近30年小興安嶺沼澤濕地動(dòng)態(tài)及其驅(qū)動(dòng)力研究

劉 爽 萬(wàn)魯河

（哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱師范大學(xué)寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150025）

濕地是由水陸相互作用而形成的自然綜合體，指那些地表水和地面積水浸淹的頻度和持續(xù)時(shí)間很充分，在正常環(huán)境條件下能夠供養(yǎng)那些適應(yīng)于潮濕土壤的植被區(qū)域，是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一。沼澤濕地作為濕地中重要的一類，約占我國(guó)濕地的37.8%（馬馳,2017; 江姍等, 2016），其不僅能夠提供各種能源，在凈化水質(zhì)、保持水土、調(diào)節(jié)氣候、維護(hù)生物多樣性等方面也發(fā)揮著重要的作用（張功寶, 2014）。小興安嶺地區(qū)地處中國(guó)四大沼澤區(qū)之一（劉林馨,2012），該區(qū)河谷與溝谷谷地松散層堆積較厚，廣泛發(fā)育著沼澤和沼澤化草甸。20世紀(jì)50年代以來(lái)，大面積的排水造田以及過(guò)度開(kāi)發(fā)使得小興安嶺地區(qū)沼澤濕地面積急劇縮減，小興安嶺作為東北的生態(tài)屏障，在國(guó)家生態(tài)保護(hù)總體戰(zhàn)略中具有特殊地位。因此，沼澤濕地動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)力的探究對(duì)小興安嶺濕地的保護(hù)與合理開(kāi)發(fā)有著十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

小興安嶺地區(qū)地處我國(guó)東北部、黑龍江省中北部（46.47°～49.35°N，127.70°～130.23°E），總面積991.6 735萬(wàn)hm2，森林覆蓋率達(dá)74.8%（周利軍等, 2008），是我國(guó)重要的林區(qū)之一。該區(qū)屬低山丘陵，地貌表現(xiàn)明顯成層性，地處高緯度地區(qū)，有島狀多年凍土分布，凍融作用較強(qiáng)，形成一些融凍泥流階地，凍脹丘和廣泛發(fā)布的融凍水緣細(xì)土，質(zhì)地細(xì)膩，粘性大，透水性差，沼澤發(fā)育廣泛（傅德印等, 2007）。本區(qū)氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季氣候明顯。植被種類組成屬長(zhǎng)白植物區(qū)系小興安嶺亞區(qū)，由于地下永凍層的存在，影響森林的生長(zhǎng)并促進(jìn)沼澤化及濕生植被的發(fā)育。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的主要遙感數(shù)據(jù)源來(lái)自美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat TM影像（下載自http://glovis.usgs.gov/），選取1985-2015年間4期共48景遙感影像，空間分辨率30 m，遙感數(shù)據(jù)時(shí)相均為7-9月，圖像質(zhì)量好，云量少，是較為理想的研究數(shù)據(jù)。結(jié)合土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1985、1995、2005和2015年小興安嶺地區(qū)TM影像進(jìn)行目視解譯，并根據(jù)實(shí)地采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)研究?jī)?nèi)容及資料的可獲取性，收集了2010年黑龍江省土地利用現(xiàn)狀圖、小興安嶺地區(qū)數(shù)字地形圖，以及1985-2015年小興安嶺地區(qū)降水量、溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn/）和1985-2015年鶴崗市、伊春市和黑河市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、糧食產(chǎn)量和人口等資料（數(shù)據(jù)來(lái)源于黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒）。

1.3 土地利用類型劃分與信息提取方法

考慮到小興安嶺地區(qū)沼澤濕地為主要濕地類型，本文主要研究沼澤濕地的總體變化以及與其它土地利用類型間的轉(zhuǎn)化，將研究區(qū)土地利用類型分為沼澤濕地、水體、林地、裸地、建筑用地和耕地6種類型，并根據(jù)實(shí)際情況獲取分類規(guī)則。

在ENVI5.2平臺(tái)上，對(duì)獲取到的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理，選用投影坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_Zone_52N，采用CART自動(dòng)決策樹(shù)分類方法對(duì)研究區(qū)影像進(jìn)行分類。最后利用實(shí)地考察獲得的驗(yàn)證點(diǎn)數(shù)據(jù)和高分辨率影像，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)和修改，使分類結(jié)果的Kappa系數(shù)大于0.8，符合研究需要。

