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基于遥感信息提取的乌梁素海水生植被演化及驱动机制研究 摘要 湖泊水体富营养化形成机理及其防控对策是当前国内外湿地生态系统恢复 与重建的重点研究内容之一，且湖泊富营养化最重要的表征之一就是水生植被 的异常增殖。通过对湖泊大型水生植被分布及面积的及时监控，实时反映水体 富营养化程度，此对预防湖泊上覆水水质恶化、水生植被退化及生态系统功能 衰减具有重要的科学意义和实践价值。 本文以黄河流域最大的淡水湖泊乌梁素海为研究区域，借助e n v i 影像 处理系统及a r c g i s 平台，对研究区1 9 8 9 年、1 9 9 5 年、2 0 0 1 年、2 0 0 2 年、2 0 0 7 年和2 0 1 0 年六期相同季像的遥感影像进行解译、分析，得出1 9 8 9 - 2 0 1 0 年乌梁 素海水生植被的空间变化及演化趋势。在此基础上研究影响其变化的自然因素 及人为驱动因素。本研究主要结论如下： 1 决策树分类方法是较有效的水生植被提取方法。 2 乌梁素海水生植被的演化趋势是以芦苇为绝对优势种群的挺水植物逐年 缓慢增加，沉水植物面积逐年减少，且水体富营养化程度和沉水植物面积之间 存在显著相关性。 3 灌区农田退水、工业废水和城乡生活污水是造成乌梁素海水体富营养化、 湖区水生植被异常增长的主要原因。 内蒙古大学硕士学位论文 4 灌区节水工程实施后，在一定程度上减缓了乌梁素海水质的富营养化速 度，抑制了沉水植物的生长。 本文的研究成果可为乌梁素海富营养化防控和水生资源可持续利用提供理 论支撑和技术指导。 关键词：乌梁素海；水生植被；决策树分类；遥感信息提取；富营养化 内蒙古大学硕士学位论文 s t u d yo nt h e e v o l u t i o no f a q u a t i cv e g e t a t i o n s a n d i t sd r i 、厂d 呵gm 哐c h a n i s mo fw u l i a n g s i m a il a k eb a s e d o ne x t r a c t d 叮gr e m o t es e n s d 叮g 姗r o r m 陵t i o n a b s t r a c t t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m so fl a k ee u t r o p h i c a t i o na n di t sc o n t r o l l i n gm e a s u r e s a r et h er e s e a r c hp r i o r i t i e so ft h er e s t o r a t i o na n dr e c o n s t r u c t i o no fc u r r e n td o m e s t i c a n di n t e m a t i o n a lw e t l a n d e c o s y s t e m m o r e o v e r , o n e o ft h em o s t i m p o r t a n t c h a r a c t e r i z a t i o n so fl a k ee u t r o p h i c a t i o ni st h ea b n o r m a lp r o l i f e r a t i o no fa q u a t i c v e g e t a t i o n t h e r e f o r e ，m o n i t o r i n gt h ed i s t r i b u t i o na n ds i z eo fl a r g ea q u a t i cv e g e t a t i o n i nat i m e l ym a n n e rc a nr e f l e c tt h ed e g r e eo f e u t r o p h i c a t i o no f w a t e rb o d yi nr e a lt i m e i ti so fg r e a ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u et op r e v e n tf u r t h e rd e t e r i o r a t i o n o fw a t e rq u a l i t yo ft h ew a t e rc o l u m n ，t h ed e g r a d a t i o no fa q u a t i cv e g e t a t i o