1954—2015年不同地貌分区下湿地农田化过程的时空特征——以完达山以北三江平原为例

金晓敏, 李 颖，付波霖, 殷书柏, 杨 高，幸泽峰

1 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春 130102 2 中国科学院大学，北京 100049 3 唐山师范学院，唐山 063000 4 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081



1954—2015年不同地貌分区下湿地农田化过程的时空特征
——以完达山以北三江平原为例

金晓敏1,2, 李 颖1,*，付波霖1,2, 殷书柏3, 杨 高1,2，幸泽峰4

1 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春 130102 2 中国科学院大学，北京 100049 3 唐山师范学院，唐山 063000 4 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

以完达山以北三江平原(以下简称为小三江平原)为研究区，依据样带选择原则选取具有湿地农田化典型性的区域(即典型样带)。在地质地貌分区的基础上，基于特定历史时期的土地利用/覆被数据集构建长时间序列的耕地和沼泽湿地动态变化数据集，利用RS和GIS技术分析小三江平原典型样带内湿地农田化的时空变化规律，探究近60年小三江平原内湿地农田化的区位特征，结果表明：(1)1954—2015年，小三江平原的耕地面积显著增加，垦殖率达到了79.47%，耕地结构发生了显著的变化；(2)小三江平原湿地农田化具有明显的历史阶段性：在改革开放之前(1954—1976年)湿地农田化程度不是很大，改革开放初期(1976—1985年)开始发生明显的湿地农田化，到全面改革开放期(1985—1995年)湿地农田化程度加重，在改革开放转型期(1995—2005年)湿地农田化最严重，在深化改革开放期(2005—2015年)湿地农田化程度有所减小；(3)区域大的自然背景决定了小三江平原湿地农田化整体趋势：1954—2015年间，小三江平原湿地农田化最初发生在中幅度沉降第四纪缓慢上升区，逐步扩展到大幅度沉降第四纪缓慢沉降区和小幅度沉降第四纪缓慢上升区；(4)小三江平原湿地农田化具有明显的地貌区位特征：湿地农田化最初发生在冲积平原上，然后扩展到河流低阶地和高河漫滩上，随着时间的推移逐步扩展到低河漫滩和微高地上，最后蔓延到洼地上。

湿地农田化；样带；区位特征；地貌类型；小三江平原

湿地是水陆相互作用形成的独特生态系统，具有调节气候、涵养水源、防止土壤侵蚀和降解污染等生态功能。湿地对区域和全球的气候变化、经济发展及人类生存环境有着相当重要的影响，在维持生态平衡、保护生物多样性等方面发挥着重要作用[1-2]。三江平原地区是我国最大的沼泽区，建国以来，随着人口和国家社会经济的发展，该地区经历了几次开荒高潮，沼泽湿地被大规模开垦为耕地[3-4],曾经“棒打狍子瓢舀鱼”的广袤沼泽湿地景观，如今已成为良田万顷的国家重要商品粮生产基地[5-6]。农业的快速发展导致了沼泽湿地的严重退化，为此三江平原成为人-地互动关系研究的典型区。

进入21世纪以来，随着遥感技术的不断发展，许多学者围绕土地利用变化过程、景观格局和湿地农田化等方面，对三江平原耕地扩张现象开展了相应的研究：刘吉平等从景观格局的角度探讨了1954—2010年三江平原土地利用景观格局及其驱动力，研究结果表明1954—2010年三江平原耕地面积的增加主要是由开垦湿地和草地而来，且增加的耕地主要分布在研究区的北部和东部[7]；宋开山等对1954年以来三江平原土地利用变化及驱动力的研究后认为耕地面积的快速扩展引起湿地面积的急剧减少[8]；黄妮等研究了三江平原萝北县湿地农田化过程，结果表明耕地已成为该区的基质景观，且地势低平，坡度较小，土壤条件、地貌条件良好的平原区是湿地农田化的首选区域[9]。这些研究结果表明， 60年来三江平原耕地发生巨大变化，表现为湿地农田化导致耕地扩张。

湿地开垦一方面受国家政策及经济发展的驱使，另一方面也受到自然环境的约束。然而，上述研究侧重于人类活动对湿地退化影响的研究，没有考虑国家政策和自然环境对湿地开垦的影响，为此，本文利用RS技术和样带法，以改革开放政策为社会背景，利用1954—2015年时间序列土地利用/覆被数据集，定量分析不同历史时期完达山以北三江平原湿地农田化过程，同时结合地貌类型探究完达山以北三江平原地区耕地扩张过程的空间演化特征及发生规律，从而为三江平原湿地保护与耕地开垦冲突的权衡提供科学性依据。

