1954—2015年不同地貌分區下濕地農田化過程的時空特征
——以完達山以北三江平原為例

金曉敏, 李 穎，付波霖, 殷書柏, 楊 高，幸澤峰

1 中國科學院東北地理與農業生態研究所,長春 130102 2 中國科學院大學，北京 100049 3 唐山師范學院，唐山 063000 4 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081

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1954—2015年不同地貌分區下濕地農田化過程的時空特征
——以完達山以北三江平原為例

金曉敏1,2, 李 穎1,*，付波霖1,2, 殷書柏3, 楊 高1,2，幸澤峰4

1 中國科學院東北地理與農業生態研究所,長春 130102 2 中國科學院大學，北京 100049 3 唐山師范學院，唐山 063000 4 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081

以完達山以北三江平原(以下簡稱為小三江平原)為研究區，依據樣帶選擇原則選取具有濕地農田化典型性的區域(即典型樣帶)。在地質地貌分區的基礎上，基于特定歷史時期的土地利用/覆被數據集構建長時間序列的耕地和沼澤濕地動態變化數據集，利用RS和GIS技術分析小三江平原典型樣帶內濕地農田化的時空變化規律，探究近60年小三江平原內濕地農田化的區位特征，結果表明：(1)1954—2015年，小三江平原的耕地面積顯著增加，墾殖率達到了79.47%，耕地結構發生了顯著的變化；(2)小三江平原濕地農田化具有明顯的歷史階段性：在改革開放之前(1954—1976年)濕地農田化程度不是很大，改革開放初期(1976—1985年)開始發生明顯的濕地農田化，到全面改革開放期(1985—1995年)濕地農田化程度加重，在改革開放轉型期(1995—2005年)濕地農田化最嚴重，在深化改革開放期(2005—2015年)濕地農田化程度有所減小；(3)區域大的自然背景決定了小三江平原濕地農田化整體趨勢：1954—2015年間，小三江平原濕地農田化最初發生在中幅度沉降第四紀緩慢上升區，逐步擴展到大幅度沉降第四紀緩慢沉降區和小幅度沉降第四紀緩慢上升區；(4)小三江平原濕地農田化具有明顯的地貌區位特征：濕地農田化最初發生在沖積平原上，然后擴展到河流低階地和高河漫灘上，隨著時間的推移逐步擴展到低河漫灘和微高地上，最后蔓延到洼地上。

濕地農田化；樣帶；區位特征；地貌類型；小三江平原

濕地是水陸相互作用形成的獨特生態系統，具有調節氣候、涵養水源、防止土壤侵蝕和降解污染等生態功能。濕地對區域和全球的氣候變化、經濟發展及人類生存環境有著相當重要的影響，在維持生態平衡、保護生物多樣性等方面發揮著重要作用[1-2]。三江平原地區是我國最大的沼澤區，建國以來，隨著人口和國家社會經濟的發展，該地區經歷了幾次開荒高潮，沼澤濕地被大規模開墾為耕地[3-4],曾經“棒打狍子瓢舀魚”的廣袤沼澤濕地景觀，如今已成為良田萬頃的國家重要商品糧生產基地[5-6]。農業的快速發展導致了沼澤濕地的嚴重退化，為此三江平原成為人-地互動關系研究的典型區。

進入21世紀以來，隨著遙感技術的不斷發展，許多學者圍繞土地利用變化過程、景觀格局和濕地農田化等方面，對三江平原耕地擴張現象開展了相應的研究：劉吉平等從景觀格局的角度探討了1954—2010年三江平原土地利用景觀格局及其驅動力，研究結果表明1954—2010年三江平原耕地面積的增加主要是由開墾濕地和草地而來，且增加的耕地主要分布在研究區的北部和東部[7]；宋開山等對1954年以來三江平原土地利用變化及驅動力的研究后認為耕地面積的快速擴展引起濕地面積的急劇減少[8]；黃妮等研究了三江平原蘿北縣濕地農田化過程，結果表明耕地已成為該區的基質景觀，且地勢低平，坡度較小，土壤條件、地貌條件良好的平原區是濕地農田化的首選區域[9]。這些研究結果表明， 60年來三江平原耕地發生巨大變化，表現為濕地農田化導致耕地擴張。

