基于RS和GIS的绕阳河湿地时空演变及其驱动力分析*

孙才志,曾庆雨,刘玉玉

(1.辽宁省自然地理与空间信息科学重点实验室,大连116029;2.辽宁师范大学城市与环境学院,大连116029)

沼泽湿地作为区域生态系统的重要组成部分,具有调节区域气候、净化环境和维持区域水分平衡等多种自然功能。由于沼泽是由水陆相互作用形成,因此其具有半水半陆性质,这也为野生动植物生长、繁衍创造了有利条件[1-2]。另一方面,由于沼泽湿地具有一定的脆弱性,常常受外界环境条件的干扰,其类型发生演替或变异,因此,沼泽既是环境条件的产物,也是环境条件的“反应”和“标志”[3]。我国东北地区沼泽湿地比较丰富,其面积占全国沼泽湿地面积的30%以上;沼泽率(沼泽分布面积占统计区面积百分比)较高,但人类活动对沼泽湿地的破坏十分严重;东北地区沼泽湿地集中分布区有嫩江中下游流域、小兴安岭山地、三江平原以及辽河口三角洲[4]。当前大部分研究集中在以上几个沼泽湿地分布核心区域[5-7],而对于地处辽宁中部平原区的绕阳河沼泽湿地的研究则非常少。绕阳河沼泽湿地是国内少有的内陆大型河流沼泽湿地,该湿地主要以芦苇为主,芦苇湿地和其它湿地生态系统一样,在蓄水调控、补充地下水、维持区域水平衡、调节气候、净化环境和保护生物多样性等方面均具有重要意义[8-10]。由于近些年来自然和人为因素的双重作用,这块上千年形成的环境资源宝库已消失殆尽。鉴于此,本文借助 RS和GIS技术,对1975-2007年绕阳河沼泽湿地的时空演变及其驱动力因素进行了初步探讨,试图揭示20世纪70年代以来该区沼泽湿地与自然和人类社会经济活动之间的关系,从而为该地区沼泽湿地的保护及恢复提供理论依据[11]。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

绕阳河发源于阜新县扎兰营子乡查哈尔山北坡少等皋,海拔592.1 m,流经阜新、彰武、新民、黑山、辽中等县,汇入辽河下游双台子河,全长290 km,流域面积10 438 km2。在流域内部以东沙河为西部边界,将其东部地区作为研究区,其地理位置为121°41′51″-122°45′03″E,41°19′49″-42°41′16″N,总面积约为5 506 km2,该区域的东南部即绕阳河中下游-黑山、辽中和新民三县(市)交界地带便是绕阳河沼泽湿地。

绕阳河沼泽湿地是地球第二、三次造山运动形成的塌陷区,是绕阳河河道淤塞、河流漫溢形成的,已有上千年历史。该区气候属于半干旱季风气候区,年平均降水量为500～600 mm,多年平均径流量为6 650万m3,年平均气温5～10℃,全年日照时数2 270～2 990 h,平均无霜期在 124～215 d。该区内共有脊椎动物多达289种,国家一级保护野生动物有丹顶鹤、白鹤等5种;二级野生动物有灰鹤、白枕鹤等27种。由于近些年来农田开垦及水利工程的兴建使得这片内陆河流湿地萎缩干涸,原貌尽失,退化为地表裸露、苇草稀少、沙尘飞扬、鸟禽四散的一片荒野。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及处理平台 收集了1975年、1988年、1996-2007年绕阳河流域丰水期(7-10月)的遥感卫星图片(包括 TM、ETM+、CBERS)、辽宁省水资源分区与行政分区图、辽宁省土地利用现状图、辽宁省土地类型图、辽宁省水系图、辽宁省土壤图、辽宁省植被图等基础资料。数据处理平台包括 Map Info 7.0、A rcView 3.3 、Erdas 9.2 。

