額爾齊斯河流域1990—2010年濕地遙感監(jiān)測分析

楊 涵,王延慧,吳金鴻

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054;2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054)

濕地是地球上水生與陸地生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū),與森林、海洋一起并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)[1]。濕地是最有價(jià)值和生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng),是人類生產(chǎn)、生活資料的重要源泉,還具有生物多樣性富集的特點(diǎn),是眾多植物、動(dòng)物的繁衍棲息地,堪稱基因庫[2]。然而,由于自然原因及人類對濕地資源的不合理利用和管理,造成濕地生態(tài)結(jié)構(gòu)的變化和某些生態(tài)功能的改變或喪失,導(dǎo)致濕地面積減少、水質(zhì)惡化、植被退化、土壤沙化等[3]。濕地研究已成為當(dāng)前地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)科學(xué)等多種學(xué)科交叉的一個(gè)熱門領(lǐng)域。西北干旱半干旱區(qū)濕地是我國重要的濕地類型之一,與其他濕地分布區(qū)域相比,該區(qū)內(nèi)濕地的景觀生態(tài)研究較少,系統(tǒng)研究近乎空白,急需加強(qiáng)這方面的工作[4]。

額爾齊斯河流域是新疆濕地的集中分布區(qū)之一,具有多種濕地類型;加之該區(qū)域地處額爾齊斯河上游,額爾齊斯河的水土資源開發(fā)以及環(huán)境保護(hù)建設(shè)一直是國內(nèi)和鄰國關(guān)注的重要區(qū)域。本文以遙感影像為信息源,從現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)變化等方面對 1990—2010年中國境內(nèi)的額爾齊斯河流域濕地利用情況進(jìn)行定量和定性分析,揭示其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。

1 研究區(qū)概況

額爾齊斯河源于阿爾泰山脈,是我國唯一的北冰洋水系河流,水資源豐富[5-6],有烏倫古河、額爾齊斯河兩大水系。額爾齊斯河支流發(fā)源于阿爾泰山中段南坡,平行注入額爾齊斯河,是十分典型的梳狀水系[7-8]。該流域所在地屬溫帶干旱區(qū),熱量較少,氣候溫涼,平原降水少,山區(qū)降水豐富,多大風(fēng),無霜期短,土地資源和水資源相對比較豐富,但水資源分布不平衡,東部少西部多,南部少北部多。地貌上可分為山區(qū)和平原兩大部分,山區(qū)森林、草場繁茂,植被垂直分帶完整,分異明顯;平原河谷、沖積扇扇緣以及低地等生態(tài)條件稍好。該流域有喀納斯湖濕地、阿爾泰山東南部濕地(三道海子)、烏倫古湖和吉力湖濕地等中國重要濕地。

額爾齊斯河流域的自然條件較為優(yōu)越,長期的林牧矛盾及大規(guī)模水土開發(fā)工程使額爾齊斯河河谷受到了強(qiáng)烈的人為干擾,湖面積縮小,水位降低,湖周圍地下水位下降,植被稀疏,河谷天然林系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞,局部地段沙漠化、鹽堿化日益加劇,河道周圍愈加嚴(yán)重的水土侵蝕使農(nóng)田系統(tǒng)、草地系統(tǒng)等受到影響[5,9]。本研究區(qū)域包括中國境內(nèi)的額爾齊斯河流域和烏倫古河流域(以下簡稱額爾齊斯河流域)。

2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源收集

a.遙感數(shù)據(jù)。收集1990年、2000年、2010年美國陸地衛(wèi)星 Landsat TM遙感影像,2005年、2008年CBERS-02遙感影像,并選擇各年度6月中旬至9月下旬無云遙感影像。

b.其他數(shù)據(jù)資料。包括2010年9—10月研究區(qū)沼澤化草甸、河谷林等典型濕地類型野外定點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù);土壤、氣候、水文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)輔助資料;2006年土壤樣品分析數(shù)據(jù);研究區(qū)行政區(qū)域、地形、土壤、水系、地下水等圖件。

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

參考有關(guān)資料,結(jié)合流域?qū)嶋H情況,確定解譯標(biāo)志和額爾齊斯河流域濕地分類系統(tǒng)。根據(jù)解譯標(biāo)志和分類系統(tǒng)對上述遙感影像進(jìn)行目視解譯并數(shù)字化處理,隨后建立拓?fù)潢P(guān)系,完成1990年、2000年、2005年、2008年、2010年的濕地矢量信息提取。用野外定點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)校正解譯結(jié)果,獲得各期濕地圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

