1954—2015年三江平原沼澤濕地變化的區域分異及影響因素

劉吉平,高 佳,董春月

吉林師范大學 資源保護與利用研究所, 四平 136000

在一定時空尺度上探討區域內的濕地格局、過程與功能,一直是濕地科學研究的基礎命題。濕地空間格局是各種生態過程在不同時空尺度上綜合作用的結果,具有顯著的時空差異性[1]。一些學者從區域分異角度對我國典型濕地進行研究,如劉志杰[2]、鄧偉等[3]、谷東起等[4]對黃河三角洲濱海濕地、山東半島潟湖濕地進行的研究。因此,探討濕地的空間分布格局及其變化趨勢,認識濕地空間格局演變的驅動機理,對維護濕地的穩定性、濕地功能的再造、促進濕地與周邊非濕地地區之間的協融性,以及保障濕地資源的永續利用至關重要[3,5]。

圖1 三江平原位置與流域分布圖Fig.1 The location and basin distribution of the Sanjiang Plain

三江平原是我國典型的濕地分布區,受人類活動和氣候變化的影響,近幾十年由原來的濕地基質變為現在的農田基質[6],其景觀的變化趨勢及驅動機制已成為當前備受關注的研究熱點。目前對三江平原濕地的研究主要集中在景觀變化比較明顯的別拉洪河流域[7- 9]、撓力河流域[7,10- 11]、小三江平原[12- 14]、三江平原東北部[15- 16]、興凱湖[17- 18]、蘿北縣[19]、建三江地區[20- 21]、三江自然保護區[22]、洪河濕地自然保護區[23]等區域。學者們對這些典型地區的濕地景觀變化雖然研究較多,各個分散的研究案例采用的數據、方法等不統一,導致甚至同一區域同一時期濕地景觀變化的結論相互矛盾,如王宗明等[24]和張一博等[16]對三江平原2000年沼澤濕地解譯的面積分別是9587 km2和4547 km2,二者相差一倍之多,不利于濕地規劃和保護工作的開展[25]。一些學者對三江平原濕地整體格局變化也進行了研究[6,24- 27],但考慮濕地變化區域分異的較少,劉吉平等[28]雖考慮了濕地變化的區域分異,用的是網格劃分法研究,網格劃分時沒考慮自然地理單元的完整性。流域內部水文循環完整且系統,沼澤濕地具有相似的變化規律和影響因素,因此本文從沼澤濕地變化入手,對三江平原各子流域沼澤濕地的時空變化進行對比研究,并定量分析其影響因素,找出濕地變化的原因,為減緩濕地破壞、修復濕地功能、穩定或改善區域整體生態環境,同時為政策制定者和土地規劃者制定相關保護政策,建立濕地自然保護區提供科學參考。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

三江平原位于黑龍江省東部,43°49″—48°27″N,129°11″—135°05″E(圖1),總面積為10.89×104km2,主要由完達山以北黑龍江、松花江、烏蘇里江沖積而成的低平原和完達山以南烏蘇里江及其支流與興凱湖形成的沖積、湖積平原組成,地勢西南高,東北低。屬溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候,年均氣溫2.5—3.6℃,年平均降水量500—600 mm。主要土壤類型有草甸土、白漿土、暗棕壤、沼澤土和黑土等。濕生和沼生植物主要有小葉章、沼柳、苔草和蘆葦等,其中以苔草沼澤分布最廣,占沼澤總面積的85%左右,其次是蘆葦沼澤。沼澤植被呈大面積分布,是中國淡水沼澤濕地最大分布區之一。根據三江平原的地域分異規律,參考相關文獻[29],將該區分為蘿北流域、同撫流域、撓力河流域、安邦河流域、倭肯河流域、穆棱河流域等6個流域(圖1)。

