近30年小兴安岭沼泽湿地动态及其驱动力研究

刘 爽 万鲁河

（哈尔滨师范大学地理科学学院，哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025）

湿地是由水陆相互作用而形成的自然综合体，指那些地表水和地面积水浸淹的频度和持续时间很充分，在正常环境条件下能够供养那些适应于潮湿土壤的植被区域，是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一。沼泽湿地作为湿地中重要的一类，约占我国湿地的37.8%（马驰,2017; 江姗等, 2016），其不仅能够提供各种能源，在净化水质、保持水土、调节气候、维护生物多样性等方面也发挥着重要的作用（张功宝, 2014）。小兴安岭地区地处中国四大沼泽区之一（刘林馨,2012），该区河谷与沟谷谷地松散层堆积较厚，广泛发育着沼泽和沼泽化草甸。20世纪50年代以来，大面积的排水造田以及过度开发使得小兴安岭地区沼泽湿地面积急剧缩减，小兴安岭作为东北的生态屏障，在国家生态保护总体战略中具有特殊地位。因此，沼泽湿地动态变化及其驱动力的探究对小兴安岭湿地的保护与合理开发有着十分重要的意义。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

小兴安岭地区地处我国东北部、黑龙江省中北部（46.47°～49.35°N，127.70°～130.23°E），总面积991.6 735万hm2，森林覆盖率达74.8%（周利军等, 2008），是我国重要的林区之一。该区属低山丘陵，地貌表现明显成层性，地处高纬度地区，有岛状多年冻土分布，冻融作用较强，形成一些融冻泥流阶地，冻胀丘和广泛发布的融冻水缘细土，质地细腻，粘性大，透水性差，沼泽发育广泛（傅德印等, 2007）。本区气候类型为温带大陆性季风气候，四季气候明显。植被种类组成属长白植物区系小兴安岭亚区，由于地下永冻层的存在，影响森林的生长并促进沼泽化及湿生植被的发育。

1.2 数据来源

本文的主要遥感数据源来自美国陆地卫星Landsat TM影像（下载自http://glovis.usgs.gov/），选取1985-2015年间4期共48景遥感影像，空间分辨率30 m，遥感数据时相均为7-9月，图像质量好，云量少，是较为理想的研究数据。结合土地利用分类标准对1985、1995、2005和2015年小兴安岭地区TM影像进行目视解译，并根据实地采样点数据对分类结果进行验证。

根据研究内容及资料的可获取性，收集了2010年黑龙江省土地利用现状图、小兴安岭地区数字地形图，以及1985-2015年小兴安岭地区降水量、温度和相对湿度数据（数据来源于中国气象数据网http://data.cma.cn/）和1985-2015年鹤岗市、伊春市和黑河市的社会、经济、粮食产量和人口等资料（数据来源于黑龙江省统计年鉴）。

1.3 土地利用类型划分与信息提取方法

考虑到小兴安岭地区沼泽湿地为主要湿地类型，本文主要研究沼泽湿地的总体变化以及与其它土地利用类型间的转化，将研究区土地利用类型分为沼泽湿地、水体、林地、裸地、建筑用地和耕地6种类型，并根据实际情况获取分类规则。

在ENVI5.2平台上，对获取到的遥感影像进行辐射定标、大气校正、镶嵌、裁剪等预处理，选用投影坐标系统为WGS_1984_UTM_Zone_52N，采用CART自动决策树分类方法对研究区影像进行分类。最后利用实地考察获得的验证点数据和高分辨率影像，对分类结果进行精度检验和修改，使分类结果的Kappa系数大于0.8，符合研究需要。

1.4 沼泽湿地动态分析方法

1.4.1 沼泽湿地面积相对变化率 本文利用ArcMap中的渔网工具将小兴安岭研究区划分为10 km×10 km的网格，分别统计不同时期每个网格中的湿地面积相对变化率。数学表达式为（梁治平等,2006）：

式中：R为某网格单元沼泽湿地面积的相对变化率；Sa、Sb为研究期初和研究期末某网格单元沼泽湿地面积；Ca、Cb为研究期初和研究期末整个研究区的沼泽湿地面积。R＞1表明该网格内沼泽湿地面积变化速度大于全区；R＜1则表明该网格内沼泽湿地面积变化速度小于全区。

1.4.2 单一土地利用类型动态度 为研究沼泽湿地的动态变化，选取了土地利用动态模型中的单一土地利用类型动态度模型，动态度指数能够反映出研究区沼泽湿地变化的程度（白军红等, 2005）：

