李曉東，宋開山，閆守剛

(1：濱州學(xué)院，山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濱州 256603)(2：中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)應(yīng)用研究所,中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130102)(3：棗莊學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，棗莊 277160)

湖泊水淹頻次是指一定周期內(nèi)單元水淹的次數(shù).湖泊水域范圍的時(shí)空變化特征決定了湖泊濕地的景觀結(jié)構(gòu)與格局.因此，湖泊水域淹沒范圍與淹沒頻次是影響湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要因子[1-3].湖泊水文過程與湖泊生態(tài)系統(tǒng)相互作用和影響，不同程度的水文過程對(duì)湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的作用并不一致.而一定程度合適的湖泊淹沒頻率可以促進(jìn)周圍濕地生態(tài)系統(tǒng)的多樣性[4].另外，不同類型的湖泊也有著不同的水文生態(tài)過程.相關(guān)研究表明，半干旱地區(qū)淺水型湖泊的時(shí)空變化相對(duì)復(fù)雜，枯水期與豐水期的湖泊面積往往相差甚遠(yuǎn)[5].湖泊和水庫(kù)的庫(kù)存水是人類活動(dòng)、農(nóng)業(yè)灌溉和社會(huì)發(fā)展所必須的根本保障[6].因此，湖泊水淹區(qū)的生態(tài)變化是湖泊生態(tài)系統(tǒng)安全與健康的重要保障[7-9].

近年來，在氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響背景下，國(guó)內(nèi)湖泊的生態(tài)狀況發(fā)生了顯著變化，嚴(yán)重影響了湖泊水文過程[10-12].同樣，湖泊及其周圍地表的蒸散量和地下水、地表水流量的交互作用對(duì)維持與恢復(fù)環(huán)境的生態(tài)意義更為明顯[13-14].監(jiān)測(cè)湖泊水文時(shí)空變化，評(píng)價(jià)湖泊水淹區(qū)域的生態(tài)變化及其生態(tài)效應(yīng)具有重要意義[15].Casanova和Brock[16]通過實(shí)驗(yàn)證明了洪水淹沒的持續(xù)時(shí)間和頻率調(diào)節(jié)著湖泊及其周邊的生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能.Amir等統(tǒng)計(jì)分析了湖泊水淹面積變化對(duì)局地氣候因子的影響，發(fā)現(xiàn)世界第二大咸水湖——伊朗爾米亞湖水淹面積的降低減緩了當(dāng)?shù)卮髿饬鲃?dòng)的速度；在暖干的氣候條件下，湖泊對(duì)局地氣候的影響程度隨著湖泊水淹面積的縮減而降低[17].湖泊水淹頻次與其周邊生態(tài)因子的響應(yīng)關(guān)系是近期的研究熱點(diǎn)，目前研究把主要關(guān)注方向均放在了時(shí)序變化上[18-21].

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，多類型傳感器提供的多源遙感數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)不同尺度數(shù)據(jù)的融合與互用，定量衡量不同尺度下地表生態(tài)評(píng)價(jià)及其變化成為可能[22-24].不同水文模型的構(gòu)建也是湖泊生態(tài)變化檢測(cè)在全球遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中的一個(gè)有益探索，物理模型[25]、隨機(jī)模型[26]和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型[24]等更多數(shù)學(xué)模型被構(gòu)建用于湖泊生態(tài)變化檢測(cè).徐涵秋[27]提出了用于衡量地表生態(tài)狀況的生態(tài)指數(shù)(remote sensing base ecological index，RSEI).RSEI綜合指數(shù)通過主成分分析方法集成了綠度、濕度、干度和溫度等生態(tài)指標(biāo)來評(píng)價(jià)整個(gè)研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境水平.地表生態(tài)變化檢測(cè)研究主要是基于單一時(shí)相影像對(duì)某區(qū)域地表生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)估.如何利用年內(nèi)多時(shí)相數(shù)據(jù)和綜合多維生態(tài)指數(shù)共同表征地表的狀態(tài)變化，從而提高地表(包括湖泊生態(tài))變化信息的提取精度，是另一個(gè)主要關(guān)注的問題.

