松嫩平原湿地演变及其驱动因素分析_刘强.pdf

0引言湿地是地球上单位面积生态系统服务价值最高的生态系统类型，在陆地生态系统和水生生态系统的过渡中占据重要地位，不仅在维系区域生态安全中扮演摘要：湿地是生态系统的重要组成部分，在维系区域生态安全中扮演着重要角色.利用 1975、2000 和 2018 年的 Landsat 遥感影像数据，获取 3 期湿地解译数据，采用动态度分析、差异性分析、转移矩阵等方法对近 50 年来松嫩平原地区湿地的时空变化特征进行分析，为研究和保护松嫩平原地区湿地生态系统提供一定的理论依据.研究表明：湿地面积由 1975 年的 20 18981 km2上升至 2018 年的 29 45679 km2，整体上呈增加的趋势，具体表现为 19752000 年天然湿地的大幅度下降和 20002018 年人工湿地的大规模增加.分析认为：蓄水工程、河道防洪堤和湿地围垦是天然湿地减少的主要因素；降水量变化、气温上升、蒸发量增加是天然湿地变化的次要因素；受经济效益为中心理念驱动，水田改扩建增加是人工湿地增加的主要因素.关键词：湿地；动态度；转移矩阵；时空变化；松嫩平原松嫩平原湿地演变及其驱动因素分析刘强1，林楠2，王长琪1，贾立国1，成龙1，郭晓东1，张妍31 中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034；2 吉林建筑大学，吉林 长春 130018；3 辽宁省地质矿产研究院有限公司，辽宁 沈阳 110032收稿日期：20210607；修回日期：20210723 编辑：张哲基金项目：中国地质调查局自然资源调查项目“松嫩平原水文地质调查”（编号 DD20190340）.作者简介：刘强（1982），男，高级工程师，从事水文地质、地质矿产调查工作，通信地址 辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街 280 号，E-mail/WETLAND EVOLUTION AND ITS DRIVING FACTORS IN SONGNEN PLAINLIU Qiang，LIN Nan，WANG Chang-qi，JIA Li-guo，CHENG Long，GUO Xiao-dong，ZHANG Yan1 Shenyang Center of China Geological Survey，Shenyang 110034，China；2 Jilin Jianzhu University，Changchun 130018，China；3 Liaoning Geological and Mineral Institute Co，Ltd，Shenyang 110032，ChinaAbstract：As an important part of ecosystem，wetland plays a significant role in maintaining regional ecologicalsecurity Based on the Landsat remote sensing image data in 1975，2000 and 2018，the interpretation data of wetlandduring the three periods are obtained to analyze the spatiotemporal variation of wetland in Songnen Plain in nearly 50years with the methods of dynamic degree，difference analysis and transfer matrix，which provides certain theoreticalbasis for the research and protection of wetland ecosystem in Songnen Plain The results reveal that the wetland areashows an overall increasing trend from 20 18981 km2in 1975 to 29 45679 km2in 2018，manifested by the substantialdecrease of natural wetland during 19752000 and largescale increase of constructed wetland during 20002018 It isconcluded that water storage project，floodwall and wetland reclamation are the main factors causing the decrease ofnatural wetlands，followed by precipitation reduction，temperature rise and evaporation increase Driven by theeconomic benefit，the paddy field reconstruction and expansion mainly contributes to the increase of constructedwetlandsKey words：wetland；dynamicdegree；transfermatrix；spatiotemporalvariation；SongnenPlain文章编号：1671-1947（2023）01-0096-08中图分类号：X171.4；P931.7开放科学标志码（OSID）：DOI：1013686/jcnkidzyzy202301012文献标志码：A地质与资源GEOLOGY AND RESOURCES第 32 卷第 1 期2023 年 2 月Vol.32 No.1Feb.2023重要角色，而且具有巨大的水源涵养和气候调节等生态系统服务功能1-2，并因其独特的生态功能和价值，被誉为“地球之肾”3-4.