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        基于景觀格局的圖們江流域朝鮮一側(cè)濕地生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化動(dòng)態(tài)分析

        2015-04-24 08:19:42吳春國樸成哲鄭小軍朱衛(wèi)紅
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:水田河流斑塊

        吳春國,樸成哲,薛 嵩,鄭小軍,朱衛(wèi)紅*

        (1.延邊大學(xué)理學(xué)院地理系,吉林延吉 133002;2.長(zhǎng)白山生物資源與功

        能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林延吉 133002;3.金日成綜合大學(xué)地球環(huán)境科學(xué)部,朝鮮平壤 025512515)

        濕地是地球上土壤、水體和生命相互作用形成的獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng),是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀,為人類生存、繁衍和發(fā)展提供了食物、原料、水資源以及環(huán)境教育和科研基地,具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、科研價(jià)值,是人類最重要的生存環(huán)境之一[1-4]。20世紀(jì)90年代以來,在自然、社會(huì)因素雙重影響下,全球濕地面積減少了50%,且現(xiàn)存濕地景觀均受到不同程度的影響,各區(qū)域之間景觀變化也不盡相同[5-7]。

        蔣衛(wèi)國等基于RS和GIS手段,結(jié)合馬爾科夫模型分析三江平原濕地景觀變化,指出三江平原濕地景觀變化顯著,景觀破碎化趨勢(shì)明顯[8];孫鵬等基于景觀生態(tài)學(xué)原理,利用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù),解析圖們江上游濕地景觀信息,結(jié)果表明圖們江上游區(qū)域濕地景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎化指數(shù)、景觀均勻度指數(shù)均在一定程度上減少,人類活動(dòng)是導(dǎo)致圖們江上游濕地景觀變化的主要因素[9];Heungtae Kim等采用Pb210和C14測(cè)年法等方法對(duì)朝鮮半島牛浦濕地環(huán)境進(jìn)行研究,研究表明自20世紀(jì)以來,人工筑壩等人類活動(dòng)對(duì)牛浦濕地景觀產(chǎn)生了巨大影響,污染物等排放嚴(yán)重威脅著牛浦濕地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)安全[10]。Jae-Pyoung Yu等對(duì)韓國昌南Junam水庫濕地研究發(fā)現(xiàn),該濕地為白額雁等13種水鳥的重要的棲息地[11]。Takehiko等結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生物理化性質(zhì)等對(duì)日本霞浦湖濕地土地利用/土地覆蓋變化情況進(jìn)行分析,總結(jié)出人口變化和距離城市距離對(duì)濕地景觀變化有一定影響,濕地景觀的改變可能造成景觀破碎化現(xiàn)象的發(fā)生[12]。

        受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究積累限制,圖們江流域朝鮮咸鏡北道、兩江道區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)景觀時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究還比較少,且成為圖們江流域濕地景觀研究的短板。筆者以咸鏡北道及兩江道部分區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū),利用近40年的遙感數(shù)據(jù)和景觀格局研究方法,分析了區(qū)域濕地景觀結(jié)構(gòu)、格局的分異特征,分析了各濕地類型時(shí)空變化及各濕地類型間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系。結(jié)合自然、社會(huì)要素,探討了研究區(qū)域濕地景觀動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,為圖們江流域濕地的基礎(chǔ)理論研究提供支持。

        1 研究區(qū)域概況與研究數(shù)據(jù)

        1.1 研究區(qū)域概況 該研究以朝鮮北部為研究區(qū)域,其中包括朝鮮咸鏡北道與兩江道的部分地區(qū)(延社郡、茂山郡、會(huì)寧市、穩(wěn)城郡、賽別郡、恩德郡、羅先市、三池淵郡、大紅湍郡、白巖郡)[13]。該研究區(qū)域西側(cè)為白豆山脈,東南側(cè)被咸鏡山脈所阻隔,北側(cè)與我國隔江相望(圖1)。

        研究區(qū)域地理位置為41°12'46.491″~43°00'16.712″N,128°06'37.549″~130°41'50.745″E。該區(qū)域內(nèi)分布著西頭水、延面水、城川水、會(huì)寧川、五龍川等眾多河流及天然湖泊、人工湖泊、沼澤等其他各種濕地景觀。且研究區(qū)域內(nèi)包括白頭高原部分區(qū)域與茂山高原大部分地區(qū)。從區(qū)域氣候特點(diǎn)來看,研究區(qū)域降水量為600~700 mm,1月平均氣溫為-6.2℃,8月平均氣溫為24.2℃,具有大陸性氣候特征。