蘿北流域東臨松花江,北臨黑龍江,坐落在小興安嶺與三江平原的緩沖地帶,地勢西北高而多山,東南低而多沼澤,有梧桐河、嘟嚕河等河流,是松花江左岸的主要支流。同撫流域位于黑龍江省撫遠縣、同江市境內,黑龍江和烏蘇里江匯流的三角地帶,地勢由西南向東北傾斜,以低沖積平原為主,廣大區域為河流的一級階地,有別拉洪河、濃江和鴨綠河等主要支流,該區是三江平原沼澤濕地率最高、保護狀態較好的流域。撓力河流域地處三江平原腹地,東南以完達山為界,向東與烏蘇里江連接,撓力河是烏蘇里江的一級支流,有內七星河、外七星河、寶清河、七里沁河等河流,地形西南高東北低,地貌類型主要由平原、山地與丘陵組成,流域中下游的平原區,地勢低平,地表徑流不暢,形成大面積沼澤濕地。安邦河流域地處三江平原西南部,流域內地勢南高北低,以平原為主,安邦河為松花江下游右岸的一級支流,發源于完達山余脈,屬于季節性河流,該流域濕地率較低,主要集中分布在安邦河濕地自然保護區。倭肯河流域位于完達山西側和老爺嶺東側山系之間,地勢東南高,西北低,倭肯河為松花江右岸一級支流,發源于完達山的西北側,支流分布較密,該區沼澤濕地率較低。穆棱河流域位于三江平原的東南部,地勢由西向東傾斜,西部為老爺嶺,北部為完達山脈,東臨烏蘇里江,主要以山地丘陵為主,穆棱河是烏蘇里江左岸支流,發源于完達山老爺嶺東坡,支流眾多,穆棱河灘地和興凱湖濱灘地寬廣,地面普遍沼澤化。

1.2 數據來源與處理

本文主要利用三江平原各子流域1954年、1976年、1986年、2000年和2015年6個時期的沼澤濕地數據、氣溫降水數據、地貌數據和DEM數據等數據。

沼澤濕地數據由1954年的地形圖、1976年的MSS影像、1986年和2000年的Landsat TM、2015年的Landsat OLI遙感數據獲得。1954年沼澤濕地分布圖直接數字化1954年的地形圖而獲得。遙感影像時間主要為5、6月份。在幾何精校正和圖像增強處理后,對MSS、TM和OLI遙感數據分別以7、5、4波段,4、3、2波段,5、4、3波段進行標準假彩色合成,然后建立沼澤濕地解譯標志(幾何特征不明顯,也不規則;影像呈紅色、紫色或黑灰色;具有波狀紋理,質地較細),采用目視解譯。經野外調查和高分辨率遙感影像驗證,總體精度達到90%以上,滿足本文的要求。氣溫和降水數據使用中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),地貌數據數字化比例尺為1∶200000的三江平原地貌圖。

1.3 研究方法

(1)動態度

引入動態度來探討研究區沼澤濕地變化的速率。動態度模型公式為：

(1)

式中,Sa、Sb分別為研究期初和研究期末的濕地面積(km2);t為兩期監測數據的相隔時間(a)。n>0表示監測時間內濕地面積增加;n<0表示監測時間內濕地面積減少。n的絕對值越大表示面積變化的程度越大。

(2)景觀格局指數

計算三江平原6個子流域沼澤濕地在類型尺度上的景觀指數,采用景觀格局指數比較法,分析景觀空間格局變化的差異性。參考相關文獻[3,13,30],結合研究區實際情況,分析的景觀指數主要包括聚集度、斑塊密度、斑塊結合度和形狀指數。各景觀指數模型的計算公式參見文獻[13],利用Fragstats軟件計算1954—2015年研究區各子流域的沼澤濕地景觀指數。

(3)變異系數

用變異系數對三江平原各子流域沼澤濕地景觀指數時間變化進行分析。變異系數公式為：

(2)

(4)人為干擾度

由于1954—1976年人口和GDP的空間分布數據較難獲取,因此本文用人為干擾度反映人類活動強度。利用參考文獻[13]計算人為干擾度,用人為干擾度反映人類活動強度,計算1954—2015年三江平原各子流域的人為干擾度及每個網格單元的人為干擾度,計算方法參見文獻[13]。

