基于景觀格局的圖們江流域朝鮮一側(cè)濕地生態(tài)系統(tǒng)時空變化動態(tài)分析

吳春國，樸成哲，薛 嵩，鄭小軍，朱衛(wèi)紅*

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院地理系，吉林延吉 133002;2.長白山生物資源與功

能分子教育部重點實驗室，吉林延吉 133002;3.金日成綜合大學(xué)地球環(huán)境科學(xué)部，朝鮮平壤 025512515)

濕地是地球上土壤、水體和生命相互作用形成的獨特的生態(tài)系統(tǒng)，是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀，為人類生存、繁衍和發(fā)展提供了食物、原料、水資源以及環(huán)境教育和科研基地，具有巨大的經(jīng)濟、社會、科研價值，是人類最重要的生存環(huán)境之一［1－4］。20世紀90年代以來，在自然、社會因素雙重影響下，全球濕地面積減少了50%，且現(xiàn)存濕地景觀均受到不同程度的影響，各區(qū)域之間景觀變化也不盡相同［5－7］。

蔣衛(wèi)國等基于RS和GIS手段，結(jié)合馬爾科夫模型分析三江平原濕地景觀變化，指出三江平原濕地景觀變化顯著，景觀破碎化趨勢明顯［8］;孫鵬等基于景觀生態(tài)學(xué)原理，利用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，解析圖們江上游濕地景觀信息，結(jié)果表明圖們江上游區(qū)域濕地景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎化指數(shù)、景觀均勻度指數(shù)均在一定程度上減少，人類活動是導(dǎo)致圖們江上游濕地景觀變化的主要因素［9］;Heungtae Kim等采用Pb210和C14測年法等方法對朝鮮半島牛浦濕地環(huán)境進行研究，研究表明自20世紀以來，人工筑壩等人類活動對牛浦濕地景觀產(chǎn)生了巨大影響，污染物等排放嚴重威脅著牛浦濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)安全［10］。Jae－Pyoung Yu等對韓國昌南Junam水庫濕地研究發(fā)現(xiàn)，該濕地為白額雁等13種水鳥的重要的棲息地［11］。Takehiko等結(jié)合社會經(jīng)濟、生物理化性質(zhì)等對日本霞浦湖濕地土地利用/土地覆蓋變化情況進行分析，總結(jié)出人口變化和距離城市距離對濕地景觀變化有一定影響，濕地景觀的改變可能造成景觀破碎化現(xiàn)象的發(fā)生［12］。

受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究積累限制，圖們江流域朝鮮咸鏡北道、兩江道區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)景觀時空動態(tài)變化研究還比較少，且成為圖們江流域濕地景觀研究的短板。筆者以咸鏡北道及兩江道部分區(qū)域為研究區(qū)，利用近40年的遙感數(shù)據(jù)和景觀格局研究方法，分析了區(qū)域濕地景觀結(jié)構(gòu)、格局的分異特征，分析了各濕地類型時空變化及各濕地類型間動態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系。結(jié)合自然、社會要素，探討了研究區(qū)域濕地景觀動態(tài)變化規(guī)律及驅(qū)動機制，為圖們江流域濕地的基礎(chǔ)理論研究提供支持。

1 研究區(qū)域概況與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況 該研究以朝鮮北部為研究區(qū)域，其中包括朝鮮咸鏡北道與兩江道的部分地區(qū)(延社郡、茂山郡、會寧市、穩(wěn)城郡、賽別郡、恩德郡、羅先市、三池淵郡、大紅湍郡、白巖郡)［13］。該研究區(qū)域西側(cè)為白豆山脈，東南側(cè)被咸鏡山脈所阻隔，北側(cè)與我國隔江相望(圖1)。

研究區(qū)域地理位置為41°12'46.491″～43°00'16.712″N，128°06'37.549″～130°41'50.745″E。該區(qū)域內(nèi)分布著西頭水、延面水、城川水、會寧川、五龍川等眾多河流及天然湖泊、人工湖泊、沼澤等其他各種濕地景觀。且研究區(qū)域內(nèi)包括白頭高原部分區(qū)域與茂山高原大部分地區(qū)。從區(qū)域氣候特點來看，研究區(qū)域降水量為600～700 mm，1月平均氣溫為－6.2℃，8月平均氣溫為24.2℃，具有大陸性氣候特征。

