呼倫湖濕地遙感變化監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)分析

孟慶吉 臧淑英 宋開山 劉閣 房沖

摘要以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用非監(jiān)督分類和人工目視解譯的方法，獲得呼倫湖1984—2015年7期濕地類型數(shù)據(jù)，并對(duì)呼倫湖濕地動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，1984—2015年呼倫湖湖泊濕地和沼澤濕地面積均呈波動(dòng)性減少態(tài)勢(shì)，面積減少率分別為2.1%和50.6%;河流濕地面積增長(zhǎng)了40.2%;坑塘濕地平均每年減少0.65 km2。1984—2015年沼澤濕地主要轉(zhuǎn)為草地和草甸，坑塘濕地主要轉(zhuǎn)為沼澤濕地、草地和草甸，河流濕地主要轉(zhuǎn)為草地、沼澤濕地和湖泊濕地，湖泊濕地主要轉(zhuǎn)為草地和鹽堿地。各類型濕地主要轉(zhuǎn)化為草地、草甸和鹽堿地，也存在互相轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。呼倫湖濕地變化的主要自然因素為多年來(lái)降水量減少和氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大，主要人為因素為人口數(shù)量、耕地面積和牲畜存欄量的急劇增長(zhǎng)使得濕地生態(tài)受到破壞。

關(guān)鍵詞呼倫湖;濕地;遙感;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);驅(qū)動(dòng)分析

中圖分類號(hào)S181文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2019）02-0043-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.014

濕地是整個(gè)地球表面圈層中生產(chǎn)力最旺盛和生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一，也是維持地球各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)之間相互平衡的重要組成部分[1]。濕地不但具有調(diào)節(jié)徑流、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等生態(tài)方面功能，而且還有為人類生活和生產(chǎn)提供各種資源的功能[2-4]。隨著人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增多，人類對(duì)濕地的過(guò)度開發(fā)和污染也在加劇，導(dǎo)致濕地面積在持續(xù)減少，而濕地生態(tài)系統(tǒng)也遭受了極為嚴(yán)重的破壞，因此，使得濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的研究已成為當(dāng)代科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[5-7]。

對(duì)濕地進(jìn)行遙感變化監(jiān)測(cè)研究的重點(diǎn)是要掌握濕地資源變化的狀況，遙感技術(shù)具有獲取信息速度快、信息量大、觀測(cè)范圍廣、信息更新速度快等特點(diǎn)，使得遙感技術(shù)在濕地變化監(jiān)測(cè)中扮演著至關(guān)重要的角色[8-10]。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用遙感技術(shù)在濕地變化監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。張娜等[11]通過(guò)建立一元回歸方程和Spearman分析法，分析了氣象因素的變化對(duì)呼倫湖湖泊面積變化的影響;楊會(huì)彩等[12]研究發(fā)現(xiàn)，呼倫湖水域的萎縮會(huì)導(dǎo)致周邊草地植被覆蓋度降低，土地退化嚴(yán)重，土地沙化面積快速增長(zhǎng);吳亞男等[13]采用監(jiān)督分類結(jié)合人機(jī)交互解譯的方法對(duì)呼倫湖濕地進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)呼倫湖水域面積和周邊濕地在持續(xù)萎縮和退化;朱長(zhǎng)明等[14]通過(guò)運(yùn)用支持向量機(jī)的方法，分析了1990—2010年博斯騰湖濕地變化分布狀況及驅(qū)動(dòng)分析;Cui等[15]基于RS和GIS技術(shù)，分析1975—2007年?yáng)|北地區(qū)濕地現(xiàn)狀分布、時(shí)空變化原理和轉(zhuǎn)換矩陣;Chopra等[16]利用IRS影像，并通過(guò)目視解譯的方法提取多時(shí)段濕地變化信息，對(duì)印度的Harike濕地區(qū)各類型濕地變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究。以上學(xué)者雖然對(duì)濕地的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)分析有一定的成果，但是并沒(méi)有對(duì)濕地類型發(fā)生變化后的轉(zhuǎn)化方向進(jìn)行分析，更沒(méi)有將氣候等自然因素和人口、耕地等人為因素相互結(jié)合綜合并總體分析濕地變化的驅(qū)動(dòng)力因素。因此，筆者以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，依托遙感技術(shù)，分析1984—2015年呼倫湖濕地動(dòng)態(tài)變化的狀況，通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣模型對(duì)各類型濕地的轉(zhuǎn)化狀況進(jìn)行研究，并依據(jù)氣象數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒等數(shù)據(jù)對(duì)呼倫湖濕地變化的驅(qū)動(dòng)力因素進(jìn)行分析。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

