近30年小興安嶺沼澤濕地動態(tài)及其驅(qū)動力研究

劉 爽 萬魯河

（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)測與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗室，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，大面積的排水造田以及過度開發(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，沼澤濕地動態(tài)變化及其驅(qū)動力的探究對小興安嶺濕地的保護(hù)與合理開發(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hm2，森林覆蓋率達(dá)74.8%（周利軍等, 2008），是我國重要的林區(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，影響森林的生長并促進(jìn)沼澤化及濕生植被的發(fā)育。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文的主要遙感數(shù)據(jù)源來自美國陸地衛(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)對分類結(jié)果進(jìn)行驗證。

根據(jù)研究內(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、溫度和相對濕度數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(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、經(jīng)濟(jì)、糧食產(chǎn)量和人口等資料（數(shù)據(jù)來源于黑龍江省統(tǒng)計年鑒）。

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平臺上，對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自動決策樹分類方法對研究區(qū)影像進(jìn)行分類。最后利用實(shí)地考察獲得的驗證點(diǎn)數(shù)據(jù)和高分辨率影像，對分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗和修改，使分類結(jié)果的Kappa系數(shù)大于0.8，符合研究需要。

1.4 沼澤濕地動態(tài)分析方法

1.4.1 沼澤濕地面積相對變化率 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)計不同時期每個網(wǎng)格中的濕地面積相對變化率。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態(tài)度 為研究沼澤濕地的動態(tài)變化，選取了土地利用動態(tài)模型中的單一土地利用類型動態(tài)度模型，動態(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為研究時段內(nèi)某網(wǎng)格內(nèi)的沼澤濕地動態(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空演變，通過計算沼澤濕地不同時期重心坐標(biāo)，分析得到沼澤濕地重心移動方向與移動距離。

1.6 主成分分析

主成分分析(PCA)是一種通過降維來簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將原來錯綜復(fù)雜的多變量通過線性變換選出主要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法(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平臺的Change Detection Statistics工具來計算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年來有大面積沼澤濕地被人為開墾為林地與耕地，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對小興安嶺沼澤濕地分類結(jié)果進(jìn)行分析、統(tǒng)計，得到研究區(qū)4個時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，因其緊鄰大沾河國家級自然保護(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 沼澤濕地面積相對變化率的區(qū)域分析

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

圖4 不同時段沼澤濕地面積動態(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變化率計算結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，1985-1995年1 083個網(wǎng)格中有334個網(wǎng)格沼澤濕地面積相對變化率小于全區(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個網(wǎng)格沼澤濕地面積相對變化率小于全區(qū)的變化率，占總數(shù)的45.89%，主要分布在黑河。2005-2015年相對變化率小于1的網(wǎng)格數(shù)有所增加，沼澤濕地面積相對變化率小于全區(qū)的范圍在擴(kuò)大。2005-2015年相對變化率大于10的網(wǎng)格數(shù)相比上個時段增加了13.39%，研究區(qū)沼澤濕地整體相對變化速率在降低，而部分地區(qū)相對變化速率在升高。由于沒有得到合理的控制，沼澤濕地面積相對變化率大于10的網(wǎng)格幾乎都是由前一時段相對變化率大于1的網(wǎng)格轉(zhuǎn)化而來。

2.4 沼澤濕地動態(tài)度變化的區(qū)域分析

如圖4所示，小興安嶺地區(qū)3個時段沼澤濕地動態(tài)變化度區(qū)域差異明顯，第3時段動態(tài)度大于10%的網(wǎng)格數(shù)明顯多于前兩個時段，表明2005-2015年沼澤濕地動態(tài)度明顯加快。從3個時段高動態(tài)度區(qū)域的不同可以看出，1985-1995年高動態(tài)度區(qū)域表現(xiàn)較為破碎；1995-2005年高動態(tài)度區(qū)域有向北部遷移的趨勢，并且在黑河?xùn)|北部分布較為集中；2005-2015年動態(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)沼澤濕地動態(tài)度較小。

2.5 小興安嶺地區(qū)沼澤濕地變化驅(qū)動力分析

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

2.5.2 社會經(jīng)濟(jì)因素 在研究小興安嶺地區(qū)沼澤濕地動態(tài)變化的社會經(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、水庫庫容量、除澇面積、農(nóng)作物總播種面積和糧食產(chǎn)量7個影響因子，以1986-2015年的數(shù)據(jù)為分析樣本。

利用SPSS 20.0對小興安嶺沼澤濕地社會經(jīng)濟(jì)影響因子進(jìn)行主成分分析，首先對社會經(jīng)濟(jì)因子做相關(guān)系數(shù)分析，并進(jìn)行KMO檢驗，計算得到KMO值=0.648＞0.60，表明社會經(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、水庫庫容量、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，說明第一主成分反映了社會經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)對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，說明第二主成分反映了人口數(shù)量對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)沼澤濕地的動態(tài)變化及其驅(qū)動力，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個時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)動力分為自然環(huán)境因素和社會經(jīng)濟(jì)因素。沼澤濕地面積與相對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)，也表明了濕地開墾、擴(kuò)張建筑用地等人類活動對小興安嶺地區(qū)沼澤濕地影響較大。

2000年以來，小興安嶺地區(qū)人類活動不斷增強(qiáng)，對自然生態(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，提出多項措施以期建立濕地長效保護(hù)機(jī)制，恢復(fù)濕地的生態(tài)功能。