基于RS和GIS的繞陽河濕地時空演變及其驅(qū)動力分析*

孫才志,曾慶雨,劉玉玉

(1.遼寧省自然地理與空間信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連116029;2.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,大連116029)

沼澤濕地作為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、凈化環(huán)境和維持區(qū)域水分平衡等多種自然功能。由于沼澤是由水陸相互作用形成,因此其具有半水半陸性質(zhì),這也為野生動植物生長、繁衍創(chuàng)造了有利條件[1-2]。另一方面,由于沼澤濕地具有一定的脆弱性,常常受外界環(huán)境條件的干擾,其類型發(fā)生演替或變異,因此,沼澤既是環(huán)境條件的產(chǎn)物,也是環(huán)境條件的“反應(yīng)”和“標(biāo)志”[3]。我國東北地區(qū)沼澤濕地比較豐富,其面積占全國沼澤濕地面積的30%以上;沼澤率(沼澤分布面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)面積百分比)較高,但人類活動對沼澤濕地的破壞十分嚴(yán)重;東北地區(qū)沼澤濕地集中分布區(qū)有嫩江中下游流域、小興安嶺山地、三江平原以及遼河口三角洲[4]。當(dāng)前大部分研究集中在以上幾個沼澤濕地分布核心區(qū)域[5-7],而對于地處遼寧中部平原區(qū)的繞陽河沼澤濕地的研究則非常少。繞陽河沼澤濕地是國內(nèi)少有的內(nèi)陸大型河流沼澤濕地,該濕地主要以蘆葦為主,蘆葦濕地和其它濕地生態(tài)系統(tǒng)一樣,在蓄水調(diào)控、補(bǔ)充地下水、維持區(qū)域水平衡、調(diào)節(jié)氣候、凈化環(huán)境和保護(hù)生物多樣性等方面均具有重要意義[8-10]。由于近些年來自然和人為因素的雙重作用,這塊上千年形成的環(huán)境資源寶庫已消失殆盡。鑒于此,本文借助 RS和GIS技術(shù),對1975-2007年繞陽河沼澤濕地的時空演變及其驅(qū)動力因素進(jìn)行了初步探討,試圖揭示20世紀(jì)70年代以來該區(qū)沼澤濕地與自然和人類社會經(jīng)濟(jì)活動之間的關(guān)系,從而為該地區(qū)沼澤濕地的保護(hù)及恢復(fù)提供理論依據(jù)[11]。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

繞陽河發(fā)源于阜新縣扎蘭營子鄉(xiāng)查哈爾山北坡少等皋,海拔592.1 m,流經(jīng)阜新、彰武、新民、黑山、遼中等縣,匯入遼河下游雙臺子河,全長290 km,流域面積10 438 km2。在流域內(nèi)部以東沙河為西部邊界,將其東部地區(qū)作為研究區(qū),其地理位置為121°41′51″-122°45′03″E,41°19′49″-42°41′16″N,總面積約為5 506 km2,該區(qū)域的東南部即繞陽河中下游-黑山、遼中和新民三縣(市)交界地帶便是繞陽河沼澤濕地。

繞陽河沼澤濕地是地球第二、三次造山運(yùn)動形成的塌陷區(qū),是繞陽河河道淤塞、河流漫溢形成的,已有上千年歷史。該區(qū)氣候?qū)儆诎敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū),年平均降水量為500～600 mm,多年平均徑流量為6 650萬m3,年平均氣溫5～10℃,全年日照時數(shù)2 270～2 990 h,平均無霜期在 124～215 d。該區(qū)內(nèi)共有脊椎動物多達(dá)289種,國家一級保護(hù)野生動物有丹頂鶴、白鶴等5種;二級野生動物有灰鶴、白枕鶴等27種。由于近些年來農(nóng)田開墾及水利工程的興建使得這片內(nèi)陸河流濕地萎縮干涸,原貌盡失,退化為地表裸露、葦草稀少、沙塵飛揚(yáng)、鳥禽四散的一片荒野。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理平臺 收集了1975年、1988年、1996-2007年繞陽河流域豐水期(7-10月)的遙感衛(wèi)星圖片(包括 TM、ETM+、CBERS)、遼寧省水資源分區(qū)與行政分區(qū)圖、遼寧省土地利用現(xiàn)狀圖、遼寧省土地類型圖、遼寧省水系圖、遼寧省土壤圖、遼寧省植被圖等基礎(chǔ)資料。數(shù)據(jù)處理平臺包括 Map Info 7.0、A rcView 3.3 、Erdas 9.2 。

