呼倫湖濕地動態(tài)變化遙感監(jiān)測及驅(qū)動力分析

吳亞男，龐治國，路京選，曲 偉

（中國水利水電科學研究院 遙感技術(shù)應(yīng)用開發(fā)中心，北京 100048）

1 研究背景

在全球性氣候變化、人口過快增長的背景下，由于不合理開發(fā)以及人類活動，導(dǎo)致濕地環(huán)境遭到嚴重的干擾和破壞，生態(tài)環(huán)境受到嚴重影響，濕地的動態(tài)變化已成為當前研究的熱點問題。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，各國相繼推出了多種空間分辨率和多種用途的遙感衛(wèi)星。目前，Landsat MSS/TM/ETM+、HJ-1A以其較高的空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率，成為研究濕地變化監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源。王穎等[1]將Landsat TM影像和印度IRS影像進行融合處理，通過統(tǒng)計植被覆蓋變化對北京野鴨湖濕地資源變化特征做了分析研究，李東東等[2]采用Landsat TM/ETM+、SPOT和CBERS等多源遙感數(shù)據(jù)組合，利用空間疊加分析方法分別在時間和空間上對珠海地區(qū)的濕地資源動態(tài)變化和驅(qū)動力進行了分析，詹華明等[3]以Landsat TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)為信息源，通過構(gòu)建濕地動態(tài)變化指標體系定量分析了天津市寧河濕地資源動態(tài)變化。

近年來，呼倫湖濕地生態(tài)環(huán)境正急劇惡化，嚴重威脅著東北乃至華北地區(qū)的生態(tài)安全，一些學者對該地區(qū)進行了研究。趙慧穎等[4-5]和白美蘭等[6]對呼倫湖地區(qū)多年的氣溫、降水量、蒸發(fā)量與水體面積、水位深度、水質(zhì)狀況進行了回歸統(tǒng)計分析，認為氣候暖干化趨勢是造成呼倫湖濕地水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因。嚴登華等[7]分析了呼倫湖流域地質(zhì)歷史時期、人類歷史時期及近代的生態(tài)水文過程和水環(huán)境系統(tǒng)的演化過程，認為呼倫湖水環(huán)境系統(tǒng)受到流域內(nèi)生態(tài)水文過程的影響十分明顯。本文以多源多期遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，運用GIS技術(shù)對呼倫湖濕地近36年的面積動態(tài)變化情況進行分析，并分析其變化的驅(qū)動力，為呼倫湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合治理提供參考依據(jù)。

呼倫湖位于我國東北地區(qū)內(nèi)蒙古自治區(qū)的呼倫貝爾市新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗及滿洲里之間，東經(jīng)117°00′10″—117°41′40″，北緯48°30′40″—49°20′40″，毗鄰俄羅斯和蒙古國（如圖1）。呼倫湖湖面呈不規(guī)則斜長方形，軸線方向為東北至西南，湖水面積約2 339km2，加上周邊草原共7 400km2，平均水深5.7m，最大水深10m。呼倫湖濕地屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，冬季漫長而冷，夏季并不炎熱，年平均氣溫為-0.1℃，多年平均降水量為247～319mm，且多集中在6—9月份（約占全年降水的76%），年蒸發(fā)量達1 400～1 900mm。呼倫湖區(qū)域內(nèi)共有高等植物653種，植被覆蓋率在70%以上，湖區(qū)地帶性植被為草原，主要有草甸草原、干草原、沙生植被、鹽生植被、草甸植被和沼澤植被等，主要植物種類有貝加爾針茅、羊草、蔭菅、克氏針茅、沙蓬（沙生植被）、蘆葦、柳灌叢等。呼倫湖濕地被稱為呼倫貝爾“草原之腎”，于1992年經(jīng)國務(wù)院批準升級為國家級自然保護區(qū)，2002年列入《國際重要濕地名錄》，屬典型的內(nèi)陸濕地，主要濕地類型包括永久性河流、湖泊、灌叢濕地等。保護區(qū)的保護類型是內(nèi)陸濕地及水域生態(tài)系統(tǒng)，主要保護對象是濕地生態(tài)系統(tǒng)和以鳥類為主的珍稀瀕危野生動物。

