游宇馳,李志威,李希來(lái)

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)和高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016)

高強(qiáng)度的人類(lèi)活動(dòng)和緩慢的氣候變暖,促使全球土地覆蓋發(fā)生顯著的變化,也間接影響水文過(guò)程、環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)等[1-2]。若爾蓋高原泥炭沼澤是中國(guó)最重要的高原濕地,是若爾蓋高原主要的土地覆蓋類(lèi)型,具有極高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。濕地對(duì)區(qū)域的生物多樣性、水文循環(huán)、氣候變化、碳循環(huán)等方面具有重要的作用及意義[3-4],更關(guān)鍵的是直接影響著黃河上游水源涵養(yǎng)、生態(tài)建設(shè)以及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[5]。

近30年來(lái)若爾蓋高原泥炭沼澤已明顯萎縮且功能退化,地表水位下降,敏感且脆弱的濕地或草原正發(fā)生著局部沙漠化的現(xiàn)象[6-10]。據(jù)記載,若爾蓋濕地于20世紀(jì)50年代便開(kāi)始開(kāi)挖人工溝渠,70年代全面開(kāi)展,2000年以后政府又實(shí)施生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策,因此部分專(zhuān)家認(rèn)為土地覆蓋的演變,特別是泥炭沼澤萎縮、草地退化主要受人類(lèi)活動(dòng)(挖溝排水、過(guò)度放牧)直接影響[7,10-11]。如今,氣候變化已成為全球性的趨勢(shì),其對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境的影響明顯,并影響濕地的水源與水量分配[12],從而進(jìn)一步影響河流湖泊、沼澤分布以及植被生長(zhǎng)。因此有學(xué)者研究認(rèn)為氣候的暖干化趨勢(shì)與若爾蓋高原濕地生態(tài)存在緊密的關(guān)系[13]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,遙感和GIS技術(shù)在濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究中得到了廣泛應(yīng)用[11,14-15]。對(duì)若爾蓋高原土地覆被變化,可利用遙感和GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)濕地信息特征提取與分類(lèi),進(jìn)而研究其動(dòng)態(tài)變化[9,16-18]。多種遙感圖像解譯的方法中,面向?qū)ο蠓ㄒ蚱浞诸?lèi)單元為同質(zhì)對(duì)象而非單個(gè)像素而優(yōu)于傳統(tǒng)解譯方法[19],因其包含的形狀、紋理、光譜等特征具有更豐富的語(yǔ)義信息而分類(lèi)精度高,而免費(fèi)的中低分辨率的Landsat數(shù)據(jù)使其應(yīng)用最為普遍。總體而言,若爾蓋高原濕地面積減少并斑塊化、草地退化、荒漠化突顯已是共識(shí)[6-10,13],但是變化速率與幅度則因研究區(qū)范圍、影像精度和影像時(shí)間的不同而不同。

目前關(guān)于若爾蓋高原土地覆蓋變化,尤其是沼澤濕地的研究多從宏觀角度闡述其與人類(lèi)活動(dòng)、氣候變化、土地利用及土地覆蓋變化的關(guān)系,而較少考慮具體的人類(lèi)活動(dòng)(如人工挖溝)和降水量變化。若爾蓋高原土地覆蓋已受到一定程度的人為干擾和破壞,準(zhǔn)確有效地了解土地覆蓋的現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)變化對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)有著重要的意義。本文利用1990—2011年遙感影像(Landsat)分析土地覆蓋變化和人工河網(wǎng)分布情況,同時(shí)結(jié)合1967—2012年氣候要素?cái)?shù)據(jù),解釋土地覆蓋演變的氣候因素,并主要從泥炭沼澤人工溝渠的輸水模式切入以較深入地闡述泥炭沼澤變化原因。

1 研究區(qū)概況與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋高原位于青藏高原東北部的黃河源區(qū)(圖1),主要包括四川省阿壩藏族羌族自治州的若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省的瑪曲縣等,面積22 716 km2。若爾蓋高原濕地是黃河上游重要的水源地,兩條支流黑河和白河每年補(bǔ)給黃河主干流水量約40億m3。本區(qū)濕潤(rùn)寒冷,長(zhǎng)冷短暖,年平均降水量560～860 mm,降水強(qiáng)度小,50%～80%的降水量集中在5—8月,年平均氣溫只有0.6～1.2℃,年平均相對(duì)濕度達(dá)到64%～73%,年蒸散發(fā)量1 260～1 290 mm[5]。這樣的氣候特點(diǎn)有利于沼澤的發(fā)育,特別是黑河中上游地區(qū),支流較少而閉流、伏流寬谷較多,地勢(shì)較平坦,多分布著高原沼澤土,沉積物細(xì)顆粒含量高,排水能力差而地表長(zhǎng)時(shí)間積水,沼澤較多。白河支流少,河谷比降略大,沉積物顆粒粗,其排水狀況相比黑河流域要好,泥炭沼澤濕地分布因此也相對(duì)較少[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,自建縣至2005年,紅原縣人口從500多人增長(zhǎng)到3.9萬(wàn)人,若爾蓋縣則從幾千人擴(kuò)張到7萬(wàn)多人。與此同時(shí),人類(lèi)活動(dòng)越來(lái)越頻繁,自然資源消耗量增長(zhǎng),挖溝排水開(kāi)辟草場(chǎng),發(fā)展畜牧業(yè),加上林木砍伐導(dǎo)致若爾蓋縣森林占地面積在1975—2005年由16.7%減少到12.8%[20]。

