红原县湿地时空格局变化及其生态效应

孙明江 李爱农 冯文兰 雷光斌 张正健

摘要：基于1975年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年的Landsat TM/MSS遥感影像，采用面向对象与决策树相结合的分类方法，完成了红原县湿地信息的遥感解译和动态特征分析，并结合生态效应指数和土壤侵蚀量对湿地变化的生态效应进行了分析。结果表明：红原县湿地以沼泽化草甸为主，近年显示出泥炭沼泽→沼泽化草甸→湿草甸→草甸的演化趋势；1975年以来，62.03%的湿地面积呈现持续减小和波动变化的特点；湿地质心发生偏移，其中1975-2000年向东北偏移128.56m，2000-2010年向西南偏移757.26m；湿地集中分布在坡度小于6°且排水不畅的区域，湿地面积减小率随坡度增大而增大，在坡度为2°～6°的区域，各湿地类型的转化面积随坡度的增大而减小；近年来红原县湿地生态效应指数逐渐增大，湿地区土壤强烈侵蚀的比例不断增大，揭示出红原县湿地生态安全受威胁程度日益加重。

关键词：湿地；RS； GIS；时空格局变化；生态效应；四川省红原县

中图分类号：X37 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.015

湿地具有巨大的生态效益，能够涵养水源、蓄洪防旱、调节气候、净化水质，以及为野生动物提供栖息地等，与森林、海洋并称为三大生态系统，因其特殊性和重要性而得到学者的重视。近几十年来，受气候变化和人类不合理开发利用影响，湿地面积萎缩、功能退化，已经引起严重的区域生态环境问题。湿地面临前所未有的干扰和威胁，是生态环境领域的研究热点。

若尔盖高原是世界上面积最大、海拔最高的高原高寒泥炭沼泽湿地集中分布区，其湿地变化对气候变化高度敏感。红原县地处若尔盖高原东南部，其境内湿地是若尔盖高原湿地的重要组成部分，因此对红原县湿地时空格局变化进行研究具有重要意义。随着遥感和GIS技术的发展和成熟，许多学者利用遥感和GIS技术对湿地资源进行调查，研究湿地变化及其对环境的影响[川。当前，国内外学者主要从湿地的生物多样性、结构、功能和景观格局等方面对湿地开展相关研究工作。白军红等对若尔盖高原高寒湿地的研究表明：红原县湿地率仅次于若尔盖县，与20世纪60年代相比，2000年湿地景观面积呈萎缩状态；张晓云等研究表明：1975-2006年，红原县呈现干旱化趋势，沼泽、河流和湖泊面积减少。已有研究在分析湿地变化时所依据的数据期数较少，时间跨度较少，难以揭示湿地长期变化规律，同时关于高寒湿地变化引起的生态环境效应鲜见报道。本文以红原县1975年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年LandsatTM/MSS影像为数据源，提取6个时期的湿地数据，分析红原县湿地的时空格局变化及其生态效应，旨在了解红原县高寒湿地变化特征，揭示其生态环境效应，以期为该地区湿地保护和生态建设提供科学依据。

1 研究区概况

以四川省红原县（北纬31°50′-33°22′，东经101°51′-103°23′）为研究区。青藏高原东北边缘的红原县位于四川省西北部的阿坝藏族羌族自治州中部，与四川省松潘县、黑水县、阿坝县、马尔康县、理县、若尔盖县接壤，全县辖11个乡（镇）33个行政村。红原县东西长141.93km，南北宽162.81km，总面积8439.94km2，是长江、黄河上游的重要水源涵养地。地势由东南向西北倾斜，平均海拔3750m。红原县气候属于大陆性高原寒温带季风气候，四季界限不明显，春秋两季较短，气候偏冷，年平均气温1.4℃。多年平均降水量749.1mm，降水集中在5-8月。其独特的地理、地貌、气候特征孕育了该区域复杂多样的地物类型，其中泥炭沼泽、沼泽化草甸、湿草甸和河流湖泊是红原县主要的湿地类型。