本文以月亮泡湖泊濕地為研究對(duì)象，以其在水淹區(qū)域內(nèi)地表生態(tài)的時(shí)空變化特征為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容.1994-2018年月亮泡的水淹區(qū)域的研究涉及以下內(nèi)容:(1)完成研究區(qū)湖泊濕地遙感分類方案的構(gòu)建，計(jì)算提取月亮泡湖泊濕地生態(tài)變化的(1995-2006、2006-2016年)年際變化范圍及其方向和實(shí)際年際變化類型；(2)完成月亮泡湖泊濕地生態(tài)變化的(1995、2006、2016年)年內(nèi)波動(dòng)等級(jí)和主要生態(tài)因子的生長(zhǎng)季累積量的計(jì)算提?。?3)定量衡量湖泊濕地生產(chǎn)能力等相關(guān)生態(tài)參數(shù)，進(jìn)一步確定湖泊年際水淹頻次和湖泊濕地生態(tài)變化的時(shí)空相關(guān)關(guān)系.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 研究區(qū)概況

松嫩平原腹地的月亮泡湖泊濕地(45°35′～45°50′N，123°37′～124°9′E)位于吉林省西部洮兒河下游，嫩江西側(cè)，界于吉林省大安、鎮(zhèn)賚等縣市之間.月亮泡湖泊濕地主要包括月亮泡和新荒泡.月亮泡湖底平坦，為游泥及細(xì)沙底質(zhì).平水期水體面積達(dá)181 km2，最大面積達(dá)205.7 km2.常年平均水深3～4 m，最深5 m.結(jié)冰期為每年10月-次年3月，最大冰厚1.13 m，多年年平均冰厚0.89 m(圖1).

圖1 研究區(qū)位置圖

月亮泡為天然淡水湖泊，對(duì)洮兒河、嫩江有攔蓄調(diào)洪作用.1976年修筑圍堤、排水節(jié)制閘等湖區(qū)水利配套工程，成為吉林西部最大調(diào)蓄水利樞紐.2000年，月亮泡濕地作為東北地區(qū)重要濕地被列入中國(guó)重要濕地名錄[28].近年來，吉林西部的“河湖連通”工程實(shí)現(xiàn)了月亮泡湖區(qū)的水資源調(diào)配，進(jìn)一步改變了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的分布格局[29-30].同時(shí)，1994-2018年極端氣象事件對(duì)吉林西部月亮泡湖泊濕地的生態(tài)功能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大影響，特別是1998和2013年2次大規(guī)模洪水交替發(fā)生.因此，月亮泡湖泊濕地既有平原內(nèi)部湖泊的變化共性，又有自己的獨(dú)特性.

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究用數(shù)據(jù)分別為中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心(http://www.cresda.com/CN/index.shtml)提供的環(huán)境1A和1B的CCD數(shù)字產(chǎn)品和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)地球資源觀測(cè)與科學(xué)中心(EROS)提供的Landsat TM和 OLI圖像(http://earthexplorer.usgs.gov/).其中，1994-2009年衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat TM5衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品；2014-2018年數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat 8 OLI_TIRS 衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品；2013年數(shù)據(jù)為中國(guó)的環(huán)境衛(wèi)星HJ-1A和1B的CCD數(shù)字產(chǎn)品.在HJ-1A衛(wèi)星和HJ-1B衛(wèi)星上裝載的兩臺(tái)CCD相機(jī)為4波段的推掃式成像儀，星下點(diǎn)的空間分辨率為30 m，用于環(huán)境與災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào).為避免單一時(shí)相影像對(duì)年際分類結(jié)果的影響，利用5年內(nèi)的清晰無云TM和OLI影像(<10%的云量)組建基準(zhǔn)年(重點(diǎn)觀測(cè)年份).根據(jù)月亮泡年際水淹沒區(qū)域的實(shí)際衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集情況，1995、2006和2016年集中了研究區(qū)地表生長(zhǎng)盛期的關(guān)鍵月份(4-10月)，被確定為月亮泡水淹區(qū)生態(tài)變化檢測(cè)的基準(zhǔn)年.

衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的處理涉及輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何精校正.輻射定標(biāo)將原始影像的像素值(digital number，DN)轉(zhuǎn)換為傳感器處反射率(top of atmosphere reflectance, TOA)，大氣校正算法為FLAASH；為了減少不同年份的影像反射差異，相對(duì)輻射校正又稱輻射歸一化，被用于不同衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)的配準(zhǔn).不同時(shí)相影像之間的配準(zhǔn)采用二次多項(xiàng)式和最鄰近象元法，配準(zhǔn)的均方根誤差小于0.5個(gè)象元.不同于數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中的圖像輻射校正，處理的目的是減小兩期衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)中輻射波動(dòng)的影響[31].遙感影像的相對(duì)輻射校正主要應(yīng)用于時(shí)序影像數(shù)據(jù)集合的構(gòu)建，消除因大氣和光照條件的不同而引起的兩期影像數(shù)據(jù)的輻射差異[32].

1.3 地表生態(tài)特征指數(shù)及湖泊年際水淹頻次計(jì)算

為了提高地面物體的變化檢測(cè)精度，修正的歸一化水體指數(shù)(MNDWI)結(jié)合歸一化植被指數(shù)(NDVI)、歸一化土壤指數(shù)(NDSI)被用于計(jì)算提取研究區(qū)域內(nèi)土地覆被類型的變化范圍，并進(jìn)一步確定其變化類型.

