吉林西部濕地動態變化與生態因子分析研究

陳超群，姜琦剛，劉驊欣

吉林大學 地球探測科學與技術學院，長春 130026

0 引言

濕地，為水體與陸地的過渡帶，是不可估量的資源財富，對于社會生產生活、資源儲備意義重大[1]。作為生態地質環境因子，濕地的動態變化一直是眾多學者的研究方向之一。吉林西部的湖泊密度較大，是濕地研究的重點地帶，近年來吉林西部沙漠鹽堿化嚴重，總體表現生態地質環境惡化[2]。吉林西部濕地現狀及其動態演變分析，有利于對濕地資源的保護做出合理規劃。針對吉林西部的濕地動態監測研究方向主要有2個，濕地信息獲取技術和指標參數的選取，但是對導致濕地變化的驅動力分析不夠透徹，往往只注重變化的數量關系，而忽略其背后的生態地質環境意義[2-6]。本研究借助2007年CBERS-2以及2017年Landsat-8 OLI數據，采用人機交互式解譯、綜合分析等方法，對吉林西部2007和2017年2期數據的濕地現狀和動態變化信息進行提取，利用ArcGIS平臺的空間分析、應用統計等技術，從數量、空間和結構上分析吉林西部濕地的演變規律和發展趨勢，以吉林西部重點研究區的現狀特征和變化規律為基礎，研究地質地貌、氣候變化等因素對濕地的影響機理。針對吉林西部濕地動態變化及生態影響因子的分析，有利于對濕地資源的保護做出合理規劃。

1 研究區概況及技術方法

1.1 研究區概況

研究選取吉林西部扶余縣、乾安縣、前郭爾羅斯蒙古族自治縣，長嶺縣和寧江區作為主要研究范圍(123°05′～126°22′E，43°52′～45°30′N)(圖1)。吉林省西部位于受北東向新華夏系構造的影響所形成的松遼平原沉降帶腹地，地貌分區屬于沙丘覆蓋的沖積平原二級區，包含河流地貌、湖成地貌、風成地貌[7]。研究區屬于半干旱半濕潤大陸性季風氣候，區內的生態環境較為脆弱，景觀生態對氣候變化敏感[8-9]。

圖1 吉林西部城鎮分布Fig.1 Distribution of towns in western Jilin

1.2 技術方法

選取7-9月2007年CBERS-2數據和2017年Landsat-8 OLI數據，CBERS-2數據采取的合成波段為R(3)、G(4)、B(1)，Landsat-8 OLI數據采取的合成方案為R(7)、G(5)、B(3)。將兩期數據進行預處理，在MapGIS平臺下對影像中濕地進行目視解譯，借助濕地分布密集信息圖對Landsat-8 OLI數據進行現狀分析；通過空間疊加、柵格計算等，以地學信息圖譜為基準研究2007—2017年濕地動態變化，構建濕地表征參數模型，以確定濕地變化強度。結合吉林西部的地質地貌情況、氣候和人口變化，研究生態地質環境因素對濕地變化的影響。

2 吉林省西部濕地現狀及動態變化

2.1 濕地分布現狀

根據研究區域，選擇由國家林業局提出的《中華人民共和國國家標準:濕地分類 (GB/T 24708-2009)》，并結合吉林西部的區域特點，將濕地分為：泛洪平原、永久性河流、永久性淡水湖、季節性淡水湖、草本沼澤、沼澤化草甸、水稻田和庫塘。

人工目視解譯得到的2017年濕地分布現狀圖(圖2)中，2017年研究區內濕地面積共2 900.69 km2。其中人工濕地面積最大，為1 017.87 km2，庫塘面積最小，僅為21.44 km2。扶余縣主要分布永久性河流和沼澤濕地中的草本沼澤，永久性河流分布在該地區的北部，為松花江和拉林河，草本沼澤集中在扶余縣的東北方向上，扶余縣出現的人工濕地除水稻田還有2個水庫(三到水庫和范家水庫)；前郭縣濕地以水稻田為主，集中分布在縣城北部，其次為永久性淡水湖，占全區的50%以上，縣內最大的永久性淡水湖為查干湖，在查干湖附近出現了較大湖泡新廟泡；乾安縣境內自然閉流湖泡眾多，例如分布在西北角的花敖泡、正北方向的紅字泡；寧江區只存在洪泛性平原、永久性河流以及少量的季節性淡水湖；長嶺縣永久性淡水湖分布排列成線，單個湖泊面積不大。