濕地開墾一方面受國家政策及經濟發展的驅使，另一方面也受到自然環境的約束。然而，上述研究側重于人類活動對濕地退化影響的研究，沒有考慮國家政策和自然環境對濕地開墾的影響，為此，本文利用RS技術和樣帶法，以改革開放政策為社會背景，利用1954—2015年時間序列土地利用/覆被數據集，定量分析不同歷史時期完達山以北三江平原濕地農田化過程，同時結合地貌類型探究完達山以北三江平原地區耕地擴張過程的空間演化特征及發生規律，從而為三江平原濕地保護與耕地開墾沖突的權衡提供科學性依據。

1 研究區概況和樣帶的設定

1.1 研究區概況

研究區位于黑龍江省三江平原核心區域的完達山以北的黑龍江、松花江和烏蘇里江匯流處，由于長期的構造下陷和三江的泥沙堆積，所形成的低洼平坦的平原，簡稱小三江平原(圖1)，總面積16073.7 km2。該區屬溫帶濕潤大陸性季風氣候，夏季溫暖多雨，全年降水量多集中在6—8月份，徑流不暢，洪水泛濫；該區內資源豐富，雨熱同季，適宜小麥、大豆、水稻、玉米等多種農作物生長[10]。冬季寒冷漫長，季節性凍融易形成粘重土質，地表長期過濕，積水過多，形成大面積沼澤水體和沼澤化植被、土壤，構成了獨特的沼澤景觀。土壤類型主要有黑土、白漿土、草甸土、沼澤土等，以草甸土和沼澤土分布最廣，土質肥沃。目前，三江平原經過50多年改造、耕作，已經成為我國的重要商品糧基地之一，同時也成為人地互動關系研究的典型區。本研究選取小三江平原區域內典型樣帶探究近60年小三江平原濕地農田化的區位特征。

1.2 樣帶設定

圖2 研究樣帶地貌類型分布概況Fig.2 The distribution of geomorphic types in the transect

樣帶研究方法是研究空間差異的重要方法，在地理學及生態學研究中被廣泛采用[11- 13]。為了準確反映小三江平原濕地農田化過程的時空特征，本研究沿垂直北東向構造帶走向，選取小三江平原內寬20 km，縱貫黑龍江、濃江、別拉洪河和烏蘇里江，總面積1905 km2的區域作為典型樣帶，樣帶的選定主要基于以下幾個方面：

(1)樣帶占研究區面積約12%，地貌類型有江心洲、低河漫灘、高河漫灘、河流低階地、洼地、沖積平原和微高地等(圖2)，涵蓋了小三江平原濕地農田化的主要地貌類型；

(2)樣帶區屬于同江坳陷，在地質基礎和新構造運動制約下，造成樣帶區內地勢低平，自然條件優越，土壤中富含腐殖質、肥力高，有利于農作物生長，涵蓋了小三江平原適宜開墾為耕地的主要背景因素；

(3)1954—2015年間，研究樣帶區地表景觀由最初的以沼澤濕地為主轉變為以耕地為主，反映了小三江平原土地利用/覆被的格局轉變過程及濕地農田化過程；

(4)研究樣帶分布有2個主要的保護區：黑龍江三江國家級自然保護區和黑龍江八岔島國家級自然保護區(如圖2)，能夠從建立保護區之后濕地農田化的情況加以分析，更加具有典型性。

2 數據與方法

2.1 數據源與數據處理

以往的研究表明國家和地方政府在宏觀上制定的改革措施對土地利用變化起到關鍵作用[14- 16]，因此本研究以改革開放為社會背景依據，以及考慮數據的可獲取性和政策實施的滯后性，典型樣帶土地利用/覆被相關數據集的時間跨度為1954—2015年，具體數據源及其表征的歷史節點如表1所示。