1.3.1NDVI的計(jì)算NDVI計(jì)算公式為[33]：

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

(1)

式中,Red代表紅光波段，而NIR為近紅外波段.

1.3.2MNDWI及湖泊年際水淹頻次的計(jì)算MNDWI計(jì)算公式為[34]：

MNDWI=(Green-SWIR1)/(Green+SWIR1)

(2)

式中,Green表示綠光波段，SWIR1表示Landsat衛(wèi)星傳感器的短波紅外光譜波段.月亮泡年際水淹頻次的獲取過程：① 計(jì)算修正的水體歸一化指數(shù)(MNDWI)；②確定水體劃分閾值，累計(jì)二值化水體指數(shù)，并作為湖泊年際水淹頻次；③根據(jù)參與計(jì)算的24期(1994-2018)年際數(shù)據(jù)，恒定水體的年際水淹頻次為24，季節(jié)性水體的年際水淹頻次為1～23.

1.3.3NDSI的計(jì)算NDSI也被稱為歸一化差值裸土指數(shù)，被用于裸露土地信息的提取[35].

NDSI=(SWIR1-NIR)/(SWIR1+NIR)

(3)

2 方法與驗(yàn)證

2.1 變化檢測(cè)方案

變化檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)過程如圖2.從生態(tài)學(xué)角度，本次研究與其他方法的主要區(qū)別在于(1)基于MNDWI、NDVI和NDSI等主要生態(tài)指標(biāo)，計(jì)算生態(tài)指數(shù)的年內(nèi)最大差值和年際動(dòng)態(tài)變化率，用于定量衡量研究區(qū)的變化程度；(2)綜合圖像變換與像素點(diǎn)值運(yùn)算，提取年內(nèi)最大差值和年際動(dòng)態(tài)變化率的第一主成分，標(biāo)準(zhǔn)化后的第一主成分分別用于定量衡量年內(nèi)和年際地表類型的變化范圍.

圖2 生態(tài)變化檢測(cè)研究方案(MNDWIs、NDVIs、NDSIs為生態(tài)指數(shù)的生長(zhǎng)季(4-10月)月值數(shù)據(jù)集合)

2.1.1 年內(nèi)變化檢測(cè) (1)最大差異值

最大差異值(max-difference)是遙感監(jiān)測(cè)區(qū)域年內(nèi)變化的最大波動(dòng)幅度.年內(nèi)變化檢測(cè)研究實(shí)際收集的時(shí)序數(shù)據(jù)為j=4、5、6、7、8、9、10月(東北地區(qū)生長(zhǎng)季的范圍為4-10月)遙感影像數(shù)據(jù)，所以松嫩平原地區(qū)年內(nèi)變化實(shí)際為年內(nèi)生長(zhǎng)季的月動(dòng)態(tài)變化檢測(cè).生態(tài)指數(shù)(eco-index，EI)包含了研究區(qū)地表水體指數(shù)、植被指數(shù)和土壤指數(shù)等[36].各月生態(tài)指數(shù)進(jìn)行最大差值計(jì)算的公式如下：

Max-Difference=Max(EIi,4,EIi,5,EIi,6,…,EIi,9,EIi,10)-Min(EIi,4,EIi,5,EIi,6,…,EIi,9,EIi,10)

(4)

式中，Max-Difference為研究區(qū)地表年內(nèi)生態(tài)變化的最大差異值；EIi,j為第i個(gè)地表生態(tài)指數(shù)(MNDWI、NDVI和NDSI)第j月的值.研究區(qū)的土壤和水體信息的最大差異計(jì)算同最大NDVI差異值計(jì)算.

(2)顯著性分級(jí)

綜合生態(tài)指數(shù)(RSEI)是由植被、水體和土壤等指標(biāo)通過主成分分析得到的一個(gè)集成數(shù)值，用于評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量.通常，RSEI被轉(zhuǎn)換成85分制或百分制，進(jìn)一步等間隔分割成5個(gè)值域梯度，分別對(duì)應(yīng)差、較差、中等、良和優(yōu)5個(gè)生態(tài)等級(jí)[37].

2.1.2 年際變化檢測(cè) (1)動(dòng)態(tài)變化率

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的實(shí)際識(shí)別能力和陸表的生態(tài)狀況，動(dòng)態(tài)變化率實(shí)際上是兩個(gè)樣本中影像數(shù)值增加或減少的定量度量.最終計(jì)算公式如下：

DynamicRatio=(EI2-EI1)/Mean(EI1,EI2)

(5)

式中，EI1和EI2分別表示第1、2年地表生態(tài)指數(shù)(MNDWI、NDVI和NDSI)的月極大值.兩幅圖像的平均值(Mean(EI1,EI2))來表示同一位置的生態(tài)指數(shù)(MNDWI、NDVI和NDSI)的恒定狀態(tài)，并使用兩期數(shù)據(jù)集的差分來表示生態(tài)環(huán)境的變化程度.最后，將陸表的動(dòng)態(tài)比率法描述為算法公式(5).

