孫明江 李愛農 馮文蘭 雷光斌 張正健

摘要：基于1975年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年的Landsat TM/MSS遙感影像，采用面向對象與決策樹相結合的分類方法，完成了紅原縣濕地信息的遙感解譯和動態(tài)特征分析，并結合生態(tài)效應指數(shù)和土壤侵蝕量對濕地變化的生態(tài)效應進行了分析。結果表明：紅原縣濕地以沼澤化草甸為主，近年顯示出泥炭沼澤→沼澤化草甸→濕草甸→草甸的演化趨勢；1975年以來，62.03%的濕地面積呈現(xiàn)持續(xù)減小和波動變化的特點；濕地質心發(fā)生偏移，其中1975-2000年向東北偏移128.56m，2000-2010年向西南偏移757.26m；濕地集中分布在坡度小于6°且排水不暢的區(qū)域，濕地面積減小率隨坡度增大而增大，在坡度為2°～6°的區(qū)域，各濕地類型的轉化面積隨坡度的增大而減?。唤陙砑t原縣濕地生態(tài)效應指數(shù)逐漸增大，濕地區(qū)土壤強烈侵蝕的比例不斷增大，揭示出紅原縣濕地生態(tài)安全受威脅程度日益加重。

關鍵詞：濕地；RS； GIS；時空格局變化；生態(tài)效應；四川省紅原縣

中圖分類號：X37 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.015

濕地具有巨大的生態(tài)效益，能夠涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、調節(jié)氣候、凈化水質，以及為野生動物提供棲息地等，與森林、海洋并稱為三大生態(tài)系統(tǒng)，因其特殊性和重要性而得到學者的重視。近幾十年來，受氣候變化和人類不合理開發(fā)利用影響，濕地面積萎縮、功能退化，已經引起嚴重的區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題。濕地面臨前所未有的干擾和威脅，是生態(tài)環(huán)境領域的研究熱點。

若爾蓋高原是世界上面積最大、海拔最高的高原高寒泥炭沼澤濕地集中分布區(qū)，其濕地變化對氣候變化高度敏感。紅原縣地處若爾蓋高原東南部，其境內濕地是若爾蓋高原濕地的重要組成部分，因此對紅原縣濕地時空格局變化進行研究具有重要意義。隨著遙感和GIS技術的發(fā)展和成熟，許多學者利用遙感和GIS技術對濕地資源進行調查，研究濕地變化及其對環(huán)境的影響[川。當前，國內外學者主要從濕地的生物多樣性、結構、功能和景觀格局等方面對濕地開展相關研究工作。白軍紅等對若爾蓋高原高寒濕地的研究表明：紅原縣濕地率僅次于若爾蓋縣，與20世紀60年代相比，2000年濕地景觀面積呈萎縮狀態(tài)；張曉云等研究表明：1975-2006年，紅原縣呈現(xiàn)干旱化趨勢，沼澤、河流和湖泊面積減少。已有研究在分析濕地變化時所依據(jù)的數(shù)據(jù)期數(shù)較少，時間跨度較少，難以揭示濕地長期變化規(guī)律，同時關于高寒濕地變化引起的生態(tài)環(huán)境效應鮮見報道。本文以紅原縣1975年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年LandsatTM/MSS影像為數(shù)據(jù)源，提取6個時期的濕地數(shù)據(jù)，分析紅原縣濕地的時空格局變化及其生態(tài)效應，旨在了解紅原縣高寒濕地變化特征，揭示其生態(tài)環(huán)境效應，以期為該地區(qū)濕地保護和生態(tài)建設提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