圖1 若爾蓋高原地形

序列遙感影像來(lái)源遙感影像時(shí)間空間分辨率/m(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat51990?07?0830(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat51995?08?0430(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat72000?10?3130(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat52004?09?1630(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat52010?10?0630(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat52011?10?0630

1.2 研究數(shù)據(jù)

1967—2012年的降水量和氣溫采用中國(guó)氣象網(wǎng)的中國(guó)地面氣象資料日數(shù)據(jù)集,選取瑪曲縣(56076)、若爾蓋縣(56079)和紅原縣(56173)的月降水和月氣溫資料統(tǒng)計(jì)分析。1990—2011年遙感影像采用地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)提供的Landsat TM數(shù)據(jù),部分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)間、條帶號(hào)等信息如表1所示。由于若爾蓋高原大部分區(qū)域位于行列號(hào)為(131,37)的影像中,表1中遙感影像時(shí)間以該幅影像時(shí)間為主。由于研究區(qū)域較大,為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,所下載數(shù)據(jù)的云量均保持在20%以下,基本為無(wú)云狀態(tài),部分?jǐn)?shù)據(jù)選取同一季節(jié)或者相鄰年份相同時(shí)相的影像鑲嵌而成。

2 數(shù)據(jù)處理過(guò)程

遙感數(shù)據(jù)處理過(guò)程中主要利用ENVI 5.3軟件中的面向?qū)ο筇卣魈崛》椒?feature extraction)得到土地覆蓋動(dòng)態(tài)結(jié)果,其中主要有圖像分割合并和規(guī)則建立兩部分。圖像分割與合并過(guò)程是基于邊緣分割算法,圖像分割過(guò)程中同時(shí)考慮了影像的光譜特性、空間特性和形狀特性[21]。通過(guò)試錯(cuò)法定性地對(duì)影像進(jìn)行不同尺度的快速直接分割,獲得對(duì)地物具代表性的圖像對(duì)象,以提取出更多的分類(lèi)輔助信息,繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)地物的精確分類(lèi)。分割時(shí)可通過(guò)預(yù)覽窗口查看分割效果,進(jìn)行調(diào)整以得到合理的分割尺度參數(shù)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),設(shè)置分割尺度參數(shù)為30～40,融合尺度參數(shù)為80～90。

區(qū)域土地覆蓋類(lèi)型主要是草地和泥炭沼澤,光譜特征明顯,表面紋理差異大,地勢(shì)分布不同?？紤]地區(qū)特點(diǎn)及研究?jī)?nèi)容,綜合遙感圖像的光譜特征和形狀特征,輔助DEM數(shù)據(jù),設(shè)定分割規(guī)則中的閾值范圍,將土地覆蓋類(lèi)型分為泥炭沼澤濕地、水體、林地、草地、荒漠、建設(shè)用地進(jìn)行提取，其中草地分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地。同時(shí),運(yùn)用Google Earth遙感影像和假彩色波段融合進(jìn)行對(duì)比,對(duì)規(guī)則集的閾值不斷修正,結(jié)合人工目視解譯以滿足研究的分類(lèi)精度要求。植被覆蓋度f(wàn)c(fractional vegetation cover)是地表植被的空間分布特征參數(shù)及反映生態(tài)環(huán)境的要素,基于NDVI利用像元二分模型估算[22]。為了驗(yàn)證遙感解譯的精度,在研究區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)生成驗(yàn)證點(diǎn)99個(gè),利用Google Earth獲取驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)際地物類(lèi)型,以對(duì)分類(lèi)精度進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果顯示1990—2011年總體精度在83.7%～86.5%。

3 研究結(jié)果

3.1 氣象要素變化趨勢(shì)

