1950—2015年吉林省西部地区湿地动态变化研究

李杰玲, 马琼芳, 燕红, 陈玲, 卞大伟, 李伟东, 张超凡

1950—2015年吉林省西部地区湿地动态变化研究

李杰玲*, 马琼芳, 燕红, 陈玲, 卞大伟, 李伟东, 张超凡

吉林省林业科学研究院, 吉林长春 130033

以吉林西部为研究区域, 用GIS与RS相结合, 利用动态度模型与土地利用转移矩阵研究1950—2015年吉林省西部湿地动态变化。结果表明: 1976—2015年吉林西部湿地总面积呈波动型减少的趋势, 自然湿地中的沼泽湿地持续性减少, 河流、湖泊湿地先增加后减少; 人工湿地呈逐渐增加的趋势, 自然湿地主要向耕地、草地和盐碱地转移, 水田的增加方式主要有旱田改水田, 沼泽改水田两种方式; 自然湿地丧失较大的区域主要分布在嫩江、松花江沿岸、以及查干湖、月亮湖等湖泊附近, 人工湿地面积(水田)增加的主要区域位于研究区中、东部河流湖泊沿岸。

湿地变化; 吉林西部; 动态度; 土地利用转移矩阵

0 前言

湿地是地球上水陆相互作用形成的独特生态系统, 是重要的生存环境和自然界最富生物多样性的景观之一, 在抵御洪水、调节径流、补充地下水、改善气候、控制污染、美化环境和维护区域生态平衡等方面有着其他系统所不能替代的作用[1]。近年来, 由于自然因素与人类活动的影响, 湿地出现退化、萎缩, 湿地生态系统受到前所未有的威胁, 生态环境受到严重影响, 研究湿地的空间演变规律具有重要意义[2-4]。吉林西部地区位于松嫩平原的西南部, 是我国北方生态脆弱带的重要组成部分。该地区在建国初期土地资源丰富, 草地面积广阔, 气候适宜, 农牧业得到很好的发展, 是我国东北地区重要的商品粮食基地[5]。但是, 近几十年来, 随着区域人口的增加, 人类活动对生态环境的影响逐年增加, 长期的过度放牧, 滥垦农田, 使西部地区湿地系统潜在的脆弱性正逐渐转变成现实的环境灾害, 湿地已严重退化, 因此研究湿地动态变化规律及退化情况是当务之急。

本文以吉林省西部地区为研究区, 选取1950—2015年间四个时期的遥感影像, 应用地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术开展土地退化的遥感动态监测研究, 掌握土地退化的数量、时空分布及变化趋势, 对本地区农业发展及生态环境的恢复与重建具有重要的理论及实际意义。

1 研究区概况

吉林省西部位于松嫩平原的中南部, 辽河平原的北端, 地处121°38′—126°12′E, 44°—46°20′N , 包括大安、洮南、白城、镇赉、通榆、长岭、前廓、乾安8个市县(图1)。该区属大陆性季风气候区, 年日照时间2800—3000 h, 年总辐射5100—5200 MJ·m-2; 年均降水量400 mm左右, 年均蒸发量1600—2000 mm, 平均相对湿度60%—65%; 无霜期140—160 d。区域内水系发育, 主要为松花江水系; 过境的河流有嫩江、松花江、洮儿河。区域内从东到西, 呈地带性分布着黑土、淡黑钙土、暗栗钙土3种草原土壤。在嫩江中下游、嫩江和第二松花江汇合处, 洮尔河、霍林河流域集中分布了大面积湿地, 较大的湿地诸如向海、莫莫格、月亮泡、查干湖湿地等。由于自然因素与人为活动的影响, 土地盐碱化、土地沙漠化等土地退化现象十分明显[6]。

2 资料来源及研究方法

本文的数据源时间范围是1950—2015年, 分4个时期: 1950—1976年(阶段1)、1976—2000年(阶段2)、2000—2005年(阶段3)和2005—2015年(阶段4), 遥感数据为1976年的MSS, 2000年与2005年得的TM, 2015年的ETM+, 对遥感影像进行几何校正和图像增强处理, 建立像解译标志, 通过影像解译得到研究区4个时期内的土地利用数据, 此外1950年的土地利用类型从同年的地形图上进行分类提取。参照国家通用的土地利用分类系统, 根据研究区实际情况将其分为旱地、水田、沙地、盐碱地、草地、林地、裸地、沼泽地、河渠、水库坑塘、建设用地(城乡、工矿、居民用地)与河流、湖泊湿地等12大类型。

