錢鳳魁，李婉寧，趙英偉，周 陽，柳圭澤

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國家工程實驗室，沈陽110161；2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧大連116023）

濕地是重要的自然資源，也是具有多種獨特功能的生態(tài)系統(tǒng)，具有涵養(yǎng)水源、蓄洪防災(zāi)、降解污染、調(diào)節(jié)氣候、維持生態(tài)平衡、保護生物多樣性以及旅游觀光等多種功能[1,2]。植被是濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的重要組成部分，除了具有上述濕地基本功能外，還對濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建起到重要作用[3-5]。目前，國內(nèi)外學(xué)者運用遙感技術(shù)在濕地研究領(lǐng)域開展了大量的研究，例如，基于目視解譯、遙感計算機等不同分類方法的濕地類型劃分及遙感動態(tài)監(jiān)測[6-8]，分析了不同時空尺度的濕地景觀格局動態(tài)變化[9-11]，探討了濕地退化及驅(qū)動因素[12-14]，評估了濕地資源的健康狀況[15-17]。另外，遙感技術(shù)在濕地植被光譜特性分析以及濕地植被覆蓋度及生物量信息估算方面也有廣泛應(yīng)用[18-19]。上述研究成果為濕地資源生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)以及濕地資源開發(fā)、保護、管理及可持續(xù)利用等提供了技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

盤錦遼河口濕地是中國北方典型的河口濕地類型，已于2004年被聯(lián)合國組織批準(zhǔn)列入《世界重要濕地名錄》。該區(qū)域潮汐頻繁，土壤鹽分含量高，對耐鹽性高的翅堿蓬植被更具有適應(yīng)性的生長環(huán)境，因此翅堿蓬植物成為遼河口濱海濕地區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢植被群落，對維持遼河口濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要作用，同時翅堿蓬資源帶動了該區(qū)域紅海灘旅游經(jīng)濟快速發(fā)展。然而受到遼河徑流量、岸灘淤積等自然因素和修堤筑路、農(nóng)田和養(yǎng)殖開發(fā)等人為因素的影響，該區(qū)域翅堿蓬植被生長面積發(fā)生不穩(wěn)定性波動變化，尤其是2002年翅堿蓬覆蓋面積最小為2.29km2，2014年翅堿蓬覆蓋面積達到最大值24.15km2。2020年1月，以翅堿蓬資源觀光旅游功能為主導(dǎo)的紅海灘國家風(fēng)景廊道被評為國家5A級景區(qū)。然而受自然和人為因素的不利影響，該區(qū)域?qū)儆诔釅A蓬濕地退化典型研究區(qū)域，近20年翅堿蓬濕地面積波動變化較大，對翅堿蓬濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡、生物多樣性保護以及旅游觀光經(jīng)濟發(fā)展等產(chǎn)生了極大破壞，因此如何從長時間序列合理識別翅堿蓬濕地退化時空變化規(guī)律，科學(xué)劃定翅堿蓬濕地退化分區(qū)也就成為了一個重要的科學(xué)研究問題[20,21]。翅堿蓬植被群落的退化對遼河口濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，也對旅游經(jīng)濟發(fā)展造成了不利影響。因此利用遙感技術(shù)掌握長時間序列的翅堿蓬植被年際變化和空間分布態(tài)勢，明確翅堿蓬植被退化分區(qū)，對掌握翅堿蓬植被生長變化態(tài)勢，開展翅堿蓬植被恢復(fù)具有重要的參考作用。本研究以盤錦市遼河口東岸為典型研究區(qū)，以1988～2019年遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以ENVI5.3和ArcGIS10.2軟件為技術(shù)支撐，采用最大似然法開展翅堿蓬濕地及其他濕地地物類型識別解譯，通過轉(zhuǎn)移矩陣分析翅堿蓬濕地時空轉(zhuǎn)化態(tài)勢，最后采用熵值法建立120m×120m網(wǎng)格單元尺度的翅堿蓬濕地退化分區(qū)。通過分析30年長時間序列遼河口翅堿蓬濕地退化的時空變化規(guī)律及趨勢，為恢復(fù)和重建翅堿蓬濕地退化生態(tài)系統(tǒng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于遼河口東岸（東經(jīng)121°28′24.58″～121°58′27.49″,北緯40°45′00″～41°05′54.13″），濕地區(qū)域面積46.6 km2，該區(qū)域位于遼東灣東北部，屬于遼河三角洲濱海濕地核心區(qū)域，地貌類型屬于退海沖擊平原，地勢平坦低洼。氣候類型為暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，土壤類型為濱海鹽土和沼澤土，土壤含鹽量高、透氣性差，植被類型結(jié)構(gòu)單一，以蘆葦和翅堿蓬植被為優(yōu)勢種群。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)源為Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像，來源于美國地質(zhì)勘探局USGS網(wǎng)站（https://glovis.usgs.gov/next/），篩選出1988～2019年的8～11月翅堿蓬植被生長旺盛的無云或少云天氣遙感影像，共計26景。除個別年份因遙感影像精度問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，研究所用影像都進行了輻射定標(biāo)和大氣校正，并利用ERDAS軟件對個別精度較差數(shù)據(jù)進行幾何校正，保證總體誤差小于1個像元。

