3月22日，中科院南京地理與湖泊研究所宋春橋研究員課題組在Nature Communications期刊在線發(fā)表題為 “Satellites reveal hotspots of global river extent change” 的研究論文，報(bào)道了利用長(zhǎng)時(shí)序衛(wèi)星遙感、全球湖庫數(shù)據(jù)集以及多源氣象資料揭示全球河流水域年代際變化類型、熱點(diǎn)區(qū)域及其主要驅(qū)動(dòng)因素(氣候變化/人類活動(dòng)影響) 的研究成果。

河流是地球表面最活躍的生態(tài)系統(tǒng)和水循環(huán)組成部分之一，對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)和區(qū)域氣候的穩(wěn)定有著重要意義。在全球變化(全球變暖、冰川凍土融化、洪澇災(zāi)害) 和人類活動(dòng)(水庫修建、水產(chǎn)養(yǎng)殖等) 對(duì)水文系統(tǒng)干擾增強(qiáng)的背景下，河流水文情勢(shì)發(fā)生了大規(guī)模顯著改變。如何從全球尺度監(jiān)測(cè)河流的這種變化信號(hào)并理解其背后的驅(qū)動(dòng)因素極具挑戰(zhàn)性。

該研究基于最新的SWOT衛(wèi)星河流數(shù)據(jù)庫(SWORD)以及全球地表水體頻率數(shù)據(jù)集(Global Surface Water, GSW)，全面調(diào)查了全球范圍內(nèi)總長(zhǎng)度為2,097,799 km、總面積達(dá)769,390 km2的河道水域在 21世紀(jì)初期(2000-2018)相對(duì)于1984-1999的變化情況。研究匯編了2000年以來全球新建水庫數(shù)據(jù)集，并通過建立海量人工解譯樣本和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，首次區(qū)分出全球河流水域變化的三種類型：建壩驅(qū)動(dòng)型河流擴(kuò)張 (Type-R) ，河道形態(tài)演變型 (Type-M) ，以及干濕水文信號(hào)主導(dǎo)類型((Type-H) (圖1) 。圍繞水文信號(hào)主導(dǎo)類型，研究報(bào)道了全球河流水域擴(kuò)張/萎縮的空間格局和熱點(diǎn)區(qū)域，并結(jié)合長(zhǎng)時(shí)序氣象資料、夜晚燈光數(shù)據(jù)、發(fā)表文獻(xiàn)等分析了河流水域變化的主要影響因素。

結(jié)果表明，全球約有五分之一的河流發(fā)生了顯著的河道地貌形態(tài)演變(如河道遷移、辮狀水系擺動(dòng)等)(Type-M)。其中約有25%的此種類型演變發(fā)生在亞洲高山區(qū)周圍(雅魯藏布江、印度河、恒河、伊洛瓦底江、阿姆河)和南美洲的亞馬遜河中上游，這些流域內(nèi)河道演變比例高達(dá)40-80%。此類河流形態(tài)變化發(fā)生在特定水文和地質(zhì)環(huán)境條件，如彎曲、多支流河道，并與地質(zhì)活動(dòng)、徑流強(qiáng)度、坡降、河岸侵蝕強(qiáng)度和沉積率有關(guān)，反映了河道的不穩(wěn)定性特征。除河流自身特征外，氣候變化與人類活動(dòng)可能導(dǎo)致了河流不穩(wěn)定性的增強(qiáng)，例如在雅魯藏布江、恒河、印度河等流域，冰川積雪融水導(dǎo)致的季節(jié)性徑流的改變和調(diào)水蓄水等工程影響，河道不穩(wěn)定性非常突出。水庫修建導(dǎo)致的河流水域面積擴(kuò)張(Type-R)尤為顯著：在六級(jí)流域尺度，新修水庫導(dǎo)致河流水域范圍整體增加了30.5%，最為明顯的發(fā)生在亞洲、南美以及非洲中西部的發(fā)展中國家和地區(qū)，其中巴西、中國和印度是新建水庫影響河流水域面積最大的三個(gè)國家，分別貢獻(xiàn)了21.7%，18.5%和10.5%。與其它類型(Type-H)的河流水域擴(kuò)張信號(hào)強(qiáng)度來看，大壩修建的河流水域擴(kuò)張效應(yīng)不可忽視，其增加的河流水域范圍占全球河流水域擴(kuò)張的31.9%。

