1990—2015 年扎龍濕地的景觀變化圖譜

趙丹丹，萬代吉，王一男，劉吉平

（吉林師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，吉林四平 136000）

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡地帶，具有保護(hù)生物多樣性、調(diào)節(jié)徑流和改善水質(zhì)等功能，土壤浸水的特定環(huán)境使其擁有許多具有濕地特色的植物[1].全球內(nèi)陸濕地面積自1700 年以來已減少340 萬km2，濕地受損將導(dǎo)致碳匯能力、蓄水、生物多樣性及土壤保持等多種服務(wù)功能退化[2-3]，濕地結(jié)構(gòu)-功能受損勢必引發(fā)寒溫帶生態(tài)環(huán)境問題，危及區(qū)域生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[4]. 目前我國不同區(qū)域的濕地均產(chǎn)生退化現(xiàn)象，扎龍濕地表現(xiàn)較為明顯，已受到廣泛關(guān)注.

研究學(xué)者對扎龍濕地進(jìn)行了一系列相關(guān)研究，例如宮兆寧等[5]利用NDVI 數(shù)據(jù)分析扎龍濕地下墊面物候特征，通過研究扎龍濕地蒸散發(fā)量及生態(tài)蓄水量提出合理補(bǔ)水方案，為濕地保護(hù)提供了有效支撐；楊明悅[6]對光學(xué)影像Landsat8 OLI 和雷達(dá)影像Sentinel-1 進(jìn)行融合分類，提取扎龍濕地分布圖以探究濕地的動態(tài)變化；李偉琳[7]從扎龍濕地景觀變化的視角評價濕地生態(tài)功能區(qū)，為濕地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及優(yōu)化提供依據(jù)；韋月玲[8]從形態(tài)學(xué)角度對扎龍濕地的景觀變化及連通性進(jìn)行分析，為濕地景觀格局優(yōu)化提供思路.除此之外，研究人員還對濕地變化的驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究，楊欽等[9]研究發(fā)現(xiàn)人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)值及城鎮(zhèn)人口數(shù)量是導(dǎo)致扎龍濕地景觀格局變化的主導(dǎo)因素；孫砳石等[10]對1903—2017 年扎龍濕地景觀破碎化過程的驅(qū)動力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)降水量周期變化是濕地景觀破碎化過程的主導(dǎo)因子；佟守正等[11]對1986—2002 年扎龍濕地生態(tài)系統(tǒng)變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度的人類活動加劇了濕地破碎化程度.現(xiàn)有研究主要針對扎龍濕地整個區(qū)域的濕地景觀變化及驅(qū)動機(jī)制，并未對其進(jìn)行分區(qū)研究. 本研究基于1990—2015 年扎龍濕地的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用動態(tài)度、濕地圖譜及質(zhì)心轉(zhuǎn)移的方法，分區(qū)研究扎龍濕地景觀圖譜變化，以期為扎龍濕地可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為位于黑龍江省西部、齊齊哈爾東南部松嫩平原、烏裕爾河下游湖沼地帶的扎龍濕地（46°48′N～47°31.5′N，123°51.5′E～124°37.5′E），地處烏裕爾河和雙陽河下游，面積約2 100 km2，南北長65 km，東西寬37 km，是全國最大的以鶴類等大型水禽為主的國家級珍稀鳥類自然保護(hù)區(qū)[12].扎龍濕地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為2～4 ℃，多年平均降水量為426 mm，降水主要集中在7—9 月份，占總降水量的70%以上[1].

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的濕地?cái)?shù)據(jù)主要來源于Landsat TM 遙感影像，影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn/）.通過面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，利用eCognition9.0 軟件分類提取濕地?cái)?shù)據(jù)（主要是沼澤濕地和水體），結(jié)合野外調(diào)查及Google earth 驗(yàn)證，提取精度為85%以上，可以基本滿足本研究需求.基于GIS 和RS 技術(shù)，采用動態(tài)度、濕地動態(tài)變化圖譜和質(zhì)心轉(zhuǎn)移模型的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2.2 研究方法

