吉林西部濕地動(dòng)態(tài)變化與生態(tài)因子分析研究

陳超群，姜琦剛，劉驊欣

吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026

0 引言

濕地，為水體與陸地的過(guò)渡帶，是不可估量的資源財(cái)富，對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)生活、資源儲(chǔ)備意義重大[1]。作為生態(tài)地質(zhì)環(huán)境因子，濕地的動(dòng)態(tài)變化一直是眾多學(xué)者的研究方向之一。吉林西部的湖泊密度較大，是濕地研究的重點(diǎn)地帶，近年來(lái)吉林西部沙漠鹽堿化嚴(yán)重，總體表現(xiàn)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境惡化[2]。吉林西部濕地現(xiàn)狀及其動(dòng)態(tài)演變分析，有利于對(duì)濕地資源的保護(hù)做出合理規(guī)劃。針對(duì)吉林西部的濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究方向主要有2個(gè)，濕地信息獲取技術(shù)和指標(biāo)參數(shù)的選取，但是對(duì)導(dǎo)致濕地變化的驅(qū)動(dòng)力分析不夠透徹，往往只注重變化的數(shù)量關(guān)系，而忽略其背后的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境意義[2-6]。本研究借助2007年CBERS-2以及2017年Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)，采用人機(jī)交互式解譯、綜合分析等方法，對(duì)吉林西部2007和2017年2期數(shù)據(jù)的濕地現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)變化信息進(jìn)行提取，利用ArcGIS平臺(tái)的空間分析、應(yīng)用統(tǒng)計(jì)等技術(shù)，從數(shù)量、空間和結(jié)構(gòu)上分析吉林西部濕地的演變規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)，以吉林西部重點(diǎn)研究區(qū)的現(xiàn)狀特征和變化規(guī)律為基礎(chǔ)，研究地質(zhì)地貌、氣候變化等因素對(duì)濕地的影響機(jī)理。針對(duì)吉林西部濕地動(dòng)態(tài)變化及生態(tài)影響因子的分析，有利于對(duì)濕地資源的保護(hù)做出合理規(guī)劃。

1 研究區(qū)概況及技術(shù)方法

1.1 研究區(qū)概況

研究選取吉林西部扶余縣、乾安縣、前郭爾羅斯蒙古族自治縣，長(zhǎng)嶺縣和寧江區(qū)作為主要研究范圍(123°05′～126°22′E，43°52′～45°30′N(xiāo))(圖1)。吉林省西部位于受北東向新華夏系構(gòu)造的影響所形成的松遼平原沉降帶腹地，地貌分區(qū)屬于沙丘覆蓋的沖積平原二級(jí)區(qū)，包含河流地貌、湖成地貌、風(fēng)成地貌[7]。研究區(qū)屬于半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，景觀生態(tài)對(duì)氣候變化敏感[8-9]。

圖1 吉林西部城鎮(zhèn)分布Fig.1 Distribution of towns in western Jilin

1.2 技術(shù)方法

選取7-9月2007年CBERS-2數(shù)據(jù)和2017年Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)，CBERS-2數(shù)據(jù)采取的合成波段為R(3)、G(4)、B(1)，Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)采取的合成方案為R(7)、G(5)、B(3)。將兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在MapGIS平臺(tái)下對(duì)影像中濕地進(jìn)行目視解譯，借助濕地分布密集信息圖對(duì)Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)狀分析；通過(guò)空間疊加、柵格計(jì)算等，以地學(xué)信息圖譜為基準(zhǔn)研究2007—2017年濕地動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建濕地表征參數(shù)模型，以確定濕地變化強(qiáng)度。結(jié)合吉林西部的地質(zhì)地貌情況、氣候和人口變化，研究生態(tài)地質(zhì)環(huán)境因素對(duì)濕地變化的影響。

2 吉林省西部濕地現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)變化

2.1 濕地分布現(xiàn)狀

根據(jù)研究區(qū)域，選擇由國(guó)家林業(yè)局提出的《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):濕地分類(lèi) (GB/T 24708-2009)》，并結(jié)合吉林西部的區(qū)域特點(diǎn)，將濕地分為：泛洪平原、永久性河流、永久性淡水湖、季節(jié)性淡水湖、草本沼澤、沼澤化草甸、水稻田和庫(kù)塘。

