2000—2018 年壩上高原濕地遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與生態(tài)環(huán)境變遷

揭文輝，張策，汪冰，張恩，牛海威，李婧玥，董雙發(fā)

（核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002）

0 引言

濕地，被稱(chēng)為“地球之腎”，是一種具有多種獨(dú)特功能的生態(tài)系統(tǒng)，它不僅在保持生物多樣性和珍稀物種資源、維持生態(tài)平衡，在蓄洪防旱、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候以及控制土壤侵蝕、降解污染等多方面均起到極其重要的作用，同時(shí)還為人類(lèi)提供大量食物和水資源等生活原料，為人類(lèi)生存提供了巨大的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益（何橋和徐凌彥，2017；王燕，2019；朱鶴等，2019；劉紅梅等，2010；Victor Klemas，2013）。目前，據(jù)IUCN 估計(jì)，受全球氣候變暖及社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)等因素的影響，地球上近一半的濕地資源消失。隨著濕地的破壞與退化，諸如河流干涸斷流、湖泊萎縮干枯、沼澤濕地草甸化、濕地面積減少等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，原有的濕地生化環(huán)境質(zhì)量下降和濕地功能逐漸降低甚至喪失。在我國(guó)有近九成的重要濕地受到不同程度的人類(lèi)活動(dòng)影響而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及生態(tài)功能下降（肖德榮等，2007）。

壩上高原是我國(guó)華北地區(qū)阻擋風(fēng)沙南侵的重要生態(tài)屏障，對(duì)維護(hù)京津地區(qū)的生態(tài)安全，促進(jìn)區(qū)域發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略作用。壩上高原屬典型的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，從2000 年開(kāi)始，壩上高原濕地面積大幅度減少，原星羅棋布的眾多湖淖大量萎縮、干涸，其引發(fā)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變化不容小覷。近年來(lái)，我國(guó)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)壩上地區(qū)的濕地保護(hù)研究不斷加強(qiáng)。2004 年，李曉秀等通過(guò)評(píng)估區(qū)域生態(tài)資源承載力的方法對(duì)壩上高原進(jìn)行了生態(tài)資源綜合評(píng)估，為進(jìn)一步綜合探討壩上高原生態(tài)資源特點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)（李曉秀和馬禮，2004）。2007 年，王樹(shù)凱等通過(guò)實(shí)地調(diào)查研究的方法對(duì)壩上地區(qū)的濕地資源的進(jìn)行調(diào)查研究，研究表明近年來(lái)張家口市壩上地區(qū)連年干旱，致使?jié)竦氐臄?shù)量和面積在不斷地減少，該地區(qū)濕地物種多樣性降低，濕地生態(tài)系統(tǒng)功能受到破壞（王樹(shù)凱等，2007）。2011 年，劉軍輝等開(kāi)展了沽源縣壩上高原濕地野生植物資源的調(diào)查，調(diào)查表明該區(qū)濕地植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（劉軍輝和楊本蕓，2011）。2018 年，王玫認(rèn)為人類(lèi)活動(dòng)對(duì)壩上地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)負(fù)面影響巨大，其脆弱的生態(tài)環(huán)境條件已無(wú)法履行保障京津冀生態(tài)安全的重任，對(duì)壩上地區(qū)的生態(tài)修復(fù)與治理工作已刻不容緩（王玫，2018）。

濕地分布范圍非常廣泛，部分沼澤濕地從地面難以直接進(jìn)行調(diào)查，濕地植被大多矮小，濕地水體又具有明顯的光學(xué)反光性（林進(jìn)等，1997）。因此，依賴遙感技術(shù)能高效、及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。遙感技術(shù)具有從空間和時(shí)間尺度上對(duì)大范圍濕地進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，并且具有實(shí)時(shí)性、直觀性、反映宏觀規(guī)律性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力（揭文輝等，2020）。目前，隨著人們對(duì)濕地資源重要性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，對(duì)濕地的研究日漸增多，遙感技術(shù)應(yīng)用于濕地的研究已成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)，其在濕地研究中具有很大的優(yōu)勢(shì)（韓敏等，2003）。本文利用2000 年（ETM+）、2010 年（TM）、2018 年（Landsat 8 OLI）3 期遙感影像數(shù)據(jù)，獲取了壩上高原2000—2018 年濕地空間分布特征及時(shí)空演化規(guī)律，總結(jié)了壩上高原不同區(qū)域濕地時(shí)空演化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