2.2.1 動態(tài)度

以3 期遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，解譯得到1990 年、2000年和2015 年扎龍濕地實(shí)驗(yàn)區(qū)、緩沖區(qū)、核心區(qū)以及整個保護(hù)區(qū)的水體和沼澤濕地面積.利用公式計(jì)算動態(tài)度，分析扎龍濕地面積的動態(tài)變化.動態(tài)度是研究土地利用變化的重要模型，為分析扎龍濕地面積變化，本研究引入動態(tài)度公式，計(jì)算扎龍濕地實(shí)驗(yàn)區(qū)、緩沖區(qū)、核心區(qū)以及整個保護(hù)區(qū)沼澤濕地和水體面積的動態(tài)度，分析濕地面積隨時間變化的特點(diǎn)[13-14].計(jì)算公式為

式（1）中：Ua和Ub分別代表研究初期與研究末期的濕地面積，km2；t為研究時間，a.LC ＞0 表示研究期間濕地面積增加；LC ＜0 表示研究期間濕地面積減少.LC的絕對值越大表示面積變化幅度越大.

2.2.2 濕地動態(tài)變化圖譜

利用ArcMap10.2 軟件的空間分析功能，得到1990 年、2000 年和2015 年3 期扎龍濕地空間分布圖，再運(yùn)用ArcMap10.2 中的clip 和overlay 功能，對3個時期的濕地分布狀況進(jìn)行處理與分析，得到1990—2015 年扎龍濕地面積的動態(tài)變化圖譜.

2.2.3 質(zhì)心轉(zhuǎn)移和標(biāo)準(zhǔn)化橢圓

從空間格局的角度分析地理事物的變化特征是質(zhì)心轉(zhuǎn)移的重要特點(diǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)化橢圓的分布狀況、面積、長軸方向和形狀可以判斷地理事物分布的中心性、聚集性、主體方向和形態(tài)，揭示濕地在空間上的變化軌跡[15].利用ArcMap10.2 軟件，得到1990—2015 年扎龍濕地水體和沼澤濕地的質(zhì)心轉(zhuǎn)移和標(biāo)準(zhǔn)化橢圓圖，分析1990—2015 年扎龍濕地的空間格局變化特征.

3 結(jié)果與分析

3.1 扎龍濕地面積的動態(tài)變化

運(yùn)用ArcGIS10.2 軟件導(dǎo)出屬性表，借助Excel 的統(tǒng)計(jì)分析功能，分別計(jì)算1990—2015 年研究區(qū)內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)、緩沖區(qū)、核心區(qū)以及整個保護(hù)區(qū)水體和沼澤濕地的面積，依據(jù)公式（1）計(jì)算出扎龍濕地各區(qū)域水體和沼澤濕地的動態(tài)度，結(jié)果如表1 所示.

表1 1990—2015 年扎龍濕地動態(tài)度Tab.1 Dynamic degree of Zhalong wetland from 1990 to 2015%

由表1 可以看出，1990—2015 年扎龍濕地各區(qū)水體和沼澤濕地的變化存在差異.研究期間沼澤濕地和水體面積均有所增加，其中水體面積變化幅度比沼澤濕地面積變化幅度大，這與袁力等[16]的研究結(jié)果基本一致.沃曉棠等[1]的研究結(jié)果表明，扎龍濕地不同類型景觀的面積在1979—2010 年間呈增加趨勢，本研究中同樣呈現(xiàn)一定的增加趨勢，雖研究時間序列存在差異，但其變化趨勢基本一致.

1990—2000 年扎龍濕地水體面積的動態(tài)度約為-0.86%，1990—2015 年沼澤濕地和水體面積的動態(tài)度分別為4.66%和10.58%. 從分區(qū)角度來看，2001—2015 年實(shí)驗(yàn)區(qū)水體面積增幅最大，動態(tài)度為16.62%；1990—2000 年實(shí)驗(yàn)區(qū)的水體面積和緩沖區(qū)的沼澤濕地面積均呈減少趨勢，動態(tài)度分別為-7.51%和-1.72%；1990—2015 年核心區(qū)水體面積的動態(tài)度為9.73%.

3.2 扎龍濕地時空格局變化圖譜

利用GIS 軟件提取扎龍濕地的沼澤濕地和水體，得到1990 年、2000 年和2015 年研究區(qū)圖譜，如圖1 所示.