此外，中國科學院地理科學與資源研究所(周成虎)編制的1∶500000地貌數據和分辨率為5.8m的資源三號多光譜影像作為輔助數據。其中，地貌數據用來分析不同地貌類型下耕地擴張的區域差異，資源三號衛星數據用來驗證土地利用/覆被解譯精度。

表1 1954—2015年土地利用數據

根據研究目的及研究區特點，參照《土地利用現狀分類》國家標準[17]，將研究區土地利用/覆被類型分為7種類型：耕地、林地、草地、水域、建筑用地、沼澤濕地和未利用地，并據此分類體系對已有成果數據進行調整。

將1982年、1990年、2010年和2015年的遙感影像進行預處理后，在ArcGIS軟件下，參照相鄰兩期的成果數據，進行人機交互式判讀，得到相應的土地利用/覆被數據。此外，使用2015年同時相的分辨率為5.8m的資源三號衛星數據對2015年解譯結果進行精度驗證，解譯精度達到90.5%。

2.2 研究方法

2.2.1 特定歷史時期濕地農田化區域差異

為了研究不同歷史階段內濕地農田化過程，將研究時期分為以下5個階段：改革開放之前(1954—1976年)、改革開放初期(1976—1985年)、全面改革開放期(1985—1995年)、改革開放轉型期(1995—2005年)和深化改革開放期(2005—2015年)。

以耕地面積相對變化率來反映濕地農田化區域差異，耕地面積相對變化率表達式為[18]：

(1)

式中，Ka和Kb分別為某一地貌區域一定研究時間內初期和末期的耕地面積，Ca和Cb分別為典型樣帶一定研究時間內初期和末期的耕地面積，R則表示在一定研究時間內的耕地相對變化率。如果某一地貌區域耕地的相對變化率大于1則表示該地貌區域耕地變化速度快于全區，反之則慢于全區。

2.2.2 基于地質構造和地貌類型的樣帶分區方法

三江平原總體地貌格局受構造運動控制，新構造運動總的趨勢是下沉的，但在下沉過程中伴隨有間歇性上升現象，主要受北東向次生斷裂控制，在樣帶區表現為黑龍江—濃江大幅度沉降第四紀緩慢沉降區、濃江—別拉洪河中幅度沉降第四紀緩慢上升區、別拉洪河—烏蘇里江小幅度沉降第四紀緩慢上升區[19]，為了科學的揭示小三江平原濕地農田化的空間區位特征，依據地質構造運動將樣帶分為3個一級區，即黑龍江—濃江區、濃江—別拉洪河區和別拉洪河—烏蘇里江區。

樣帶的地貌類型以流水地貌為主，在一級分區的基礎上，將典型樣帶進行二級分區，分為河流區、江心洲區、低河漫灘區、高河漫灘區、河流低階地區、洼地區、沖積平原區、微高地區和侵蝕剝蝕低丘陵區(如圖2)。

3 結果與分析

3.1 研究區濕地農田化過程時空特征

由典型樣帶內沼澤濕地面積與耕地面積變化情況(圖3,圖4)可見：1954—2015年間典型樣帶內沼澤濕地面積與耕地面積呈現此消彼長的態勢，景觀格局發生了劇烈的變化。土地利用景觀格局由建國初期的以沼澤濕地為主轉變為以耕地為主，耕地墾殖率達到79.47%，景觀基質發生了轉變(表2)。

圖3 典型樣帶內1954—2015年土地利用/覆被的空間格局Fig.3 Land use pattern in the typical transect from 1954—2015

圖4 典型樣帶內1954—2015年沼澤濕地與耕地面積變化及耕地內部結構Fig.4 The variation of marsh and farmland area and the structure of farmland in the typical transect from 1954—2015