表1 研究區(qū)濕地分類系統(tǒng)

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 分別對各時相遙感資料進(jìn)行幾何校正,采用3次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換,經(jīng)檢驗(yàn)配準(zhǔn)誤差控制在0.5個象元之內(nèi),采取最鄰近法進(jìn)行重采樣。根據(jù)各類型遙感數(shù)據(jù)的波段統(tǒng)計(jì)特征及假彩色合成效果,對各時相遙感資料進(jìn)行假彩色合成,并進(jìn)行空間增強(qiáng)、輻射增強(qiáng)等處理,使圖像達(dá)到最好效果。在Erdas 9.2處理平臺上,確立解譯標(biāo)志和解譯精度,通過人工交互式對遙感影像進(jìn)行目視解譯。結(jié)合《全國濕地資源調(diào)查與檢測技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的濕地分類方法,參考遼寧省土地利用現(xiàn)狀圖等基礎(chǔ)資料,制定了分級分層結(jié)構(gòu)的濕地分類系統(tǒng)[12](表1)。最后在GIS環(huán)境中對解譯結(jié)果進(jìn)行裁剪、合并等修改,得到1975-2007年繞陽河濕地空間分布圖(圖1)。利用GIS軟件的空間分析功能,對不同時期沼澤數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,獲得相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)信息,從而對繞陽河沼澤濕地32 a來的時空演變情況進(jìn)行分析。

圖1 不同時期繞陽河濕地分布

1.2.3 濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用類型轉(zhuǎn)移是指人們在利用土地資源的過程中,由于土地位置的空間穩(wěn)定性,將一種用途改變?yōu)榱硪环N或幾種用途,或是將幾種用途合并為一種用途,從而導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的現(xiàn)象[13]。借鑒該原理,建立繞陽河濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣,為了更好地描述濕地類型的變化劇烈程度,建立濕地類型轉(zhuǎn)移概率矩陣[14]如式(1)。

式中:Dij——研究時間段內(nèi)第i類濕地類型轉(zhuǎn)化為第j類濕地類型的轉(zhuǎn)移概率;Si——起始年第t類濕地類型總面積;dSij——研究時間段內(nèi)第i類濕地類型轉(zhuǎn)化為第j類濕地類型的面積總和;n——研究區(qū)發(fā)生濕地類型變化的數(shù)量。

1.2.4 濕地重心遷移模型 為定量地描述沼澤濕地的空間變化情況,將土地利用重心模型進(jìn)入其中。通過計(jì)算不同時期各濕地類型的重心坐標(biāo),能夠在一定程度上反映出沼澤濕地在空間上的演變情況及其影響因子。具體做法:分別求出濕地各年濕地分布圖中各濕地斑塊的幾何中心坐標(biāo),然后乘以各濕地斑塊的面積,最后把乘積累加后除以同期全區(qū)濕地的總面積。第t年某濕地類型分布重心坐標(biāo)(經(jīng)緯度)計(jì)算公式可以表示為[15]:

式中:X t、Yt——第 t年某濕地類型分布重心的經(jīng)度、緯度;Cti——第 t年第i塊矢量圖的圖斑面積(km2);Xi、Yi——第 i塊矢量圖斑幾何中心的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)。