壩上高原濕地地處河北省西北部，內(nèi)蒙古高原南緣，特指由草原陡然升高而形成的地帶，地理位置為北緯40°56′～42°51′，東經(jīng)112°54′～117°10′，濕地范圍涉及河北省張北縣、康?？h、尚義縣、沽源縣，內(nèi)蒙古自治區(qū)商都縣、興和縣、化德縣、察哈爾右翼后旗、太仆寺旗等9 個(gè)縣（旗）（圖1）。該區(qū)域是我國(guó)華北地區(qū)阻擋風(fēng)沙向南侵的重要生態(tài)屏障，生態(tài)功能和地理區(qū)位都極為重要。

研究區(qū)屬東亞大陸性季風(fēng)氣候中溫帶亞干旱區(qū)。春季天氣多變，干旱少雨；夏季受西太平洋副熱帶高壓西伸北進(jìn)的暖濕氣流影響，天氣較濕潤(rùn)，降水較多；秋季受干冷的西北風(fēng)重新加強(qiáng)，而暖濕的東南氣流日漸衰弱的影響，天氣晴朗，氣溫逐漸變冷；冬季受強(qiáng)大蒙古冷高壓控制，多寒潮天氣，常遇劇烈降溫和風(fēng)雪。降雨多集中在6—8 月，總降水量為220～340 mm，占全年降水量64%～69%，南部壩頭山地區(qū)年降水量350～550 mm。區(qū)內(nèi)河流眾多，湖泊星羅棋布。灤河是區(qū)內(nèi)最大的外流河，其余河流多為典型的內(nèi)陸河，多發(fā)源于壩頭山區(qū)，呈南北走向，主要靠大氣降水補(bǔ)給。

圖1 壩上高原濕地交通位置

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

綜合考慮到研究時(shí)間跨度長(zhǎng)，遙感影像數(shù)據(jù)的更新周期和分辨率等因素，為了獲取統(tǒng)一的遙感影像數(shù)據(jù)，能夠科學(xué)、準(zhǔn)確地提取壩上高原濕地信息，確定選擇采用Landsat 系列遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為研究壩上高原濕地的影像數(shù)據(jù)源（朱亞楠等，2019；李成梁等，2019；聶欣然等，2018；趙冉等，2019；程朋根等，2018；艾金泉，2020；孫楠等，2017）。本研究獲取的遙感影像數(shù)據(jù)分別為2000 年（ETM+）、2010年（TM）、2018 年（Landsat 8 OLI）3 期遙感影像數(shù)據(jù)。詳細(xì)影像信息如表1。

1.2 濕地信息提取

目前，濕地信息的提取方法主要有人工目視解譯法和自動(dòng)解譯法兩大類(lèi)（Mc Feeters S K，1996；駱劍承等，2009）。自動(dòng)提取主要是依靠影像波譜信息來(lái)進(jìn)行識(shí)別，具有自動(dòng)化程度高，信息提取速度快，工作量小的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但該方法對(duì)遙感影像質(zhì)量要求高，閾值確定難度較大，以現(xiàn)有條件較難實(shí)現(xiàn)。而人工目視解譯主要是對(duì)假彩色合成的影像進(jìn)行目視判斷提取，操作簡(jiǎn)單、解譯精度高，但該方法耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大（李曉鋒等，2018）。本研究采用人機(jī)交互的方法，結(jié)合人工目視解譯與電腦自動(dòng)提取的優(yōu)勢(shì)來(lái)提高濕地信息的提取速度和精度。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地空間分布特征

