任慧鑫，任春穎，王宗明，劉 盼

(1.中國科學院濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春 130102；2.中國科學院大學，北京 100049)

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，城市規(guī)模在不斷擴大，城市中的人口數(shù)量迅速增加，城市中的濕地不斷被開發(fā)利用[1-2]，濕地的結(jié)構(gòu)和空間格局發(fā)生了明顯改變[3-4]。城市中濕地的萎縮不利于城市的健康發(fā)展[5]。掌握城市濕地的動態(tài)，對于城市的可持續(xù)發(fā)展和區(qū)域發(fā)展規(guī)劃的制定至關重要。

遙感和地理信息系統(tǒng)技術被廣泛應用于監(jiān)測北京市濕地[6]、武漢市濕地[7]和四川省濕地[8]等城市濕地的空間變化。因為城市中的濕地經(jīng)常受到各種人類活動的嚴重干擾，所以驅(qū)動濕地變化的因素[9-11]愈加復雜。

近年來，長春城市建設用地擴張速度加快[12]，濕地格局發(fā)生明顯變化[13]。本研究利用1990 年、2000年、2010年和2020年Landsat TM/OLI影像數(shù)據(jù)，采用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣、質(zhì)心遷移模型和景觀分析方法，研究了長春市境內(nèi)的濕地面積、濕地萎縮或擴張動態(tài)和濕地分布格局；采用灰色關聯(lián)分析方法，探討導致長春市的濕地萎縮或擴張的主要影響因素，以期為長春市的濕地保護和管理提供基礎數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)

本研究以吉林省長春市的朝陽區(qū)、二道區(qū)、寬城區(qū)、綠園區(qū)、南關區(qū)和雙陽區(qū)所轄范圍為研究區(qū)。研究區(qū)的總面積約為4 739 km2，地勢東南高、西北低，分布著伊通河、雙陽河、石頭口門水庫、新立城水庫、凈月潭、南湖和北湖等濕地，海拔為37～708 m(圖1)。長春市的氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，年平均氣溫為6.4 ℃，年降水量為331 mm[14]。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Map of the study area

1.2 數(shù) 據(jù)

利用了1990 年9 月15 日、2000 年9 月26 日、2010年9月22日和2020年10月3日共8景Landsat TM/OLI 影像，其空間分辨率為30 m，云量都小于15%。這些影像下載自美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov/)。對所有影像進行融合、裁剪和鑲嵌等預處理，統(tǒng)一采用WGS1984 坐標系和Albers投影。

利用了1990年至2020年農(nóng)安氣象站、長春氣象站和雙陽氣象站的每日累計降水量和日平均氣溫數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)下載自國家氣象科學數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http://data.cma.cn/)。

還利用了長春市總?cè)丝跀?shù)量和人均生產(chǎn)總值以及研究區(qū)的農(nóng)作物播種面積、建成區(qū)面積數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)獲取自1991 年至2021 年的長春市統(tǒng)計年鑒。

1.3 濕地信息提取方法

結(jié)合長春市濕地的實際分布狀況，將長春市濕地分為天然濕地(包括草本沼澤和河流)和人工濕地(包括水田、水庫/坑塘和水渠)。

采用面向?qū)ο蠓椒╗15]，對長春市的地物進行遙感分類，并且對分類結(jié)果進行人工修正，最終提取出1990 年、2000 年、2010 年和2020 年長春市的濕地信息。

參考1990 年、2000 年、2010 年和2020 年的谷歌歷史影像，在各時期分別創(chuàng)建100 個驗證點，通過人工目視解譯影像，確定對應時期各驗證點的真實濕地類型。精度驗證結(jié)果顯示，1990年、2000年、2010 年和2020 年研究區(qū)的濕地解譯結(jié)果的Kappa系數(shù)都大于0.80，故提取出的濕地信息能夠滿足開展進一步研究的需要。

1.4 分析方法

采用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣，定量描述1990 年與2020 年、1990 年 與2000 年、2000 年 與2010 年、2010 年與2020 年之間研究區(qū)土地利用類型面積的轉(zhuǎn)化關系。

采用質(zhì)心遷移模型，利用ArcGIS 10.2 軟件，統(tǒng)計各類型濕地斑塊的面積，并以各斑塊面積占濕地總面積的百分比為權重，加權統(tǒng)計分析1990年、2000 年、2010 年和2020 年研究區(qū)濕地質(zhì)心的位置變化。