1.3 研究區(qū)濕地地物信息提取

通過最大似然法開展監(jiān)督分類提取濕地分類信息數(shù)據(jù)，主要步驟為：（1）選取訓(xùn)練樣方。本研究選取了具有典型性和代表性的蘆葦濕地、翅堿蓬濕地、混生濕地以及人工建筑和河流灘涂5類訓(xùn)練樣方。（2）進行分離度檢驗。分離度參數(shù)區(qū)間為0～2.0，≥1.8則樣方選取合理。（3）最大似然法進行監(jiān)督分類及過濾處理和精度評價。似然度閾值為0.5，過濾閾值為8，采用混淆矩陣評價方法進行精度評價，Kappa系數(shù)均大于0.95。（4）將上述圖像結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS10.2進行數(shù)據(jù)融合，疊置分析，建立轉(zhuǎn)移矩陣，精確獲取翅堿蓬濕地、蘆葦濕地、混生濕地、河流灘涂以及人工建筑地物面積屬性信息（表1）。

表1 1988～2019年遼河口東岸濕地地物解譯面積Table 1 Statistics on the interpreted area of wetlands of the Liaohe Estuary from 1988 to 2019

1.4 熵值法分區(qū)

1.4.1 熵值法 熵值法是指用來判斷某個指標(biāo)的離散程度的數(shù)學(xué)方法。熵值法優(yōu)點是直接采用決策矩陣信息測算權(quán)重，降低了決策者主觀判斷。公式為：

式中：E為熵值；X為單元網(wǎng)格面積；P網(wǎng)格面積比重；m為單元網(wǎng)格數(shù)；K＞0，0≤Ej≤1。

1.4.2 翅堿蓬濕地退化分區(qū) 為研究網(wǎng)格中翅堿蓬濕地面積變化和退化分區(qū)，保證網(wǎng)格中包含最小像元的數(shù)量為20個，劃分120m×120m網(wǎng)格單元，單個網(wǎng)格含16個最小像元數(shù)，共劃分3236個網(wǎng)格單元。在上述翅堿蓬濕地退化分區(qū)測算基礎(chǔ)上，將低度、中度和重度退化區(qū)進一步細(xì)分為10%退化區(qū)，30%退化區(qū)，50%退化區(qū)，70%退化區(qū)和90%退化區(qū)。

1.5 退化區(qū)土壤理化性質(zhì)測定

2019年11月初采集遼河口不同類型翅堿蓬退化區(qū)土壤及植物樣品。研究區(qū)內(nèi)共10個棧道，棧道間隔約150m，每個棧道長度為300～600m，根據(jù)研究區(qū)棧道的設(shè)置及不同類型退化區(qū)的布設(shè)，最終共采集了6個棧道附近21個樣點的土壤及植物樣品，在每個樣點分別采集0～30cm土層內(nèi)10cm等間距土壤樣品63個和地上整株植物樣品21個。采集的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、去除雜物和研磨過篩，測定土壤含水量、pH、全鹽含量、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量。土壤pH用pH計測定，全鹽含量用重量法測定，含水量用烘干法測定，堿解氮用堿解擴散法測定，有效磷用碳酸氫鈉浸提分光光度計法測定，速效鉀用火焰光度法測定，有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀外加熱法測定。測定結(jié)果為3次重復(fù)的均值。翅堿蓬齊地面割下地上部分用于生物量的測定，在105℃恒溫箱中干燥48h，稱干重，即為生物量平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 翅堿蓬濕地面積階段性變化分析

