基于遙感監(jiān)測(cè)的黃河三角洲濕地演變分析研究

焦瑞峰 ，葛 雷 ，黃 翀

（1．黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450004； 2．中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101）

0 引言

黃河三角洲因特殊的地理位置、優(yōu)越的自然資源、獨(dú)特的歷史變遷使其在黃河流域生態(tài)安全戰(zhàn)略中具有特殊的地位與作用，成為黃河治理開發(fā)與保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域之一。黃河三角洲濕地是我國主要江河河口中最具重大保護(hù)價(jià)值的生態(tài)區(qū)域之一，在我國生物多樣性維持中具有重要地位。黃河三角洲國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是全國最大的河口類自然保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)濕地在維持河口地區(qū)水鹽平衡、提供鳥類棲息地、生態(tài)平衡等方面具有重要生態(tài)功能[1]。

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，石油開采、農(nóng)業(yè)開墾和水產(chǎn)養(yǎng)殖等人類活動(dòng)，以及 20 世紀(jì)黃河頻繁斷流的影響對(duì)黃河三角洲濕地造成了嚴(yán)重破壞[2-3]，區(qū)域濕地面積萎縮，土壤鹽漬化加重，植被面積減少，魚類減少 40%，鳥類減少 30%，生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞[4]。1999 年黃河水利委員會(huì)對(duì)黃河水量實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度，圍繞黃河三角洲生態(tài)治理與保護(hù)，特別針對(duì)黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)的良性維持開展了調(diào)水調(diào)沙、生態(tài)水量調(diào)度、現(xiàn)行流路保護(hù)區(qū)濕地修復(fù)等一系列的理論與應(yīng)用實(shí)踐[5]，對(duì)三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)起到了促進(jìn)作用，有力遏制了黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化趨勢(shì)[6-11]。濕地作為黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，掌握其類型、規(guī)模、分布格局變化是開展黃河三角洲生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)。本研究通過實(shí)地查勘和遙感影像解譯，對(duì)黃河三角洲濕地多年連續(xù)變化進(jìn)行解譯分析，可以及時(shí)和整體了解黃河三角洲濕地修復(fù)效果，對(duì)黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與修復(fù)具有重大意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

收集篩選 1986—2018 年間夏季黃河三角洲Landsat 4，5，8 系列衛(wèi)星遙感影像，以及哨兵-1、哨兵-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)[12]；采用 ERDAS 9.0 進(jìn)行遙感影像大氣輻射和地形校正、圖像鑲嵌、融合等前處理，通過波段組合計(jì)算出水體、植被歸一化指數(shù)，提取植被和遙感信息；輔以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，逐一確定現(xiàn)狀年各斑塊植被、土地利用和濕地的類型；在現(xiàn)狀年調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)歷史遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類和目視解譯，分類和解譯過程中主要參考 2000 年全國土地利用現(xiàn)狀、2000 年全國濕地解譯、2006 年沿黃濕地解譯、2018 年黃河下游濕地遙感解譯等數(shù)據(jù)，以及全國生態(tài)環(huán)境 10 a 變化遙感調(diào)查專項(xiàng)項(xiàng)目相關(guān)的文字資料和報(bào)告。

依據(jù)解譯結(jié)果，采用 ArcGIS 10.3 軟件對(duì)土地利用解譯結(jié)果進(jìn)行重分類、融合、相交計(jì)算，并采用 Excel 數(shù)據(jù)透視表功能建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表，計(jì)算不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換強(qiáng)度，分析影響濕地面積變化的主要因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地資源現(xiàn)狀

經(jīng)解譯，2018 年黃河三角洲共有濕地面積1 327 km2，約占三角洲總面積的 55%。依據(jù)黃河三角洲濕地現(xiàn)狀，參考 2013 年全國第2 次濕地資源調(diào)查分類標(biāo)準(zhǔn)，將黃河三角洲濕地劃分為自然和人工 2 種濕地，其中：自然濕地面積為 730 km2，主要有淡水、咸水和近海海岸等三大類型，并可進(jìn)一步細(xì)分為河流濕地面積 54 km2、蘆葦沼澤濕地面積157 km2、蘆葦檉柳灌叢等咸水濕地面積 119 km2、海岸灘涂濕地面積 287 km2；人工濕地面積為 597 km2，可細(xì)分為水庫面積 24 km2、坑塘水面面積 42 km2、養(yǎng)殖水面面積 383 km2、鹽田面積 147 km2。黃河三角洲 2018 年濕地分布示意圖如圖1 所示。

圖1 黃河三角洲 2018 年濕地分布示意圖

2.2 濕地分布格局

黃河三角洲濕地在地域上的空間分布有以下幾個(gè)特征：

1）整體上呈帶狀圍繞在三角洲邊緣，介于內(nèi)陸和海域之間，是典型的陸海兩相生態(tài)系統(tǒng)交匯帶、緩沖帶。

2）自然和人工濕地分別呈團(tuán)簇狀聚類、間或分布，具有典型的地域分布特點(diǎn)。其中自然濕地在三角洲北部、東部集中分布，人工濕地則廣泛占據(jù)沿海近岸區(qū)域，呈圍合自然濕地狀。