2.3 流域濕地分類系統(tǒng)的建立及專題信息提取

濕地分類系統(tǒng)是確定濕地分類與分布的重要基礎(chǔ),由于世界各地濕地類型復(fù)雜多樣,不同研究者對濕地界定范圍、分類目的和出發(fā)點(diǎn)不同,要制定一個(gè)完整而科學(xué)的定量分類指標(biāo)和分類系統(tǒng)比較困難,至今國際上的濕地分類系統(tǒng)仍不統(tǒng)一[10]。

本研究在收集、分析額爾齊斯河流域現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)濕地調(diào)查所采用的濕地分類方法[11-13],針對研究區(qū)特殊的自然地理環(huán)境,考慮現(xiàn)有衛(wèi)星影像監(jiān)測的可操作性,將研究區(qū)域分為濕地和非濕地(其他地類),如表1所示(括號中數(shù)字為分類代碼)。濕地包括人工濕地和天然濕地,天然濕地又可分為河谷林、河渠、湖泊、灘地、沼澤及沼澤化草地等,人工濕地又可分為水庫、坑塘和水澆地。

采用人機(jī)交互式目視解譯方法,在GIS9.2專業(yè)軟件ARC/info的支持下,通過矢量疊加,把已有新疆土壤類型、道路、湖泊、植被的分布圖水系等數(shù)據(jù)覆蓋到衛(wèi)片上進(jìn)行解譯,提取額爾齊斯河流域濕地空間信息,并進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的編輯與拓?fù)潢P(guān)系的建立,形成額爾齊斯河流域1990年、2000年、2005年、2008年、2010年濕地空間數(shù)據(jù)庫,得出濕地分布示意圖(圖1)。同時(shí)運(yùn)用GPS野外抽樣點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證所解譯濕地類型信息的準(zhǔn)確性,使其精度達(dá)到90%以上(野外定點(diǎn)調(diào)查共94處)。

2.4 濕地?cái)?shù)量變化分析

采用濕地面積變化幅度和濕地動(dòng)態(tài)度來定量描述濕地面積的變化及變化速度。濕地面積變化幅度從絕對量上反映濕地面積的增減結(jié)果,可表示為

式中:ΔA為單位時(shí)間內(nèi)濕地凈面積增減幅度;Aia為研究初期第i類土地的面積;Aib為研究末期第i類土地的面積。

表1 額爾齊斯河流域分類系統(tǒng)

圖1 2010年額爾齊斯河流域濕地分布

對單一濕地資源,濕地動(dòng)態(tài)度可表達(dá)為區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種類型濕地的數(shù)量變化,即[14]

式中:k為濕地動(dòng)態(tài)度;zia,zib分別為研究初期及末期某種類型的濕地面積;t為研究時(shí)段長度,一般以a為單位。

根據(jù)式(1)、式(2),對研究區(qū)濕地資源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出表2和表3。

表3 額爾齊斯河流域不同年份濕地組成比例 %

表2 額爾齊斯河流域不同時(shí)段濕地面積變化幅度及動(dòng)態(tài)度

3 濕地面積變化分析

3.1 天然濕地

本研究中的天然濕地包括河谷林,河渠,湖泊,永久性冰川、積雪,灘地,沼澤及沼澤化草地 6個(gè)亞類,其所占面積由大到小的順序?yàn)?湖泊,沼澤及沼澤化草地,河谷林,河渠,永久性冰川、積雪,灘地。由表3計(jì)算得出,在1990—2010年間天然濕地面積所占比例呈波動(dòng)變化,1990年、2000年、2005年、2008年、2010年所占比例分別為4.65%,4.68%,4.65%,4.82%和4.81%。

從空間分布看,湖泊分布較廣,分布于地勢相對低洼、水體聚集處,依就地勢,蜿蜒曲折,高低海拔均有,高海拔處如喀納斯湖,是我國已知最深的冰蝕、冰漬高山河谷型湖泊;低海拔處如烏倫古湖,是新疆僅次于博斯騰湖的第二大內(nèi)陸湖泊,在福海縣城西北10多km的斷層陷落凹地內(nèi),是烏倫古河的尾閭湖。湖泊在天然濕地中所占比例最大,1990年湖泊面積為1 290.03 km2,占研究區(qū)的 1.57%,2010年增長到1.72%。在1990—2010年間一直呈增加趨勢,1990—2000年湖泊面積增加了64.01km2,2000—2010年增加了57.44km2。前10a的增長速度略大于后10a,其中2005—2008年增長速度最快,3a內(nèi)湖泊面積增加了45.58km2。此結(jié)果與宮鵬等[15-16]的研究結(jié)果相同,原因可能與近年來該地區(qū)的氣候變化有關(guān)。

