撓力河近20年來濕地景觀變化分析

撓力河近20年來濕地景觀變化分析

1陰山山地濕地公園區(qū)扎利河盆地位于黑龍江省三江平原的腹地。它位于東13113410，西5434735。東南與萬達山相連，東至與烏蘇里江相連，總面積為241.67公頃。其中山地面積占總面積的36%,平原占64%。該流域包括16條主要河流,其中作為烏蘇里江一級支流的撓力河是其主流,發(fā)源于完達山脈,自西南流向東北,全長596km。該區(qū)地處溫帶、濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),降水豐富。多年平均降水量為518mm,其中完達山脈以東年降水量可超過600mm,且冬春季節(jié)降水少,夏季降雨豐富,6～9月降雨可占全年降水量的72%,有利于沼澤濕地的形成和發(fā)育。加上該區(qū)地勢低平,各種碟形洼地廣泛分布,使地表徑流不暢,而且廣泛分布的粘性土層阻礙地表水下滲,形成大面積沼澤。獨特的自然環(huán)境和氣候條件,造就了該區(qū)豐富的濕地類型和獨特的生態(tài)環(huán)境。尤其在廣大的平原區(qū)域,在寬廣的河漫灘、階地和山前傾斜平原上,發(fā)育形成了復(fù)雜多樣的濕地類型。該流域農(nóng)業(yè)開發(fā)活動非常活躍,建國以來經(jīng)過4次大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)活動,尤其在1980年國家進入經(jīng)濟迅速發(fā)展時期后。目前該區(qū)已建成6個縣,7個現(xiàn)代化農(nóng)場,總?cè)丝谶_到125萬人,其中農(nóng)業(yè)人口占65.6%。該區(qū)已成為三江平原主要產(chǎn)糧區(qū)和國家重要商品糧基地。隨著人口的增加和經(jīng)濟的迅速發(fā)展,大面積的濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田。濕地逐漸向河岸區(qū)域萎縮,約80%的濕地喪失。目前殘留濕地僅占整個流域面積的7.1%,占平原面積的11%。2遙感解譯時間濕地是地表重要的土地覆蓋類型和獨具特點的景觀類型。濕地常常發(fā)育在流域的低洼地貌部位,處于與水系相鄰的水陸過渡地帶。常年或季節(jié)性積水是濕地的顯著特征,因而也給濕地研究帶來極大困難。20世紀(jì)80年代以來,遙感和GIS的發(fā)展為濕地研究帶來了機遇和挑戰(zhàn),也為濕地景觀的定量研究創(chuàng)造了條件。結(jié)合多年研究的經(jīng)驗,濕地景觀變化的定量研究擬采取以下方法。(1)遙感數(shù)據(jù)選擇、處理與遙感影像解譯。根據(jù)研究區(qū)域大小和研究精度需要,選取遙感數(shù)據(jù)類型。一般中小流域研究可選擇LandsatTM/ETM遙感數(shù)據(jù),其分辨率可達30m×30m,ETM為15m×15m;其中選擇合適的影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時間對后一步的遙感解譯非常重要。一般應(yīng)選擇能夠突出濕地景觀類型又明顯與其他土地利用/土地覆蓋類型相區(qū)別的時間。對三江平原而言,濕地植被生長明顯而農(nóng)田植被沒有生長出來的5～6月份最為合適。當(dāng)然,遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量要好。然后對數(shù)據(jù)進行幾何糾正和配準(zhǔn),進行研究區(qū)信息提取。下一步為遙感解譯工作,在已建立的分類系統(tǒng)基礎(chǔ)上,進行自動或半自動解譯工作。目前對濕地景觀研究尚無成熟的完全自動分類方法,只能進行半自動解譯工作。解譯工作中需要參考地方最新的土地利用圖、地形圖、交通圖及其他相關(guān)圖件。初始解譯完成后需要進行野外GPS檢驗,以提高數(shù)據(jù)精度,一般應(yīng)達到80%以上。(2)GIS數(shù)據(jù)處理與分析。首先利用GIS軟件對遙感解譯的濕地景觀數(shù)據(jù)和土地利用/土地覆蓋進行計算,包括斑塊面積、周長等參數(shù),然后對各時段數(shù)據(jù)進行空間疊加運算,求出不同時期各類型的轉(zhuǎn)移矩陣。(3)根據(jù)下列公式可求得有由k時期到k+1時期的土地利用變化的類型及其相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系轉(zhuǎn)移矩陣(表1和表2)。