2 数据和方法

2.1 数据来源

遥感数据为1975年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年的Landsat TM/MSS影像，源自美国地质调查局网站（http：//glovis.usgs.gov），影像获取时间为6-9月，轨道号为P130R037、P131R037、P131R038，共6期18景影像。DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心SRTM国际科学数据镜像网站（http；//www.gscloud.cn），采用ASTER GDEM V230 m分辨率数字高程数据，坡度数据由DEM数据衍生而来。归一化植被指数（NDVI）数据为8km分辨率的GIMMS数据产品（1990年、1995年）和250m分辨率的MODIS植被指数数据产品（2000年、2005年、2010年）。1：100万土壤类型数据源自中国科学院寒区旱区环境与工程研究所网站（http；//www.careeri.cas.cn/zt/kxsj）。气象数据源自中国气象科学数据共享服务网（http；//cdc.nmic.cn/home.do），包括红原县及其周边18个气象站点41a（1970-2010年）的日降水数据和气温数据。

2.2 研究方法

（1）数据处理。综合野外考察情况、红原县湿地特征及已有研究成果，将研究区湿地分为泥炭沼泽、沼泽化草甸、湿草甸和河流湖泊4种类型。TM影像数据取4、3、2波段合成假彩色图像，经过几何和辐射校正，误差控制在1个像元内。采用面向对象分类与决策树相结合的方法实现湿地信息解译和遥感制图。依据各时期的影像，分别检测出1975-1990年、1990-1995年、1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年（记为时段Ⅰ、时段Ⅱ、时段Ⅲ、时段Ⅳ、时段Ⅴ）5个时段湿地的变化图斑。依据2010年红原县湿地分类图，得到红原县各时期各湿地类型的空间分布信息。

（2）湿地时空格局变化分析。将湿地面积百分比例化，按边长为250m的格网对各期湿地进行分割，将每个格网中的湿地面积与格网面积的比例作为该格网的湿地百分比。时间变化特征是将1975-2010年5个时段的面积变化重新组合分析，重分类为5种变化类型：面积持续减小区（指5个时段内面积都保持减小的区域）、波动不稳定区（指变化过程中面积时增时减的区域）、无变化区（指5个时段内面积都没有变化的区域）、恢复区（指面积早期减小而后期增加的区域）和持续增加区（指5个时段内面积都保持增加的区域）。空间变化特征以2010年湿地面积相对于1975年的变化来反映，基于栅格单元计算湿地面积的变化幅度，面积变化小于-20%的為高度减小区，面积变化-20%～-2%的为低度减小区，面积变化-2%～2%的为无变化区，面积变化2%～20%的为低度增加区，面积变化大于20%的为高度增加区，共5种变化类型。

湿地面积质心的移动反映湿地面积的空间偏移，如果湿地面积在一方向上出现明显消长，那么质心会发生明显偏移；如果湿地面积在每个方向上均匀消长，那么质心不发生变化。为此，计算各时期湿地质心的地理坐标，分析湿地空间分布的变化情况。各时期质心坐标可用如下公式求得：式中：Xt、Yt分别为第t年湿地质心的经纬度坐标；Cti为第t年第i个湿地斑块的面积；Xi、Yi分别为第i个湿地斑块质心的经纬度坐标。

（3）生态效应分析。许多学者选取不同景观指数对景观格局进行定量化研究。本文采用景观指数构建的生态效应指数来反映湿地的生态效应，生态效应指数计算公式如下：

E=λ1F+λ2U+λ3H （2）式中：E为生态效应指数；F为景观破碎度；U为景观分离度；H为优势度；λ1、λ2、λ3分别反映了景观破碎度、景观分离度、优势度对景观生态效应的影响程度，结合红原县湿地的实际情况以及前人的研究成果，取值分别为0.5、0.3、0.2。

