呼伦湖湿地遥感变化监测及驱动分析

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　　摘要以Landsat遥感影像为数据源，运用非监督分类和人工目视解译的方法，获得呼伦湖1984—2015年7期湿地类型数据，并对呼伦湖湿地动态变化进行分析。结果表明，1984—2015年呼伦湖湖泊湿地和沼泽湿地面积均呈波动性减少态势，面积减少率分别为2.1%和50.6%;河流湿地面积增长了40.2%;坑塘湿地平均每年减少0.65 km2。1984—2015年沼泽湿地主要转为草地和草甸，坑塘濕地主要转为沼泽湿地、草地和草甸，河流湿地主要转为草地、沼泽湿地和湖泊湿地，湖泊湿地主要转为草地和盐碱地。各类型湿地主要转化为草地、草甸和盐碱地，也存在互相转化的现象。呼伦湖湿地变化的主要自然因素为多年来降水量减少和气温升高导致蒸发量增大，主要人为因素为人口数量、耕地面积和牲畜存栏量的急剧增长使得湿地生态受到破坏。
　　关键词呼伦湖;湿地;遥感;动态监测;驱动分析
　　中图分类号S181文献标识码A
　　文章编号0517-6611（2019）02-0043-05
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.014
　　湿地是整个地球表面圈层中生产力最旺盛和生物多样性最丰富的生态系统之一，也是维持地球各个生态系统之间相互平衡的重要组成部分[1]。湿地不但具有调节径流、蓄洪防旱、降解污染、调节区域气候等生态方面功能，而且还有为人类生活和生产提供各种资源的功能[2-4]。随着人口数量的快速增长和人类社会经济活动的增多，人类对湿地的过度开发和污染也在加剧，导致湿地面积在持续减少，而湿地生态系统也遭受了极为严重的破坏，因此，使得湿地生态系统的保护和可持续发展的研究已成为当代科学研究的热点问题[5-7]。
　　对湿地进行遥感变化监测研究的重点是要掌握湿地资源变化的状况，遥感技术具有获取信息速度快、信息量大、观测范围广、信息更新速度快等特点，使得遥感技术在湿地变化监测中扮演着至关重要的角色[8-10]。近些年来，国内外学者运用遥感技术在湿地变化监测方面已经进行了大量的研究。张娜等[11]通过建立一元回归方程和Spearman分析法，分析了气象因素的变化对呼伦湖湖泊面积变化的影响;杨会彩等[12]研究发现，呼伦湖水域的萎缩会导致周边草地植被覆盖度降低，土地退化严重，土地沙化面积快速增长;吴亚男等[13]采用监督分类结合人机交互解译的方法对呼伦湖湿地进行变化监测，发现呼伦湖水域面积和周边湿地在持续萎缩和退化;朱长明等[14]通过运用支持向量机的方法，分析了1990—2010年博斯腾湖湿地变化分布状况及驱动分析;Cui等[15]基于RS和GIS技术，分析1975—2007年东北地区湿地现状分布、时空变化原理和转换矩阵;Chopra等[16]利用IRS影像，并通过目视解译的方法提取多时段湿地变化信息，对印度的Harike湿地区各类型湿地变化进行动态监测研究。以上学者虽然对湿地的动态变化监测分析有一定的成果，但是并没有对湿地类型发生变化后的转化方向进行分析，更没有将气候等自然因素和人口、耕地等人为因素相互结合综合并总体分析湿地变化的驱动力因素。因此，笔者以Landsat遥感影像为数据源，依托遥感技术，分析1984—2015年呼伦湖湿地动态变化的状况，通过转移矩阵模型对各类型湿地的转化状况进行研究，并依据气象数据、统计年鉴等数据对呼伦湖湿地变化的驱动力因素进行分析。
　　1资料与方法
　　1.1研究区概况