na n dt h e f u n c t i o n a ld e c a yo f e c o l o g i c a ls y s t e m i nt h i sp a p e r , w u l i a n g s u h a il a k e ，w h i c hi st h eb i g g e s tf r e s h w a t e rl a k el o c a t e di n t h eb a s i no fy e l l o wr i v e r , w a ss e l e c t e da st h es t u d ya r e a e n v ii m a g e p r o c e s s i n g s y s t e ma n da r c g i sp l a t f o r mw e r eu s e dt oa n a l y z ea n di n t e r p r e tt h er e m o t es e n s i n g i m a g e so ft h es a m es e a s o ni n1 9 8 9 ，1 9 9 5 ，2 0 0 1 ，2 0 0 2 ，2 0 0 7a n d2 0 1 0 w eg o tt h e s p a t i a lv a r i a t i o na n de v o l u t i o nt r e n do fa q u a t i cv e g e t a t i o ni n19 8 9 2 010 b a s e do nt h e r e s u l t s ，t h en a t u r a lf a c t o r sa n dh u m a n - d r i v e nf a c t o r sa f f e c t i n gi t sc h a n g ew e r es t u d i e d 内蒙古大学硕士学位论文 t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1d e c i s i o nt r e ec l a s s i f i e ru s e dt oe x t r a c ta q u a t i cv e g e t a t i o ni n f o r m a t i o nf r o m r e m o t es e n s i n gi m a g ei sm o r ee f f e c t i v e 2i nw u l i a n g s u h a i ，t h ee v o l m i o nt r e n do f a q u a t i cv e g e t a t i o ni st h a tt h ee m e r g e n t p l a n t si nr e e df o rt h ea b s o l u t ea d v a n t a g ei np o p u l a t i o ni ss l o w l yi n c r e a s i n g ，a n dt h e s u b m e r g e dp l a n t a r e ai s d e c r e a s i n gy e a rb yy e a la d d i t i o n a l l y , t h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nw a t e rb o d ye u t r o p h i c a t i o na n ds u b m e r g e d p l a n t sa r e ai ss i g n i f i c a n t 3a l a r g en u m b e ro f w i t h d r a w a lo fw a t e ri ni r r i g a t i o na r e a ，i n d u s t r i a lw a s t e w a t e r a sw e l la su r b a na n dr u r a ld o m e s t i cs e w a g ew e r ed i s c h a r g e di n t o w u l i a n g s u h a i ， w h i c hw e r et h em a i nr e a s o n sf o r e u t r o p h i c a t i o na n dt h e e v o l u t i o no fa q u a t i c v e g e t a t i o ni nt h el a k e s 4a t t e rt h ew a t e rs a