根據(jù)研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)解譯結(jié)果分析，研究區(qū)翅堿蓬濕地總體呈現(xiàn)6個階段的波動變化態(tài)勢。第1個階段為小幅度波動階段（1988～1999年），該階段翅堿蓬濕地面積相對穩(wěn)定，分布面積平均為1.94km2，其中1998年翅堿蓬濕地面積最大，為4.23km2，占比為9.08%，1992年面積最小，為0.37km2，占比0.79%。第2個階段為顯著增長階段（2000～2001年），該階段翅堿蓬面積增長態(tài)勢顯著，2001年翅堿蓬濕地面積達9.26km2，相對于1999年的1.52km2，翅堿蓬濕地面積增加7.74km2。相比第1階段，翅堿蓬濕地面積平均增加了3.36km2，主要增加區(qū)域為中部和北部區(qū)域，整體呈不平衡分布態(tài)勢。第3個階段為急劇退化階段（2002～2004年），該時間段翅堿蓬呈現(xiàn)大面積急劇減少，其中2004年的面積僅為0.65km2，占比為1.39%。與2001年對比，翅堿蓬退化面積達8.61km2，退化比例為18.48%，處于全域衰退態(tài)勢。第4個階段為穩(wěn)定增長階段（2005～2014年），10年間翅堿蓬在研究區(qū)呈緩慢穩(wěn)定增長態(tài)勢，翅堿蓬濕地面積由2004年的0.65km2增加至2014年的10.05km2，占比為21.57%，增加9.4km2，增長比率為20.17%，該時間段翅堿蓬增長區(qū)域由西南部和中部逐漸向北部全域蔓延態(tài)勢，屬于近30年翅堿蓬生長的鼎盛時期。第5個階段為顯著退化階段（2015～2016年），翅堿蓬濕地面積出現(xiàn)急劇衰退，至2016年，翅堿蓬濕地面積僅為1.87km2，占比為4.01%，對比2014年數(shù)據(jù)，翅堿蓬退化達8.18km2，占比17.55%，西南部區(qū)域衰退嚴(yán)重。第6個階段為小幅度波動階段（2017～2019年），翅堿蓬濕地面積整體變動情況相對穩(wěn)定，該時期翅堿蓬濕地平均面積為2.91km2，最大面積為2018年的4.31km2，占比9.25%，最小面積為2016年的1.87km2，占比4.01%，北部區(qū)域為翅堿蓬集中生長區(qū)。

2.2 翅堿蓬濕地與其他濕地類型轉(zhuǎn)化分析

通過統(tǒng)計分析1988～2019年翅堿蓬濕地與蘆葦濕地、混生濕地以及河流灘涂和人工建筑間面積轉(zhuǎn)化關(guān)系，建立濕地面積變化平衡分析表（表2和表3）。近30年，翅堿蓬濕地面積總體處于平衡態(tài)勢，減少流出面積40.65km2，增加轉(zhuǎn)入面積40.46km2。

表2 1988～2019年翅堿蓬濕地面積減少流出分析Table 2 Analysis of the reduction area of Suaeda salsa wetland from 1988 to 2019

表3 1988～2019年翅堿蓬濕地面積增加轉(zhuǎn)入分析Table 3 Analysis of the increase area of S uaed a s alsa wetland from 1988 to 2019

翅堿蓬濕地減少流出轉(zhuǎn)化為蘆葦濕地14.25km2，轉(zhuǎn)化為混生濕地2.86km2，轉(zhuǎn)化為河流灘涂18.36km2，轉(zhuǎn)化為人工建筑4.99km2。翅堿蓬濕地增加轉(zhuǎn)入來源主要為河流灘涂，轉(zhuǎn)入面積17.18km2，其次是蘆葦濕地，轉(zhuǎn)入面積17.10km2，再次是混生濕地，轉(zhuǎn)入面積6.18km2，最后是人工建筑轉(zhuǎn)入面積0.18km2。河流灘涂和蘆葦濕地是翅堿蓬濕地增加主要來源，翅堿蓬濕地減少主要去向為人工建筑占用。

1999～2001年，研究區(qū)翅堿蓬濕地面積增加顯著，總面積增加12.56km2，主要來源為研究區(qū)東南部的河流灘涂，轉(zhuǎn)化為翅堿蓬濕地面積6.66km2。該時期減少面積為3.51km2，翅堿蓬濕地減少面積去向主要為蘆葦濕地，減少面積為2.43km2，主要發(fā)生在北部翅堿蓬和蘆葦混生濕地區(qū)域。2001～2004年，翅堿蓬濕地面積急劇退化，減少面積為10.33km2，增加面積僅為1.17km2，其中翅堿蓬濕地減少轉(zhuǎn)出最大面積為河流灘涂，轉(zhuǎn)化面積6.34km2，生長環(huán)境條件惡化導(dǎo)致北部區(qū)域翅堿蓬退化，翅堿蓬濕地面積大幅度急劇減少。2004～2014年，翅堿蓬濕地面積穩(wěn)定緩慢增長，增加面積為12.4km2，減少面積為3.63km2。翅堿蓬濕地面積增加主要來源為研究區(qū)北部蘆葦濕地和東南部的河流灘涂，分別轉(zhuǎn)入為5.22km2和4.61km2。翅堿蓬濕地減少去向主要為蘆葦濕地，面積為1.57km2。2014～2016年，翅堿蓬濕地進入顯著退化階段，翅堿蓬濕地減少8.97km2，增加轉(zhuǎn)入面積僅為1.11km2。該區(qū)域內(nèi)大面積修建道路與旅游設(shè)施是減少主要原因，同時還有部分河流灘涂侵蝕破壞，占用和破壞面積分別為2.21km2和6.77km2。河流灘涂增加轉(zhuǎn)入面積僅為0.99km2。