表2 各濕地類型面積百分比 %

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地類型總體變化特征

根據(jù)4個時期的遙感解譯數(shù)據(jù),計(jì)算出各濕地類型面積占研究區(qū)總面積百分比的變化情況(見表2)?？梢?沼澤濕地、河流面積占總面積百分比呈減少趨勢,水稻田、建設(shè)用地、裸地面積占總面積百分比逐漸增大,林地、旱地作物、水庫坑塘面積變化趨勢不明顯。

2.2 濕地類型時間演化特征

利用GIS軟件對濕地分布圖進(jìn)行空間分析,得到3個時間段濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣,并計(jì)算得到轉(zhuǎn)移概率(見表3)。濕地類型轉(zhuǎn)化趨勢為:沼澤面積減少且大部分轉(zhuǎn)化為水稻田和裸地面積,其中轉(zhuǎn)化為裸地面積的轉(zhuǎn)移概率逐漸增大,說明沼澤濕地已經(jīng)受到嚴(yán)重的人類開墾和破壞,沼澤濕地退化程度劇烈;水稻田和裸地面積增加且主要由沼澤面積轉(zhuǎn)化而來;河流面積主要轉(zhuǎn)化為旱地作物面積并有少量轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地面積,說明人類農(nóng)業(yè)及開發(fā)建設(shè)活動對河流面積減少起主導(dǎo)作用;林地、水庫坑塘、旱地作物面積與沼澤濕地面積之間沒有轉(zhuǎn)化過程且自身變化規(guī)律不明顯,在本文中不做具體分析。綜上所述,沼澤濕地和水稻田之間的動態(tài)變化是沼澤濕地面積變化的直接因素。

圖2 繞陽河沼澤濕地重心遷移圖譜

2.3 濕地類型空間演化特征

在Map Info支持下獲得各年繞陽河沼澤濕地各斑塊幾何中心坐標(biāo),并利用公式⑵、⑶計(jì)算得到重心坐標(biāo)。本文把4期沼澤濕地重心坐標(biāo)數(shù)據(jù)合成重心演替過程圖譜[16](見圖2),并計(jì)算出3個研究時間段內(nèi)沼澤濕地重心遷移方向及距離等數(shù)據(jù)(見表4)以探討其重心遷移過程及驅(qū)動因素。

表3 濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣(km2)及轉(zhuǎn)移概率矩陣(%)

表4 1975-2007年間繞陽河沼澤濕地重心變化

由圖2、表4得出在32 a間各時間段的沼澤濕地重心遷移情況:在1975-1988年沼澤濕地重心向NE遷移1.58 km,其中向E遷移速度大于向N遷移速度,表明在這個時間段內(nèi)在SW方向上的沼澤濕地發(fā)生了退化,并且在W方向上的退化現(xiàn)象比較嚴(yán)重;在1988-1996年、1996-2007年這兩個時段內(nèi),沼澤濕地均向SW方向遷移,整體上重心向S遷移速度大于向W遷移速度,表明在N方向上的沼澤濕地發(fā)生了較為嚴(yán)重的退化;從各時間段的重心遷移速度來看,在1996-2007年沼澤濕地重心遷移速度最大,說明在該時間段內(nèi)沼澤濕地的受干擾程度最大;從沼澤濕地重心到河流垂直距離來看,由1975年的約2.42 km縮短到2007年的約0.63 km,沼澤濕地重心向河流河岸方向靠近了1.79 km?？傮w來講,32 a間,沼澤濕地重心向SW方向遷移了2.36 km且與繞陽河河岸距離逐漸縮短,沼澤濕地重心向S方向遷移的速度大于向W方向的速度,表明繞陽河沼澤濕地的北部地區(qū)破壞嚴(yán)重。