以四川省紅原縣（北緯31°50′-33°22′，東經101°51′-103°23′）為研究區(qū)。青藏高原東北邊緣的紅原縣位于四川省西北部的阿壩藏族羌族自治州中部，與四川省松潘縣、黑水縣、阿壩縣、馬爾康縣、理縣、若爾蓋縣接壤，全縣轄11個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）33個行政村。紅原縣東西長141.93km，南北寬162.81km，總面積8439.94km2，是長江、黃河上游的重要水源涵養(yǎng)地。地勢由東南向西北傾斜，平均海拔3750m。紅原縣氣候屬于大陸性高原寒溫帶季風氣候，四季界限不明顯，春秋兩季較短，氣候偏冷，年平均氣溫1.4℃。多年平均降水量749.1mm，降水集中在5-8月。其獨特的地理、地貌、氣候特征孕育了該區(qū)域復雜多樣的地物類型，其中泥炭沼澤、沼澤化草甸、濕草甸和河流湖泊是紅原縣主要的濕地類型。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)為1975年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年的Landsat TM/MSS影像，源自美國地質調查局網站（http：//glovis.usgs.gov），影像獲取時間為6-9月，軌道號為P130R037、P131R037、P131R038，共6期18景影像。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網絡信息中心SRTM國際科學數(shù)據(jù)鏡像網站（http；//www.gscloud.cn），采用ASTER GDEM V230 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，坡度數(shù)據(jù)由DEM數(shù)據(jù)衍生而來。歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)為8km分辨率的GIMMS數(shù)據(jù)產品（1990年、1995年）和250m分辨率的MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)產品（2000年、2005年、2010年）。1：100萬土壤類型數(shù)據(jù)源自中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所網站（http；//www.careeri.cas.cn/zt/kxsj）。氣象數(shù)據(jù)源自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網（http；//cdc.nmic.cn/home.do），包括紅原縣及其周邊18個氣象站點41a（1970-2010年）的日降水數(shù)據(jù)和氣溫數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

（1）數(shù)據(jù)處理。綜合野外考察情況、紅原縣濕地特征及已有研究成果，將研究區(qū)濕地分為泥炭沼澤、沼澤化草甸、濕草甸和河流湖泊4種類型。TM影像數(shù)據(jù)取4、3、2波段合成假彩色圖像，經過幾何和輻射校正，誤差控制在1個像元內。采用面向對象分類與決策樹相結合的方法實現(xiàn)濕地信息解譯和遙感制圖。依據(jù)各時期的影像，分別檢測出1975-1990年、1990-1995年、1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年（記為時段Ⅰ、時段Ⅱ、時段Ⅲ、時段Ⅳ、時段Ⅴ）5個時段濕地的變化圖斑。依據(jù)2010年紅原縣濕地分類圖，得到紅原縣各時期各濕地類型的空間分布信息。

（2）濕地時空格局變化分析。將濕地面積百分比例化，按邊長為250m的格網對各期濕地進行分割，將每個格網中的濕地面積與格網面積的比例作為該格網的濕地百分比。時間變化特征是將1975-2010年5個時段的面積變化重新組合分析，重分類為5種變化類型：面積持續(xù)減小區(qū)（指5個時段內面積都保持減小的區(qū)域）、波動不穩(wěn)定區(qū)（指變化過程中面積時增時減的區(qū)域）、無變化區(qū)（指5個時段內面積都沒有變化的區(qū)域）、恢復區(qū)（指面積早期減小而后期增加的區(qū)域）和持續(xù)增加區(qū)（指5個時段內面積都保持增加的區(qū)域）。空間變化特征以2010年濕地面積相對于1975年的變化來反映，基于柵格單元計算濕地面積的變化幅度，面積變化小于-20%的為高度減小區(qū)，面積變化-20%～-2%的為低度減小區(qū)，面積變化-2%～2%的為無變化區(qū)，面積變化2%～20%的為低度增加區(qū)，面積變化大于20%的為高度增加區(qū)，共5種變化類型。

濕地面積質心的移動反映濕地面積的空間偏移，如果濕地面積在一方向上出現(xiàn)明顯消長，那么質心會發(fā)生明顯偏移；如果濕地面積在每個方向上均勻消長，那么質心不發(fā)生變化。為此，計算各時期濕地質心的地理坐標，分析濕地空間分布的變化情況。各時期質心坐標可用如下公式求得：式中：Xt、Yt分別為第t年濕地質心的經緯度坐標；Cti為第t年第i個濕地斑塊的面積；Xi、Yi分別為第i個濕地斑塊質心的經緯度坐標。

（3）生態(tài)效應分析。許多學者選取不同景觀指數(shù)對景觀格局進行定量化研究。本文采用景觀指數(shù)構建的生態(tài)效應指數(shù)來反映濕地的生態(tài)效應，生態(tài)效應指數(shù)計算公式如下：

E=λ1F+λ2U+λ3H （2）式中：E為生態(tài)效應指數(shù)；F為景觀破碎度；U為景觀分離度；H為優(yōu)勢度；λ1、λ2、λ3分別反映了景觀破碎度、景觀分離度、優(yōu)勢度對景觀生態(tài)效應的影響程度，結合紅原縣濕地的實際情況以及前人的研究成果，取值分別為0.5、0.3、0.2。

