基于RS的安慶市沿江濕地50多年來(lái)變遷及驅(qū)動(dòng)力分析

段俊斌，彭鵬，楊道堃

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院（安徽省地質(zhì)科學(xué)研究所），安徽合肥 230001）

0 引言

安慶市沿江濕地按照《濕地公約》分類主要屬于湖泊濕地大類[1]，包括龍感湖、大官湖、黃湖、泊湖、武昌湖等濕地，具有防洪蓄水、補(bǔ)給水源、調(diào)節(jié)氣候等功能，也是眾多珍稀水禽的生長(zhǎng)及冬季棲息地。區(qū)內(nèi)自然景觀類型獨(dú)特多樣，環(huán)境優(yōu)美，是旅游和療養(yǎng)的最佳場(chǎng)所，具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，由于相繼受湖區(qū)建閘壩，進(jìn)行人工調(diào)控湖泊水位以防洪抗旱、向荒湖要田等政策的影響，開(kāi)展了大規(guī)模的圍湖造田以及漁業(yè)生產(chǎn)從自然捕獲逐漸轉(zhuǎn)向以養(yǎng)殖為主，導(dǎo)致局部水域濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生普遍的退化。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，湖區(qū)周邊人類活動(dòng)加劇，致使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)受到較大的影響，也使本區(qū)成為研究人為活動(dòng)影響下濕地發(fā)展變化及恢復(fù)的典型地區(qū)[2]。

近些年，已有不少專家學(xué)者對(duì)安慶市沿江濕地開(kāi)展了相關(guān)研究[3～4]，但主要集中在近20 年左右。由于安慶市20 世紀(jì)60 年代生態(tài)濕地方面研究資料較少，難以對(duì)當(dāng)時(shí)濕地形成直觀反映。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)歷史影像的分析，可以做到對(duì)歷史濕地分布的回溯，直觀了解濕地種類及分布范圍。利用遙感技術(shù)對(duì)濕地開(kāi)展的研究主要有濕地分類[5～7]、景觀格局時(shí)空變遷[8～12]、濕地變遷[13～16]、驅(qū)動(dòng)力分析[17～19]以及生態(tài)安全[20～21]等方法。本文利用1967—2018 年遙感影像數(shù)據(jù)，順時(shí)間而下，解譯濕地空間分布、種類，通過(guò)計(jì)算濕地破碎度、濕地面積年平均變化情況，分析人類活動(dòng)對(duì)湖泊變遷產(chǎn)生的影響，為安慶市沿江濕地生態(tài)修復(fù)提供決策支撐。

1 研究區(qū)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安慶市西南部，工作區(qū)范圍及影像如圖1 所示。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫16～18℃，多年平均降水量1398.4mm，年大降水量2233.1mm（1998 年），年小降水量755.2mm（1978 年）。沿江濕地位于大別山山前沖洪積平原與沿江近代沖積平原的交接部位，岸線曲折，濕地平均海拔約10～20m。有二郎河、南干渠、涼亭河等自北向南流入濕地對(duì)濕地水源進(jìn)行補(bǔ)給，水源補(bǔ)給充足，換水周期短，外源性營(yíng)養(yǎng)條件好。濕地內(nèi)湖泊均有長(zhǎng)江支流貫穿連通長(zhǎng)江。濕地范圍受降雨量及夏季關(guān)閘蓄水的影響，年際與年內(nèi)變化顯著。

圖1 研究區(qū)范圍Figure 1.Range of the study area

1.2 數(shù)據(jù)源及研究方法

本次遙感數(shù)據(jù)盡量選取與多年平均降雨量、平均氣溫相近的夏季遙感影像開(kāi)展研究，其中1967 年6 月拼接影像（圖2-a），選取時(shí)間段平均溫度為21.3℃，降雨量為1161mm，采用數(shù)據(jù)為鎖眼衛(wèi)星數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為美國(guó)軍事衛(wèi)星解密數(shù)據(jù)，空間分辨率為2m；1989 年6月21日影像為T(mén)M 數(shù)據(jù)(圖2-b)，選取時(shí)間段平均溫度為21.1℃，降雨量為1610mm；2002 年6 月9 日影像為ETM 數(shù)據(jù)（圖2-c），選取時(shí)間段平均溫度為21.5℃，降雨量為1411mm；2018 年6 月8 日影像為OLI 數(shù)據(jù)(圖2-d)，選取時(shí)間段平均溫度為20.5℃，降雨量為1321mm。本次研究所采用的數(shù)據(jù)影像云量覆蓋度均小于3%，滿足工作開(kāi)展要求。

