地方湿地转变影响因素释解

技术方法

本文将在遥感和GIS技术支持下获取3期不同类型湿地数据，进行面积变化的分析，进一步辅以景观梯度和转化关系分布研究湿地变化的时空分布情况，利用偏最小二乘回归分析湿地变化的影响因素.遥感图像处理及湿地数据获取根据《湿地公约》中对湿地的定义，参考国家林业局对湿地的分类，考虑东北地区湿地的实情，将湿地分为近海及海岸湿地，湖泊湿地，沼泽草甸湿地，河流湿地，人工湿地(包括水稻田及库塘)．选取1975年MSS数据(147景)，2000年ETM数据(97景)，2007年CBERS-2数据(226景)为遥感数据源，经过波段合成、几何校正、图像融合等预处理，结合湿地光谱特征，建立不同类型湿地解译标志，采用人机交互解译的方法，利用MAPGIS软件得到3期湿地数据．面积最小类别对应的最优分辨率是解译的最大分辨率［16］．影像的空间分辨率，即一个像元，不包含有意义的环境语义信息．结合3类遥感影像的分辨率及湿地斑块特征，将10个像元确定为面积最小类别的最优分辨率，则MSS、ETM、CBERS数据所对应的最小面积分别为0．064、0．003和0．004km2．综上，湿地的解译精度可以达到0．1km2．景观梯度计算景观梯度是指某一景观类型在单位面积内的占有率，不同时期梯度值变化及空间特征，可以反映其受干扰过程和退化趋势．本文以50km×50km网格计算景观梯度，利用GIS技术进行空间插值生成的景观梯度分布图，可以很好地反映湿地变化的时空变化特征．公式参见文献［17-18］．转化关系计算转化关系可以明确不同类型湿地此消彼长的内在联系，并揭示变化的原因．本文利用GIS的空间分析技术计算沼泽湿地、人工湿地(特别是水稻田)分别与其它4类湿地间的转移关系及空间分布，体现湿地景观变化的类型和分布情况．计算公式参见文献［19-21］．偏最小二乘回归方法利用SIMCA-P软件，选取自然因素(气温，降水)和人为因素(人口数量，居民地，GDP，粮食产量)作为影响湿地变化的因子，即自变量，5类湿地为因变量，以东北地区40个地级市数据为样本，分析1975—2000年、2000—2007年两个时间段湿地与影响因子之间的相关关系．其中，气温及降水数据来自中国气象局逐年气象资料，人为因素资料主要来源于中国统计年鉴数据库，人地系统主题数据库，中国宏观数据挖掘分析系统．(1)交叉有效性为了确定更好的回归方程，用交叉有效性来确定需要提取的成分个数．测量成分对预测模型精度的边际贡献的尺度如下:当交叉有效性Q2h≥(1－0．952)=0．0975时，成分的边际贡献是显著的［10］．(2)VIPj指标和w*1r1/w*2r2平面图选用VIPj指标和w*1r1/w*2r2平面图分析5类湿地与各影响因子之间的关系．VIPj指标表示每一个自变量在解释因变量集合时的重要性．w*1r1/w*2r2平面图是在坐标系内以二维坐标值来绘制自变量和因变量的位置，由此观察各变量间的相关关系．自变量与因变量的位置越接近，说明二者之间的相关性越强．具体公式参见文献［10］．(3)模型精度评价通过观测值与预测值的比较图直观考察偏最小二乘回归的质量．如果观测值与预测值分布均匀，即判定偏最小二乘回归质量较高．

东北地区湿地变化分析

湿地面积变化32年来湿地总面积先减少后增加，但在整体上依然呈减少趋势．湖泊湿地与河流湿地趋于稳定，二者的变化面积与自身变化前面积相比要小很多．海岸湿地在1975—2000年变化剧烈，减少了68．0%，减少面积为888．2km2．沼泽湿地是1975年东北地区湿地系统的优势景观．1975—2000年减少了62．7%，2000—2007年的小幅增加(面积为2566．2km2)远比不上1975—2000年减少的面积，因此，沼泽湿地32年来仍显著减少．人工湿地在2007年成为优势景观，面积为30995．3km2．在1975—2000年、2000—2007年分别增加了142．6%，65．2%，增加幅度降低．人工湿地在32年来持续增加，但速度减缓(表1)．在人工湿地的亚类中，水稻田的变化要比库塘剧烈．景观梯度选择面积变化显著的的沼泽湿地、人工湿地(特别是水稻田)计算景观梯度的分布．为保证不同时期景观梯度的可比性，同类湿地每一级别景观梯度的划分保持一致(图1)．32年来，沼泽湿地景观梯度值域呈收缩趋势，高值区分布减少．三江平原在1975年是高梯度值最为集中的区域，主要分布在鹤岗—佳木斯—双鸭山—鸡西一线的东北部，以双鸭山市西北部、佳木斯东北部较为显著，最高值可以达到92．自1975年后，景观梯度逐渐下降，分布变得稀疏．位于盘锦市的双台河口湿地高梯度值均处于50—60之间，高值区在1975—2000年扩张，2000—2007年收缩．黑河市与松辽平原北部区域(齐齐哈尔市、大庆市、白城市、松原市)沼泽湿地景观梯度分布变化情况相似:1975—2000年景观梯度分布范围明显减少，2000—2007年有小范围增加．黑河境内景观梯度值急剧下降，由1975年的DI≤40下降为2007年DI≤10;而松辽平原北部区域有小幅上升，由DI≤20上升为DI≤30．呼伦贝尔市西南部景观梯度分布范围逐渐缩小，但值域变化不大．哈尔滨市东北部的景观梯度值由DI≤30，下降为0，沼泽湿地减少形势严峻．水稻田景观梯度变化与沼泽湿地有较高的耦合性，分布在沼泽湿地景观梯度值下降、分布减少显著的三江平原、松辽平原北部、哈尔滨市东北部．以上区域中水稻田景观梯度分布扩展，最高值持续增加，2007年可达82．哈尔滨市东北部、佳木斯西南部、七台河市西北部水稻田景观梯度呈现了从0—2．5到20—30的飞跃，而三江平原东北部则由0—2．5上升为70—83，分布范围逐渐扩大．盘锦市景观梯度分布范围不断扩大，最高值由1975年的11上升为2000年的14，再下降为2007年的11．整体而言，32年来水稻田景观梯度最高值呈上升趋势，高值区面积增加，分布密集．转移分布32年来，沼泽湿地转化为水稻田的面积始终是最多的，虽然逆转化面积有所上升(由1975—2000年的459．9km2上升为2000—2007年的576．5km2)，但净转化面积一直大于0．1975—2000年转化为水稻田的沼泽湿地主要分布在鹤岗—佳木斯—双鸭山—鸡西一线的东北部、哈尔滨市东北部、松辽平原北部(齐齐哈尔市南部、大庆市西部、白城市北部);2000—2007年转化面积明显减少(由1975—2000年占初期面积的8．2%，下降为4．8%)，主要分布在双鸭山市东北部与佳木斯市交界处、鸡西市兴凯湖北部、齐齐哈尔市中部、白城市东北部(图2)．结合景观梯度分布，沼泽湿地与水稻田的转化关系很好地解释了两者景观梯度存在耦合性的原因．使水稻田增加的来源中，按所占比例排序依次为沼泽湿地、河流湿地、海岸湿地、湖泊湿地，且比例逐年减少，说明将天然湿地开垦为水稻田的面积减少．其中，比例下降最为显著的沼泽湿地，由1975—2000年的18．8%，下降为2000—2007年的0．7%．

