揭文輝，張策，汪冰，張恩，牛海威，李婧玥，董雙發(fā)

（核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

0 引言

濕地，被稱為“地球之腎”，是一種具有多種獨特功能的生態(tài)系統(tǒng)，它不僅在保持生物多樣性和珍稀物種資源、維持生態(tài)平衡，在蓄洪防旱、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候以及控制土壤侵蝕、降解污染等多方面均起到極其重要的作用，同時還為人類提供大量食物和水資源等生活原料，為人類生存提供了巨大的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益（何橋和徐凌彥，2017；王燕，2019；朱鶴等，2019；劉紅梅等，2010；Victor Klemas，2013）。目前，據(jù)IUCN 估計，受全球氣候變暖及社會經(jīng)濟增長等因素的影響，地球上近一半的濕地資源消失。隨著濕地的破壞與退化，諸如河流干涸斷流、湖泊萎縮干枯、沼澤濕地草甸化、濕地面積減少等生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴重，原有的濕地生化環(huán)境質(zhì)量下降和濕地功能逐漸降低甚至喪失。在我國有近九成的重要濕地受到不同程度的人類活動影響而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及生態(tài)功能下降（肖德榮等，2007）。

壩上高原是我國華北地區(qū)阻擋風沙南侵的重要生態(tài)屏障，對維護京津地區(qū)的生態(tài)安全，促進區(qū)域發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略作用。壩上高原屬典型的農(nóng)牧交錯區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，從2000 年開始，壩上高原濕地面積大幅度減少，原星羅棋布的眾多湖淖大量萎縮、干涸，其引發(fā)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變化不容小覷。近年來，我國專家學者對壩上地區(qū)的濕地保護研究不斷加強。2004 年，李曉秀等通過評估區(qū)域生態(tài)資源承載力的方法對壩上高原進行了生態(tài)資源綜合評估，為進一步綜合探討壩上高原生態(tài)資源特點奠定了基礎（李曉秀和馬禮，2004）。2007 年，王樹凱等通過實地調(diào)查研究的方法對壩上地區(qū)的濕地資源的進行調(diào)查研究，研究表明近年來張家口市壩上地區(qū)連年干旱，致使?jié)竦氐臄?shù)量和面積在不斷地減少，該地區(qū)濕地物種多樣性降低，濕地生態(tài)系統(tǒng)功能受到破壞（王樹凱等，2007）。2011 年，劉軍輝等開展了沽源縣壩上高原濕地野生植物資源的調(diào)查，調(diào)查表明該區(qū)濕地植物群落結構穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降趨勢（劉軍輝和楊本蕓，2011）。2018 年，王玫認為人類活動對壩上地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)負面影響巨大，其脆弱的生態(tài)環(huán)境條件已無法履行保障京津冀生態(tài)安全的重任，對壩上地區(qū)的生態(tài)修復與治理工作已刻不容緩（王玫，2018）。

濕地分布范圍非常廣泛，部分沼澤濕地從地面難以直接進行調(diào)查，濕地植被大多矮小，濕地水體又具有明顯的光學反光性（林進等，1997）。因此，依賴遙感技術能高效、及時、準確地進行長期監(jiān)測。遙感技術具有從空間和時間尺度上對大范圍濕地進行動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，并且具有實時性、直觀性、反映宏觀規(guī)律性等優(yōu)點，同時能夠節(jié)省大量的人力、物力和財力（揭文輝等，2020）。目前，隨著人們對濕地資源重要性的進一步認識，對濕地的研究日漸增多，遙感技術應用于濕地的研究已成為國內(nèi)外的熱點，其在濕地研究中具有很大的優(yōu)勢（韓敏等，2003）。本文利用2000 年（ETM+）、2010 年（TM）、2018 年（Landsat 8 OLI）3 期遙感影像數(shù)據(jù)，獲取了壩上高原2000—2018 年濕地空間分布特征及時空演化規(guī)律，總結了壩上高原不同區(qū)域濕地時空演化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

壩上高原濕地地處河北省西北部，內(nèi)蒙古高原南緣，特指由草原陡然升高而形成的地帶，地理位置為北緯40°56′～42°51′，東經(jīng)112°54′～117°10′，濕地范圍涉及河北省張北縣、康?？h、尚義縣、沽源縣，內(nèi)蒙古自治區(qū)商都縣、興和縣、化德縣、察哈爾右翼后旗、太仆寺旗等9 個縣（旗）（圖1）。該區(qū)域是我國華北地區(qū)阻擋風沙向南侵的重要生態(tài)屏障，生態(tài)功能和地理區(qū)位都極為重要。