3 沼澤濕地時空演變驅(qū)動力分析

通過以上對沼澤濕地的時空演變分析可知:自1975年以來,繞陽河沼澤濕地面積占研究區(qū)總面積的百分比由1.908%下降到0.068%且沼澤北部地區(qū)退化現(xiàn)象更為嚴(yán)重。由于對濕地系統(tǒng)造成傷害的外界因素可以分為自然因素和人為因素[17],因此,本文從自然和人為兩方面考慮,對繞陽河沼澤濕地時空演變的驅(qū)動力因子進(jìn)行了定量的分析。

3.1 自然因素

自然因素主要是指全球和區(qū)域氣候變化所造成的影響,但其只為濕地退化提供了一個基本背景,而關(guān)鍵氣象要素在中小尺度上時空分配狀態(tài)的變化和局地氣候特征的改變則可能是濕地退化更直接的原因和動力[17]。鑒于本文研究時間尺度為30 a,因此選擇氣候和水文兩方面的因子作為自然因素對沼澤濕地退化的驅(qū)動力因子。

3.1.1 氣候因子 選取年平均氣溫、年降水量作為氣候方面的驅(qū)動因子。分析32 a間氣候因子的變化趨勢可知:氣溫整體呈上升趨勢但幅度不大、降水量時高時低不具有明顯的變化趨勢。通過將繞陽河沼澤濕地與氣候因子做回歸分析,得到沼澤濕地面積變化與氣溫呈負(fù)相關(guān),與降水量呈正相關(guān),但它們的相關(guān)系數(shù)較小且線性趨勢不顯著,表明在自然狀態(tài)下,溫度升高和降水減少都會使?jié)竦孛娣e退縮,但它們對沼澤濕地退化的影響不明顯,是非主要驅(qū)動因子。

3.1.2 水文因子 由于水文因子是沼澤形成和發(fā)育的先決條件,水量、水質(zhì)、水文狀況、水源補(bǔ)給持續(xù)程度和水分狀況的穩(wěn)定程度都是制約沼澤形成和發(fā)育的因素,因此,與氣候因子相比,水文因子對沼澤濕地形成和發(fā)育的作用更為直接[5]。本文選取河流面積、地下水埋深作為水文方面的驅(qū)動因子。根據(jù)新民縣大民屯公社大民屯水文站的觀測資料,繪制地下水埋深變化曲線圖(見圖3),可以看出,地下水埋深整體呈增大趨勢。通過將地下水埋深數(shù)據(jù)與沼澤濕地面積進(jìn)行回歸分析得到其相關(guān)系數(shù)為負(fù)值,表明地下水埋深的加深會導(dǎo)致沼澤濕地面積減少。這主要是由于淺層地下水在水量互為補(bǔ)充、相互滲透方面與沼澤濕地水文是相互作用的,地下水埋深的加深導(dǎo)致地下水對沼澤濕地水量補(bǔ)充不足,從而使沼澤濕地退化。將研究區(qū)內(nèi)平均地下水埋深與沼澤濕地面積進(jìn)行回歸分析得到相關(guān)系數(shù)為-0.907,說明地下水資源的不合理開采是濕地退化的主要原因。

圖3 1975-2007年地下水埋深變化

圖4 1975-2007年沼澤濕地面積與河流面積變化

根據(jù)遙感解譯數(shù)據(jù),繪制河流面積與沼澤濕地面積變化曲線圖(見圖4)?？梢钥闯?河流面積與沼澤濕地面積變化趨勢比較接近,通過對二者進(jìn)行回歸分析,其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.957,且R2為0.916,表明河流面積與沼澤濕地面積呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。分析原因是河流面積減少主要緣于繞陽河上游地區(qū)河流的急速退化(見圖1),上游水量減少直接導(dǎo)致下游來水量不足,從而造成沼澤濕地的水源得不到補(bǔ)給,再加上在強(qiáng)烈的蒸發(fā)條件下,使得沼澤濕地水位降低,引起濕地萎縮,只有零星分布在地勢低洼且積水較多的地方。結(jié)合研究區(qū)地勢為西北向東南逐漸降低,因此,在32 a間繞陽河沼澤濕地重心向西南即逐漸靠近河流河岸的方向遷移(見表4)。