1.4 沼澤濕地動(dòng)態(tài)分析方法

1.4.1 沼澤濕地面積相對(duì)變化率 本文利用ArcMap中的漁網(wǎng)工具將小興安嶺研究區(qū)劃分為10 km×10 km的網(wǎng)格，分別統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期每個(gè)網(wǎng)格中的濕地面積相對(duì)變化率。數(shù)學(xué)表達(dá)式為（梁治平等,2006）：

式中：R為某網(wǎng)格單元沼澤濕地面積的相對(duì)變化率；Sa、Sb為研究期初和研究期末某網(wǎng)格單元沼澤濕地面積；Ca、Cb為研究期初和研究期末整個(gè)研究區(qū)的沼澤濕地面積。R＞1表明該網(wǎng)格內(nèi)沼澤濕地面積變化速度大于全區(qū)；R＜1則表明該網(wǎng)格內(nèi)沼澤濕地面積變化速度小于全區(qū)。

1.4.2 單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度 為研究沼澤濕地的動(dòng)態(tài)變化，選取了土地利用動(dòng)態(tài)模型中的單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度模型，動(dòng)態(tài)度指數(shù)能夠反映出研究區(qū)沼澤濕地變化的程度（白軍紅等, 2005）：

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某網(wǎng)格內(nèi)的沼澤濕地動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為某網(wǎng)格內(nèi)研究初期和研究末期的沼澤濕地面積，T為研究時(shí)段。

1.5 濕地重心變化分析

本文利用濕地重心遷移模型（王憲禮,1997）研究小興安嶺地區(qū)沼澤濕地的空間分布及時(shí)空演變，通過(guò)計(jì)算沼澤濕地不同時(shí)期重心坐標(biāo)，分析得到沼澤濕地重心移動(dòng)方向與移動(dòng)距離。

1.6 主成分分析

主成分分析(PCA)是一種通過(guò)降維來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將原來(lái)錯(cuò)綜復(fù)雜的多變量通過(guò)線性變換選出主要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法(徐建華,2002)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼澤濕地土地利用類型的變化

小興安嶺地區(qū)的行政區(qū)域主要有黑河、伊春和鶴崗三市，2015年小興安嶺沼澤濕地面積15 515.35 km2，主要分布在黑河市和伊春市。1985-2015年，小興安嶺地區(qū)沼澤濕地面積減少了12 751.62 km2，平均年變化率為1.504%，其中2000-2005年間年變化率最大，達(dá)到了10.24%，其中黑河市面積減少9 357.79 km2，占總減少量的74.29%。2005-2010年沼澤濕地面積有少量回升，但已很難達(dá)到2000年的水平，這是由于濕地一旦遭到破壞便很難恢復(fù)的自然生態(tài)特性。

圖1 近30年小興安嶺地區(qū)沼澤濕地面積變化圖Fig.1 The area change of wetlands inXiaoxing’an Mountains between 1985 and 2015

圖2 小興安嶺沼澤濕地重心變化圖Fig.2 Gravity center change of wetlands inXiaoxing’an Mountains

本文使用ENVI平臺(tái)的Change Detection Statistics工具來(lái)計(jì)算1985年與2015年各土地利用類型面積的轉(zhuǎn)移矩陣。由表1可以發(fā)現(xiàn)，1985-2015年小興安嶺地區(qū)沼澤濕地中有11 766.16 km2轉(zhuǎn)化為林地，面積占總轉(zhuǎn)移量的41.63%，其次有6 687.67 km2的沼澤濕地被開(kāi)墾為耕地，882.80 km2的沼澤濕地轉(zhuǎn)化為裸地，619.44 km2的沼澤濕地被占用為建筑用地，另外還有234.17 km2被淹沒(méi)為水體，1985年僅有8 074.32 km2的沼澤濕地被保留，占沼澤濕地總面積的28.57%。綜上可以看出，小興安嶺30年來(lái)有大面積沼澤濕地被人為開(kāi)墾為林地與耕地，由于保護(hù)機(jī)制不完善，也有部分沼澤濕地轉(zhuǎn)化為裸地和水體。

表2 特征值和主成分貢獻(xiàn)率Table2 Eigenvalue and contribution rate of principal components