(2)顯著性分級(jí)

通常，陸地覆被類型的未變化區(qū)域具有接近于零的像素值，但變化區(qū)域的像素值通常大于(或小于)其他區(qū)域[38].當(dāng)差分結(jié)果大于(或小于)給定閾值T(-T)時(shí)，該情況發(fā)生區(qū)域被確定為變化區(qū)域[39].常規(guī)計(jì)算方法只關(guān)注差分結(jié)果，由此引出的問題是差值較大的點(diǎn)未必發(fā)生了變化，差值較小的點(diǎn)未必沒有變化.動(dòng)態(tài)比率算法(DRM)反映的是前后期陸表生態(tài)指數(shù)差異與其生態(tài)均值的對(duì)比結(jié)果.綜合水體、植被和土壤等信息的生態(tài)指數(shù)，動(dòng)態(tài)變化率的正、負(fù)值分別代表綜合生態(tài)指數(shù)的正變化方向(改善)與負(fù)變化方向(衰退)；年際動(dòng)態(tài)比率第一主成分的顯著性分級(jí)方法與年內(nèi)最大差值的顯著性分級(jí)方法相同.

2.2 陸表類型的遙感提取方案

基于重建的NDVI、NDSI與MNDWI數(shù)據(jù)序列集合，分別提取研究區(qū)的植被信息、土地利用信息和水體信息，進(jìn)一步計(jì)算并獲取研究區(qū)的植被、土地利用與水體的變化信息(包括全年極大值、變異系數(shù)、生長(zhǎng)季累積量的全年占比)，最終計(jì)算提取的變化信息構(gòu)建適合于研究區(qū)濕地分類提取的多維特征數(shù)據(jù)集[40].分類方案如下：NDVI極大值+NDVI變異系數(shù)+NDVI生長(zhǎng)季累積量的全年占比+NDSI極大值+NDSI變異系數(shù)+MNDWI極大值+MNDWI變異系數(shù)+面向?qū)ο?SVM分類算法，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)分別為：ERDAS 9、eCognition 9等遙感軟件.ERDAS軟件完成相關(guān)比值的運(yùn)算提取，同時(shí)，eCognition軟件通過面向?qū)ο?SVM分類算法實(shí)現(xiàn)研究區(qū)濕地類型的遙感解譯提取，得到濕地分類結(jié)果.

2.3 驗(yàn)證點(diǎn)與遙感提取精度

為了確保實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)地表覆被類型的代表性，已有的遙感解釋分類結(jié)果——全球表面覆蓋率遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品(GlobeLand30)和 Google Earth 高分辨率圖像作為采樣點(diǎn)上地表類型數(shù)據(jù)集的參考依據(jù).同時(shí)，109個(gè)2016年9月的野外采樣點(diǎn)和217個(gè)基于Google Earth高清衛(wèi)星影像的人工解譯樣點(diǎn)和2006、2010年東北地區(qū)土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)資料，在遙感影像圖上選出各類具有代表性的樣區(qū).把選取的樣本隨機(jī)分為2部分：70%用于分類，30%用于精度評(píng)價(jià)[41-42].在1994-2018共24年的分類結(jié)果中，7個(gè)年份的遙感解譯精度在90%以上，比較真實(shí)反映了實(shí)際土地覆被類型分布(表1)，用于研究區(qū)湖泊濕地主要覆被類型的變化檢測(cè).

表1 研究區(qū)1994-2016年的土地覆被類型分類精度

2.4 湖泊年際水淹頻次與生態(tài)因子的相關(guān)性研究

為確定月亮泡的年際水淹頻次是否影響湖濱濕地生態(tài)狀態(tài)，研究區(qū)采樣方案如下：首先，利用疊加函數(shù)計(jì)算湖泊水體的多年年內(nèi)波動(dòng)頻次(圖3a)與生長(zhǎng)季MNDWI、NDVI和NDSI累積量；其次，利用eCognition 軟件平臺(tái)的面向?qū)ο蠓指钏惴?，將研究區(qū)內(nèi)的非濕地類型和恒定水體從矢量數(shù)據(jù)(SHP)中剔除.最后，通過區(qū)域性統(tǒng)計(jì)，得到四級(jí)緩沖距離的提取結(jié)果(圖3b)，以驗(yàn)證濕地生態(tài)狀態(tài)與湖泊年際水淹頻次的時(shí)空相關(guān)性.