生态效应指数越大，景观脆弱性越强，区域生态环境安全程度越低。土壤侵蚀的评估结果能反映区域生态环境的综合情况，采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE）对红原县土壤侵蚀量进行估算，得到250 m分辨率的土壤侵蚀模数栅格数据。参考水利部发布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190-2007）对红原县湿地区域土壤侵蚀进行分级：<500t/（km2·a）为微度侵蚀；500～2 500t/（km2·a）为轻度侵蚀、2500～5000t（km2·a）为中度侵蚀、5000～8000t/（km2·a）为强烈侵蚀；> 8000t/（km2·a）为极强烈侵蚀。

3 结果与分析

3.1 湿地变化的时序特征

红原县湿地以沼泽化草甸为主（见表1），2010年湿地总面积为1502.35km2，泥炭沼泽、沼泽化草甸、湿草甸、河流湖泊面积比例约为3：11：4：1。1975-2010年，红原县泥炭沼泽退化趋势明显，减小面积达84.33km2，占原有面積的27.41%；沼泽化草甸、湿草甸和河流湖泊面积均有所增加，增加面积分别为20.96、18.42、6.72km2，各占原有面积的2.45%、5.96%、9.64%。

1975-2010年，泥炭沼泽面积呈连续萎缩趋势，时段I的面积年均减小率最大（3.57km2/a），减少了53.55km2，该时段处于排水疏干、开辟沼泽为牧场期，挖沟排水导致泥炭沼泽大面积萎缩。沼泽化草甸面积呈先增加后减小趋势，1995年面积最大；时段Ⅰ的面积年均增加率最大（3.08km2/a），增加了46.19km2，该时段泥炭沼泽转出量的89.78%转为沼泽化草甸；时段Ⅳ的面积年均减小率最大（5.67km2/a），减少了28.34km2。随着湿地水分的疏干，沼泽化草甸向湿草甸、草甸方向转化，沼泽化草甸转出量的48.94%转为湿草甸，36.23%转为草甸。湿草甸面积呈增加趋势，时段Ⅴ的面积年均增加率最大（1.44km2/a），增加了7.22km2，沼泽化草甸转出量的75.70%转为湿草甸。河流湖泊面积增加趋势不明显，其绝对变化量最小。由以上分析可知，红原县湿地呈泥炭沼泽→沼泽化草甸→湿草甸→草甸的演化趋势。根据红原县气象站点气温、降水数据（见图1），红原县年均气温上升速率为0.34°/10a，年降水量减少速率为55mm/10a，呈气温升高、降水量减少的暖干化趋势，与郭洁等的研究结果一致。该趋势是导致湿地退化的重要原因，其中降水的影响更为显著。

根据相邻时段湿地面积变化可知：红原县持续减小区面积为537.53km2，占变化区面积的24.14%，集中分布在瓦切乡附近的日干乔湿地、红原县城周边的月亮湾湿地以及龙日乡附近湿地；波动不稳定区面积为843.75km2，占变化区面积的37.89%，主要分布在瓦切乡附近的日干乔湿地、红原县城周边的月亮湾湿地以及龙日乡和色地乡附近湿地；恢复区面积为344.03km2，占变化区面积的15.48%；持续增加区面积为501.73km2，占变化区面积的21.17%，恢复区和持续增加区无集中分布区域，主要以湿草甸、河流湖泊的好转为主。

3.2 湿地变化的空间特征

与1975年相比，2010年红原县湿地面积变化显著。高度减小区与低度减小区集中在瓦切乡和麦洼乡境内的日干乔湿地、色地乡境内的黑河区域湿地、红原县城附近的月亮湾湿地，以及龙日乡境内的白河和色阿曲宽谷区域湿地，4个区域中高度减小区面积分别占研究区高度减小区面积的42.33%、19.55%、10.25%、17.96%，低度减小区面积分别占研究区低度减小区面积的37.08%、23.64%、9.49%、16.92%。低度增加区和高度增加区集中在瓦切乡和麦洼乡境内的日干乔湿地、色地乡境内的黑河区域湿地，以及龙日乡境内的白河和色阿曲宽谷区域湿地，3个区域低度增加区面积分别占研究区低度增加区面积的26.82%、18.67%、26.02%，高度增加区面积分别占研究区高度增加区面积的27.08%、17.22%、29.22%。

