1954—2015年三江平原沼泽湿地变化的区域分异及影响因素

刘吉平,高 佳,董春月

吉林师范大学 资源保护与利用研究所, 四平 136000

在一定时空尺度上探讨区域内的湿地格局、过程与功能,一直是湿地科学研究的基础命题。湿地空间格局是各种生态过程在不同时空尺度上综合作用的结果,具有显著的时空差异性[1]。一些学者从区域分异角度对我国典型湿地进行研究,如刘志杰[2]、邓伟等[3]、谷东起等[4]对黄河三角洲滨海湿地、山东半岛潟湖湿地进行的研究。因此,探讨湿地的空间分布格局及其变化趋势,认识湿地空间格局演变的驱动机理,对维护湿地的稳定性、湿地功能的再造、促进湿地与周边非湿地地区之间的协融性,以及保障湿地资源的永续利用至关重要[3,5]。

图1 三江平原位置与流域分布图Fig.1 The location and basin distribution of the Sanjiang Plain

三江平原是我国典型的湿地分布区,受人类活动和气候变化的影响,近几十年由原来的湿地基质变为现在的农田基质[6],其景观的变化趋势及驱动机制已成为当前备受关注的研究热点。目前对三江平原湿地的研究主要集中在景观变化比较明显的别拉洪河流域[7- 9]、挠力河流域[7,10- 11]、小三江平原[12- 14]、三江平原东北部[15- 16]、兴凯湖[17- 18]、萝北县[19]、建三江地区[20- 21]、三江自然保护区[22]、洪河湿地自然保护区[23]等区域。学者们对这些典型地区的湿地景观变化虽然研究较多,各个分散的研究案例采用的数据、方法等不统一,导致甚至同一区域同一时期湿地景观变化的结论相互矛盾,如王宗明等[24]和张一博等[16]对三江平原2000年沼泽湿地解译的面积分别是9587 km2和4547 km2,二者相差一倍之多,不利于湿地规划和保护工作的开展[25]。一些学者对三江平原湿地整体格局变化也进行了研究[6,24- 27],但考虑湿地变化区域分异的较少,刘吉平等[28]虽考虑了湿地变化的区域分异,用的是网格划分法研究,网格划分时没考虑自然地理单元的完整性。流域内部水文循环完整且系统,沼泽湿地具有相似的变化规律和影响因素,因此本文从沼泽湿地变化入手,对三江平原各子流域沼泽湿地的时空变化进行对比研究,并定量分析其影响因素,找出湿地变化的原因,为减缓湿地破坏、修复湿地功能、稳定或改善区域整体生态环境,同时为政策制定者和土地规划者制定相关保护政策,建立湿地自然保护区提供科学参考。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

三江平原位于黑龙江省东部,43°49″—48°27″N,129°11″—135°05″E(图1),总面积为10.89×104km2,主要由完达山以北黑龙江、松花江、乌苏里江冲积而成的低平原和完达山以南乌苏里江及其支流与兴凯湖形成的冲积、湖积平原组成,地势西南高,东北低。属温带湿润半湿润大陆性季风气候,年均气温2.5—3.6℃,年平均降水量500—600 mm。主要土壤类型有草甸土、白浆土、暗棕壤、沼泽土和黑土等。湿生和沼生植物主要有小叶章、沼柳、苔草和芦苇等,其中以苔草沼泽分布最广,占沼泽总面积的85%左右,其次是芦苇沼泽。沼泽植被呈大面积分布,是中国淡水沼泽湿地最大分布区之一。根据三江平原的地域分异规律,参考相关文献[29],将该区分为萝北流域、同抚流域、挠力河流域、安邦河流域、倭肯河流域、穆棱河流域等6个流域(图1)。

萝北流域东临松花江,北临黑龙江,坐落在小兴安岭与三江平原的缓冲地带,地势西北高而多山,东南低而多沼泽,有梧桐河、嘟噜河等河流,是松花江左岸的主要支流。同抚流域位于黑龙江省抚远县、同江市境内,黑龙江和乌苏里江汇流的三角地带,地势由西南向东北倾斜,以低冲积平原为主,广大区域为河流的一级阶地,有别拉洪河、浓江和鸭绿河等主要支流,该区是三江平原沼泽湿地率最高、保护状态较好的流域。挠力河流域地处三江平原腹地,东南以完达山为界,向东与乌苏里江连接,挠力河是乌苏里江的一级支流,有内七星河、外七星河、宝清河、七里沁河等河流,地形西南高东北低,地貌类型主要由平原、山地与丘陵组成,流域中下游的平原区,地势低平,地表径流不畅,形成大面积沼泽湿地。安邦河流域地处三江平原西南部,流域内地势南高北低,以平原为主,安邦河为松花江下游右岸的一级支流,发源于完达山余脉,属于季节性河流,该流域湿地率较低,主要集中分布在安邦河湿地自然保护区。倭肯河流域位于完达山西侧和老爷岭东侧山系之间,地势东南高,西北低,倭肯河为松花江右岸一级支流,发源于完达山的西北侧,支流分布较密,该区沼泽湿地率较低。穆棱河流域位于三江平原的东南部,地势由西向东倾斜,西部为老爷岭,北部为完达山脉,东临乌苏里江,主要以山地丘陵为主,穆棱河是乌苏里江左岸支流,发源于完达山老爷岭东坡,支流众多,穆棱河滩地和兴凯湖滨滩地宽广,地面普遍沼泽化。

1.2 数据来源与处理

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个时期的沼泽湿地数据、气温降水数据、地貌数据和DEM数据等数据。

沼泽湿地数据由1954年的地形图、1976年的MSS影像、1986年和2000年的Landsat TM、2015年的Landsat OLI遥感数据获得。1954年沼泽湿地分布图直接数字化1954年的地形图而获得。遥感影像时间主要为5、6月份。在几何精校正和图像增强处理后,对MSS、TM和OLI遥感数据分别以7、5、4波段,4、3、2波段,5、4、3波段进行标准假彩色合成,然后建立沼泽湿地解译标志(几何特征不明显,也不规则;影像呈红色、紫色或黑灰色;具有波状纹理,质地较细),采用目视解译。经野外调查和高分辨率遥感影像验证,总体精度达到90%以上,满足本文的要求。气温和降水数据使用中国气象数据网(http://data.cma.cn/),地貌数据数字化比例尺为1∶200000的三江平原地貌图。

1.3 研究方法

(1)动态度

引入动态度来探讨研究区沼泽湿地变化的速率。动态度模型公式为：

(1)

式中,Sa、Sb分别为研究期初和研究期末的湿地面积(km2);t为两期监测数据的相隔时间(a)。n>0表示监测时间内湿地面积增加;n<0表示监测时间内湿地面积减少。n的绝对值越大表示面积变化的程度越大。

(2)景观格局指数

计算三江平原6个子流域沼泽湿地在类型尺度上的景观指数,采用景观格局指数比较法,分析景观空间格局变化的差异性。参考相关文献[3,13,30],结合研究区实际情况,分析的景观指数主要包括聚集度、斑块密度、斑块结合度和形状指数。各景观指数模型的计算公式参见文献[13],利用Fragstats软件计算1954—2015年研究区各子流域的沼泽湿地景观指数。

(3)变异系数

用变异系数对三江平原各子流域沼泽湿地景观指数时间变化进行分析。变异系数公式为：

(2)

(4)人为干扰度

由于1954—1976年人口和GDP的空间分布数据较难获取,因此本文用人为干扰度反映人类活动强度。利用参考文献[13]计算人为干扰度,用人为干扰度反映人类活动强度,计算1954—2015年三江平原各子流域的人为干扰度及每个网格单元的人为干扰度,计算方法参见文献[13]。

(5)地理探测器

地理探测器是一种通过检验两个变量空间分布的一致性,来探测两变量之间可能的因果关系的空间分析模型[31]。本文借助“因子探测器”对影响三江平原沼泽湿地变化的各因子进行分析,得出各影响因子的相对重要性。因子探测器,用因子的解释力进行判断,解释力越大,因子对于湿地变化的贡献率越高,即关系越密切,反之则越小。计算方法见参考文献[31]。

本文计算沼泽湿地率和干扰度的网格单元大小为5 km×5 km的正方形,计算出每个网格单元的湿地率(每个评价单元湿地的面积除以网格单元的面积,再乘以100%),同时计算每个网格单元的人为干扰度、气温和降水量变化值、海拔,并利用GIS空间分析统计出每个网格单元的地貌类型。

2 结果与分析

2.1 沼泽湿地面积变化的区域分异

2.1.1沼泽湿地面积的动态变化

运用ArcGIS 10.2软件分别计算1954年、1976年、1986年、2000年和2015年三江平原子流域沼泽湿地面积,借助Excel统计分析功能计算三江平原子流域的沼泽湿地率(表1)。

表1 1954—2015年三江平原子流域沼泽湿地面积和沼泽湿地率

1954—2015年,三江平原各子流域沼泽湿地面积皆呈现减少趋势(表1),同抚流域沼泽湿地率最高,其次是挠力河流域,1954年安邦河流域沼泽湿地率也较高,但1976—2015年是所有子流域最低的。倭肯河流域沼泽湿地率一直处于较低水平,萝北流域和穆棱河流域处于中等水平。沼泽湿地面积丧失最大的子流域为挠力河流域和同抚流域,分别丧失了9609 km2和9122 km2,丧失最小的子流域为倭肯河流域和安邦河流域,分别丧失了1655 km2和2232 km2。

2.1.2沼泽湿地动态度差异性

根据单一土地利用类型动态度公式(1)计算出三江平原及其子流域沼泽湿地的动态度(表2)。

除1986—2000年安邦河流域沼泽湿地动态度为正值外,1954—2015年三江平原各子流域沼泽湿地动态度均为负值,其中以1976—1986年和2000—2015年沼泽湿地丧失率较高,而1986—2000年沼泽湿地丧失率较低(表2)。1954—2015年各子流域沼泽湿地动态度具有一定的差异,其中以安邦河流域、萝北流域和倭肯河流域沼泽湿地动态度最大,穆棱河流域较小,同抚流域和挠力河流域居中,不同时期变化也不一样,同抚流域、萝北流域和倭肯河流域在1976—1986年沼泽湿地丧失率最高,而挠力河流域、安邦河流域和倭肯河流域在2000—2015年沼泽湿地丧失率最高。

表2 1954—2015年三江平原及其子流域沼泽湿地动态度/%

1954—2015年,同抚流域、萝北流域、安邦河流域和倭肯河流域沼泽湿地动态度大于三江平原,其中安邦河流域沼泽湿地动态度的绝对值最大,为-1.64,说明这些研究区的沼泽湿地变化较整个区域大,挠力河流域和穆棱河流域沼泽湿地动态度小于三江平原,说明该研究区的沼泽湿地变化比整个区域小。

2.2 沼泽湿地景观格局变化的区域分异

2.2.1斑块聚集度

斑块聚集度表示景观中不同景观类型的聚集程度。从图2可以看出,1954—2015年,除倭肯河流域呈现上升趋势外,其他5个子流域的沼泽湿地斑块聚集度都呈波动下降趋势,说明大部分子流域沼泽湿地的集中化程度减弱,分散程度增加。安邦河流域由于受人为干扰较强,聚集度变化最为显著,1954年后有明显的下降趋势,除1954年较高外,其他时间均呈最低,说明该流域沼泽湿地的集中化程度较弱。挠力河流域沼泽湿地聚集度一直保持最高水平,表明挠力河流域沼泽湿地的集中化程度较高。2000年至2015年,挠力河流域与穆棱河流域的聚集度呈下降趋势,其他流域均呈上升趋势。

2.2.2斑块密度

由图3得,1954—2015年除倭肯河流域呈现下降趋势外,其他5个子流域的沼泽湿地斑块密度皆呈波动上升趋势,说明沼泽湿地破碎化程度加大[17]。安邦河流域与倭肯河流域变化最为剧烈,1954—1970年倭肯河流域沼泽湿地斑块密度最大,但在1970年出现拐点,下降趋势显著。1970年—2015年,安邦河流域沼泽湿地斑块密度超过其他流域一直保持最大值。挠力河流域和穆棱河流域沼泽湿地斑块密度一直处于较低水平。

图2 1954—2015年三江平原子流域沼泽湿地斑块聚集度变化图 Fig.2 The variation of patch aggregation index of swamps in sub-basins of the Sanjiang Plain from 1954 to 2015

图3 1954—2015年三江平原子流域沼泽湿地斑块密度变化图 Fig.3 The variation of patch density of swamps in sub-basins of the Sanjiang Plain from 1954 to 2015

2.2.3斑块结合度

斑块结合度指数量化相应景观类型的自然连接性。从图4可以看出,1954—2015年各子流域沼泽湿地斑块之间的连接性均呈下降趋势,其中安邦河流域下降幅度最大,倭肯河流域下降幅度最小。安邦河流域沼泽湿地斑块之间的连接性是所有流域最低的,而挠力河流域在2000年前是最高的,2000年后变为倭肯河流域最高。2000年以后,所有流域都出现下降趋势,其中挠力河流域最为明显。

2.2.4形状指数

由图5可以看出,1954—2015年三江平原6个子流域形状指数值都处于1.4—1.7之间并呈波动下降趋势,表明研究区6个子流域沼泽湿地景观形状都处于随机状态,斑块稳定性较差。这主要与人类的农垦活动有关,农田是一种高强度人为干扰的人工景观,而沼泽湿地斑块抗干扰能力较弱,随着农业机械化程度提高和农田管理的加强,沼泽湿地大面积丧失,沼泽湿地斑块稳定性下降,其形状分布趋于随机状态。

图4 1954—2015年三江平原子流域沼泽湿地斑块结合度变化图 Fig.4 The variation of patch cohesion index of swamps in sub-basins of the Sanjiang Plain from 1954 to 2015

图5 1954—2015年三江平原子流域沼泽湿地形状指数变化图 Fig.5 The variation of shape index of swamps in sub-basins of the Sanjiang Plain from 1954 to 2015

2.2.5景观指数变化对沼泽湿地景观格局演化的贡献

通过式(3)计算格局演变贡献指数C(表3)。根据指数C可知,最能表现三江平原各子流域沼泽湿地景观格局演变的指数是斑块密度,其变异系数远高于其他指数的变异系数,各子流域中斑块密度变异系数最大值出现在同抚流域,为0.588;安邦河流域斑块聚集度和斑块结合度的变异系数在各子流域中均最大,分别为0.172和0.070;形状指数在穆棱河流域和挠力河流域的作用最为显著,变异系数值均为0.032。

表3 三江平原子流域景观格局指数变异系数

2.3 三江平原沼泽湿地变化区域分异的影响因素

借助Geogdetector软件的Factordetector模块,以1954—2015年沼泽湿地变化率为因变量,以1954—2015年人为干扰度变化值、2015年三年移动平均值减去1954年三年移动平均值得到的气温和降水量变化值、海拔和地貌类型为影响因子(图6),对三江平原各子流域沼泽湿地变化的各影响因子的贡献率进行计算,所选择的影响因子均通过显著性水平为0.05的P检验,结果如表4。

图6 三江平原沼泽湿地变化区域分异的影响因素分布图Fig.6 The distribution of influence factors on the regional differentiation of swamps in the Sanjiang Plain

由表4可以看出,影响三江平原及各子流域沼泽湿地变化的主要因子是人为干扰度,特别是倭肯河流域、安邦河流域和穆棱河流域人为干扰度对沼泽湿地变化的贡献率达50%以上,说明人类活动是三江平原沼泽湿地变化的主要因素。自然因素中对沼泽湿地变化影响最大的是地形地貌,但各子流域也不相同,挠力河流域和倭肯河流域海拔影响的程度大于地貌类型,其他子流域正相反。安邦河流域、萝北流域和穆棱河流域中,气温是仅次于地形地貌的影响因素,而同抚流域,降水量是仅次于地貌的影响因素。

表4 1954—2015年三江平原各子流域沼泽湿地变化的各影响因子贡献率/%

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1人为因素对三江平原沼泽湿地变化区域分异的影响

利用人为干扰度公式计算1954—2015年三江平原各子流域的人为干扰度(表5)。由表5可以看出,1954—2015年同抚流域人为干扰程度最小,除1954年人为干扰最强的地区是倭肯河流域外,1976—2015年以安邦河流域人类干扰最强。安邦河流域人为干扰度最大,是造成该区沼泽湿地动态度和相对变化率最大的主要原因,其对沼泽湿地变化的贡献率也较大。

表5 1954—2015年三江平原子流域人为干扰度

通过计算人为干扰度与沼泽湿地景观指数之间的灰色关联度(表6),反映人类干扰对景观格局的影响。由表6可以看出,以安邦河流域人为干扰度与沼泽湿地景观指数的灰色关联度最大,穆棱河流域和挠力河流域最小,说明人为干扰对安邦河流域沼泽湿地景观格局影响最大,而对穆棱河流域和挠力河流域影响最小。不同子流域人为干扰影响景观指数强度也不相同,安邦河流域、穆棱河流域和同抚流域的人类活动对斑块聚集度影响最大,萝北流域和挠力河流域人类活动对斑块形状指数影响最大,而倭肯河流域对斑块密度影响最大。

表6 人为干扰度与沼泽湿地景观指数及沼泽湿地动态度的灰色关联度

为了反映人类干扰对沼泽湿地动态度的影响,计算了人为干扰度与沼泽湿地动态度之间的灰色关联度(表6)。从表6可以看出,萝北流域的沼泽湿地动态度与人为干扰度关系最为密切,其次为安邦河流域,这两个流域的沼泽湿地率(表1)较低,但人为干扰对沼泽湿地动态度影响较大,造成这两个流域沼泽湿地变化较整个区域大。穆棱河流域、同抚流域和倭肯流域的关联度都居中。挠力河流域人为干扰度与沼泽湿地景观指数的灰色关联度最小,说明人为干扰对沼泽湿地动态变化影响相对较小,造成该流域沼泽湿地变化较整个区域小。

3.1.2地形地貌因素对三江平原沼泽湿地变化区域分异的影响

地形地貌是影响沼泽湿地形成和空间分布的主要因素,直接控制了区域相对负地形的分布并决定区域水流的特点,对水分和热量进行再分配。沼泽湿地一般形成于地表过湿、或有薄层积水的环境,平坦、特别是负地貌最为有利。同样,地形地貌也影响到沼泽湿地的难易开发程度,并通过人类活动影响到沼泽湿地的丧失程度和丧失时期[32]。1954—2010年,三江平原沼泽湿地的丧失主要集中在地势较低的低河漫滩、河流阶地、高河漫滩3种地貌类型上,沼泽湿地丧失的规律为由河流阶地到河漫滩,再到河曲带的过程[28]。地形地貌影响沼泽湿地变化的根本原因还是人类活动作用的结果。