圖3 月亮泡湖泊年際水淹范圍的多年水淹頻次(a)及四級(jí)緩沖區(qū)(b)

3 結(jié)果分析

3.1 月亮泡的主要濕地類型和年際水淹范圍

3.1.1 主要濕地類型的長(zhǎng)時(shí)間序列變化趨勢(shì) 通過研究區(qū)主要濕地類型的面積變化來分析自然過程和人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)月亮泡湖泊濕地的影響.研究區(qū)濕地類型分為水田、恒定水體、沼澤濕地3類(圖4).利用線性回歸分析方程對(duì)3種濕地類型的區(qū)域變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，水田面積持續(xù)性增加最明顯，趨勢(shì)值為11.746 km2/a(函數(shù)方程y=11.746x-2.909,R2=0.817).水田是該區(qū)域人類活動(dòng)的主要形式，成為湖泊濕地的最為持續(xù)的干擾因子.研究區(qū)水體分析結(jié)果未通過顯著性檢驗(yàn)(P>0.05)，恒定水體主要變化特征為周期性增減，總體面積穩(wěn)定.此外，研究區(qū)沼澤的函數(shù)方程為y=-20.663x+314.9(R2=0.736)，表示沼澤的區(qū)域變化呈持續(xù)性下降趨勢(shì)，趨勢(shì)值為-20.663 km2/a.

圖4 主要濕地類型的變化特征

3.1.2 湖泊年際水淹沒區(qū)域 1994-2018年，湖泊的年際水淹沒區(qū)域主要分布在月亮泡北側(cè)和西側(cè)尾閭，年際水淹頻次的均值分別為18(波動(dòng)范圍12～24)、15(波動(dòng)范圍13～23).湖泊北側(cè)年際水淹沒區(qū)域的面積為58.36 km2，月亮泡西側(cè)尾閭的年際水淹沒面積為25.07 km2.綜上，月亮泡年際水淹沒區(qū)域總面積為83.43 km2，占整個(gè)湖泊影響范圍(恒定水體面積與季節(jié)性水體面積)的56.85%.月亮泡是一個(gè)典型的內(nèi)陸潮汐性湖泊，湖泊北側(cè)的年際水淹沒區(qū)域面積更大，年際水淹頻次更高(圖5).月亮泡湖泊濕地的范圍劃分依據(jù)，沿嫩江河堤和省、地級(jí)公路為主要邊界圈定本次研究范圍(圖5).A與B區(qū)域的分割來自區(qū)域內(nèi)主要人工建筑物(道路和橋梁)和實(shí)際年際水淹頻次.

圖5 1994-2018年月亮泡的水淹沒范圍及其水淹頻次(A、B分別為月亮泡北側(cè)和西側(cè)尾閭年際水淹沒區(qū)域，下同)

3.2 湖泊水淹區(qū)內(nèi)濕地生態(tài)的年際變化與類型

3.2.1 湖泊濕地生態(tài)的年際變化 (1)變化等級(jí)與范圍

為了便于分析地表生態(tài)變化方向和顯著性等級(jí)，動(dòng)態(tài)比率的第一主成分被標(biāo)準(zhǔn)化成[-1，1]的值域范圍，進(jìn)一步將其分隔成5個(gè)生態(tài)等級(jí)：[-1，-0.6)、[-0.6，-0.2)、[-0.2，0.2]、(0.2，0.6]、(0.6，1]，分別代表顯著負(fù)變化方向、偏負(fù)方向、穩(wěn)定、偏正方向、顯著正變化方向.最終，[-1，-0.6)和(0.6，1]作為兩個(gè)極顯著變化值域，被確定為年際動(dòng)態(tài)檢測(cè)的變化范圍.

1995、2006和2016年作為主要年際變化檢測(cè)時(shí)段，研究區(qū)地表主要生態(tài)指數(shù)(MNDWI、NDVI、NDSI)年際變化的動(dòng)態(tài)比率計(jì)算第一主成分，用于定量衡量該區(qū)域內(nèi)的年際變化方向.研究區(qū)地表生態(tài)的年際變化方向的結(jié)果表明(圖6)：1995-2006年，月亮泡北側(cè)年際水淹區(qū)為該檢測(cè)時(shí)段濕地生態(tài)的主要正向變化(改善)區(qū)域.2006-2016年，月亮泡西側(cè)尾閭的年際水淹區(qū)為該檢測(cè)時(shí)段濕地生態(tài)的主要正向變化(改善)區(qū)域，同時(shí)月亮泡北側(cè)年際水淹區(qū)的地表生態(tài)變化相對(duì)穩(wěn)定.