采用趨勢(shì)線法分析1967—2012年若爾蓋、瑪曲和紅原3個(gè)站點(diǎn)的降水量變化趨勢(shì)。根據(jù)氣象日數(shù)據(jù)資料整理得到線性趨勢(shì),若爾蓋高原年降水量呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)(圖2(a)),平均減小速率為0.40 mm/a，具體表現(xiàn)為若爾蓋0.33 mm/a、紅原0.53 mm/a、瑪曲0.34 mm/a(圖2(b))。南北降水量及變化情況有一定的差異,區(qū)域降水量則為北少南多,而降水量減少速度呈北慢南快。氣溫呈升高趨勢(shì)(圖3),3個(gè)站點(diǎn)的升高速率分別為若爾蓋0.075℃/a、紅原0.021℃/a、瑪曲0.038℃/a。從氣候要素來(lái)看,紅原站緯度偏低且海拔最高,年降水量豐富;若爾蓋站降水量居中,空氣濕度較大;瑪曲站降水相對(duì)較少。濕潤(rùn)度對(duì)沼生生境的發(fā)育和作用特別重要,因此若爾蓋縣的沼澤分布最廣[5]。

圖2 1967—2012年年降水量變化趨勢(shì)

圖3 1967—2012年3站年平均氣溫

3.2 土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化

利用ENVI軟件提取出1990—2011年土地覆蓋類(lèi)型的空間分布及植被覆蓋度(圖4),并統(tǒng)計(jì)主要土地覆蓋類(lèi)型的面積(表2)。若爾蓋高原土地覆蓋以植被覆蓋和泥炭沼澤濕地為主,其次是水體、荒漠和建設(shè)用地?？傮w上看,各類(lèi)型的土地覆蓋面積年際變化方式主要為單調(diào)增減和波動(dòng)變化。其中,變化最大的為建設(shè)用地(y=1.162 7x-2 315.1,R2=0.842)和荒漠(y=0.353 1x-664.16,R2=0.172)。2011年建設(shè)用地面積是1990年的5.84倍;荒漠面積則從1990年的29.51 km2增長(zhǎng)到2011年的39.86 km2,增加速率達(dá)0.49 km2/a,主要分布于黃河干流、白河下游和黑河下游兩岸坡面,以及黑河中游的山坡,這與前人的研究結(jié)果基本一致[6-7,16]。

圖4 若爾蓋高原土地覆蓋變化

表2若爾蓋高原1990—2011年土地覆蓋面積km2

年份草地泥炭沼澤濕地水體林地建設(shè)用地荒漠1990163219555153520235706545729511994172480346282216791551743740811995167454151277116026602454545431999172681544222233141732960343402000175020042631125763724280841272001175479142704620761668876843952003177341041425514688657411304392200417761134055622046166191226446820051766817412259224466191412490120061787431402184132155812142043872008177789840173421812547021555380200918023933871941301256652285390120101798540386351158426931264541392011179175738642723940567226683986

表2表明,水體面積呈不明顯的波動(dòng)減小趨勢(shì)(y=-1.140 5x+2 482.6,R2=0.017),這可能與降水情況以及當(dāng)前水位變化有關(guān)。相應(yīng)地,圖4則表現(xiàn)為各細(xì)小的彎曲河流在降水量較大的年份提取結(jié)果較好,因?yàn)楫?dāng)降水較大時(shí),河流寬度達(dá)到遙感影像所能分辨的空間分辨率大小。草地面積呈明顯的上升趨勢(shì)(y=71.337x-125 326,R2=0.860 3),林地主要分布在若爾蓋西部,其占地面積緩慢減少(y=-0.321 7x+708.02,R2=0.095 8)。

圖4表明高、中、低植被覆蓋度空間分布發(fā)生了明顯的變化。植被覆蓋度年平均值為0.68，主要分為2個(gè)階段,1990—2000年植被覆蓋度呈明顯的減小趨勢(shì),且在1990年和1995年的植被覆蓋度分別為0.76和0.82,以高植被覆蓋度為主,但空間分布的差異化明顯，而2000年的植被覆蓋度減小到0.48,整個(gè)區(qū)域的植被覆蓋度趨于均一化,即中植被覆蓋度達(dá)96.35%;在2000年之后,植被覆蓋度呈上升趨勢(shì),2005年和2010年的植被覆蓋度分別為0.55和0.77,并以中高植被覆蓋度為主。

