖类型时空变化特征

将1990—2020年间7期30 m地表覆盖精细分类数据进行流域范围裁剪，并应用ArcMap进行主要类型面积统计。由图1可知，流域内主要土地覆盖类型为旱地、水浇地、草本覆盖、林地、草原、稀疏植被、灌木和建设用地。其中，草原和稀疏植被面积呈下降趋势，1990年分别为2 358.18、412.31 km2，2020年分别2 043.18、255.45 km2，与1990年相比分别减少315.00、156.86 km2。而旱地、草本覆盖、水浇地、林地、灌木和建设用地面积呈上升趋势，1990年分别为22.38、489.69、0、7.89、0、6.27 km2，2020年分别增加了33.86、401.20、1.15、35.42、4.86、20.57 km2。从变化速率来看，主要变化时期为1990—2000年和2010—2020年，与岱海湖面积变化趋势相符。从时空分布来看，植被覆盖变化主要区域为流域西南方向和东北方向。2000年前后国家先后启动“退耕还林还草”生态修复工程，从统计结果看，2000年前草原面积减少速率较快，2000年后相对平缓；林地面积由1995年的10.20 km2增加到2000年的35.58 km2。

图1 1990—2020年流域内土地覆盖类型统计

由表4可知，从近30年土地覆盖类型转移情况来看，1990—2020年，草原和稀疏植被的面积总体减少，草本覆盖、水浇地、旱地、林地、灌木和建设用地的面积增加。2020年，草原保有面积为1 262.46 km2，占流域总面积37.01%，1990—2020年主要转移为草本覆盖364.01 km2、旱地14.12 km2、稀疏植被101.71 km2、林地26.01 km2、建设用地9.33 km2；转入的有草本覆盖98.00 km2、旱地0.72 km2、稀疏植被179.86 km2、林地0.73 km2；转移的面积占流域总面积的15.17%，转入的面积占流域总面积的8.19%，二者相较面积减少6.98%。2020年，稀疏植被保有面积为61.73 km2，占流域总面积的1.81%，1990—2020年主要转移为草本覆盖62.39 km2、旱地3.55 km2、草原179.86 km2；转入的主要有草本覆盖22.35 km2、旱地0.35 km2、草原101.71 km2、林地0.01 km2；转移的面积占流域总面积的7.30%，转入的面积占流域总面积的3.65%，二者相较面积减少3.65%。面积增加的主要有草本覆盖、旱地、林地和建设用地。其中，草本覆盖转出136.00 km2，占流域总面积的3.99%，主要去向为草原（98.00 km2）和稀疏植被（22.35 km2），转入427.65 km2，占流域总面积的12.54%，主要来源为草原（364.01 km2），二者相较面积增加8.55%；林地转出0.80 km2，占流域总面积的0.02%，转入27.68 km2，占流域总面积的0.81%，二者相较面积增加0.79%。按土地类型转移矩阵分析要求，需要将地表覆盖精细分类为30 m栅格数据进行矢量化处理，与图1的统计数据存在系统误差。

表4 1990—2020年流域内土地覆盖类型转移矩阵 单位：km2

2.4 植被覆盖类型对水域面积的影响因素

岱海湖是内陆封闭型湖泊，其水资源主要由天然补给。近年来，受社会人为因素和自然因素影响，岱海湖面积呈逐年下降趋势[21]。为探究流域内植被覆盖时间变化对岱海湖泊面积的影响，将1990—2020年7期流域内主要地表覆盖类型面积与岱海湖面积做Pearson相关性分析（图2）。结果表明，岱海湖面积变化与主要覆盖类型均存在显著相关性。其中，与旱地、草本覆盖、水浇地、林地呈显著负相关，相关系数分别为-0.90、-0.90、-0.93、-0.86；与草原和稀疏植被呈显著正相关，相关系数分别为0.82和0.80。这说明旱地、草本覆盖、水浇地和林地对岱海湖面积缩减影响较大，而在GlobeLand 30 Level 0分类体系中，前三类土地覆盖类型均属于农田范畴。此外，近30年流域内主要土地覆盖类型转移矩阵的分析结果表明（表4），2020年草本覆盖、旱地、水浇地、林地面积主要由草原转化而来，由草原转化的草本覆盖占新增比例达85.12%、旱地为51.28%、水浇地为62.82%。虽然草原转化林地面积占新增林地比为93.97%，但面积与前三种类型总和相比较小，对水域面积影响有限。因此，农田开垦对原始草原植被的破坏是岱海湖面积缩减的主要生产活动因素。

图2 岱海湖面积与土地覆盖相关性

2.5 植被覆盖区域对水域面积的影响

研究植被覆盖时空变化特征对促进区域生态协调发展具有重要意义[22]，在水域研究中也有重要价值。为探索植被覆盖空间变化对湖面积的影响，以1990年湖面积边界为基础，结合湿地保护区规划，在岱海湖面边界和流域边界之间，通过ArcMap软件缓冲区分析，建立8个1 km宽度的环形研究区（图3），将1990—2020年7期30 m地表覆盖精细分类数据按研究区进行主要土地覆盖类型面积提取，并将提取结果与岱海湖面积做Pearson相关性分析（表5）。结果表明，在各研究区中湖面积变化与旱地、草本覆盖、水浇地均呈显著负相关，与草原呈显著正相关，与流域相关性分析结果一致。其中，在0～1 km研究区内与旱地、草本覆盖、水浇地、草原相关性较高，相关系数分别为-0.95、-0.94、-0.96、0.92。林地和稀疏植被在0～1 km研究区与湖面积相关性较低，但林地在其他研究区均呈现较最高负相关，稀疏植被在2～3 km研究区以后呈现出较高的正相关。综上所述，1 km范围内是农田开垦影响岱海湖面积萎缩的主要区域，农业生产活动对原始草原植被的破坏是岱海湖面积萎缩最为突出的影响因素。

图3 流域内缓冲区构建

表5 环湖区土地覆盖面积与岱海湖面积相关性

3 结论与讨论

本研究利用遥感信息，对1990—2020年岱海湖面积年际变化动态和流域内土地覆盖动态开展了相关研究。研究结论如下：

一是1990—2020年岱海湖面积总体呈下降趋势，1990—2005年湖面重心快速向东北方向转移，2005—2020年湖面重心逐步开始向北偏西方向迁移。流域内主要土地覆盖类型为旱地、草本覆盖、水浇地、林地、草原和稀疏植被。其中，草原和稀疏植被面积呈下降趋势，旱地、草本覆盖、水浇地和林地面积呈上升趋势。

二是在流域范围内，旱地、草本覆盖和水浇地面积与岱海湖面积萎缩相关性最高。通过转移矩阵分析，2020年草本覆盖、旱地、水浇地面积的主要由草原转化而来。农田开垦对原始草原植被的破坏是岱海湖面积缩减的主要生产活动因素。

三是岱海湖周边1 km内旱地、草本覆盖、水浇地、草原面积与岱海湖面积年际变化相关性最高，相关系数分别为-0.95、-0.94、-0.96、0.92。环湖1 km的生产活动是影响岱海湖面积萎缩的主要区域。

本研究在前人相关研究基础上，重点针对植被覆盖变化及植被变化区域对岱海湖面积的影响开展了相关研究，结果在一定程度上可为湖泊湿地保护区范围划定提供借鉴。但研究过程中忽略了农业产业结构因素，而不同农作物对水分的消耗有所不同，也是影响湖面积变化的主要因素之一。因此，后续将持续开展农业生产活动范围和农作物结构变化对湖面面积影响的研究。