式中：K为研究时段内某网格内的沼泽湿地动态度；Ua、Ub分别为某网格内研究初期和研究末期的沼泽湿地面积，T为研究时段。

1.5 湿地重心变化分析

本文利用湿地重心迁移模型（王宪礼,1997）研究小兴安岭地区沼泽湿地的空间分布及时空演变，通过计算沼泽湿地不同时期重心坐标，分析得到沼泽湿地重心移动方向与移动距离。

1.6 主成分分析

主成分分析(PCA)是一种通过降维来简化数据结构，将原来错综复杂的多变量通过线性变换选出主要变量的一种多元统计分析方法(徐建华,2002)。

2 结果与分析

2.1 沼泽湿地土地利用类型的变化

小兴安岭地区的行政区域主要有黑河、伊春和鹤岗三市，2015年小兴安岭沼泽湿地面积15 515.35 km²，主要分布在黑河市和伊春市。1985-2015年，小兴安岭地区沼泽湿地面积减少了12 751.62 km²，平均年变化率为1.504%，其中2000-2005年间年变化率最大，达到了10.24%，其中黑河市面积减少9 357.79 km²，占总减少量的74.29%。2005-2010年沼泽湿地面积有少量回升，但已很难达到2000年的水平，这是由于湿地一旦遭到破坏便很难恢复的自然生态特性。

图1 近30年小兴安岭地区沼泽湿地面积变化图Fig.1 The area change of wetlands inXiaoxing’an Mountains between 1985 and 2015

图2 小兴安岭沼泽湿地重心变化图Fig.2 Gravity center change of wetlands inXiaoxing’an Mountains

本文使用ENVI平台的Change Detection Statistics工具来计算1985年与2015年各土地利用类型面积的转移矩阵。由表1可以发现，1985-2015年小兴安岭地区沼泽湿地中有11 766.16 km²转化为林地，面积占总转移量的41.63%，其次有6 687.67 km²的沼泽湿地被开垦为耕地，882.80 km²的沼泽湿地转化为裸地，619.44 km²的沼泽湿地被占用为建筑用地，另外还有234.17 km²被淹没为水体，1985年仅有8 074.32 km²的沼泽湿地被保留，占沼泽湿地总面积的28.57%。综上可以看出，小兴安岭30年来有大面积沼泽湿地被人为开垦为林地与耕地，由于保护机制不完善，也有部分沼泽湿地转化为裸地和水体。

表2 特征值和主成分贡献率Table2 Eigenvalue and contribution rate of principal components

2.2 沼泽湿地重心变化

利用ArcMap对小兴安岭沼泽湿地分类结果进行分析、统计，得到研究区4个时期沼泽湿地的重心位置，并绘制出小兴安岭沼泽湿地重心迁移图。由图2可知，小兴安岭地区沼泽湿地重心集中在黑河市逊克县，因其紧邻大沾河国家级自然保护区，区内湿地面积可达92 188 hm2（殷玉婷,2010）。近30年来沼泽湿地重心整体向北偏西70.72°方向迁移了16.5 972 km。湿地重心于1995-2005年向西北方向迁移的距离最远，为57.142 km。

2.3 沼泽湿地面积相对变化率的区域分析

图3 不同时段沼泽湿地面积相对变化率Fig.3 Relative change rate of wetlands areain different periods

图4 不同时段沼泽湿地面积动态度Fig.4 Dynamics of wetlands area in different periods

图5 小兴安岭沼泽湿地自然环境因素与动态度Fig.5 Natural factors and dynamics of wetlands inXiaoxing’an Mountains

小兴安岭沼泽湿地面积相对变化率计算结果如图3所示，从图3可以看出，1985-1995年1 083个网格中有334个网格沼泽湿地面积相对变化率小于全区的变化率，占总数的30.84%，主要分布在黑河和伊春。1995-2005年，有355个网格沼泽湿地面积变化率小于全区的变化率，占总数的32.78%，集中分布在黑河西北部和南部地区。2005-2015年，有497个网格沼泽湿地面积相对变化率小于全区的变化率，占总数的45.89%，主要分布在黑河。2005-2015年相对变化率小于1的网格数有所增加，沼泽湿地面积相对变化率小于全区的范围在扩大。2005-2015年相对变化率大于10的网格数相比上个时段增加了13.39%，研究区沼泽湿地整体相对变化速率在降低，而部分地区相对变化速率在升高。由于没有得到合理的控制，沼泽湿地面积相对变化率大于10的网格几乎都是由前一时段相对变化率大于1的网格转化而来。

