胡 畔, 王宗明, 李春景
(1.延邊大學(xué)理學(xué)院,吉林 延吉 133002; 2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春 130000)
三江平原國(guó)際重要濕地保護(hù)有效性遙感評(píng)價(jià)
胡 畔1,2, 王宗明2, 李春景1*
(1.延邊大學(xué)理學(xué)院,吉林 延吉 133002; 2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春 130000)
以三江平原國(guó)際重要濕地為研究對(duì)象,以Landsat TM/OLI 遙感影像為數(shù)據(jù)源,利用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǖ玫?000年和2013年的土地覆蓋數(shù)據(jù),對(duì)比分析國(guó)際重要濕地景觀指數(shù)動(dòng)態(tài)變化,并對(duì)干擾保護(hù)成效的自然及人為驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行探討。結(jié)果表明:三江平原國(guó)際重要濕地保護(hù)有效性不明顯,自然濕地仍呈損失趨勢(shì),自然濕地景觀趨于破碎;斑塊不規(guī)則程度增加;2000—2013年,三江平原6個(gè)國(guó)際重要濕地自然濕地主要轉(zhuǎn)化為耕地,占自然濕地?fù)p失總面積的79.73%,其中,三江濕地自然濕地減少面積最多,興凱湖濕地自然濕地面積增加最多,但破碎化程度增加;2000—2013年,三江平原氣候條件適宜濕地保育和恢復(fù),但受人為因素影響,保護(hù)區(qū)自然濕地?fù)p失趨勢(shì)嚴(yán)峻。
國(guó)際重要濕地;三江平原;遙感;保護(hù)有效性;景觀指數(shù);面向?qū)ο蠓椒?/p>
濕地作為“地球之腎”,由水陸相互作用形成,是地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一,其獨(dú)特的生態(tài)功能對(duì)維持區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)平衡、可持續(xù)發(fā)展以及生物多樣性等具有重要的意義[1]。《濕地公約》定義濕地為天然或人工、長(zhǎng)久或暫時(shí)的沼澤、泥潭和水域地帶,靜止或流動(dòng)、淡水、半咸水或咸水體,包括低潮時(shí)水深低于6 m的水域[2]。1992年我國(guó)加入該公約[3],截止至2015年,我國(guó)有49塊濕地列入《國(guó)際重要濕地名錄》。20世紀(jì)70年代以來,隨著人們對(duì)濕地生態(tài)功能和價(jià)值認(rèn)識(shí)的逐步深入, 濕地資源及其生物多樣性的保護(hù)已經(jīng)成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題,近30年來,我國(guó)濕地保護(hù)區(qū)自然濕地呈縮減趨勢(shì)[4]。
三江平原地處黑龍江省東北部國(guó)際重要濕地高密度圈[5]。是我國(guó)最大的沼澤濕地分布區(qū)。上世紀(jì)60~80年代,大量濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田,濕地景觀出現(xiàn)嚴(yán)重破碎化[6],自然濕地?fù)p失最為明顯,自然濕地大面積喪失會(huì)引發(fā)一連串的區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題[7]。20世紀(jì)90年代后期,GIS和遙感技術(shù)在景觀分析方面的應(yīng)用逐漸成熟[8]。本研究以三江平原內(nèi)6個(gè)國(guó)際重要濕地為研究對(duì)象,以遙感影像分類結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,結(jié)合地理信息系統(tǒng)和景觀破碎化指數(shù),對(duì)2000—2013年三江平原國(guó)際重要濕地的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析,并對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)自然濕地景觀進(jìn)行了保護(hù)有效性評(píng)估,以期為保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)決策提供參考。