由圖1 可以看出，扎龍濕地主要由沼澤濕地和水體構(gòu)成，其中沼澤濕地占比最大，約為92%.1990—2015 年扎龍濕地總面積呈增大趨勢. 1990—2000 年水體在實(shí)驗(yàn)區(qū)南部大面積減少，2001—2015 年在實(shí)驗(yàn)區(qū)南部和北部零星減少；2001—2015 年沼澤濕地在緩沖區(qū)顯著增加，1990—2015 在核心區(qū)北部顯著增加.扎龍濕地退化和減少不僅受氣候變化的影響，還受人類活動的干擾[11].1990—2015 年核心區(qū)北部沼澤濕地明顯擴(kuò)張，水體也在整個核心區(qū)零星增加，說明退耕還濕等保護(hù)政策的實(shí)施頗有成效；1990—2015 年緩沖區(qū)的水體面積不斷增加，沼澤濕地則先減少后增加；1990—2015 年實(shí)驗(yàn)區(qū)的水體先減少后劇烈增加，而沼澤濕地則主要在北部呈增加趨勢.有研究表明，人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)值及城鎮(zhèn)人口數(shù)量對扎龍濕地的減少貢獻(xiàn)較大[9].

根據(jù)1990—2015 年扎龍濕地核心區(qū)、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的濕地分布，繪制不同分區(qū)內(nèi)扎龍濕地水體和沼澤濕地的相對變化圖譜，如圖2 所示.

由圖2 可知，1990—2000 年和2001—2015 年沼澤濕地相對增加的區(qū)域分別在北部和中北部的核心區(qū)和緩沖區(qū)；而1990—2000 年沼澤濕地相對減少的區(qū)域則主要在實(shí)驗(yàn)區(qū).1990—2015 年沼澤濕地相對減少區(qū)域主要集中在緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的北部；水體相對增加和相對減少的區(qū)域則零星分布于整個研究區(qū).1990—2015 年期間，研究區(qū)氣溫的升高導(dǎo)致沼澤濕地和水體面積出現(xiàn)一定程度的減少，但大型水利設(shè)施和補(bǔ)水工程的修建有效緩解了濕地缺水狀況.此外，濕地相關(guān)法律法規(guī)及政策的制定也有效減緩了沼澤濕地和水體的退化.

3.3 扎龍濕地質(zhì)心轉(zhuǎn)移

利用ArcGIS10.2 軟件，根據(jù)1990—2015 年扎龍濕地矢量分布數(shù)據(jù)，繪制沼澤濕地和水體的質(zhì)心及標(biāo)準(zhǔn)化橢圓圖，如圖3 所示.

由圖3 可知，1990—2000 年沼澤濕地的質(zhì)心向西南方向移動，2001—2015 年向南微弱移動，整體來看，1990—2015 年扎龍沼澤濕地的質(zhì)心向西南方向移動.1990—2000 年扎龍濕地水體的質(zhì)心向西北移動，2001—2015 年向東北移動. 1990—2015 年沼澤濕地和水體的標(biāo)準(zhǔn)化橢圓形狀變化均較小，扎龍濕地在2015 年聚集性相對較強(qiáng)，這與韓敏等[17]的研究結(jié)果存在差異，可能是研究時間序列存在差異造成的.

4 結(jié)論

本研究基于GIS 和RS，采用動態(tài)度、濕地動態(tài)變化圖譜和質(zhì)心轉(zhuǎn)移等方法，研究1990—2015 年扎龍濕地景觀格局變化圖譜和質(zhì)心轉(zhuǎn)移情況，結(jié)論如下：扎龍濕地主要由沼澤濕地和水體構(gòu)成，1990—2015 年扎龍濕地各區(qū)水體和沼澤濕地的變化存在差異，研究區(qū)內(nèi)沼澤濕地和水體面積均有所增加，其中水體面積的變化幅度比沼澤濕地的數(shù)值大；研究期間沼澤濕地的質(zhì)心向西南方向移動，而水體的質(zhì)心則先向西北而后向東北轉(zhuǎn)移，2015年扎龍濕地的聚集性相對較強(qiáng).本研究僅采用了1990—2015 年時間序列遙感數(shù)據(jù)，未能揭示較長時間序列的濕地變化，未來應(yīng)進(jìn)一步采用多時間序列的數(shù)據(jù)對扎龍濕地變化圖譜進(jìn)行深入研究.