        1.2 研究數(shù)據(jù) 選取的遙感數(shù)據(jù)源包括1976年MSS衛(wèi)星影像,1991、2000、2010年TM衛(wèi)星影像和2014年Landsat8 ETM影像。結(jié)合朝鮮1∶50 000地形圖作為參考數(shù)據(jù)。對(duì)MSS、TM、ETM遙感影像進(jìn)行預(yù)處理操作:首先,利用地形圖結(jié)合遙感影像選取30個(gè)地面控制點(diǎn),采用雙線性內(nèi)插法對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何矯正[14],矯正誤差RMS<1;其次,鑒于研究區(qū)域范圍較大,因此,需要對(duì)影像進(jìn)行數(shù)字圖像鑲嵌,并根據(jù)研究區(qū)域范圍對(duì)鑲嵌后影像進(jìn)行裁剪操作;最后,結(jié)合遙感知識(shí),采取Landsat(MSS)的4、3、2 波段、Landsat(TM)的5、4、3波段和Landsat(ETM)的7、5、3波段對(duì)影像進(jìn)行彩色合成,彩色合成后影像接近真實(shí)地物顏色,濕地景觀信息區(qū)分明顯,適合繼續(xù)進(jìn)行濕地信息提取操作。

        1.3 濕地信息提取過程 根據(jù)研究區(qū)景觀信息特征,借鑒朱衛(wèi)紅等[15]有關(guān)圖們江流域濕地分類體系及分布特征研究當(dāng)中的濕地分類體系的研究結(jié)論,將區(qū)域濕地分為天然濕地和人工濕地兩個(gè)二級(jí)類型,以此為基礎(chǔ),分為河流、沼澤、湖泊、水田和其他人工濕地5個(gè)三級(jí)類型。其中,河流、沼澤、湖泊濕地屬于天然濕地,水田、其他人工濕地屬于人工濕地。其他類型人工濕地主要是指水庫、水田等以外的人工濕地[16]。濕地信息提取主要采用監(jiān)督分類和目視解譯兩種方法相結(jié)合的方式進(jìn)行分析,生成各年代濕地信息分布圖。該研究利用多年實(shí)地野外調(diào)查作為輔助資料,并根據(jù)濕地分類系統(tǒng),結(jié)合人機(jī)交互解譯方法,對(duì)1976、1991、2000、2010、2014年5年遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類,并采用目視解譯的方法,利用ENVI4.7、Arcgis9.3軟件對(duì)影像進(jìn)行人工判讀,參照地形圖、野外考察數(shù)據(jù),對(duì)影像中濕地信息進(jìn)行提取,經(jīng)多次反復(fù)修正,得到如下較精確的研究區(qū)域濕地信息(圖2)。

        2 研究方法

        由于影響濕地變化的因素較為復(fù)雜,僅研究濕地面積在數(shù)量上的變化不足以解釋濕地生態(tài)環(huán)境變化,另一方面研究濕地時(shí)空分布變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)性變化。

        2.2 轉(zhuǎn)移矩陣 近40年來,研究區(qū)域內(nèi)濕地類型中,天然濕地與人工濕地之間、濕地與非濕地之間發(fā)生著類型轉(zhuǎn)換。通過建立1976~2014年的濕地景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣,可以定量地了解各類景觀類型的轉(zhuǎn)換情況,能直觀地把握濕地景觀各要素的轉(zhuǎn)換過程,體現(xiàn)濕地景觀變化的方向。

        2.3 景觀指數(shù) 為了能夠?qū)ρ芯繀^(qū)域內(nèi)濕地景觀情況進(jìn)行定性、定量分析,以及準(zhǔn)確反映區(qū)域內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)組成、空間配置等特征,更清晰地體現(xiàn)濕地景觀演變的趨勢(shì)、速率和空間差別等,進(jìn)而分析其演變機(jī)制,筆者選取了如下指標(biāo)[18-19]:斑塊數(shù)量(NP)、斑塊所占景觀面積比例(LAND,%)、平均斑塊面積(MPS)、斑塊密度指數(shù)(PD)、景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI),分析研究區(qū)濕地景觀格局的空間變化特征。其中,景觀多樣性指數(shù)是一種基于信息理論的測(cè)量指數(shù),其可以反映不同景觀類型的分布均勻性和復(fù)雜性程度,尤其對(duì)各斑塊類型非均衡分布特征反映敏感,其表達(dá)式為:

        均勻度指數(shù)是描述景觀里不同景觀類型的分配均勻程度。其表達(dá)式為:

        式中,Pk為景觀斑塊類型k在景觀中所占的面積比例;m為景觀類型數(shù)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 總體變化分析 為了對(duì)遙感調(diào)查的各種濕地類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用了ArcGIS軟件的空間分析與屬性分析功能,針對(duì)5種濕地類型,對(duì)1976~2014年濕地面積、動(dòng)態(tài)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分析研究區(qū)域濕地面積在不同時(shí)期內(nèi)變化的總體趨勢(shì)。

        由表1可知,1976年濕地總面積22 741.27 hm2,其中天然濕地面積為15 491.39 hm2,占濕地總面積的68.12%;人工濕地面積為7 249.88 hm2,占濕地總面積的31.88%。2014年濕地面積為22 459.96 hm2,濕地面積較1976年下降了1.23%。其中天然濕地面積為9 452.48 hm2,占濕地總面積的42.09%;人工濕地面積為13 007.48 hm2,占濕地總面積的57.91%??梢?,濕地總面積變化不明顯。對(duì)各年份濕地總面積分析比較可知,1991年較1976年濕地總面積減少了9.8%;2010年較2000年濕地總面積減少了16.2%。濕地總面積呈波動(dòng)趨勢(shì)。結(jié)合濕地動(dòng)態(tài)度LC分析,其中天然濕地面積下降,人工濕地面積上升。其他人工濕地面積增加了66.9%,動(dòng)態(tài)度為1.71%;水田濕地面積增加約1倍,動(dòng)態(tài)度為2.09%;河流濕地面積明顯萎縮,減少52.2%。

        表1 不同時(shí)期的濕地面積變化 hm2

        3.2 上中下游變化分析 上文中,基于GIS和RS技術(shù)支持下,結(jié)合濕地動(dòng)態(tài)度、濕地生態(tài)量化指標(biāo),對(duì)1976~2014年研究區(qū)域典型濕地景觀分布現(xiàn)狀、變化特征進(jìn)行分析。結(jié)合研究區(qū)域地形、山脈、水系走向,可將研究區(qū)域分為上中下游3個(gè)區(qū)域進(jìn)行比較分析(上游:延社郡、三池淵郡、大紅湍郡、白巖郡;中游:茂山郡、會(huì)寧市、穩(wěn)城郡;下游:賽別郡、恩德郡、羅先市),如圖3。由于各地區(qū)自然、人文等條件存在差異,濕地景觀變化結(jié)果存在明顯差異。

        如圖4所示,1976年上游區(qū)濕地總面積為8 703.41 hm2,2014年上游濕地總面積為5 370.92 hm2,減少近1/3;1976年中游濕地總面積為3 757.16 hm2,2014年中游濕地總面積為4 185.40 hm2,總面積有所增加;下游濕地總面積由1976年10 280.70 hm2增加到2014年12 903.64 hm2,增加1/5。3個(gè)區(qū)域內(nèi)河流濕地面積減少明顯,其中,上游區(qū)河流濕地面積減少最多;3個(gè)區(qū)域內(nèi)水田濕地面積都有增加,其中,下游區(qū)由于大量的沼澤和湖泊被開墾成水田,造成水田濕地面積增加明顯,由4 905.70 hm2增加至8 077.36 hm2。

        1976年研究區(qū)域內(nèi)上中下游各類型濕地所占的比重均有不同,湖泊濕地面積比重下游26.87% >上游0.50% >中游0%,沼澤濕地面積比重下游2.80%>上游0.01% >中游0%,河流濕地比重上游88.24% >中游64.11% >下游22.46%,由于下游海拔較低,坡度較緩,水田比重下游47.72%>中游35.89%>上游0.07%,其他人工濕地上游11.19% >下游0.15% >中游0%(圖5)。