圖1 研究區(qū)地理位置示意

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源介紹對于大區(qū)域尺度的濕地遙感監(jiān)測[8]，采用中高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合地面調(diào)查和各種參考資料，研究結(jié)果精度基本能滿足要求。濕地光譜信息是濕地植被、水文和土壤等光譜特性的綜合反映，而水文、植被、土壤狀況具有季節(jié)性變化的特征，因此需選取同一時相或相鄰時相的影像進行研究。本研究綜合考慮空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率等因素，采用的數(shù)據(jù)源包括：7景Landsat MSS/TM/ETM+影像，時間分別為1975年4月、1987年6月、1993年9月、2000年9月、2002年8月、2005年8月和2006年8月；1景環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星（HJ-1A）CCD影像，時間為2011年8月。其中，1975年的MSS影像分辨率為80m，其余7景影像分辨率均為30m。

2.2 研究方法《國際濕地公約》對濕地的定義是“包括沼澤、灘涂、低潮時水深不超過6m的淺海區(qū)、河流、湖泊、水庫、水稻田等”，它有利于將濕地及附近的水體、陸地形成一個整體，便于保護和管理。本文以呼倫湖（包括新開湖和新達賚湖）作為研究對象，為了研究需要，本文將呼倫湖濕地劃分為水體濕地（湖泊、河流）和非水體濕地（沼澤、灘涂）。對該區(qū)域1975—2011年的8景影像進行裁剪拼接、波段組合、幾何校正、圖像增強等預(yù)處理的基礎(chǔ)上，首先利用基于綠光波段和近紅外波段的歸一化水指數(shù)（NDWI）模型[9]提取水體信息，同時根據(jù)遙感影像的顏色（灰度）、斑塊形狀、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)及其周邊環(huán)境的關(guān)系，建立呼倫湖及其周邊2種不同類型濕地的遙感解譯標志，采用監(jiān)督分類結(jié)合人機交互式解譯的方式提取非水體濕地信息，由此得到不同年份呼倫湖濕地遙感解譯結(jié)果；然后利用ArcGIS的空間分析功能動態(tài)分析其變化特征，并從自然和社會經(jīng)濟兩個方面進行驅(qū)動力分析。技術(shù)路線如圖2所示。

2.2.1 水體提取 由于水體在近紅外波段有強吸收性，而從綠光波段到近紅外波段反射率逐漸降低，利用綠光波段和近紅外波段的歸一化差值運算，能夠?qū)⑺w和其他背景地物最大程度的分離，因此本文采用歸一化水指數(shù)（NDWI）模型進行水體信息的提取，其計算公式如下：

式中：Green為陸地衛(wèi)星第二波段；NIR為陸地衛(wèi)星第四波段。將波段運算結(jié)果灰度圖進行色彩密度分割，并分為幾個大類，其中水體的值最大，在0.93到1之間，其他背景地物的值在0到1之間。根據(jù)以上公式計算得到呼倫湖湖區(qū)水體范圍。

圖2 研究技術(shù)路線

2.2.2 非水體濕地提取 濕地研究的關(guān)鍵在于定量化獲取，本文根據(jù)影像特征建立解譯標志，采用監(jiān)督分類為主、人機交互式解譯為輔的方式進行呼倫湖非水體濕地信息的提取。在解譯過程中，選擇對濕地信息反應(yīng)良好的波段進行假彩色合成，經(jīng)過反復(fù)比較試驗，得出4、3、2波段組合能較好地反映濕地信息，色彩反差明顯，層次豐富，而且地物的色彩顯示規(guī)律與常規(guī)合成片相似，與目視判讀習慣相符。在ERDAS中對各類地物建立AOI，然后利用Majority方式對訓(xùn)練區(qū)進行純化處理，以消除訓(xùn)練區(qū)內(nèi)部的噪聲，采取無參數(shù)最大似然分類法對圖像進行監(jiān)督分類[10]；為提高圖像分類的精度，考慮結(jié)合實際情況，通過人機交互的方式對分類結(jié)果進行識別和修改，在呼倫湖區(qū)域的8景影像中，非水體濕地都呈片狀分布于水面及河道周圍，顏色較周圍地物偏紅。