1990—2011年間泥炭沼澤濕地面積呈明顯減少的趨勢(shì)(y=-71.389x+147 255,R2=0.860 6),減少幅度達(dá)29.9%，減小速率為78.62 km2/a。針對(duì)泥炭沼澤濕地的遙感解譯,眾多研究結(jié)果不一,孫妍[23]研究表明若爾蓋高原近30%的沼澤發(fā)生萎縮,王石英等[17]認(rèn)為1987—2001年沼澤減少了31.86 km2,沈松平等[24]認(rèn)為2001年沼澤濕地面積為3 462 km2,20年內(nèi)減少了20.2%。由于對(duì)若爾蓋高原沼澤的界定、研究時(shí)段等不同,監(jiān)測(cè)結(jié)果不盡相同,但已有的共識(shí)是泥炭沼澤在近60年的不同時(shí)間段內(nèi)發(fā)生著不同程度的萎縮退化。泥炭是若爾蓋高原沼澤的最基本特征,反映沼澤的發(fā)育過(guò)程與程度[5]。沼澤受水分條件影響而萎縮退化，反過(guò)來(lái)又改變著水分條件,從而影響著整個(gè)若爾蓋高原的生態(tài)環(huán)境[6,8]。

4 討 論

4.1 土地覆蓋變化分析

若爾蓋高原屬于氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶,區(qū)域演變方式為沼澤—沼澤化草甸—草甸—草原—沙漠化。從濕地的發(fā)育演變來(lái)看,氣候要素發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。多雨、潮濕且低溫都有利于其發(fā)育[5],并且影響濕地的各種生態(tài)過(guò)程以及濕地的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。過(guò)濕或者水分蓄存是沼澤形成的基本條件,由此若爾蓋的低洼地因夏季降水(5—9月)易出現(xiàn)沼澤濕地特征。

若爾蓋高原降水量從長(zhǎng)時(shí)間序列分析呈不明顯的減小趨勢(shì),而不同的短時(shí)期內(nèi)有上升或下降的趨勢(shì),從而說(shuō)明降水量的變化不是若爾蓋沼澤迅速萎縮的主要原因。此外,由于全球氣溫普遍上升的影響,若爾蓋區(qū)域的氣溫近年來(lái)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),有學(xué)者認(rèn)為若爾蓋高原沼澤萎縮退化的主要原因是因氣溫上升而增加的蒸發(fā)蒸騰量[13],這種長(zhǎng)期而緩慢的影響過(guò)程不容忽視,但本地區(qū)降水量并未顯著變化,氣溫變化速率及蒸發(fā)蒸騰的增量較為有限,還不足以導(dǎo)致若爾蓋泥炭沼澤濕地在近幾十年內(nèi)的快速萎縮[25]。因此,若爾蓋高原近幾十年的氣候變化并不是土地覆蓋,尤其不是泥炭沼澤濕地發(fā)生變化的主要原因。

植被覆蓋度的變化尤其是高植被覆蓋度在2000年的劇烈減小可能與遙感數(shù)據(jù)的月份有關(guān)。但更重要的是,早期的人工溝渠排水減小了泥炭沼澤濕地的蓄水量以及蓄水能力,植被生長(zhǎng)情況不如以往,導(dǎo)致2000年的植被覆蓋度明顯減小且趨于均一化。此后若爾蓋高原實(shí)施了填堵溝渠等恢復(fù)工程[26],同時(shí)由于排水輸干泥炭表層水分,可能發(fā)生塌陷、裂縫、滑坡等情況[26],人工溝渠排水能力也會(huì)降低[27]。當(dāng)?shù)夭扇√疃聹锨橹鞯幕謴?fù)工程后[27],土壤透氣性的增大可促進(jìn)溝道植物的生長(zhǎng),因此2000年后植被處于恢復(fù)期;2008年后降水量呈短期的上升趨勢(shì),降水量較多時(shí)植被生長(zhǎng)較好。蔣錦剛等[28]研究表明若爾蓋縣在1974—2007年高植被覆蓋度的面積變化趨勢(shì)為先減后增,草地面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì),且在1994—2000年增長(zhǎng)速率最大。研究表明草地植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)較為敏感[29],因此植被變化情況與緩慢上升的氣溫、變化的降水量等因素有一定的關(guān)聯(lián)[30]。

林地主要分布在若爾蓋南部區(qū)域,其面積呈減小趨勢(shì),主要與當(dāng)?shù)胤ツ竞徒ㄖ玫氐热祟?lèi)活動(dòng)有關(guān)。有記載表明若爾蓋縣的沼澤周邊山坡上暗針葉林遭到砍伐,導(dǎo)致森林面積在1975—2005年減少4.3%[20]。建設(shè)用地和荒漠化面積呈穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì),前者是因當(dāng)?shù)氐娜丝谠鲩L(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)建設(shè)及旅游業(yè)發(fā)展迅速;后者則是由于在氣候暖干化的自然條件下,人工溝渠排水、過(guò)度放牧、泥炭開(kāi)采等不合理無(wú)節(jié)制的人類(lèi)活動(dòng)直接對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞,導(dǎo)致沼澤退化并沙漠化。

