辽河口东岸翅碱蓬湿地退化分区及其土壤影响因素分析

钱凤魁，李婉宁，赵英伟，周 阳，柳圭泽

（1.沈阳农业大学土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳110161；2.国家海洋环境监测中心，辽宁大连116023）

湿地是重要的自然资源，也是具有多种独特功能的生态系统，具有涵养水源、蓄洪防灾、降解污染、调节气候、维持生态平衡、保护生物多样性以及旅游观光等多种功能[1,2]。植被是湿地生态系统构建的重要组成部分，除了具有上述湿地基本功能外，还对湿地生态系统恢复与重建起到重要作用[3-5]。目前，国内外学者运用遥感技术在湿地研究领域开展了大量的研究，例如，基于目视解译、遥感计算机等不同分类方法的湿地类型划分及遥感动态监测[6-8]，分析了不同时空尺度的湿地景观格局动态变化[9-11]，探讨了湿地退化及驱动因素[12-14]，评估了湿地资源的健康状况[15-17]。另外，遥感技术在湿地植被光谱特性分析以及湿地植被覆盖度及生物量信息估算方面也有广泛应用[18-19]。上述研究成果为湿地资源生态系统恢复以及湿地资源开发、保护、管理及可持续利用等提供了技术支持和科学依据。

盘锦辽河口湿地是中国北方典型的河口湿地类型，已于2004年被联合国组织批准列入《世界重要湿地名录》。该区域潮汐频繁，土壤盐分含量高，对耐盐性高的翅碱蓬植被更具有适应性的生长环境，因此翅碱蓬植物成为辽河口滨海湿地区域内的优势植被群落，对维持辽河口湿地生态系统平衡具有重要作用，同时翅碱蓬资源带动了该区域红海滩旅游经济快速发展。然而受到辽河径流量、岸滩淤积等自然因素和修堤筑路、农田和养殖开发等人为因素的影响，该区域翅碱蓬植被生长面积发生不稳定性波动变化，尤其是2002年翅碱蓬覆盖面积最小为2.29km²，2014年翅碱蓬覆盖面积达到最大值24.15km²。2020年1月，以翅碱蓬资源观光旅游功能为主导的红海滩国家风景廊道被评为国家5A级景区。然而受自然和人为因素的不利影响，该区域属于翅碱蓬湿地退化典型研究区域，近20年翅碱蓬湿地面积波动变化较大，对翅碱蓬湿地生态系统平衡、生物多样性保护以及旅游观光经济发展等产生了极大破坏，因此如何从长时间序列合理识别翅碱蓬湿地退化时空变化规律，科学划定翅碱蓬湿地退化分区也就成为了一个重要的科学研究问题[20,21]。翅碱蓬植被群落的退化对辽河口滨海湿地生态系统产生严重影响，也对旅游经济发展造成了不利影响。因此利用遥感技术掌握长时间序列的翅碱蓬植被年际变化和空间分布态势，明确翅碱蓬植被退化分区，对掌握翅碱蓬植被生长变化态势，开展翅碱蓬植被恢复具有重要的参考作用。本研究以盘锦市辽河口东岸为典型研究区，以1988～2019年遥感影像作为基础数据，以ENVI5.3和ArcGIS10.2软件为技术支撑，采用最大似然法开展翅碱蓬湿地及其他湿地地物类型识别解译，通过转移矩阵分析翅碱蓬湿地时空转化态势，最后采用熵值法建立120m×120m网格单元尺度的翅碱蓬湿地退化分区。通过分析30年长时间序列辽河口翅碱蓬湿地退化的时空变化规律及趋势，为恢复和重建翅碱蓬湿地退化生态系统提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于辽河口东岸（东经121°28′24.58″～121°58′27.49″,北纬40°45′00″～41°05′54.13″），湿地区域面积46.6 km²，该区域位于辽东湾东北部，属于辽河三角洲滨海湿地核心区域，地貌类型属于退海冲击平原，地势平坦低洼。气候类型为暖温带大陆性半湿润季风气候，土壤类型为滨海盐土和沼泽土，土壤含盐量高、透气性差，植被类型结构单一，以芦苇和翅碱蓬植被为优势种群。