呼倫湖（117°00′10″～118°08′10″E，48°50′80″～49°32′50″N）位于我國(guó)內(nèi)蒙古高原東北部的呼倫貝爾市境內(nèi)。湖泊整體輪廓呈西南—東北走向的不規(guī)則長(zhǎng)方形，湖泊面積約2 300 km2，平均湖水水位海拔541 m，平均水深為5.7 m。該地處于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季溫和少雨，冬季寒冷漫長(zhǎng)，多年平均降水量為240～320 mm，多年平均氣溫在1.1 ℃左右。由于近年來(lái)氣候變暖、降水量減少和蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致呼倫湖流域內(nèi)哈拉哈河、烏爾遜河、克魯倫河等河流和大氣降水對(duì)呼倫湖補(bǔ)給減少，再加上人類活動(dòng)的急劇增多，致使呼倫湖濕地遭受嚴(yán)重破壞且急劇萎縮。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究在綜合考慮了研究區(qū)的實(shí)際狀況、空間分辨率、覆蓋周期以及含云量等重要信息后，選擇了美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源。再基于生物生長(zhǎng)的季節(jié)性變化和水文變化特征，選取了每年的7—8月份的遙感影像數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上以1984年的影像為起始，以5年左右為一個(gè)時(shí)間間隔，選取了1984年8月15日的Landsat MSS影像，1989年8月3日、1996年8月31日、2000年7月18日、2006年8月18日和2009年7月25日的Landsat TM影像，以及2015年7月9日的Landsat ETM+影像。MSS影像分辨率為60 m，TM和ETM+影像分辨率為30 m。

1.3分類系統(tǒng)與研究方法

建立合理的、有效的濕地分類系統(tǒng)，可以明確濕地類型結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)濕地類型的變化。因此，該研究基于國(guó)際公認(rèn)的濕地分類體系《濕地公約》[17]、唐小平等[18]通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外資料總結(jié)的中國(guó)濕地分類系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)遙感分類的可操作性，將研究區(qū)內(nèi)的濕地分為湖泊濕地、河流濕地、沼澤濕地和坑塘濕地。

首先借助ENVI 5.1軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行波段組合、圖像信息增強(qiáng)等預(yù)處理，然后利用歸一化水體指數(shù)（NDWI）模型提取影像中湖泊等水體信息，通過(guò)ArcGIS軟件對(duì)已經(jīng)提取的研究區(qū)內(nèi)的主體湖泊建立緩沖區(qū)，緩沖區(qū)范圍為10 km，最后利用ENVI 5.1軟件用已完成的緩沖區(qū)范圍對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裁剪處理。在波段組合中，為了能更明顯地突出影像中濕地信息，經(jīng)過(guò)多次嘗試最終選擇了標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，其中MSS影像為3、2、1波段，TM和ETM+影像為4、3、2波段。歸一化水體指數(shù)（NDWI）模型公式如下：

NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）（1）

該研究根據(jù)已經(jīng)建立的濕地分類系統(tǒng)和遙感影像的色調(diào)、形狀、地物整體環(huán)境和斑塊紋理特征建立對(duì)呼倫湖的遙感解譯標(biāo)志體系，再利用非監(jiān)督分類結(jié)合人工目視解譯的方法提取了多種濕地和非濕地土地利用類型信息，從而得到研究區(qū)的分類結(jié)果。在分類解譯過(guò)程中，為了提取河流濕地、沼澤濕地等其他不容易提取或者容易與濕地信息產(chǎn)生混淆的土地利用類型，因此采用人工目視判讀和建立感興趣區(qū)域的方法來(lái)進(jìn)行分類提取，最后運(yùn)用ENVI軟件中的迭代自組織的數(shù)據(jù)分析法（ISODATE）對(duì)影像總體進(jìn)行非監(jiān)督分類。為了提高分類精度，在綜合考慮了實(shí)際情況后該研究通過(guò)利用ENVI與Google Earth進(jìn)行交互和人工目視比對(duì)的方式對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行修改。最后，利用ArcGIS 10.1加載最終分類的矢量數(shù)據(jù)結(jié)果中的各個(gè)土地利用類型，并提取各類型的面積。

2結(jié)果與分析

2.1濕地變化分析

從1984—2015年呼倫湖濕地面積變化及土地利用類型分布（表1和圖2）可以看出，1984—2015年湖泊濕地面積總體呈現(xiàn)波動(dòng)性減少趨勢(shì)，其中，1984—2000年湖泊濕地面積呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，面積增長(zhǎng)199.2 km2，增長(zhǎng)率為9.5%;2000—2009年湖泊濕地面積呈減小態(tài)勢(shì)，面積減少505.7 km2，減少率為22.0%;2009—2015年湖泊濕地面積呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，面積增長(zhǎng)263.2 km2，增長(zhǎng)率為14.6%。1984—2015年沼澤濕地面積總體呈現(xiàn)波動(dòng)性減小趨勢(shì)，其中，1984—1996年呈減小態(tài)勢(shì)，面積減少27.4 km2;1996—2006年呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，面積增長(zhǎng)24.1 km2;2006—2015年呈縮減態(tài)勢(shì)，面積減少58.7 km2。1984—2015年河流濕地面積總體呈現(xiàn)波動(dòng)性增加趨勢(shì)，其中，1984—2000年河流濕地面積增加了18.1 km2，2000—2009年面積縮減了24.3 km2，2009—2015年面積增加了10.1 km2。1984—2015年坑塘濕地面積急劇減少，減少了20.2 km2，平均每年減少0.65 km2。

2.2濕地變化轉(zhuǎn)移矩陣

變化轉(zhuǎn)移矩陣是分析濕地類型面積變化的重要技術(shù)手段，該研究根據(jù)遙感影像得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果，再結(jié)合ArcGIS和數(shù)據(jù)分析軟件，建立并得到不同時(shí)段的濕地類型面積變化的轉(zhuǎn)移矩陣。

1984—1996年呼倫湖濕地變化轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表2。其中，河流濕地主要轉(zhuǎn)化為沼澤濕地、草地和坑塘濕地，轉(zhuǎn)化面積分別為2.9、1.5和1.3 km2;湖泊濕地主要轉(zhuǎn)化為草地和鹽堿地，轉(zhuǎn)化面積分別為13.5和3.3 km2;沼澤濕地主要轉(zhuǎn)化為湖泊濕地、草地和草甸，轉(zhuǎn)化面積分別為24.1、18.3和12.1 km2;坑塘濕地主要轉(zhuǎn)化為沼澤濕地和草地，轉(zhuǎn)化面積分別為10.8和3.1 km2。1984—1996年呼倫湖濕地總面積呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，各類型濕地之間的互相轉(zhuǎn)化占濕地面積變化的較小部分，其余變化的部分主要是各類型濕地轉(zhuǎn)化為草地和草甸。

1996—2006年呼倫湖濕地變化轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表3。其中，河流濕地主要轉(zhuǎn)化為沼澤濕地和草地，轉(zhuǎn)化面積分別為7.3和6.3 km2;湖泊濕地主要轉(zhuǎn)化為鹽堿地、草地和沼澤濕地，轉(zhuǎn)化面積分別為265.7、62.0和33.3 km2;沼澤濕地主要轉(zhuǎn)化為草地和草甸，轉(zhuǎn)化面積分別為42.7和21.0 km2;坑塘濕地主要轉(zhuǎn)化為草地、沼澤濕地和草甸，轉(zhuǎn)化面積分別為10.7、7.4和1.9 km2。1996—2006年呼倫湖濕地總面積呈持續(xù)減小態(tài)勢(shì)，各類型濕地均發(fā)生了劇烈的變化，但各濕地類型之間互相轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象不明顯，且絕大部分濕地均轉(zhuǎn)化為鹽堿地、草地和草甸。