選擇最大斑塊指數(shù)、斑塊密度、邊緣密度和景觀斑塊形狀指數(shù)[16-18]，分析研究區(qū)的濕地格局。

采用灰色關聯(lián)分析方法，確定影響研究區(qū)濕地面積和分布的主要因素。

2 結(jié)果與討論

2.1 4個時期各類型濕地的面積和分布

1990 年、2000 年、2010 年和2020 年研究區(qū)的濕 地 總 面 積 分 別 為551.63 km2、538.52 km2、529.74 km2和512.00 km2。4 個時期研究區(qū)的濕地總面積在不斷減小。

由表1 可知，1990 年、2000 年、2010 年和2020年，隨著時間的推移，草本沼澤面積呈單峰型變化，1990 年的草本沼澤面積最小，為43.67 km2，2000 年的草本沼澤面積最大，為78.95 km2；河流面積小幅度逐漸增大，由1990年的21.69 km2增加為2020年的27.03 km2；水田面積總體上在減小，由1990年的355.46 km2減少為2020年的304.33 km2；2000 年水庫/坑塘面積(69.66 km2)最小，1990 年、2010年和2020年的水庫/坑塘面積非常接近；水渠面積保持穩(wěn)定。

表1 1990年、2000年、2010年和2020年研究區(qū)內(nèi)各類型濕地的面積Table 1 Areas of various types of the wetlands in study area in 1990,2000,2010 and 2020

在各種濕地類型中，草本沼澤主要分布在河流、水庫周邊以及與水田鑲嵌分布，絕大多數(shù)水田沿河流分布在南部的雙陽區(qū)、北部的寬城區(qū)和二道區(qū)，大型水庫主要分布在南關區(qū)和二道區(qū)(圖2)。

圖2 1990年、2000年、2010年和2020年研究區(qū)內(nèi)各類型濕地分布圖Fig.2 Distribution map of various types of the wetlands in study area in 1990,2000,2010 and 2020

2.2 4個時期各種土地利用類型面積的轉(zhuǎn)移

由表2 可知，1990 年與2020 年之間，研究區(qū)中的水田面積轉(zhuǎn)變?yōu)榉菨竦氐膬裘娣e最大，為49.27 km2。

表2 1990年與2020年之間研究區(qū)各種土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Area transfer matrix of various land use types in study area between 1990 and 2020

1990年與2000年之間，水庫/坑塘轉(zhuǎn)變?yōu)椴荼菊訚珊头菨竦氐拿娣e較大，分別為38.98 km2和26.91 km2(表3)。

表3 1990年與2000年之間研究區(qū)各種土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Area transfer matrix of various land use types in study area between 1990 and 2000

2000年與2010年之間，草本沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮?坑塘的凈面積為39.12 km2，非濕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮?坑塘的凈面積為19.32 km2，水田轉(zhuǎn)變?yōu)榉菨竦氐膬裘娣e為28.64 km2，水田轉(zhuǎn)變?yōu)椴荼菊訚傻膬裘娣e為11.07 km2(表4)。

表4 2000年與2010年之間研究區(qū)各種土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Area transfer matrix of various land use types in study area between 2000 and 2010

2010年與2020年之間，水田轉(zhuǎn)變?yōu)榉菨竦氐膬裘娣e最大，為24.57 km2(表5)。

表5 2010年與2020年之間研究區(qū)各種土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Area transfer matrix of various land use types in study area between 2010 and 2020

2.3 4個時期濕地質(zhì)心的空間分布及其變化

1990年、2000年、2010年和2020年，研究區(qū)濕地質(zhì)心的緯度和經(jīng)度分別為43°43′4.72″N 和125°35′6.19″E、43°44′23.54″N和125°34′54.28″E、43°44′23.93″N 和125°34′2.56″E、43°44′5.29″N 和125°34′27.89″E。

圖3 顯示，研究區(qū)濕地質(zhì)心從1990 年的位置向北偏西方向移動了2.4 km 至2000 年的位置，又從2000 年的位置向西偏南方向移動了1.1 km 至2010年的位置，再從2010年的位置向東南方向移動了0.8 km 至2020 年的位置?？傮w上，研究區(qū)的濕地質(zhì)心從1990 年的位置向西北方向移動了2.1 km 至2020 年的位置。4 個時期研究區(qū)濕地的質(zhì)心都分布在長春市雙陽區(qū)范圍內(nèi)，水田、水庫/坑塘和草本沼澤面積和空間分布的變化是研究區(qū)濕地質(zhì)心移動的主要原因，也表明人類活動對研究區(qū)東南部濕地的干擾程度較大。

圖3 1990年、2000年、2010年和2020年研究區(qū)濕地質(zhì)心位置示意圖Fig.3 The schematic map of centroid locations of the wetlands in study area in 1990,2000,2010 and 2020

2.4 4個時期濕地的格局及其變化

1990年、2000年、2010年和2020年，在研究區(qū)各類型濕地中，水田和水庫/坑塘的最大斑塊指數(shù)值較大(表6)，表明其是優(yōu)勢景觀。