1.2 研究數(shù)據(jù) 選取的遙感數(shù)據(jù)源包括1976年MSS衛(wèi)星影像，1991、2000、2010年TM衛(wèi)星影像和2014年Landsat8 ETM影像。結(jié)合朝鮮1∶50 000地形圖作為參考數(shù)據(jù)。對MSS、TM、ETM遙感影像進行預(yù)處理操作:首先，利用地形圖結(jié)合遙感影像選取30個地面控制點，采用雙線性內(nèi)插法對遙感影像進行幾何矯正［14］，矯正誤差RMS＜1;其次，鑒于研究區(qū)域范圍較大，因此，需要對影像進行數(shù)字圖像鑲嵌，并根據(jù)研究區(qū)域范圍對鑲嵌后影像進行裁剪操作;最后，結(jié)合遙感知識，采取Landsat(MSS)的4、3、2 波段、Landsat(TM)的5、4、3波段和Landsat(ETM)的7、5、3波段對影像進行彩色合成，彩色合成后影像接近真實地物顏色，濕地景觀信息區(qū)分明顯，適合繼續(xù)進行濕地信息提取操作。

1.3 濕地信息提取過程 根據(jù)研究區(qū)景觀信息特征，借鑒朱衛(wèi)紅等［15］有關(guān)圖們江流域濕地分類體系及分布特征研究當(dāng)中的濕地分類體系的研究結(jié)論，將區(qū)域濕地分為天然濕地和人工濕地兩個二級類型，以此為基礎(chǔ)，分為河流、沼澤、湖泊、水田和其他人工濕地5個三級類型。其中，河流、沼澤、湖泊濕地屬于天然濕地，水田、其他人工濕地屬于人工濕地。其他類型人工濕地主要是指水庫、水田等以外的人工濕地［16］。濕地信息提取主要采用監(jiān)督分類和目視解譯兩種方法相結(jié)合的方式進行分析，生成各年代濕地信息分布圖。該研究利用多年實地野外調(diào)查作為輔助資料，并根據(jù)濕地分類系統(tǒng)，結(jié)合人機交互解譯方法，對1976、1991、2000、2010、2014年5年遙感影像數(shù)據(jù)進行監(jiān)督分類，并采用目視解譯的方法，利用ENVI4.7、Arcgis9.3軟件對影像進行人工判讀，參照地形圖、野外考察數(shù)據(jù)，對影像中濕地信息進行提取，經(jīng)多次反復(fù)修正，得到如下較精確的研究區(qū)域濕地信息(圖2)。

2 研究方法

由于影響濕地變化的因素較為復(fù)雜，僅研究濕地面積在數(shù)量上的變化不足以解釋濕地生態(tài)環(huán)境變化，另一方面研究濕地時空分布變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)性變化。

2.2 轉(zhuǎn)移矩陣 近40年來，研究區(qū)域內(nèi)濕地類型中，天然濕地與人工濕地之間、濕地與非濕地之間發(fā)生著類型轉(zhuǎn)換。通過建立1976～2014年的濕地景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣，可以定量地了解各類景觀類型的轉(zhuǎn)換情況，能直觀地把握濕地景觀各要素的轉(zhuǎn)換過程，體現(xiàn)濕地景觀變化的方向。

2.3 景觀指數(shù) 為了能夠?qū)ρ芯繀^(qū)域內(nèi)濕地景觀情況進行定性、定量分析，以及準確反映區(qū)域內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)組成、空間配置等特征，更清晰地體現(xiàn)濕地景觀演變的趨勢、速率和空間差別等，進而分析其演變機制，筆者選取了如下指標［18－19］:斑塊數(shù)量(NP)、斑塊所占景觀面積比例(LAND，%)、平均斑塊面積(MPS)、斑塊密度指數(shù)(PD)、景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)，分析研究區(qū)濕地景觀格局的空間變化特征。其中，景觀多樣性指數(shù)是一種基于信息理論的測量指數(shù)，其可以反映不同景觀類型的分布均勻性和復(fù)雜性程度，尤其對各斑塊類型非均衡分布特征反映敏感，其表達式為:

均勻度指數(shù)是描述景觀里不同景觀類型的分配均勻程度。其表達式為:

式中，Pk為景觀斑塊類型k在景觀中所占的面積比例;m為景觀類型數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 總體變化分析 為了對遙感調(diào)查的各種濕地類型進行統(tǒng)計分析，采用了ArcGIS軟件的空間分析與屬性分析功能，針對5種濕地類型，對1976～2014年濕地面積、動態(tài)度進行統(tǒng)計分析，分析研究區(qū)域濕地面積在不同時期內(nèi)變化的總體趨勢。

由表1可知，1976年濕地總面積22 741.27 hm2，其中天然濕地面積為15 491.39 hm2，占濕地總面積的68.12%;人工濕地面積為7 249.88 hm2，占濕地總面積的31.88%。2014年濕地面積為22 459.96 hm2，濕地面積較1976年下降了1.23%。其中天然濕地面積為9 452.48 hm2，占濕地總面積的42.09%;人工濕地面積為13 007.48 hm2，占濕地總面積的57.91%。可見，濕地總面積變化不明顯。對各年份濕地總面積分析比較可知，1991年較1976年濕地總面積減少了9.8%;2010年較2000年濕地總面積減少了16.2%。濕地總面積呈波動趨勢。結(jié)合濕地動態(tài)度LC分析，其中天然濕地面積下降，人工濕地面積上升。其他人工濕地面積增加了66.9%，動態(tài)度為1.71%;水田濕地面積增加約1倍，動態(tài)度為2.09%;河流濕地面積明顯萎縮，減少52.2%。

表1 不同時期的濕地面積變化 hm2

3.2 上中下游變化分析 上文中，基于GIS和RS技術(shù)支持下，結(jié)合濕地動態(tài)度、濕地生態(tài)量化指標，對1976～2014年研究區(qū)域典型濕地景觀分布現(xiàn)狀、變化特征進行分析。結(jié)合研究區(qū)域地形、山脈、水系走向，可將研究區(qū)域分為上中下游3個區(qū)域進行比較分析(上游:延社郡、三池淵郡、大紅湍郡、白巖郡;中游:茂山郡、會寧市、穩(wěn)城郡;下游:賽別郡、恩德郡、羅先市)，如圖3。由于各地區(qū)自然、人文等條件存在差異，濕地景觀變化結(jié)果存在明顯差異。

如圖4所示，1976年上游區(qū)濕地總面積為8 703.41 hm2，2014年上游濕地總面積為5 370.92 hm2，減少近1/3;1976年中游濕地總面積為3 757.16 hm2，2014年中游濕地總面積為4 185.40 hm2，總面積有所增加;下游濕地總面積由1976年10 280.70 hm2增加到2014年12 903.64 hm2，增加1/5。3個區(qū)域內(nèi)河流濕地面積減少明顯，其中，上游區(qū)河流濕地面積減少最多;3個區(qū)域內(nèi)水田濕地面積都有增加，其中，下游區(qū)由于大量的沼澤和湖泊被開墾成水田，造成水田濕地面積增加明顯，由4 905.70 hm2增加至8 077.36 hm2。

1976年研究區(qū)域內(nèi)上中下游各類型濕地所占的比重均有不同，湖泊濕地面積比重下游26.87% ＞上游0.50% ＞中游0%，沼澤濕地面積比重下游2.80%＞上游0.01% ＞中游0%，河流濕地比重上游88.24% ＞中游64.11% ＞下游22.46%，由于下游海拔較低，坡度較緩，水田比重下游47.72%＞中游35.89%＞上游0.07%，其他人工濕地上游11.19% ＞下游0.15% ＞中游0%(圖5)。