安邦河流域虽然面积较小,但主要以平原和台地为主,开发难度小,开发时间早,是三江平原各流域中开发时间最早,开发强度最大的流域[29],早在20世纪50年代至70年代,就有大面积沼泽湿地被开发成农田,这是造成1954—1976年该流域沼泽湿地丧失速率最快的主要原因。20世纪70年代至80年代,由于安邦河流域平原和台地上的沼泽湿地几乎被开发殆尽,沼泽湿地开发速度迅速下降,而穆棱河流域沼泽湿地开发速度跃居首位,开发重点集中在穆棱河流域的兴凯平原附近,同时同抚流域在此时期也得到了大面积开发。20世纪90年代以来,挠力河流域、同抚流域和萝北流域位于地势较低的河漫滩和阶地上的沼泽湿地受到不同程度的开发。

3.1.3气候因素对三江平原沼泽湿地变化区域分异的影响

利用1954—2015年年平均气温和年降水量数据,计算出三江平原各子流域气温倾向率和降水量倾向率(表7)。由表7可以看出,三江平原各子流域气温倾向率皆为正值,气温呈现上升趋势,萝北流域为最大的增温中心,最大倾向值为0.040℃/a,最小的气温倾向值出现在同抚流域,为0.022℃/a。唯一的降水增加中心出现在倭肯河流域,降水量倾向率为0.010 mm/a,其余子流域降水都逐渐减少,减少最多的子流域为挠力河流域,降水量倾向值为-2.230 mm/a。

表7 三江平原子流域1954—2015年气温和降水倾向率

除倭肯河流域以外的其他子流域均是气温升高和降水量减少。气温升高、降雨量下降都会造成沼泽湿地的丧失和退化[33],Brock等研究表明气温升高3—4℃,欧洲南部半干旱地区的湿地面积在5年之内将减少70%—80%[34],张树清等研究也表明,气温升高、降雨量减少是造成三江平原沼泽湿地减少的主要原因之一[35],因此气候变化是影响三江平原沼泽湿地格局变化的主要自然因素之一。同时沼泽湿地对气候变化也产生一定的影响,1954—2015年挠力河流域和同抚流域是沼泽湿地率最高、湿地面积丧失最大的区域,造成这两个区域降水量下降最多、气温上升幅度较大,而倭肯河流域和安邦河流域是沼泽湿地率最低、沼泽湿地面积丧失最小的区域,造成这两个区域降水量下降不明显、气温上升幅度不大。

3.2 结论

(1)三江平原沼泽湿地面积变化具有明显的区域分异规律。1954—2015年,三江平原各流域沼泽湿地面积呈现减少趋势,其中以1976—1986年和2000—2015年沼泽湿地丧失率较高,而1986—2000年沼泽湿地丧失率较低;沼泽湿地面积丧失最多的子流域为挠力河流域和同抚流域,最少的为倭肯河流域和安邦河流域;位于研究区西部的安邦河流域、萝北流域和倭肯河流域沼泽湿地丧失速率较快,而位于东部和南部的穆棱河流域、同抚流域和挠力河流域较慢。

(2)三江平原各流域沼泽湿地格局变化特征具有一定的差异性。1954—2015年,除倭肯河流域沼泽湿地斑块的集中化程度逐渐增强且破碎化程度减少外,其他流域沼泽湿地的集中化程度逐渐减弱且破碎化程度增加;各子流域沼泽湿地斑块之间的连接性和稳定性均呈下降趋势,其中安邦河流域沼泽湿地斑块之间的连接性下降幅度最大,倭肯河流域下降幅度最小;最能表现三江平原各子流域沼泽湿地景观格局演变的指数是斑块密度,其中同抚流域斑块密度变异最大。

(3)人为干扰是影响三江平原各子流域沼泽湿地变化的主要因素,人为干扰对安邦河流域沼泽湿地景观格局影响最大,而对穆棱河流域和挠力河流域影响较小;自然因素中对沼泽湿地变化影响最大的是地形地貌,其次是气温和降水量。