綜上所述,地下水埋深的加深和河流面積減少都會導(dǎo)致沼澤濕地退化,雖然將以上兩個指標(biāo)作為自然因素方面的驅(qū)動因子,但在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時代,它們受人類的社會經(jīng)濟(jì)活動影響較大,因此,在一定程度上,河流面積與地下水埋深也可以反應(yīng)人類活動對于沼澤濕地退化的影響。

3.2 人為因素

隨著人類社會發(fā)展到一定的進(jìn)程,造成資源長期過度消耗,巨大的人口壓力導(dǎo)致沉重的經(jīng)濟(jì)壓力,進(jìn)而導(dǎo)致巨大的生態(tài)壓力。人類活動對沼澤的影響越來越深刻。從整體上看,這種影響是以開墾、破壞、污染等為主。本文從農(nóng)業(yè)、人口、經(jīng)濟(jì)3個方面探討了繞陽河沼澤濕地時空演變的人為驅(qū)動因子。

3.2.1 農(nóng)業(yè)因子 近些年來,濕地區(qū)域耕地的存在及耕地不斷對濕地進(jìn)行蠶食是濕地面臨的最大威脅[18]。將水稻田面積與沼澤濕地面積進(jìn)行回歸分析得到相關(guān)系數(shù)為-0.933,說明在本研究區(qū)水稻田的存在對沼澤濕地退化起了非常重要的作用。

水稻田從時空兩方面影響了沼澤濕地退化:從時間上,32 a間,沼澤濕地面積所占百分比由1.908%減少到0.068%,而水稻田面積百分比則由0.375%增加到1.530%(見表2),從表3的轉(zhuǎn)移矩陣也可以看出沼澤濕地除自身干涸之外主要轉(zhuǎn)化為水稻田;從空間上,1975-1988年,沼澤濕地重心向東北方向遷移(見表4),主要由于在此期間沼澤濕地的西部、南部地區(qū)耕種了水稻田,此后至2007年,沼澤濕地重心向西南方向遷移(見表4),觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)在這個時間段內(nèi),水稻田從東北逐步向西南地區(qū)擴(kuò)張。

水稻田的時空變化之所以會導(dǎo)致沼澤濕地的時空演變,分析原因主要是:水稻田的耕種侵占了大量沼澤生長區(qū),同時由于水稻田穿插在沼澤濕地之中,破壞了沼澤濕地的連通性,使整塊的沼澤濕地被分割成若干個小斑塊,再加上河流補(bǔ)給水量的減少及蒸發(fā)強(qiáng)度的增大,導(dǎo)致小斑塊逐步退化為裸地。1996-2007年,沼澤濕地向南遷移速度較快的原因主要是由于在此期間水稻田向南部的侵占速度較快,而且在該時段內(nèi),沼澤轉(zhuǎn)化為裸地的轉(zhuǎn)移概率為69.66%,是3個時段中的最大值(見表3),由圖1可以看出裸地主要分布在沼澤濕地的北部地區(qū),因此,沼澤濕地北部地區(qū)的嚴(yán)重干涸退化是該時段內(nèi)沼澤濕地重心快速地向南遷移的主要原因。綜上所述,水稻田的時空變化是繞陽河沼澤濕地時空演變的最直接驅(qū)動因子。