人工目視解譯得到的2017年濕地分布現(xiàn)狀圖(圖2)中，2017年研究區(qū)內(nèi)濕地面積共2 900.69 km2。其中人工濕地面積最大，為1 017.87 km2，庫(kù)塘面積最小，僅為21.44 km2。扶余縣主要分布永久性河流和沼澤濕地中的草本沼澤，永久性河流分布在該地區(qū)的北部，為松花江和拉林河，草本沼澤集中在扶余縣的東北方向上，扶余縣出現(xiàn)的人工濕地除水稻田還有2個(gè)水庫(kù)(三到水庫(kù)和范家水庫(kù))；前郭縣濕地以水稻田為主，集中分布在縣城北部，其次為永久性淡水湖，占全區(qū)的50%以上，縣內(nèi)最大的永久性淡水湖為查干湖，在查干湖附近出現(xiàn)了較大湖泡新廟泡；乾安縣境內(nèi)自然閉流湖泡眾多，例如分布在西北角的花敖泡、正北方向的紅字泡；寧江區(qū)只存在洪泛性平原、永久性河流以及少量的季節(jié)性淡水湖；長(zhǎng)嶺縣永久性淡水湖分布排列成線，單個(gè)湖泊面積不大。

圖2 研究區(qū)濕地分布現(xiàn)狀Fig.2 Wetland distribution status in study area

濕地分布密集信息圖 通過(guò)量化研究區(qū)濕地分布及其特征，分析不同解譯尺度的背景下各類(lèi)濕地的分布密集程度，公式為：

P=S/U×100%

式中，P表示單元區(qū)域濕地分布密度，U表示區(qū)域面積，S為各個(gè)區(qū)內(nèi)濕地面積；按照各個(gè)分區(qū)濕地面積和區(qū)域面積之間的比值，將P分為6個(gè)等級(jí)即第一等級(jí)(濕地極度密集區(qū)P≥10%)、第二等級(jí)(濕地較密集區(qū)7%≤P<10%)、第三等級(jí)(濕地一般密集區(qū)4%≤P<7%)、第四等級(jí)(濕地一般稀疏區(qū)2%≤P<4%)、第五等級(jí)(濕地較稀疏區(qū)1%≤P<2%)、第六等級(jí)(濕地極度稀疏區(qū)0%≤P<1%)。在ArcGIS的平臺(tái)下，通過(guò)創(chuàng)建網(wǎng)格，與Landsat-8 OLI濕地解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析中的聯(lián)合分析，進(jìn)行單元格內(nèi)濕地密度的計(jì)算，借助反距離權(quán)重插值后，獲取Landsat-8 OLI 影像濕地密度分布數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3 研究區(qū)濕地分布密集信息圖Fig.3 Intensive information map of wetland distribution in study area

結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)西北方向濕地分布密度等級(jí)普遍較高，而南方濕地分布零散稀疏。扶余縣南北兩側(cè)分布松花江支流，其周?chē)鷿竦胤植济芏却螅肮灾慰h濕地密度最大的區(qū)域在北偏東方向，該方位分布著查干湖和大片水稻田；在乾安縣西北部存在大量湖沼，濕地分布密度高，其余地方濕地分布密度處于2%～7%±；長(zhǎng)嶺縣的西北角濕地分布密集。

2.2 10年間濕地動(dòng)態(tài)變化

在對(duì)研究區(qū)濕地動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析時(shí)，以地學(xué)信息圖譜為基準(zhǔn)，結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣與相對(duì)變化率深入研究濕地變化趨勢(shì)。

地學(xué)信息圖譜 包含空間結(jié)構(gòu)、屬性特征以及過(guò)程變化，是一種結(jié)合景觀圖譜和數(shù)學(xué)模型為一體的地理時(shí)空分析方法[10-11]。濕地變化信息圖譜對(duì)濕地的空間位置和空間行為具有很好的指示性。

本次研究中，借助MapGIS平臺(tái)對(duì)2期影像進(jìn)行解譯，采用10 m×10 m像元大小進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)化，通過(guò)地圖代數(shù)計(jì)算10年來(lái)二級(jí)濕地類(lèi)型的景觀變化情況，計(jì)算公式為P=M×10+N。其中M表示2007年濕地類(lèi)型的單元值，N表示2017年濕地類(lèi)型的單元值，P表示10年濕地變化的圖譜單元(圖4)。配合空間統(tǒng)計(jì)，通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)合成的圖譜單元進(jìn)行數(shù)值分析(表1)。