表1 研究区湿地分类系统

1.2.2 数据处理 分别对各时相遥感资料进行几何校正,采用3次多项式函数进行坐标变换,经检验配准误差控制在0.5个象元之内,采取最邻近法进行重采样。根据各类型遥感数据的波段统计特征及假彩色合成效果,对各时相遥感资料进行假彩色合成,并进行空间增强、辐射增强等处理,使图像达到最好效果。在Erdas 9.2处理平台上,确立解译标志和解译精度,通过人工交互式对遥感影像进行目视解译。结合《全国湿地资源调查与检测技术规程》规定的湿地分类方法,参考辽宁省土地利用现状图等基础资料,制定了分级分层结构的湿地分类系统[12](表1)。最后在GIS环境中对解译结果进行裁剪、合并等修改,得到1975-2007年绕阳河湿地空间分布图(图1)。利用GIS软件的空间分析功能,对不同时期沼泽数据进行计算,获得相应的空间数据信息,从而对绕阳河沼泽湿地32 a来的时空演变情况进行分析。

图1 不同时期绕阳河湿地分布

1.2.3 湿地类型转移矩阵 土地利用类型转移是指人们在利用土地资源的过程中,由于土地位置的空间稳定性,将一种用途改变为另一种或几种用途,或是将几种用途合并为一种用途,从而导致土地利用结构发生变化的现象[13]。借鉴该原理,建立绕阳河湿地类型转移矩阵,为了更好地描述湿地类型的变化剧烈程度,建立湿地类型转移概率矩阵[14]如式(1)。

式中:Dij——研究时间段内第i类湿地类型转化为第j类湿地类型的转移概率;Si——起始年第t类湿地类型总面积;dSij——研究时间段内第i类湿地类型转化为第j类湿地类型的面积总和;n——研究区发生湿地类型变化的数量。

1.2.4 湿地重心迁移模型 为定量地描述沼泽湿地的空间变化情况,将土地利用重心模型进入其中。通过计算不同时期各湿地类型的重心坐标,能够在一定程度上反映出沼泽湿地在空间上的演变情况及其影响因子。具体做法:分别求出湿地各年湿地分布图中各湿地斑块的几何中心坐标,然后乘以各湿地斑块的面积,最后把乘积累加后除以同期全区湿地的总面积。第t年某湿地类型分布重心坐标(经纬度)计算公式可以表示为[15]:

式中:X t、Yt——第 t年某湿地类型分布重心的经度、纬度;Cti——第 t年第i块矢量图的图斑面积(km2);Xi、Yi——第 i块矢量图斑几何中心的经度、纬度坐标。

表2 各湿地类型面积百分比 %

2 结果与分析

2.1 湿地类型总体变化特征

根据4个时期的遥感解译数据,计算出各湿地类型面积占研究区总面积百分比的变化情况(见表2)。可见,沼泽湿地、河流面积占总面积百分比呈减少趋势,水稻田、建设用地、裸地面积占总面积百分比逐渐增大,林地、旱地作物、水库坑塘面积变化趋势不明显。

2.2 湿地类型时间演化特征

利用GIS软件对湿地分布图进行空间分析,得到3个时间段湿地类型转移矩阵,并计算得到转移概率(见表3)。湿地类型转化趋势为:沼泽面积减少且大部分转化为水稻田和裸地面积,其中转化为裸地面积的转移概率逐渐增大,说明沼泽湿地已经受到严重的人类开垦和破坏,沼泽湿地退化程度剧烈;水稻田和裸地面积增加且主要由沼泽面积转化而来;河流面积主要转化为旱地作物面积并有少量转化为建设用地面积,说明人类农业及开发建设活动对河流面积减少起主导作用;林地、水库坑塘、旱地作物面积与沼泽湿地面积之间没有转化过程且自身变化规律不明显,在本文中不做具体分析。综上所述,沼泽湿地和水稻田之间的动态变化是沼泽湿地面积变化的直接因素。