圖2 研究區(qū)影像Figure 2.Images of the study area in different years

本文通過(guò)收集已有水文、地質(zhì)資料，進(jìn)行信息提取，分析研究區(qū)區(qū)域背景。對(duì)四期遙感影像進(jìn)行預(yù)處理并與1:100000地形圖進(jìn)行地形校正，使四期影像誤差不超過(guò)0.5 像元，并采用統(tǒng)一的西安80 坐標(biāo)系開(kāi)展研究；依據(jù)《濕地公約》的濕地分類系統(tǒng)為參考，將安慶市沿江濕地劃分為湖泊濕地、沼澤濕地、灘涂、水庫(kù)、水稻田、粗放養(yǎng)殖場(chǎng)、精細(xì)養(yǎng)殖場(chǎng)七類，并通過(guò)建立解譯標(biāo)志開(kāi)展解譯。確定不同年份濕地種類、分布范圍及面積。利用香農(nóng)多樣性指數(shù)SHDI計(jì)算濕地組成的破碎程度。該指數(shù)對(duì)濕地中各類圖斑的非均衡分布狀況較為敏感，其值越大也就代表濕地破碎度越高。利用香農(nóng)均勻度指數(shù)SHEI計(jì)算濕地均勻度，SHEI值較小時(shí)優(yōu)勢(shì)度一般較高，可以反映出景觀受到一種或少數(shù)幾種優(yōu)勢(shì)拼塊類型所支配；SHEI趨近1時(shí)優(yōu)勢(shì)度低，說(shuō)明景觀中沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)類型且各拼塊類型在景觀中均勻分布。SHDI和SHEI利用下列公式求得：

式中Pi為濕地類型i所占面積比例，m為濕地類型總數(shù)。

利用式3 計(jì)算近年來(lái)濕地種類變化的速度，分析近50多年來(lái)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)濕地種類的變化速度情況。

式中E為濕地變化速度，T1、T2為研究初期和研究末期時(shí)間，S1、S2為對(duì)應(yīng)T1、T2時(shí)間內(nèi)各個(gè)濕地之間的面積。

基于以上研究結(jié)果，結(jié)合安慶市1967—2018年溫度、降雨量以及統(tǒng)計(jì)年鑒，對(duì)研究區(qū)內(nèi)濕地分布、濕地變遷以及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。工作流程如圖3所示。

圖3 信息提取流程Figure 3.Flow chart of information extraction

2 濕地分布及變化

2.1 濕地分布特征

1967 年濕地面積1097.80km2。天然濕地總面積938.25km2，占濕地面積的85.47%，其中湖泊濕地面積最大為743.69km2，占濕地總面積的67.74%，主要由龍感湖、大官湖、黃湖、泊湖、青草湖等湖面組成。沼澤濕地面積180.53km2，占濕地面積的16.44%。沼澤濕地分布較廣，各個(gè)湖泊岸邊帶均有發(fā)育，主要分布于龍感湖南北部，大官湖、黃湖、泊湖整體聯(lián)通區(qū)的南部地區(qū)，青草湖的東部區(qū)域。灘涂出露面積較小僅14.03km2，主要出露于龍感湖與大官湖的連通區(qū)域。人工濕地總面積159.55km2，其中占比最大的為水稻田共149.47km2，主要分布在龍感湖、黃湖南部與楊灣河周邊以及青草湖農(nóng)場(chǎng)和周邊地區(qū)；水庫(kù)共兩處，總面積0.94km2；養(yǎng)殖場(chǎng)總面積較小，僅9.14km2，全部為粗放型養(yǎng)殖場(chǎng)，分布在武昌湖和青草湖周邊。