圖1 全球不同河流水域變化類型分布(Type-M：河道形態(tài)演變型； Type-H：干濕水文信號(hào)主導(dǎo)型；Type-R：建壩驅(qū)動(dòng)型河流擴(kuò)張). (a)不同河流變化類型的全球分布狀況. (b)全球六大洲不同類型河流變化的面積統(tǒng)計(jì). (c)全球25個(gè)主要流域內(nèi)不同變化類型統(tǒng)計(jì). (d-f)三種變化類型的水體頻率變化(OCI, Occurrence change intensity)模式示例。紅色、綠色、藍(lán)色線畫分別表示Type-M、Type-H、Type-R類型的最大河流水域統(tǒng)計(jì)范圍。

除去河道演變型變化和建壩驅(qū)動(dòng)型河流擴(kuò)張，研究重點(diǎn)分析了以水文信號(hào)主導(dǎo)的河流水域范圍變化(Type-H)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)（如圖2）：在全球尺度，河流水域顯著(中度)增加的面積百分比達(dá)到9.0%(8.6%)，高于顯著(中度)減小的4.8%(7.4%)。通過量化各流域單元河流面積凈變化幅度，本研究揭示了全球增加和減少幅度最顯著的八個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)(表示為正和負(fù)熱點(diǎn)區(qū))的變化特征及與主要?dú)夂蛞?降水、溫度及蒸散發(fā))的關(guān)系。正熱點(diǎn)地區(qū)均位于亞洲，包括西伯利亞東部、青藏高原、西伯利亞中北部和亞洲中東部，主要因?yàn)楦呔暬蚋吆０蔚貐^(qū)對(duì)氣候變化更為敏感的響應(yīng)；而負(fù)熱點(diǎn)分布在北美洲中部大平原、南美洲中東部、西伯利亞西部和印度北部，主要由干旱或半干旱氣候主導(dǎo)。研究還探討了我國黃河流域21世紀(jì)以來河流水域面積相對(duì)擴(kuò)張的原因，可能與21世紀(jì)以來黃河水量統(tǒng)一調(diào)度和系列節(jié)水措施使得黃河水流恢復(fù)有關(guān)。

相對(duì)于河流水域擴(kuò)縮比例，全球一半以上(70.2%)的河流相對(duì)穩(wěn)定，比例最高分布在北美洲(82.1%)，其次為歐洲(79.5%)和南美洲(70.5%)。歐洲西北部(如芬蘭、瑞典) 和北美洲(如加拿大、美國) 等發(fā)達(dá)地區(qū)的河道比亞洲(如緬甸、中國) 和南美(如玻利維亞、秘魯) 等發(fā)展中地區(qū)相對(duì)更穩(wěn)定，其穩(wěn)定性與夜間光照強(qiáng)度之間有一定相關(guān)性，間接反映其可能與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān)：一方面，居住集聚地一般遠(yuǎn)離河道高度變化區(qū)(如河源、洪泛區(qū)等) ；另一方面，發(fā)達(dá)地區(qū)較早發(fā)展的河道堤防工程，穩(wěn)固了河流水域范圍。

圖2 全球河流干濕水文信號(hào)特征.圖上為2000-2018年相對(duì)于1984-1999的河流水域變化特征(PI-PD-PGS：河流水域增加-減少-相對(duì)穩(wěn)定的比例)，圖下為水域擴(kuò)張和萎縮的主要熱點(diǎn)區(qū)域。

總體而言，本研究基于長(zhǎng)時(shí)序衛(wèi)星觀測(cè)揭示了21世紀(jì)初全球河流水域范圍的變化特征及主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，可以為聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展議程中未來河流優(yōu)先保護(hù)和修復(fù)方案的制訂提供了科學(xué)依據(jù)，研究也呼吁采取國際行動(dòng)來加強(qiáng)河流水域生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

中科院南京地理與湖泊研究所宋春橋研究員為該論文通訊作者，研究生吳倩浛與河海大學(xué)柯靈紅副教授為論文并列第一作者。合作作者包括堪薩斯州立大學(xué)的Jida Wang教授，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校Tamlin M. Pavelsky教授，弗吉尼亞理工學(xué)院George H. Allen教授，加州大學(xué)洛杉磯分校Yongwei Sheng教授，香港大學(xué)Jin Wu教授，中科院地理科學(xué)與資源研究所諸云強(qiáng)研究員，河海大學(xué)雍斌教授，南京大學(xué)張聞松，以及中科院南京地理與湖泊所的段學(xué)軍研究員、王磊研究員、劉凱副研究員、陳探助理研究員及博士生范晨雨。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)A計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目和研究所自主部署項(xiàng)目等的資助。

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37061-3