图2 绕阳河沼泽湿地重心迁移图谱

2.3 湿地类型空间演化特征

在Map Info支持下获得各年绕阳河沼泽湿地各斑块几何中心坐标,并利用公式⑵、⑶计算得到重心坐标。本文把4期沼泽湿地重心坐标数据合成重心演替过程图谱[16](见图2),并计算出3个研究时间段内沼泽湿地重心迁移方向及距离等数据(见表4)以探讨其重心迁移过程及驱动因素。

表3 湿地类型转移矩阵(km2)及转移概率矩阵(%)

表4 1975-2007年间绕阳河沼泽湿地重心变化

由图2、表4得出在32 a间各时间段的沼泽湿地重心迁移情况:在1975-1988年沼泽湿地重心向NE迁移1.58 km,其中向E迁移速度大于向N迁移速度,表明在这个时间段内在SW方向上的沼泽湿地发生了退化,并且在W方向上的退化现象比较严重;在1988-1996年、1996-2007年这两个时段内,沼泽湿地均向SW方向迁移,整体上重心向S迁移速度大于向W迁移速度,表明在N方向上的沼泽湿地发生了较为严重的退化;从各时间段的重心迁移速度来看,在1996-2007年沼泽湿地重心迁移速度最大,说明在该时间段内沼泽湿地的受干扰程度最大;从沼泽湿地重心到河流垂直距离来看,由1975年的约2.42 km缩短到2007年的约0.63 km,沼泽湿地重心向河流河岸方向靠近了1.79 km。总体来讲,32 a间,沼泽湿地重心向SW方向迁移了2.36 km且与绕阳河河岸距离逐渐缩短,沼泽湿地重心向S方向迁移的速度大于向W方向的速度,表明绕阳河沼泽湿地的北部地区破坏严重。

3 沼泽湿地时空演变驱动力分析

通过以上对沼泽湿地的时空演变分析可知:自1975年以来,绕阳河沼泽湿地面积占研究区总面积的百分比由1.908%下降到0.068%且沼泽北部地区退化现象更为严重。由于对湿地系统造成伤害的外界因素可以分为自然因素和人为因素[17],因此,本文从自然和人为两方面考虑,对绕阳河沼泽湿地时空演变的驱动力因子进行了定量的分析。

3.1 自然因素

自然因素主要是指全球和区域气候变化所造成的影响,但其只为湿地退化提供了一个基本背景,而关键气象要素在中小尺度上时空分配状态的变化和局地气候特征的改变则可能是湿地退化更直接的原因和动力[17]。鉴于本文研究时间尺度为30 a,因此选择气候和水文两方面的因子作为自然因素对沼泽湿地退化的驱动力因子。

3.1.1 气候因子 选取年平均气温、年降水量作为气候方面的驱动因子。分析32 a间气候因子的变化趋势可知:气温整体呈上升趋势但幅度不大、降水量时高时低不具有明显的变化趋势。通过将绕阳河沼泽湿地与气候因子做回归分析,得到沼泽湿地面积变化与气温呈负相关,与降水量呈正相关,但它们的相关系数较小且线性趋势不显著,表明在自然状态下,温度升高和降水减少都会使湿地面积退缩,但它们对沼泽湿地退化的影响不明显,是非主要驱动因子。

3.1.2 水文因子 由于水文因子是沼泽形成和发育的先决条件,水量、水质、水文状况、水源补给持续程度和水分状况的稳定程度都是制约沼泽形成和发育的因素,因此,与气候因子相比,水文因子对沼泽湿地形成和发育的作用更为直接[5]。本文选取河流面积、地下水埋深作为水文方面的驱动因子。根据新民县大民屯公社大民屯水文站的观测资料,绘制地下水埋深变化曲线图(见图3),可以看出,地下水埋深整体呈增大趋势。通过将地下水埋深数据与沼泽湿地面积进行回归分析得到其相关系数为负值,表明地下水埋深的加深会导致沼泽湿地面积减少。这主要是由于浅层地下水在水量互为补充、相互渗透方面与沼泽湿地水文是相互作用的,地下水埋深的加深导致地下水对沼泽湿地水量补充不足,从而使沼泽湿地退化。将研究区内平均地下水埋深与沼泽湿地面积进行回归分析得到相关系数为-0.907,说明地下水资源的不合理开采是湿地退化的主要原因。