　　呼伦湖（117°00′10″～118°08′10″E，48°50′80″～49°32′50″N）位于我国内蒙古高原东北部的呼伦贝尔市境内。湖泊整体轮廓呈西南—东北走向的不规则长方形，湖泊面积约2 300 km2，平均湖水水位海拔541 m，平均水深为5.7 m。该地处于温带大陆性季风气候区，夏季温和少雨，冬季寒冷漫长，多年平均降水量为240～320 mm，多年平均气温在1.1 ℃左右。由于近年来气候变暖、降水量减少和蒸发量增加，导致呼伦湖流域内哈拉哈河、乌尔逊河、克鲁伦河等河流和大气降水对呼伦湖补给减少，再加上人类活动的急剧增多，致使呼伦湖湿地遭受严重破坏且急剧萎缩。
　　1.2数据来源
　　该研究在综合考虑了研究区的实际状况、空间分辨率、覆盖周期以及含云量等重要信息后，选择了美国陆地卫星Landsat遥感影像为数据源。再基于生物生长的季节性变化和水文变化特征，选取了每年的7—8月份的遥感影像数据。在此基础上以1984年的影像为起始，以5年左右为一个时间间隔，选取了1984年8月15日的Landsat MSS影像，1989年8月3日、1996年8月31日、2000年7月18日、2006年8月18日和2009年7月25日的Landsat TM影像，以及2015年7月9日的Landsat ETM+影像。MSS影像分辨率为60 m，TM和ETM+影像分辨率为30 m。
　　1.3分类系统与研究方法
　　建立合理的、有效的湿地分类系统，可以明确湿地类型结构和监测湿地类型的变化。因此，该研究基于国际公认的湿地分类体系《湿地公约》[17]、唐小平等[18]通过研究国内外资料总结的中国湿地分类系统以及实现遥感分类的可操作性，将研究区内的湿地分为湖泊湿地、河流湿地、沼泽湿地和坑塘湿地。
　　首先借助ENVI 5.1软件对遥感影像进行波段组合、图像信息增强等预处理，然后利用归一化水体指数（NDWI）模型提取影像中湖泊等水体信息，通过ArcGIS软件对已经提取的研究区内的主体湖泊建立缓冲区，缓冲区范围为10 km，最后利用ENVI 5.1软件用已完成的缓冲区范围对研究区进行裁剪处理。在波段组合中，为了能更明显地突出影像中湿地信息，经过多次尝试最终选择了标准假彩色合成，其中MSS影像为3、2、1波段，TM和ETM+影像为4、3、2波段。归一化水体指数（NDWI）模型公式如下： 　　NDWI=（Green-NIR）/（Green+NIR）（1）
　　该研究根据已经建立的湿地分类系统和遥感影像的色调、形状、地物整体环境和斑块纹理特征建立对呼伦湖的遥感解译标志体系，再利用非监督分类结合人工目视解译的方法提取了多种湿地和非湿地土地利用类型信息，从而得到研究区的分类结果。在分类解译过程中，为了提取河流湿地、沼泽湿地等其他不容易提取或者容易与湿地信息产生混淆的土地利用类型，因此采用人工目視判读和建立感兴趣区域的方法来进行分类提取，最后运用ENVI软件中的迭代自组织的数据分析法（ISODATE）对影像总体进行非监督分类。为了提高分类精度，在综合考虑了实际情况后该研究通过利用ENVI与Google Earth进行交互和人工目视比对的方式对分类结果进行修改。最后，利用ArcGIS 10.1加载最终分类的矢量数据结果中的各个土地利用类型，并提取各类型的面积。
　　2结果与分析
　　2.1湿地变化分析
　　从1984—2015年呼伦湖湿地面积变化及土地利用类型分布（表1和图2）可以看出，1984—2015年湖泊湿地面积总体呈现波动性减少趋势，其中，1984—2000年湖泊湿地面积呈增长态势，面积增长199.2 km2，增长率为9.5%;2000—2009年湖泊湿地面积呈减小态势，面积减少505.7 km2，减少率为22.0%;2009—2015年湖泊湿地面积呈增长态势，面积增长263.2 km2，增长率为14.6%。1984—2015年沼泽湿地面积总体呈现波动性减小趋势，其中，1984—1996年呈减小态势，面积减少27.4 km2;1996—2006年呈增长态势，面积增长24.1 km2;2006—2015年呈缩减态势，面积减少58.7 km2。1984—2015年河流湿地面积总体呈现波动性增加趋势，其中，1984—2000年河流湿地面积增加了18.1 km2，2000—2009年面积缩减了24.3 km2，2009—2015年面积增加了10.1 km2。1984—2015年坑塘湿地面积急剧减少，减少了20.2 km2，平均每年减少0.65 km2。