        2014年研究區(qū)域上中下游濕地典型區(qū)濕地面積較1976年有不同變化,湖泊濕地面積比重下游23.26%>上游4.36% >中游1.32%,沼澤濕地面積比重下游1.74% >上游0.12%>中游0%,河流濕地面積比重上游66.46% >中游20.83%>下游11.54%,水田面積比重中游75.25% >下游62.60% >上游2.40%,其他人工濕地面積比重上游22.66%>中游2.61% >下游0.86%(圖6)。

        從斑塊密度指數(shù)分析,1976~2014年研究區(qū)上中下游PD指數(shù)均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖7a),表明研究區(qū)域內(nèi)濕地斑塊數(shù)量增加,平均斑塊面積減小。其中,尤其以人為開發(fā)較多的中游區(qū)域增加明顯。結(jié)合景觀多樣性指數(shù)分析,上游、中游區(qū)域SHDI指數(shù)分別由0.56、0.94增加至1.24、0.99,下游區(qū)域SHDI指數(shù)由1.66降低至1.43(圖7b),表明上游、中游區(qū)域各濕地類型占總面積比逐漸減小,下游區(qū)域則相反。結(jié)合1976和2014年各類型濕地變化(圖4)分析,表明水田面積持續(xù)增加,河流面積繼續(xù)減少,兩者間差異呈持續(xù)擴(kuò)大趨勢(shì)。結(jié)合景觀均勻度指數(shù)分析,上游、中游區(qū)域SHEI指數(shù)分別由1.30、2.19增加至2.87、2.32,下游SHEI指數(shù)由3.86降低至3.33(圖7c),表明下游濕地景觀中各斑塊在面積上分布不均勻程度加劇。

        3.3 轉(zhuǎn)換規(guī)律分析 根據(jù)1976和2014年濕地信息數(shù)據(jù)求出濕地景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣??芍?,1976~2014年研究區(qū)域內(nèi)天然濕地面積與人工濕地面積間變化顯著。其中,沼澤濕地和河流濕地變化最為明顯,多轉(zhuǎn)變?yōu)樗锏热斯竦?。?jīng)計(jì)算,①2.53%的水田轉(zhuǎn)變?yōu)榱苏訚蓾竦?②6.8%的沼澤濕地、25.3%的河流濕地經(jīng)過人為活動(dòng)的改造和開發(fā),轉(zhuǎn)變?yōu)榱怂?③1.62%的河流濕地和0.04%的水田轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)魚池等人工濕地。

        表2 1976~2014年濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣hm2

        3.4 景觀格局變化分析 研究區(qū)域整體濕地面積變化不大,1976~2014年期間,濕地面積減少了1.23%。而濕地斑塊數(shù)量增加明顯,1976~2014年間,斑塊數(shù)量由225增加至643,增加了近3倍,說明研究區(qū)域濕地破碎程度增加。各濕地類型中,湖泊濕地、河流濕地、水田變化最為明顯。①湖泊濕地平均斑塊面積減少84.6%,斑塊數(shù)量卻增加了近7倍;②沼澤濕地平均斑塊面積變化不大,斑塊數(shù)量變化也不大;③河流濕地面積減少了52.1%,說明近年來水位下降,河流面積發(fā)生萎縮,原本比較細(xì)小的河流逐漸消失;④人工濕地中,水田面積雖然增加比較明顯,但平均斑塊面積卻減少了1/3,斑塊數(shù)量增加了1倍多,說明區(qū)域內(nèi)水田隨著人工的開發(fā)利用,破碎化程度逐漸加重;⑤人工水庫、養(yǎng)魚池、孵化池等其他人工濕地面積增加十分明顯,平均斑塊面積卻隨著斑塊數(shù)量的增加而出現(xiàn)減小的趨勢(shì),表明人們?yōu)榱私?jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,人為地將大面積的濕地分割成小塊的人工水庫、池塘等,便于經(jīng)濟(jì)開發(fā)等需要。

        3.5 驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

        3.5.1 氣候因素。氣候是影響濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的主要因素。分析區(qū)域內(nèi)1976~2014年氣溫、降水等的變化,發(fā)現(xiàn)氣溫出現(xiàn)增加的趨勢(shì),降水量也有所減少。這直接影響了濕地的水文情況,導(dǎo)致部分河流出現(xiàn)萎縮干涸、沼澤縮小消失。加之濕地生態(tài)系統(tǒng)本身較脆弱,人工開發(fā)濕地多與天然濕地相互聯(lián)系,更加速了天然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變的過程。