4.2 典型泥炭沼澤人工溝渠影響

在脆弱敏感的若爾蓋高原,濕地排水工程直接地改變了該區(qū)水系分布及其水文連通性,導(dǎo)致土地覆蓋發(fā)生變化,引起濕地生態(tài)環(huán)境的惡化。早在1955年,本地區(qū)便開(kāi)始挖溝排水,開(kāi)辟牧場(chǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類(lèi)頻繁的干擾,若爾蓋縣和紅原縣累計(jì)開(kāi)挖排水溝700多條,總長(zhǎng)度超過(guò)1 000 km。溝渠開(kāi)挖影響沼澤面積約2 000 km2,排水疏干脅迫下嚴(yán)重退化沼澤面積達(dá)648.3 km2,約占沼澤總面積的27%[25]。目前,若爾蓋高原濕地現(xiàn)存的人工溝渠約有920 km,在若爾蓋縣、紅原縣和瑪曲縣分別有44條、288條和66條[25]。

為進(jìn)一步討論人工溝渠對(duì)泥炭沼澤濕地萎縮退化的影響,基于此前對(duì)人工溝渠的判讀和測(cè)量,利用ArcGIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理并制圖(圖5)。若爾蓋高原人工溝渠控制的泥炭沼澤濕地可分為2種排水輸干模式,即完全由人工溝渠排水和由人工溝渠與自然河網(wǎng)交織共同排水,圖6的日干喬大沼澤和哈合目喬沼澤系統(tǒng)即為兩種典型的人工溝渠排水系統(tǒng)。

圖5 若爾蓋高原的自然水系和人工溝渠分布

圖6 典型的人工溝渠排水系統(tǒng)

日干喬大沼澤是若爾蓋高原最重要濕地之一,其類(lèi)型為封閉式泥炭沼澤濕地。經(jīng)影像處理計(jì)算得到日干喬大沼澤的人工溝渠有100余條,總長(zhǎng)度292.8 km,控制面積為208.7 km2。這些人工溝渠已經(jīng)將沼澤濕地排水疏干,轉(zhuǎn)化為草地,而只在5—8月強(qiáng)降水期,在低洼和河道兩側(cè)殘留季節(jié)性濕地景觀。根據(jù)溝渠的空間分布特點(diǎn),可將人工溝渠分為放射式分布、平行式分布、網(wǎng)狀式分布和零散式分布(圖6(a))。日干喬大沼澤的絕大部分地表水和地下水通過(guò)人工溝渠排向彎曲小河,再?gòu)耐咔朽l(xiāng)匯入白河。日干喬大沼澤的人工溝渠在5—8月加速排走降雨徑流從而減少沼澤的儲(chǔ)水量,而在非降水期則繼續(xù)以地下水橫向補(bǔ)給的方式,將濕地和草地內(nèi)蓄存的水量排向河道。已有研究指出人工溝渠使泥炭沼澤濕地年平均地下水位降低了50～70 cm[31]。在早期無(wú)人工溝渠之前,日干喬大沼澤為常年片狀積水[27],如今已完全變成放牧草原,表明人工溝渠是日干喬大沼澤從濕地轉(zhuǎn)向草原景觀的最根本原因。

哈合目喬沼澤位于黑河流域的中東部,其人工溝渠特點(diǎn)是沼澤中間有一條較大的人工溝渠貫穿南北,并以此主干溝道為中心向東西兩邊發(fā)散,形成魚(yú)骨狀的人工溝渠分布格局(圖6(b)),現(xiàn)存人工溝渠38條,總長(zhǎng)113.9 km,控制面積152.3 km2。這類(lèi)溝渠排水模式為水匯流至主干溝渠,再由兩側(cè)溝渠分別向東西方向輸水。本類(lèi)型的排水結(jié)構(gòu)加速了封閉沼澤內(nèi)部脫水,引起沼澤萎縮，沙漠化突顯。地表水是維持沼澤濕地的關(guān)鍵要素[5],日干喬大沼澤和哈合目喬沼澤均為若爾蓋高原的局部封閉性沼澤濕地,人工溝渠開(kāi)挖之后的幾十年內(nèi),大量的地表水被排走,泥炭沼澤迅速脫水,發(fā)生侵蝕、坍塌,產(chǎn)生裂縫并斑塊化[26],兩處沼澤濕地都發(fā)生了顯著的變化[27,32]。