　　2.2湿地变化转移矩阵
　　变化转移矩阵是分析湿地类型面积变化的重要技术手段，该研究根据遥感影像得到的监测结果，再结合ArcGIS和数据分析软件，建立并得到不同时段的湿地类型面积变化的转移矩阵。
　　1984—1996年呼伦湖湿地变化转移矩阵见表2。其中，河流湿地主要转化为沼泽湿地、草地和坑塘湿地，转化面积分别为2.9、1.5和1.3 km2;湖泊湿地主要转化为草地和盐碱地，转化面积分别为13.5和3.3 km2;沼泽湿地主要转化为湖泊湿地、草地和草甸，转化面积分别为24.1、18.3和12.1 km2;坑塘湿地主要转化为沼泽湿地和草地，转化面积分别为10.8和3.1 km2。1984—1996年呼伦湖湿地总面积呈增长态势，各类型湿地之间的互相转化占湿地面积变化的较小部分，其余变化的部分主要是各类型湿地转化为草地和草甸。
　　1996—2006年呼伦湖湿地变化转移矩阵见表3。其中，河流湿地主要转化为沼泽湿地和草地，转化面积分别为7.3和6.3 km2;湖泊湿地主要转化为盐碱地、草地和沼泽湿地，转化面积分别为265.7、62.0和33.3 km2;沼泽湿地主要转化为草地和草甸，转化面积分别为42.7和21.0 km2;坑塘湿地主要转化为草地、沼泽湿地和草甸，转化面积分别为10.7、7.4和1.9 km2。1996—2006年呼伦湖湿地总面积呈持续减小态势，各类型湿地均发生了剧烈的变化，但各湿地类型之间互相转化的现象不明显，且绝大部分湿地均转化为盐碱地、草地和草甸。
　　2006—2015年呼伦湖湿地变化转移矩阵见表4。河流湿地主要转化为草地和沼泽湿地，其转化面积占2006年河流湿地面积的比例分别为30.2%和25.6%;湖泊湿地主要转化为草地和盐碱地，其转化面积占2006年湖泊湿地面积的比例分别为0.3%和0.2%;沼泽湿地主要转化为草地、湖泊湿地和草甸，其转化面积占2006年沼泽湿地面积的比例分别为35.8%、24.3%和7.5%;坑塘湿地主要转化为草地和草甸，其转化面积占2006年坑塘湿地面积的比例分别为26.9%和23.1%。2006—2015年呼伦湖湿地总面积变化幅度较小，但河流湿地、沼泽湿地和坑塘湿地三者变化幅度较大，主要由于各类型湿地之间互相转化较为明显，且转化为草地、草甸和盐碱地的比例较高。
　　1984—2015年呼伦湖湿地变化转移矩阵见表5。其中，河流湿地主要转化为草地、沼泽湿地和湖泊湿地，其转化面积占1984年河流湿地面积的比例分别为41.2%、16.5%和10.3%;湖泊湿地主要转化为草地和盐碱地，其转化面积占1984年湖泊湿地面积的比例分别为2.0%和0.8%;沼泽湿地主要转化为草地、草甸和河流湿地，其转化面积占1984年沼泽湿地面积的比例分别为48.0%和14.2%和4.2%;坑塘湿地主要转化为沼泽湿地、草地和草甸，其转化面积占1984年坑塘湿地面积的比例分别为37.8%、30.5%和10.7%。1984—2015年呼伦湖湿地总面积变化幅度不大，但沼泽湿地和坑塘湿地的面积急剧减小，各类型湿地变化的绝大部分是转化为草地、草甸和盐碱地。
　　2.3驱动力分析
　　2.3.1气候因素。