圖6 1995-2006(a)和2006-2016年(b)月亮泡濕地生態(tài)的年際變化

(2)面積占比

1995-2006年，湖泊北側(cè)水淹沒區(qū)域內(nèi)濕地生態(tài)的年際變化以改善為主要特點(diǎn)，面積占比為39.96%(A區(qū)域面積)；湖泊西側(cè)尾閭濕地生態(tài)改善區(qū)域占B區(qū)域面積的19.56%.2006-2016年，月亮泡水淹沒區(qū)域濕地生態(tài)的年際變化相對(duì)穩(wěn)定，北側(cè)湖泊濕地生態(tài)的年際變化改善區(qū)域面積占比為1.51%(A區(qū)域面積)；西側(cè)尾閭濕地生態(tài)的年際改善面積占B區(qū)域面積的38%.綜上，月亮泡西側(cè)尾閭的地表生態(tài)年際變化以正向變化(改善)為主要特點(diǎn)，同時(shí)湖泊北側(cè)的地表生態(tài)年際變化趨于穩(wěn)定(表2).

表2 月亮泡湖泊濕地生態(tài)的年際變化面積占比

3.2.2 主要年際變化類型 月亮泡西側(cè)尾閭沼澤濕地在水淹沒區(qū)域B內(nèi)的面積占比從1995年的80.29%下降到2016年的23.69%.同時(shí)，恒定水體面積占比從1995年的15.1%增加到2016年的74.87%；北側(cè)沼澤濕地在水淹沒區(qū)域A內(nèi)的面積占比從1995年的92.94%減少到2016年的25.39%.同時(shí)，恒定水體面積從1995年的15.1%增加到2016年的74.87%(圖7).綜上，在主要觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，恒定水體面積的增加與沼澤濕地面積的減少是月亮泡水淹區(qū)的主要變化.

圖7 月亮泡北側(cè)(a)和西側(cè)尾閭(b)水淹區(qū)內(nèi)土地植被覆蓋類型的面積占比

3.3 湖泊水淹區(qū)內(nèi)濕地生態(tài)的年內(nèi)變化

3.3.1 湖泊濕地生態(tài)的年內(nèi)波動(dòng)級(jí)別 為了方便進(jìn)行顯著性分析，最終該結(jié)果的第一主成分被正規(guī)化到[0，1]區(qū)間，年內(nèi)的最大變化差異劃分為：[0，0.2)、[0.2，0.4)、[0.4，0.6]、(0.6，0.8]、(0.8，1]，分別代表極不顯著、不顯著、中等、顯著、極顯著5個(gè)生態(tài)等級(jí).

從1995、2006、2016標(biāo)準(zhǔn)年的生態(tài)波動(dòng)級(jí)別分析表明，2006年，月亮泡北側(cè)濕地的年內(nèi)生態(tài)波動(dòng)的極顯著等級(jí)(L-5)面積占比為88.44%；2016年，月亮泡西側(cè)尾閭濕地的一般變化等級(jí)(L-3)為年內(nèi)生態(tài)波動(dòng)等級(jí)的最大面積占比(56.8%)(圖8).綜上，月亮泡北側(cè)濕地的年內(nèi)生態(tài)波動(dòng)級(jí)別比湖泊尾閭更為顯著.

圖8 月亮泡濕地北側(cè)(a)和西側(cè)尾閭(b)年內(nèi)生態(tài)波動(dòng)等級(jí)的面積占比

3.3.2 湖泊濕地主要生態(tài)因子的生長(zhǎng)季累積量 研究區(qū)地表生態(tài)因子的累積量變化表明，2016年月亮泡尾閭水體指數(shù)的年內(nèi)累積量增加最為顯著，為3.487±1.503.同時(shí)，湖泊西側(cè)尾閭地表植被指數(shù)的年內(nèi)累積量的衰減也較北側(cè)顯著.在主要觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，月亮泡湖泊尾閭具有較低的年際水淹頻次，年內(nèi)生長(zhǎng)季水體信息(增加)與植被累積量(減少)的時(shí)序變化更為顯著.綜上，月亮泡湖泊尾閭濕地水進(jìn)土退、水進(jìn)植被退的時(shí)序變化特點(diǎn)更為顯著(表3).

表3 月亮泡水淹區(qū)內(nèi)主要生態(tài)因子的生長(zhǎng)季累積量

3.4 生態(tài)因子與湖泊年際水淹頻次的空間相關(guān)性

選擇Spearman秩相關(guān)分析來定量衡量NDVI生長(zhǎng)季累積量與月亮泡水淹頻次的多年平均值的空間相關(guān)性.結(jié)果表明，在距離月亮泡湖泊4.5 km的緩沖區(qū)上，地表具有相對(duì)穩(wěn)定的湖濱濕地生態(tài)環(huán)境，湖泊年際水淹頻次最低，平均值為0.441；地表植被累積量最高(1.587±0.529)(表4、5).在1.5～3.0 km范圍內(nèi)，湖泊年際水淹頻次與生長(zhǎng)季MNDWI、NDVI和NDSI累積量的空間相關(guān)性相對(duì)顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.719、-0.683和-0.561；濕地植被累積量較高(1.581±0.421).在緩沖區(qū)0～1.5 km范圍內(nèi)，湖泊年際水淹頻次與生長(zhǎng)季MNDWI、NDVI和NDSI累積量的空間相關(guān)性最高(0.878、-0.890和-0.756)，通過了0.01顯著雙側(cè)檢驗(yàn)，但是濕地植被累積量最低(1.148±0.519).湖泊年際水淹頻次影響著湖泊濕地MNDWI、NDVI和NDSI累積量，最終導(dǎo)致湖濱濕地生態(tài)變化.綜上，月亮泡湖泊年際水淹頻次在一定時(shí)間和空間上影響著水淹區(qū)內(nèi)的植被生產(chǎn)力(負(fù)相關(guān)關(guān)系)，通過年內(nèi)生態(tài)波動(dòng)，進(jìn)一步影響地表生態(tài)年際變化.