1975年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年研究区湿地的质心坐标（北纬，东经）分别为（32.8445°，102.6875°）、（32.8452°，102.6879°）、（32.8452°，102.6879°）、（32.8455°，102.6882°）、（32.8413°，102.6846°）、（32.8404°，102.6829°）。35a间，湿地质心发生了偏移（见图2），其中：1975-2000年质心向东北方向移动，向北偏移0.0010°，向东偏移0.0007°，整体向东北方向偏移128.56m；2000-2010年质心向西南方向移动，向南偏移0.0051°，向西偏移0.0053°，整体向西南方向偏移757.26m。1975-2000年，红原县北部的湿地变化主要为泥炭沼泽转化为沼泽化草甸、沼泽化草甸转化为湿草甸的湿地内部演化，西南方向龙日乡境内的湿地转化为非湿地的面积较北部湿地更大，湿地质心向东北方向偏移；2000-2010年，红原县北部日干乔湿地以及黑河河谷区域湿地外围大量湿地小斑块转化为草甸、草原，湿地向西南部退缩。

3.3 湿地变化的坡度特征

利用红原县30m分辨率高程数据计算出坡度数据，对坡度数据进行等间距分割，步长为1°。坡度大于8°的湿地面积占红原县湿地总面积的比例极小（各时期占湿地总面积的百分比均小于1.76%），因此仅分析8°以内各坡度湿地分布特征、减少率和湿地转化类型。

3.3.1 湿地面积与坡度的关系

由图3可以看出，2010年坡度小于6°的湿地面积累计达到1311.39km2（泥炭沼泽、沼泽化草甸、湿草甸、河流湖泊面积分别为197.96、767.93、283.22、62.28km2），占该年湿地总面积的93.53%，可知湿地主要集中分布在坡度小于6°且排水不畅的宽广区域。由图4可知，与1975年相比，2010年红原县湿地面积的减小率与坡度成正相关关系（相关系数R=0.97，显著性水平p<0.01），随着坡度的增大，湿地面积减小率明显增大，表明該区湿地由宽谷的边缘向宽谷底部退缩，这与陈志科等对若尔盖高原湿地坡度特征的研究结果一致。

3.3.2 湿地类型变化与坡度的关系

红原县湿地类型变化集中在坡度小于6°的区域（见表2），该区域各时段湿地变化面积占总变化面积的比例均在92%以上。总体而言，坡度大于2°时，随着坡度的增大各类型的转化面积呈减小趋势，坡度增至6°后，湿地面积极小，转化面积缓慢下降。

不同时段随着坡度的变化，各湿地主要转化类型以及转化面积各有不同。1975-1990年湿地的变化类型以泥炭沼泽退化为沼泽化草甸为主，坡度为1°～2°区域的退化面积最大（12.67km2）。1990-1995年湿地的变化类型以泥炭沼泽退化为沼泽化草甸和沼泽化草甸退化为湿草甸为主，主要分布在坡度为1°～3°的区域（两种转化类型面积和为9.33km2）。1995-2000年湿地的变化类型以沼泽化草甸退化为湿草甸为主，坡度1°～2°区域的退化面积最大（3.96km2），泥炭沼泽退化面积较前两个时段降幅明显。2000-2005年湿地演替集中分布在坡度为1°～4°的区域，湿地的演替类型以沼泽化草甸的退化（退化面积为24.13km2）为主，泥炭沼泽退化为沼泽化草甸（退化面积为6.25km2）和湿草甸退化为非湿地（退化面积为5.98km2）次之。2005-2010年湿地演替集中分布在坡度为1°～4°的区域，湿地的变化类型以泥炭沼泽退化为沼泽化草甸（退化面积为9.29km2）和沼泽化草甸退化为湿草甸（退化面积为6.45km2）为主。湿地呈现出泥炭沼泽→沼泽化草甸→湿草甸→草甸的退化趋势，与前述结论一致。