但人类的活动和区域发展深深地影响着生态系统和土地利用模式，20 世纪中叶以来由于社会和工业的加速发展加剧了土地资源的高度需求和有限的土地储备不可逆转性之间的冲突，天然湿地的开垦成为缓解土地资源紧张的重要途径.天然湿地特别是沼泽湿地的大幅减少，对湿地生物多样性造成破坏，严重威胁湿地生态系统的安全性5.因此，及时掌握和研究湿地资源的现状和动态变化过程对湿地的保护以及合理开发有着重要意义.自 20 世纪 80 年代以来，遥感和地理信息系统（GIS）技术在地理测绘、土地利用、生态环境保护、智慧城市等方面的应用取得了丰富的成果.近年来随着人们对生态环境保护的重视，这些技术被广泛应用于湿地信息数据的采集6-7.本研究在前人工作基础上，以松嫩平原 Landsat遥感影像作为数据源，利用空间叠加方法研究松嫩平原40 年来湿地的时空变化特征，分析变化的驱动因素，以期为研究和保护湿地生态系统提供一定的理论依据.1研究区概况松嫩平原位于我国东北地区中部，行政区跨黑龙江省、吉林省和内蒙古自治区，北至黑龙江省的嫩江，南至吉林省长岭县南部的松辽分水岭，西侧以大兴安岭低山丘陵区与山前倾斜平原分界线为界，东侧边界至小兴安岭长白山山前高平原东缘.总体形状呈南北长，东西窄的近椭圆形.全区包含 52 个县市，总面积 1827104km2.松嫩平原降水量东部较多，西部较少，由东南向西北递减；蒸发量自西南向东北呈递减趋势.平原内主要地表水系有嫩江、松花江及其支流.松嫩平原天然湖泊星罗棋布，主要分布在嫩江中下游和松花江吉林省段沿岸低平原地带，在齐齐哈尔市、杜尔伯特蒙古族自治县、肇源县、泰来县、镇赉县、大安市、前郭尔罗斯蒙古族自治县、通榆县、乾安县境内.其中的扎龙湿地、向海湿地、莫莫格湿地均为国家级自然保护区，并且前两个湿地已被列入国际重要湿地名录.2数据与研究方法21数据来源与处理本研究以 Landsat 影像数据作为湿地类型解译的数据源，通过波段组合、影像融合和几何纠正等方法进行影像预处理，采用人机交互的目视解译法，获取松嫩平原 1975 年、2000 年及 2018 年的遥感解译数据.参照 湿地公约，湿地是指无论其为天然或人工、长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带，带有静止或流动的淡水、半咸水或咸水水体，包括低潮时水深不超过 6 m的水域.采用两级分类将研究区内湿地类型划分为天表 1不同湿地类型遥感解译标志Table 1Remote sensing interpretation marks by wetland types湿地类型水稻田遥感图像特征几何形状较为明显，多呈长方形，排列整齐，边界明显，附近常有水系分布沼泽主要分布在河流沿岸及平原上的低洼地，常呈渐变过渡状、水浸状，与湖泊、河流的水体和陆地无明显界线人工湿地库塘几何形状明显，图像结构均一，有明显人工塑造的痕迹遥感解译标志天然湿地河流几何形状明显，边界清晰，呈自然弯曲或局部平直状，宽窄不一湖泊几何形状明显，图像结构均一，边界线平滑第 1 期刘强等：松嫩平原湿地演变及其驱动因素分析97然湿地和人工湿地两个一级分类，河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地、库塘、水稻田 5 个二级分类8，按照湿地分类建立松嫩平原各湿地类型遥感解译标志（表 1）.22研究方法221湿地变化动态度参照前人研究成果，应用动态度来分析湿地变化特征9-10.湿地动态度是指在一定时间和范围内湿地的变化比率，其表达式为：K=（Ub-Ua）/Ua1/T100%（1）式中，K 为研究时段内湿地面积变化动态度；Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某湿地类型的面积；T 为变化的时间间隔.本文中 T 的时间单位为 a，K 值是该研究区湿地面积的年变化率.222湿地变化类型差异模型研究区内不同类型的湿地变化存在着显著差异，利用相对变化率可以直接反映湿地变化的类型差异9，湿地相对变化率 R 可表示为：RUb-UaUb()Cb-CaCb()（2）式中，Ua、Ub分别代表某一湿地类型研究初期及研究末期的面积；Ca、Cb代表全研究区内研究初期及研究末期的面积.依据湿地变化类型差异模型，如果某一类型的湿地相对变化率 R0，则表示该类型的湿地变化与研究区湿地变化的趋势相同，当 R1 时，表明该类型的湿地变化强度大于整个研究区湿地变化强度；如果某一类型的湿地相对变化率 R0，则表示其变化与研究区湿地变化的趋势相反，当 R1，该类型的湿地反向变化强度大于整个研究区湿地变化强度.223湿地类型转换矩阵为了研究不同时期湿地类型的转换去向和来源以及了解湿地类型变化空间特征及内在演化规律，采用转移矩阵对湿地类型间的转化情况进行定量描述，可以更好地揭示湿地类型变化的时空演化过程11-12.表达式为：P=（Pij）=P11P12P1nP21P22P2nPn1Pn2Pnn|（3）式中，P 为湿地的转移概率矩阵，n 代表湿地类型数，i，j 分别代表研究初期和研究末期的湿地类型，例如，P12为状态 1 到状态 2 的转移概率.3结果与分析31湿地信息提取利用 MapGIS 软件平台，采用人机交互的目视解译法进行信息提取，得到松嫩平原 1975、2000 和 2018年湿地遥感解译图（表 2、图 1）.可以看出，1975 年研究区内湿地面积 20 18981 km2，河流湿地和沼泽湿地占据绝对优势，面积占比分别为 3777和 4427.盆地构造对河流湿地的空间分布产生决定性影响，特别是嫩江和松花江吉林省段在平原中央以“对顶式”交汇形成了辐聚式网络，成为网络汇结，其下游呼兰河和拉林河也汇聚于松花江干流后输出区外.嫩江和松花江两岸是松嫩平原地势最低的区域，河流泛滥带发育，沼泽湿地广泛分布，芦苇沼泽和羊草草甸是松嫩平原沼泽湿地的主体.松嫩平原的沼泽湿地以淡水为主，盐碱湿地主要分布于孤立的碱泡及霍林河末端河口泛滥带.2000 年研究区内湿地面积 15 31125 km2，河流湿地和沼泽湿地面积大幅减少，水稻田面积增加，面积占比分别为 2561、317