三江平原地處黑龍江省東部,東北平原東北部,地理坐標(biāo)為北緯45°01′05″~48°27′56″N,東經(jīng)130°13′1″~135°05′26″E,總面積約10.89×104km2,三江平原地屬溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫2.5~3.6 ℃,年降水量500~600 mm。沼澤植被大面積分布在三江沖積低平原和興凱湖沖積湖積低平原內(nèi),是中國(guó)最大的沼澤分布區(qū)。2002年至今,三江平原共有6處濕地保護(hù)區(qū)被錄入國(guó)際重要濕地名錄(圖1)。
建國(guó)初期,三江平原的自然濕地面積約為5.34萬 km2,由于上世紀(jì)60~80年代的大面積開荒,自然濕地面積已銳減至1.13萬 km2。1998年黑龍江省提出禁止開墾自然濕地,并于2003年制定《黑龍江省濕地保護(hù)條例》,但由于歷史原因,多個(gè)保護(hù)區(qū)核心區(qū)內(nèi)存在耕地,不斷蠶食著自然濕地,并且存在盜開濕地的行為,同時(shí)保護(hù)區(qū)周邊農(nóng)業(yè)用水截取了保護(hù)區(qū)的水源補(bǔ)給,導(dǎo)致自然濕地僅靠降水補(bǔ)充水源,嚴(yán)重缺水[9]。
圖1 三江平原國(guó)際重要濕地保護(hù)區(qū)分布圖
2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理
選擇三江平原2000年和2013年云層覆蓋率低于4%,且同一月份的16景Landsat TM/OLI影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,利用ENVI 5.0軟件提供的FLAASH模塊對(duì)影像進(jìn)行大氣校正,以得到各波段的光譜反射率。參考三江1∶10萬地形圖,對(duì)影像進(jìn)行了幾何糾正,誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。利用eCognation軟件對(duì)影像進(jìn)行人工目視解譯。
為全面、客觀地分析濕地變化的影響因素,搜集研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)和人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)。其中,氣象數(shù)據(jù)包括覆蓋研究區(qū)的7個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2013年年平均氣溫和年降水量,該數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)主要通過黑龍江省東北部各市的統(tǒng)計(jì)年鑒獲得。
2.2 研究方法
2.2.1 面向?qū)ο蠓诸惙椒?/p>
參照國(guó)際IGBP的土地覆蓋分類系統(tǒng),確立研究區(qū)的土地覆蓋類型分類系統(tǒng),包括:林地、草地、耕地、人工表面、水體、人工濕地、和沼澤濕地共7種土地覆蓋類型。基于eCognition軟件為面向?qū)ο蠓诸惖牟僮髌脚_(tái),采用面向?qū)ο蠓椒╗10],對(duì)研究區(qū)影像進(jìn)行人工交互方式解譯,得到研究區(qū)土地覆蓋矢量數(shù)據(jù)。
2.2.2 濕地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化
景觀指數(shù)是景觀生態(tài)安全性的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11]。為了客觀地反映研究區(qū)域保護(hù)成效,量化分析自然濕地面積及質(zhì)量變化,選取以下指標(biāo)進(jìn)行分析[12]。
1) 景觀動(dòng)態(tài)度:通過動(dòng)態(tài)度能有效地表征土地覆蓋類型動(dòng)態(tài)變化程度與速率,其數(shù)學(xué)表達(dá)式[13]為:
(1)
式中,K為動(dòng)態(tài)度;Ua和Ub分別為研究初期和末期的面積;T為時(shí)間間隔。