2.3 翅堿蓬濕地退化分區(qū)分析

根據(jù)熵值函數(shù)原理測算結(jié)果表明，翅堿蓬濕地退化分值越大，代表濕地退化的程度就越高，通過自然斷點法進行退化分值分級（圖3）。赤堿蓬濕地退化區(qū)可劃分為：翅堿蓬高度生長區(qū)（-79793.61～-44144.12）、中度生長區(qū)（-44144.13～-15033.08）、低度生長區(qū)（-15033.08～5199.24）、低度退化區(qū)（5199.24～19920.29）、中度退化區(qū)（19920.29～43824.63）、重度退化區(qū)（43824.63～90039.67）和未生長區(qū)（河流灘涂未變化區(qū)域）等7個區(qū)域（圖1）。

圖1 1988～2019年遼河口翅堿蓬濕地變化綜合分區(qū)圖Figure 1 Comprehensive zoning of Suaeda salsa wetland in Liaohe estuary from 1988 to 2019

翅堿蓬生長區(qū)濕地總面積14.05km2，集中于研究區(qū)東南和北部區(qū)域，翅堿蓬退化區(qū)的濕地面積為6.81 km2，主要分布于研究區(qū)北部與中部。研究區(qū)北部翅堿蓬中度和高度生長濕地區(qū)域分布相對集中，翅堿蓬中度和重度退化區(qū)分布于生長區(qū)外圍，也是不同濕地類型互相轉(zhuǎn)化的集中區(qū)域。在研究區(qū)中部，翅堿蓬低度生長區(qū)與重度退化區(qū)濕地呈聚集分布。翅堿蓬低度和中度生長區(qū)濕地集中在東南部區(qū)域。翅堿蓬退化區(qū)濕地相對零散。翅堿蓬低度生長區(qū)濕地面積呈最大和最集中分布，面積為10.3km2，占生長區(qū)比例為73.31%，其次為中度生長區(qū)，面積為2.32km2，占比為4.98%，高度生長區(qū)屬于分散分布，面積為1.45km2，占比為3.11%。翅堿蓬退化濕地區(qū)域中，低度退化濕地區(qū)面積最大，但較為分散，面積為3.74km2，占退化區(qū)比例為54.92%，中度和重度退化濕地區(qū)域分布較廣，在中部和東南部相對聚集，面積分別為1.83km2和1.24km2，分別占比3.93%和2.66%。

2.4 不同退化區(qū)土壤環(huán)境影響因素分析

由表4可知，土壤含水量和含鹽量與退化區(qū)翅堿蓬生物量相關(guān)水平較高，表明土壤含水量和含鹽量在一定程度上影響翅堿蓬生長和退化。

表4 翅堿蓬生物量與土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation between S uaed a sal sa biomass and soil physical and chemical indexes

由圖2可知，隨著濕地土壤退化程度的增加，0～30cm土層土壤平均含水量呈現(xiàn)逐漸降低的態(tài)勢，表現(xiàn)為10%退化區(qū)（33.21%）＞30%退化區(qū)（32.62%）＞50%退化區(qū)（31.60%）＞70%退化區(qū)（31.23%）＞90%退化區(qū)（28.06%），可能由于濕地退化程度增加，土壤中砂粒含量增加，黏粒、粉粒含量降低，土壤保水能力減弱。在垂直剖面上沒有明顯變化態(tài)勢，但在每個退化區(qū)內(nèi)，土壤表層含水量均高于底層，土壤表層含水量介于31.62%～36.31%之間，土壤底層含水量介于23.93%～35.85%之間，這是由于生長期植被覆蓋度較高，所以土壤表層水分不易流失，而翅堿蓬生長過程中需要通過根部吸收大量水分，所以土壤底層含水量較低。隨著濕地土壤退化程度的增加，0～30cm土層土壤平均全鹽含量呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢，表現(xiàn)為10%退化區(qū)（7.33g·kg-1）＜30%退化區(qū)（8.67g·kg-1）＜50%退化區(qū)（9.33g·kg-1）＜70%退化區(qū)（9.33g·kg-1）＜90%退化區(qū)（10.00g·kg-1），表明隨著濕地退化程度增加，土壤含水量降低，致使土壤中更多鹽分析出。在垂直剖面上，每個退化區(qū)內(nèi)的土壤全鹽含量隨著土層深度的增加而減少，土壤表層全鹽含量介于8～12g·kg-1之間，土壤底層含鹽量介于4～8g·kg-1之間，雖然生長期植被覆蓋度較高，但表層土壤水分流失程度還是高于底層土壤，因此表層土壤全鹽含量高于土壤底層全鹽含量。