其中,行表示的是k時期的i種土地利用類型,列表示k+1時期的j中土地利用類型;黑體部分表示的是k時期的土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)閗+1時期各種土地利用類型的面積,即原始土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣Aij,占有率表示各類型占流域面積的比率;變化率表示k+1時期各種土地利用類型相對于k時期的變化程度。根據(jù)以上數(shù)據(jù)對濕地景觀變化和土地利用/土地覆蓋變化進行定量分析,研究變化過程和影響機制。3結(jié)果與分析3.1濕地的屬性及類型該區(qū)從建國以來經(jīng)歷4次大規(guī)模的土地開發(fā),人類活動一直是該流域的主要活動,對濕地景觀影響巨大。為充分反映人類活動,尤其是農(nóng)業(yè)開發(fā)活動對濕地景觀的影響,濕地分類以濕地形成和人類活動影響因子為主導(dǎo),根據(jù)濕地的特征,綜合反映濕地的水源補給條件、水文狀況、地貌部位以及植被等各自然要素相互聯(lián)系、相互影響、相互制約的關(guān)系,在抓住制約濕地形成發(fā)育的主導(dǎo)因素基礎(chǔ)上進行分類,以反映濕地的內(nèi)在屬性及其差異。首先,形成三江平原濕地類型景觀差異的最主要因素是人類活動影響。為此,將濕地第一級按人類活動影響劃分為自然濕地和人工濕地兩類。其次,水分狀況是形成該區(qū)濕地類型差異的主要因素,而水分狀況可通過景觀類型表現(xiàn)出來。因此,第二級分類可劃分為河流、湖泊、水庫、水渠、水田等景觀類型和草甸、沼澤、灌叢、島狀林等自然濕地景觀類型。第三級形成綜合分類系統(tǒng),沼澤濕地按優(yōu)勢植物群落反映其差異性(表3)。3.2撓力河流域自然濕地類型和分布自然濕地在空間上的分布主要受地貌和水熱組合條件的影響。由于自然濕地常常發(fā)生在負地貌部位上,受水文條件和相對高度變化以及地表組成物質(zhì)的影響,類型上具有明顯的差別和不平衡性。撓力河是發(fā)源于山區(qū)、穿行于平原中的河流。上游山區(qū)支流眾多,坡陡流急,中下游為平原區(qū),多條河流在此匯合、漫散,河流縱比降變小(1/10000),河道彎曲(彎曲系數(shù)為1.5～3.0),河床窄小,徑流不暢,形成寬廣的河漫灘(寬度可達34m)。該流域河漫灘占平原面積的65.7%,歷史時期沼澤率達70%以上。撓力河流域自然濕地主要發(fā)育在山前洪積坡積裙和沖積、洪積傾斜平原(海拔為60～120m),高低河漫灘(海拔為35～65m)和階地上(55～80m)。由于地面組成物質(zhì)的差異,濕地類型和分布發(fā)生了明顯分異,但有很強的規(guī)律性。漂筏苔草沼澤主要分布在河流下游的靠近河槽的低河漫灘上;毛果苔草沼澤廣泛分布在階地的洼地和低河漫灘上;蘆葦沼澤集中分布在七星河中下游,由于地表徑流匯集、水量豐富且漲落幅度大、礦化度高,適于蘆葦生長;甜茅沼澤主要分布在低河漫灘常年積水的地方;塔頭苔草沼澤主要分布在山間谷地和山前各種洼地中,受山區(qū)徑流補給、水分交換頻繁和漲落明顯的地方;小葉章濕地為季節(jié)性積水濕地,主要受降雨和泛濫水影響,常分布在階地和高河漫灘上;灌叢濕地也屬于季節(jié)性積水濕地,主要分布在山前洪積坡積裙和沖積、洪積傾斜平原上;島狀林濕地主要分布在高河漫灘上小葉章草甸濕地周圍(圖1、圖2、圖3)。3.2.2人工濕地的年變化自20世紀(jì)80年代以來,撓力河流域經(jīng)歷了兩次大規(guī)模土地開發(fā)時期:1979～1989年的農(nóng)業(yè)高速發(fā)展時期和1990年至今的農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展時期。濕地資源時空動態(tài)變化顯著。目前,整個撓力河流域開墾的耕地面積占流域面積的62.3%。耕地的擴大以濕地的喪失為代價。而不同的濕地類型變化是不同的,因為不同的濕地類型分布的地理位置不同,開發(fā)難易程度亦不同。根據(jù)1982年植被類型圖、1993年、2000年TM數(shù)據(jù),利用遙感和地理信息系統(tǒng)進行圖象處理,圖形疊加分析,獲得相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。濕地景觀類型的面積變化見表4?？梢?濕地在經(jīng)濟快速發(fā)展時期的1982～2000年,自然濕地變化呈急劇減少趨勢。