生態(tài)效應指數(shù)越大，景觀脆弱性越強，區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全程度越低。土壤侵蝕的評估結果能反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的綜合情況，采用修正的通用土壤流失方程（RUSLE）對紅原縣土壤侵蝕量進行估算，得到250 m分辨率的土壤侵蝕模數(shù)柵格數(shù)據(jù)。參考水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級標準》（SL 190-2007）對紅原縣濕地區(qū)域土壤侵蝕進行分級：<500t/（km2·a）為微度侵蝕；500～2 500t/（km2·a）為輕度侵蝕、2500～5000t（km2·a）為中度侵蝕、5000～8000t/（km2·a）為強烈侵蝕；> 8000t/（km2·a）為極強烈侵蝕。

3 結果與分析

3.1 濕地變化的時序特征

紅原縣濕地以沼澤化草甸為主（見表1），2010年濕地總面積為1502.35km2，泥炭沼澤、沼澤化草甸、濕草甸、河流湖泊面積比例約為3：11：4：1。1975-2010年，紅原縣泥炭沼澤退化趨勢明顯，減小面積達84.33km2，占原有面積的27.41%；沼澤化草甸、濕草甸和河流湖泊面積均有所增加，增加面積分別為20.96、18.42、6.72km2，各占原有面積的2.45%、5.96%、9.64%。

1975-2010年，泥炭沼澤面積呈連續(xù)萎縮趨勢，時段I的面積年均減小率最大（3.57km2/a），減少了53.55km2，該時段處于排水疏干、開辟沼澤為牧場期，挖溝排水導致泥炭沼澤大面積萎縮。沼澤化草甸面積呈先增加后減小趨勢，1995年面積最大；時段Ⅰ的面積年均增加率最大（3.08km2/a），增加了46.19km2，該時段泥炭沼澤轉出量的89.78%轉為沼澤化草甸；時段Ⅳ的面積年均減小率最大（5.67km2/a），減少了28.34km2。隨著濕地水分的疏干，沼澤化草甸向濕草甸、草甸方向轉化，沼澤化草甸轉出量的48.94%轉為濕草甸，36.23%轉為草甸。濕草甸面積呈增加趨勢，時段Ⅴ的面積年均增加率最大（1.44km2/a），增加了7.22km2，沼澤化草甸轉出量的75.70%轉為濕草甸。河流湖泊面積增加趨勢不明顯，其絕對變化量最小。由以上分析可知，紅原縣濕地呈泥炭沼澤→沼澤化草甸→濕草甸→草甸的演化趨勢。根據(jù)紅原縣氣象站點氣溫、降水數(shù)據(jù)（見圖1），紅原縣年均氣溫上升速率為0.34°/10a，年降水量減少速率為55mm/10a，呈氣溫升高、降水量減少的暖干化趨勢，與郭潔等的研究結果一致。該趨勢是導致濕地退化的重要原因，其中降水的影響更為顯著。

根據(jù)相鄰時段濕地面積變化可知：紅原縣持續(xù)減小區(qū)面積為537.53km2，占變化區(qū)面積的24.14%，集中分布在瓦切鄉(xiāng)附近的日干喬濕地、紅原縣城周邊的月亮灣濕地以及龍日鄉(xiāng)附近濕地；波動不穩(wěn)定區(qū)面積為843.75km2，占變化區(qū)面積的37.89%，主要分布在瓦切鄉(xiāng)附近的日干喬濕地、紅原縣城周邊的月亮灣濕地以及龍日鄉(xiāng)和色地鄉(xiāng)附近濕地；恢復區(qū)面積為344.03km2，占變化區(qū)面積的15.48%；持續(xù)增加區(qū)面積為501.73km2，占變化區(qū)面積的21.17%，恢復區(qū)和持續(xù)增加區(qū)無集中分布區(qū)域，主要以濕草甸、河流湖泊的好轉為主。

3.2 濕地變化的空間特征

與1975年相比，2010年紅原縣濕地面積變化顯著。高度減小區(qū)與低度減小區(qū)集中在瓦切鄉(xiāng)和麥洼鄉(xiāng)境內的日干喬濕地、色地鄉(xiāng)境內的黑河區(qū)域濕地、紅原縣城附近的月亮灣濕地，以及龍日鄉(xiāng)境內的白河和色阿曲寬谷區(qū)域濕地，4個區(qū)域中高度減小區(qū)面積分別占研究區(qū)高度減小區(qū)面積的42.33%、19.55%、10.25%、17.96%，低度減小區(qū)面積分別占研究區(qū)低度減小區(qū)面積的37.08%、23.64%、9.49%、16.92%。低度增加區(qū)和高度增加區(qū)集中在瓦切鄉(xiāng)和麥洼鄉(xiāng)境內的日干喬濕地、色地鄉(xiāng)境內的黑河區(qū)域濕地，以及龍日鄉(xiāng)境內的白河和色阿曲寬谷區(qū)域濕地，3個區(qū)域低度增加區(qū)面積分別占研究區(qū)低度增加區(qū)面積的26.82%、18.67%、26.02%，高度增加區(qū)面積分別占研究區(qū)高度增加區(qū)面積的27.08%、17.22%、29.22%。