2.2 沼澤濕地重心變化

利用ArcMap對(duì)小興安嶺沼澤濕地分類結(jié)果進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，得到研究區(qū)4個(gè)時(shí)期沼澤濕地的重心位置，并繪制出小興安嶺沼澤濕地重心遷移圖。由圖2可知，小興安嶺地區(qū)沼澤濕地重心集中在黑河市遜克縣，因其緊鄰大沾河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)濕地面積可達(dá)92 188 hm2（殷玉婷,2010）。近30年來(lái)沼澤濕地重心整體向北偏西70.72°方向遷移了16.5 972 km。濕地重心于1995-2005年向西北方向遷移的距離最遠(yuǎn)，為57.142 km。

2.3 沼澤濕地面積相對(duì)變化率的區(qū)域分析

圖3 不同時(shí)段沼澤濕地面積相對(duì)變化率Fig.3 Relative change rate of wetlands areain different periods

圖4 不同時(shí)段沼澤濕地面積動(dòng)態(tài)度Fig.4 Dynamics of wetlands area in different periods

圖5 小興安嶺沼澤濕地自然環(huán)境因素與動(dòng)態(tài)度Fig.5 Natural factors and dynamics of wetlands inXiaoxing’an Mountains

小興安嶺沼澤濕地面積相對(duì)變化率計(jì)算結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，1985-1995年1 083個(gè)網(wǎng)格中有334個(gè)網(wǎng)格沼澤濕地面積相對(duì)變化率小于全區(qū)的變化率，占總數(shù)的30.84%，主要分布在黑河和伊春。1995-2005年，有355個(gè)網(wǎng)格沼澤濕地面積變化率小于全區(qū)的變化率，占總數(shù)的32.78%，集中分布在黑河西北部和南部地區(qū)。2005-2015年，有497個(gè)網(wǎng)格沼澤濕地面積相對(duì)變化率小于全區(qū)的變化率，占總數(shù)的45.89%，主要分布在黑河。2005-2015年相對(duì)變化率小于1的網(wǎng)格數(shù)有所增加，沼澤濕地面積相對(duì)變化率小于全區(qū)的范圍在擴(kuò)大。2005-2015年相對(duì)變化率大于10的網(wǎng)格數(shù)相比上個(gè)時(shí)段增加了13.39%，研究區(qū)沼澤濕地整體相對(duì)變化速率在降低，而部分地區(qū)相對(duì)變化速率在升高。由于沒(méi)有得到合理的控制，沼澤濕地面積相對(duì)變化率大于10的網(wǎng)格幾乎都是由前一時(shí)段相對(duì)變化率大于1的網(wǎng)格轉(zhuǎn)化而來(lái)。

2.4 沼澤濕地動(dòng)態(tài)度變化的區(qū)域分析

如圖4所示，小興安嶺地區(qū)3個(gè)時(shí)段沼澤濕地動(dòng)態(tài)變化度區(qū)域差異明顯，第3時(shí)段動(dòng)態(tài)度大于10%的網(wǎng)格數(shù)明顯多于前兩個(gè)時(shí)段，表明2005-2015年沼澤濕地動(dòng)態(tài)度明顯加快。從3個(gè)時(shí)段高動(dòng)態(tài)度區(qū)域的不同可以看出，1985-1995年高動(dòng)態(tài)度區(qū)域表現(xiàn)較為破碎；1995-2005年高動(dòng)態(tài)度區(qū)域有向北部遷移的趨勢(shì)，并且在黑河?xùn)|北部分布較為集中；2005-2015年動(dòng)態(tài)度大于10%的網(wǎng)格數(shù)占全區(qū)總數(shù)的49.72%，黑河部分地區(qū)、伊春東南部及鶴崗全區(qū)等地沼澤濕地動(dòng)態(tài)度較大，伊春與黑河交界處友好自然保護(hù)區(qū)以及伊春市翠巒區(qū)、帶嶺區(qū)、南岔區(qū)等地區(qū)沼澤濕地動(dòng)態(tài)度較小。

2.5 小興安嶺地區(qū)沼澤濕地變化驅(qū)動(dòng)力分析

2.5.1 自然環(huán)境因素 選取覆蓋研究區(qū)的8個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水量和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)小興安嶺地區(qū)30年來(lái)氣溫呈波動(dòng)式上升，近20年年平均降水量也有緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，相對(duì)濕度變化無(wú)明顯規(guī)律，但整體呈下降趨勢(shì)。由圖5可明顯看出，小興安嶺地區(qū)沼澤濕地動(dòng)態(tài)度與當(dāng)?shù)貧鉁爻守?fù)相關(guān)，氣溫的升高導(dǎo)致同時(shí)期動(dòng)態(tài)度下降，2000-2005年氣溫升高，動(dòng)態(tài)度達(dá)到近30年最低值-0.51，2005-2010年氣溫下降，動(dòng)態(tài)度達(dá)到30年來(lái)最高值0.48。小興安嶺地區(qū)沼澤濕地動(dòng)態(tài)度與相對(duì)濕度呈正相關(guān)，變化趨勢(shì)基本一致，2000-2005年相對(duì)濕度大幅度下降，導(dǎo)致濕地含水量減少，濕地面積縮減，同期沼澤濕地動(dòng)態(tài)度下降到最低值；降水量與沼澤濕地動(dòng)態(tài)度無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