2) 景觀斑塊密度指數(shù):指景觀內(nèi)某景觀類型斑塊個(gè)數(shù)與面積的比值,數(shù)學(xué)表達(dá)式[14]為:
PD=∑ni/A
(2)
式中,PD表示景觀斑塊密度指數(shù);∑ni表示研究區(qū)某景觀類型斑塊總數(shù);A表示研究區(qū)某景觀類型的面積。
該指數(shù)可以表征整個(gè)研究區(qū)域的該景觀類型破碎程度,PD越大,說明該景觀類型破碎程度越高。
3) 景觀斑塊數(shù)破碎化指數(shù):選擇2種景觀斑塊數(shù)破碎化指數(shù)FN1和FN2,F(xiàn)N1表征整個(gè)研究區(qū)景觀斑塊數(shù)破碎化指數(shù),F(xiàn)N2為單一景觀類型的斑塊數(shù)破碎化指數(shù),其數(shù)學(xué)表達(dá)式[15]為:
FN1=(Np-1)/Nc
(3)
FN2=MPS(Nf-1)/Nc
(4)
式中,FN1和FN2代表某一景觀類型斑塊數(shù)破碎化指數(shù),Nc是指景觀數(shù)據(jù)矩陣的中單位方格總數(shù)(總像元數(shù)),Np是景觀里的總斑塊數(shù);MPS是整體景觀的斑塊平均面積或研究區(qū)內(nèi)某景觀類型斑塊平均面積(以矩陣的格子數(shù)為單位),Nf是指景觀中某一景觀類型斑塊總數(shù)。
4) 斑塊形狀破碎化指數(shù):該指數(shù)也選擇2種,即FS1和FS2,F(xiàn)S1是斑塊平均形狀破碎化指數(shù),F(xiàn)S2是面積加權(quán)的平均形狀破碎化指數(shù)。FS1和FS2都高時(shí),說明斑塊的破碎化程度較大,其數(shù)學(xué)表達(dá)式[15]為:
FS1=1-1/MSI
(5)
FS2=1-1/ASI
(6)
式中,MSI為景觀斑塊的平均形狀指數(shù);ASI為經(jīng)過面積加權(quán)的景觀斑塊平均形狀指數(shù)。
3.1 土地覆蓋分類及精度驗(yàn)證
三江平原國(guó)際重要濕地2000年及2013年土地覆蓋分類結(jié)果如圖2所示。
2015年8、9月份于研究區(qū)內(nèi)開展了野外實(shí)地考察,共獲得采樣點(diǎn)557個(gè),由于三江平原地區(qū)土地覆蓋類型年際變化不明顯,本研究認(rèn)為這些采樣點(diǎn)可以客觀反映2013年土地覆蓋類型,對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行了分類精度評(píng)價(jià)(表1),三江平原國(guó)際重要濕地土地覆蓋分類的總體分類精度為92.5%,Kappa系數(shù)為0.89,分類結(jié)果符合本研究要求。
圖2 三江平原國(guó)際重要濕地2000—2013年土地覆蓋變化對(duì)比
分類結(jié)果調(diào)查土地覆蓋類型沼澤濕地水體人工濕地耕地草地林地人工表面合計(jì)沼澤濕地224622900243水體1391000041人工濕地1016000017耕地300168603180草地102220025林地0001332036人工表面0010001415合計(jì)2304520173403217557用戶精度/%92.25.194.193.388.088.993.3制圖精度/%97.486.780.097.155.0100.082.4總體精度=92.5%Kappa系數(shù)=0.89
3.2 自然濕地動(dòng)態(tài)分析
對(duì)比2000年和2013年2期土地覆蓋數(shù)據(jù)可知,2000—2013年,三江平原國(guó)際重要濕地自然濕地(包括水體和沼澤濕地)面積由3 132.80 km2減少到2 991.88 km2,減少了140.93 km2,減少速率為10.07 km2/a。因此,從總體上來看三江平原國(guó)際重要濕地自然濕地呈退縮趨勢(shì)。
由各個(gè)國(guó)際重要濕地自然濕地的面積動(dòng)態(tài)變化(表2)可知,三江國(guó)際重要濕地自然濕地面積縮減最多,且自然濕地減少速率最大;珍寶島國(guó)際重要濕地次之,且自然濕地減少速率也位居第2;東方紅濕地國(guó)際重要濕地和七星河國(guó)際重要濕地自然濕地也呈縮減趨勢(shì)但并不顯著;興凱湖國(guó)際重要濕地和洪河國(guó)際重要濕地自然濕地面積略有增加,但自然濕地增加程度總體不高。
表2 三江平原國(guó)際重要濕地自然濕地動(dòng)態(tài)度分析