(5)地理探測器

地理探測器是一種通過檢驗兩個變量空間分布的一致性,來探測兩變量之間可能的因果關系的空間分析模型[31]。本文借助“因子探測器”對影響三江平原沼澤濕地變化的各因子進行分析,得出各影響因子的相對重要性。因子探測器,用因子的解釋力進行判斷,解釋力越大,因子對于濕地變化的貢獻率越高,即關系越密切,反之則越小。計算方法見參考文獻[31]。

本文計算沼澤濕地率和干擾度的網格單元大小為5 km×5 km的正方形,計算出每個網格單元的濕地率(每個評價單元濕地的面積除以網格單元的面積,再乘以100%),同時計算每個網格單元的人為干擾度、氣溫和降水量變化值、海拔,并利用GIS空間分析統計出每個網格單元的地貌類型。

2 結果與分析

2.1 沼澤濕地面積變化的區域分異

2.1.1沼澤濕地面積的動態變化

運用ArcGIS 10.2軟件分別計算1954年、1976年、1986年、2000年和2015年三江平原子流域沼澤濕地面積,借助Excel統計分析功能計算三江平原子流域的沼澤濕地率(表1)。

表1 1954—2015年三江平原子流域沼澤濕地面積和沼澤濕地率

1954—2015年,三江平原各子流域沼澤濕地面積皆呈現減少趨勢(表1),同撫流域沼澤濕地率最高,其次是撓力河流域,1954年安邦河流域沼澤濕地率也較高,但1976—2015年是所有子流域最低的。倭肯河流域沼澤濕地率一直處于較低水平,蘿北流域和穆棱河流域處于中等水平。沼澤濕地面積喪失最大的子流域為撓力河流域和同撫流域,分別喪失了9609 km2和9122 km2,喪失最小的子流域為倭肯河流域和安邦河流域,分別喪失了1655 km2和2232 km2。

2.1.2沼澤濕地動態度差異性

根據單一土地利用類型動態度公式(1)計算出三江平原及其子流域沼澤濕地的動態度(表2)。

除1986—2000年安邦河流域沼澤濕地動態度為正值外,1954—2015年三江平原各子流域沼澤濕地動態度均為負值,其中以1976—1986年和2000—2015年沼澤濕地喪失率較高,而1986—2000年沼澤濕地喪失率較低(表2)。1954—2015年各子流域沼澤濕地動態度具有一定的差異,其中以安邦河流域、蘿北流域和倭肯河流域沼澤濕地動態度最大,穆棱河流域較小,同撫流域和撓力河流域居中,不同時期變化也不一樣,同撫流域、蘿北流域和倭肯河流域在1976—1986年沼澤濕地喪失率最高,而撓力河流域、安邦河流域和倭肯河流域在2000—2015年沼澤濕地喪失率最高。

表2 1954—2015年三江平原及其子流域沼澤濕地動態度/%

1954—2015年,同撫流域、蘿北流域、安邦河流域和倭肯河流域沼澤濕地動態度大于三江平原,其中安邦河流域沼澤濕地動態度的絕對值最大,為-1.64,說明這些研究區的沼澤濕地變化較整個區域大,撓力河流域和穆棱河流域沼澤濕地動態度小于三江平原,說明該研究區的沼澤濕地變化比整個區域小。

2.2 沼澤濕地景觀格局變化的區域分異

2.2.1斑塊聚集度

斑塊聚集度表示景觀中不同景觀類型的聚集程度。從圖2可以看出,1954—2015年,除倭肯河流域呈現上升趨勢外,其他5個子流域的沼澤濕地斑塊聚集度都呈波動下降趨勢,說明大部分子流域沼澤濕地的集中化程度減弱,分散程度增加。安邦河流域由于受人為干擾較強,聚集度變化最為顯著,1954年后有明顯的下降趨勢,除1954年較高外,其他時間均呈最低,說明該流域沼澤濕地的集中化程度較弱。撓力河流域沼澤濕地聚集度一直保持最高水平,表明撓力河流域沼澤濕地的集中化程度較高。2000年至2015年,撓力河流域與穆棱河流域的聚集度呈下降趨勢,其他流域均呈上升趨勢。