1975年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年研究區(qū)濕地的質心坐標（北緯，東經）分別為（32.8445°，102.6875°）、（32.8452°，102.6879°）、（32.8452°，102.6879°）、（32.8455°，102.6882°）、（32.8413°，102.6846°）、（32.8404°，102.6829°）。35a間，濕地質心發(fā)生了偏移（見圖2），其中：1975-2000年質心向東北方向移動，向北偏移0.0010°，向東偏移0.0007°，整體向東北方向偏移128.56m；2000-2010年質心向西南方向移動，向南偏移0.0051°，向西偏移0.0053°，整體向西南方向偏移757.26m。1975-2000年，紅原縣北部的濕地變化主要為泥炭沼澤轉化為沼澤化草甸、沼澤化草甸轉化為濕草甸的濕地內部演化，西南方向龍日鄉(xiāng)境內的濕地轉化為非濕地的面積較北部濕地更大，濕地質心向東北方向偏移；2000-2010年，紅原縣北部日干喬濕地以及黑河河谷區(qū)域濕地外圍大量濕地小斑塊轉化為草甸、草原，濕地向西南部退縮。

3.3 濕地變化的坡度特征

利用紅原縣30m分辨率高程數(shù)據(jù)計算出坡度數(shù)據(jù)，對坡度數(shù)據(jù)進行等間距分割，步長為1°。坡度大于8°的濕地面積占紅原縣濕地總面積的比例極?。ǜ鲿r期占濕地總面積的百分比均小于1.76%），因此僅分析8°以內各坡度濕地分布特征、減少率和濕地轉化類型。

3.3.1 濕地面積與坡度的關系

由圖3可以看出，2010年坡度小于6°的濕地面積累計達到1311.39km2（泥炭沼澤、沼澤化草甸、濕草甸、河流湖泊面積分別為197.96、767.93、283.22、62.28km2），占該年濕地總面積的93.53%，可知濕地主要集中分布在坡度小于6°且排水不暢的寬廣區(qū)域。由圖4可知，與1975年相比，2010年紅原縣濕地面積的減小率與坡度成正相關關系（相關系數(shù)R=0.97，顯著性水平p<0.01），隨著坡度的增大，濕地面積減小率明顯增大，表明該區(qū)濕地由寬谷的邊緣向寬谷底部退縮，這與陳志科等對若爾蓋高原濕地坡度特征的研究結果一致。

3.3.2 濕地類型變化與坡度的關系

紅原縣濕地類型變化集中在坡度小于6°的區(qū)域（見表2），該區(qū)域各時段濕地變化面積占總變化面積的比例均在92%以上?？傮w而言，坡度大于2°時，隨著坡度的增大各類型的轉化面積呈減小趨勢，坡度增至6°后，濕地面積極小，轉化面積緩慢下降。

不同時段隨著坡度的變化，各濕地主要轉化類型以及轉化面積各有不同。1975-1990年濕地的變化類型以泥炭沼澤退化為沼澤化草甸為主，坡度為1°～2°區(qū)域的退化面積最大（12.67km2）。1990-1995年濕地的變化類型以泥炭沼澤退化為沼澤化草甸和沼澤化草甸退化為濕草甸為主，主要分布在坡度為1°～3°的區(qū)域（兩種轉化類型面積和為9.33km2）。1995-2000年濕地的變化類型以沼澤化草甸退化為濕草甸為主，坡度1°～2°區(qū)域的退化面積最大（3.96km2），泥炭沼澤退化面積較前兩個時段降幅明顯。2000-2005年濕地演替集中分布在坡度為1°～4°的區(qū)域，濕地的演替類型以沼澤化草甸的退化（退化面積為24.13km2）為主，泥炭沼澤退化為沼澤化草甸（退化面積為6.25km2）和濕草甸退化為非濕地（退化面積為5.98km2）次之。2005-2010年濕地演替集中分布在坡度為1°～4°的區(qū)域，濕地的變化類型以泥炭沼澤退化為沼澤化草甸（退化面積為9.29km2）和沼澤化草甸退化為濕草甸（退化面積為6.45km2）為主。濕地呈現(xiàn)出泥炭沼澤→沼澤化草甸→濕草甸→草甸的退化趨勢，與前述結論一致。