對(duì)2000年和2013年保護(hù)區(qū)土地覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置分析,得到自然濕地類型轉(zhuǎn)化為其他土地覆蓋類型的面積和比例(表3)。由表3可知,研究區(qū)內(nèi)自然濕地轉(zhuǎn)化為耕地的比例最高,林地次之,轉(zhuǎn)化為人工濕地的面積位居第3,三者占自然濕地轉(zhuǎn)化為其他土地覆蓋類型的99.52%。就各個(gè)保護(hù)區(qū)而言,自然濕地轉(zhuǎn)化為耕地、林地和人工濕地的面積大部分集中在三江國(guó)際重要濕地,占該保護(hù)區(qū)自然濕地轉(zhuǎn)化面積的99.54%。東方紅濕地國(guó)際重要濕地和七星河國(guó)際重要濕地自然濕地面積變化不大。
表3 保護(hù)區(qū)自然濕地轉(zhuǎn)化為耕地及其他土地覆蓋類型對(duì)比
3.3 自然濕地景觀分析
通過fragstats 4.0軟件統(tǒng)計(jì)2000年和2013年2期三江平原國(guó)際重要濕地土地覆蓋數(shù)據(jù)。由表4可知,2000—2013年,洪河國(guó)際重要濕地斑塊密度上升幅度最明顯,為10.9%,三江國(guó)際重要濕地次之,為5.4%;興凱湖國(guó)際重要濕地斑塊密度下降幅度最大,為21.6%,其次是珍寶島國(guó)際重要濕地有所下10.8%;其余國(guó)際重要濕地斑塊密度變化不明顯。
表4 三江平原國(guó)際重要濕地自然保護(hù)區(qū)基本景觀參數(shù)表
由圖3分析可知,洪河國(guó)際重要濕地和三江國(guó)際重要濕地斑塊數(shù)破碎化指數(shù)明顯上升,七星河斑塊數(shù)破碎化指數(shù)有所上升;珍寶島和興凱湖斑塊數(shù)破碎化指數(shù)下降。其中,洪河國(guó)際重要濕地沼澤濕地受人為干擾破碎化程度加深。由表5可知,三江國(guó)際重要濕地沼澤濕地斑塊數(shù)由524個(gè)增加到724個(gè),平均斑塊面積減少至67.69 km2。景觀斑塊數(shù)變化對(duì)景觀斑塊數(shù)破碎化指數(shù)有很大影響。因此,不能把景觀斑塊數(shù)破碎化指數(shù)做為衡量景觀破碎化的唯一標(biāo)準(zhǔn)[16]。
圖3 2000—2013年三江平原國(guó)際重要濕地保護(hù)區(qū)斑塊數(shù)破碎化指數(shù)對(duì)比
保護(hù)區(qū)區(qū)域2000年FN2MPSNF2013年FN2MPSNF東方紅沼澤濕地0.039397.85320.039408.3831水體0.00250.54150.00247.3616洪河沼澤濕地0.067680.36250.071636.5528七星河沼澤濕地0.0701248.75130.0671247.3913三江沼澤濕地0.034138.025240.02367.69724水體0.00553.011870.008237.8072興凱湖沼澤濕地0.017206.092210.017411.34113水體0.045640.371900.045891.49138珍寶島沼澤濕地0.038239.76660.035250.2559水體0.00322.47560.00324.1355
由表6可知,2000—2013年,洪河國(guó)際重要濕地內(nèi)有多片森林被砍伐,自然濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?,因此斑塊形狀破碎化指數(shù)降低;三江國(guó)際重要濕地自然濕地斑塊形狀破碎化指數(shù)與形狀加權(quán)的斑塊數(shù)破碎化指數(shù)均有所上升,表征破碎化程度增加,自然濕地斑塊形狀趨于不規(guī)則,受人類活動(dòng)影響增加。另外,興凱湖國(guó)際重要濕地和珍寶島國(guó)際重要濕地均受到人類活動(dòng)影響,自然濕地趨于破碎。
表6 自然濕地形狀破碎化指數(shù)
續(xù)表6 自然濕地形狀破碎化指數(shù)
3.4 濕地變化驅(qū)動(dòng)因素
三江平原保護(hù)區(qū)保護(hù)有效性的程度受人為因素、自然因素等方面影響。雖然各個(gè)保護(hù)區(qū)在管理方面不斷完善制度調(diào)整政策,但氣溫變化、地殼運(yùn)動(dòng)、農(nóng)業(yè)開墾、工程建設(shè)和資源開采等原因都會(huì)導(dǎo)致濕地面積的喪失[17],降低保護(hù)區(qū)的保護(hù)有效性。
3.4.1 人為因素