研究區(qū)屬東亞大陸性季風氣候中溫帶亞干旱區(qū)。春季天氣多變，干旱少雨；夏季受西太平洋副熱帶高壓西伸北進的暖濕氣流影響，天氣較濕潤，降水較多；秋季受干冷的西北風重新加強，而暖濕的東南氣流日漸衰弱的影響，天氣晴朗，氣溫逐漸變冷；冬季受強大蒙古冷高壓控制，多寒潮天氣，常遇劇烈降溫和風雪。降雨多集中在6—8 月，總降水量為220～340 mm，占全年降水量64%～69%，南部壩頭山地區(qū)年降水量350～550 mm。區(qū)內(nèi)河流眾多，湖泊星羅棋布。灤河是區(qū)內(nèi)最大的外流河，其余河流多為典型的內(nèi)陸河，多發(fā)源于壩頭山區(qū)，呈南北走向，主要靠大氣降水補給。

圖1 壩上高原濕地交通位置

1.1 數(shù)據(jù)來源

綜合考慮到研究時間跨度長，遙感影像數(shù)據(jù)的更新周期和分辨率等因素，為了獲取統(tǒng)一的遙感影像數(shù)據(jù)，能夠科學、準確地提取壩上高原濕地信息，確定選擇采用Landsat 系列遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為研究壩上高原濕地的影像數(shù)據(jù)源（朱亞楠等，2019；李成梁等，2019；聶欣然等，2018；趙冉等，2019；程朋根等，2018；艾金泉，2020；孫楠等，2017）。本研究獲取的遙感影像數(shù)據(jù)分別為2000 年（ETM+）、2010年（TM）、2018 年（Landsat 8 OLI）3 期遙感影像數(shù)據(jù)。詳細影像信息如表1。

1.2 濕地信息提取

目前，濕地信息的提取方法主要有人工目視解譯法和自動解譯法兩大類（Mc Feeters S K，1996；駱劍承等，2009）。自動提取主要是依靠影像波譜信息來進行識別，具有自動化程度高，信息提取速度快，工作量小的優(yōu)勢和特點，但該方法對遙感影像質(zhì)量要求高，閾值確定難度較大，以現(xiàn)有條件較難實現(xiàn)。而人工目視解譯主要是對假彩色合成的影像進行目視判斷提取，操作簡單、解譯精度高，但該方法耗時長、工作量大（李曉鋒等，2018）。本研究采用人機交互的方法，結合人工目視解譯與電腦自動提取的優(yōu)勢來提高濕地信息的提取速度和精度。

2 結果與討論

2.1 濕地空間分布特征

通過對壩上高原濕地2000 年、2010 年及2018年遙感影像進行人機交互式解譯，研究區(qū)濕地信息提取結果。

從表2 可知，2000 年度壩上高原濕地總面積796.90 km2，斑塊數(shù)量731 塊。其中以沼澤濕地為主，共解譯出沼澤濕地面積347.66 km2，面積占比為43.63%，斑塊數(shù)量50 塊，斑塊數(shù)占比為6.84%，沼澤濕地較為集中分布；湖泊濕地次之，共解譯出湖泊濕地面積276.17 km2，面積占比為34.66%，斑塊數(shù)量641 塊，斑塊數(shù)占比為87.69%，湖泊濕地較為分散細碎；然后為河流濕地，共解譯出河流濕地面積156.60 km2，面積占比為19.53%，斑塊數(shù)量32 塊，斑塊數(shù)占比為4.38%；研究區(qū)人工濕地分布較少，共解譯出人工濕地面積17.47 km2，面積占比為2.19%，斑塊數(shù)量8 塊，斑塊數(shù)占比為1.09%。

表1 2000 年、2010 年、2018 年研究區(qū)所選用影像信息

表2 壩上高原2000 年度濕地面積統(tǒng)計

從表3 可知，2010 年度壩上高原濕地總面積750.99 km2，斑塊數(shù)量493 塊。其中以沼澤濕地為主，共解譯出沼澤濕地面積334.96 km2，面積占比為44.60%，斑塊數(shù)量48 塊，斑塊數(shù)占比為9.74%，沼澤濕地較為集中分布；湖泊濕地次之，共解譯出湖泊濕地面積239.58 km2，面積占比為31.90%，斑塊數(shù)量 399 塊，斑塊數(shù)占比為80.93%，湖泊濕地較為分散細碎；然后為河流濕地，共解譯出河流濕地面積144.05 km2，面積占比為19.18%，斑塊數(shù)量29 塊，斑塊數(shù)占比為5.88%；研究區(qū)人工濕地分布較少，共解譯出人工濕地面積32.40 km2，面積占比為4.31%，斑塊數(shù)量17 塊，斑塊數(shù)占比為3.45%。