表4 月亮泡地表 NDVI與多年平均水淹沒次數(shù)

表5 月亮泡水淹區(qū)生態(tài)因子與多年平均水淹頻次的空間相關(guān)性*

3.5 氣候因子與湖泊年際水淹沒面積的時(shí)序相關(guān)性

月亮泡湖泊濕地變化既有平原內(nèi)部湖泊的變化共性，又有自己的獨(dú)特性.月亮泡湖泊濕地位于東北平原腹地，地形結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉，接受外界供水較少.洮兒河和霍林河只有在汛期可以維持一定的水量，很難成為河流中下游沿岸湖泊濕地的有效補(bǔ)給資源.同時(shí)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，以4年作為降水的累積周期，月亮泡湖泊面積與降水年累積量的相關(guān)系數(shù)最高，R2為0.973(圖9).研究區(qū)4年的降水累積量直接影響月亮泡恒定水體面積，進(jìn)而影響湖泊年際水淹頻次，是湖泊恒定水體面積和年際水淹頻次的主要影響因素.

圖9 氣候因子(降水/氣溫)與恒定水體的相關(guān)性分析

4 討論

基于陸地資源衛(wèi)星與環(huán)境衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源，利用動(dòng)態(tài)比率與最大差值算法分別定量衡量濕地生態(tài)的1995、2006和2016標(biāo)準(zhǔn)年年際/年內(nèi)變化，進(jìn)一步分析吉林西部月亮泡湖泊濕地1994-2018年年際水淹頻次及其對(duì)地表生態(tài)環(huán)境的影響.近年來，月亮泡年際水淹頻次下降、湖面擴(kuò)展、沼澤濕地逐年萎縮，進(jìn)而湖泊濕地生態(tài)因子中植被生產(chǎn)能力在短時(shí)期內(nèi)上升.

4.1 月亮泡湖泊濕地水淹區(qū)的氣候變化

吉林省是內(nèi)陸湖泊濕地資源的重要分布省份.湖泊濕地主要集中在吉林中西部的干旱、半干旱地區(qū)，湖泊濕地的空間變化具有較強(qiáng)的干旱、半干旱地域性特征[43-44].同時(shí)，實(shí)際研究工作也表明，吉林省西部濕地總面積一直呈穩(wěn)步減少趨勢(shì).Mao等指出，在1990-2010年中國(guó)最常見的自然濕地中，沼澤濕地是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的主要濕地類型.但是，湖泊濕地(恒定水體)經(jīng)歷了3.9%的面積擴(kuò)展[45].2012-2017年，近地表濕度的函數(shù)趨勢(shì)方程為y=-1.5781x+72.017(R2=0.8294)，近地表大氣濕度降低趨勢(shì)顯著(圖10).生長(zhǎng)季氣候因子的變化不同于氣候因子的年際變化，因此生長(zhǎng)季的主要?dú)夂蛞蜃优c內(nèi)陸湖泊水淹范圍及其水淹頻次的相關(guān)關(guān)系值得進(jìn)一步研究.

圖10 2003-2017年研究區(qū)生長(zhǎng)季(5-10月)空氣濕度和降水/蒸發(fā)量差異

4.2 月亮泡湖泊水淹區(qū)的土地覆被類型轉(zhuǎn)換

統(tǒng)計(jì)分析月亮泡湖濱濕地生態(tài)變化(改善/衰退)區(qū)域內(nèi)的主要土地覆被轉(zhuǎn)換類型(表6).首先，湖泊恒定水體面積擴(kuò)展是1995-2006和2006-2016年月亮泡北側(cè)濕地主要改善類型，分別為31.093、28.429 km2.其次，2006-2016年，月亮泡西側(cè)尾閭濕地表現(xiàn)為大規(guī)模沼澤化，各種地物類型共計(jì)轉(zhuǎn)出成為沼澤濕地的面積為10.4 km2.月亮泡湖泊濕地類型與其他地表植被覆被類型間的轉(zhuǎn)換是本區(qū)域內(nèi)生態(tài)變化的主要形式.研究區(qū)地表生態(tài)衰退的主要形式是湖泊濕地開墾為耕地.

