1990—2015 年扎龙湿地的景观变化图谱

赵丹丹，万代吉，王一男，刘吉平

（吉林师范大学地理科学与旅游学院，吉林四平 136000）

湿地是陆地生态系统与水生生态系统之间的过渡地带，具有保护生物多样性、调节径流和改善水质等功能，土壤浸水的特定环境使其拥有许多具有湿地特色的植物[1].全球内陆湿地面积自1700 年以来已减少340 万km2，湿地受损将导致碳汇能力、蓄水、生物多样性及土壤保持等多种服务功能退化[2-3]，湿地结构-功能受损势必引发寒温带生态环境问题，危及区域生态安全和经济社会的可持续发展[4]. 目前我国不同区域的湿地均产生退化现象，扎龙湿地表现较为明显，已受到广泛关注.

研究学者对扎龙湿地进行了一系列相关研究，例如宫兆宁等[5]利用NDVI 数据分析扎龙湿地下垫面物候特征，通过研究扎龙湿地蒸散发量及生态蓄水量提出合理补水方案，为湿地保护提供了有效支撑；杨明悦[6]对光学影像Landsat8 OLI 和雷达影像Sentinel-1 进行融合分类，提取扎龙湿地分布图以探究湿地的动态变化；李伟琳[7]从扎龙湿地景观变化的视角评价湿地生态功能区，为湿地生态系统修复及优化提供依据；韦月玲[8]从形态学角度对扎龙湿地的景观变化及连通性进行分析，为湿地景观格局优化提供思路.除此之外，研究人员还对湿地变化的驱动机制进行了相关研究，杨钦等[9]研究发现人均GDP、第一产业值及城镇人口数量是导致扎龙湿地景观格局变化的主导因素；孙砳石等[10]对1903—2017 年扎龙湿地景观破碎化过程的驱动力进行研究，发现降水量周期变化是湿地景观破碎化过程的主导因子；佟守正等[11]对1986—2002 年扎龙湿地生态系统变化进行分析，发现高强度的人类活动加剧了湿地破碎化程度.现有研究主要针对扎龙湿地整个区域的湿地景观变化及驱动机制，并未对其进行分区研究. 本研究基于1990—2015 年扎龙湿地的相关数据，采用动态度、湿地图谱及质心转移的方法，分区研究扎龙湿地景观图谱变化，以期为扎龙湿地可持续发展提供理论基础.

1 研究区概况

研究区为位于黑龙江省西部、齐齐哈尔东南部松嫩平原、乌裕尔河下游湖沼地带的扎龙湿地（46°48′N～47°31.5′N，123°51.5′E～124°37.5′E），地处乌裕尔河和双阳河下游，面积约2 100 km2，南北长65 km，东西宽37 km，是全国最大的以鹤类等大型水禽为主的国家级珍稀鸟类自然保护区[12].扎龙湿地属温带大陆性季风气候，年平均气温为2～4 ℃，多年平均降水量为426 mm，降水主要集中在7—9 月份，占总降水量的70%以上[1].

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究的湿地数据主要来源于Landsat TM 遥感影像，影像来源于地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn/）.通过面向对象的分类方法，利用eCognition9.0 软件分类提取湿地数据（主要是沼泽湿地和水体），结合野外调查及Google earth 验证，提取精度为85%以上，可以基本满足本研究需求.基于GIS 和RS 技术，采用动态度、湿地动态变化图谱和质心转移模型的方法进行数据处理.

2.2 研究方法

2.2.1 动态度

以3 期遥感数据为基础，解译得到1990 年、2000年和2015 年扎龙湿地实验区、缓冲区、核心区以及整个保护区的水体和沼泽湿地面积.利用公式计算动态度，分析扎龙湿地面积的动态变化.动态度是研究土地利用变化的重要模型，为分析扎龙湿地面积变化，本研究引入动态度公式，计算扎龙湿地实验区、缓冲区、核心区以及整个保护区沼泽湿地和水体面积的动态度，分析湿地面积随时间变化的特点[13-14].计算公式为

式（1）中：Ua和Ub分别代表研究初期与研究末期的湿地面积，km2；t为研究时间，a.LC ＞0 表示研究期间湿地面积增加；LC ＜0 表示研究期间湿地面积减少.LC的绝对值越大表示面积变化幅度越大.

2.2.2 湿地动态变化图谱

利用ArcMap10.2 软件的空间分析功能，得到1990 年、2000 年和2015 年3 期扎龙湿地空间分布图，再运用ArcMap10.2 中的clip 和overlay 功能，对3个时期的湿地分布状况进行处理与分析，得到1990—2015 年扎龙湿地面积的动态变化图谱.

2.2.3 质心转移和标准化椭圆

从空间格局的角度分析地理事物的变化特征是质心转移的重要特点，通过标准化椭圆的分布状况、面积、长轴方向和形状可以判断地理事物分布的中心性、聚集性、主体方向和形态，揭示湿地在空间上的变化轨迹[15].利用ArcMap10.2 软件，得到1990—2015 年扎龙湿地水体和沼泽湿地的质心转移和标准化椭圆图，分析1990—2015 年扎龙湿地的空间格局变化特征.

3 结果与分析

3.1 扎龙湿地面积的动态变化

运用ArcGIS10.2 软件导出属性表，借助Excel 的统计分析功能，分别计算1990—2015 年研究区内实验区、缓冲区、核心区以及整个保护区水体和沼泽湿地的面积，依据公式（1）计算出扎龙湿地各区域水体和沼泽湿地的动态度，结果如表1 所示.

表1 1990—2015 年扎龙湿地动态度Tab.1 Dynamic degree of Zhalong wetland from 1990 to 2015%

由表1 可以看出，1990—2015 年扎龙湿地各区水体和沼泽湿地的变化存在差异.研究期间沼泽湿地和水体面积均有所增加，其中水体面积变化幅度比沼泽湿地面积变化幅度大，这与袁力等[16]的研究结果基本一致.沃晓棠等[1]的研究结果表明，扎龙湿地不同类型景观的面积在1979—2010 年间呈增加趋势，本研究中同样呈现一定的增加趋势，虽研究时间序列存在差异，但其变化趋势基本一致.

1990—2000 年扎龙湿地水体面积的动态度约为-0.86%，1990—2015 年沼泽湿地和水体面积的动态度分别为4.66%和10.58%. 从分区角度来看，2001—2015 年实验区水体面积增幅最大，动态度为16.62%；1990—2000 年实验区的水体面积和缓冲区的沼泽湿地面积均呈减少趋势，动态度分别为-7.51%和-1.72%；1990—2015 年核心区水体面积的动态度为9.73%.

3.2 扎龙湿地时空格局变化图谱

利用GIS 软件提取扎龙湿地的沼泽湿地和水体，得到1990 年、2000 年和2015 年研究区图谱，如图1 所示.

由图1 可以看出，扎龙湿地主要由沼泽湿地和水体构成，其中沼泽湿地占比最大，约为92%.1990—2015 年扎龙湿地总面积呈增大趋势. 1990—2000 年水体在实验区南部大面积减少，2001—2015 年在实验区南部和北部零星减少；2001—2015 年沼泽湿地在缓冲区显著增加，1990—2015 在核心区北部显著增加.扎龙湿地退化和减少不仅受气候变化的影响，还受人类活动的干扰[11].1990—2015 年核心区北部沼泽湿地明显扩张，水体也在整个核心区零星增加，说明退耕还湿等保护政策的实施颇有成效；1990—2015 年缓冲区的水体面积不断增加，沼泽湿地则先减少后增加；1990—2015 年实验区的水体先减少后剧烈增加，而沼泽湿地则主要在北部呈增加趋势.有研究表明，人均GDP、第一产业值及城镇人口数量对扎龙湿地的减少贡献较大[9].

根据1990—2015 年扎龙湿地核心区、缓冲区和实验区的湿地分布，绘制不同分区内扎龙湿地水体和沼泽湿地的相对变化图谱，如图2 所示.

由图2 可知，1990—2000 年和2001—2015 年沼泽湿地相对增加的区域分别在北部和中北部的核心区和缓冲区；而1990—2000 年沼泽湿地相对减少的区域则主要在实验区.1990—2015 年沼泽湿地相对减少区域主要集中在缓冲区和实验区的北部；水体相对增加和相对减少的区域则零星分布于整个研究区.1990—2015 年期间，研究区气温的升高导致沼泽湿地和水体面积出现一定程度的减少，但大型水利设施和补水工程的修建有效缓解了湿地缺水状况.此外，湿地相关法律法规及政策的制定也有效减缓了沼泽湿地和水体的退化.

3.3 扎龙湿地质心转移

利用ArcGIS10.2 软件，根据1990—2015 年扎龙湿地矢量分布数据，绘制沼泽湿地和水体的质心及标准化椭圆图，如图3 所示.

由图3 可知，1990—2000 年沼泽湿地的质心向西南方向移动，2001—2015 年向南微弱移动，整体来看，1990—2015 年扎龙沼泽湿地的质心向西南方向移动.1990—2000 年扎龙湿地水体的质心向西北移动，2001—2015 年向东北移动. 1990—2015 年沼泽湿地和水体的标准化椭圆形状变化均较小，扎龙湿地在2015 年聚集性相对较强，这与韩敏等[17]的研究结果存在差异，可能是研究时间序列存在差异造成的.

4 结论

本研究基于GIS 和RS，采用动态度、湿地动态变化图谱和质心转移等方法，研究1990—2015 年扎龙湿地景观格局变化图谱和质心转移情况，结论如下：扎龙湿地主要由沼泽湿地和水体构成，1990—2015 年扎龙湿地各区水体和沼泽湿地的变化存在差异，研究区内沼泽湿地和水体面积均有所增加，其中水体面积的变化幅度比沼泽湿地的数值大；研究期间沼泽湿地的质心向西南方向移动，而水体的质心则先向西北而后向东北转移，2015年扎龙湿地的聚集性相对较强.本研究仅采用了1990—2015 年时间序列遥感数据，未能揭示较长时间序列的湿地变化，未来应进一步采用多时间序列的数据对扎龙湿地变化图谱进行深入研究.