图1 吉林省西部地区湿地分布图

Figure 1 Distribution map of wetlands in the western part of Jilin Province

为了进一步研究吉林省西部湿地面积在近70 a内的变化过程, 本研究中釆用湿地景观动态变化度模型来分析湿地景观数量的动态变化情况, 釆用转移矩阵来分析湿地景观结构和功能的变化情况[7-9]。

景观类型动态度分析是以湿地各景观类型面积在时间序列上的动态变化为基础建立的分析方法[10]。引入此模型一方面可以展示湿地自身的变化强度与规律, 另一方面可以了解研究区内湿地变化的时间特征[11]。湿地景观动态变化度包括单一湿地景观动态变化度和综合湿地景观动态变化度两种统计模型[12]。

单一湿地动态变化度数学表达式为:

它能够定量的表达研究区一定时间内各个景观类型面积的变化趋势其中,代表研究时段内某一湿地景观类型动态变化度,U和U分别代表研究初期与研究末期某一湿地景观类型的面积,为研究周期。当的时段为年时,值就是该区域某种湿地景观类型的年变化率。

研究区内不同类型的湿地变化存在着显著差异, 利用相对变化率可以直观反映出湿地变化的类型差异[13-14]。

湿地相对变化率模型为:

式中KK分别为某一类型湿地在研究初期和末期面积,C、C分别为研究区研究初期、末期湿地总面积。不同类型湿地相对变化率不同, 当大于0说明该湿地类型具有与湿地总体相同的变化趋势, 当小于0说明该湿地类型具有与实体总体相反的变化趋势; 当绝对值大于1说明该湿地类型变化强度大于湿地整体变化强度, 当绝对值小于1说明该湿地类型变化强度小于湿地整体变化强度。

利用GIS和ＲS技术, 制作吉林省西部不同时期的湿地分布图和土地利用图, 分析吉林省西部沼泽地面积和空间格局变化。在此基础上, 计算出不同时期各土地利用类型的状态转移矩阵。

3 结果与分析

3.1 吉林西部湿地动态变化特征

利用GIS 技术, 制作出吉林省西部不同时期湿地空间分布图(见图2), 从湿地变化的空间看, 研究区的东中部和北部湿地变化较大, 且面积呈增加的趋势; 而西部和南部变化相对较小, 且面积呈逐渐减少的趋势。各种类型湿地的空间格局变化不一样, 由图可知, 沼泽湿地丧失较大的区域主要分布在嫩江、松花江沿岸、以及查干湖、月亮湖等湖泊附近,水田面积增加的主要区域位于研究区中、东部的引嫩入白工程、哈达山水利枢纽工程、大安灌区工程三大工程区, 以及河流湖泊沿岸。

表1从景观面积统计的角度, 对流域范围湿地变化进行了定量评价并计算近70a的湿地变化动态度。从吉林西部各不同类型湿地面积统计可以看出, 湿地总面积呈波动型减少的趋势。1950年研究区内湿地总面积为67876.34 km2, 1976年湿地总面积为5329.52 km2比1950年减少了1546.82 km2。这期间减少的区域主要位于吉林西部北部镇赉县、中部乾安县、南部长岭县与东部洮南地区。洮儿河附近的水田在这一时期增加明显; 2000年湿地总面积相对于1976年增加了454.64 km2, 到2005年持续减少至5513.12 km2, 但在2015年湿地面积大幅增长至6339.66 km2。不同类型湿地发生的变化过程和变化幅度不同, 1950—2015年间沼泽湿地面积减少最多以每年0.0097%的速度减少, 减少了3437.91 km2; 水田面积增加最多以每年0.15%的速度增加, 增加了2415.47 km2, 增加近10倍。由此可见湿地的增加主要是水田面积增加造成的。