1989年濕地面積1118.96km2。與1967年相比，湖泊濕地面積縮小了約10.06km2，主要變化發(fā)生在楊灣河兩岸湖泊濕地，該區(qū)域湖泊濕地被楊灣河分為東西兩部分，自上世紀(jì)60 年代末開(kāi)始圍墾，并逐步建成九成畈農(nóng)場(chǎng)，在80 年代末期西部地區(qū)完全演化為水稻田，東部地區(qū)則由于在80 年代初新建楊灣河道，使得自然湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮?kù)，并仍在被圍墾。沼澤濕地面積減少12.56km2，主要集中在宿松縣何墩地區(qū)，其兩側(cè)分別為龍感湖與大官湖，由于護(hù)堤的建設(shè)，使得該區(qū)域不易受湖水上漲影響，沼澤濕地逐步演變?yōu)樗咎?。人工濕地總面積183.76km2，其中占比最大的為水稻田，與1967年相比面積增大了約23km2；水庫(kù)共4處，與1967 年相比變化較大，主要是由于新建水庫(kù)造成。粗放養(yǎng)殖面積4.61km2，與1967年相比，武昌湖與青草湖周邊較多粗放型養(yǎng)殖場(chǎng)轉(zhuǎn)化為湖泊濕地或水稻田，另有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)養(yǎng)殖。精細(xì)養(yǎng)殖面積6.56km2。

2002 年濕地面積1078.68km2，其中湖泊濕地面積最大為692.56km2，占區(qū)內(nèi)濕地總面積的64.20%，與1989 年相比，自然濕地面積總體呈縮小趨勢(shì)，但變化不大。區(qū)內(nèi)濕地變化主要為人工濕地面積變化，其中粗放型養(yǎng)殖場(chǎng)增加23.24km2，增加面積集中分布在龍感湖北部腳子門(mén)、富家湖一帶；水庫(kù)則縮減了17.4km2，為楊灣河流域東部大型淺水庫(kù)改造為水稻田所導(dǎo)致。該水庫(kù)的圍墾為一個(gè)長(zhǎng)期持續(xù)過(guò)程。

2018 年濕地面積1042.74km2，其中湖泊濕地面積最大為640.48km2，占區(qū)內(nèi)濕地總面積的61.42%，與2002 年相比湖泊濕地面積持續(xù)縮小。沼澤濕地面積59.45km2，占濕地面積的5.70%，與2002 年相比，沼澤濕地面積減少約100km2，主要是由于龍感湖與黃湖周邊沼澤全部被改造為養(yǎng)殖場(chǎng)所造成的。灘涂在2018年中未發(fā)現(xiàn)，已全部改造為水稻田。人工濕地總面積342.81km2，與2002 年相比，主要為兩類養(yǎng)殖場(chǎng)的大面積增加。其中粗放養(yǎng)殖面積96.50km2，與2002年相比面積增大較多，增大的區(qū)域主要分布在各個(gè)湖泊的水面邊界區(qū)域；精細(xì)養(yǎng)殖面積70.36km2，全區(qū)均有分布，同時(shí)有不少粗放養(yǎng)殖場(chǎng)演變?yōu)榫?xì)養(yǎng)殖場(chǎng)。

1967 年、1989 年、2002 年、2018 年濕地面積分布情況見(jiàn)表1。

表1 不同年代濕地面積分布Table 1.Areas of wetlands in different years

2.2 濕地景觀生態(tài)學(xué)指數(shù)

依據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算得到表2。從表2 中可以看出：1967—2018 年50多年來(lái)安慶市沿江濕地的多樣性指數(shù)SHDI為0.9337～1.1741，雖然變化較小但呈增大趨勢(shì)，表明50多年來(lái)，濕地景觀的破碎度在不斷提高，其中主要原因?yàn)槿斯ゐB(yǎng)殖場(chǎng)在湖泊周邊不斷增加；均勻度指數(shù)SHEI為0.4798～0.6034，表明50多年來(lái)研究區(qū)濕地主要受湖泊、沼澤等大面積優(yōu)勢(shì)圖斑支配，隨著時(shí)間的推移，均勻度指數(shù)不斷增大，說(shuō)明湖泊、沼澤、水稻田等圖斑的優(yōu)勢(shì)地位在不斷降低。

表2 安慶市沿江濕地景觀生態(tài)學(xué)指數(shù)對(duì)比Table 2.Comparison of ecological index of wetland land‐scape along the Yangtze River in Anqing City in different years

2.3 濕地變化速率

依據(jù)式（3）計(jì)算得到各種濕地類型每年的變化速率如圖4 所示。1967—2018 年之間，安慶市沿江濕地總體格局變化不大，但各類型濕地均在2002—2018年之間變化趨勢(shì)加快，其中自然濕地以減少為主，人工濕地則表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。

