挠力河近20年来湿地景观变化分析

挠力河近20年来湿地景观变化分析

1阴山山地湿地公园区扎利河盆地位于黑龙江省三江平原的腹地。它位于东13113410，西5434735。东南与万达山相连，东至与乌苏里江相连，总面积为241.67公顷。其中山地面积占总面积的36%,平原占64%。该流域包括16条主要河流,其中作为乌苏里江一级支流的挠力河是其主流,发源于完达山脉,自西南流向东北,全长596km。该区地处温带、湿润半湿润大陆性季风气候区,降水丰富。多年平均降水量为518mm,其中完达山脉以东年降水量可超过600mm,且冬春季节降水少,夏季降雨丰富,6～9月降雨可占全年降水量的72%,有利于沼泽湿地的形成和发育。加上该区地势低平,各种碟形洼地广泛分布,使地表径流不畅,而且广泛分布的粘性土层阻碍地表水下渗,形成大面积沼泽。独特的自然环境和气候条件,造就了该区丰富的湿地类型和独特的生态环境。尤其在广大的平原区域,在宽广的河漫滩、阶地和山前倾斜平原上,发育形成了复杂多样的湿地类型。该流域农业开发活动非常活跃,建国以来经过4次大规模农业开发活动,尤其在1980年国家进入经济迅速发展时期后。目前该区已建成6个县,7个现代化农场,总人口达到125万人,其中农业人口占65.6%。该区已成为三江平原主要产粮区和国家重要商品粮基地。随着人口的增加和经济的迅速发展,大面积的湿地转化为农田。湿地逐渐向河岸区域萎缩,约80%的湿地丧失。目前残留湿地仅占整个流域面积的7.1%,占平原面积的11%。2遥感解译时间湿地是地表重要的土地覆盖类型和独具特点的景观类型。湿地常常发育在流域的低洼地貌部位,处于与水系相邻的水陆过渡地带。常年或季节性积水是湿地的显著特征,因而也给湿地研究带来极大困难。20世纪80年代以来,遥感和GIS的发展为湿地研究带来了机遇和挑战,也为湿地景观的定量研究创造了条件。结合多年研究的经验,湿地景观变化的定量研究拟采取以下方法。(1)遥感数据选择、处理与遥感影像解译。根据研究区域大小和研究精度需要,选取遥感数据类型。一般中小流域研究可选择LandsatTM/ETM遥感数据,其分辨率可达30m×30m,ETM为15m×15m;其中选择合适的影像数据产生的时间对后一步的遥感解译非常重要。一般应选择能够突出湿地景观类型又明显与其他土地利用/土地覆盖类型相区别的时间。对三江平原而言,湿地植被生长明显而农田植被没有生长出来的5～6月份最为合适。当然,遥感数据质量要好。然后对数据进行几何纠正和配准,进行研究区信息提取。下一步为遥感解译工作,在已建立的分类系统基础上,进行自动或半自动解译工作。目前对湿地景观研究尚无成熟的完全自动分类方法,只能进行半自动解译工作。解译工作中需要参考地方最新的土地利用图、地形图、交通图及其他相关图件。初始解译完成后需要进行野外GPS检验,以提高数据精度,一般应达到80%以上。(2)GIS数据处理与分析。首先利用GIS软件对遥感解译的湿地景观数据和土地利用/土地覆盖进行计算,包括斑块面积、周长等参数,然后对各时段数据进行空间叠加运算,求出不同时期各类型的转移矩阵。(3)根据下列公式可求得有由k时期到k+1时期的土地利用变化的类型及其相互转化的数量关系转移矩阵(表1和表2)。其中,行表示的是k时期的i种土地利用类型,列表示k+1时期的j中土地利用类型;黑体部分表示的是k时期的土地利用类型转变为k+1时期各种土地利用类型的面积,即原始土地利用变化转移矩阵Aij,占有率表示各类型占流域面积的比率;变化率表示k+1时期各种土地利用类型相对于k时期的变化程度。根据以上数据对湿地景观变化和土地利用/土地覆盖变化进行定量分析,研究变化过程和影响机制。3结果与分析3.1湿地的属性及类型该区从建国以来经历4次大规模的土地开发,人类活动一直是该流域的主要活动,对湿地景观影响巨大。为充分反映人类活动,尤其是农业开发活动对湿地景观的影响,湿地分类以湿地形成和人类活动影响因子为主导,根据湿地的特征,综合反映湿地的水源补给条件、水文状况、地貌部位以及植被等各自然要素相互联系、相互影响、相互制约的关系,在抓住制约湿地形成发育的主导因素基础上进行分类,以反映湿地的内在属性及其差异。首先,形成三江平原湿地类型景观差异的最主要因素是人类活动影响。为此,将湿地第一级按人类活动影响划分为自然湿地和人工湿地两类。其次,水分状况是形成该区湿地类型差异的主要因素,而水分状况可通过景观类型表现出来。因此,第二级分类可划分为河流、湖泊、水库、水渠、水田等景观类型和草甸、沼泽、灌丛、岛状林等自然湿地景观类型。