表2显示, 1975—1976 年期间各类型湿地变化不尽相同: 河流湖泊湿地、水田、水库坑塘相对变化率为负值, 说明其变化趋势与此研究期内湿地整体变化趋势相反, 即具有增加的趋势, 河渠与沼泽湿地的相对变化率为正值, 说明其与湿地整体变化趋势相同。其中, 各湿地类型的相对变化率绝对值均远大于1, 说明在此研究期内各湿地类型无论是增加还是减小的变化强度都远大于研究期内湿地整体变化强度; 1976—2000年期间, 河流湖泊湿地、沼泽湿地、水库坑塘的相对变化率为负值, 但是其绝对值都在1附近, 这说明虽然这期间这几种湿地类型有所减少但其减少的幅度都很小且河流湖泊湿地与水库坑塘的变化强度都小于研究期间整体湿地变化强度。可以看到水田的变化率在此期间远远大于1, 说明水田在这一时期得到了大量的开发, 面积急剧增加; 2000—2005年期间整体5种类型湿地相对变化率均为正值, 说明他们的变化趋势均与此研究期内湿地整体变化趋势相同, 即均成减少的趋势。其中, 沼泽湿地的相对变化率绝对值均小于1, 说明其变化强度均比湿地整体变化强度小; 2005—2015年期间, 河流湖泊湿地与沼泽湿地的相对变化率为负值说明在这期间这两种湿地类型都是减少的, 其余湿地类型都是增加的, 其中水库坑塘的相对变化率远大于1, 说明在此期间新建水库坑塘较多。

3.2 吉林省西部景观结构变化特征

吉林西部的湿地类型有自然湿地和人工湿地，自然湿地包括沼泽湿地、河流湿地、湖泊湿地，人工湿地包括水库、坑塘、沟渠、水田等。根据1950—2015年土地利用类型覆被图(图3)与不同时期的湿地空间分布图可以看出近70 a该区域的地表景观格局已经发生了显著的改变, 1950—2015年, 旱地、盐碱地持续增加, 草地、沼泽地总面积持续减少。在1950年,草地与沼泽地是这一时期的优势地类; 盐碱地与林地面积较小。1976年, 吉林省中部与北部大量沼泽湿地退化, 湿地与草地迅速盐碱化。到2000年,草地和沼泽地的面积迅速减少,旱地、建设用地、盐碱地呈增加趋势,导致了区域景观的不断破碎化,草地和沼泽地则迅速降低, 而建设用地大幅增长。到2015年,林地、盐碱地以及沙地面积比重的不断增加, 反映了区域生态在不断恶化,环境安全压力增大,土地利用的剧烈变化使得生态安全尤其是沼泽地的生态安全问题突出。

图2 吉林西部不同时期湿地空间分布

Figure 2 Spatial distribution of wetlands in different periods in western Jilin Province

表1 吉林省西部不同时期湿地面积及变化率

表2 吉林省西部湿地相对变化率

图3 吉林西部不同时期土地利用类型覆盖图

Figure 3 Coverage of land use types in different periods in western Jilin

由表3可知1950—1976年间, 由于人类垦殖和放牧活动的影响, 大量沼泽湿地转化为旱地和草地, 一部分则退化为沙地、盐碱地等未利用地, 导致沼泽湿地面积急剧减少, 其中有1724.41 km2的沼泽地转化为盐碱地, 1009.12 km2转化为草地, 817.73 km2转化为旱地, 413.31km2转化为河流湖泊湿地。从空间上看沼泽地的的退化主要发生在前郭、长岭、大安、乾安、通榆、镇赉县。在1976—2000年(表4), 旱地的大量开垦继续占用沼泽湿地, 面积仍然呈现下降趋势, 但是同时一些草地退化为沼泽湿地, 486.4 km2旱地被开发为水田所以沼泽地减少面积相对降低。沼泽湿地主要向水田、盐碱地转移。其中347.7 km2的沼泽地转移为水田, 134.21 km2转移为盐碱地。从空间上看水田在这一时期的开发主要发生在前郭县与镇赉县。在2000—2005年间(表5), 虽然沼泽地持续退化, 但由于退耕还林、还草政策, 沼泽地退化与盐碱地的增加面积十分微弱。沼泽地主要向旱地、河流湖泊湿地、盐碱地转移, 沼泽地有172.52 km2转移为旱地, 118.48 km2转移为水域, 103.07 km2转移为盐碱地。在2005—2015年间(表6), 沼泽地主要向旱地、盐碱地与水田转移, 沼泽地中有165.89 km2转移为旱地, 245.85 km2转移为水田, 170.53 km2转移为盐碱地, 同时此期间有757.68 km2的旱地转化为水田。大量沼泽湿地转化为水田主要在镇赉县与白城市。

表3 1950—1976年土地利用类型面积转移矩阵

表4 1976—2000年土地利用类型面积转移矩阵

表5 2000—2005年土地利用类型面积转移矩阵

表6 2005—2015年土地利用类型面积转移矩阵

1950—2015 年间, 沼泽地退化,盐碱地扩张严重, 沼泽地主要向旱地、草地和盐碱地转移。沼泽地主要被开垦为耕地, 1521.66 km2(28%)的沼泽地和13.1%的河流湖泊开垦为旱地，11.68%的沼泽湿地转化为草地, 18763.28 km2(34.51%)的沼泽地和14.76%的河流湖泊转化为盐碱地。从空间看, 沼泽地丧失较大的区域, 主要集中分布在嫩江、第二松花江沿岸, 以及查干泡、月亮泡等湖泊附近; 水田面积的增加主要有旱田改水田和荒地改水田两种方式: 1950—2015年旱田改水田的面积占32.8%, 沼泽湿地改水田的面积占23.7%, 草地改水田的面积占31.9%, 盐碱地改水田的面积占不到0.1%。由此可见,农用地大面积的开垦和土地的盐碱化是吉林西部湿地退化的主要因素。随着农业和经济的发展, 人类对土地的改造与利用强度不断地加强,吉林西部土地沙漠化、盐碱化程度也在不断加重。刘殿伟等人研究发现[15], 西部盐碱地面积占全省盐碱化土地的98.1%, 是松嫩平原最为典型的盐碱地分布区。吉林西部生态环境的恶化将影响到该地区未来农业经济建设和生存环境质量。加强湿地资源保护,改良区域生境, 这将是吉林西部未来农业建设与可持续发展的重要任务。

4 讨论

人类活动在吉林西部湿地空间变化中起重要作用, 随着人口的增多, 人类对耕地的需求量增加, 研究发现, 1950—2015年间, 沼泽地退化,盐碱地扩张严重, 沼泽地主要向旱地、水田、草地和盐碱地转移。由于东北地区环境相对稳定, 土地资源丰富, 一个多世纪以来, 大量移民迁移到这里, 导致该地区人口迅速增长, 进而引发一系列土地利用和生态变化[16-17]。大量的沼泽地被开垦为水田和旱地,实地调查发现, 许多历史上为湿地的地区, 已经被开垦为耕地, 导致斑块湿地面积减少, 破碎化程度增加。自20世纪90年代中后期以来, 由于保护环境和资源意识的提高, 湿地保护体系的逐步完善和保护政策的相继出台, 湿地盲目开垦问题逐渐得到控制, 湿地退化率逐渐降低。但是通过分析土地利用类型覆盖图发现, 2005年之后增加的湿地多为人工湿地, 各种大小水库的建立截留地表水严重, 造成了河流断流、河床干涸的现象, 使得自然湿地供水不足继续萎缩。

自然因素也是这一时期沼泽地退化、土地盐碱化的重要原因[18-19]。该区地表由第四纪冲积物构成, 土壤以黄土状亚沙土、砂土和粉细砂为主, 土壤结构松散, 保水保肥能力差, 遇到干旱、内涝等干扰,自然结构极易遭到破坏, 成为土地沙漠化的重要物源,平原沉积物质地粘重、渗透性差, 水网不发达,水分长期停滞不能外流,可溶性盐类难以排泄, 同时由于夏季蒸发量大, 土地极易盐碱化。由图4所知, 该区域70a来, 气温明显上升, 已成为东北地区的增温中心之一; 同时降水呈现减少后增加的趋势, 年平均降水量从1960年的505 mm降至2001年的205 mm左右, 而后在2009到2015年又有增加; 与此同时, 湿地也呈现出类似的趋势, 表现为先减少后增加, 由表2所知, 2005年到2015年期间, 水库坑塘和水田面积大幅度增加, 主要原因在于降雨量增加, 尤其2013年汛期, 洮儿河流域发生了自1998年以来的特大洪水事件后, 大量雨水汇集到水库坑塘区, 使得这个时期湿地面积相应的增加。综上所述, 降水变化是影响西部地区湿地动态变化的主要自然因素之一。