結(jié)合濕地變化景觀圖譜(圖4)和景觀轉(zhuǎn)移矩陣(表1)，計(jì)算10年間濕地類(lèi)型變化率。在表1中，通過(guò)橫向數(shù)據(jù)累計(jì)和縱向數(shù)據(jù)求和分別計(jì)算2007年及2017年濕地景觀類(lèi)型面積。可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)總面積為21 178.48 km2，從景觀面積角度看未發(fā)生變化。但是景觀類(lèi)型發(fā)生轉(zhuǎn)變，近10年間研究區(qū)內(nèi)濕地面積增多494.59 km2，較多的其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)為濕地，其中以草本沼澤為主，173.76 km2的其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換成永久性淡水湖，濕地類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中，較多的季節(jié)性淡水湖和草本沼澤轉(zhuǎn)換成水稻田，草本沼澤轉(zhuǎn)換成季節(jié)性淡水湖的面積有39.37 km2?？傮w上看，季節(jié)性淡水湖面積增加最多，增加了155.71 km2。只有泛洪平原濕地和庫(kù)塘面積減少，分別減少19%和42%。

AA．不變河流濕地；AB．河流濕地-湖泊濕地；AC．河流濕地-沼澤濕地；AD．河流濕地-人工濕地；A9．河流濕地-其他土地利用類(lèi)型；BA．湖泊濕地-河流濕地；BB．不變湖泊濕地；BC．湖泊濕地-沼澤濕地；BD．湖泊濕地-人工濕地；B9．湖泊濕地-其他土地利用類(lèi)型；CA．沼澤濕地-河流濕地；CB．沼澤濕地-湖泊濕地；CC．不變沼澤濕地；CD．沼澤濕地-人工濕地；C9．沼澤濕地-其他土地利用類(lèi)型；DA．人工濕地-河流濕地；DB．人工濕地-湖泊濕地；DC．人工濕地-沼澤濕地；DD．不變?nèi)斯竦?；D9．人工濕地-其他土地利用類(lèi)型；9A．其他土地利用類(lèi)型-河流濕地；9B．其他土地利用類(lèi)型-湖泊濕地；9C．其他土地利用類(lèi)型-沼澤濕地；9D．其他土地利用類(lèi)型-人工濕地；99．不變其他土地利用類(lèi)型. 圖4 2007—2017年研究區(qū)濕地變化圖譜Fig.4 TUPU of wetland change in study area in 2007—2017

相對(duì)變化率用以表示不同區(qū)域濕地的變化差異，公式為K=(S2-S1)/S1，其中S1與S2分別表示區(qū)域內(nèi)研究前期與后期的濕地面積。

研究按照濕地面積增加和減少程度劃分為9種類(lèi)型(表2)，在ArcGIS的平臺(tái)下,將兩期濕地解譯數(shù)據(jù)通過(guò)相交分析插值分析濕地變化強(qiáng)度(圖5)。

表1 2007—2017年濕地景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣/km2

注：A.河流濕地；B.湖泊濕地；C.沼澤濕地；D.人工濕地.

1.永久性河流；2.泛洪平原濕地；3.永久性淡水湖；4.季節(jié)性淡水湖；5.草本沼澤；6.沼澤化草甸；7.水稻田；8.庫(kù)塘；9.其他土地利用類(lèi)型.

表2 濕地變化強(qiáng)度分類(lèi)

圖5 研究區(qū)濕地變化強(qiáng)度Fig.5 Wetland change intensity in study area

通過(guò)研究區(qū)濕地變化強(qiáng)度分布(圖5)和各地區(qū)濕地類(lèi)型變化數(shù)據(jù)(表3)不難發(fā)現(xiàn)濕地增加主要集中在長(zhǎng)嶺縣的北偏西方向，并呈現(xiàn)顯著增加，乾安縣濕地大部分在減小，只有西部有稍許增加。前郭自治縣北偏東方向濕地略有增加。在扶余縣增加最多的是水稻田，寧江區(qū)的泛洪平原濕地和草本沼澤與2007年相比略有減少，長(zhǎng)嶺縣的永久性淡水湖和季節(jié)性淡水湖出現(xiàn)明顯增加，乾安縣的草本沼澤減少較多，減少54%。