從空間分布來看,沼澤及沼澤化草地主要分布于河流兩側(cè)湖邊積水處及沖洪積扇下緣,地勢平坦低洼,排水不暢,長期潮濕,季節(jié)性積水或常年積水,在天然濕地中所占比例僅次于湖泊。1990年、2000年、2005年 、2008年、2010年所占比例分別為 1.39%,1.36%,1.32%,1.45%和1.44%。從時(shí)間序列來看其變化規(guī)律呈波動(dòng)趨勢,從1990—2005年持續(xù)遞減,2005—2008年則有較大幅度的增加,增加面積達(dá)110.40km2,2008—2010年間呈略減趨勢。2005—2008年沼澤及沼澤化草地面積的大幅增加與2008年前后進(jìn)行的可可蘇濕地自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)補(bǔ)水工程有關(guān),對當(dāng)?shù)貪竦厣鷳B(tài)恢復(fù)起到了積極的作用。

空間上河谷林多呈帶狀,主要分布在額爾齊斯河干流及克蘭河、布爾津河、哈巴河等支流兩岸的河漫灘、低階地上,以及烏倫古河的河谷,平原河谷低洼地水域的周邊,平均寬度為1～2km。1990年河谷林面積為1062.10km2,占研究區(qū)面積的1.29%。從時(shí)間序列來看,1990—2010年間呈持續(xù)遞減趨勢,1990—2000年間河谷林面積減少了 16.70 km2,2000—2010年面積減少了13.88km2,前10a的減少速率大于后10a的減少速率;前 10a的年動(dòng)態(tài)度為-0.16%,后 10 a的年動(dòng)態(tài)度為-0.13%。其中2005—2008年的減少速率最大,河谷林面積減少8.91km2,年動(dòng)態(tài)度為-0.28%,主要原因是河谷林內(nèi)過牧嚴(yán)重及部分河谷林被開墾為耕地。

灘地,河渠,永久性冰川、積雪相對其他各類濕地面積小得多,所占研究區(qū)面積比例很小,但也有其各自的變化規(guī)律。其中永久性冰川、積雪所占比例較小,為0.11%,總面積為86.38km2,在近20a來基本未發(fā)生變化。河渠面積在研究時(shí)段內(nèi)呈持續(xù)增加趨勢,約占總面積的0.22%,由于部分河流或水渠較窄,在分辨率為30m的 TM遙感影像上難以精確解譯,但其總體變化規(guī)律是正確的。灘地在天然濕地中面積最小,前10a呈遞增趨勢,后10a呈遞減趨勢,約占總面積的0.07%。

3.2 人工濕地

人工濕地包括水庫、坑塘和水澆地,近20a人工濕地面積增幅較大,由 1990年的 2191.26km2增加到2010年的4071.66km2,增加了近 1倍,主要是水澆地面積的增加。由表3可得,1990年、2000年、2005年、2008年、2010年人工濕地所占比例分別為2.67%,3.68%,4.25%,4.71%和4.96%。

水庫、坑塘指人工修建的蓄水區(qū)常年水位以下的土地,總面積所占比例較小。1990年占總面積的0.03%,2000年為0.05%,2010年為0.06%。從其面積變化來看總體呈波動(dòng)上升趨勢,1990年面積為26.20km2,1990—2000年面積增加較快,增加了17.11km2,年動(dòng)態(tài)度為6.53%;2000—2010年增加了7.24km2,年動(dòng)態(tài)度為1.67%,其中2000—2005年減少了 0.19 km2,2005—2008年增加了 8.41 km2,2008—2010年又呈減少趨勢,減少了0.98km2。