3.2.2 人口因子 水稻田面積的增加歸根結(jié)底是由于人口增加,統(tǒng)計(jì)黑山、新民、遼中三個縣32 a間的年末總?cè)丝跀?shù)據(jù),得到如下結(jié)果:1975-2007年,三縣年末總?cè)丝谟?57.94萬人增加到181.60萬人。其中,在1988-1996年人口數(shù)增長速度最快,而在此期間,沼澤濕地轉(zhuǎn)化為水稻田的轉(zhuǎn)移概率也最大(見表3)。隨著人口的增長,一方面要增加糧食生產(chǎn),除了提高單位面積產(chǎn)量外,還要求擴(kuò)大耕地(水稻田),導(dǎo)致農(nóng)民不斷開墾沼澤[19]。同時由于人口增長而帶來了大量生活污水,導(dǎo)致濕地水資源污染,這也加快了沼澤濕地的退化速度。將人口數(shù)據(jù)與沼澤濕地和水稻田面積進(jìn)行相關(guān)分析,沼澤濕地面積與人口的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.956,水稻田面積與人口的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.960,因此可以說,水稻田直接影響沼澤濕地的時空演變,而人口是該地區(qū)沼澤濕地時空演變的最根本驅(qū)動因子。

采用非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诒戎卮沓鞘谢?統(tǒng)計(jì)黑山、新民、遼中三縣平均城市化水平由1975年的0.11增加到2007年的0.19。隨著城市化水平提高,城市的建設(shè)逐漸侵占農(nóng)用地和河流用地,隨之而來人們對于河流水源的消耗也越來越大,導(dǎo)致繞陽河上游部分河流斷流,上游水量不足使繞陽河中下游沼澤濕地的補(bǔ)水量不足,從而也加速了該區(qū)沼澤濕地的退化。

3.2.3 經(jīng)濟(jì)因子 在市場經(jīng)濟(jì)條件下,開墾沼澤濕地為水稻田不單純是為了滿足人類生產(chǎn)生活所需,而是受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動。過度墾殖導(dǎo)致沼澤生態(tài)環(huán)境的極度惡化,水土流失嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致濕地生態(tài)功能的喪失,逐步干涸退化。同時,在經(jīng)濟(jì)利益的追逐下,人們?yōu)閿U(kuò)大生產(chǎn),在繞陽河140 km中下游干流的兩側(cè)修筑了221.5 km的堤防束水,把繞陽河變?yōu)榍阑暮恿?使繞陽河喪失了其大片沼澤濕地的肢體,失去了健康生命。致使夏季的洪水水多也無法補(bǔ)給生態(tài)環(huán)境,而是入海為安,從而加速了沼澤濕地萎縮干涸的進(jìn)程。

統(tǒng)計(jì)32 a間三縣平均GDP值,由1975年的9.59×108元上升到 2007年的2.56×1011元,增長了近26倍。將GDP值與沼澤濕地面積做相關(guān)分析,得到相關(guān)系數(shù)為-0.876,說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與沼澤濕地面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,是沼澤濕地退化的主要驅(qū)動因子。

4 結(jié) 論

20世紀(jì)70年代以來,由于人類的墾殖和對水資源的不合理利用,改變了繞陽河流域濕地原有景觀面貌和分布格局。應(yīng)用G IS、RS技術(shù)對該地區(qū)濕地32 a來的時空演變進(jìn)行分析并從自然和人為兩方面探討了沼澤濕地退化的驅(qū)動力因素,結(jié)論如下:

(1)32 a年間,繞陽河沼澤濕地面積呈顯著下降趨勢,其主要轉(zhuǎn)出類型為水稻田和裸地,其中轉(zhuǎn)化為裸地的轉(zhuǎn)移概率逐漸增大,沼澤濕地自身退化現(xiàn)象嚴(yán)重;沼澤濕地重心在1988年以前向東北方向遷移,之后持續(xù)向西南方向遷移,32 a間累計(jì)向西南方向遷移2.36 km,距河流垂直距離縮短了1.79 km。

(2)通過對影響繞陽河沼澤濕地退化的驅(qū)動因子分析可知:繞陽河沼澤濕地的變化受到自然和人為因素的共同影響,其中,水稻田的時空變化是沼澤濕地時空演變直接驅(qū)動因子,人口是其根本的驅(qū)動因子,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也與沼澤濕地面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,是其退化的主要驅(qū)動因子。因此可以說,人類活動是導(dǎo)致該區(qū)沼澤濕地退化的最主要驅(qū)動力。

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