2014年研究區(qū)域上中下游濕地典型區(qū)濕地面積較1976年有不同變化，湖泊濕地面積比重下游23.26%＞上游4.36% ＞中游1.32%，沼澤濕地面積比重下游1.74% ＞上游0.12%＞中游0%，河流濕地面積比重上游66.46% ＞中游20.83%＞下游11.54%，水田面積比重中游75.25% ＞下游62.60% ＞上游2.40%，其他人工濕地面積比重上游22.66%＞中游2.61% ＞下游0.86%(圖6)。

從斑塊密度指數(shù)分析，1976～2014年研究區(qū)上中下游PD指數(shù)均呈現(xiàn)增長趨勢(圖7a)，表明研究區(qū)域內(nèi)濕地斑塊數(shù)量增加，平均斑塊面積減小。其中，尤其以人為開發(fā)較多的中游區(qū)域增加明顯。結(jié)合景觀多樣性指數(shù)分析，上游、中游區(qū)域SHDI指數(shù)分別由0.56、0.94增加至1.24、0.99，下游區(qū)域SHDI指數(shù)由1.66降低至1.43(圖7b)，表明上游、中游區(qū)域各濕地類型占總面積比逐漸減小，下游區(qū)域則相反。結(jié)合1976和2014年各類型濕地變化(圖4)分析，表明水田面積持續(xù)增加，河流面積繼續(xù)減少，兩者間差異呈持續(xù)擴大趨勢。結(jié)合景觀均勻度指數(shù)分析，上游、中游區(qū)域SHEI指數(shù)分別由1.30、2.19增加至2.87、2.32，下游SHEI指數(shù)由3.86降低至3.33(圖7c)，表明下游濕地景觀中各斑塊在面積上分布不均勻程度加劇。

3.3 轉(zhuǎn)換規(guī)律分析 根據(jù)1976和2014年濕地信息數(shù)據(jù)求出濕地景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣?？芍?，1976～2014年研究區(qū)域內(nèi)天然濕地面積與人工濕地面積間變化顯著。其中，沼澤濕地和河流濕地變化最為明顯，多轉(zhuǎn)變?yōu)樗锏热斯竦亍＝?jīng)計算，①2.53%的水田轉(zhuǎn)變?yōu)榱苏訚蓾竦?②6.8%的沼澤濕地、25.3%的河流濕地經(jīng)過人為活動的改造和開發(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱怂?③1.62%的河流濕地和0.04%的水田轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)魚池等人工濕地。

表2 1976～2014年濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣hm2

3.4 景觀格局變化分析 研究區(qū)域整體濕地面積變化不大，1976～2014年期間，濕地面積減少了1.23%。而濕地斑塊數(shù)量增加明顯，1976～2014年間，斑塊數(shù)量由225增加至643，增加了近3倍，說明研究區(qū)域濕地破碎程度增加。各濕地類型中，湖泊濕地、河流濕地、水田變化最為明顯。①湖泊濕地平均斑塊面積減少84.6%，斑塊數(shù)量卻增加了近7倍;②沼澤濕地平均斑塊面積變化不大，斑塊數(shù)量變化也不大;③河流濕地面積減少了52.1%，說明近年來水位下降，河流面積發(fā)生萎縮，原本比較細小的河流逐漸消失;④人工濕地中，水田面積雖然增加比較明顯，但平均斑塊面積卻減少了1/3，斑塊數(shù)量增加了1倍多，說明區(qū)域內(nèi)水田隨著人工的開發(fā)利用，破碎化程度逐漸加重;⑤人工水庫、養(yǎng)魚池、孵化池等其他人工濕地面積增加十分明顯，平均斑塊面積卻隨著斑塊數(shù)量的增加而出現(xiàn)減小的趨勢，表明人們?yōu)榱私?jīng)濟發(fā)展的需要，人為地將大面積的濕地分割成小塊的人工水庫、池塘等，便于經(jīng)濟開發(fā)等需要。

3.5 驅(qū)動機制分析

3.5.1 氣候因素。氣候是影響濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的主要因素。分析區(qū)域內(nèi)1976～2014年氣溫、降水等的變化，發(fā)現(xiàn)氣溫出現(xiàn)增加的趨勢，降水量也有所減少。這直接影響了濕地的水文情況，導(dǎo)致部分河流出現(xiàn)萎縮干涸、沼澤縮小消失。加之濕地生態(tài)系統(tǒng)本身較脆弱，人工開發(fā)濕地多與天然濕地相互聯(lián)系，更加速了天然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變的過程。