3.4 湿地变化的生态效应

（1）生态效应指数。依据各期湿地数据的斑块面积和斑块数计算其景观破碎度、景观分离度和优势度，由式（2）计算可得各湿地类型的生态效应指数。计算结果（见图5）表明，湿草甸的生态效应指数最大，河流湖泊次之，泥炭沼泽和沼泽化草甸的生态效应指数最小（平均生态效应指数分别为9.06和9.23）。整个研究时期内，各湿地类型的生态效应指数均呈增大趋势，表明研究区生态系统脆弱性增强，区域生态环境危险程度提高，生态风险上升。这和该区域相关湿地开发活动有关，1975-2010年发展区域经济，该区不断挖沟排水、扩展草场、增加放牧，在经济发展的同时也使湿地退化、景观稳定性减弱。

（2）湿地土壤侵蚀。由图6可以看出，1990-2010年，研究区土壤侵蚀程度越剧烈生态效应指数越高，生态安全受到的威胁程度越高。1990-2010年，各土壤侵蚀强度等级的生态效应指数表现出增大的趋势，各土壤侵蚀强度等级的生态脆弱性增强。由表3可知，除微度侵蚀外，5个时期湿地土壤侵蚀面积分别为635.38、990.76、1096.26、1141.07、1496.43km2；各时期中度侵蚀、强烈侵蚀和极强烈侵蚀面积占总面积比例分别为13.98%、28.19%、30.08%、29.01%、36.13%，呈逐渐增大趋势；轻度侵蚀面积比例呈逐渐减小趋势。红原县湿地区域土壤强烈侵蚀的比例总体呈增加趋势。湿地向草地退化的过程中，湿地土壤侵蚀加剧，从土壤侵蚀可以看出，红原县生态安全受威胁程度提高，生态风险增强。预防和及时处理土壤侵蚀问题，对改善研究区生态结构和功能，提高生态安全具有重要意义。

4 结论

依据1975年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年的Landsat TM/MSS遥感影像，实现了红原县湿地信息解译和制图，分析了红原县湿地的时空变化特征，并结合生态效应指数和土壤侵蚀情况对其生态效应进行了分析。

（1）2010年红原县湿地总面积约为1502km2，以沼泽化草甸为主，集中分布在瓦切乡境内的日干乔湿地、红原县城周边的月亮湾湿地以及龙日乡和色地乡境内。1975-2010年，泥炭沼泽退化趋势明显，年均减小率为2.41km2/a，其中1975-1990年年均减小率最大（3.57km2/a），挖沟排水是导致该时段泥炭沼泽面积剧烈减小的主要原因。红原县湿地整体呈泥炭沼泽→沼泽化草甸→湿草甸→草甸的演化趋势。

（2）1975-2010年，62.03%的湿地变化区呈现持续减少和波动变化的特点。同时，湿地质心发生偏移，1975-2000年湿地质心向东北偏移了128.56m，2000-2010年向西南偏移了757.26m。红原县湿地主要集中分布在坡度小于60且排水不畅的区域，湿地减小率随坡度增大而增大。各湿地类型的转化集中在1°～2°的坡度范围，当坡度>2°时，各湿地类型的转化面积随坡度的增大而减小，坡度增至6°以后，湿地面积极小，湿地转化面积缓慢减小。

（3）湿草甸的生态效应指数最高，河流湖泊次之，泥炭沼泽和沼泽化草甸最低。1975-2010年，湿地生态效应指数呈增加趋势。湿地区域土壤侵蚀强度增强，土壤强烈侵蚀的比例增大，红原县湿地生态安全受威胁程度日益加重。