1 研究区概况和样带的设定

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省三江平原核心区域的完达山以北的黑龙江、松花江和乌苏里江汇流处，由于长期的构造下陷和三江的泥沙堆积，所形成的低洼平坦的平原，简称小三江平原(图1)，总面积16073.7 km2。该区属温带湿润大陆性季风气候，夏季温暖多雨，全年降水量多集中在6—8月份，径流不畅，洪水泛滥；该区内资源丰富，雨热同季，适宜小麦、大豆、水稻、玉米等多种农作物生长[10]。冬季寒冷漫长，季节性冻融易形成粘重土质，地表长期过湿，积水过多，形成大面积沼泽水体和沼泽化植被、土壤，构成了独特的沼泽景观。土壤类型主要有黑土、白浆土、草甸土、沼泽土等，以草甸土和沼泽土分布最广，土质肥沃。目前，三江平原经过50多年改造、耕作，已经成为我国的重要商品粮基地之一，同时也成为人地互动关系研究的典型区。本研究选取小三江平原区域内典型样带探究近60年小三江平原湿地农田化的区位特征。

1.2 样带设定

图2 研究样带地貌类型分布概况Fig.2 The distribution of geomorphic types in the transect

样带研究方法是研究空间差异的重要方法，在地理学及生态学研究中被广泛采用[11- 13]。为了准确反映小三江平原湿地农田化过程的时空特征，本研究沿垂直北东向构造带走向，选取小三江平原内宽20 km，纵贯黑龙江、浓江、别拉洪河和乌苏里江，总面积1905 km2的区域作为典型样带，样带的选定主要基于以下几个方面：

(1)样带占研究区面积约12%，地貌类型有江心洲、低河漫滩、高河漫滩、河流低阶地、洼地、冲积平原和微高地等(图2)，涵盖了小三江平原湿地农田化的主要地貌类型；

(2)样带区属于同江坳陷，在地质基础和新构造运动制约下，造成样带区内地势低平，自然条件优越，土壤中富含腐殖质、肥力高，有利于农作物生长，涵盖了小三江平原适宜开垦为耕地的主要背景因素；

(3)1954—2015年间，研究样带区地表景观由最初的以沼泽湿地为主转变为以耕地为主，反映了小三江平原土地利用/覆被的格局转变过程及湿地农田化过程；

(4)研究样带分布有2个主要的保护区：黑龙江三江国家级自然保护区和黑龙江八岔岛国家级自然保护区(如图2)，能够从建立保护区之后湿地农田化的情况加以分析，更加具有典型性。

2 数据与方法

2.1 数据源与数据处理

以往的研究表明国家和地方政府在宏观上制定的改革措施对土地利用变化起到关键作用[14- 16]，因此本研究以改革开放为社会背景依据，以及考虑数据的可获取性和政策实施的滞后性，典型样带土地利用/覆被相关数据集的时间跨度为1954—2015年，具体数据源及其表征的历史节点如表1所示。

此外，中国科学院地理科学与资源研究所(周成虎)编制的1∶500000地貌数据和分辨率为5.8m的资源三号多光谱影像作为辅助数据。其中，地貌数据用来分析不同地貌类型下耕地扩张的区域差异，资源三号卫星数据用来验证土地利用/覆被解译精度。

表1 1954—2015年土地利用数据

根据研究目的及研究区特点，参照《土地利用现状分类》国家标准[17]，将研究区土地利用/覆被类型分为7种类型：耕地、林地、草地、水域、建筑用地、沼泽湿地和未利用地，并据此分类体系对已有成果数据进行调整。

将1982年、1990年、2010年和2015年的遥感影像进行预处理后，在ArcGIS软件下，参照相邻两期的成果数据，进行人机交互式判读，得到相应的土地利用/覆被数据。此外，使用2015年同时相的分辨率为5.8m的资源三号卫星数据对2015年解译结果进行精度验证，解译精度达到90.5%。

2.2 研究方法

2.2.1 特定历史时期湿地农田化区域差异

为了研究不同历史阶段内湿地农田化过程，将研究时期分为以下5个阶段：改革开放之前(1954—1976年)、改革开放初期(1976—1985年)、全面改革开放期(1985—1995年)、改革开放转型期(1995—2005年)和深化改革开放期(2005—2015年)。

以耕地面积相对变化率来反映湿地农田化区域差异，耕地面积相对变化率表达式为[18]：

(1)

式中，Ka和Kb分别为某一地貌区域一定研究时间内初期和末期的耕地面积，Ca和Cb分别为典型样带一定研究时间内初期和末期的耕地面积，R则表示在一定研究时间内的耕地相对变化率。如果某一地貌区域耕地的相对变化率大于1则表示该地貌区域耕地变化速度快于全区，反之则慢于全区。