3.5.2 社會經(jīng)濟因素。1976～2014年研究區(qū)域內(nèi)自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變與社會經(jīng)濟因素有一定的關(guān)聯(lián)性。研究區(qū)域內(nèi)自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變較為嚴重的為中游、下游區(qū)域，這與兩區(qū)域社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)特征有很大關(guān)系。中游、下游區(qū)域為會寧市、羅先市等，人口相對較多，兩區(qū)域人口占研究區(qū)域總?cè)丝诘?2.227%(中游占41.712%，下游占40.515%)，區(qū)域內(nèi)集中了以茂山鐵礦(占朝鮮鐵礦總儲量2/3)為主等多家礦場、煤場。區(qū)域內(nèi)為滿足魚類養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)灌溉等需要，多采用攔河蓄水方式修筑水利工事，因此區(qū)域內(nèi)水電站眾多。相比上游區(qū)域，兩區(qū)域地形平坦、坡度平緩，天然湖泊、沼澤等天然濕地及水田等人工濕地分布較為廣泛。因此，導(dǎo)致天然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變。

3.5.3 環(huán)境意識因素。天然濕地保護十分重要而迫切，但研究區(qū)域內(nèi)公眾參與力度不足，宣傳、科普工作有待加強。目前，當(dāng)?shù)卣畬Νh(huán)保意識教育工作重視不足，有關(guān)環(huán)保意識教育培訓(xùn)也非常有限。針對當(dāng)?shù)厝罕娺M行的環(huán)保教育效率不高，宣傳面不廣，多數(shù)群眾僅僅是聽過濕地保護，但是對于其中包括的濕地類型、生態(tài)功能、生態(tài)價值都一無所知，環(huán)保意識的宣傳教育顯得尤為重要。積極建立區(qū)域濕地環(huán)境與教育基地將有利于對濕地進行保護。

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)域2014年濕地總面積22 459.96 hm2，其中，天然濕地9 452.48 hm2，人工濕地面積為13 007.48 hm2。與1976年相比，濕地面積共減少281.31 hm2，其中，天然濕地減少6 038.91 hm2，人工濕地增加5 757.6 hm2。天然濕地比重降低，人工濕地面積比重增加。其中，河流濕地面積減少幅度較大，水田與其他人工濕地面積增加明顯。中下游濕地變化明顯，水田面積變化幅度最大。

(2)天然濕地與人工濕地之間發(fā)生類型轉(zhuǎn)化。其中，大量天然濕地轉(zhuǎn)化為人工濕地，河流濕地與沼澤濕地轉(zhuǎn)換為水田等其他人工濕地幅度最大。1976～2014年有520.46 hm2河流沼澤濕地轉(zhuǎn)化為水田及其他人工濕地。

(3)近40年研究區(qū)域濕地景觀斑塊數(shù)量、斑塊密度指數(shù)在增加，而平均板塊面積、景觀多樣性指數(shù)在減少，尤其以中下游變化明顯，主要受人類活動干擾較大。

(4)社會經(jīng)濟因素較之氣候因素成為研究區(qū)域天然濕地減少的主要驅(qū)動力。區(qū)域內(nèi)河流濕地被開發(fā)利用十分明顯，用于魚類養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)灌溉等。當(dāng)?shù)鼐用駷榻?jīng)濟發(fā)展，改造濕地使之成為水田，導(dǎo)致人工濕地面積擴大。農(nóng)業(yè)活動是圖們江流域朝鮮一側(cè)天然濕地減少的主要驅(qū)動因素。

筆者基于時間、空間角度，結(jié)合遙感影像對圖們江流域咸鏡北道、兩江道部分地區(qū)濕地變化情況進行分析。受研究區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究積累限制，且濕地生態(tài)系統(tǒng)本身較為復(fù)雜，有待以后深入研究，為研究區(qū)域濕地生態(tài)安全評價、生態(tài)恢復(fù)等研究提供依據(jù)。

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