圖4 濕地年平均變化速率Figure 4.Annual changes in areas of wetlands

自上世紀(jì)60年代以來(lái)自然濕地呈逐漸減小趨勢(shì)，并且這個(gè)趨勢(shì)在近10年來(lái)呈加速狀態(tài)，湖泊濕地減少達(dá)到3.26km2/a，沼澤濕地則達(dá)到了6.5km2/a。截至2018 年，自然濕地面積萎縮238.32km2，其中湖泊濕地減少103.21km2，主要集中在泊湖楊灣河流域及青草湖東部地區(qū)，其中楊灣河流域一湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)殖場(chǎng)及農(nóng)田；青草湖受淤積影響，東部水深逐年降低，湖泊濕地演變?yōu)檎訚蓾竦?。沼澤濕地共減少120.99km2。上世紀(jì)60年代各個(gè)湖泊由于開(kāi)發(fā)利用率低，湖泊周邊無(wú)護(hù)堤存在，沼澤濕地分布面積較大，到2018 年除青草湖沼澤濕地面積呈增大狀態(tài)外，其余多處湖泊沼澤濕地大部分改造為水稻田，少部分改造為養(yǎng)殖場(chǎng)。灘涂由于湖泊開(kāi)發(fā)，逐漸減少直至消失。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，可以產(chǎn)生較多經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的養(yǎng)殖場(chǎng)快速增長(zhǎng)，2002—2018年之間，粗放型養(yǎng)殖場(chǎng)的增長(zhǎng)速率達(dá)到了3.88km2/a，精細(xì)養(yǎng)殖場(chǎng)則達(dá)到了4.29km2/a。兩類養(yǎng)殖場(chǎng)的面積從1967 年的9.14km2變化為2018年的166.86km2，擴(kuò)張面積為157.72km2。擴(kuò)張的養(yǎng)殖場(chǎng)主要分布在湖泊水面邊角處，嚴(yán)重影響了水流的循環(huán)，加重了濕地萎縮速度。

3 驅(qū)動(dòng)力分析

50多年來(lái)，安慶市沿江濕地在類型和面積分布上都發(fā)生了較大程度的變遷。例如泊湖楊灣河區(qū)域由上世紀(jì)60 年代的小型湖泊演變?yōu)?0 年代的水稻田，最終演變?yōu)?018 年的養(yǎng)殖場(chǎng)。整個(gè)沿江地區(qū)濕地分布于濱江平原，地勢(shì)起伏度小，由低洼地段蓄水形成，呈淺碟狀，故濕地水資源系統(tǒng)一定程度上受到氣候變化的影響，其中降雨量與溫度是最主要的影響因素。同時(shí)由于人類活動(dòng)，如水庫(kù)建設(shè)、養(yǎng)殖場(chǎng)開(kāi)發(fā)、公路修建等活動(dòng)的展開(kāi)導(dǎo)致了濕地的萎縮以及破碎化。所以自然因素以及人類活動(dòng)是濕地變遷的主要驅(qū)動(dòng)力。

3.1 自然因素對(duì)濕地變遷的影響

氣候因子是濕地演變的一個(gè)重要組成因素。由于安慶市沿江濕地深度較淺，濕地面積與降雨量密切相關(guān)。安慶市50多年來(lái)的降雨量及溫度曲線如圖5所示。安慶市南依長(zhǎng)江，北靠大別山，雖然降雨量在1958—1968 年及1998—2008 年這兩個(gè)十年內(nèi)維持在一個(gè)較低的水平（依然高于1000mm）以外，始終維持在一個(gè)較高水平。溫度大致可以分為兩個(gè)階段，其中1958—1990年平均溫度16.4℃，1991年后溫度迅速上升，1991—2018 年平均溫度達(dá)到了17.3℃。濕地系統(tǒng)對(duì)溫度因子響應(yīng)較為敏銳，溫度每升高3℃，就需要增加20%的降雨量才能補(bǔ)償溫度升高帶來(lái)的影響[22]。所以，1989 年時(shí)氣溫為16.5℃，降雨量為1610mm，較低的平均溫度及較大的降雨量，使得安慶市沿江濕地面積在這一年達(dá)到了最大的水平。同時(shí)，由于夏季長(zhǎng)江水面高于湖泊水面，自五月開(kāi)始湖泊進(jìn)行關(guān)閘蓄水，至汛期過(guò)后開(kāi)閘。蓄水的存在導(dǎo)致蒸發(fā)量的影響相對(duì)不顯著，濕地分布面積主要受當(dāng)年降雨量影響。除1967 年湖泊周邊沒(méi)有防護(hù)設(shè)施導(dǎo)致水面外擴(kuò)較大之外，1989、2002、2018 年，濕地面積與降雨量大小相關(guān)性為0.986，P 值接近0.05，具有顯著性意義，兩者存在明顯正相關(guān)（見(jiàn)表3）。