2.2.2 基于地质构造和地貌类型的样带分区方法

三江平原总体地貌格局受构造运动控制，新构造运动总的趋势是下沉的，但在下沉过程中伴随有间歇性上升现象，主要受北东向次生断裂控制，在样带区表现为黑龙江—浓江大幅度沉降第四纪缓慢沉降区、浓江—别拉洪河中幅度沉降第四纪缓慢上升区、别拉洪河—乌苏里江小幅度沉降第四纪缓慢上升区[19]，为了科学的揭示小三江平原湿地农田化的空间区位特征，依据地质构造运动将样带分为3个一级区，即黑龙江—浓江区、浓江—别拉洪河区和别拉洪河—乌苏里江区。

样带的地貌类型以流水地貌为主，在一级分区的基础上，将典型样带进行二级分区，分为河流区、江心洲区、低河漫滩区、高河漫滩区、河流低阶地区、洼地区、冲积平原区、微高地区和侵蚀剥蚀低丘陵区(如图2)。

3 结果与分析

3.1 研究区湿地农田化过程时空特征

由典型样带内沼泽湿地面积与耕地面积变化情况(图3,图4)可见：1954—2015年间典型样带内沼泽湿地面积与耕地面积呈现此消彼长的态势，景观格局发生了剧烈的变化。土地利用景观格局由建国初期的以沼泽湿地为主转变为以耕地为主，耕地垦殖率达到79.47%，景观基质发生了转变(表2)。

图3 典型样带内1954—2015年土地利用/覆被的空间格局Fig.3 Land use pattern in the typical transect from 1954—2015

图4 典型样带内1954—2015年沼泽湿地与耕地面积变化及耕地内部结构Fig.4 The variation of marsh and farmland area and the structure of farmland in the typical transect from 1954—2015

从耕地结构变化来看(图4)，随着时间的变化耕地结构也发生了显著变化：1954—2000年，耕地结构由旱地组成，结构单一；2000—2015年间，水田所占比例显著增加，水田与旱地的比例分别由2000年的3.80%，96.20%变为2015年的78.06%，21.94%。此外， 2005—2015年，耕地面积增加以水田为主，水田增加主要由两部分构成，即主要形式为沼泽湿地—水田和旱地—水田。

从湿地农田化发生的历程上看(图3和表2)，样带内1954—2015年伴随着耕地面积的持续增加，沼泽湿地面积一直在减小，但湿地农田化表现出明显的历史阶段性。在改革开放之前(1954—1976年)，耕地面积增加了78.5 km2，年均耕地面积增加3.6 km2，湿地农田化程度不是很大，主要原因是大量移民的涌入及农垦部队的进入致使农田在此期间被开垦，但由于这一时期农业机械化程度低，农业的发展是以粗放式的经营为主[20]；改革开放初期(1976—1985年)，耕地面积增加了98 km2，平均每年增加了10.9 km2，发生了明显的湿地农田化，这是由于国家政策导向(1976年国家提出了以防洪治涝为重点的“三江平原综合治理规划”，1982年起加大投资力度，对沼泽地工程进行施工， 1983年家庭联产承包责任制的推行)和自然因素(1976—1979年持续干旱，地表积水少，大面积季节性积水的沼泽地干涸，为垦荒提供了土地条件)的影响[21]；到全面改革开放期(1985—1995年)，耕地面积增加了280.9 km2，年均增加了28.1 km2，湿地农田化程度加重，是由于日本贷款项目的支持和机械化程度的提高，排灌系统不断完善，许多重度沼泽地不断被开发为农田，再加上“井排井灌”这一改造沼泽水利工程的实施，低洼易涝耕地得到了有效的治理[22]；在改革开放转型期(1995—2005年)，耕地面积新增了837.1 km2，年均耕地面积达到83.7 km2，湿地农田化最严重，主要原因是这一时期修建了许多水利设施[23]，导致湿地农田化速度明显加快；到深化改革开放期(2005—2015年)，耕地面积增加了219.5 km2，年均耕地面积增加22.0 km2，湿地农田化程度减缓，一方面是因为可开垦的后备资源量少，另一方面是因为保护区的建立对沼泽湿地开垦为耕地起到了一定的抑制作用。

表2 近60年来典型样带内耕地及沼泽湿地分布

3.2 地貌一级分区下湿地农田化过程的区位特征

图5 典型样带内1954—2015不同分区耕地面积变化 Fig.5 The change of farmland area in the three divisions during 1954—2015