3.4 濕地變化的生態(tài)效應

（1）生態(tài)效應指數(shù)。依據(jù)各期濕地數(shù)據(jù)的斑塊面積和斑塊數(shù)計算其景觀破碎度、景觀分離度和優(yōu)勢度，由式（2）計算可得各濕地類型的生態(tài)效應指數(shù)。計算結果（見圖5）表明，濕草甸的生態(tài)效應指數(shù)最大，河流湖泊次之，泥炭沼澤和沼澤化草甸的生態(tài)效應指數(shù)最?。ㄆ骄鷳B(tài)效應指數(shù)分別為9.06和9.23）。整個研究時期內，各濕地類型的生態(tài)效應指數(shù)均呈增大趨勢，表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性增強，區(qū)域生態(tài)環(huán)境危險程度提高，生態(tài)風險上升。這和該區(qū)域相關濕地開發(fā)活動有關，1975-2010年發(fā)展區(qū)域經濟，該區(qū)不斷挖溝排水、擴展草場、增加放牧，在經濟發(fā)展的同時也使?jié)竦赝嘶?、景觀穩(wěn)定性減弱。

（2）濕地土壤侵蝕。由圖6可以看出，1990-2010年，研究區(qū)土壤侵蝕程度越劇烈生態(tài)效應指數(shù)越高，生態(tài)安全受到的威脅程度越高。1990-2010年，各土壤侵蝕強度等級的生態(tài)效應指數(shù)表現(xiàn)出增大的趨勢，各土壤侵蝕強度等級的生態(tài)脆弱性增強。由表3可知，除微度侵蝕外，5個時期濕地土壤侵蝕面積分別為635.38、990.76、1096.26、1141.07、1496.43km2；各時期中度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕面積占總面積比例分別為13.98%、28.19%、30.08%、29.01%、36.13%，呈逐漸增大趨勢；輕度侵蝕面積比例呈逐漸減小趨勢。紅原縣濕地區(qū)域土壤強烈侵蝕的比例總體呈增加趨勢。濕地向草地退化的過程中，濕地土壤侵蝕加劇，從土壤侵蝕可以看出，紅原縣生態(tài)安全受威脅程度提高，生態(tài)風險增強。預防和及時處理土壤侵蝕問題，對改善研究區(qū)生態(tài)結構和功能，提高生態(tài)安全具有重要意義。

4 結論

依據(jù)1975年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年的Landsat TM/MSS遙感影像，實現(xiàn)了紅原縣濕地信息解譯和制圖，分析了紅原縣濕地的時空變化特征，并結合生態(tài)效應指數(shù)和土壤侵蝕情況對其生態(tài)效應進行了分析。

（1）2010年紅原縣濕地總面積約為1502km2，以沼澤化草甸為主，集中分布在瓦切鄉(xiāng)境內的日干喬濕地、紅原縣城周邊的月亮灣濕地以及龍日鄉(xiāng)和色地鄉(xiāng)境內。1975-2010年，泥炭沼澤退化趨勢明顯，年均減小率為2.41km2/a，其中1975-1990年年均減小率最大（3.57km2/a），挖溝排水是導致該時段泥炭沼澤面積劇烈減小的主要原因。紅原縣濕地整體呈泥炭沼澤→沼澤化草甸→濕草甸→草甸的演化趨勢。

（2）1975-2010年，62.03%的濕地變化區(qū)呈現(xiàn)持續(xù)減少和波動變化的特點。同時，濕地質心發(fā)生偏移，1975-2000年濕地質心向東北偏移了128.56m，2000-2010年向西南偏移了757.26m。紅原縣濕地主要集中分布在坡度小于60且排水不暢的區(qū)域，濕地減小率隨坡度增大而增大。各濕地類型的轉化集中在1°～2°的坡度范圍，當坡度>2°時，各濕地類型的轉化面積隨坡度的增大而減小，坡度增至6°以后，濕地面積極小，濕地轉化面積緩慢減小。

（3）濕草甸的生態(tài)效應指數(shù)最高，河流湖泊次之，泥炭沼澤和沼澤化草甸最低。1975-2010年，濕地生態(tài)效應指數(shù)呈增加趨勢。濕地區(qū)域土壤侵蝕強度增強，土壤強烈侵蝕的比例增大，紅原縣濕地生態(tài)安全受威脅程度日益加重。