2.4 沼泽湿地动态度变化的区域分析

如图4所示，小兴安岭地区3个时段沼泽湿地动态变化度区域差异明显，第3时段动态度大于10%的网格数明显多于前两个时段，表明2005-2015年沼泽湿地动态度明显加快。从3个时段高动态度区域的不同可以看出，1985-1995年高动态度区域表现较为破碎；1995-2005年高动态度区域有向北部迁移的趋势，并且在黑河东北部分布较为集中；2005-2015年动态度大于10%的网格数占全区总数的49.72%，黑河部分地区、伊春东南部及鹤岗全区等地沼泽湿地动态度较大，伊春与黑河交界处友好自然保护区以及伊春市翠峦区、带岭区、南岔区等地区沼泽湿地动态度较小。

2.5 小兴安岭地区沼泽湿地变化驱动力分析

2.5.1 自然环境因素 选取覆盖研究区的8个气象站点的气温、降水量和相对湿度数据进行分析，可以发现小兴安岭地区30年来气温呈波动式上升，近20年年平均降水量也有缓慢增长的趋势，相对湿度变化无明显规律，但整体呈下降趋势。由图5可明显看出，小兴安岭地区沼泽湿地动态度与当地气温呈负相关，气温的升高导致同时期动态度下降，2000-2005年气温升高，动态度达到近30年最低值-0.51，2005-2010年气温下降，动态度达到30年来最高值0.48。小兴安岭地区沼泽湿地动态度与相对湿度呈正相关，变化趋势基本一致，2000-2005年相对湿度大幅度下降，导致湿地含水量减少，湿地面积缩减，同期沼泽湿地动态度下降到最低值；降水量与沼泽湿地动态度无明显相关关系。

2.5.2 社会经济因素 在研究小兴安岭地区沼泽湿地动态变化的社会经济影响因素中选取了总人口、生产总值、农林牧渔业总产值、水库库容量、除涝面积、农作物总播种面积和粮食产量7个影响因子，以1986-2015年的数据为分析样本。

利用SPSS 20.0对小兴安岭沼泽湿地社会经济影响因子进行主成分分析，首先对社会经济因子做相关系数分析，并进行KMO检验，计算得到KMO值=0.648＞0.60，表明社会经济因子数据做主成分分析是可行的。

从表3可以看出，主成分1和主成分2的特征值均大于1，并且前两个主成分的累积贡献率达到了97.813%，其中第一主成分解释了总变量的77.648%，第二主成分解释了总变量的20.165%，因此提取第一和第二主成分便能概括绝大部分变量信息，满足主成分分析需要。

从表3可以看出，第一主成分中的生产总值、粮食产量、水库库容量、农林牧渔业总产值、农作物总播种面积和除涝面积与沼泽湿地面积变化显著相关，表现为以上因子的载荷系数较大，说明第一主成分反映了社会经济与农业对沼泽湿地变化的影响。第二主成分中总人口的载荷系数较大，说明第二主成分反映了人口数量对沼泽湿地变化的影响。

表3 旋转后主成分载荷矩阵Table3 Principal component load matrix

3 结论

本文以1985-2015年4期Landsat遥感影像为数据源，研究近30年小兴安岭地区沼泽湿地的动态变化及其驱动力，得出如下结论：

（1）1985-2015年，小兴安岭地区沼泽湿地重心整体向北偏西70.72°方向迁移了16.597 2 km，但4个时期的重心均分布在黑河市逊克县内。研究区内沼泽湿地减少了12 751.62 km²，其中2000-2005年沼泽湿地退化最为严重，减少了10.24%，退化的湿地主要转化为林地和耕地，与1985年相比，2015年沼泽湿地转化为林地和耕地的转移率分别为41.63%和23.66%。

（2）研究区沼泽湿地整体相对变化率在降低，但部分地区变化率加快，黑河地区黑河市、嫩江县、孙吴县和五大连池市交界处等区域沼泽湿地面积变化率小于小兴安岭地区变化率。

（3）小兴安岭地区沼泽湿地变化的主要驱动力分为自然环境因素和社会经济因素。沼泽湿地面积与相对湿度具有较好的正相关，与气温变化呈负相关，而社会经济因素中生产总值、农业产量和人口数量与湿地面积显著相关，也表明了湿地开垦、扩张建筑用地等人类活动对小兴安岭地区沼泽湿地影响较大。

2000年以来，小兴安岭地区人类活动不断增强，对自然生态系统干扰加大，湿地生态功能有所退化，为加强湿地的恢复和保护，黑龙江省林业厅在2017年编制了湿地保护规划，提出多项措施以期建立湿地长效保护机制，恢复湿地的生态功能。