1.2 数据来源与处理

数据源为Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，来源于美国地质勘探局USGS网站（https://glovis.usgs.gov/next/），筛选出1988～2019年的8～11月翅碱蓬植被生长旺盛的无云或少云天气遥感影像，共计26景。除个别年份因遥感影像精度问题导致数据缺失，研究所用影像都进行了辐射定标和大气校正，并利用ERDAS软件对个别精度较差数据进行几何校正，保证总体误差小于1个像元。

1.3 研究区湿地地物信息提取

通过最大似然法开展监督分类提取湿地分类信息数据，主要步骤为：（1）选取训练样方。本研究选取了具有典型性和代表性的芦苇湿地、翅碱蓬湿地、混生湿地以及人工建筑和河流滩涂5类训练样方。（2）进行分离度检验。分离度参数区间为0～2.0，≥1.8则样方选取合理。（3）最大似然法进行监督分类及过滤处理和精度评价。似然度阈值为0.5，过滤阈值为8，采用混淆矩阵评价方法进行精度评价，Kappa系数均大于0.95。（4）将上述图像结果导入ArcGIS10.2进行数据融合，叠置分析，建立转移矩阵，精确获取翅碱蓬湿地、芦苇湿地、混生湿地、河流滩涂以及人工建筑地物面积属性信息（表1）。

表1 1988～2019年辽河口东岸湿地地物解译面积Table 1 Statistics on the interpreted area of wetlands of the Liaohe Estuary from 1988 to 2019

1.4 熵值法分区

1.4.1 熵值法 熵值法是指用来判断某个指标的离散程度的数学方法。熵值法优点是直接采用决策矩阵信息测算权重，降低了决策者主观判断。公式为：

式中：E为熵值；X为单元网格面积；P网格面积比重；m为单元网格数；K＞0，0≤Ej≤1。

1.4.2 翅碱蓬湿地退化分区 为研究网格中翅碱蓬湿地面积变化和退化分区，保证网格中包含最小像元的数量为20个，划分120m×120m网格单元，单个网格含16个最小像元数，共划分3236个网格单元。在上述翅碱蓬湿地退化分区测算基础上，将低度、中度和重度退化区进一步细分为10%退化区，30%退化区，50%退化区，70%退化区和90%退化区。

1.5 退化区土壤理化性质测定

2019年11月初采集辽河口不同类型翅碱蓬退化区土壤及植物样品。研究区内共10个栈道，栈道间隔约150m，每个栈道长度为300～600m，根据研究区栈道的设置及不同类型退化区的布设，最终共采集了6个栈道附近21个样点的土壤及植物样品，在每个样点分别采集0～30cm土层内10cm等间距土壤样品63个和地上整株植物样品21个。采集的土壤样品经风干、去除杂物和研磨过筛，测定土壤含水量、pH、全盐含量、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量。土壤pH用pH计测定，全盐含量用重量法测定，含水量用烘干法测定，碱解氮用碱解扩散法测定，有效磷用碳酸氢钠浸提分光光度计法测定，速效钾用火焰光度法测定，有机质含量用重铬酸钾外加热法测定。测定结果为3次重复的均值。翅碱蓬齐地面割下地上部分用于生物量的测定，在105℃恒温箱中干燥48h，称干重，即为生物量平均值。