3）淡水濕地以河流為中心，主要分布在黃河現(xiàn)行流路、神仙溝及刁口河尾閭兩側(cè)共 3 塊區(qū)域，其中保護(hù)區(qū)現(xiàn)行流路蘆葦沼澤濕地面積和規(guī)模最大。灘涂濕地主要分布在現(xiàn)行流路和刁口河近海外側(cè)，屬陸海交接帶，由周期性潮汐沖刷形成，以現(xiàn)行流路兩側(cè)規(guī)模和面積最大。咸水濕地以蘆葦檉柳為主，主要分布在刁口河近海兩側(cè)和孤東油田中上北部，以孤東油田分布最為集中。人工濕地則以鹽田和養(yǎng)殖坑塘為主，其中養(yǎng)殖坑塘在挑河口、神仙溝口、三角洲南部沿海均大面積分布，而鹽田則主要分布在三角洲東北部的神仙溝流路附近。此外，水庫由于肩負(fù)供水職能，大致均勻分布在三角洲內(nèi)陸。

4）現(xiàn)行流路兩側(cè)自然濕地是三角洲面積最大的自然濕地分布區(qū)，呈雙叉楔狀突入渤海，是三角洲濕地變化最顯著的特征，顯示出三角洲濕地演替主要受黃河淤積造陸影響的基本規(guī)律。

2.3 濕地面積變化分析

黃河三角洲 1986—2018 年間濕地資源變化趨勢(shì)如圖2 所示。

圖2 黃河三角洲濕地面積變化示意圖

從解譯結(jié)果看：黃河三角洲濕地總面積呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，1986—1996 年間緩慢增長，1996 年后迅速減少，并于 2010 年后趨于平穩(wěn)；1996 年濕地面積最大，為 1 671.43 km2，占三角洲總面積的 65.20%；2013 年面積最小，為 1 338.83 km2，占三角洲總面積的 54.85%；此后基本保持穩(wěn)定。

整體上，黃河三角洲濕地總面積從 1986 年的1 581 km2降低至 2018 年的 1 316 km2，約降低16.8%，其中：自然濕地面積從 1 532 km2降低至 723 km2，約減少 52.8%；人工濕地從 49 km2增加至593 km2，約劇增 1 110.2%。各類型自然和人工濕地面積變化如圖3 和 4 所示。

圖3 黃河三角洲各類型人工濕地面積變化示意

圖4 黃河三角洲各類型自然濕地面積變化示意

黃河三角洲自然濕地面積變化分為以下 2 類：

1）蘆葦草甸、檉柳灌叢和裸灘濕地面積逐年減少。其中：蘆葦草甸濕地面積從 1986 年的595 km2減少至 2018 年的 129 km2，約減少 78.3%，是自然濕地中面積減少最多的類型；蘆葦檉柳灌叢面積先升高后降低，從 1986 年的 238 km2減少至 119 km2，約減少 50.1%；灘涂濕地面積由 1986 年的 417 km2降低至 2013 年的 227 km2，之后略有增加，總體上基本保持穩(wěn)定。

2）蘆葦沼澤、翅堿蓬和河流等濕地面積先減后增。其中：蘆葦沼澤濕地面積由 1986 年的 166 km2降低至 2008 年的 115 km2，之后逐漸恢復(fù)至 2018 年的 152 km2，超過 1992 年自然保護(hù)區(qū)建區(qū)時(shí)的143 km2；蘆葦翅堿蓬和河流濕地面積與 20 世紀(jì)80 年代相比略有降低，但與 20 世紀(jì) 90 年代相比略有增加。

與自然濕地相反，黃河三角洲人工濕地總面積約增加 10 倍，其中水庫面積增加 18 倍，養(yǎng)殖水面面積增加 11 倍，鹽田面積約增加 8 倍，坑塘水面面積約增加 2 倍。

2.4 濕地類型轉(zhuǎn)換分析

以黃河三角洲土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展土地利用類型轉(zhuǎn)換分析，1996—2015 年濕地與非濕地類型之間的相互轉(zhuǎn)換分析如表1 所示。濕地向其他土地利用類型均有轉(zhuǎn)出，以耕地為最多，面積為 206.34 km2，其次為濕地向海域的轉(zhuǎn)出，面積為 189.37 km2；同時(shí)又有新的濕地產(chǎn)生，即由海域轉(zhuǎn)入濕地的部分，與沿海灘涂的分析部分類似，這也是濕地的主要轉(zhuǎn)入類型，耕地和林地向濕地的轉(zhuǎn)換則主要通過人為開發(fā)作用。

表1 1996—2015 年各土地類型與濕地面積轉(zhuǎn)換結(jié)果 km2

1996—2015 年，人工濕地與自然濕地間的相互轉(zhuǎn)換結(jié)果如下：自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)出面積為 437.97 km2；人工濕地向自然濕地轉(zhuǎn)出面積為132.75 km2，明顯小于前者，主要是由于經(jīng)濟(jì)目的，自然濕地人為開發(fā)為養(yǎng)殖、鹽田等人工濕地。