圖2 研究區濕地分布現狀Fig.2 Wetland distribution status in study area

濕地分布密集信息圖 通過量化研究區濕地分布及其特征，分析不同解譯尺度的背景下各類濕地的分布密集程度，公式為：

P=S/U×100%

式中，P表示單元區域濕地分布密度，U表示區域面積，S為各個區內濕地面積；按照各個分區濕地面積和區域面積之間的比值，將P分為6個等級即第一等級(濕地極度密集區P≥10%)、第二等級(濕地較密集區7%≤P<10%)、第三等級(濕地一般密集區4%≤P<7%)、第四等級(濕地一般稀疏區2%≤P<4%)、第五等級(濕地較稀疏區1%≤P<2%)、第六等級(濕地極度稀疏區0%≤P<1%)。在ArcGIS的平臺下，通過創建網格，與Landsat-8 OLI濕地解譯數據進行空間疊加分析中的聯合分析，進行單元格內濕地密度的計算，借助反距離權重插值后，獲取Landsat-8 OLI 影像濕地密度分布數據(圖3)。

圖3 研究區濕地分布密集信息圖Fig.3 Intensive information map of wetland distribution in study area

結合圖3可以發現在整個研究區內西北方向濕地分布密度等級普遍較高，而南方濕地分布零散稀疏。扶余縣南北兩側分布松花江支流，其周圍濕地分布密度大，前郭自治縣濕地密度最大的區域在北偏東方向，該方位分布著查干湖和大片水稻田；在乾安縣西北部存在大量湖沼，濕地分布密度高，其余地方濕地分布密度處于2%～7%±；長嶺縣的西北角濕地分布密集。

2.2 10年間濕地動態變化

在對研究區濕地動態變化進行分析時，以地學信息圖譜為基準，結合轉移矩陣與相對變化率深入研究濕地變化趨勢。

地學信息圖譜 包含空間結構、屬性特征以及過程變化，是一種結合景觀圖譜和數學模型為一體的地理時空分析方法[10-11]。濕地變化信息圖譜對濕地的空間位置和空間行為具有很好的指示性。

本次研究中，借助MapGIS平臺對2期影像進行解譯，采用10 m×10 m像元大小進行柵格轉化，通過地圖代數計算10年來二級濕地類型的景觀變化情況，計算公式為P=M×10+N。其中M表示2007年濕地類型的單元值，N表示2017年濕地類型的單元值，P表示10年濕地變化的圖譜單元(圖4)。配合空間統計，通過轉移矩陣對合成的圖譜單元進行數值分析(表1)。

結合濕地變化景觀圖譜(圖4)和景觀轉移矩陣(表1)，計算10年間濕地類型變化率。在表1中，通過橫向數據累計和縱向數據求和分別計算2007年及2017年濕地景觀類型面積。可以發現，研究區內總面積為21 178.48 km2，從景觀面積角度看未發生變化。但是景觀類型發生轉變，近10年間研究區內濕地面積增多494.59 km2，較多的其他土地利用類型轉為濕地，其中以草本沼澤為主，173.76 km2的其他土地利用類型轉換成永久性淡水湖，濕地類型相互轉化過程中，較多的季節性淡水湖和草本沼澤轉換成水稻田，草本沼澤轉換成季節性淡水湖的面積有39.37 km2。總體上看，季節性淡水湖面積增加最多，增加了155.71 km2。只有泛洪平原濕地和庫塘面積減少，分別減少19%和42%。

AA．不變河流濕地；AB．河流濕地-湖泊濕地；AC．河流濕地-沼澤濕地；AD．河流濕地-人工濕地；A9．河流濕地-其他土地利用類型；BA．湖泊濕地-河流濕地；BB．不變湖泊濕地；BC．湖泊濕地-沼澤濕地；BD．湖泊濕地-人工濕地；B9．湖泊濕地-其他土地利用類型；CA．沼澤濕地-河流濕地；CB．沼澤濕地-湖泊濕地；CC．不變沼澤濕地；CD．沼澤濕地-人工濕地；C9．沼澤濕地-其他土地利用類型；DA．人工濕地-河流濕地；DB．人工濕地-湖泊濕地；DC．人工濕地-沼澤濕地；DD．不變人工濕地；D9．人工濕地-其他土地利用類型；9A．其他土地利用類型-河流濕地；9B．其他土地利用類型-湖泊濕地；9C．其他土地利用類型-沼澤濕地；9D．其他土地利用類型-人工濕地；99．不變其他土地利用類型. 圖4 2007—2017年研究區濕地變化圖譜Fig.4 TUPU of wetland change in study area in 2007—2017

相對變化率用以表示不同區域濕地的變化差異，公式為K=(S2-S1)/S1，其中S1與S2分別表示區域內研究前期與后期的濕地面積。

研究按照濕地面積增加和減少程度劃分為9種類型(表2)，在ArcGIS的平臺下,將兩期濕地解譯數據通過相交分析插值分析濕地變化強度(圖5)。

表1 2007—2017年濕地景觀類型轉移矩陣/km2

注：A.河流濕地；B.湖泊濕地；C.沼澤濕地；D.人工濕地.