2006—2015年呼倫湖濕地變化轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表4。河流濕地主要轉(zhuǎn)化為草地和沼澤濕地，其轉(zhuǎn)化面積占2006年河流濕地面積的比例分別為30.2%和25.6%;湖泊濕地主要轉(zhuǎn)化為草地和鹽堿地，其轉(zhuǎn)化面積占2006年湖泊濕地面積的比例分別為0.3%和0.2%;沼澤濕地主要轉(zhuǎn)化為草地、湖泊濕地和草甸，其轉(zhuǎn)化面積占2006年沼澤濕地面積的比例分別為35.8%、24.3%和7.5%;坑塘濕地主要轉(zhuǎn)化為草地和草甸，其轉(zhuǎn)化面積占2006年坑塘濕地面積的比例分別為26.9%和23.1%。2006—2015年呼倫湖濕地總面積變化幅度較小，但河流濕地、沼澤濕地和坑塘濕地三者變化幅度較大，主要由于各類型濕地之間互相轉(zhuǎn)化較為明顯，且轉(zhuǎn)化為草地、草甸和鹽堿地的比例較高。

1984—2015年呼倫湖濕地變化轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表5。其中，河流濕地主要轉(zhuǎn)化為草地、沼澤濕地和湖泊濕地，其轉(zhuǎn)化面積占1984年河流濕地面積的比例分別為41.2%、16.5%和10.3%;湖泊濕地主要轉(zhuǎn)化為草地和鹽堿地，其轉(zhuǎn)化面積占1984年湖泊濕地面積的比例分別為2.0%和0.8%;沼澤濕地主要轉(zhuǎn)化為草地、草甸和河流濕地，其轉(zhuǎn)化面積占1984年沼澤濕地面積的比例分別為48.0%和14.2%和4.2%;坑塘濕地主要轉(zhuǎn)化為沼澤濕地、草地和草甸，其轉(zhuǎn)化面積占1984年坑塘濕地面積的比例分別為37.8%、30.5%和10.7%。1984—2015年呼倫湖濕地總面積變化幅度不大，但沼澤濕地和坑塘濕地的面積急劇減小，各類型濕地變化的絕大部分是轉(zhuǎn)化為草地、草甸和鹽堿地。

2.3驅(qū)動(dòng)力分析

2.3.1氣候因素。

從圖3a可以看出，1960—2015年呼倫湖年平均氣溫呈不斷升高的趨勢(shì)，溫度最大值為2007年的3.6 ℃。其中，1960—1987年氣溫處于升高狀態(tài)，但升高幅度較小，氣溫均值為0.45 ℃;1988—1995年氣溫產(chǎn)生突變，增溫速度加快，氣溫均值為1.71 ℃;1996—2015年氣溫持續(xù)升高，年均溫為1.83 ℃。從圖3b可以看出，1960—2015年呼倫湖年降水量總體呈下降趨勢(shì)，降水量均值為241.51 mm。56年間降水量最大值和最小值分別為1998年的593.40 mm和2001年的109.00 mm，1988—1998年為雨水豐沛期，1999—2012年為雨水匱乏期。年降水量變化與濕地面積變化趨勢(shì)相符。由以上數(shù)據(jù)可知，近56年來(lái)呼倫湖地區(qū)氣溫持續(xù)升高導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)蒸發(fā)量增大，同時(shí)降水量也在波動(dòng)變化中持續(xù)減少，致使呼倫湖以及湖泊周邊濕地水量補(bǔ)給不足是呼倫湖濕地面積退縮的重要原因。