從耕地結構變化來看(圖4)，隨著時間的變化耕地結構也發生了顯著變化：1954—2000年，耕地結構由旱地組成，結構單一；2000—2015年間，水田所占比例顯著增加，水田與旱地的比例分別由2000年的3.80%，96.20%變為2015年的78.06%，21.94%。此外， 2005—2015年，耕地面積增加以水田為主，水田增加主要由兩部分構成，即主要形式為沼澤濕地—水田和旱地—水田。

從濕地農田化發生的歷程上看(圖3和表2)，樣帶內1954—2015年伴隨著耕地面積的持續增加，沼澤濕地面積一直在減小，但濕地農田化表現出明顯的歷史階段性。在改革開放之前(1954—1976年)，耕地面積增加了78.5 km2，年均耕地面積增加3.6 km2，濕地農田化程度不是很大，主要原因是大量移民的涌入及農墾部隊的進入致使農田在此期間被開墾，但由于這一時期農業機械化程度低，農業的發展是以粗放式的經營為主[20]；改革開放初期(1976—1985年)，耕地面積增加了98 km2，平均每年增加了10.9 km2，發生了明顯的濕地農田化，這是由于國家政策導向(1976年國家提出了以防洪治澇為重點的“三江平原綜合治理規劃”，1982年起加大投資力度，對沼澤地工程進行施工， 1983年家庭聯產承包責任制的推行)和自然因素(1976—1979年持續干旱，地表積水少，大面積季節性積水的沼澤地干涸，為墾荒提供了土地條件)的影響[21]；到全面改革開放期(1985—1995年)，耕地面積增加了280.9 km2，年均增加了28.1 km2，濕地農田化程度加重，是由于日本貸款項目的支持和機械化程度的提高，排灌系統不斷完善，許多重度沼澤地不斷被開發為農田，再加上“井排井灌”這一改造沼澤水利工程的實施，低洼易澇耕地得到了有效的治理[22]；在改革開放轉型期(1995—2005年)，耕地面積新增了837.1 km2，年均耕地面積達到83.7 km2，濕地農田化最嚴重，主要原因是這一時期修建了許多水利設施[23]，導致濕地農田化速度明顯加快；到深化改革開放期(2005—2015年)，耕地面積增加了219.5 km2，年均耕地面積增加22.0 km2，濕地農田化程度減緩，一方面是因為可開墾的后備資源量少，另一方面是因為保護區的建立對沼澤濕地開墾為耕地起到了一定的抑制作用。

表2 近60年來典型樣帶內耕地及沼澤濕地分布

3.2 地貌一級分區下濕地農田化過程的區位特征

圖5 典型樣帶內1954—2015不同分區耕地面積變化 Fig.5 The change of farmland area in the three divisions during 1954—2015

圖6 典型樣帶內1954—2015年耕地變化 Fig.6 The change of farmland the typical belt from 1954 to 2015

從地貌一級區統計結果看(圖5，圖6)，盡管3個一級區濕地農田化過程與整個典型樣帶具有一定的相似性，但在各歷史階段濕地農田化呈現出明顯的區域差異性。

改革開放之前(1954—1976年)，濕地農田化主要發生在濃江-別拉洪河區，在黑龍江-濃江區和別拉洪河-烏蘇里江區僅是零星的開墾。到改革開放初期(1976—1985年)和全面改革開放期(1985—1995年)，3個一級區濕地農田化速度均持續增加，且濃江-別拉洪河區濕地農田化速度明顯高于黑龍江-濃江區和別拉洪河-烏蘇里江區。進入改革開放轉型期(1995—2005年)，3個一級區濕地農田化速度均達到最高峰，但各個區濕地農田化速度排序發生改變，從大到小為黑龍江-濃江區、濃江-別拉洪河區、別拉洪河-烏蘇里江區；到深化改革開放期(2005—2015年)，黑龍江-濃江區和濃江-別拉洪河區濕地農田化速度急劇減小，而別拉洪河-烏蘇里江區濕地農田化速度雖然較改革開放轉型期有所降低，但減小幅度有限，仍保持較強擴張的趨勢，主要原因：黑龍江-濃江區全部在國家級保護區內，相關的保護措施對濕地農田化起到了抑制作用；濃江-別拉洪河區可開墾的后備資源已盡匱乏，導致了濕地農田化速度減小，而別拉洪河-烏蘇里江區雖有保護區的建立對沼澤濕地開墾有一定的抑制作用，但保護區以外尚存大量的沼澤濕地，仍保持較大規模的開墾。