表6 月亮泡水淹區(qū)生態(tài)變化與主要土地覆被類型轉(zhuǎn)換(km2)

近年，大量的農(nóng)業(yè)用水在一定程度上減少了湖泊水淹區(qū)域，降低了湖泊水淹頻次，最終促進(jìn)了當(dāng)?shù)睾吹恼訚苫?周靜等[46]的研究表明，湖泊水位下降對(duì)湖泊濕地中蘆葦分布面積的擴(kuò)張起促進(jìn)作用.湖泊水淹區(qū)域減少，最終水淹頻次下降，地表植被在短時(shí)間內(nèi)得到一定程度的生物量累積.另外，月亮泡是松嫩平原內(nèi)部的半天然內(nèi)陸湖泊濕地，具有占比最大的湖泊水淹區(qū)域.月亮泡是莫莫格濕地的重要組成部分，湖泊淹水與鹽度交互作用對(duì)水生生物群落的株高及其生物量有著顯著影響[47].劉舒[48]發(fā)現(xiàn)2000-2016年吉林西部濕地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力指數(shù)(NPP)不斷增加，濕地草本植物夏季累積量的上升趨勢(shì)明顯.

4.3 月亮泡水淹區(qū)的土地鹽堿化

松嫩平原是世界上主要的蘇打鹽堿地分布區(qū)之一.土壤中微量的鈉鹽會(huì)顯著增加土壤的酸堿度，從而導(dǎo)致土壤鹽漬化[49].研究區(qū)土地鹽漬化會(huì)直接改變水從土壤深層向地表運(yùn)移的過程，表層積水逐漸轉(zhuǎn)化為堿性土地，堿性土地具有相對(duì)穩(wěn)定的面積和無生物量產(chǎn)出等特點(diǎn)[50-51].1994-2006年，月亮泡湖泊濕地由于土地鹽堿化導(dǎo)致的生態(tài)退化主要發(fā)生在湖泊西側(cè)尾閭濕地，為8.94 km2；2006-2016年，月亮泡濕地由于土地鹽堿化導(dǎo)致的生態(tài)退化主要發(fā)生在月亮泡湖泊北側(cè)濕地，為2.33 km2(表7).鹽堿化土地的擴(kuò)大是月亮泡湖泊濕地土壤裸露程度增加的主要形式，也是研究區(qū)湖濱濕地生態(tài)穩(wěn)定的主要威脅[52].

表7 月亮泡水淹區(qū)生態(tài)變化與土地鹽堿化(km2)

5 結(jié)論

基于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的月值序列集合，綜合水體、植被和土壤指數(shù)(MNDWI、NDVI、NDSI)對(duì)研究區(qū)地表生態(tài)變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步檢測(cè)和分析濕地生態(tài)因子對(duì)湖泊年際水淹頻次的響應(yīng)，最終綜合時(shí)空變化分析結(jié)果表明：

1)月亮泡是一個(gè)典型的內(nèi)陸潮汐性湖泊.1994-2018年湖泊北側(cè)和西側(cè)尾閭存在2個(gè)湖泊水淹區(qū)，湖泊北側(cè)年際水淹頻次明顯大于湖泊西側(cè)尾閭的水淹頻次.從年際變化類型和生態(tài)因子累積量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，月亮泡年際水淹區(qū)內(nèi)具有明顯的水進(jìn)土退、水進(jìn)植被退化的生態(tài)變化特點(diǎn)，其中湖泊北側(cè)的變化更為顯著.

2)月亮泡湖泊濕地生態(tài)變化存在顯著的空間區(qū)域性，西側(cè)尾閭的地表生態(tài)年際變化以改善主要特點(diǎn)，湖泊北側(cè)的地表生態(tài)年際變化趨于穩(wěn)定.同時(shí)，湖泊濕地生態(tài)變化存在顯著的季節(jié)性，湖泊尾閭濕地的年內(nèi)生態(tài)波動(dòng)屬于中等級(jí)別，湖泊北側(cè)濕地的年內(nèi)生態(tài)波動(dòng)更為顯著.

3)研究區(qū)4年降水量與恒定水體呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即降水直接影響恒定水體面積的變化，間接影響濕地生態(tài)功能.同時(shí)，濕地生態(tài)對(duì)恒定水體的響應(yīng)范圍約為1.5～3.0 km.綜上，研究區(qū)濕地的變化機(jī)制表現(xiàn)為氣候-水-濕地的相關(guān)性.因此，合理科學(xué)調(diào)配嫩江的入湖水量和維持研究區(qū)自然濕地水位是月亮泡湖泊濕地恢復(fù)的必要條件；月亮泡北側(cè)與西側(cè)自然沼澤濕地的恢復(fù)是該區(qū)域生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵.