吉林西部湿地动态变化与生态因子分析研究

陈超群，姜琦刚，刘骅欣

吉林大学 地球探测科学与技术学院，长春 130026

0 引言

湿地，为水体与陆地的过渡带，是不可估量的资源财富，对于社会生产生活、资源储备意义重大[1]。作为生态地质环境因子，湿地的动态变化一直是众多学者的研究方向之一。吉林西部的湖泊密度较大，是湿地研究的重点地带，近年来吉林西部沙漠盐碱化严重，总体表现生态地质环境恶化[2]。吉林西部湿地现状及其动态演变分析，有利于对湿地资源的保护做出合理规划。针对吉林西部的湿地动态监测研究方向主要有2个，湿地信息获取技术和指标参数的选取，但是对导致湿地变化的驱动力分析不够透彻，往往只注重变化的数量关系，而忽略其背后的生态地质环境意义[2-6]。本研究借助2007年CBERS-2以及2017年Landsat-8 OLI数据，采用人机交互式解译、综合分析等方法，对吉林西部2007和2017年2期数据的湿地现状和动态变化信息进行提取，利用ArcGIS平台的空间分析、应用统计等技术，从数量、空间和结构上分析吉林西部湿地的演变规律和发展趋势，以吉林西部重点研究区的现状特征和变化规律为基础，研究地质地貌、气候变化等因素对湿地的影响机理。针对吉林西部湿地动态变化及生态影响因子的分析，有利于对湿地资源的保护做出合理规划。

1 研究区概况及技术方法

1.1 研究区概况

研究选取吉林西部扶余县、乾安县、前郭尔罗斯蒙古族自治县，长岭县和宁江区作为主要研究范围(123°05′～126°22′E，43°52′～45°30′N)(图1)。吉林省西部位于受北东向新华夏系构造的影响所形成的松辽平原沉降带腹地，地貌分区属于沙丘覆盖的冲积平原二级区，包含河流地貌、湖成地貌、风成地貌[7]。研究区属于半干旱半湿润大陆性季风气候，区内的生态环境较为脆弱，景观生态对气候变化敏感[8-9]。

图1 吉林西部城镇分布Fig.1 Distribution of towns in western Jilin

1.2 技术方法

选取7-9月2007年CBERS-2数据和2017年Landsat-8 OLI数据，CBERS-2数据采取的合成波段为R(3)、G(4)、B(1)，Landsat-8 OLI数据采取的合成方案为R(7)、G(5)、B(3)。将两期数据进行预处理，在MapGIS平台下对影像中湿地进行目视解译，借助湿地分布密集信息图对Landsat-8 OLI数据进行现状分析；通过空间叠加、栅格计算等，以地学信息图谱为基准研究2007—2017年湿地动态变化，构建湿地表征参数模型，以确定湿地变化强度。结合吉林西部的地质地貌情况、气候和人口变化，研究生态地质环境因素对湿地变化的影响。

2 吉林省西部湿地现状及动态变化

2.1 湿地分布现状

根据研究区域，选择由国家林业局提出的《中华人民共和国国家标准:湿地分类 (GB/T 24708-2009)》，并结合吉林西部的区域特点，将湿地分为：泛洪平原、永久性河流、永久性淡水湖、季节性淡水湖、草本沼泽、沼泽化草甸、水稻田和库塘。

人工目视解译得到的2017年湿地分布现状图(图2)中，2017年研究区内湿地面积共2 900.69 km2。其中人工湿地面积最大，为1 017.87 km2，库塘面积最小，仅为21.44 km2。扶余县主要分布永久性河流和沼泽湿地中的草本沼泽，永久性河流分布在该地区的北部，为松花江和拉林河，草本沼泽集中在扶余县的东北方向上，扶余县出现的人工湿地除水稻田还有2个水库(三到水库和范家水库)；前郭县湿地以水稻田为主，集中分布在县城北部，其次为永久性淡水湖，占全区的50%以上，县内最大的永久性淡水湖为查干湖，在查干湖附近出现了较大湖泡新庙泡；乾安县境内自然闭流湖泡众多，例如分布在西北角的花敖泡、正北方向的红字泡；宁江区只存在洪泛性平原、永久性河流以及少量的季节性淡水湖；长岭县永久性淡水湖分布排列成线，单个湖泊面积不大。

图2 研究区湿地分布现状Fig.2 Wetland distribution status in study area

湿地分布密集信息图 通过量化研究区湿地分布及其特征，分析不同解译尺度的背景下各类湿地的分布密集程度，公式为：

P=S/U×100%

式中，P表示单元区域湿地分布密度，U表示区域面积，S为各个区内湿地面积；按照各个分区湿地面积和区域面积之间的比值，将P分为6个等级即第一等级(湿地极度密集区P≥10%)、第二等级(湿地较密集区7%≤P<10%)、第三等级(湿地一般密集区4%≤P<7%)、第四等级(湿地一般稀疏区2%≤P<4%)、第五等级(湿地较稀疏区1%≤P<2%)、第六等级(湿地极度稀疏区0%≤P<1%)。在ArcGIS的平台下，通过创建网格，与Landsat-8 OLI湿地解译数据进行空间叠加分析中的联合分析，进行单元格内湿地密度的计算，借助反距离权重插值后，获取Landsat-8 OLI 影像湿地密度分布数据(图3)。

图3 研究区湿地分布密集信息图Fig.3 Intensive information map of wetland distribution in study area

结合图3可以发现在整个研究区内西北方向湿地分布密度等级普遍较高，而南方湿地分布零散稀疏。扶余县南北两侧分布松花江支流，其周围湿地分布密度大，前郭自治县湿地密度最大的区域在北偏东方向，该方位分布着查干湖和大片水稻田；在乾安县西北部存在大量湖沼，湿地分布密度高，其余地方湿地分布密度处于2%～7%±；长岭县的西北角湿地分布密集。

2.2 10年间湿地动态变化

在对研究区湿地动态变化进行分析时，以地学信息图谱为基准，结合转移矩阵与相对变化率深入研究湿地变化趋势。

地学信息图谱 包含空间结构、属性特征以及过程变化，是一种结合景观图谱和数学模型为一体的地理时空分析方法[10-11]。湿地变化信息图谱对湿地的空间位置和空间行为具有很好的指示性。

本次研究中，借助MapGIS平台对2期影像进行解译，采用10 m×10 m像元大小进行栅格转化，通过地图代数计算10年来二级湿地类型的景观变化情况，计算公式为P=M×10+N。其中M表示2007年湿地类型的单元值，N表示2017年湿地类型的单元值，P表示10年湿地变化的图谱单元(图4)。配合空间统计，通过转移矩阵对合成的图谱单元进行数值分析(表1)。

结合湿地变化景观图谱(图4)和景观转移矩阵(表1)，计算10年间湿地类型变化率。在表1中，通过横向数据累计和纵向数据求和分别计算2007年及2017年湿地景观类型面积。可以发现，研究区内总面积为21 178.48 km2，从景观面积角度看未发生变化。但是景观类型发生转变，近10年间研究区内湿地面积增多494.59 km2，较多的其他土地利用类型转为湿地，其中以草本沼泽为主，173.76 km2的其他土地利用类型转换成永久性淡水湖，湿地类型相互转化过程中，较多的季节性淡水湖和草本沼泽转换成水稻田，草本沼泽转换成季节性淡水湖的面积有39.37 km2。总体上看，季节性淡水湖面积增加最多，增加了155.71 km2。只有泛洪平原湿地和库塘面积减少，分别减少19%和42%。

AA．不变河流湿地；AB．河流湿地-湖泊湿地；AC．河流湿地-沼泽湿地；AD．河流湿地-人工湿地；A9．河流湿地-其他土地利用类型；BA．湖泊湿地-河流湿地；BB．不变湖泊湿地；BC．湖泊湿地-沼泽湿地；BD．湖泊湿地-人工湿地；B9．湖泊湿地-其他土地利用类型；CA．沼泽湿地-河流湿地；CB．沼泽湿地-湖泊湿地；CC．不变沼泽湿地；CD．沼泽湿地-人工湿地；C9．沼泽湿地-其他土地利用类型；DA．人工湿地-河流湿地；DB．人工湿地-湖泊湿地；DC．人工湿地-沼泽湿地；DD．不变人工湿地；D9．人工湿地-其他土地利用类型；9A．其他土地利用类型-河流湿地；9B．其他土地利用类型-湖泊湿地；9C．其他土地利用类型-沼泽湿地；9D．其他土地利用类型-人工湿地；99．不变其他土地利用类型. 图4 2007—2017年研究区湿地变化图谱Fig.4 TUPU of wetland change in study area in 2007—2017

相对变化率用以表示不同区域湿地的变化差异，公式为K=(S2-S1)/S1，其中S1与S2分别表示区域内研究前期与后期的湿地面积。

研究按照湿地面积增加和减少程度划分为9种类型(表2)，在ArcGIS的平台下,将两期湿地解译数据通过相交分析插值分析湿地变化强度(图5)。

表1 2007—2017年湿地景观类型转移矩阵/km2

注：A.河流湿地；B.湖泊湿地；C.沼泽湿地；D.人工湿地.