5 结论

由于全球气候变化与人类活动的影响, 吉林省西部湿地总面积在1976—1950年总体呈波动型减少趋势且各类型湿地面积的变化趋势不一致。自然湿地退化的面积主要由人工水田填补, 但这种填补是否能够代替自然湿地的功能还有待商榷。沼泽地与河流湖泊湿地等自然湿地呈现逐渐减少的趋势, 且变化强度与湿地总面积变化强度相近; 水田、水库坑塘等人工湿地面积的增加, 变化强度远大于湿地总面积变化强度说明人工湿地的变化受外部因素干扰严重。

图4 1951—2015年吉林省西部年降水量和年平均气温变化(数据来源: 中国气象数据网)

Figure 4 The annual precipitation and average temperature in west of Jilin province from 1951 to 2015

从空间分布看, 1950—2015年湿地在研究区的中东部和北部湿地呈增加的趋势, 增加的主要是人工湿地(水田)面积。水田面积增加的区域, 主要位于河流湖泊沿岸; 研究区西、南部湿地面积变化较小且减小, 盐碱地呈近似同心圆状或条带状镶嵌在湖泊周围, 随湖水面积缩小, 其周边盐碱地的面积扩张。自然湿地丧失较大的区域主要分布在嫩江、松花江沿岸、以及查干湖、月亮湖等湖泊附近, 湿地盐碱化严重并且出现沙化, 另被大量开垦为耕地。

1950—2015年间, 沼泽地退化,盐碱地扩张严重, 沼泽湿地主要向旱地、水田、草地和盐碱地转移。水田面积的增加主要有旱田改水田和荒地改水田两种方式。共1521.66 km2超过30%的沼泽湿地开垦为耕地其中891.78 km2的沼泽湿地开垦为旱地, 629.883 km2开垦为水田。另634.00 km2的沼泽湿地转化为草地, 只余下810.66 km2的沼泽湿地不足1950年的16%; 1873.28 km2近40%的沼泽湿地和170.691 km2的河流湖泊转化为盐碱地, 同时有1286.5 km2的旱地和872.187 km2水田盐碱化。由此可见土地盐碱化与耕地的大面积开垦是造成湿地退化的主要原因。而近年来的湿地面积大的增加主要是由于水田面积的增加。

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Study on the dynamic change of wetland in western Jilin Province from 1950 to 2015

LI jieling, MA Qiongfang, YAN Hong, CHEN Ling, BIAN Dawei, LI Weidong, ZHANG Chaofan

Academy of Forestry of Jilin Province, Changchun 130033, China

The western Jilin Province was selected as the study area. Combining GIS and RS, the dynamic change of the wetland in the western Jilin Province from 1950 to 2015 was studied by using the dynamic degree model and the land use transition matrix. The total area of the wetland in the west of Jilin Province showed a fluctuating decrease trend from 1976 to 2015. The area of the marsh in the natural wetland sustainably decreased. The area of the river and lake increased at first, and then decreased.The area of the constructed wetland increased gradually. The natural wetland mainly transferred to the cultivated land, the grassland and saline-alkali land. The paddy field increased because the upland field and the swamp transferred to the paddy field. The decreased area of the natural wetland mainly distributed near Nenjiang River, Songhua River, Chagan Lake and Moon Lake. The increased area of the constructed wetland (the paddy field) was located along the rivers and lakes in the central and easternJilin Province.

wetland change; western Jilin Province; dynamic degree; land usetransition matrix

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.06.009

S157.2

A

1008-8873(2020)06-060-09

2019-07-05;

2019-08-27基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0500407); 长白山湿地与生态吉林省联合重点实验室基金项目(CWE18-3); 吉林省公益性科研院所科研项目(GY-2018-09和GY-2019-2); 吉林省林业厅科技项目(2018-002); 吉林省林业重大科技攻关计划(2015-004); 林业科技创新平台运行补助项目(201913203)

李杰玲(1966—), 女, 副高, 从事生态学研究，E-mail: 2660389954@qq.com

李杰玲

李杰玲, 马琼芳, 燕红, 等. 1950—2015年吉林省西部地区湿地动态变化研究[J]. 生态科学, 2020, 39(6): 60–68.

LI jieling, MA Qiongfang, YAN Hong, et al. Dynamic study of wetland in western Jilin Province from 1950 to 2015[J]. Ecological Science, 2020, 39(6): 60–68.