表6 1990年、2000年、2010年和2020年研究區(qū)各種類型濕地的4種景觀指數(shù)值Table 6 The values of 4 landscape indexes of various types of the wetlands in study area in 1990,2000,2010 and 2020

4個時期，水田的斑塊密度值總體上大于其他類型濕地且在逐漸增大，說明水田的破碎化程度加劇；水庫/坑塘和河流的斑塊密度值也較大，而且水庫/坑塘的斑塊密度值在波動增大，說明水庫/坑塘在空間上分散分布；草本沼澤的斑塊密度值較小且不斷減小，說明草本沼澤趨于聚集分布。

4個時期，水田的邊緣密度值遠大于其他類型濕地的邊緣密度，說明水田的破碎化程度高。

1990年、2000年、2010年和2020年，隨著時間的推移，研究區(qū)水田、河流、草本沼澤和水庫/坑塘的斑塊形狀指數(shù)的變化幅度都較小，水田的斑塊形狀指數(shù)波動增大，草本沼澤的斑塊形狀指數(shù)波動減小，河流的斑塊形狀指數(shù)波動變化，水渠的斑塊形狀指數(shù)最小且基本無變化，說明水田的斑塊形狀趨于復雜，草本沼澤的斑塊形狀趨于簡單。

2.5 影響濕地面積的主要因素

灰色關聯(lián)分析結(jié)果顯示，年降水量、年平均氣溫、長春市區(qū)總?cè)丝跀?shù)量、人均生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)值、第二產(chǎn)業(yè)值、第三產(chǎn)業(yè)值、農(nóng)作物播種面積與研究區(qū)各類型濕地面積的灰色關聯(lián)度介于0.42～0.98之間(圖4)。農(nóng)作物播種面積和年平均氣溫是影響研究區(qū)濕地面積的主要因素。

圖4 8種影響因素與研究區(qū)濕地面積的灰色關聯(lián)度Fig.4 Gray correlation degrees of the wetland areas in study area with 8 influencing factors

年平均氣溫與研究區(qū)草本沼澤、河流、水田和水庫/坑塘面積的平均關聯(lián)度為0.78。在水源無法充分供給的前提下，氣溫升高導致松嫩平原西部的濕地因缺水而萎縮[19]。一定幅度的升溫有助于水田規(guī)模的擴大，尤其是對于東北寒冷地區(qū)[20]。年降水量減少不利于東北地區(qū)濕地的恢復[21]。在本研究中，4 個時期水庫/坑塘和草本沼澤的面積變化趨勢相反，尤其是新立城水庫附近兩種類型濕地面積的轉(zhuǎn)移最明顯。

研究區(qū)農(nóng)作物總播種面積與人工濕地面積、水田面積的關聯(lián)度分別為0.93、0.98。長春市轄區(qū)農(nóng)作物總播種面積由1990 年的1 584.67 km2減少為2020年的1 395.80 km2，城市擴張是導致研究區(qū)水田面積減少的主要原因。1990 年，長春市轄區(qū)建成區(qū)的面積僅為114 km2，而2019 年，其已增加至542.71 km2。研究表明，在長春市的農(nóng)業(yè)用地中，水田轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地的現(xiàn)象十分突出[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，新立城水庫以北區(qū)域的部分水田也都轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地。

1990年以來，研究區(qū)的人口數(shù)量激增，三大經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，為了滿足發(fā)展的需求，部分草本沼澤被開墾為農(nóng)田，導致草本沼澤面積萎縮。為了緩解因人口增加而導致的用水壓力，長春市實施了“引松入長”等水利工程，城市用水增加的壓力得到緩解，新立城水庫和石頭口門水庫向市區(qū)的供水量也在減少[23]，水庫面積相對穩(wěn)定。通過人工開鑿河道的方式[24]，長春市的河流面積也有所增加。

3 結(jié) 論

與1990年相比，2020年，研究區(qū)的濕地總面積減少了39.63 km2；其中，水田面積減少了51.13 km2，河流面積增加了5.34 km2，水庫/坑塘和草本沼澤的面積波動變化，水渠面積基本保持不變。

研究區(qū)濕地質(zhì)心總體上從1990年的位置向西北方向偏移2.1 km至2020年的位置。

在研究區(qū)濕地格局中，水田和水庫/坑塘是優(yōu)勢景觀，而且兩者的破碎化程度高、形狀趨于復雜，草本沼澤分布更集中、斑塊形狀趨于規(guī)則，河流和水渠景觀相對穩(wěn)定。

人類活動是導致研究區(qū)濕地萎縮的主要因素。