松嫩流域湿地景观动态变化
2015-01-20武慧智姜琦刚李远华
武慧智，姜琦刚，李远华，崔 剑，冯 涛
1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2.河南省地质调查院，郑州 450001
松嫩流域湿地景观动态变化
武慧智1,2，姜琦刚1，李远华1，崔 剑2，冯 涛2
1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2.河南省地质调查院，郑州 450001
以1975、2000、2007年遥感影像为数据源，应用RS与GIS技术，运用动态度模型景观梯度和景观格局指数，对松嫩流域湿地景观信息进行动态分析。结果表明：松嫩流域湿地总面积从25 574.94 km2(1975年)减少到18 152.58 km2(2000年)后增加到25 761.01 km2(2007年)，动态度由-1.21%增加到了5.99%。天然湿地景观梯度(DI)总体呈收缩的趋势，人工湿地反之，梯度最高值由37持续增加到了69，50 动态度模型;景观格局指数;景观梯度;湿地 湿地与森林、海洋并称为全球三大生态系统，具有独特的水文、土壤、植被和生物特性，被誉为“地球之肾”[1]。松嫩流域发育大量的湿地，但随着人们的非理性开垦，湿地资源遭到不同程度的破坏，其应用的功能正逐渐减退，生态系统遭到了破坏[2]。近年来，景观生态学在湿地研究中得到了广泛的应用，强调了湿地的空间异质性、生态学过程及尺度三者之间的关系，推进了湿地景观格局变化研究的深入性和精确性[3]。笔者以1975——2007年遥感影像为数据源，应用RS与GIS技术[4]，研究松嫩流域湿地变化的时空分布特征及湿地的景观格局变化，为研究及保护松嫩湿地提供理论依据。 松嫩流域位于东北三省和内蒙古自治区东北部，是国家最为重要的商品粮基地，主要包括松花江和嫩江两大流域，流域内广泛发育着河漫滩地形或地貌，形成了面积广袤的沼泽地景观，在松嫩平原上共分布有9个国家级的重要湿地[5-8]。松嫩流域属温带大陆性半湿润、半干旱季风气候，四季气候变化明显，雨热同季。冬季严寒干燥，夏季温暖多雨；全年降水量多为400～600 mm，自东向西逐渐减少[9]。 2.1 数据源及湿地信息提取 以收集到的20世纪70年代地形图数据为基准，对研究区内的MSS(multi spectral scanner)数据、ETM(enhanced thematic mapper)数据、CBERS(China-Brazil earth resources satellite)数据进行遥感数据预处理，获得研究区几何镶嵌数据，采用人机交互解译的方式提取湿地面积信息。按“湿地公约”，将研究区分为天然湿地和人工湿地两大类：天然湿地包括草本沼泽、泛洪平原湿地、季节性淡水湖、永久性淡水湖、季节性河流、永久性河流、沼泽化草甸；人工湿地包括库塘、人工养殖种植[10]。 2.2 动态度 引入湿地动态度概念，探讨湿地面积的年动态变化值[11-12]： 式中：Sa、Sb分别为研究期初和研究期末的湿地面积(km2)；t为两期监测数据的相隔时间(a)。n>0表示监测时间内湿地面积增加；n<0表示监测时间内湿地面积减少。n的绝对值越大表示面积变化的程度越大。 2.3 景观梯度 景观梯度(DI)指单位面积内某一景观类型的面积占有率，能有效地反映景观的空间特征及变化趋势[13]。笔者应用ARCGIS的分析功能，以20 km×20 km为单位网格计算景观梯度，生成景观梯度分布图，研究分析湿地变化的时空变化特征。公式参见文献[14-15]。 2.4 景观指数 景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息、反映其结构组成和空间配置某些方面特征的定量指标。选取景观格局分析中常用的指数来分析松嫩平原湿地景观格局的变化[16-20]：斑块数，在类型级别上等于景观中某一拼块类型的拼块总数，在景观级别上等于景观中所有的拼块总数；斑块密度，每平方千米某一景观类型的斑块数，密度值越大，景观破碎化程度越严重，空间异质性程度也越高；形状指数，反映斑块边缘的复杂程度和规则程度；面积加权的平均斑块分形指数，运用了分维理论来测量拼块和景观的空间形状复杂性；香农多样性指数，对景观中各拼块类型非均衡分布状况较为敏感，强调稀有拼块类型对信息的贡献；香农均匀性指数，是比较不同景观或同一景观不同时期多样性变化的一个有力手段；聚集度指数，描述景观里不同拼块类型的团聚程度或延展趋势。 3.1 景观面积变化 1975―2007年，研究区内湿地面积先减小后增加，动态度由-1.21%增加为5.99%。