人為因素對(duì)三江平原的自然濕地景觀格局變化起到了關(guān)鍵性的作用。由于近年來人口的不斷增加,三江平原土地墾殖率和利用率也在隨之不斷增加,這種掠奪式的開發(fā)使三江平原的生態(tài)環(huán)境遭到巨大的破壞[18]。2000—2013年,三江平原人口水平維持在1 100萬人以上,而地區(qū)生產(chǎn)總值由684.43億元上升至3 623.95億元,約為2000年的6倍,經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展,水土資源的過度開發(fā),在某種程度上加速了濕地環(huán)境的惡化(圖4)。
三江平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地,農(nóng)業(yè)稅免除后,在大量開墾濕地的同時(shí),農(nóng)業(yè)用水量也在不斷增加,農(nóng)業(yè)耕墾是自然濕地?fù)p失的首要影響因素[19]。雖然近年來三井平原農(nóng)業(yè)在環(huán)境安全方面加大投入,但資源環(huán)境安全指標(biāo)增長(zhǎng)幅度不大[20],加之部分地區(qū)油井、油氣田道路、油氣運(yùn)輸管道和泵站等石油開發(fā)設(shè)施的建設(shè),修筑堤壩,都增加了景觀破碎化[21]。保護(hù)區(qū)內(nèi)存在過度放牧的現(xiàn)象破壞保護(hù)區(qū)的草甸和沼澤,用水需求量增大導(dǎo)致濕地補(bǔ)水不足嚴(yán)重阻礙了濕地的發(fā)育和受損濕地的恢復(fù)。不合理的工農(nóng)業(yè)和生活污水排放也嚴(yán)重影響了濕地的生態(tài)環(huán)境,這些周圍居民放牧地點(diǎn)不固定且流動(dòng)性強(qiáng),處理不達(dá)標(biāo)的污水也會(huì)隨著濕地發(fā)達(dá)的水系入侵周邊濕地[22],使?jié)竦乇Wo(hù)工作更加困難。
圖4 三江平原2000—2013年人口和GDP變化趨勢(shì)
3.4.2 自然因素
由圖5可知,三江平原2000—2013年除個(gè)別年份氣溫和降水波動(dòng)較大外,整體上年平均氣溫呈緩慢且顯著下降趨勢(shì)(P<0.05),而年降水量呈明顯且顯著上升趨勢(shì)(P<0.05)。
降水是濕地水量補(bǔ)給較為關(guān)鍵的影響因素[23],在該趨勢(shì)下,大部分濕地在自然狀態(tài)下水源補(bǔ)給增加,更適宜沼生植物生長(zhǎng),自然濕地空間分布界限逐漸擴(kuò)張。因此,興凱湖國(guó)際重要濕地和三江國(guó)際重要濕地水體平均斑塊面積呈明顯擴(kuò)張趨勢(shì)。
與降水相比,氣溫和濕地面積變化量的相關(guān)系數(shù)更大,年均氣溫與濕地FS1呈正相關(guān),而年降水量則與濕地FS2呈負(fù)相關(guān)[24]。除洪河和興凱湖外其余4個(gè)三江平原國(guó)際重要濕地自然濕地面積均有不同程度的減少,而洪河和興凱湖自然濕地受人類活動(dòng)影響破碎程度增加,說明濕地景觀沒有受到更好保護(hù)。
圖5 三江平原2000—2013年年均氣溫和年均降水量變化趨勢(shì)
基于本文研究,主要結(jié)論如下:2000—2013年,三江平原估計(jì)重要濕地保護(hù)區(qū)自然濕地面積總體上減少了140.93 km2,自然濕地轉(zhuǎn)化為其他土地覆蓋類型的面積為269.61 km2,自然濕地轉(zhuǎn)化為耕地的面積最高,占全部轉(zhuǎn)化面積的79.73%,保護(hù)區(qū)仍有私開、盜開濕地問題存在。人為因素影響在保護(hù)區(qū)成效方面起關(guān)鍵性作用,2000—2013年,三江平原區(qū)域生產(chǎn)總值增長(zhǎng)為之前的6倍,農(nóng)業(yè)開發(fā)和用水量的增加阻礙了自然濕地的發(fā)育。就整體而言研究區(qū)中自然濕地沒有得到良性發(fā)展,人類活動(dòng)遏制了自然濕地的發(fā)育擴(kuò)張,尤其是開墾耕地,是影響保護(hù)區(qū)成效的重要因素。
綜上所述,針對(duì)三江平原國(guó)際重要濕地保護(hù)區(qū)的自然濕地退化現(xiàn)象,在保護(hù)區(qū)管理過程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:1) 完善法律法規(guī),健全保護(hù)區(qū)保育制度,嚴(yán)格管理保護(hù)區(qū)放牧和開墾等行為;2) 完善保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)體系,運(yùn)用3S技術(shù),及時(shí)更新保護(hù)區(qū)土地覆蓋現(xiàn)狀;3) 加大保護(hù)區(qū)恢復(fù)投入,對(duì)已遭破壞保護(hù)區(qū)嚴(yán)格監(jiān)管并采取恢復(fù)措施,同時(shí)加大國(guó)際重要濕地普法宣傳,增強(qiáng)居民守法意識(shí)。