總體上看，小三江平原濕地農田化最先發生在中幅度沉降第四紀緩慢上升區，始于改革開放之前(1954—1976年)，在大幅度沉降第四紀緩慢沉降區和小幅度沉降第四紀上升區發生濕地農田化時間滯后于中幅度沉降第四紀緩慢上升區，其中，小幅度沉降第四紀緩慢上升區仍有繼續擴張的趨勢。

3.3 地貌二級分區下濕地農田化過程的區域差異

樣帶內各地貌類型區域耕地變化存在著顯著的差異，從整個研究時期1976—2015年來說，耕地的變化幅度從小到大依次為沖積平原、高河漫灘、河流低階地、低河漫灘、洼地。其中洼地、低河漫灘、河流低階地這3種地貌類型的R值均大于1，表明其耕地變化幅度均超過整個典型樣帶區的平均耕地變化率。沖積平原R值僅為0.54，其耕地增幅遠低于研究區平均水平，但沖積平原上新增耕地面積最大，1976—2015年新增耕地面積總計達到446.8 km2，平均每年增加11.5 km2，為整個典型樣帶區濕地農田化程度最為劇烈的地貌類型(表3和表4)。

表3 典型樣帶內1954—2015年間各地貌類型耕地面積/km2

1954年的0值是代表該年沒有耕地分布，耕地面積為0

表4 典型樣帶內1976—2015年間各時期耕地相對變化率

各個時期內不同地貌類型的濕地農田化表現出明顯的區域差異。1954年典型樣帶區處于原始狀態，沒有耕地分布。改革開放之前(1954—1976年)，耕地增加主要發生在沖積平原、河流低階地以及高河漫灘上，且在沖積平原上耕地面積分布最大；改革開放初期(1976—1985年)，洼地、河流低階地、高河漫灘的R值均大于1，但由于洼地增加面積很小，可以忽略不計，該時期濕地農田化幅度較大的區域為河流低階地和高河漫灘；全面改革開放期(1985—1995年)，微高地和低河漫灘上的耕地相對變化率均大于1，成為該時期濕地農田化明顯的地貌類型；改革開放轉型期(1995—2005年)，耕地面積增加最大，這一時期洼地的R值最大，為14.49，洼地上耕地的增加幅度最大，其次是河流低階地、高河漫灘、低河漫灘、沖積平原和微高地，其R值均大于1，說明這些地貌類型上的濕地農田化幅度均超過整個典型樣帶區，這一時期的區域差異變化最為明顯；深化改革開放期(2005—2015年)，由于耕地基數已經很大，因此各地貌類型的耕地變化更趨于一致，其中低河漫灘和洼地的R值分別為1.19和1.13，為整個典型樣區變化幅度最大的兩個區域，之后為沖積平原、河流低階地、微高地及高河漫灘，其中微高地和高河漫灘的耕地面積處于減少趨勢，減少原因有待探究。

從發生地貌區位看，濕地農田化首先發生在沖積平原上，逐步擴展到河流低階地和高河漫灘上，隨之蔓延到微高地和低河漫灘上，最后擴展到洼地上。

4 結論

1954—2015年小三江平原景觀格局發生了根本性地變化，景觀格局由建國初期以沼澤濕地為主體的土地利用景觀格局轉變為如今以耕地為主體的土地利用景觀格局。在這個變化過程中，濕地農田化過程和發生規模表現出明顯的歷史階段性和空間區位特征。通過對典型樣帶分析，可以得到近60年小三江平原濕地農田化過程的時空特征：