　　从图3a可以看出，1960—2015年呼伦湖年平均气温呈不断升高的趋势，温度最大值为2007年的3.6 ℃。其中，1960—1987年气温处于升高状态，但升高幅度较小，气温均值为0.45 ℃;1988—1995年气温产生突变，增温速度加快，气温均值为1.71 ℃;1996—2015年气温持续升高，年均温为1.83 ℃。从图3b可以看出，1960—2015年呼伦湖年降水量总体呈下降趋势，降水量均值为241.51 mm。56年间降水量最大值和最小值分别为1998年的593.40 mm和2001年的109.00 mm，1988—1998年为雨水丰沛期，1999—2012年为雨水匮乏期。年降水量变化与湿地面积变化趋势相符。由以上数据可知，近56年来呼伦湖地区气温持续升高导致研究区内蒸发量增大，同时降水量也在波动变化中持续减少，致使呼伦湖以及湖泊周边湿地水量补给不足是呼伦湖湿地面积退缩的重要原因。 　　2.3.2人为因素。
　　人为因素作为人类活动的产物亦是影响湿地面积产生变化的重要因素，研究区的人类活动主要表现在人口数量、耕地面积和牲畜存栏量3个方面。1985—2015年呼伦湖周边城镇人口数量增长明显，新巴尔虎左旗人口数量从1985年的37 222人增长至2015年的42 052人，新巴尔虎右旗人口数量从1985年的29 415人增长至2015年的34 987人，满洲里人口从1985年的116 555人增长至2015年的171 346人。人口数量的快速增加勢必会导致耕地面积的急剧增长，在研究时段内，研究区内的耕地面积由1984年的16.1 km2急剧增长为2015年的431.7 km2，近31年耕地面积增长了近27倍。在耕地面积快速扩张的同时势必会造成大量的草地和湿地被破坏，也存在被开垦的耕地由于气候和土壤等因素不适合耕种而在耕种几年后被弃耕的现象，易造成土地荒漠化和水土流失的现象，严重破坏研究区的生态平衡。据统计，新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗和满洲里这3个地区的牲畜存栏总量由1984年的108.67万头增长至2015年的237.74万头，而在此阶段内，研究区内的草地面积由1984年的3 013.3 km2锐减至2015年2 281.8 km2，草地面积减少率达26.5%。由此可见，牲畜数量的急剧增加已经大大超过了该地区的土地承载力，再加上多年来的人口增长以及人类活动的持续干扰，加剧了对呼伦湖周边湿地植被和草地的破坏，使得研究区内土地沙化和水土流失的面积急剧增长。
　　3结论
　　该研究以Landsat遥感影像为数据源，依托GIS技术，获得1984—2015年呼伦湖7期湿地类型数据，对呼伦湖湿地进行动态变化分析，运用转移矩阵研究各类型湿地的转化状况，并分析湿地产生变化的驱动力因素。研究的主要结果如下：
　　（1）1984—2015年呼伦湖湖泊湿地和沼泽湿地面积均呈波动性减少态势，面积分别减少了43.3和62.0 km2，减少率分别为2.1%和50.6%;河流湿地面积呈波动性增加态势，面积增长了3.9 km2，增长率为40.2%;坑塘面积急剧减少，平均每年减少0.65 km2。
　　（2）1984—2015年呼伦湖地区沼泽湿地和坑塘湿地面积急剧减少。其中，沼泽湿地主要转化为草地、草甸，转化面积占1984年沼泽湿地面积的比例分别为48.0%和14.2%;坑塘湿地主要转化为沼泽湿地、草地和草甸，转化面积占1984年坑塘湿地面积的比例分别为37.8%、30.5%和10.7%。河流湿地主要转为草地、沼泽湿地和湖泊湿地，湖泊湿地主要转为草地和盐碱地。各类型湿地虽存在互相转化现象，但绝大部分转化为草地、草甸和盐碱地。
　　（3）从驱动力分析可知，由于呼伦湖地区多年来降水量减少和气温升高导致蒸发量增大，致使呼伦湖地区水量补给不足、自身消耗在持续增加，这是导致呼伦湖湿地面积减少的重要原因;在研究时段内，呼伦湖周边地区人口数量快速增长以及耕地面积和牲畜存栏量的急剧增加，导致研究区内草地面积的减少和湿地植被的破坏，加速呼伦湖湿地的退化。
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