2.2.2斑塊密度

由圖3得,1954—2015年除倭肯河流域呈現下降趨勢外,其他5個子流域的沼澤濕地斑塊密度皆呈波動上升趨勢,說明沼澤濕地破碎化程度加大[17]。安邦河流域與倭肯河流域變化最為劇烈,1954—1970年倭肯河流域沼澤濕地斑塊密度最大,但在1970年出現拐點,下降趨勢顯著。1970年—2015年,安邦河流域沼澤濕地斑塊密度超過其他流域一直保持最大值。撓力河流域和穆棱河流域沼澤濕地斑塊密度一直處于較低水平。

圖2 1954—2015年三江平原子流域沼澤濕地斑塊聚集度變化圖 Fig.2 The variation of patch aggregation index of swamps in sub-basins of the Sanjiang Plain from 1954 to 2015

圖3 1954—2015年三江平原子流域沼澤濕地斑塊密度變化圖 Fig.3 The variation of patch density of swamps in sub-basins of the Sanjiang Plain from 1954 to 2015

2.2.3斑塊結合度

斑塊結合度指數量化相應景觀類型的自然連接性。從圖4可以看出,1954—2015年各子流域沼澤濕地斑塊之間的連接性均呈下降趨勢,其中安邦河流域下降幅度最大,倭肯河流域下降幅度最小。安邦河流域沼澤濕地斑塊之間的連接性是所有流域最低的,而撓力河流域在2000年前是最高的,2000年后變為倭肯河流域最高。2000年以后,所有流域都出現下降趨勢,其中撓力河流域最為明顯。

2.2.4形狀指數

由圖5可以看出,1954—2015年三江平原6個子流域形狀指數值都處于1.4—1.7之間并呈波動下降趨勢,表明研究區6個子流域沼澤濕地景觀形狀都處于隨機狀態,斑塊穩定性較差。這主要與人類的農墾活動有關,農田是一種高強度人為干擾的人工景觀,而沼澤濕地斑塊抗干擾能力較弱,隨著農業機械化程度提高和農田管理的加強,沼澤濕地大面積喪失,沼澤濕地斑塊穩定性下降,其形狀分布趨于隨機狀態。

圖4 1954—2015年三江平原子流域沼澤濕地斑塊結合度變化圖 Fig.4 The variation of patch cohesion index of swamps in sub-basins of the Sanjiang Plain from 1954 to 2015

圖5 1954—2015年三江平原子流域沼澤濕地形狀指數變化圖 Fig.5 The variation of shape index of swamps in sub-basins of the Sanjiang Plain from 1954 to 2015

2.2.5景觀指數變化對沼澤濕地景觀格局演化的貢獻

通過式(3)計算格局演變貢獻指數C(表3)。根據指數C可知,最能表現三江平原各子流域沼澤濕地景觀格局演變的指數是斑塊密度,其變異系數遠高于其他指數的變異系數,各子流域中斑塊密度變異系數最大值出現在同撫流域,為0.588;安邦河流域斑塊聚集度和斑塊結合度的變異系數在各子流域中均最大,分別為0.172和0.070;形狀指數在穆棱河流域和撓力河流域的作用最為顯著,變異系數值均為0.032。

表3 三江平原子流域景觀格局指數變異系數

2.3 三江平原沼澤濕地變化區域分異的影響因素

借助Geogdetector軟件的Factordetector模塊,以1954—2015年沼澤濕地變化率為因變量,以1954—2015年人為干擾度變化值、2015年三年移動平均值減去1954年三年移動平均值得到的氣溫和降水量變化值、海拔和地貌類型為影響因子(圖6),對三江平原各子流域沼澤濕地變化的各影響因子的貢獻率進行計算,所選擇的影響因子均通過顯著性水平為0.05的P檢驗,結果如表4。