從表4 可知，2018 年度壩上高原濕地總面積666.24 km2，斑塊數(shù)量316 塊。其中以沼澤濕地為主，共解譯出沼澤濕地面積320.84 km2，面積占比為48.16%，斑塊數(shù)量50 塊，斑塊數(shù)占比為15.82%，沼澤濕地較為集中分布；湖泊濕地次之，共解譯出湖泊濕地面積169.97 km2，面積占比為25.51%，斑塊數(shù)量217 塊，斑塊數(shù)占比為68.67%，湖泊濕地較為分散細碎；然后為河流濕地，共解譯出河流濕地面積144.05 km2，面積占比為21.62%，斑塊數(shù)量29 塊，斑塊數(shù)占比為9.18%；研究區(qū)人工濕地分布較少，共解譯出人工濕地面積31.38 km2，面積占比為4.71%，斑塊數(shù)量20 塊，斑塊數(shù)占比為6.33%。

表3 壩上高原2010 年度濕地面積統(tǒng)計

表4 壩上高原2018 年度濕地面積統(tǒng)計

2.2 濕地時空演化規(guī)律

通過提取的研究區(qū)2000 年、2010 年及2018 年濕地信息，利用Arcgis 的空間分析工具，從變化量和變化率來分析研究區(qū)濕地的變化情況，獲取壩上高原濕地2000 年至2018 年的濕地變化特征。運用arcgis 中的Erase 工具，以研究區(qū)2010 年度提取的濕地信息擦除研究區(qū)2000 年度提取的濕地信息，從而得出2000—2010 年研究區(qū)濕地減少的區(qū)域信息；反之，以研究區(qū)2000 年度提取的濕地信息擦除研究區(qū)2010 年度提取的濕地信息，則獲取到2000—2010 年研究區(qū)濕地增加的區(qū)域信息，因而提取出2000—2010 年研究區(qū)濕地的變化信息，如圖2 所示。同理，運用2000 年、2010 年及2018 年研究區(qū)提取的濕地信息可獲取2010—2018 年研究區(qū)濕地變化信息及2000—2018 年研究區(qū)濕地變化信息，如圖3、圖4 所示。

從表5 分析得出，2000—2010 年，全區(qū)濕地減少45.91 km2，斑塊數(shù)量減少238 塊，減少率分別為5.76%、32.56%；以湖泊濕地面積和斑塊數(shù)量減少最多，分別為36.59 km2、242 塊，減少率為13.25%、37.75%，人工濕地面積和斑塊數(shù)量均有所增加，該時間段各濕地類型變化分布情況見圖2 所示。2010—2018 年，全區(qū)濕地減少84.75 km2，斑塊數(shù)量減少177 塊，減少率分別為11.29%、35.90%；以湖泊濕地面積和斑塊數(shù)量減少最多，分別為69.61 km2、182 塊，減少率為29.06%、45.61%，人工濕地斑塊數(shù)量有所增加，但面積有所減少，該時間段各濕地類型變化情況見圖3 所示。2000—2018 年，全區(qū)濕地減少130.66 km2，斑塊數(shù)量減少415 塊，減少率分別為16.40%、56.77%；以湖泊濕地面積和斑塊數(shù)量減少最多，分別為106.20 km2、424 塊，減少率為38.45%、66.15%，人工濕地的面積和斑塊數(shù)量有一定的增加，說明人類活動已經(jīng)侵入到濕地區(qū)域，對濕地的影響和改變逐漸增大，該時間段各濕地類型變化情況見圖4 所示。綜合分析可知，2000—2018 年間，研究區(qū)內(nèi)河流濕地、湖泊濕地和沼澤濕地都有所減少，以湖泊濕地面積減少最多，河流濕地及沼澤濕地減少量較小；研究區(qū)內(nèi)人工濕地面積有所增加，但其面積總量及增加量都比較小。