圖5 安慶市1958—2018年降雨量與溫度變化曲線Figure 5.Curves of annual change in average precipitation and temperature in Anqing City from 1958 to 2018

表3 濕地面積與降雨量相關(guān)性Table 3.Correlation of wetland area with rainfall

3.2 人類活動(dòng)對(duì)濕地變遷的影響

安慶市沿江濕地區(qū)是人口密集區(qū)，沿江濕地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)方式為農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。濕地的演化也可以劃分為兩個(gè)階段。第一階段為上世紀(jì)50—80 年代受大規(guī)模圍墾影響，自60年代以來(lái)，人口密度逐漸增加，直至2014年后才出現(xiàn)下降趨勢(shì)，人口的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致出現(xiàn)大規(guī)模圍墾活動(dòng)，農(nóng)用地占據(jù)大量濕地，使得湖泊縮小變淺，沼澤濕地首先遭到破壞，種類豐富的沼澤植被、水生植被被單一的農(nóng)作物取代，生物多樣性下降同時(shí)消減了供水及蓄洪能力，同時(shí)，單一的食物來(lái)源導(dǎo)致水禽和候鳥(niǎo)生活場(chǎng)所遭到破壞，濕地生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響。

第二階段為上世紀(jì)80 年代至今則主要表現(xiàn)為人工養(yǎng)殖場(chǎng)面積增大，濕地破碎度加劇。80 年代以來(lái)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，大大小小的養(yǎng)殖用地分割了濕地水面，各湖灣港汊基本都被圍欄圈圍，嚴(yán)重破壞了候鳥(niǎo)棲息環(huán)境，同時(shí)養(yǎng)殖產(chǎn)品的單一導(dǎo)致湖底進(jìn)一步荒蕪化，使得自然濕地面積進(jìn)一步縮小，湖床不斷升高，蓄水量進(jìn)一步減少，加速湖泊老齡化。2016 年第一次出現(xiàn)黃湖水漫過(guò)湖堤造成大量農(nóng)田受災(zāi)就是湖泊老齡化的一個(gè)有力佐證。

從濕地年平均變化速率（圖4）可知，近些年天然濕地與人工濕地的轉(zhuǎn)化速度，在一定程度上受到越來(lái)越強(qiáng)的人類活動(dòng)影響，這可能是安慶市沿江濕地演化過(guò)程的根本因素。

4 結(jié)論

本文以安慶市沿江濕地作為研究目標(biāo)，利用遙感信息提取技術(shù)，結(jié)合1967—2018年四期遙感影像對(duì)研究區(qū)濕地的變遷及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行研究分析。結(jié)果表明：（1）安慶市沿江濕地1967年、1989年、2002年、2018年景觀破碎度分別為0.9337、1.028、1.0633、1.1741，濕地破碎度整體處于良好狀態(tài)，但破碎度逐年遞增，主要為養(yǎng)殖場(chǎng)的飛速發(fā)展，造成湖區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)星羅棋布，水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)不合理，養(yǎng)殖品種單一，部分水域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大，破壞濕地內(nèi)部水生植被系統(tǒng)，極其不利于濕地水體交換。（2）從空間分布上來(lái)看，濕地總體規(guī)模變化不大，與當(dāng)年降雨量呈正相關(guān)性，但濕地內(nèi)部種類類型相互轉(zhuǎn)化，湖泊濕地、沼澤濕地逐年遞減，在近10年呈加速狀態(tài)。（3）不同時(shí)期濕地變遷所受到的驅(qū)動(dòng)力并不相同，1967—1989 年，濕地主要類型為湖泊濕地和沼澤濕地以及水稻田，其他濕地類型面積較小，濕地變遷主要受自然驅(qū)動(dòng)力的影響；1989—2002 年，各類自然濕地變遷程度較低，但人工濕地面積逐步增加，這段時(shí)期，自然驅(qū)動(dòng)力與人類活動(dòng)相互作用；2002—2018年，自然濕地面積大量減少，多轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)殖場(chǎng)，表明這期間人類活動(dòng)成為濕地變遷的主要驅(qū)動(dòng)力。