2 结果与分析

2.1 翅碱蓬湿地面积阶段性变化分析

根据研究区遥感数据解译结果分析，研究区翅碱蓬湿地总体呈现6个阶段的波动变化态势。第1个阶段为小幅度波动阶段（1988～1999年），该阶段翅碱蓬湿地面积相对稳定，分布面积平均为1.94km²，其中1998年翅碱蓬湿地面积最大，为4.23km²，占比为9.08%，1992年面积最小，为0.37km²，占比0.79%。第2个阶段为显著增长阶段（2000～2001年），该阶段翅碱蓬面积增长态势显著，2001年翅碱蓬湿地面积达9.26km²，相对于1999年的1.52km²，翅碱蓬湿地面积增加7.74km²。相比第1阶段，翅碱蓬湿地面积平均增加了3.36km²，主要增加区域为中部和北部区域，整体呈不平衡分布态势。第3个阶段为急剧退化阶段（2002～2004年），该时间段翅碱蓬呈现大面积急剧减少，其中2004年的面积仅为0.65km²，占比为1.39%。与2001年对比，翅碱蓬退化面积达8.61km²，退化比例为18.48%，处于全域衰退态势。第4个阶段为稳定增长阶段（2005～2014年），10年间翅碱蓬在研究区呈缓慢稳定增长态势，翅碱蓬湿地面积由2004年的0.65km²增加至2014年的10.05km²，占比为21.57%，增加9.4km²，增长比率为20.17%，该时间段翅碱蓬增长区域由西南部和中部逐渐向北部全域蔓延态势，属于近30年翅碱蓬生长的鼎盛时期。第5个阶段为显著退化阶段（2015～2016年），翅碱蓬湿地面积出现急剧衰退，至2016年，翅碱蓬湿地面积仅为1.87km²，占比为4.01%，对比2014年数据，翅碱蓬退化达8.18km²，占比17.55%，西南部区域衰退严重。第6个阶段为小幅度波动阶段（2017～2019年），翅碱蓬湿地面积整体变动情况相对稳定，该时期翅碱蓬湿地平均面积为2.91km²，最大面积为2018年的4.31km²，占比9.25%，最小面积为2016年的1.87km²，占比4.01%，北部区域为翅碱蓬集中生长区。

2.2 翅碱蓬湿地与其他湿地类型转化分析

通过统计分析1988～2019年翅碱蓬湿地与芦苇湿地、混生湿地以及河流滩涂和人工建筑间面积转化关系，建立湿地面积变化平衡分析表（表2和表3）。近30年，翅碱蓬湿地面积总体处于平衡态势，减少流出面积40.65km²，增加转入面积40.46km²。

表2 1988～2019年翅碱蓬湿地面积减少流出分析Table 2 Analysis of the reduction area of Suaeda salsa wetland from 1988 to 2019

表3 1988～2019年翅碱蓬湿地面积增加转入分析Table 3 Analysis of the increase area of S uaed a s alsa wetland from 1988 to 2019

翅碱蓬湿地减少流出转化为芦苇湿地14.25km²，转化为混生湿地2.86km²，转化为河流滩涂18.36km²，转化为人工建筑4.99km²。翅碱蓬湿地增加转入来源主要为河流滩涂，转入面积17.18km²，其次是芦苇湿地，转入面积17.10km²，再次是混生湿地，转入面积6.18km²，最后是人工建筑转入面积0.18km²。河流滩涂和芦苇湿地是翅碱蓬湿地增加主要来源，翅碱蓬湿地减少主要去向为人工建筑占用。

1999～2001年，研究区翅碱蓬湿地面积增加显著，总面积增加12.56km²，主要来源为研究区东南部的河流滩涂，转化为翅碱蓬湿地面积6.66km²。该时期减少面积为3.51km²，翅碱蓬湿地减少面积去向主要为芦苇湿地，减少面积为2.43km²，主要发生在北部翅碱蓬和芦苇混生湿地区域。2001～2004年，翅碱蓬湿地面积急剧退化，减少面积为10.33km²，增加面积仅为1.17km²，其中翅碱蓬湿地减少转出最大面积为河流滩涂，转化面积6.34km²，生长环境条件恶化导致北部区域翅碱蓬退化，翅碱蓬湿地面积大幅度急剧减少。2004～2014年，翅碱蓬湿地面积稳定缓慢增长，增加面积为12.4km²，减少面积为3.63km²。翅碱蓬湿地面积增加主要来源为研究区北部芦苇湿地和东南部的河流滩涂，分别转入为5.22km²和4.61km²。翅碱蓬湿地减少去向主要为芦苇湿地，面积为1.57km²。2014～2016年，翅碱蓬湿地进入显著退化阶段，翅碱蓬湿地减少8.97km²，增加转入面积仅为1.11km²。该区域内大面积修建道路与旅游设施是减少主要原因，同时还有部分河流滩涂侵蚀破坏，占用和破坏面积分别为2.21km²和6.77km²。河流滩涂增加转入面积仅为0.99km²。

2.3 翅碱蓬湿地退化分区分析

根据熵值函数原理测算结果表明，翅碱蓬湿地退化分值越大，代表湿地退化的程度就越高，通过自然断点法进行退化分值分级（图3）。赤碱蓬湿地退化区可划分为：翅碱蓬高度生长区（-79793.61～-44144.12）、中度生长区（-44144.13～-15033.08）、低度生长区（-15033.08～5199.24）、低度退化区（5199.24～19920.29）、中度退化区（19920.29～43824.63）、重度退化区（43824.63～90039.67）和未生长区（河流滩涂未变化区域）等7个区域（图1）。

图1 1988～2019年辽河口翅碱蓬湿地变化综合分区图Figure 1 Comprehensive zoning of Suaeda salsa wetland in Liaohe estuary from 1988 to 2019

翅碱蓬生长区湿地总面积14.05km²，集中于研究区东南和北部区域，翅碱蓬退化区的湿地面积为6.81 km²，主要分布于研究区北部与中部。研究区北部翅碱蓬中度和高度生长湿地区域分布相对集中，翅碱蓬中度和重度退化区分布于生长区外围，也是不同湿地类型互相转化的集中区域。在研究区中部，翅碱蓬低度生长区与重度退化区湿地呈聚集分布。翅碱蓬低度和中度生长区湿地集中在东南部区域。翅碱蓬退化区湿地相对零散。翅碱蓬低度生长区湿地面积呈最大和最集中分布，面积为10.3km²，占生长区比例为73.31%，其次为中度生长区，面积为2.32km²，占比为4.98%，高度生长区属于分散分布，面积为1.45km²，占比为3.11%。翅碱蓬退化湿地区域中，低度退化湿地区面积最大，但较为分散，面积为3.74km²，占退化区比例为54.92%，中度和重度退化湿地区域分布较广，在中部和东南部相对聚集，面积分别为1.83km²和1.24km²，分别占比3.93%和2.66%。

2.4 不同退化区土壤环境影响因素分析

由表4可知，土壤含水量和含盐量与退化区翅碱蓬生物量相关水平较高，表明土壤含水量和含盐量在一定程度上影响翅碱蓬生长和退化。

表4 翅碱蓬生物量与土壤理化指标之间的相关关系Table 4 Correlation between S uaed a sal sa biomass and soil physical and chemical indexes

由图2可知，随着湿地土壤退化程度的增加，0～30cm土层土壤平均含水量呈现逐渐降低的态势，表现为10%退化区（33.21%）＞30%退化区（32.62%）＞50%退化区（31.60%）＞70%退化区（31.23%）＞90%退化区（28.06%），可能由于湿地退化程度增加，土壤中砂粒含量增加，黏粒、粉粒含量降低，土壤保水能力减弱。在垂直剖面上没有明显变化态势，但在每个退化区内，土壤表层含水量均高于底层，土壤表层含水量介于31.62%～36.31%之间，土壤底层含水量介于23.93%～35.85%之间，这是由于生长期植被覆盖度较高，所以土壤表层水分不易流失，而翅碱蓬生长过程中需要通过根部吸收大量水分，所以土壤底层含水量较低。随着湿地土壤退化程度的增加，0～30cm土层土壤平均全盐含量呈现逐渐增加的态势，表现为10%退化区（7.33g·kg-1）＜30%退化区（8.67g·kg-1）＜50%退化区（9.33g·kg-1）＜70%退化区（9.33g·kg-1）＜90%退化区（10.00g·kg-1），表明随着湿地退化程度增加，土壤含水量降低，致使土壤中更多盐分析出。在垂直剖面上，每个退化区内的土壤全盐含量随着土层深度的增加而减少，土壤表层全盐含量介于8～12g·kg-1之间，土壤底层含盐量介于4～8g·kg-1之间，虽然生长期植被覆盖度较高，但表层土壤水分流失程度还是高于底层土壤，因此表层土壤全盐含量高于土壤底层全盐含量。