圖2 翅堿蓬濕地退化區(qū)土壤含水量與含鹽量變化趨勢Figure 2 Change trends of soil moisture content and soil salt content in degraded areas of Suaeda salsa wetland

3 結(jié)論與討論

通過對近30年來翅堿蓬濕地的時空變化格局和不同退化分區(qū)基礎(chǔ)上的土壤環(huán)境影響因素分析可知，近30年來研究區(qū)域翅堿蓬濕地面積出現(xiàn)波動式變動，其中1988～1999年和2017～2019年為小幅度波動階段，2000～2001年和2005～2014年為顯著和穩(wěn)定增長階段，2002～2004年和2015～2016年為急劇和顯著退化階段。受人為和自然等因素的作用影響，30年間研究區(qū)翅堿蓬濕地面積波動較大，翅堿蓬區(qū)域穩(wěn)定性較差。翅堿蓬濕地與蘆葦濕地、混生濕地、河流灘涂以及人工建筑之間存在相互轉(zhuǎn)化作用關(guān)系，近30年翅堿蓬濕地轉(zhuǎn)出為其他類型而減少面積為40.65km2，轉(zhuǎn)入翅堿蓬濕地而增加面積為40.46km2。蘆葦和河流灘涂濕地與翅堿蓬濕地間轉(zhuǎn)換明顯，翅堿蓬在自然濕地生態(tài)系統(tǒng)中具有較好的恢復(fù)能力，然而人工建筑尤其是旅游基礎(chǔ)設(shè)施修建對翅堿蓬濕地破壞影響較大，導(dǎo)致翅堿蓬濕地恢復(fù)具有不可逆轉(zhuǎn)性，是翅堿蓬濕地減少的主要類型。

根據(jù)近30年翅堿蓬濕地時空變化格局，利用熵值法將研究區(qū)劃分為翅堿蓬高度生長區(qū)、中度生長區(qū)、低度生長區(qū)、低度退化區(qū)、中度退化區(qū)以及重度退化區(qū)和未生長區(qū)等7個區(qū)域?？傮w而言，低度生長區(qū)是翅堿蓬濕地面積最大和最集中分布區(qū)域，中度和重度退化濕地區(qū)域分布較廣，說明翅堿蓬濕地生長區(qū)域面臨較大的轉(zhuǎn)化和退化風(fēng)險。在一定程度上土壤含水量和含鹽量是影響翅堿蓬生長和退化的主要土壤環(huán)境因素。隨著翅堿蓬濕地退化程度的增加，0～30cm土層土壤平均含水量呈現(xiàn)逐漸降低的態(tài)勢，土壤平均全鹽含量呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢。在各退化區(qū)內(nèi)，土壤表層含水量均高于底層，土壤表層含水量介于31.62%～36.31%之間，土壤底層含水量介于23.93%～35.85%之間。土壤全鹽含量隨著土層深度的增加而減少，土壤表層全鹽含量介于8～12g·kg-1之間，土壤底層含鹽量介于4～8g·kg-1之間。

本研究重點在翅堿蓬濕地退化分區(qū)基礎(chǔ)上，對翅堿蓬生長旺盛期及枯萎期內(nèi)的遼河口濕地退化過程中土壤理化性質(zhì)特征及變化態(tài)勢進行對比分析，運用高斯模型測算了翅堿蓬適宜環(huán)境的土壤因素生態(tài)閾值，研究結(jié)果可為遼河口區(qū)翅堿蓬濕地土壤保護和植被恢復(fù)提供理論和方法指導(dǎo)。由于翅堿蓬退化除了受到濕地土壤因素影響外，還與氣候變化、環(huán)境污染以及人為影響等因素有關(guān)，因此需要全面開展翅堿蓬濕地退化的研究工作，深入掌握翅堿蓬濕地退化過程機理及影響因素，建立翅堿蓬濕地退化修復(fù)機制。