第三级形成综合分类系统,沼泽湿地按优势植物群落反映其差异性(表3)。3.2挠力河流域自然湿地类型和分布自然湿地在空间上的分布主要受地貌和水热组合条件的影响。由于自然湿地常常发生在负地貌部位上,受水文条件和相对高度变化以及地表组成物质的影响,类型上具有明显的差别和不平衡性。挠力河是发源于山区、穿行于平原中的河流。上游山区支流众多,坡陡流急,中下游为平原区,多条河流在此汇合、漫散,河流纵比降变小(1/10000),河道弯曲(弯曲系数为1.5～3.0),河床窄小,径流不畅,形成宽广的河漫滩(宽度可达34m)。该流域河漫滩占平原面积的65.7%,历史时期沼泽率达70%以上。挠力河流域自然湿地主要发育在山前洪积坡积裙和冲积、洪积倾斜平原(海拔为60～120m),高低河漫滩(海拔为35～65m)和阶地上(55～80m)。由于地面组成物质的差异,湿地类型和分布发生了明显分异,但有很强的规律性。漂筏苔草沼泽主要分布在河流下游的靠近河槽的低河漫滩上;毛果苔草沼泽广泛分布在阶地的洼地和低河漫滩上;芦苇沼泽集中分布在七星河中下游,由于地表径流汇集、水量丰富且涨落幅度大、矿化度高,适于芦苇生长;甜茅沼泽主要分布在低河漫滩常年积水的地方;塔头苔草沼泽主要分布在山间谷地和山前各种洼地中,受山区径流补给、水分交换频繁和涨落明显的地方;小叶章湿地为季节性积水湿地,主要受降雨和泛滥水影响,常分布在阶地和高河漫滩上;灌丛湿地也属于季节性积水湿地,主要分布在山前洪积坡积裙和冲积、洪积倾斜平原上;岛状林湿地主要分布在高河漫滩上小叶章草甸湿地周围(图1、图2、图3)。3.2.2人工湿地的年变化自20世纪80年代以来,挠力河流域经历了两次大规模土地开发时期:1979～1989年的农业高速发展时期和1990年至今的农业持续发展时期。湿地资源时空动态变化显著。目前,整个挠力河流域开垦的耕地面积占流域面积的62.3%。耕地的扩大以湿地的丧失为代价。而不同的湿地类型变化是不同的,因为不同的湿地类型分布的地理位置不同,开发难易程度亦不同。根据1982年植被类型图、1993年、2000年TM数据,利用遥感和地理信息系统进行图象处理,图形叠加分析,获得相应的属性数据。湿地景观类型的面积变化见表4。可见,湿地在经济快速发展时期的1982～2000年,自然湿地变化呈急剧减少趋势。由1982年的53.32×104hm2减少为2000年的17.17×104hm2,共减少湿地36.15×104hm2,占原面积的67.8%。其中前10年减少最大,占原来湿地面积的61.8%。而人工湿地呈增加趋势,近20年间,人工湿地以每年6889hm2的速度增加,共增加13.09×104hm2;其中前10年增加较少,占总人工湿地面积的24.64%,而后10年增加59.8%。在自然湿地中面积变化最大的是毛果苔草沼泽,其面积由1982年的17.31×104hm2减少到1993年的6.61×104hm2,尔后继续减少到2000年的1.9×104hm2,共减少了15.41×104hm2。其中前10年减少量是原来的61.8%,后10年减少为原来的27.2%,现只剩下11%。而小叶章湿地1993年前呈减少趋势,减少面积为7.88×104hm2,占61.7%;尔后呈增加趋势,增加面积为5.57×104hm2,占2000年的53.2%。在人工湿地中,水田和水渠增加最为显著,水田面积每年增加9340hm2;水渠增加最显著的时段是1993年前,增加水渠451条,后10年增加420条。空间上,自然湿地逐渐向低河漫滩的河流两岸萎缩,呈带状分布,且逐渐破碎化;其中草甸湿地破碎化显著,呈现出零星散布在农田中的景观格局。人工湿地非集中分布。其中稻田散布在旱田和自然湿地中;水渠发展迅速,呈现出网状景观格局(图1、图2、图3)。利用前述土地利用/土地覆盖变化转移矩阵公式计算结果如表1、表2。从表1和表2可看出,1993年前,各类型湿地均向耕地(稻田和旱地)转化,其中转化最快的是岛状林湿地,其他自然湿地类型变化率相当,但均超过60%;耕地和其他用地呈扩展趋势,而林地呈收缩趋势,但变化很小。1993年后,各自然湿地类型也呈现出向耕地转化的趋势,但变化率不均衡;其中岛状林湿地变化率为-100%,表明全转化完;草甸湿地转化率为正值,说明草甸湿地面积在扩大;耕地表现出扩展趋势,其中稻田扩展速度远高于旱地。3.3.2非定期次生态系统和农田种类的变化土地利用活动一直是该流域的主要农业活动,尤其在经济快速发展时期,农业土地开发是导致湿地景观变化的主要活动。而不同时期土地开发的强度和规模也不同,土地利用/土地覆盖特征也表现出差异(表5、图1、图2、图3)。