4.3 自然河流和人工溝渠的雙重影響

若爾蓋高原濕地萎縮除了人工溝渠的影響之外,自然河流的發(fā)育和溝道溯源下切也是濕地脫水萎縮的一個(gè)重要原因。若爾蓋的黑河流域上游是典型的自然河流和人工溝渠的雙重疊加作用區(qū),兩者共同作用加速該區(qū)域的排水效率。黑河上游的干流與支流河道下切明顯,深度可達(dá)0.5～3 m,一旦切穿泥炭層,增加了泥炭層地表水和地下水的橫向水力梯度,使得原來(lái)蓄存于泥炭層的地下水源源不斷流出,而且脫水之后也造成緊密構(gòu)造的泥炭濕地破碎化、松散化,從而更加促進(jìn)溝道下切及溯源侵蝕,直至逐漸深入沼澤濕地中心地帶。該典型流域總面積為3 865 km2,1990—2015年泥炭濕地面積變化明顯(圖7),由1990年的919.4 km2減小到2015年的643.67 km2,減小速率達(dá)11 km2/a。

圖7 黑河上游泥炭濕地面積變化

圖8 黑河上游泥炭濕地、自然水系和人工溝渠分布格局

圖8為黑河流域上游的自然河網(wǎng)和人工溝渠空間分布。自然河網(wǎng)總長(zhǎng)3 477.64 km,人工溝渠756條,總長(zhǎng)796.74 km。大量的封閉或半封閉的泥炭沼澤濕地已被大大小小的細(xì)溝貫穿,使得沼澤濕地排水效率增大,蓄水能力持續(xù)減小。研究表明黑河的徑流量減少速率為0.15億m3/a[25],這間接說(shuō)明黑河流域的沼澤濕地的蓄水能力減弱。黑河上游泥炭地的地下水位下降,再加之人工溝渠的加速排水作用,增加了自然河網(wǎng)與人工溝渠的連通性,破壞了流域的整體性,并且加速了水源的外排。在自然河網(wǎng)與人工溝渠共同作用下,雨季大量的地表水通過(guò)自然河網(wǎng)與人工溝渠組成的通道迅速排走,枯水期又排出一定水量的地下水以補(bǔ)給河道,因此疏干沼澤范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,沼澤濕地快速萎縮。另一方面,沼澤的萎縮又引起蓄水能力的下降,這一惡性循環(huán)強(qiáng)化了沼澤—沼澤化草甸—草甸—草原—沙漠化過(guò)程。

5 結(jié) 論

a. 不斷增強(qiáng)的人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致若爾蓋高原的建設(shè)用地和荒漠面積發(fā)生的變化最為明顯,2011年的面積分別是1990年面積的5.84倍和1.35倍。林地面積以速率0.66 km2/a減小。在暖干化氣候、人工溝渠排水輸干和自然水系溯源下切的疊加作用下,泥炭沼澤的濕地面積以78.62 km2/a的速率呈持續(xù)減少趨勢(shì)。水面面積波動(dòng)性變化主要受降水量變化的影響。植被覆蓋度變化呈先減后增,且趨于均一化,2000年減小的幅度最為劇烈,2000年以后由于生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施,植被覆蓋度有所回升。

b. 1967—2012年期間,若爾蓋高原的降水量以0.4 mm/a的速率呈微弱的減小趨勢(shì),氣溫則表現(xiàn)為增高趨勢(shì),但氣候要素變化幅度尚不能在短時(shí)間內(nèi)改變?nèi)魻柹w高原土地覆蓋。

c. 在自然河流過(guò)程和人工溝渠排水的疊加作用下,若爾蓋高原泥炭沼澤的地表水與地下水流失存在2種最主要的輸水模式:①以日干喬和哈合目喬為典型的大面積封閉式泥炭濕地的人工溝渠排水模式;②以黑河上游的半封閉式泥炭沼澤濕地為代表的由平行或交織的自然水系和人工溝渠共同排水的模式。大規(guī)模人工溝渠破壞了濕地的完整性,將濕地內(nèi)的地表水快速且持續(xù)地排走,導(dǎo)致泥炭沼澤濕地脫水,同時(shí)容易發(fā)生侵蝕、坍塌、產(chǎn)生裂縫及斑塊化,從而顯著減小泥炭沼澤的蓄水量,制約泥炭沼澤的維持,使泥炭沼澤萎縮速率加快。

[1] MOONEY H A,DURAIAPPAH A,LARIGAUDERIE A.Evolution of natural and social science interactions in global change research programs[J].PNAS,2013,110:3665-3672.

[2] TIAN Hanqin,CHEN Guangsheng,ZHANG Chi,et al.Century-scale response of ecosystem carbon storage to multifactorial global change in the Southern United States[J].Ecosystems,2012,15(4): 674-694.