1.永久性河流；2.泛洪平原湿地；3.永久性淡水湖；4.季节性淡水湖；5.草本沼泽；6.沼泽化草甸；7.水稻田；8.库塘；9.其他土地利用类型.

表2 湿地变化强度分类

图5 研究区湿地变化强度Fig.5 Wetland change intensity in study area

通过研究区湿地变化强度分布(图5)和各地区湿地类型变化数据(表3)不难发现湿地增加主要集中在长岭县的北偏西方向，并呈现显著增加，乾安县湿地大部分在减小，只有西部有稍许增加。前郭自治县北偏东方向湿地略有增加。在扶余县增加最多的是水稻田，宁江区的泛洪平原湿地和草本沼泽与2007年相比略有减少，长岭县的永久性淡水湖和季节性淡水湖出现明显增加，乾安县的草本沼泽减少较多，减少54%。

3 吉林西部湿地生态地质环境背景

3.1 地质地貌

地质因素制约湿地的形成和发育，控制湿地的空间分布和类型变化。影响研究区内湿地形成和发育的地质条件以第四纪地层、新构造运动和沉积物组合为主[7]。由于新构造运动的发生，使吉林西部发生沉降形成了台向斜构造拗陷区，同时长岭—双辽弧形断裂带切割水系，使河流改道，水系变迁。

由于湿地的重要组成部分—水受地形控制，因而地形决定了湿地的分布和演化。研究中选取30 m分辨率的ASTER GDEM V2数据对研究区内的高程进行分析：研究区内高程介于1 m到357 m之间，整体为平原地带，其中研究区的北侧和北偏东地势相对较低，容易困水成为湿地。当水量充足或处于雨季，零散低洼地区容易形成季节性湖泊。高程在120 m以上时形成湿地较为困难(图6)。因此，地形地貌通过控制水的分布范围，在短期内直接影响吉林西部湿地的发展变化。

表3 2007—2017年各地区湿地类型变化数据

注：1.永久性河流；2.泛洪平原湿地；3.永久性淡水湖；4.季节性淡水湖；5.草本沼泽；6.沼泽化草甸；7.水稻田；8.库塘；9.其他土地利用类型.

图6 研究区DEM数据Fig.6 DEM data in study area

3.2 气候因素

图7 2007年—2017年年平均降水数据Fig.7 Annual average precipitation in 2007—2017

从国家气象信息中心获取2007年—2017年年平均降水数据以及月平均温度数据，通过统计分析发现：近年来年平均降水量呈现增加趋势(图7)，月平均气温呈抛物线分布(图8)。在近年来吉林西部气温变化幅度不大，因此研究区内湿地变化情况主要受到降雨影响，需要降水作为水源补给，随着降水量增加，大部分河流水位上涨，湖泊出现扩张趋势。其中，季节性淡水湖和永久性淡水湖受到降水补充水源，变化最为明显。水面的扩张，导致河流周围的泛洪平原湿地略有减少。对于永久性河流来说，虽然河流的补给增加，但降水也增加河流的径流量，永久性河流面积虽然增加，但增加幅度较小。

图8 2007—2017年月平均气温数据Fig.8 Monthly average temperature in 2007—2017

3.3 人为因素

人口数量的迅速增加使吉林西部对粮食的需求有所增加，进而影响水稻田的种植面积。根据近10年来研究区人口变化(图9)，2017年人口数与2007年相比增加8.3万人。由于人口数增加，粮食需求增多，更多的人会种植水稻。同时水稻种植能够改良吉林西部盐碱质土壤，故水稻种植面积正逐年增加[12]。

图9 研究区2007年—2017年人口数 Fig.9 Population in study area in 2007—2017

4 结论

(1)整个研究区内西北方向湿地分布密度等级普遍较高，南方湿地分布零散稀疏，近10年间研究区内湿地面积增多，以草本沼泽和永久性淡水湖为主，只有泛洪平原湿地和库塘面积减少。

(2)第四纪地层、新构造运动和沉积物组合的地质背景制约湿地的形成和发育。研究区内高程差相对较小，在短期内影响湿地形成的规模和动态变化。

(3)影响湿地动态变化的主要因素可能是降雨，同时人口总数的增加，致使水稻田面积增加。