2.5.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素 在研究小興安嶺地區(qū)沼澤濕地動(dòng)態(tài)變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素中選取了總?cè)丝凇⑸a(chǎn)總值、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、水庫(kù)庫(kù)容量、除澇面積、農(nóng)作物總播種面積和糧食產(chǎn)量7個(gè)影響因子，以1986-2015年的數(shù)據(jù)為分析樣本。

利用SPSS 20.0對(duì)小興安嶺沼澤濕地社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因子進(jìn)行主成分分析，首先對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子做相關(guān)系數(shù)分析，并進(jìn)行KMO檢驗(yàn)，計(jì)算得到KMO值=0.648＞0.60，表明社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子數(shù)據(jù)做主成分分析是可行的。

從表3可以看出，主成分1和主成分2的特征值均大于1，并且前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了97.813%，其中第一主成分解釋了總變量的77.648%，第二主成分解釋了總變量的20.165%，因此提取第一和第二主成分便能概括絕大部分變量信息，滿足主成分分析需要。

從表3可以看出，第一主成分中的生產(chǎn)總值、糧食產(chǎn)量、水庫(kù)庫(kù)容量、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)作物總播種面積和除澇面積與沼澤濕地面積變化顯著相關(guān)，表現(xiàn)為以上因子的載荷系數(shù)較大，說(shuō)明第一主成分反映了社會(huì)經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)對(duì)沼澤濕地變化的影響。第二主成分中總?cè)丝诘妮d荷系數(shù)較大，說(shuō)明第二主成分反映了人口數(shù)量對(duì)沼澤濕地變化的影響。

表3 旋轉(zhuǎn)后主成分載荷矩陣Table3 Principal component load matrix

3 結(jié)論

本文以1985-2015年4期Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，研究近30年小興安嶺地區(qū)沼澤濕地的動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)力，得出如下結(jié)論：

（1）1985-2015年，小興安嶺地區(qū)沼澤濕地重心整體向北偏西70.72°方向遷移了16.597 2 km，但4個(gè)時(shí)期的重心均分布在黑河市遜克縣內(nèi)。研究區(qū)內(nèi)沼澤濕地減少了12 751.62 km2，其中2000-2005年沼澤濕地退化最為嚴(yán)重，減少了10.24%，退化的濕地主要轉(zhuǎn)化為林地和耕地，與1985年相比，2015年沼澤濕地轉(zhuǎn)化為林地和耕地的轉(zhuǎn)移率分別為41.63%和23.66%。

（2）研究區(qū)沼澤濕地整體相對(duì)變化率在降低，但部分地區(qū)變化率加快，黑河地區(qū)黑河市、嫩江縣、孫吳縣和五大連池市交界處等區(qū)域沼澤濕地面積變化率小于小興安嶺地區(qū)變化率。

（3）小興安嶺地區(qū)沼澤濕地變化的主要驅(qū)動(dòng)力分為自然環(huán)境因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。沼澤濕地面積與相對(duì)濕度具有較好的正相關(guān)，與氣溫變化呈負(fù)相關(guān)，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和人口數(shù)量與濕地面積顯著相關(guān)，也表明了濕地開(kāi)墾、擴(kuò)張建筑用地等人類活動(dòng)對(duì)小興安嶺地區(qū)沼澤濕地影響較大。

2000年以來(lái)，小興安嶺地區(qū)人類活動(dòng)不斷增強(qiáng)，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)干擾加大，濕地生態(tài)功能有所退化，為加強(qiáng)濕地的恢復(fù)和保護(hù)，黑龍江省林業(yè)廳在2017年編制了濕地保護(hù)規(guī)劃，提出多項(xiàng)措施以期建立濕地長(zhǎng)效保護(hù)機(jī)制，恢復(fù)濕地的生態(tài)功能。