通過(guò)對(duì)壩上高原濕地2000 年、2010 年及2018年遙感影像進(jìn)行人機(jī)交互式解譯，研究區(qū)濕地信息提取結(jié)果。

從表2 可知，2000 年度壩上高原濕地總面積796.90 km2，斑塊數(shù)量731 塊。其中以沼澤濕地為主，共解譯出沼澤濕地面積347.66 km2，面積占比為43.63%，斑塊數(shù)量50 塊，斑塊數(shù)占比為6.84%，沼澤濕地較為集中分布；湖泊濕地次之，共解譯出湖泊濕地面積276.17 km2，面積占比為34.66%，斑塊數(shù)量641 塊，斑塊數(shù)占比為87.69%，湖泊濕地較為分散細(xì)碎；然后為河流濕地，共解譯出河流濕地面積156.60 km2，面積占比為19.53%，斑塊數(shù)量32 塊，斑塊數(shù)占比為4.38%；研究區(qū)人工濕地分布較少，共解譯出人工濕地面積17.47 km2，面積占比為2.19%，斑塊數(shù)量8 塊，斑塊數(shù)占比為1.09%。

表1 2000 年、2010 年、2018 年研究區(qū)所選用影像信息

表2 壩上高原2000 年度濕地面積統(tǒng)計(jì)

從表3 可知，2010 年度壩上高原濕地總面積750.99 km2，斑塊數(shù)量493 塊。其中以沼澤濕地為主，共解譯出沼澤濕地面積334.96 km2，面積占比為44.60%，斑塊數(shù)量48 塊，斑塊數(shù)占比為9.74%，沼澤濕地較為集中分布；湖泊濕地次之，共解譯出湖泊濕地面積239.58 km2，面積占比為31.90%，斑塊數(shù)量 399 塊，斑塊數(shù)占比為80.93%，湖泊濕地較為分散細(xì)碎；然后為河流濕地，共解譯出河流濕地面積144.05 km2，面積占比為19.18%，斑塊數(shù)量29 塊，斑塊數(shù)占比為5.88%；研究區(qū)人工濕地分布較少，共解譯出人工濕地面積32.40 km2，面積占比為4.31%，斑塊數(shù)量17 塊，斑塊數(shù)占比為3.45%。

從表4 可知，2018 年度壩上高原濕地總面積666.24 km2，斑塊數(shù)量316 塊。其中以沼澤濕地為主，共解譯出沼澤濕地面積320.84 km2，面積占比為48.16%，斑塊數(shù)量50 塊，斑塊數(shù)占比為15.82%，沼澤濕地較為集中分布；湖泊濕地次之，共解譯出湖泊濕地面積169.97 km2，面積占比為25.51%，斑塊數(shù)量217 塊，斑塊數(shù)占比為68.67%，湖泊濕地較為分散細(xì)碎；然后為河流濕地，共解譯出河流濕地面積144.05 km2，面積占比為21.62%，斑塊數(shù)量29 塊，斑塊數(shù)占比為9.18%；研究區(qū)人工濕地分布較少，共解譯出人工濕地面積31.38 km2，面積占比為4.71%，斑塊數(shù)量20 塊，斑塊數(shù)占比為6.33%。

表3 壩上高原2010 年度濕地面積統(tǒng)計(jì)

表4 壩上高原2018 年度濕地面積統(tǒng)計(jì)