2.3.2人為因素。

人為因素作為人類活動(dòng)的產(chǎn)物亦是影響濕地面積產(chǎn)生變化的重要因素，研究區(qū)的人類活動(dòng)主要表現(xiàn)在人口數(shù)量、耕地面積和牲畜存欄量3個(gè)方面。1985—2015年呼倫湖周邊城鎮(zhèn)人口數(shù)量增長(zhǎng)明顯，新巴爾虎左旗人口數(shù)量從1985年的37 222人增長(zhǎng)至2015年的42 052人，新巴爾虎右旗人口數(shù)量從1985年的29 415人增長(zhǎng)至2015年的34 987人，滿洲里人口從1985年的116 555人增長(zhǎng)至2015年的171 346人。人口數(shù)量的快速增加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致耕地面積的急劇增長(zhǎng)，在研究時(shí)段內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)的耕地面積由1984年的16.1 km2急劇增長(zhǎng)為2015年的431.7 km2，近31年耕地面積增長(zhǎng)了近27倍。在耕地面積快速擴(kuò)張的同時(shí)勢(shì)必會(huì)造成大量的草地和濕地被破壞，也存在被開墾的耕地由于氣候和土壤等因素不適合耕種而在耕種幾年后被棄耕的現(xiàn)象，易造成土地荒漠化和水土流失的現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞研究區(qū)的生態(tài)平衡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和滿洲里這3個(gè)地區(qū)的牲畜存欄總量由1984年的108.67萬(wàn)頭增長(zhǎng)至2015年的237.74萬(wàn)頭，而在此階段內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)的草地面積由1984年的3 013.3 km2銳減至2015年2 281.8 km2，草地面積減少率達(dá)26.5%。由此可見(jiàn)，牲畜數(shù)量的急劇增加已經(jīng)大大超過(guò)了該地區(qū)的土地承載力，再加上多年來(lái)的人口增長(zhǎng)以及人類活動(dòng)的持續(xù)干擾，加劇了對(duì)呼倫湖周邊濕地植被和草地的破壞，使得研究區(qū)內(nèi)土地沙化和水土流失的面積急劇增長(zhǎng)。

3結(jié)論

該研究以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，依托GIS技術(shù)，獲得1984—2015年呼倫湖7期濕地類型數(shù)據(jù)，對(duì)呼倫湖濕地進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化分析，運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣研究各類型濕地的轉(zhuǎn)化狀況，并分析濕地產(chǎn)生變化的驅(qū)動(dòng)力因素。研究的主要結(jié)果如下：

（1）1984—2015年呼倫湖湖泊濕地和沼澤濕地面積均呈波動(dòng)性減少態(tài)勢(shì)，面積分別減少了43.3和62.0 km2，減少率分別為2.1%和50.6%;河流濕地面積呈波動(dòng)性增加態(tài)勢(shì)，面積增長(zhǎng)了3.9 km2，增長(zhǎng)率為40.2%;坑塘面積急劇減少，平均每年減少0.65 km2。

（2）1984—2015年呼倫湖地區(qū)沼澤濕地和坑塘濕地面積急劇減少。其中，沼澤濕地主要轉(zhuǎn)化為草地、草甸，轉(zhuǎn)化面積占1984年沼澤濕地面積的比例分別為48.0%和14.2%;坑塘濕地主要轉(zhuǎn)化為沼澤濕地、草地和草甸，轉(zhuǎn)化面積占1984年坑塘濕地面積的比例分別為37.8%、30.5%和10.7%。河流濕地主要轉(zhuǎn)為草地、沼澤濕地和湖泊濕地，湖泊濕地主要轉(zhuǎn)為草地和鹽堿地。各類型濕地雖存在互相轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，但絕大部分轉(zhuǎn)化為草地、草甸和鹽堿地。

（3）從驅(qū)動(dòng)力分析可知，由于呼倫湖地區(qū)多年來(lái)降水量減少和氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大，致使呼倫湖地區(qū)水量補(bǔ)給不足、自身消耗在持續(xù)增加，這是導(dǎo)致呼倫湖濕地面積減少的重要原因;在研究時(shí)段內(nèi)，呼倫湖周邊地區(qū)人口數(shù)量快速增長(zhǎng)以及耕地面積和牲畜存欄量的急劇增加，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)草地面積的減少和濕地植被的破壞，加速呼倫湖濕地的退化。

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