[3] 曹明奎,李克讓.陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候相互作用的研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2000,15(4):446-452.(CAO Mingkui,LI Kerang.Perspective on terrestrial ecosystem climate interaction[J].Advance Earth Sciences,2000,15(4):446-452.(in Chinese))

[4] SCHIMEL D S,BRASWELL B H,HOLLAND E A,et al.Climatic,edaphic,and biotic controls over storage and turnover of carbon in soils[J].Global Biogeochemical Cycles,1994,8(3): 279-294.

[5] 柴岫,朗惠卿,金樹(shù)仁,等.若爾蓋高原的沼澤[M].北京: 科學(xué)出版社,1965.

[6] BAI Junhong,LU Qiongqiong,WANG Junjing,et al.Landscape pattern evolution processes of alpine wetlands and their driving factors in the Zoige Plateau of China[J].Journal of Mountain Sciences,2013,10(1): 54-67.

[7] HU Guangyin,DONG Zhibao,Lu Junfeng,et al.Driving forces of land use and land cover change (LUCC) in the Zoige Wetland,Qinghai-Tibetan Plateau[J].Sciences in Cold and Arid Regions,2012,4(5): 422-430.

[8] ZHANG Yu,WANG Genxu,WANG Yibo.Changes in alpine wetland ecosystems of the Qinghai-Tibetan Plateau from 1967 to 2004[J].Environmental Monitoring & Assessment,2011,180(1-4):189-199.

[9] ZHANG Wenjiang,LU Qifeng,SONG Kechao,et al.Remotely sensing the ecological influences of ditches in Zoige Peatland,eastern Tibetan Plateau[J].International Journal of Remote Sensing,2014,35(13):5186-5197.

[10] LI Yao,YAN Zhao,GAO Shujun,et al.The peatland area change in past 20 years in the Zoige Basin,eastern Tibetan Plateau[J].Frontiers of Earth Science,2011,5(3): 271-275.

[11] GONG Peng,NIU Zhenguo,CHENG Xiao,et al.China’s wetland change (1990-2000) determined by remote sensing[J].Science China Earth Sciences,2010,53(7):1036-1042.

[12] JONATHAN S P,BRAIN A B,WADDINGTON H M,et al.Advances in Canadian wetland hydrology,1999-2003[J].Hydrological Processes,2005,19:201-214.

[13] 郭潔,李國(guó)平.若爾蓋氣候變化及其對(duì)濕地退化的影響[J].高原氣象，2007,26(2):422-428.(GUO Jie,LI Guoping.Climate change in Zoige Plateau marsh wetland and its impact on wetland degradation[J].Plateau Meteorology，2007,26(2):422-428.(in Chinese))

[14] 張柏.遙感技術(shù)在中國(guó)濕地研究中的應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,1996,11(1): 67-71.(ZHANG Bai.Application of remote sensing technology on research of the wetland in China[J].Remote Sensing Technology and Application,1996,11(1): 67-71.(in Chinese))

[15] 朱玉華.流域規(guī)劃環(huán)評(píng)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法研究[J].水資源保護(hù),2011,27(5): 25-27.(ZHU Yuhua.Research on ecological environmental situation and dynamic assessment methods for environmental impact assessment of river basin planning[J].Water Resource Protection,2011,27(5): 25-27.(in Chinese))

[16] 陳玲,王根緒,王惠林.基于數(shù)據(jù)的若爾蓋縣時(shí)空特征研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2006,39(1): 84-89.(CHEN Ling,WANG Genxu,WANG Huilin.Spatial-temporal characteristics of LUCC in Zoige County using Landsat TM sensor data[J].Remote Sensing Technology and Application,2006,39(1): 84-89.(in Chinese))

[17] 王石英,張宏,杜娟.青藏高原若爾蓋高原近期土地覆被變化[J].山地學(xué)報(bào),2008,26(4): 496-502.(WANG Shiying,ZHANG Hong,DU Juan.Recent land cover changes in Zoige region of Qinghai-Tibetan Plateau[J].Journal of Mountain Science,2008,26(4): 496-502.(in Chinese))

[18] 姜燁,孫建國(guó),謝家麗,等.近20年若爾蓋濕地水土流失變化的遙感評(píng)估[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2013,28(6):1088-1093.(JIANG Ye,SUN Jianguo,XIE Jiali,et al.Remote sensing assessment of water and soil loss changes of Zoige wetland in last 20 years[J].Remote Sensing Technology and Application,2013,28(6):1088-1093.(in Chinese))

[19] 夏朝旭,何政偉,于歡,等.面向?qū)ο蟮耐恋馗脖蛔兓瘷z測(cè)研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2014,29(1):106-113.(XIA Chaoxu,HE Zhengwei,YU Huan,et al.Study on land cover change detection based on object oriented analysis[J].Remote Sensing Technology and Application,2014,29(1):106-113.(in Chinese))