图6 典型样带内1954—2015年耕地变化 Fig.6 The change of farmland the typical belt from 1954 to 2015

从地貌一级区统计结果看(图5，图6)，尽管3个一级区湿地农田化过程与整个典型样带具有一定的相似性，但在各历史阶段湿地农田化呈现出明显的区域差异性。

改革开放之前(1954—1976年)，湿地农田化主要发生在浓江-别拉洪河区，在黑龙江-浓江区和别拉洪河-乌苏里江区仅是零星的开垦。到改革开放初期(1976—1985年)和全面改革开放期(1985—1995年)，3个一级区湿地农田化速度均持续增加，且浓江-别拉洪河区湿地农田化速度明显高于黑龙江-浓江区和别拉洪河-乌苏里江区。进入改革开放转型期(1995—2005年)，3个一级区湿地农田化速度均达到最高峰，但各个区湿地农田化速度排序发生改变，从大到小为黑龙江-浓江区、浓江-别拉洪河区、别拉洪河-乌苏里江区；到深化改革开放期(2005—2015年)，黑龙江-浓江区和浓江-别拉洪河区湿地农田化速度急剧减小，而别拉洪河-乌苏里江区湿地农田化速度虽然较改革开放转型期有所降低，但减小幅度有限，仍保持较强扩张的趋势，主要原因：黑龙江-浓江区全部在国家级保护区内，相关的保护措施对湿地农田化起到了抑制作用；浓江-别拉洪河区可开垦的后备资源已尽匮乏，导致了湿地农田化速度减小，而别拉洪河-乌苏里江区虽有保护区的建立对沼泽湿地开垦有一定的抑制作用，但保护区以外尚存大量的沼泽湿地，仍保持较大规模的开垦。

总体上看，小三江平原湿地农田化最先发生在中幅度沉降第四纪缓慢上升区，始于改革开放之前(1954—1976年)，在大幅度沉降第四纪缓慢沉降区和小幅度沉降第四纪上升区发生湿地农田化时间滞后于中幅度沉降第四纪缓慢上升区，其中，小幅度沉降第四纪缓慢上升区仍有继续扩张的趋势。

3.3 地貌二级分区下湿地农田化过程的区域差异

样带内各地貌类型区域耕地变化存在着显著的差异，从整个研究时期1976—2015年来说，耕地的变化幅度从小到大依次为冲积平原、高河漫滩、河流低阶地、低河漫滩、洼地。其中洼地、低河漫滩、河流低阶地这3种地貌类型的R值均大于1，表明其耕地变化幅度均超过整个典型样带区的平均耕地变化率。冲积平原R值仅为0.54，其耕地增幅远低于研究区平均水平，但冲积平原上新增耕地面积最大，1976—2015年新增耕地面积总计达到446.8 km2，平均每年增加11.5 km2，为整个典型样带区湿地农田化程度最为剧烈的地貌类型(表3和表4)。

表3 典型样带内1954—2015年间各地貌类型耕地面积/km2

1954年的0值是代表该年没有耕地分布，耕地面积为0

表4 典型样带内1976—2015年间各时期耕地相对变化率

各个时期内不同地貌类型的湿地农田化表现出明显的区域差异。1954年典型样带区处于原始状态，没有耕地分布。改革开放之前(1954—1976年)，耕地增加主要发生在冲积平原、河流低阶地以及高河漫滩上，且在冲积平原上耕地面积分布最大；改革开放初期(1976—1985年)，洼地、河流低阶地、高河漫滩的R值均大于1，但由于洼地增加面积很小，可以忽略不计，该时期湿地农田化幅度较大的区域为河流低阶地和高河漫滩；全面改革开放期(1985—1995年)，微高地和低河漫滩上的耕地相对变化率均大于1，成为该时期湿地农田化明显的地貌类型；改革开放转型期(1995—2005年)，耕地面积增加最大，这一时期洼地的R值最大，为14.49，洼地上耕地的增加幅度最大，其次是河流低阶地、高河漫滩、低河漫滩、冲积平原和微高地，其R值均大于1，说明这些地貌类型上的湿地农田化幅度均超过整个典型样带区，这一时期的区域差异变化最为明显；深化改革开放期(2005—2015年)，由于耕地基数已经很大，因此各地貌类型的耕地变化更趋于一致，其中低河漫滩和洼地的R值分别为1.19和1.13，为整个典型样区变化幅度最大的两个区域，之后为冲积平原、河流低阶地、微高地及高河漫滩，其中微高地和高河漫滩的耕地面积处于减少趋势，减少原因有待探究。