在所有濕地類型當(dāng)中水澆地所占比例最大且增長最快。2010年水澆地占濕地總面積的比例高達(dá)49%。在整個(gè)研究區(qū),水澆地面積也呈絕對增長態(tài)勢。1990年、2000 年、2005 年、2008年 、2010年所占比例分別為2.64%,3.63%,4.20%,4.65%和4.90%。1990年研究區(qū)有水澆地2165.06km2,1990—2000年面積增加了 816.07 km2;2000—2010年面積增加了1039.98km2,后10a增加的面積大于前10a所增加的面積。雖然水澆地面積連年增加,但1990—2000年、2000—2005年、2005—2008年 、2008—2010年的動(dòng)態(tài)度分別為3.77%,3.13%,3.56%,2.68%和3.49%,呈波動(dòng)遞減的趨勢,也就是說,水澆地面積在持續(xù)增加,但增加速度在減小。主要原因是21世紀(jì)以來國家不斷加大宏觀調(diào)控力度,研究區(qū)土地不斷被開墾為水澆地。

3.3 其他地類

其他地類包括林地,草地,建設(shè)用地,戈壁、沙地、裸巖及其他土地。1990年、2000年、2005年、2008年、2010年其他地類所占比例分別為92.68%,91.64%,91.10%,90.47%和90.22%。雖占研究區(qū)的絕大部分面積,但從時(shí)間序列來看呈逐年遞減的趨勢。

林地主要指生長于山區(qū)的非濕地林地,包括阿勒泰山上的針葉林、山地與平原過渡帶的灌木林,以及平原地區(qū)人工林地,即除河谷林之外的所有林地。1990年的面積為5813.35km2,1990—2000年面積減少了13.32km2,2000—2010年面積減少了13.17km2,減少速度基本相同。1990—2008年間林地面積持續(xù)減小,2008—2010年略有增加,增加面積為4.06km2,增加部分主要是農(nóng)田及水渠的防護(hù)林。

草地在研究區(qū)所占比例最大,1990年、2000年、2005年、2008年、2010年所占比例分別為 46.94%,46.74%,46.39%,45.97%和45.92%,呈逐年遞減趨勢。建設(shè)用地變化趨勢與草地相反,呈逐年遞增趨勢。建設(shè)用地的增加來源多種多樣,包括因城鎮(zhèn)擴(kuò)展占用耕地、開發(fā)區(qū)建設(shè)、定居點(diǎn)增加、工礦區(qū)擴(kuò)大、道路新建擴(kuò)建等。戈壁、沙地、裸巖及其他土地的面積呈逐年遞減趨勢,1990年、2000年、2005年、2008年、2010年所占比例分別為 38.53%,37.69%,37.52%,37.25%和37.05%。

4 結(jié) 語

從空間分布來看,天然濕地中面積由大到小的順序?yàn)?湖泊,沼澤及沼澤化草地,河谷林,河渠,永久性冰川及積雪,灘地。人工濕地包括水庫、坑塘和水澆地。其中水澆地在所有濕地類型當(dāng)中所占比例最大,同時(shí)增長速度最快。

從時(shí)間序列來看,天然濕地面積在整個(gè)研究時(shí)段呈波動(dòng)變化,總的來看2010年的面積大于1990年的面積,增加面積主要是湖泊和沼澤及沼澤化草地,而河谷林及灘地呈逐年減小的趨勢。人工濕地面積增加較顯著,主要是水澆地的大幅增加,而水庫、坑塘面積在研究時(shí)間段內(nèi)呈波動(dòng)變化,總的來看也呈增加趨勢。濕地總面積呈逐年遞增趨勢,增加部分主要是水澆地,其次是湖泊、沼澤及沼澤化草地,以及水渠。除濕地以外的其他土地總面積在研究時(shí)段內(nèi)呈減小趨勢,其中草地,戈壁、沙地、裸巖及其他土地的面積顯著減少,而建設(shè)用地呈增加趨勢。

考慮研究區(qū)濕地植被類型的提取和數(shù)據(jù)的已獲取性,采用Landsat TM遙感影像和CBERS-02遙感影像的4,3,2這3個(gè)波段的組合來提取研究區(qū)的濕地信息,而未采用TM遙感影像濕地分類的最佳波段組合5,4和3波段的組合方法。在以后的研究可嘗試采用TM遙感影像5,4和3波段的組合方法,同時(shí)考慮其他波段組合來提取濕地分類信息。

致謝:本研究部分?jǐn)?shù)據(jù)由中國科學(xué)研究院新疆生態(tài)與地理研究所吳世新老師提供,在解譯過程中得到了吳世新老師的指導(dǎo),在制定濕地分類系統(tǒng)時(shí)得到周華榮老師的指導(dǎo),在野外考察中得到了海鷹老師的幫助,在此表示感謝!

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