图2 翅碱蓬湿地退化区土壤含水量与含盐量变化趋势Figure 2 Change trends of soil moisture content and soil salt content in degraded areas of Suaeda salsa wetland

3 结论与讨论

通过对近30年来翅碱蓬湿地的时空变化格局和不同退化分区基础上的土壤环境影响因素分析可知，近30年来研究区域翅碱蓬湿地面积出现波动式变动，其中1988～1999年和2017～2019年为小幅度波动阶段，2000～2001年和2005～2014年为显著和稳定增长阶段，2002～2004年和2015～2016年为急剧和显著退化阶段。受人为和自然等因素的作用影响，30年间研究区翅碱蓬湿地面积波动较大，翅碱蓬区域稳定性较差。翅碱蓬湿地与芦苇湿地、混生湿地、河流滩涂以及人工建筑之间存在相互转化作用关系，近30年翅碱蓬湿地转出为其他类型而减少面积为40.65km²，转入翅碱蓬湿地而增加面积为40.46km²。芦苇和河流滩涂湿地与翅碱蓬湿地间转换明显，翅碱蓬在自然湿地生态系统中具有较好的恢复能力，然而人工建筑尤其是旅游基础设施修建对翅碱蓬湿地破坏影响较大，导致翅碱蓬湿地恢复具有不可逆转性，是翅碱蓬湿地减少的主要类型。

根据近30年翅碱蓬湿地时空变化格局，利用熵值法将研究区划分为翅碱蓬高度生长区、中度生长区、低度生长区、低度退化区、中度退化区以及重度退化区和未生长区等7个区域。总体而言，低度生长区是翅碱蓬湿地面积最大和最集中分布区域，中度和重度退化湿地区域分布较广，说明翅碱蓬湿地生长区域面临较大的转化和退化风险。在一定程度上土壤含水量和含盐量是影响翅碱蓬生长和退化的主要土壤环境因素。随着翅碱蓬湿地退化程度的增加，0～30cm土层土壤平均含水量呈现逐渐降低的态势，土壤平均全盐含量呈现逐渐增加的态势。在各退化区内，土壤表层含水量均高于底层，土壤表层含水量介于31.62%～36.31%之间，土壤底层含水量介于23.93%～35.85%之间。土壤全盐含量随着土层深度的增加而减少，土壤表层全盐含量介于8～12g·kg-1之间，土壤底层含盐量介于4～8g·kg-1之间。

本研究重点在翅碱蓬湿地退化分区基础上，对翅碱蓬生长旺盛期及枯萎期内的辽河口湿地退化过程中土壤理化性质特征及变化态势进行对比分析，运用高斯模型测算了翅碱蓬适宜环境的土壤因素生态阈值，研究结果可为辽河口区翅碱蓬湿地土壤保护和植被恢复提供理论和方法指导。由于翅碱蓬退化除了受到湿地土壤因素影响外，还与气候变化、环境污染以及人为影响等因素有关，因此需要全面开展翅碱蓬湿地退化的研究工作，深入掌握翅碱蓬湿地退化过程机理及影响因素，建立翅碱蓬湿地退化修复机制。