        3.5.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。1976~2014年研究區(qū)域內(nèi)自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素有一定的關(guān)聯(lián)性。研究區(qū)域內(nèi)自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變較為嚴(yán)重的為中游、下游區(qū)域,這與兩區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特征有很大關(guān)系。中游、下游區(qū)域?yàn)闀?huì)寧市、羅先市等,人口相對(duì)較多,兩區(qū)域人口占研究區(qū)域總?cè)丝诘?2.227%(中游占41.712%,下游占40.515%),區(qū)域內(nèi)集中了以茂山鐵礦(占朝鮮鐵礦總儲(chǔ)量2/3)為主等多家礦場(chǎng)、煤場(chǎng)。區(qū)域內(nèi)為滿足魚類養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)灌溉等需要,多采用攔河蓄水方式修筑水利工事,因此區(qū)域內(nèi)水電站眾多。相比上游區(qū)域,兩區(qū)域地形平坦、坡度平緩,天然湖泊、沼澤等天然濕地及水田等人工濕地分布較為廣泛。因此,導(dǎo)致天然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)變。

        3.5.3 環(huán)境意識(shí)因素。天然濕地保護(hù)十分重要而迫切,但研究區(qū)域內(nèi)公眾參與力度不足,宣傳、科普工作有待加強(qiáng)。目前,當(dāng)?shù)卣畬?duì)環(huán)保意識(shí)教育工作重視不足,有關(guān)環(huán)保意識(shí)教育培訓(xùn)也非常有限。針對(duì)當(dāng)?shù)厝罕娺M(jìn)行的環(huán)保教育效率不高,宣傳面不廣,多數(shù)群眾僅僅是聽過濕地保護(hù),但是對(duì)于其中包括的濕地類型、生態(tài)功能、生態(tài)價(jià)值都一無所知,環(huán)保意識(shí)的宣傳教育顯得尤為重要。積極建立區(qū)域濕地環(huán)境與教育基地將有利于對(duì)濕地進(jìn)行保護(hù)。

        4 結(jié)語

        (1)研究區(qū)域2014年濕地總面積22 459.96 hm2,其中,天然濕地9 452.48 hm2,人工濕地面積為13 007.48 hm2。與1976年相比,濕地面積共減少281.31 hm2,其中,天然濕地減少6 038.91 hm2,人工濕地增加5 757.6 hm2。天然濕地比重降低,人工濕地面積比重增加。其中,河流濕地面積減少幅度較大,水田與其他人工濕地面積增加明顯。中下游濕地變化明顯,水田面積變化幅度最大。

        (2)天然濕地與人工濕地之間發(fā)生類型轉(zhuǎn)化。其中,大量天然濕地轉(zhuǎn)化為人工濕地,河流濕地與沼澤濕地轉(zhuǎn)換為水田等其他人工濕地幅度最大。1976~2014年有520.46 hm2河流沼澤濕地轉(zhuǎn)化為水田及其他人工濕地。

        (3)近40年研究區(qū)域濕地景觀斑塊數(shù)量、斑塊密度指數(shù)在增加,而平均板塊面積、景觀多樣性指數(shù)在減少,尤其以中下游變化明顯,主要受人類活動(dòng)干擾較大。

        (4)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素較之氣候因素成為研究區(qū)域天然濕地減少的主要驅(qū)動(dòng)力。區(qū)域內(nèi)河流濕地被開發(fā)利用十分明顯,用于魚類養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)灌溉等。當(dāng)?shù)鼐用駷榻?jīng)濟(jì)發(fā)展,改造濕地使之成為水田,導(dǎo)致人工濕地面積擴(kuò)大。農(nóng)業(yè)活動(dòng)是圖們江流域朝鮮一側(cè)天然濕地減少的主要驅(qū)動(dòng)因素。

        筆者基于時(shí)間、空間角度,結(jié)合遙感影像對(duì)圖們江流域咸鏡北道、兩江道部分地區(qū)濕地變化情況進(jìn)行分析。受研究區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究積累限制,且濕地生態(tài)系統(tǒng)本身較為復(fù)雜,有待以后深入研究,為研究區(qū)域濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)、生態(tài)恢復(fù)等研究提供依據(jù)。

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