影响因素分析

根据交叉有效性Q2h≥0．0975的原则，选取两个成分进行偏最小二乘回归分析．从VIP指标可以看出，1975—2000年影响湿地变化的最剧烈的指标是年平均气温，其次为年平均降水量;2000—2007年影响湿地变化的最剧烈的指标仍然是年平均气温，但人口数量已经取代年平均降水量成为第二重要的影响指标(图3—4)．可见32年间，湿地的变化从受自然因素影响转变为受人为因素干扰更大．在1975—2000年，与海岸湿地最为接近的是人口数量，其次是年平均降水量、居民地面积．表明在该研究时段内，海岸湿地减少的主要原因是人口数量增加、居民地扩张对海岸湿地的占用，以及年平均降水量的减少．与沼泽湿地相关性最高的是年平均气温，在此时段内，粮食产量对其影响较小．而影响人工湿地变化最大的因子是年平均降水量，其次是粮食产量(图5)．在2000—2007年，粮食产量、居民地面积、年平均降水量依然与海岸湿地距离较近，对海岸湿地影响较大的因子与前一时段相同．粮食产量成为与沼泽湿地相关性最大的因子，说明该时段内沼泽湿地的变化受粮食产量上升这一因素的影响最大，年平均气温与沼泽湿地距离变远，该因子对沼泽湿地的影响已经不是其变化的主要原因．年平均降水量、居民地面积、GDP、粮食产量与人工湿地的距离均较近，对其影响程度相似(图6)．纵观32年，年平均降水量及居民地面积持续影响海岸湿地的变化．沼泽湿地在1975—2000年受年平均气温影响较大，而在2000—2007年受粮食产量的影响较大．人工湿地在整个研究时段内与年平均降水量和粮食产量均保持较高相关性．对1975—2000、2000—2007年5类湿地回归方程的模型精度考察结果显示，除2000—2007年的人工湿地外，精度均较高．可以看出，比较图中的趋势线两侧样本分布不均匀(图7)．

结论

(1)32年来，湿地总面积先减少后有小幅增加，但在整体上仍呈减少趋势．沼泽湿地、人工湿地(特别是水稻田)、近海及海岸湿地变化剧烈;(2)沼泽湿地景观梯度值域收缩，分布稀疏，面积减少，水稻田反之．在三江平原(鹤岗—佳木斯—双鸭山—鸡西一线的东北部)、哈尔滨市东北部、松辽平原北部，两类湿地的景观梯度存在耦合性．三江平原是景观梯度变化最为明显的区域，沼泽湿地DI最高值由92，下降为24;水稻田最高值由0—2．5之间，上升为82．哈尔滨市东北部沼泽景观梯度值由DI≤30，下降为0．32年来，沼泽湿地消退形势严峻，水稻田持续增加;(3)在景观梯度存在耦合性的区域沼泽湿地向水稻田转化剧烈，说明沼泽湿地的开垦是水稻田增加的主要来源之一．但这些来源中，沼泽湿地转化的面积所占比例逐渐降低;(4)偏最小二乘回归分析表明东北地区湿地生态系统的变化由自然因素影响为主向人为干扰为主转变．虽然后期天然湿地(特别是沼泽湿地)开垦为人工湿地有所缓解，但沼泽湿地主要影响因子的转变、粮食产量与人工湿地的高相关性说明粮食需求的增长是造成沼泽湿地的减少与人工湿地的增加主要原因之一．除2000—2007年的人工湿地外，偏最小二乘回归分析精度均较高．

作者：崔瀚文 姜琦刚 程彬 林楠 单位：吉林大学地球探测科学与技术学院 长春师范学院城市与环境科学学院 吉林建筑工程学院测绘与勘查工程学院