可见,各类型湿地呈减少趋势。其中沼泽湿地减少为31.45×104hm2,占82.78%;草甸湿地1993年前减少了7.88×104hm2,占61.7%;1993年后增加了5.57×104hm2,约是1993年前的一倍多;这些湿地主要是由其他类型沼泽湿地退化而来。另外,林地也呈减少趋势,尽管平原农田防护林增加了677块,面积为6400hm2;农田(包括稻田和旱田)则呈急剧增加趋势。其中旱田近20年增加了39.43×104hm2,1993年前增加幅度大于以后,增加面积为35.68×104hm2,占36.8%;1993年后增加2.8%,增加较少的原因一方面是残留的湿地难于开垦且湿地受到政府的保护,另一方面是进行耕地的内部结构调整,易涝地调整为水田。随着经济发展和农业化的进程,稻田斑块数量伴随面积增大而急剧上升,由1982年的14块上升到1993年的272块,尔后又连续上升到760块,说明1993年后稻田发展速度远高于1982～1993年间;旱田伴随面积的增加,斑块数量降低,平均斑块面积增大,反映出在旱田不断扩展的同时有空间集中化的特征;各类型湿地表现出不断破碎化的特点,尤其是草甸湿地,破碎化非常明显,斑块数量急剧上升,由1982年的74块上升到2000年的3649块,呈现出零星分布于农田中的景观格局。3.4湿地景观变化机制的分析3.4.1人工湿地的产生和发展过程挠力河流域是三江平原土地开发历史最早的流域。著名的友谊农场始建于1954年,是我国高度机械化农场之一。其它农场也都建于1960年以前。由于该流域自然资源丰富,便于开发利用。历史上曾经历了1956～1966年的10万转业官兵开发“北大荒”时期;1966～1976年的城市知识青年上山下乡建设“北大荒”时期;1976～1983年经济建设时期;和1983～1993年的农业综合开发时期。四次大规模的土地开发利用都是以开垦湿地为主,伴随着森林砍伐和水利工程建设进行的。1976以前的土地开发活动主要受政治驱使,1978年以后,土地开发利用主要受经济发展驱动,主要表现为湿地景观分阶段变化,湿地面积减少的规模和速度明显不同。1993年前的农业高速发展时期年均减少速度为2.748×104hm2/年,1993年后的持续发展时期,湿地受到国内外关注和保护,年均减少速度下降为0.398×104hm2/年;减少的湿地96%转化为耕地。人工湿地中,湿地面积呈增加趋势,增加的规模和速度亦表现出不同。1993年前,人工湿地面积的增加相对较少,年均增加速度为3183hm2,1993年后年均增加速度为11587hm2/年,是1993年前的3.6倍。其中稻田年均增加速度1993年前为3767hm2/年,1993年后为11675hm2/年,是1993年前的3.1倍。这说明在经济发展的驱动下,在自然湿地受到严重破坏的同时,根据土地的特点开始进行农业结构调整。新开发的湿地中部分转化为稻田,原来的旱地由于易涝也转变为稻田。农业结构的调整,导致人工湿地的产生和扩大。其主要驱动力是农业化的发展、人口的增加和市场规律的作用以及经济利益的驱使。3.4.2自然湿地破碎化挠力河流域湿地开发从山前平原开始逐渐转向阶地和冲积、洪积平原中难于开发的区域。随着开发难度加大,国家在农田水利建设方面投入大量资金,尤其是排水渠的修建,使水渠数量急剧增加,由1993年前的456条增加到2000年的876条,增加了近一倍。结果导致自然湿地严重破碎化,尤其是草甸湿地破碎化极其明显,只有残留的小块湿地零星分布在农田中,斑块数量由1982年的74块上升到2000年的3649块,增加了49倍;平均斑块面积由1982年的0.17×104hm2减少为1993年的0.017×104hm2,进一步减少为0.003×104hm2,是1982年的1.8%;灌丛湿地和岛状林湿地在破碎化的同时逐渐消失,其中岛状林湿地已完全消失。只有低河漫滩上靠近河道附近的深水沼泽以及阶地上洼地中的小块湿地残存下来。3.4.3土地开发对湿地群落的影响伴随着土地开发和湿地排水活动,湿地生态系统逆向演替和退化严重,尤其是湿地水文条件的变化是导致湿地生态系统演替和退化的主要原因。由于农业土地开发和排水活动,湿地水位降低,从而导致潜水泡沼消失和湿地植物群落演替。散布于农田中的小块湿地,尽管土地开发时由于积水较深而残留下来,但周围土地用水和排水使这些湿地积水深度发生变化,常常是水位减低,结果导致湿地群落由深水位的沼泽植物群落向浅水位或季节性积水湿地群落方向演替。表1和表2的转移矩阵表明,1993年前,只有2.2%的沼泽湿地演化为草甸湿地,而59%的沼泽湿地直接转