以 2015—2017 年 3 a 土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，濕地與非濕地類型之間的相互轉(zhuǎn)換狀況如表2 所示。

表2 2015—2017 年各土地類型與濕地面積轉(zhuǎn)換結(jié)果 km2

從表2 可以看出：

1）除碼頭用地外，濕地向其他各類型用地均有轉(zhuǎn)出，向耕地的轉(zhuǎn)出最多，面積為 19.96 km2，主要是自然濕地的灘涂被開墾為耕地，其次為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)出面積為 1.49 km2。

2）同時(shí)又有新的濕地產(chǎn)生，即把耕地轉(zhuǎn)換為養(yǎng)殖類人工濕地，這是濕地的主要轉(zhuǎn)入類型，耕地和林地向濕地的轉(zhuǎn)換主要通過人為開發(fā)作用。

2015—2017 年，人工濕地與自然濕地間的相互轉(zhuǎn)換情況如下：自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)出面積為7.89 km2；人工濕地向自然濕地轉(zhuǎn)出面積為 10.86 km2，差別較小，說明政府開始注重自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，加強(qiáng)了自然濕地的維持，減少了人為開發(fā)。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以 2017—2018 年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析濕地與非濕地類型之間的相互轉(zhuǎn)換狀況，具體如表3 所示。

表3 2017—2018 年各土地類型與濕地面積轉(zhuǎn)換結(jié)果 km2

從表3 可以看出：

1）濕地向其他各類型土地均有轉(zhuǎn)出，其中向耕地的轉(zhuǎn)出最多，面積為 42.58 km2，主要是自然濕地的蘆葦草甸轉(zhuǎn)化為耕地，其余轉(zhuǎn)出的面積較少。

2）同時(shí)耕地向濕地的轉(zhuǎn)入也較多，面積為 54.72 km2，主要是大片耕地被人為開發(fā)為養(yǎng)殖或鹽田等人工濕地，其余土地類型轉(zhuǎn)入到濕地的面積較少。

人工濕地與自然濕地間的相互轉(zhuǎn)換情況如下：2017—2018 年，自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)出面積為 46.81 km2，人工濕地向自然濕地轉(zhuǎn)出面積為 18.88 km2；相比 2015 年之前，自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)入明顯減少，但這 2 a 自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)入明顯多于人工濕地轉(zhuǎn)化自然濕地，說明需要進(jìn)一步加強(qiáng)自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，加強(qiáng)自然濕地的保護(hù)。

3 結(jié)語

基于 1986—2018 年多年黃河三角洲遙感影像，對(duì)黃河三角洲濕地現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，分析黃河三角洲濕地規(guī)模及分布格局等變化趨勢(shì)。主要研究結(jié)論如下：

1）現(xiàn)狀條件下黃河三角洲濕地面積約占三角洲總面積的 55%，是三角洲主要生態(tài)系統(tǒng)類型之一，主要在三角洲地區(qū)沿海向岸分布，其中自然濕地主要分布在刁口河及黃河現(xiàn)行流路兩側(cè)。與 20 世紀(jì) 80 年代相比，黃河三角洲濕地總面積整體減少，但目前已基本趨于穩(wěn)定。

2）自然濕地萎縮嚴(yán)重，人工濕地增加迅速。自然濕地是黃河三角洲生物多樣性最為豐富的區(qū)域，是重要的繁殖棲息地。20 世紀(jì) 80 年代以來，黃河三角洲自然濕地約萎縮了 52.80%，由占總面積的 96.87% 降低至 54.96%；人工濕地約增加了 1 110.20%，由占總面積的 3.13% 上升至 45.04%。黃河三角洲濕地面積、結(jié)構(gòu)發(fā)生較顯著變化。

3）區(qū)域土地資源開發(fā)是自然濕地萎縮的重要因素。黃河三角洲經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展快速，土地利用開發(fā)強(qiáng)度顯著增加，大量自然濕地資源被開發(fā)為人工濕地和農(nóng)牧地，與濕地爭地現(xiàn)象明顯。

研究成果表明：基于遙感解譯，采用 ERDAS 9.0 和 ArcGIS10.3 等軟件，可快速生成可比較的、標(biāo)準(zhǔn)化的分類結(jié)果，是獲取研究區(qū)較高精度土地利用信息的一種行之有效的方法，可為大范圍的土地利用分類研究提供方法參考。

濕地作為黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，需要長期進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析評(píng)估，只有通過長期的對(duì)比分析，研究黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)長期變化規(guī)律，才能揭示生態(tài)系統(tǒng)的變化及其產(chǎn)生的影響和效益。今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)濕地等水生態(tài)調(diào)查監(jiān)測(cè)分析評(píng)估研究，不斷檢驗(yàn)和完善生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)，為黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的有效管理，完善黃河三角洲濕地生態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估體系的建設(shè)，制定保護(hù)對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)，為黃河水資源優(yōu)化配置，充分發(fā)揮生態(tài)效益提出科學(xué)合理的意見與措施建議。