圖6 三江平原沼澤濕地變化區域分異的影響因素分布圖Fig.6 The distribution of influence factors on the regional differentiation of swamps in the Sanjiang Plain

由表4可以看出,影響三江平原及各子流域沼澤濕地變化的主要因子是人為干擾度,特別是倭肯河流域、安邦河流域和穆棱河流域人為干擾度對沼澤濕地變化的貢獻率達50%以上,說明人類活動是三江平原沼澤濕地變化的主要因素。自然因素中對沼澤濕地變化影響最大的是地形地貌,但各子流域也不相同,撓力河流域和倭肯河流域海拔影響的程度大于地貌類型,其他子流域正相反。安邦河流域、蘿北流域和穆棱河流域中,氣溫是僅次于地形地貌的影響因素,而同撫流域,降水量是僅次于地貌的影響因素。

表4 1954—2015年三江平原各子流域沼澤濕地變化的各影響因子貢獻率/%

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1人為因素對三江平原沼澤濕地變化區域分異的影響

利用人為干擾度公式計算1954—2015年三江平原各子流域的人為干擾度(表5)。由表5可以看出,1954—2015年同撫流域人為干擾程度最小,除1954年人為干擾最強的地區是倭肯河流域外,1976—2015年以安邦河流域人類干擾最強。安邦河流域人為干擾度最大,是造成該區沼澤濕地動態度和相對變化率最大的主要原因,其對沼澤濕地變化的貢獻率也較大。

表5 1954—2015年三江平原子流域人為干擾度

通過計算人為干擾度與沼澤濕地景觀指數之間的灰色關聯度(表6),反映人類干擾對景觀格局的影響。由表6可以看出,以安邦河流域人為干擾度與沼澤濕地景觀指數的灰色關聯度最大,穆棱河流域和撓力河流域最小,說明人為干擾對安邦河流域沼澤濕地景觀格局影響最大,而對穆棱河流域和撓力河流域影響最小。不同子流域人為干擾影響景觀指數強度也不相同,安邦河流域、穆棱河流域和同撫流域的人類活動對斑塊聚集度影響最大,蘿北流域和撓力河流域人類活動對斑塊形狀指數影響最大,而倭肯河流域對斑塊密度影響最大。

表6 人為干擾度與沼澤濕地景觀指數及沼澤濕地動態度的灰色關聯度

為了反映人類干擾對沼澤濕地動態度的影響,計算了人為干擾度與沼澤濕地動態度之間的灰色關聯度(表6)。從表6可以看出,蘿北流域的沼澤濕地動態度與人為干擾度關系最為密切,其次為安邦河流域,這兩個流域的沼澤濕地率(表1)較低,但人為干擾對沼澤濕地動態度影響較大,造成這兩個流域沼澤濕地變化較整個區域大。穆棱河流域、同撫流域和倭肯流域的關聯度都居中。撓力河流域人為干擾度與沼澤濕地景觀指數的灰色關聯度最小,說明人為干擾對沼澤濕地動態變化影響相對較小,造成該流域沼澤濕地變化較整個區域小。

3.1.2地形地貌因素對三江平原沼澤濕地變化區域分異的影響

地形地貌是影響沼澤濕地形成和空間分布的主要因素,直接控制了區域相對負地形的分布并決定區域水流的特點,對水分和熱量進行再分配。沼澤濕地一般形成于地表過濕、或有薄層積水的環境,平坦、特別是負地貌最為有利。同樣,地形地貌也影響到沼澤濕地的難易開發程度,并通過人類活動影響到沼澤濕地的喪失程度和喪失時期[32]。1954—2010年,三江平原沼澤濕地的喪失主要集中在地勢較低的低河漫灘、河流階地、高河漫灘3種地貌類型上,沼澤濕地喪失的規律為由河流階地到河漫灘,再到河曲帶的過程[28]。地形地貌影響沼澤濕地變化的根本原因還是人類活動作用的結果。

