2000—2018 年坝上高原湿地遥感动态监测与生态环境变迁

揭文辉，张策，汪冰，张恩，牛海威，李婧玥，董双发

（核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002）

0 引言

湿地，被称为“地球之肾”，是一种具有多种独特功能的生态系统，它不仅在保持生物多样性和珍稀物种资源、维持生态平衡，在蓄洪防旱、涵养水源、调节气候以及控制土壤侵蚀、降解污染等多方面均起到极其重要的作用，同时还为人类提供大量食物和水资源等生活原料，为人类生存提供了巨大的生态效益、经济效益和社会效益（何桥和徐凌彦，2017；王燕，2019；朱鹤等，2019；刘红梅等，2010；Victor Klemas，2013）。目前，据IUCN 估计，受全球气候变暖及社会经济增长等因素的影响，地球上近一半的湿地资源消失。随着湿地的破坏与退化，诸如河流干涸断流、湖泊萎缩干枯、沼泽湿地草甸化、湿地面积减少等生态环境问题日趋严重，原有的湿地生化环境质量下降和湿地功能逐渐降低甚至丧失。在我国有近九成的重要湿地受到不同程度的人类活动影响而生态环境质量及生态功能下降（肖德荣等，2007）。

坝上高原是我国华北地区阻挡风沙南侵的重要生态屏障，对维护京津地区的生态安全，促进区域发展具有十分重要的战略作用。坝上高原属典型的农牧交错区，生态环境极其脆弱，从2000 年开始，坝上高原湿地面积大幅度减少，原星罗棋布的众多湖淖大量萎缩、干涸，其引发的生态地质环境变化不容小觑。近年来，我国专家学者对坝上地区的湿地保护研究不断加强。2004 年，李晓秀等通过评估区域生态资源承载力的方法对坝上高原进行了生态资源综合评估，为进一步综合探讨坝上高原生态资源特点奠定了基础（李晓秀和马礼，2004）。2007 年，王树凯等通过实地调查研究的方法对坝上地区的湿地资源的进行调查研究，研究表明近年来张家口市坝上地区连年干旱，致使湿地的数量和面积在不断地减少，该地区湿地物种多样性降低，湿地生态系统功能受到破坏（王树凯等，2007）。2011 年，刘军辉等开展了沽源县坝上高原湿地野生植物资源的调查，调查表明该区湿地植物群落结构稳定性呈现下降趋势（刘军辉和杨本芸，2011）。2018 年，王玫认为人类活动对坝上地区湿地生态系统负面影响巨大，其脆弱的生态环境条件已无法履行保障京津冀生态安全的重任，对坝上地区的生态修复与治理工作已刻不容缓（王玫，2018）。

湿地分布范围非常广泛，部分沼泽湿地从地面难以直接进行调查，湿地植被大多矮小，湿地水体又具有明显的光学反光性（林进等，1997）。因此，依赖遥感技术能高效、及时、准确地进行长期监测。遥感技术具有从空间和时间尺度上对大范围湿地进行动态监测的优势，并且具有实时性、直观性、反映宏观规律性等优点，同时能够节省大量的人力、物力和财力（揭文辉等，2020）。目前，随着人们对湿地资源重要性的进一步认识，对湿地的研究日渐增多，遥感技术应用于湿地的研究已成为国内外的热点，其在湿地研究中具有很大的优势（韩敏等，2003）。本文利用2000 年（ETM+）、2010 年（TM）、2018 年（Landsat 8 OLI）3 期遥感影像数据，获取了坝上高原2000—2018 年湿地空间分布特征及时空演化规律，总结了坝上高原不同区域湿地时空演化规律。

1 研究区概况

坝上高原湿地地处河北省西北部，内蒙古高原南缘，特指由草原陡然升高而形成的地带，地理位置为北纬40°56′～42°51′，东经112°54′～117°10′，湿地范围涉及河北省张北县、康保县、尚义县、沽源县，内蒙古自治区商都县、兴和县、化德县、察哈尔右翼后旗、太仆寺旗等9 个县（旗）（图1）。该区域是我国华北地区阻挡风沙向南侵的重要生态屏障，生态功能和地理区位都极为重要。

研究区属东亚大陆性季风气候中温带亚干旱区。春季天气多变，干旱少雨；夏季受西太平洋副热带高压西伸北进的暖湿气流影响，天气较湿润，降水较多；秋季受干冷的西北风重新加强，而暖湿的东南气流日渐衰弱的影响，天气晴朗，气温逐渐变冷；冬季受强大蒙古冷高压控制，多寒潮天气，常遇剧烈降温和风雪。降雨多集中在6—8 月，总降水量为220～340 mm，占全年降水量64%～69%，南部坝头山地区年降水量350～550 mm。区内河流众多，湖泊星罗棋布。滦河是区内最大的外流河，其余河流多为典型的内陆河，多发源于坝头山区，呈南北走向，主要靠大气降水补给。

图1 坝上高原湿地交通位置

1.1 数据来源

综合考虑到研究时间跨度长，遥感影像数据的更新周期和分辨率等因素，为了获取统一的遥感影像数据，能够科学、准确地提取坝上高原湿地信息，确定选择采用Landsat 系列遥感卫星影像数据作为研究坝上高原湿地的影像数据源（朱亚楠等，2019；李成梁等，2019；聂欣然等，2018；赵冉等，2019；程朋根等，2018；艾金泉，2020；孙楠等，2017）。本研究获取的遥感影像数据分别为2000 年（ETM+）、2010年（TM）、2018 年（Landsat 8 OLI）3 期遥感影像数据。详细影像信息如表1。

1.2 湿地信息提取

目前，湿地信息的提取方法主要有人工目视解译法和自动解译法两大类（Mc Feeters S K，1996；骆剑承等，2009）。自动提取主要是依靠影像波谱信息来进行识别，具有自动化程度高，信息提取速度快，工作量小的优势和特点，但该方法对遥感影像质量要求高，阈值确定难度较大，以现有条件较难实现。而人工目视解译主要是对假彩色合成的影像进行目视判断提取，操作简单、解译精度高，但该方法耗时长、工作量大（李晓锋等，2018）。本研究采用人机交互的方法，结合人工目视解译与电脑自动提取的优势来提高湿地信息的提取速度和精度。

2 结果与讨论

2.1 湿地空间分布特征

通过对坝上高原湿地2000 年、2010 年及2018年遥感影像进行人机交互式解译，研究区湿地信息提取结果。

从表2 可知，2000 年度坝上高原湿地总面积796.90 km2，斑块数量731 块。其中以沼泽湿地为主，共解译出沼泽湿地面积347.66 km2，面积占比为43.63%，斑块数量50 块，斑块数占比为6.84%，沼泽湿地较为集中分布；湖泊湿地次之，共解译出湖泊湿地面积276.17 km2，面积占比为34.66%，斑块数量641 块，斑块数占比为87.69%，湖泊湿地较为分散细碎；然后为河流湿地，共解译出河流湿地面积156.60 km2，面积占比为19.53%，斑块数量32 块，斑块数占比为4.38%；研究区人工湿地分布较少，共解译出人工湿地面积17.47 km2，面积占比为2.19%，斑块数量8 块，斑块数占比为1.09%。

表1 2000 年、2010 年、2018 年研究区所选用影像信息

表2 坝上高原2000 年度湿地面积统计

从表3 可知，2010 年度坝上高原湿地总面积750.99 km2，斑块数量493 块。其中以沼泽湿地为主，共解译出沼泽湿地面积334.96 km2，面积占比为44.60%，斑块数量48 块，斑块数占比为9.74%，沼泽湿地较为集中分布；湖泊湿地次之，共解译出湖泊湿地面积239.58 km2，面积占比为31.90%，斑块数量 399 块，斑块数占比为80.93%，湖泊湿地较为分散细碎；然后为河流湿地，共解译出河流湿地面积144.05 km2，面积占比为19.18%，斑块数量29 块，斑块数占比为5.88%；研究区人工湿地分布较少，共解译出人工湿地面积32.40 km2，面积占比为4.31%，斑块数量17 块，斑块数占比为3.45%。

从表4 可知，2018 年度坝上高原湿地总面积666.24 km2，斑块数量316 块。其中以沼泽湿地为主，共解译出沼泽湿地面积320.84 km2，面积占比为48.16%，斑块数量50 块，斑块数占比为15.82%，沼泽湿地较为集中分布；湖泊湿地次之，共解译出湖泊湿地面积169.97 km2，面积占比为25.51%，斑块数量217 块，斑块数占比为68.67%，湖泊湿地较为分散细碎；然后为河流湿地，共解译出河流湿地面积144.05 km2，面积占比为21.62%，斑块数量29 块，斑块数占比为9.18%；研究区人工湿地分布较少，共解译出人工湿地面积31.38 km2，面积占比为4.71%，斑块数量20 块，斑块数占比为6.33%。

表3 坝上高原2010 年度湿地面积统计

表4 坝上高原2018 年度湿地面积统计

2.2 湿地时空演化规律

通过提取的研究区2000 年、2010 年及2018 年湿地信息，利用Arcgis 的空间分析工具，从变化量和变化率来分析研究区湿地的变化情况，获取坝上高原湿地2000 年至2018 年的湿地变化特征。运用arcgis 中的Erase 工具，以研究区2010 年度提取的湿地信息擦除研究区2000 年度提取的湿地信息，从而得出2000—2010 年研究区湿地减少的区域信息；反之，以研究区2000 年度提取的湿地信息擦除研究区2010 年度提取的湿地信息，则获取到2000—2010 年研究区湿地增加的区域信息，因而提取出2000—2010 年研究区湿地的变化信息，如图2 所示。同理，运用2000 年、2010 年及2018 年研究区提取的湿地信息可获取2010—2018 年研究区湿地变化信息及2000—2018 年研究区湿地变化信息，如图3、图4 所示。

从表5 分析得出，2000—2010 年，全区湿地减少45.91 km2，斑块数量减少238 块，减少率分别为5.76%、32.56%；以湖泊湿地面积和斑块数量减少最多，分别为36.59 km2、242 块，减少率为13.25%、37.75%，人工湿地面积和斑块数量均有所增加，该时间段各湿地类型变化分布情况见图2 所示。2010—2018 年，全区湿地减少84.75 km2，斑块数量减少177 块，减少率分别为11.29%、35.90%；以湖泊湿地面积和斑块数量减少最多，分别为69.61 km2、182 块，减少率为29.06%、45.61%，人工湿地斑块数量有所增加，但面积有所减少，该时间段各湿地类型变化情况见图3 所示。2000—2018 年，全区湿地减少130.66 km2，斑块数量减少415 块，减少率分别为16.40%、56.77%；以湖泊湿地面积和斑块数量减少最多，分别为106.20 km2、424 块，减少率为38.45%、66.15%，人工湿地的面积和斑块数量有一定的增加，说明人类活动已经侵入到湿地区域，对湿地的影响和改变逐渐增大，该时间段各湿地类型变化情况见图4 所示。综合分析可知，2000—2018 年间，研究区内河流湿地、湖泊湿地和沼泽湿地都有所减少，以湖泊湿地面积减少最多，河流湿地及沼泽湿地减少量较小；研究区内人工湿地面积有所增加，但其面积总量及增加量都比较小。

图2 坝上高原2000—2010 年湿地变化图

图3 坝上高原2010—2018 年湿地变化图

图4 坝上高原2000—2018 年湿地变化图

表5 坝上高原2000—2018 年湿地变化统计

从表6 分析得出，2010—2018 年间，除河流湿地无变化以为，各湿地类型面积都有所减少，且减少速度都高于其他时间段。其中以湖泊湿地面积减少速度最快，为每年减少8.70 km2；其次为沼泽湿地面积减少速度，为每年减少1.77 km2；该时间段是人工湿地面积唯一出现减少的情况，面积减少1.02 km2，减少速度为每年减少0.13 km2。总体来看，坝上地区湿地面积的减少主要为区域内湖泊水面面积的减少，坝上草原湿地的变化主要体现在区域内湖泊湿地的变化上。

2.3 坝上高原不同区域湿地时空演化规律

坝上高原从西至东可划分3 个区域，分别为西北内流区、乌兰淖尔内流区和滦河源外流区，通过分析提取的研究区2000—2018 年各时间段的湿地变化信息可知，坝上地区西部萎缩趋势整体高于东部（图5）。

表6 坝上高原湿地各时间段各类型湿地变化速度统计 km2/a

从表7 可知，2000—2018 年坝上高原湿地面积及斑块数量的减少主要受西北内流区的影响。2000—2018 年坝上高原湿地面积共减少130.66 km2，斑块数减少415 块。其中西北内流区湿地面积减少97.86 km2，占整个坝上高原湿地减少面积的74.90%，斑块数减少366 块，占整个坝上高原湿地斑块减少数量的88.19%；乌兰淖尔内流区湿地面积减少3.93 km2，占减少面积的3.01%，斑块数减少16 块，占减少数的3.86%；滦河源外流区湿地面积减少28.87 km2，占减少面积的22.09%，斑块数减少33 块，占减少数的7.95%。

2000—2010 年坝上高原湿地面积共减少45.91 km2，斑块数减少238 块。其中，西北内流区湿地面积减少27.27 km2，占减少面积的59.41%，斑块数减少191 块，占减少数的80.25%；乌兰淖尔内流区湿地面积减少2.86 km2，占减少面积的6.23%，斑块数减少12 块，占减少数的5.04%；滦河源外流区湿地面积减少15.78 km2，占减少面积的34.36%，斑块数减少35 块，占减少数的14.71%。

2010—2018 年坝上高原湿地面积共减少84.76 km2，斑块数减少177 块。其中，西北内流区湿地面积减少70.59 km2，占减少面积的83.29%，斑块数减少175 块，占减少数的98.87%；乌兰淖尔内流区湿地面积减少1.07 km2，占减少面积的1.27%，斑块数减少4 块，占减少数的2.26%；滦河源外流区湿地面积减少13.09 km2，占减少面积的15.45%，斑块数增加2 块。

由此可知，坝上高原西北内流区湿地的变化主要决定着整个坝上高原湿地的变化。

3 结论

本文利用先进的遥感技术，通过人机交互式解译方法获取了坝上高原2000—2018 年湿地空间分布特征及时空演化规律，总结了坝上高原不同区域湿地时空演化规律及生态环境的变迁。

图5 坝上高原2000-2018 年湿地变化分区图

表7 坝上高原2000-2018 年各分区湿地变化统计

（1）2000—2018 年，研究区湿地资源面积从2000 年的796.90 km2减少至2018 年的666.24 km2，湿地资源斑块数从2000 年的731 块减少至2018 年的316 块。18 年间，湿地资源面积减少130.66 km2，斑块数减少415 块，减少速度为7.26 km2/a。

（2）综合分析研究区湿地资源变化信息及环境变迁情况发现，区内主要以湖泊湿地减少为主；且2010—2018 年时间段研究区湿地资源面积萎缩量较2000—2010 年时间段萎缩量大，且萎缩速度快，同时出现人工湿地面积的减少。

（3）从空间变化特征来看，可将坝上高原湿地变化区自西向东划分为西北内流区、乌兰淖尔内流区和滦河源外流区，且西部湿地萎缩趋势整体高于东部，即西北内流区＞乌兰淖尔内流区＞滦河源外流区。