由1982年的53.32×104hm2減少為2000年的17.17×104hm2,共減少濕地36.15×104hm2,占原面積的67.8%。其中前10年減少最大,占原來濕地面積的61.8%。而人工濕地呈增加趨勢,近20年間,人工濕地以每年6889hm2的速度增加,共增加13.09×104hm2;其中前10年增加較少,占總?cè)斯竦孛娣e的24.64%,而后10年增加59.8%。在自然濕地中面積變化最大的是毛果苔草沼澤,其面積由1982年的17.31×104hm2減少到1993年的6.61×104hm2,爾后繼續(xù)減少到2000年的1.9×104hm2,共減少了15.41×104hm2。其中前10年減少量是原來的61.8%,后10年減少為原來的27.2%,現(xiàn)只剩下11%。而小葉章濕地1993年前呈減少趨勢,減少面積為7.88×104hm2,占61.7%;爾后呈增加趨勢,增加面積為5.57×104hm2,占2000年的53.2%。在人工濕地中,水田和水渠增加最為顯著,水田面積每年增加9340hm2;水渠增加最顯著的時段是1993年前,增加水渠451條,后10年增加420條?？臻g上,自然濕地逐漸向低河漫灘的河流兩岸萎縮,呈帶狀分布,且逐漸破碎化;其中草甸濕地破碎化顯著,呈現(xiàn)出零星散布在農(nóng)田中的景觀格局。人工濕地非集中分布。其中稻田散布在旱田和自然濕地中;水渠發(fā)展迅速,呈現(xiàn)出網(wǎng)狀景觀格局(圖1、圖2、圖3)。利用前述土地利用/土地覆蓋變化轉(zhuǎn)移矩陣公式計算結(jié)果如表1、表2。從表1和表2可看出,1993年前,各類型濕地均向耕地(稻田和旱地)轉(zhuǎn)化,其中轉(zhuǎn)化最快的是島狀林濕地,其他自然濕地類型變化率相當(dāng),但均超過60%;耕地和其他用地呈擴展趨勢,而林地呈收縮趨勢,但變化很小。1993年后,各自然濕地類型也呈現(xiàn)出向耕地轉(zhuǎn)化的趨勢,但變化率不均衡;其中島狀林濕地變化率為-100%,表明全轉(zhuǎn)化完;草甸濕地轉(zhuǎn)化率為正值,說明草甸濕地面積在擴大;耕地表現(xiàn)出擴展趨勢,其中稻田擴展速度遠高于旱地。3.3.2非定期次生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田種類的變化土地利用活動一直是該流域的主要農(nóng)業(yè)活動,尤其在經(jīng)濟快速發(fā)展時期,農(nóng)業(yè)土地開發(fā)是導(dǎo)致濕地景觀變化的主要活動。而不同時期土地開發(fā)的強度和規(guī)模也不同,土地利用/土地覆蓋特征也表現(xiàn)出差異(表5、圖1、圖2、圖3)?？梢?各類型濕地呈減少趨勢。其中沼澤濕地減少為31.45×104hm2,占82.78%;草甸濕地1993年前減少了7.88×104hm2,占61.7%;1993年后增加了5.57×104hm2,約是1993年前的一倍多;這些濕地主要是由其他類型沼澤濕地退化而來。另外,林地也呈減少趨勢,盡管平原農(nóng)田防護林增加了677塊,面積為6400hm2;農(nóng)田(包括稻田和旱田)則呈急劇增加趨勢。其中旱田近20年增加了39.43×104hm2,1993年前增加幅度大于以后,增加面積為35.68×104hm2,占36.8%;1993年后增加2.8%,增加較少的原因一方面是殘留的濕地難于開墾且濕地受到政府的保護,另一方面是進行耕地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整,易澇地調(diào)整為水田。隨著經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)化的進程,稻田斑塊數(shù)量伴隨面積增大而急劇上升,由1982年的14塊上升到1993年的272塊,爾后又連續(xù)上升到760塊,說明1993年后稻田發(fā)展速度遠高于1982～1993年間;旱田伴隨面積的增加,斑塊數(shù)量降低,平均斑塊面積增大,反映出在旱田不斷擴展的同時有空間集中化的特征;各類型濕地表現(xiàn)出不斷破碎化的特點,尤其是草甸濕地,破碎化非常明顯,斑塊數(shù)量急劇上升,由1982年的74塊上升到2000年的3649塊,呈現(xiàn)出零星分布于農(nóng)田中的景觀格局。3.4濕地景觀變化機制的分析3.4.1人工濕地的產(chǎn)生和發(fā)展過程撓力河流域是三江平原土地開發(fā)歷史最早的流域。