1.永久性河流；2.泛洪平原濕地；3.永久性淡水湖；4.季節性淡水湖；5.草本沼澤；6.沼澤化草甸；7.水稻田；8.庫塘；9.其他土地利用類型.

表2 濕地變化強度分類

圖5 研究區濕地變化強度Fig.5 Wetland change intensity in study area

通過研究區濕地變化強度分布(圖5)和各地區濕地類型變化數據(表3)不難發現濕地增加主要集中在長嶺縣的北偏西方向，并呈現顯著增加，乾安縣濕地大部分在減小，只有西部有稍許增加。前郭自治縣北偏東方向濕地略有增加。在扶余縣增加最多的是水稻田，寧江區的泛洪平原濕地和草本沼澤與2007年相比略有減少，長嶺縣的永久性淡水湖和季節性淡水湖出現明顯增加，乾安縣的草本沼澤減少較多，減少54%。

3 吉林西部濕地生態地質環境背景

3.1 地質地貌

地質因素制約濕地的形成和發育，控制濕地的空間分布和類型變化。影響研究區內濕地形成和發育的地質條件以第四紀地層、新構造運動和沉積物組合為主[7]。由于新構造運動的發生，使吉林西部發生沉降形成了臺向斜構造拗陷區，同時長嶺—雙遼弧形斷裂帶切割水系，使河流改道，水系變遷。

由于濕地的重要組成部分—水受地形控制，因而地形決定了濕地的分布和演化。研究中選取30 m分辨率的ASTER GDEM V2數據對研究區內的高程進行分析：研究區內高程介于1 m到357 m之間，整體為平原地帶，其中研究區的北側和北偏東地勢相對較低，容易困水成為濕地。當水量充足或處于雨季，零散低洼地區容易形成季節性湖泊。高程在120 m以上時形成濕地較為困難(圖6)。因此，地形地貌通過控制水的分布范圍，在短期內直接影響吉林西部濕地的發展變化。

表3 2007—2017年各地區濕地類型變化數據

注：1.永久性河流；2.泛洪平原濕地；3.永久性淡水湖；4.季節性淡水湖；5.草本沼澤；6.沼澤化草甸；7.水稻田；8.庫塘；9.其他土地利用類型.

圖6 研究區DEM數據Fig.6 DEM data in study area

3.2 氣候因素

圖7 2007年—2017年年平均降水數據Fig.7 Annual average precipitation in 2007—2017

從國家氣象信息中心獲取2007年—2017年年平均降水數據以及月平均溫度數據，通過統計分析發現：近年來年平均降水量呈現增加趨勢(圖7)，月平均氣溫呈拋物線分布(圖8)。在近年來吉林西部氣溫變化幅度不大，因此研究區內濕地變化情況主要受到降雨影響，需要降水作為水源補給，隨著降水量增加，大部分河流水位上漲，湖泊出現擴張趨勢。其中，季節性淡水湖和永久性淡水湖受到降水補充水源，變化最為明顯。水面的擴張，導致河流周圍的泛洪平原濕地略有減少。對于永久性河流來說，雖然河流的補給增加，但降水也增加河流的徑流量，永久性河流面積雖然增加，但增加幅度較小。

圖8 2007—2017年月平均氣溫數據Fig.8 Monthly average temperature in 2007—2017

3.3 人為因素

人口數量的迅速增加使吉林西部對糧食的需求有所增加，進而影響水稻田的種植面積。根據近10年來研究區人口變化(圖9)，2017年人口數與2007年相比增加8.3萬人。由于人口數增加，糧食需求增多，更多的人會種植水稻。同時水稻種植能夠改良吉林西部鹽堿質土壤，故水稻種植面積正逐年增加[12]。

圖9 研究區2007年—2017年人口數 Fig.9 Population in study area in 2007—2017

4 結論

(1)整個研究區內西北方向濕地分布密度等級普遍較高，南方濕地分布零散稀疏，近10年間研究區內濕地面積增多，以草本沼澤和永久性淡水湖為主，只有泛洪平原濕地和庫塘面積減少。

(2)第四紀地層、新構造運動和沉積物組合的地質背景制約濕地的形成和發育。研究區內高程差相對較小，在短期內影響濕地形成的規模和動態變化。

(3)影響濕地動態變化的主要因素可能是降雨，同時人口總數的增加，致使水稻田面積增加。