2.2 濕地時(shí)空演化規(guī)律

通過(guò)提取的研究區(qū)2000 年、2010 年及2018 年濕地信息，利用Arcgis 的空間分析工具，從變化量和變化率來(lái)分析研究區(qū)濕地的變化情況，獲取壩上高原濕地2000 年至2018 年的濕地變化特征。運(yùn)用arcgis 中的Erase 工具，以研究區(qū)2010 年度提取的濕地信息擦除研究區(qū)2000 年度提取的濕地信息，從而得出2000—2010 年研究區(qū)濕地減少的區(qū)域信息；反之，以研究區(qū)2000 年度提取的濕地信息擦除研究區(qū)2010 年度提取的濕地信息，則獲取到2000—2010 年研究區(qū)濕地增加的區(qū)域信息，因而提取出2000—2010 年研究區(qū)濕地的變化信息，如圖2 所示。同理，運(yùn)用2000 年、2010 年及2018 年研究區(qū)提取的濕地信息可獲取2010—2018 年研究區(qū)濕地變化信息及2000—2018 年研究區(qū)濕地變化信息，如圖3、圖4 所示。

從表5 分析得出，2000—2010 年，全區(qū)濕地減少45.91 km2，斑塊數(shù)量減少238 塊，減少率分別為5.76%、32.56%；以湖泊濕地面積和斑塊數(shù)量減少最多，分別為36.59 km2、242 塊，減少率為13.25%、37.75%，人工濕地面積和斑塊數(shù)量均有所增加，該時(shí)間段各濕地類(lèi)型變化分布情況見(jiàn)圖2 所示。2010—2018 年，全區(qū)濕地減少84.75 km2，斑塊數(shù)量減少177 塊，減少率分別為11.29%、35.90%；以湖泊濕地面積和斑塊數(shù)量減少最多，分別為69.61 km2、182 塊，減少率為29.06%、45.61%，人工濕地斑塊數(shù)量有所增加，但面積有所減少，該時(shí)間段各濕地類(lèi)型變化情況見(jiàn)圖3 所示。2000—2018 年，全區(qū)濕地減少130.66 km2，斑塊數(shù)量減少415 塊，減少率分別為16.40%、56.77%；以湖泊濕地面積和斑塊數(shù)量減少最多，分別為106.20 km2、424 塊，減少率為38.45%、66.15%，人工濕地的面積和斑塊數(shù)量有一定的增加，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)已經(jīng)侵入到濕地區(qū)域，對(duì)濕地的影響和改變逐漸增大，該時(shí)間段各濕地類(lèi)型變化情況見(jiàn)圖4 所示。綜合分析可知，2000—2018 年間，研究區(qū)內(nèi)河流濕地、湖泊濕地和沼澤濕地都有所減少，以湖泊濕地面積減少最多，河流濕地及沼澤濕地減少量較?。谎芯繀^(qū)內(nèi)人工濕地面積有所增加，但其面積總量及增加量都比較小。

圖2 壩上高原2000—2010 年濕地變化圖

圖3 壩上高原2010—2018 年濕地變化圖

圖4 壩上高原2000—2018 年濕地變化圖

表5 壩上高原2000—2018 年濕地變化統(tǒng)計(jì)

從表6 分析得出，2010—2018 年間，除河流濕地?zé)o變化以為，各濕地類(lèi)型面積都有所減少，且減少速度都高于其他時(shí)間段。其中以湖泊濕地面積減少速度最快，為每年減少8.70 km2；其次為沼澤濕地面積減少速度，為每年減少1.77 km2；該時(shí)間段是人工濕地面積唯一出現(xiàn)減少的情況，面積減少1.02 km2，減少速度為每年減少0.13 km2?？傮w來(lái)看，壩上地區(qū)濕地面積的減少主要為區(qū)域內(nèi)湖泊水面面積的減少，壩上草原濕地的變化主要體現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)湖泊濕地的變化上。

2.3 壩上高原不同區(qū)域濕地時(shí)空演化規(guī)律

壩上高原從西至東可劃分3 個(gè)區(qū)域，分別為西北內(nèi)流區(qū)、烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)和灤河源外流區(qū)，通過(guò)分析提取的研究區(qū)2000—2018 年各時(shí)間段的濕地變化信息可知，壩上地區(qū)西部萎縮趨勢(shì)整體高于東部（圖5）。