图3 1975-2007年地下水埋深变化

图4 1975-2007年沼泽湿地面积与河流面积变化

根据遥感解译数据,绘制河流面积与沼泽湿地面积变化曲线图(见图4)。可以看出,河流面积与沼泽湿地面积变化趋势比较接近,通过对二者进行回归分析,其相关系数达到0.957,且R2为0.916,表明河流面积与沼泽湿地面积呈显著的正相关关系。分析原因是河流面积减少主要缘于绕阳河上游地区河流的急速退化(见图1),上游水量减少直接导致下游来水量不足,从而造成沼泽湿地的水源得不到补给,再加上在强烈的蒸发条件下,使得沼泽湿地水位降低,引起湿地萎缩,只有零星分布在地势低洼且积水较多的地方。结合研究区地势为西北向东南逐渐降低,因此,在32 a间绕阳河沼泽湿地重心向西南即逐渐靠近河流河岸的方向迁移(见表4)。

综上所述,地下水埋深的加深和河流面积减少都会导致沼泽湿地退化,虽然将以上两个指标作为自然因素方面的驱动因子,但在经济高速发展时代,它们受人类的社会经济活动影响较大,因此,在一定程度上,河流面积与地下水埋深也可以反应人类活动对于沼泽湿地退化的影响。

3.2 人为因素

随着人类社会发展到一定的进程,造成资源长期过度消耗,巨大的人口压力导致沉重的经济压力,进而导致巨大的生态压力。人类活动对沼泽的影响越来越深刻。从整体上看,这种影响是以开垦、破坏、污染等为主。本文从农业、人口、经济3个方面探讨了绕阳河沼泽湿地时空演变的人为驱动因子。

3.2.1 农业因子 近些年来,湿地区域耕地的存在及耕地不断对湿地进行蚕食是湿地面临的最大威胁[18]。将水稻田面积与沼泽湿地面积进行回归分析得到相关系数为-0.933,说明在本研究区水稻田的存在对沼泽湿地退化起了非常重要的作用。

水稻田从时空两方面影响了沼泽湿地退化:从时间上,32 a间,沼泽湿地面积所占百分比由1.908%减少到0.068%,而水稻田面积百分比则由0.375%增加到1.530%(见表2),从表3的转移矩阵也可以看出沼泽湿地除自身干涸之外主要转化为水稻田;从空间上,1975-1988年,沼泽湿地重心向东北方向迁移(见表4),主要由于在此期间沼泽湿地的西部、南部地区耕种了水稻田,此后至2007年,沼泽湿地重心向西南方向迁移(见表4),观察图1可以发现在这个时间段内,水稻田从东北逐步向西南地区扩张。

水稻田的时空变化之所以会导致沼泽湿地的时空演变,分析原因主要是:水稻田的耕种侵占了大量沼泽生长区,同时由于水稻田穿插在沼泽湿地之中,破坏了沼泽湿地的连通性,使整块的沼泽湿地被分割成若干个小斑块,再加上河流补给水量的减少及蒸发强度的增大,导致小斑块逐步退化为裸地。1996-2007年,沼泽湿地向南迁移速度较快的原因主要是由于在此期间水稻田向南部的侵占速度较快,而且在该时段内,沼泽转化为裸地的转移概率为69.66%,是3个时段中的最大值(见表3),由图1可以看出裸地主要分布在沼泽湿地的北部地区,因此,沼泽湿地北部地区的严重干涸退化是该时段内沼泽湿地重心快速地向南迁移的主要原因。综上所述,水稻田的时空变化是绕阳河沼泽湿地时空演变的最直接驱动因子。