v i n gp r o j e c t sw e r ec o n d u c t e di nt h e i r r i g a t i o na r e a ，t h e i n c r e a s i n ge u t r o p h i c a t i o no fw a t e rq u a l i t y w a sa l l e v i a t e da n dt h e g r o w t ho f s u b m e r g e da q u a t i cp l a n t sw a si n h i b i t e ds o m e w h a t t h er e s u l t si nt h i ss t u d yc a n p r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r ta n dt e c h n i c a lg u i d a n c e o nt h e e u t r o p h i c a t i o n c o n t r o la n ds u s t a i n a b l eu s eo f a q u a t i c r e s o u r c e si n w u l i a n g s u h a i k e y w o r d s ：w u l i a n g s u h a i ；a q u a t i cv e g e t a t i o n ；d e c i s i o nt r e ec l a s s i f i e r ；r e m o t e s e n s i n gi n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ；e u t r o p h i c a t i o n 内蒙古大学硕士学位论文 1 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早瑁比 1 1 研究背景及研究意义 湿地作为地球表面各圈层相互作用的关键地带，是全球环境变化的敏感区，同时也是地 球上水陆相互作用形成的具有多种功能的独特生态系统；它不仅为人类提供大量食物、原料 和水资源，而且在维持生态平衡、调节气候、保持生物多样性和珍稀物种资源以及涵养水源、 蓄洪防旱、降解污染，防止自然灾害等方面具有其它生产系统不可替代的作用，被称之为“地 球之肾”；然而，随着人类社会经济的发展，湿地环境受到了强烈的冲击和破坏；尤其是2 0 世纪中叶以后，随着工业化、城市化建设的加快，以及对自然资源的无序开发和过度利用， 导致世界上的湿地数量、质量和面积急剧下降，湿地生态环境受到严重破坏【l4 1 。美国大陆在 1 8 世纪8 0 年代至2 0 世纪9 0 年代间，湿地减少了5 3 5 1 。我国三江平原北部饶河流域 1 9 5 0 2 0 0 0 年湿地损失1 3 6 7 5 k m 2 ，面积比例由原来的5 2 4 9 下降到1 5 7 l 【6 】。迫切的需要 围绕湿地生态系统的特点、以及它们所面临的各种生态问题等方面展开研究，以遏制湿地水 质恶化、生态功能退化和面积下降的趋势，同时采取合理、有效的措施加以保护，实现湿地 生态系统的可持续发展。 乌梁素海，是中国八大淡水湖之一，总面积3 0 0 平方公里，素有“塞外明珠”之美誉。它 是全球范围内干旱草原及荒漠地区极为少见的大型多功能湖泊，也是地球同一纬度最大的湿 地。已被国家林业部门列为湿地水禽自然保护示范工程项目和自治区湿地水禽自然保护区。 2 0 0 2 年被国际湿地公约组织正式列入国际重要湿地名录，是深受国际社会关注的湿地系统生 物多样性保护区，其目的是为了保护乌梁素海湿地的自然环境。同时，乌梁素海是河套灌区 水利工程的重要组成部分，它接纳了河套地区9 0 以上的农田排水，经过湖泊的生物生化作 用后，排入黄河，起到改变水质、调控水量、控制河套地区盐碱化的作用。乌梁素海湿地生 态系统对维护周边地区生态平衡、调节区域气候起着相当重要的作用。近年来，由于自然因 素和人为因素的共同影响，造成乌梁素海湿地水质恶化，水体富营养程度严重，由此引起的 泥沙淤积，植被退化，动物栖息地丧失，致使湖内许多浮游物逐年减少。虽然经过几次综合 内蒙古大学硕士学位论文 治理，注入乌梁素海的污水水量有所控制，而且治理后效果明显。但是，整体的状况依然很 不乐观，许多生态环境问题依然存在，有关专家指出，“如不加紧治理，美丽的乌梁素海将会 从地球上消失”。 1 1 2 研究意义 近年来全国很多湖泊、水库由于蓝藻过度生长，形成有害藻类，且往往在短期内就突然 发生，并对水资源和水生态环境造成了严重影响，已经形成了另外一种较为严峻的生态灾变。 