[20] 李斌,董鎖成，蔣小波,等.若爾蓋濕地草原沙化驅(qū)動(dòng)因素分析[J].水土保持研究,2008,15(3):112-120.(LI Bin,DONG Suocheng,JIANG Xiaobo,et al.Analysis on the driving factors of grassland desertification in Zoige wetland[J].Research of Soil and Water Conservation,2008,15(3):112-120.(in Chinese))

[21] 于歡,張樹(shù)清,孔博,等.面向?qū)ο筮b感影像分類(lèi)的最優(yōu)分割尺度選擇研究[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2010,15(2):352-360.(YU Huan,ZHANG Shuqing,KONG Bo,et al.Optimal segmentation scale selection for object-oriented remote sensing image classification[J].Journal of Image and Graphics,2010,15(2):352-360.(in Chinese))

[22] 李苗苗,吳炳方,顏長(zhǎng)珍,等.密云水庫(kù)上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學(xué),2004,26(4): 153-158.(LI Miaomiao,WU Bingfang,YAN Changzhen,et al.Estimation of vegetation fraction in the upper basin of Miyun Reservoir by remote sensing[J].Resources Science,2004,26(4): 153-158.(in Chinese))

[23] 孫妍.基于RS和GIS的若爾蓋高原濕地景觀格局分析[D].長(zhǎng)春:東北師范大學(xué),2009.

[24] 沈松平,王軍,游麗君,等.若爾蓋沼澤濕地遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào),2005,25(2):119-121.(SHEN Songping,WANG Jun,YOU Lijun,et al.Remote sensing dynamic monitoring of the Zoige marsh wet land[J].Acta Geologica Sichuan,2005,25(2):119-121.(in Chinese))

[25] 李志威,王兆印,張晨笛,等.若爾蓋沼澤濕地的萎縮機(jī)制[J].水科學(xué)進(jìn)展,2014,25(2): 170-180.(LI Zhiwei,WANG Zhaoyin,ZHANG Chendi,et al.A study on the mechanism of wetland degradation in Ruoergai swamp[J].Advances in Water Science,2014,25(2): 170-180.(in Chinese))

[26] KVARNER J,SNILSBERG P.The Romeriksporten railway tunnel-drainage effects on peatlands in the Lake Northern Puttjern area[J].Engineering Geology,2008,101(3): 75-88.

[27] 蒲珉鍇,楊滿業(yè),杜笑村,等.日干喬濕地恢復(fù)的可行性分析[J].草業(yè)與畜牧,2010(10): 50-52.(PU Mingkai,YANG Manye,DU Xiaochun,et al.Feasibility analysis of the recovery of Riganqiao Wetland[J].Prataculture & Animal Husbandry,2010(10): 50-52.(in Chinese))

[28] 蔣錦剛,李?lèi)?ài)農(nóng),邊金虎,等.1974—2007年若爾蓋縣濕地變化研究[J].濕地科學(xué),2012,10(3): 318-326.(JIANG Jingang,LI Ainong,BIAN Jinhu,et al.Change of wetlands in Zoige County from 1974 to 2007[J].Wetland Science,2012,10(3): 318-326.(in Chinese))

[29] 楊元合,樸世龍.青藏高原草地植被覆蓋變化及其與氣候因子的關(guān)系[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2006,30(1):1-8.(YANG Yuanhe,PIAO Shilong.Variations in grassland vegetation cover in relation to climatic factors on the Tibetan Plateau[J].Journal of Plant Ecology,2006,30(1):1-8.(in Chinese))

[30] 劉曉帆,任立良,袁飛,等.老哈河流域NDVI動(dòng)態(tài)變化及其與氣候因子的關(guān)系[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,38(1): 1-5.(LIU Xiaofan,REN Liliang,YUAN Fei,et al.Dynamic variation of NDVI in Laoha River Basin and its relationship with climatic factors[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2010,38(1): 1-5.(in Chinese))

[31] 楊福明,楊宗榮.龍日壩泥炭沼澤改造途徑的實(shí)驗(yàn)研究[J].地理科學(xué),1986,6(3): 284-289.(YANG Fuming,YANG Zonglong.A study on transformation way of the peat moor of Longriba region[J].Scientia Geographica Sinica,1986,6(3): 284-289.(in Chinese))

[32] ZHANG Xiaohong,LIU Hongyu,BAKER C,et al.Restoration approaches used for degraded peatlands in Ruoergai (Zoige),Tibetan Plateau,China,for sustainable land management[J].Ecological Engineering,2012,38(1): 86-92.