3 結(jié)果分析

3.1 濕地變化動態(tài)特征根據(jù)上節(jié)提出的提取濕地方法得到研究區(qū)水體和非水體濕地不同時期的動態(tài)分布圖（如圖3所示）。利用ArcGIS的統(tǒng)計功能分別計算該區(qū)域8期的水體和非水體濕地面積，結(jié)果如表1所示，不同時期的面積值變化趨勢及其相對于1975年的變化率如圖4所示。統(tǒng)計結(jié)果表明，呼倫湖濕地退化趨勢明顯，主要表現(xiàn)在該地區(qū)的水體和非水體濕地面積呈減少趨勢。從時間上看，1975年呼倫湖水體面積為2 299km2，2011年水體面積為1 777km2，較1975年減少了22.7%；1975年的非水體濕地面積為425km2，2011年為315km2，較1975年減少了25.9%。從空間分布上看，呼倫湖水體面積顯著縮小，非水體濕地退化較為嚴重。從圖5中可以看出位于呼倫湖東北部的新開湖到2011年已完全干涸，位于其東南部的新達賚湖也大面積萎縮。湖周的非水體濕地主要是分布在呼倫湖東北、東側(cè)和西南的三大塊，從2011年與1975年的非水體濕地對比也可以明顯看出非水體濕地周邊大面積萎縮。

表1 1975—2011年呼倫湖濕地面積變化

3.2 濕地變化驅(qū)動力分析濕地作為一個完善的自然生態(tài)系統(tǒng)，對外界的干擾具有一定的免疫能力，當免疫能力不足以抵御外界影響時，系統(tǒng)受到破壞，濕地發(fā)生退化，如無法及時進行補救則會徹底消失[10]。濕地退化是生態(tài)環(huán)境脆弱性的具體表現(xiàn)，其誘因可分為自然因素和社會經(jīng)濟因素兩個方面，本文從以上兩個方面對造成呼倫湖濕地退化的驅(qū)動力進行定量分析。

圖3 1975—2011年呼倫湖濕地動態(tài)分布

圖4 呼倫湖湖區(qū)面積變化

圖5 1975—2011年呼倫湖濕地變化

3.2.1 自然因素 （1）氣溫升高。呼倫湖區(qū)域近50多年（1960—2011年）平均氣溫增高趨勢明顯，20世紀60年代的氣溫均值為0.26℃，70年代為0.47℃，80年代為0.76℃，到了90年代達到1.96℃，2000年以后為2.14℃，從1987年開始氣溫發(fā)生了突變，增溫速度加快，90年代后升溫幅度進一步加大。年平均氣溫變化趨勢如圖6（a）；（2）降水減少。趙慧穎等[4]人對呼倫湖濕地1961—2005年的降水量進行研究，結(jié)果表明呼倫湖濕地年平均降水量呈減少趨勢，為了進一步分析2000年以來該區(qū)域降水的演變規(guī)律，本文結(jié)合Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）衛(wèi)星3B43降雨資料分析了呼倫湖流域1961—2011年的降水量變化（如圖6（b））。從較長序列的年降水量數(shù)據(jù)可以看出，1982—1998年呼倫湖區(qū)域為多雨期，1999—2007年為極干燥的少雨期，年降水量有減少趨勢。而從TRMM數(shù)據(jù)可以直觀看出降水量的空間分布情況，近10年來呼倫湖湖區(qū)及其上游水源地降水量偏低。利用新巴爾虎右旗2000—2011年TRMM數(shù)據(jù)單像元值、2×2像元值、3×3像元值分別與氣象站實測值進行相關(guān)分析，得到3×3像元值與實測值吻合最好，故本研究均選用3×3像元值進行分析，得到新巴爾虎右旗近10年來的年均降水量僅191mm，新巴爾虎左旗年均降水量298mm，滿洲里年均降水量291mm，均低于多年降水量平均值；（3）蒸發(fā)量增加。根據(jù)新巴爾虎右旗氣象站實測年蒸發(fā)量數(shù)據(jù)表明，呼倫湖區(qū)域近50多年的年蒸發(fā)量呈增高趨勢，增加趨勢明顯時期主要集中在20世紀80年代末期以后，現(xiàn)正處在“峰值”區(qū)域。年蒸發(fā)量變化趨勢如圖6（c）。呼倫湖水源主要由烏爾遜河、克魯倫河和周邊約5 000km2集水面積徑流補給。根據(jù)克魯倫河阿拉坦額莫勒站和烏爾遜河坤都冷站1960—2007年水文觀測資料分析，烏爾遜河、克魯倫河2000—2007這8年間由于降水減少，少補給水量64.88億m3，同時由于氣溫升高、蒸發(fā)量增加，多消耗水量約3億m3。因此，氣溫升高、降水量減少、蒸發(fā)量加大，致使所在區(qū)域的主要補給河流入湖量減少，這是造成呼倫湖水位下降的主要原因。