其中:天然湿地的面积先减少后增加，动态度由-1.80%增加为5.30%；人工湿地面积持续增加，动态度由7.74%增加为8.09%(表1)。1975——2000年，草本沼泽、泛洪平原湿地、季节性河流、沼泽化草甸面积大量减少，季节性淡水湖、永久性淡水湖、永久性河流面积少量增加，天然湿地面积共减少了10 343.23 km2，库塘、人工养殖种植地共增加了2 920.87 km2，研究区湿地总面积共减少了7 422.36 km2；2000——2007年，除季节性河流面积少量减少外，其他类型湿地面积均增加，天然湿地面积共增加了5 064.09 km2，人工湿地面积共增加了2 544.34 km2，湿地总面积共增加了7 608.43 km2。 湿地面积的变化受自然因素与人为因素的影响，其中人为因素主要为湿地的过度开垦及大量水利工程的兴建。1975——2000年，研究区内展开了大规模的开荒活动，将大量的天然湿地开垦为人工湿地；同时进行了大量的河道治理，以排水渠为主的水利工程建设扰乱了流域的自然格局，导致大量的天然湿地萎缩，功能退化。2001年我国开展了对已经开垦挤占的湿地进行退田还泡、退田还沼等工作，嫩江流域大量的人工湿地重新转换为了天然湿地；同时对湿地进行了合理的规划，建立了自然保护区，使天然湿地得到了恢复。 3.2 湿地景观空间分异 将研究区划分为天然湿地和人工湿地两大类进行景观梯度的计算，保证同类湿地不同时期景观梯度分级标准一致，研究天然湿地(图1)和人工湿地(图2)1975——2007年的空间分异特征。 1975——2007年，天然湿地景观梯度分布由东北部和东西两侧向中部收缩，总体呈收缩的趋势。1975年：DI>80的分布区有1处，位于嫩江县东北部；60 1975——2007年，人工湿地景观梯度持续扩张，最高值持续增加，由1975年的37增加到2000年的59，再增加到2007年的69。2007年，50 表1 3期数据湿地面积统计 图1 1975——2007年天然湿地景观梯度分布Fig.1 Distribution map of nature wetland landscape gradient from 1975 to 2007 图2 1975——2007年人工湿地景观梯度分布Fig.2 Distribution map of artificial wetland landscape gradient from 1975 to 2007 类型斑块数1975年2000年2007年斑块密度1975年2000年2007年草本沼泽10746029790.04210.03320.0381永久性河流5878118330.02300.04480.0324季节性河流369161980.01440.00890.0038永久性淡水湖5384554840.02110.02510.0188泛洪平原湿地2891851720.01130.01020.0067库塘601341660.00230.00740.0065人工养殖种植地513552630.00200.01960.0102季节性淡水湖3004805810.01170.02650.0226沼泽化草甸4793414740.01880.01880.0184类型形状指数1975年2000年2007年面积加权的平均斑块分形指数1975年2000年2007年草本沼泽40.655426.987837.22831.02191.01411.0194永久性河流27.230832.679532.71791.01311.01401.0126季节性河流21.963615.636411.55171.01381.01951.0146永久性淡水湖24.528121.129022.68001.01481.01331.0157泛洪平原湿地25.561420.516923.07041.03721.03121.0403库塘9.695713.096215.18421.02911.02011.0246人工养殖种植地10.169221.274219.99331.04461.02461.0312季节性淡水湖18.764722.206924.77141.01201.00611.0090沼泽化草甸24.251922.107425.18941.02221.02061.0239 3.3 湿地景观指数变化 1975——2007年，草本沼泽、永久性河流的斑块密度值在0.03左右，略大于其他景观的密度值，景观破碎程度与空间异质性程度较大；形状指数方面，永久性河流由27.230 8持续增加到了32.717 9、季节性淡水湖由18.764 7持续增加到24.771 4，库塘由9.695 7持续增加到了15.184 2，其斑块形状越来越复杂；泛洪平原湿地、库塘、人工养殖种植地的面积加权的平均斑块分形指数在1.03左右，稍大于其他景观，相对于其他景观形状略复杂，具有稍高的不规则程度(表2)。 