表6 壩上高原濕地各時(shí)間段各類(lèi)型濕地變化速度統(tǒng)計(jì) km2/a

從表7 可知，2000—2018 年壩上高原濕地面積及斑塊數(shù)量的減少主要受西北內(nèi)流區(qū)的影響。2000—2018 年壩上高原濕地面積共減少130.66 km2，斑塊數(shù)減少415 塊。其中西北內(nèi)流區(qū)濕地面積減少97.86 km2，占整個(gè)壩上高原濕地減少面積的74.90%，斑塊數(shù)減少366 塊，占整個(gè)壩上高原濕地斑塊減少數(shù)量的88.19%；烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)濕地面積減少3.93 km2，占減少面積的3.01%，斑塊數(shù)減少16 塊，占減少數(shù)的3.86%；灤河源外流區(qū)濕地面積減少28.87 km2，占減少面積的22.09%，斑塊數(shù)減少33 塊，占減少數(shù)的7.95%。

2000—2010 年壩上高原濕地面積共減少45.91 km2，斑塊數(shù)減少238 塊。其中，西北內(nèi)流區(qū)濕地面積減少27.27 km2，占減少面積的59.41%，斑塊數(shù)減少191 塊，占減少數(shù)的80.25%；烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)濕地面積減少2.86 km2，占減少面積的6.23%，斑塊數(shù)減少12 塊，占減少數(shù)的5.04%；灤河源外流區(qū)濕地面積減少15.78 km2，占減少面積的34.36%，斑塊數(shù)減少35 塊，占減少數(shù)的14.71%。

2010—2018 年壩上高原濕地面積共減少84.76 km2，斑塊數(shù)減少177 塊。其中，西北內(nèi)流區(qū)濕地面積減少70.59 km2，占減少面積的83.29%，斑塊數(shù)減少175 塊，占減少數(shù)的98.87%；烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)濕地面積減少1.07 km2，占減少面積的1.27%，斑塊數(shù)減少4 塊，占減少數(shù)的2.26%；灤河源外流區(qū)濕地面積減少13.09 km2，占減少面積的15.45%，斑塊數(shù)增加2 塊。

由此可知，壩上高原西北內(nèi)流區(qū)濕地的變化主要決定著整個(gè)壩上高原濕地的變化。

3 結(jié)論

本文利用先進(jìn)的遙感技術(shù)，通過(guò)人機(jī)交互式解譯方法獲取了壩上高原2000—2018 年濕地空間分布特征及時(shí)空演化規(guī)律，總結(jié)了壩上高原不同區(qū)域濕地時(shí)空演化規(guī)律及生態(tài)環(huán)境的變遷。

圖5 壩上高原2000-2018 年濕地變化分區(qū)圖

表7 壩上高原2000-2018 年各分區(qū)濕地變化統(tǒng)計(jì)

（1）2000—2018 年，研究區(qū)濕地資源面積從2000 年的796.90 km2減少至2018 年的666.24 km2，濕地資源斑塊數(shù)從2000 年的731 塊減少至2018 年的316 塊。18 年間，濕地資源面積減少130.66 km2，斑塊數(shù)減少415 塊，減少速度為7.26 km2/a。

（2）綜合分析研究區(qū)濕地資源變化信息及環(huán)境變遷情況發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)主要以湖泊濕地減少為主；且2010—2018 年時(shí)間段研究區(qū)濕地資源面積萎縮量較2000—2010 年時(shí)間段萎縮量大，且萎縮速度快，同時(shí)出現(xiàn)人工濕地面積的減少。

（3）從空間變化特征來(lái)看，可將壩上高原濕地變化區(qū)自西向東劃分為西北內(nèi)流區(qū)、烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)和灤河源外流區(qū)，且西部濕地萎縮趨勢(shì)整體高于東部，即西北內(nèi)流區(qū)＞烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)＞灤河源外流區(qū)。