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Remote sensing evaluation of wetland conservation effectiveness in Sanjiang plain
HU Pan1,2, WANG Zongming2, LI Chunjing1*
(1.GeographyDepartment,SciencesCollegeofYanbianUniversity,YanjiJilin133002,China; 2.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,ChangchunJilin133002,China)
Based on the Wetlands in Sanjiang Plain of international importance as the research object, using Landsat TM/OLI images as the data source and using object oriented classification method to get the land cover data in 2000 and 2013 comparative analysis of the international important wetland landscape dynamic change index, and the interference protection effects of natural and human driving factors were discussed. The results showed that the international importance Wetlands of the Sanjiang Plain was still not obvious, natural wetland landscape tended to be broken; irregular plaque increased; From 2000 to 2013 , six international important and natural wetlands mainly into arable land, natural wetland loss accounted for 79.73% of the total area; the Sanjiang wetland natural wetland to reduce the largest area of natural wetlands in Xingkai Lake wetland area increased most, but the fragmentation degree increased; 2000—2013 years in Sanjiang plain climatic conditions suitable for wetland conservation and restoration, but affected by human factors theloss of natural reserve wetland was serious.
International Wetland; Sanjiang plain; remote sensing; conservation effectiveness; landscape index
2017-03-05 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401502,41371403)
胡畔(1990—),男,吉林長(zhǎng)春人,在讀碩士,研究方向?yàn)樽匀坏乩韺W(xué)。李春景為通信作者,
E-mail:lichunjing@ybu.edu.cn
1004-7999(2017)02-0001-08
10.13478/j.cnki.jasyu.2017.02.001
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