从发生地貌区位看，湿地农田化首先发生在冲积平原上，逐步扩展到河流低阶地和高河漫滩上，随之蔓延到微高地和低河漫滩上，最后扩展到洼地上。

4 结论

1954—2015年小三江平原景观格局发生了根本性地变化，景观格局由建国初期以沼泽湿地为主体的土地利用景观格局转变为如今以耕地为主体的土地利用景观格局。在这个变化过程中，湿地农田化过程和发生规模表现出明显的历史阶段性和空间区位特征。通过对典型样带分析，可以得到近60年小三江平原湿地农田化过程的时空特征：

(1)1954—2015年，小三江平原土地利用变化主要形式为由沼泽湿地向耕地转化，垦殖率由0增加到79.47%。此外，耕地结构发生显著变化，1954—1990年研究区几乎没有水田分布，1990—2015年水田面积占耕地面积比例增到77.96%；

(2)近60年来，小三江平原湿地农田化具有明显的历史阶段性：在改革开放之前(1954—1976年)、改革开放初期(1976—1985年)、全面改革开放期(1985—1995年)和改革开放转型期(1995—2005年)湿地农田化程度逐渐加重，在深化改革开放期(2005—2015年)湿地农田化程度趋于和缓；

(3)小三江平原湿地农田化具有明显的区位特征：1954—2015年间，从地质构造角度，小三江平原湿地农田化先从中幅度沉降第四纪缓慢上升区开始，然后逐步扩展到大幅度沉降第四纪缓慢沉降区和小幅度沉降第四纪缓慢上升区；从地貌类型角度，小三江平原湿地农田化最初发生在冲积平原上，然后扩展到河流低阶地和高河漫滩上，随着时间的推移逐步扩展到低河漫滩和微高地，最后蔓延到洼地上。

耕地的扩张必然会导致沼泽湿地的减少，进而影响了湿地的生态系统功能。弄清湿地农田化过程的时空规律及空间特征对湿地保护、恢复的重建都有重要指导意义。

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Spatiotemporal characteristics of wetland to farmland conversion processes in different geomorphological divisions during 1954—2015: a case study in the Sanjiang Plain north of the Wanda Mountains

JIN Xiaomin1, 2, LI Ying1,*, FU Bolin1, 2, YIN Shubai3, YANG Gao1, 2, XING Zefeng4

1NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3TangshanNormalUniversity,Tangshan063000,China4InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgrioulturalSciences,Beijing100081,China

The Sanjiang Plain north of the Wanda Mountains, or the sub-Sanjiang Plain for short, was selected as the study area and sampled with a typical transect using the principle of transect selection. The spatiotemporal characteristics of wetland to farmland conversion processes were explored using time series of land use/land cover datasets for the different geomorphological divisions. The specific conclusions of this study include the following: 1) The area of farmland in the sub-Sanjiang Plain increased significantly, with the reclamation rate reaching 79.47%. The farmland structure also changed significantly, from being dominated by croplands to being dominated by paddy fields, between 1954 and 2015. 2) The process of wetland to farmland conversion in the sub-Sanjiang Plain occurred in clear historical stages, with wetland conversion progressing slowly from 1954 to 1976, and increasing more rapidly during the periods of 1976—1985 and 1985—1995. Conversion of wetlands was most severe from 1995 to 2005, but has slowed in the most recent decade. 3) The process of wetland to farmland conversion was influenced by the regional geomorphic types. Wetland reclamation first appeared in theMeco-scaleQuaternarySlowAscentregion, and then extended to theSubstantiallyQuaternarySlowSubsidenceandSmall-amplitudeQuaternarySlowAscentregions. 4) The process of wetland reclamation showed clear features related to the geomorphological divisions, beginning in thealluvialplainandlowterrace, extending to thehighfloodplain, and then continuing into thelowfloodplainanddepression.

wetland to farmland conversion; transect; location characteristics; geomorphic types; Sanjiang Plain

国家自然科学基金项目(41271113)

2016- 10- 18;

2017- 01- 07

10.5846/stxb201610182121

*通讯作者Corresponding author.E-mail: liying@neigae.ac.cn

金晓敏, 李颖，付波霖, 殷书柏, 杨高，幸泽峰.1954—2015年不同地貌分区下湿地农田化过程的时空特征——以完达山以北三江平原为例.生态学报,2017,37(10):3286- 3294.

Jin X M, Li Y, Fu B L, Yin S B, Yang G, Xing Z F.Spatiotemporal characteristics of wetland to farmland conversion processes in different geomorphological divisions during 1954—2015: a case study in the Sanjiang Plain north of the Wanda Mountains.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3286- 3294.