圖6 呼倫湖流域的3項指標

3.2.2 社會經(jīng)濟因素 （1）人口增加與耕地沙化。近20年研究區(qū)的人口和耕地呈增長趨勢。根據(jù)1990年全國第四次人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1990年滿洲里市人口為137 000人，新巴爾虎左旗39 600人，新巴爾虎右旗30 736人；2000年全國第五次人口普查時，滿洲里市人口較1990年增加了44 112人，新巴爾虎左旗人口較1990年增加了2 047人，新巴爾虎右旗人口較1990年增加了6 028人；到2010年第六次全國人口普查，滿洲里市人口較1990年增加112 473人，新巴爾虎左旗人口較1990年增加了658人，新巴爾虎右旗人口較1990年增加了5 620人。人口的增加伴隨著對糧食需求的增加，耕地面積逐年增加，但有些土地是宜牧或宜林區(qū)，氣候條件和土壤類型根本不適合農(nóng)耕，因此在開墾幾年后就被棄耕，造成大量水土流失和沙漠化的發(fā)展。從1994年第一次全國荒漠化普查以來，新巴爾虎左旗沙地一直呈擴展趨勢。20世紀90年代初新巴爾虎左旗沙化土地面積占全旗總面積的11%，1997年沙化土地面積占全旗土地總面積27.1%，2004年該地區(qū)沙化土地面積占全旗總面積的36.8%，占呼倫貝爾市沙地面積的61%，與1994年對比，沙地面積增加56萬hm2，年平均凈增5.6萬hm2，增速為23.9%；（2）超載過牧。巴爾虎草原是呼倫湖濕地的主要組成部分，也是呼倫貝爾市重要的生態(tài)區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，該區(qū)域2000—2007年牧業(yè)年度牲畜存欄量由123萬頭（只）增加到144.7萬頭（只），而此間，草原沙化、退化面積由58.7萬hm2擴大到79.7萬hm2，草原載蓄量由135萬羊單位下降到74.7萬羊單位，牲畜頭數(shù)增加與草場退化、草原生產(chǎn)能力下降之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，長時間超載過牧[11]導(dǎo)致呼倫湖沿湖植被退化，對呼倫湖濕地造成進一步的破壞。

綜上所述，氣溫升高、降水量減少、蒸發(fā)量加大，致使所在區(qū)域的主要補給河流入湖量減少，這是造成呼倫湖水位下降的主要原因，人口耕地增加、長期超載過牧等社會經(jīng)濟因素也在一定程度上加速了呼倫湖濕地的退化。

4 結(jié)論

呼倫湖流域水資源短缺、濕地退化等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，本文利用多源遙感與GIS技術(shù)對呼倫湖區(qū)域1975、1987、1993、2000、2002、2005、2006和2011年8個時期的濕地進行動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域水體和非水體濕地大面積萎縮和退化，水體面積較1975年減少了22.7%，非水體濕地面積較1975年減少了25.9%。驅(qū)動力分析結(jié)果表明，氣溫升高、降水量減少等自然因素使得呼倫湖區(qū)域來水量減少，自身消耗增加，這是導(dǎo)致呼倫湖地區(qū)濕地退化的直接原因；同時人口增長、長期超載過牧等社會經(jīng)濟因素也在一定程度上對呼倫湖濕地造成破壞，加速了呼倫湖濕地的退化。呼倫湖濕地在呼倫貝爾草原的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟效益中起著不可替代的重要作用，在氣候暖干化趨勢及人類活動加劇的干擾下，恢復(fù)濕地的水資源量，保護濕地的功能，任務(wù)十分艱巨。

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