圖2 壩上高原2000—2010 年濕地變化圖

圖3 壩上高原2010—2018 年濕地變化圖

圖4 壩上高原2000—2018 年濕地變化圖

表5 壩上高原2000—2018 年濕地變化統(tǒng)計

從表6 分析得出，2010—2018 年間，除河流濕地無變化以為，各濕地類型面積都有所減少，且減少速度都高于其他時間段。其中以湖泊濕地面積減少速度最快，為每年減少8.70 km2；其次為沼澤濕地面積減少速度，為每年減少1.77 km2；該時間段是人工濕地面積唯一出現(xiàn)減少的情況，面積減少1.02 km2，減少速度為每年減少0.13 km2?？傮w來看，壩上地區(qū)濕地面積的減少主要為區(qū)域內(nèi)湖泊水面面積的減少，壩上草原濕地的變化主要體現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)湖泊濕地的變化上。

2.3 壩上高原不同區(qū)域濕地時空演化規(guī)律

壩上高原從西至東可劃分3 個區(qū)域，分別為西北內(nèi)流區(qū)、烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)和灤河源外流區(qū)，通過分析提取的研究區(qū)2000—2018 年各時間段的濕地變化信息可知，壩上地區(qū)西部萎縮趨勢整體高于東部（圖5）。

表6 壩上高原濕地各時間段各類型濕地變化速度統(tǒng)計 km2/a

從表7 可知，2000—2018 年壩上高原濕地面積及斑塊數(shù)量的減少主要受西北內(nèi)流區(qū)的影響。2000—2018 年壩上高原濕地面積共減少130.66 km2，斑塊數(shù)減少415 塊。其中西北內(nèi)流區(qū)濕地面積減少97.86 km2，占整個壩上高原濕地減少面積的74.90%，斑塊數(shù)減少366 塊，占整個壩上高原濕地斑塊減少數(shù)量的88.19%；烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)濕地面積減少3.93 km2，占減少面積的3.01%，斑塊數(shù)減少16 塊，占減少數(shù)的3.86%；灤河源外流區(qū)濕地面積減少28.87 km2，占減少面積的22.09%，斑塊數(shù)減少33 塊，占減少數(shù)的7.95%。

2000—2010 年壩上高原濕地面積共減少45.91 km2，斑塊數(shù)減少238 塊。其中，西北內(nèi)流區(qū)濕地面積減少27.27 km2，占減少面積的59.41%，斑塊數(shù)減少191 塊，占減少數(shù)的80.25%；烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)濕地面積減少2.86 km2，占減少面積的6.23%，斑塊數(shù)減少12 塊，占減少數(shù)的5.04%；灤河源外流區(qū)濕地面積減少15.78 km2，占減少面積的34.36%，斑塊數(shù)減少35 塊，占減少數(shù)的14.71%。

2010—2018 年壩上高原濕地面積共減少84.76 km2，斑塊數(shù)減少177 塊。其中，西北內(nèi)流區(qū)濕地面積減少70.59 km2，占減少面積的83.29%，斑塊數(shù)減少175 塊，占減少數(shù)的98.87%；烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)濕地面積減少1.07 km2，占減少面積的1.27%，斑塊數(shù)減少4 塊，占減少數(shù)的2.26%；灤河源外流區(qū)濕地面積減少13.09 km2，占減少面積的15.45%，斑塊數(shù)增加2 塊。

由此可知，壩上高原西北內(nèi)流區(qū)濕地的變化主要決定著整個壩上高原濕地的變化。

3 結論

本文利用先進的遙感技術，通過人機交互式解譯方法獲取了壩上高原2000—2018 年濕地空間分布特征及時空演化規(guī)律，總結了壩上高原不同區(qū)域濕地時空演化規(guī)律及生態(tài)環(huán)境的變遷。

圖5 壩上高原2000-2018 年濕地變化分區(qū)圖

表7 壩上高原2000-2018 年各分區(qū)濕地變化統(tǒng)計

（1）2000—2018 年，研究區(qū)濕地資源面積從2000 年的796.90 km2減少至2018 年的666.24 km2，濕地資源斑塊數(shù)從2000 年的731 塊減少至2018 年的316 塊。18 年間，濕地資源面積減少130.66 km2，斑塊數(shù)減少415 塊，減少速度為7.26 km2/a。

（2）綜合分析研究區(qū)濕地資源變化信息及環(huán)境變遷情況發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)主要以湖泊濕地減少為主；且2010—2018 年時間段研究區(qū)濕地資源面積萎縮量較2000—2010 年時間段萎縮量大，且萎縮速度快，同時出現(xiàn)人工濕地面積的減少。

（3）從空間變化特征來看，可將壩上高原濕地變化區(qū)自西向東劃分為西北內(nèi)流區(qū)、烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)和灤河源外流區(qū)，且西部濕地萎縮趨勢整體高于東部，即西北內(nèi)流區(qū)＞烏蘭淖爾內(nèi)流區(qū)＞灤河源外流區(qū)。