3.2.2 人口因子 水稻田面积的增加归根结底是由于人口增加,统计黑山、新民、辽中三个县32 a间的年末总人口数据,得到如下结果:1975-2007年,三县年末总人口由157.94万人增加到181.60万人。其中,在1988-1996年人口数增长速度最快,而在此期间,沼泽湿地转化为水稻田的转移概率也最大(见表3)。随着人口的增长,一方面要增加粮食生产,除了提高单位面积产量外,还要求扩大耕地(水稻田),导致农民不断开垦沼泽[19]。同时由于人口增长而带来了大量生活污水,导致湿地水资源污染,这也加快了沼泽湿地的退化速度。将人口数据与沼泽湿地和水稻田面积进行相关分析,沼泽湿地面积与人口的相关系数达到-0.956,水稻田面积与人口的相关系数达到0.960,因此可以说,水稻田直接影响沼泽湿地的时空演变,而人口是该地区沼泽湿地时空演变的最根本驱动因子。

采用非农业人口占总人口比重代表城市化水平,统计黑山、新民、辽中三县平均城市化水平由1975年的0.11增加到2007年的0.19。随着城市化水平提高,城市的建设逐渐侵占农用地和河流用地,随之而来人们对于河流水源的消耗也越来越大,导致绕阳河上游部分河流断流,上游水量不足使绕阳河中下游沼泽湿地的补水量不足,从而也加速了该区沼泽湿地的退化。

3.2.3 经济因子 在市场经济条件下,开垦沼泽湿地为水稻田不单纯是为了满足人类生产生活所需,而是受经济利益驱动。过度垦殖导致沼泽生态环境的极度恶化,水土流失严重,进而导致湿地生态功能的丧失,逐步干涸退化。同时,在经济利益的追逐下,人们为扩大生产,在绕阳河140 km中下游干流的两侧修筑了221.5 km的堤防束水,把绕阳河变为渠道化的河流,使绕阳河丧失了其大片沼泽湿地的肢体,失去了健康生命。致使夏季的洪水水多也无法补给生态环境,而是入海为安,从而加速了沼泽湿地萎缩干涸的进程。

统计32 a间三县平均GDP值,由1975年的9.59×108元上升到 2007年的2.56×1011元,增长了近26倍。将GDP值与沼泽湿地面积做相关分析,得到相关系数为-0.876,说明经济发展水平与沼泽湿地面积呈负相关关系,是沼泽湿地退化的主要驱动因子。

4 结 论

20世纪70年代以来,由于人类的垦殖和对水资源的不合理利用,改变了绕阳河流域湿地原有景观面貌和分布格局。应用G IS、RS技术对该地区湿地32 a来的时空演变进行分析并从自然和人为两方面探讨了沼泽湿地退化的驱动力因素,结论如下:

(1)32 a年间,绕阳河沼泽湿地面积呈显著下降趋势,其主要转出类型为水稻田和裸地,其中转化为裸地的转移概率逐渐增大,沼泽湿地自身退化现象严重;沼泽湿地重心在1988年以前向东北方向迁移,之后持续向西南方向迁移,32 a间累计向西南方向迁移2.36 km,距河流垂直距离缩短了1.79 km。

(2)通过对影响绕阳河沼泽湿地退化的驱动因子分析可知:绕阳河沼泽湿地的变化受到自然和人为因素的共同影响,其中,水稻田的时空变化是沼泽湿地时空演变直接驱动因子,人口是其根本的驱动因子,经济发展水平也与沼泽湿地面积呈负相关关系,是其退化的主要驱动因子。因此可以说,人类活动是导致该区沼泽湿地退化的最主要驱动力。

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