3 吉林西部濕地生態(tài)地質(zhì)環(huán)境背景

3.1 地質(zhì)地貌

地質(zhì)因素制約濕地的形成和發(fā)育，控制濕地的空間分布和類(lèi)型變化。影響研究區(qū)內(nèi)濕地形成和發(fā)育的地質(zhì)條件以第四紀(jì)地層、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積物組合為主[7]。由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，使吉林西部發(fā)生沉降形成了臺(tái)向斜構(gòu)造拗陷區(qū)，同時(shí)長(zhǎng)嶺—雙遼弧形斷裂帶切割水系，使河流改道，水系變遷。

由于濕地的重要組成部分—水受地形控制，因而地形決定了濕地的分布和演化。研究中選取30 m分辨率的ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)的高程進(jìn)行分析：研究區(qū)內(nèi)高程介于1 m到357 m之間，整體為平原地帶，其中研究區(qū)的北側(cè)和北偏東地勢(shì)相對(duì)較低，容易困水成為濕地。當(dāng)水量充足或處于雨季，零散低洼地區(qū)容易形成季節(jié)性湖泊。高程在120 m以上時(shí)形成濕地較為困難(圖6)。因此，地形地貌通過(guò)控制水的分布范圍，在短期內(nèi)直接影響吉林西部濕地的發(fā)展變化。

表3 2007—2017年各地區(qū)濕地類(lèi)型變化數(shù)據(jù)

注：1.永久性河流；2.泛洪平原濕地；3.永久性淡水湖；4.季節(jié)性淡水湖；5.草本沼澤；6.沼澤化草甸；7.水稻田；8.庫(kù)塘；9.其他土地利用類(lèi)型.

圖6 研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)Fig.6 DEM data in study area

3.2 氣候因素

圖7 2007年—2017年年平均降水?dāng)?shù)據(jù)Fig.7 Annual average precipitation in 2007—2017

從國(guó)家氣象信息中心獲取2007年—2017年年平均降水?dāng)?shù)據(jù)以及月平均溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：近年來(lái)年平均降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖7)，月平均氣溫呈拋物線分布(圖8)。在近年來(lái)吉林西部氣溫變化幅度不大，因此研究區(qū)內(nèi)濕地變化情況主要受到降雨影響，需要降水作為水源補(bǔ)給，隨著降水量增加，大部分河流水位上漲，湖泊出現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)。其中，季節(jié)性淡水湖和永久性淡水湖受到降水補(bǔ)充水源，變化最為明顯。水面的擴(kuò)張，導(dǎo)致河流周?chē)姆汉槠皆瓭竦芈杂袦p少。對(duì)于永久性河流來(lái)說(shuō)，雖然河流的補(bǔ)給增加，但降水也增加河流的徑流量，永久性河流面積雖然增加，但增加幅度較小。

圖8 2007—2017年月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)Fig.8 Monthly average temperature in 2007—2017

3.3 人為因素

人口數(shù)量的迅速增加使吉林西部對(duì)糧食的需求有所增加，進(jìn)而影響水稻田的種植面積。根據(jù)近10年來(lái)研究區(qū)人口變化(圖9)，2017年人口數(shù)與2007年相比增加8.3萬(wàn)人。由于人口數(shù)增加，糧食需求增多，更多的人會(huì)種植水稻。同時(shí)水稻種植能夠改良吉林西部鹽堿質(zhì)土壤，故水稻種植面積正逐年增加[12]。

圖9 研究區(qū)2007年—2017年人口數(shù) Fig.9 Population in study area in 2007—2017

4 結(jié)論

(1)整個(gè)研究區(qū)內(nèi)西北方向濕地分布密度等級(jí)普遍較高，南方濕地分布零散稀疏，近10年間研究區(qū)內(nèi)濕地面積增多，以草本沼澤和永久性淡水湖為主，只有泛洪平原濕地和庫(kù)塘面積減少。

(2)第四紀(jì)地層、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積物組合的地質(zhì)背景制約濕地的形成和發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)高程差相對(duì)較小，在短期內(nèi)影響濕地形成的規(guī)模和動(dòng)態(tài)變化。

(3)影響濕地動(dòng)態(tài)變化的主要因素可能是降雨，同時(shí)人口總數(shù)的增加，致使水稻田面積增加。