著名的友誼農(nóng)場始建于1954年,是我國高度機械化農(nóng)場之一。其它農(nóng)場也都建于1960年以前。由于該流域自然資源豐富,便于開發(fā)利用。歷史上曾經(jīng)歷了1956～1966年的10萬轉(zhuǎn)業(yè)官兵開發(fā)“北大荒”時期;1966～1976年的城市知識青年上山下鄉(xiāng)建設(shè)“北大荒”時期;1976～1983年經(jīng)濟建設(shè)時期;和1983～1993年的農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)時期。四次大規(guī)模的土地開發(fā)利用都是以開墾濕地為主,伴隨著森林砍伐和水利工程建設(shè)進行的。1976以前的土地開發(fā)活動主要受政治驅(qū)使,1978年以后,土地開發(fā)利用主要受經(jīng)濟發(fā)展驅(qū)動,主要表現(xiàn)為濕地景觀分階段變化,濕地面積減少的規(guī)模和速度明顯不同。1993年前的農(nóng)業(yè)高速發(fā)展時期年均減少速度為2.748×104hm2/年,1993年后的持續(xù)發(fā)展時期,濕地受到國內(nèi)外關(guān)注和保護,年均減少速度下降為0.398×104hm2/年;減少的濕地96%轉(zhuǎn)化為耕地。人工濕地中,濕地面積呈增加趨勢,增加的規(guī)模和速度亦表現(xiàn)出不同。1993年前,人工濕地面積的增加相對較少,年均增加速度為3183hm2,1993年后年均增加速度為11587hm2/年,是1993年前的3.6倍。其中稻田年均增加速度1993年前為3767hm2/年,1993年后為11675hm2/年,是1993年前的3.1倍。這說明在經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動下,在自然濕地受到嚴(yán)重破壞的同時,根據(jù)土地的特點開始進行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。新開發(fā)的濕地中部分轉(zhuǎn)化為稻田,原來的旱地由于易澇也轉(zhuǎn)變?yōu)榈咎?。農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,導(dǎo)致人工濕地的產(chǎn)生和擴大。其主要驅(qū)動力是農(nóng)業(yè)化的發(fā)展、人口的增加和市場規(guī)律的作用以及經(jīng)濟利益的驅(qū)使。3.4.2自然濕地破碎化撓力河流域濕地開發(fā)從山前平原開始逐漸轉(zhuǎn)向階地和沖積、洪積平原中難于開發(fā)的區(qū)域。隨著開發(fā)難度加大,國家在農(nóng)田水利建設(shè)方面投入大量資金,尤其是排水渠的修建,使水渠數(shù)量急劇增加,由1993年前的456條增加到2000年的876條,增加了近一倍。結(jié)果導(dǎo)致自然濕地嚴(yán)重破碎化,尤其是草甸濕地破碎化極其明顯,只有殘留的小塊濕地零星分布在農(nóng)田中,斑塊數(shù)量由1982年的74塊上升到2000年的3649塊,增加了49倍;平均斑塊面積由1982年的0.17×104hm2減少為1993年的0.017×104hm2,進一步減少為0.003×104hm2,是1982年的1.8%;灌叢濕地和島狀林濕地在破碎化的同時逐漸消失,其中島狀林濕地已完全消失。只有低河漫灘上靠近河道附近的深水沼澤以及階地上洼地中的小塊濕地殘存下來。3.4.3土地開發(fā)對濕地群落的影響伴隨著土地開發(fā)和濕地排水活動,濕地生態(tài)系統(tǒng)逆向演替和退化嚴(yán)重,尤其是濕地水文條件的變化是導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)演替和退化的主要原因。由于農(nóng)業(yè)土地開發(fā)和排水活動,濕地水位降低,從而導(dǎo)致潛水泡沼消失和濕地植物群落演替。散布于農(nóng)田中的小塊濕地,盡管土地開發(fā)時由于積水較深而殘留下來,但周圍土地用水和排水使這些濕地積水深度發(fā)生變化,常常是水位減低,結(jié)果導(dǎo)致濕地群落由深水位的沼澤植物群落向淺水位或季節(jié)性積水濕地群落方向演替。表1和表2的轉(zhuǎn)移矩陣表明,1993年前,只有2.2%的沼澤濕地演化為草甸濕地,而59%的沼澤濕地直接轉(zhuǎn)