1975——2000年：香农多样性指数从1.760 2增加到了1.998 6，表明景观多样性显著增加，斑块破碎程度明显加剧；香农均匀性指数从0.801 1增加到0.909 6，表明湿地景观在空间配置上趋于均匀。2000——2007年：香农多样性指数仅减小了0.024 8，表明景观多样性相对稳定，斑块破碎程度基本无变化；香农均匀性指数减小了0.011 3，表明湿地景观在空间配置上的均匀程度基本无变化，相对稳定。近32年，景观多样性总体呈增加的趋势，斑块破碎化程度总体呈加剧的趋势。聚集度指数在1975——2000年降低了8.656 5，湿地景观连接程度减少，破碎化程度大幅升高；在2000——2007年增长了0.651 4，湿地景观破碎化程度少量降低，但远不能抵消前期的加剧程度(表3)。 表3 景观水平的变化 自然因素 松嫩流域的湿地面积变化除与东亚夏季风有关外，还与中高纬度的西风带天气系统及西太平洋副热带高压密切相关[6]。松嫩流域近50年来年降水量虽略有减少的变化，但变化幅度很小；而年平均温度有明显的升高变化[21-22]，是天然湿地变化的诱因。 人为因素 影响松嫩流域湿地的人为因素主要有火、农业活动、工程、石油开采等扰动因子。松嫩流域人为围垦现象十分严重，扎龙自然保护区10.8%的面积已被农田占据；湿地放牧普遍存在，很多湿地区都出现了过牧现象；湿地植被覆盖率降低，扩大了地表蒸发，加剧了干旱化、盐渍化和风沙化程度；湿地上干渠密布、油田井架林立、道路纵横，加强了景观的破碎化，使景观出现孤岛化现象[23]。 1)1975——2007年，研究区内湿地总面积先减小后增加，但人工湿地面积持续增加。天然湿地面积先减小了10 343.23 km2(1975——2000年)后增加了5 064.09 km2(2000——2007年)，动态度由-1.80%增为5.30%；人工湿地面积持续增加了5 465.21 km2，动态度由7.44%增为8.09%。 2)1975——2007年，天然湿地景观梯度分布由东北部和东西两侧向中部收缩，总体呈收缩的趋势；人工湿地景观梯度持续扩张，最高值持续增加,由37增加到69。 3)草本沼泽、永久性河流的破碎程度与空间异质性程度较大；永久性河流、季节性淡水湖、库塘的斑块形状越来越复杂；泛洪平原湿地、库塘、人工养殖种植相对于其他景观形状略复杂，具有较高的不规则程度。研究区湿地景观多样性及斑块破碎化程度总体呈增加的趋势。 [1] Costanza R, Arge R, Groot R, et al. 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The highest value of artificial wetland increased from 37 to 69, and there are 5 high value landscape gradient zones(50 dynamic model; landscape pattern index; landscape gradient; wetland 10.13278/j.cnki.jjuese.201501307. 2014-07-27 中国地质调查局地质大调查项目(1212010510613) 武慧智(1983——)，女，博士研究生，工程师，主要从事遥感技术与应用研究，E-mail:wuhuizhi_whz@163.com 姜琦刚(1964——)，男，教授，博士生导师，主要从事遥感技术与应用研究，E-mail:jiangqigang@qq.com。 10.13278/j.cnki.jjuese.201501307 TP79 A 武慧智，姜琦刚，李远华，等. 松嫩流域湿地景观动态变化.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(1):327-334. Wu Huizhi, Jiang Qigang, Li Yuanhua, et al. Dynamic Change of Wetland Landscape Pattern in Songhuajiang-Nenjiang River Basin.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):327-334.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501307.1 研究区概况
2 数据与研究方法
3 结果与分析
4 湿地变化影响因素
5 结论