(1)1954—2015年，小三江平原土地利用變化主要形式為由沼澤濕地向耕地轉化，墾殖率由0增加到79.47%。此外，耕地結構發生顯著變化，1954—1990年研究區幾乎沒有水田分布，1990—2015年水田面積占耕地面積比例增到77.96%；

(2)近60年來，小三江平原濕地農田化具有明顯的歷史階段性：在改革開放之前(1954—1976年)、改革開放初期(1976—1985年)、全面改革開放期(1985—1995年)和改革開放轉型期(1995—2005年)濕地農田化程度逐漸加重，在深化改革開放期(2005—2015年)濕地農田化程度趨于和緩；

(3)小三江平原濕地農田化具有明顯的區位特征：1954—2015年間，從地質構造角度，小三江平原濕地農田化先從中幅度沉降第四紀緩慢上升區開始，然后逐步擴展到大幅度沉降第四紀緩慢沉降區和小幅度沉降第四紀緩慢上升區；從地貌類型角度，小三江平原濕地農田化最初發生在沖積平原上，然后擴展到河流低階地和高河漫灘上，隨著時間的推移逐步擴展到低河漫灘和微高地，最后蔓延到洼地上。

耕地的擴張必然會導致沼澤濕地的減少，進而影響了濕地的生態系統功能。弄清濕地農田化過程的時空規律及空間特征對濕地保護、恢復的重建都有重要指導意義。

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Spatiotemporal characteristics of wetland to farmland conversion processes in different geomorphological divisions during 1954—2015: a case study in the Sanjiang Plain north of the Wanda Mountains

JIN Xiaomin1, 2, LI Ying1,*, FU Bolin1, 2, YIN Shubai3, YANG Gao1, 2, XING Zefeng4

1NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3TangshanNormalUniversity,Tangshan063000,China4InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgrioulturalSciences,Beijing100081,China

The Sanjiang Plain north of the Wanda Mountains, or the sub-Sanjiang Plain for short, was selected as the study area and sampled with a typical transect using the principle of transect selection. The spatiotemporal characteristics of wetland to farmland conversion processes were explored using time series of land use/land cover datasets for the different geomorphological divisions. The specific conclusions of this study include the following: 1) The area of farmland in the sub-Sanjiang Plain increased significantly, with the reclamation rate reaching 79.47%. The farmland structure also changed significantly, from being dominated by croplands to being dominated by paddy fields, between 1954 and 2015. 2) The process of wetland to farmland conversion in the sub-Sanjiang Plain occurred in clear historical stages, with wetland conversion progressing slowly from 1954 to 1976, and increasing more rapidly during the periods of 1976—1985 and 1985—1995. Conversion of wetlands was most severe from 1995 to 2005, but has slowed in the most recent decade. 3) The process of wetland to farmland conversion was influenced by the regional geomorphic types. Wetland reclamation first appeared in theMeco-scaleQuaternarySlowAscentregion, and then extended to theSubstantiallyQuaternarySlowSubsidenceandSmall-amplitudeQuaternarySlowAscentregions. 4) The process of wetland reclamation showed clear features related to the geomorphological divisions, beginning in thealluvialplainandlowterrace, extending to thehighfloodplain, and then continuing into thelowfloodplainanddepression.

wetland to farmland conversion; transect; location characteristics; geomorphic types; Sanjiang Plain

國家自然科學基金項目(41271113)

2016- 10- 18;

2017- 01- 07

10.5846/stxb201610182121

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liying@neigae.ac.cn

金曉敏, 李穎，付波霖, 殷書柏, 楊高，幸澤峰.1954—2015年不同地貌分區下濕地農田化過程的時空特征——以完達山以北三江平原為例.生態學報,2017,37(10):3286- 3294.

Jin X M, Li Y, Fu B L, Yin S B, Yang G, Xing Z F.Spatiotemporal characteristics of wetland to farmland conversion processes in different geomorphological divisions during 1954—2015: a case study in the Sanjiang Plain north of the Wanda Mountains.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3286- 3294.