安邦河流域雖然面積較小,但主要以平原和臺地為主,開發難度小,開發時間早,是三江平原各流域中開發時間最早,開發強度最大的流域[29],早在20世紀50年代至70年代,就有大面積沼澤濕地被開發成農田,這是造成1954—1976年該流域沼澤濕地喪失速率最快的主要原因。20世紀70年代至80年代,由于安邦河流域平原和臺地上的沼澤濕地幾乎被開發殆盡,沼澤濕地開發速度迅速下降,而穆棱河流域沼澤濕地開發速度躍居首位,開發重點集中在穆棱河流域的興凱平原附近,同時同撫流域在此時期也得到了大面積開發。20世紀90年代以來,撓力河流域、同撫流域和蘿北流域位于地勢較低的河漫灘和階地上的沼澤濕地受到不同程度的開發。

3.1.3氣候因素對三江平原沼澤濕地變化區域分異的影響

利用1954—2015年年平均氣溫和年降水量數據,計算出三江平原各子流域氣溫傾向率和降水量傾向率(表7)。由表7可以看出,三江平原各子流域氣溫傾向率皆為正值,氣溫呈現上升趨勢,蘿北流域為最大的增溫中心,最大傾向值為0.040℃/a,最小的氣溫傾向值出現在同撫流域,為0.022℃/a。唯一的降水增加中心出現在倭肯河流域,降水量傾向率為0.010 mm/a,其余子流域降水都逐漸減少,減少最多的子流域為撓力河流域,降水量傾向值為-2.230 mm/a。

表7 三江平原子流域1954—2015年氣溫和降水傾向率

除倭肯河流域以外的其他子流域均是氣溫升高和降水量減少。氣溫升高、降雨量下降都會造成沼澤濕地的喪失和退化[33],Brock等研究表明氣溫升高3—4℃,歐洲南部半干旱地區的濕地面積在5年之內將減少70%—80%[34],張樹清等研究也表明,氣溫升高、降雨量減少是造成三江平原沼澤濕地減少的主要原因之一[35],因此氣候變化是影響三江平原沼澤濕地格局變化的主要自然因素之一。同時沼澤濕地對氣候變化也產生一定的影響,1954—2015年撓力河流域和同撫流域是沼澤濕地率最高、濕地面積喪失最大的區域,造成這兩個區域降水量下降最多、氣溫上升幅度較大,而倭肯河流域和安邦河流域是沼澤濕地率最低、沼澤濕地面積喪失最小的區域,造成這兩個區域降水量下降不明顯、氣溫上升幅度不大。

3.2 結論

(1)三江平原沼澤濕地面積變化具有明顯的區域分異規律。1954—2015年,三江平原各流域沼澤濕地面積呈現減少趨勢,其中以1976—1986年和2000—2015年沼澤濕地喪失率較高,而1986—2000年沼澤濕地喪失率較低;沼澤濕地面積喪失最多的子流域為撓力河流域和同撫流域,最少的為倭肯河流域和安邦河流域;位于研究區西部的安邦河流域、蘿北流域和倭肯河流域沼澤濕地喪失速率較快,而位于東部和南部的穆棱河流域、同撫流域和撓力河流域較慢。

(2)三江平原各流域沼澤濕地格局變化特征具有一定的差異性。1954—2015年,除倭肯河流域沼澤濕地斑塊的集中化程度逐漸增強且破碎化程度減少外,其他流域沼澤濕地的集中化程度逐漸減弱且破碎化程度增加;各子流域沼澤濕地斑塊之間的連接性和穩定性均呈下降趨勢,其中安邦河流域沼澤濕地斑塊之間的連接性下降幅度最大,倭肯河流域下降幅度最小;最能表現三江平原各子流域沼澤濕地景觀格局演變的指數是斑塊密度,其中同撫流域斑塊密度變異最大。

(3)人為干擾是影響三江平原各子流域沼澤濕地變化的主要因素,人為干擾對安邦河流域沼澤濕地景觀格局影響最大,而對穆棱河流域和撓力河流域影響較小;自然因素中對沼澤濕地變化影響最大的是地形地貌,其次是氣溫和降水量。