水生植被是湖泊生态系统的重要初级生产者，不仅是湖泊渔业生物的主要天然饵料，而 且是湖泊演化和湖泊生态平衡的重要调控者【7 1 。国内外对水生植物在湖泊生态系统中的作用 进行了不少研究，认为水生高等植物对于湖泊渔业、湖泊生态平衡有极为重要的作用 z - l o 】。 在人为干扰下，中国一些湖泊水体富营养化严重，然而湖泊富营养化最重要的表征之一就是 水生植被的异常增殖。随着浅水湖泊由贫营养级向富营养化水平发展，大型水生植被的分布 面积、物种多样性、生产力和现存量随之增加并达到极限。但随着水生植被发育顶级的到来， 过剩的初级牛产力将引发严重的二次污染和沼泽化，过剩的营养元素将导致湖水营养水平的 上升，继而引起漂浮植物、附着藻类和浮游藻类的过度繁衍，最终导致植被退化和环境功能 衰减，严重时甚至会引发“草型清水状态”的崩溃和“藻型浊水状态”的出现( 1 l 】。所以， 调查研究湖泊水生植被的演化趋势，分析影响水生植被演化的驱动因素，对防止水体进一步 恶化和防治湖泊沼泽化具有重要意义。 本文利用遥感技术大范围空间实时监测的优势和a r c g i s 、e n v i 软件强大的空间分析与 图像处理功能，调查并统计乌梁素海湿地在1 9 8 9 年、1 9 9 5 年、2 0 0 1 年、2 0 0 2 年、2 0 0 7 年和 2 0 1 0 年湖泊水生植被分布特征，分析1 9 8 9 1 9 9 5 年、1 9 9 5 2 0 0 2 年、2 0 0 2 2 0 0 7 年和2 0 0 7 2 0 1 0 年的动态变化。以此为基础，在全球气候变化的大背景下，分析近2 5 年来乌梁素海水生植被 的演化规律与变化趋势，探讨人为因素、气候因素对乌梁素海水生植被演替的影响，为进一 步制定合理、有效的湿地保护措施提供理论依据。 1 2 遥感技术在湿地研究中的应用 遥感作为一项技术手段应用于湿地研究起源于国外，最早是由欧洲各国由于经济发展的 需求对泥炭湿地进行以利用为目的的研究【12 1 。遥感技术( r e m o t es e n s i l l g ) 在湿地研究中的应用 主要是根据特定的研究目的，结合各种地面调查数据和其它历史资料，对所获取的遥感数据 进行影像合成与分析处理；然后把经过分类处理的影像数据转换成可用于具体分析的基础数 2 堕茎直奎兰堡主兰垡笙茎 据或专题图；最后以面向用户的原则将其引入具体的研究中，同时可以同研究区域或湿地的 水文过程、湿地植被演替规律、湿地动植物生活习性等其他信息相结合，对其规律进行探讨。 目前，主要在以下几方面对湿地研究发挥重要作用：湿地资源调查、湿地景观生态制图，湿 地分类与湿地生物量调查；湿地景观格局变化对湿地过程的影响及其环境效应研究；湿地功 能与区域生态环境安全评价；湿地生物多样性栖息地环境遥感监测；湿地退化、重建与恢复 遥感监测【1 3 】。其最大的优势在于强大的数据获取能力，通过该方法可以及时获取大范围、多 时相、多波段的地表信息，为不同时序上从局域到全球各种尺度上的综合分析创造了条件 4 - 1 s 。 近年来，湿地研究主要集中于湿地生态系统和湿地资源调查等方面，这极大地发挥出遥 感技术的快速、实时、宏观、准确的优势。传统的湿地调查方法耗时费力，某些湿地区域难 以进行接近实地考察，并且调查过程会对湿地造成破坏，而卫星遥感技术完全可以实时的从 宏观方面对湿地进行获取和动态监测，正好补足了传统湿地调查方法的不足【l 引，从而把利用 遥感图像获取和分析湿地信息拓展成湿地研究的一个重要方向，简化了湿地资源清查和动态 变化监测过程，更有利于对湿地资源进行合理利用【2 0 1 。 遥感技术应用于湿地研究，主要应用于以下几个方面：第一、遥感技术可以应用于湿地 的资源调查、湿地景观生态制图、湿地分类与湿地生物量调查，很多学者对此进行了大量的 尝试【2 3 】；第二、遥感技术可以应用于湿地景观格局变化的研究，清晰地反映出景观格局的 变化信息，为湿地过程的影响及其环境效应的研究提供依据；第三、利用遥感技术可以快速、 宏观、实时地监测湿地生态环境，对湿地的生态环境功能和湿地生态环境健康进行评价；同 时，遥感技术还可以对湿地生物多样性栖息地环境进行遥感监测：第四、利用遥感技术可以 对湿地的退化、重建与恢复进行实时的遥感监测和提供科学数据及理论依据。 综上所述，遥感技术在湿地研究中得到了广泛应用，并且作为一种技术手段，它不断趋 于更深层、系统、综合的服务于湿地生态系统的研究。从对象方面来说，从单一要素扩展到 整体景观、从单纯的理论探讨发展到实践应用、逐渐从湿地的监测扩展到湿地生态；从范围 来看，尺度逐渐扩大；从过程方面来看，逐渐从静态转向动态，从监测转向模拟：研究目的 逐渐转向揭示湿地的动态系统；技术方法逐渐从人工操作转换到系统自动化。遥感技术在湿 地研究中的应用角度和应用技术逐渐增多和成熟。 3 内蒙古大学硕士学位论文 1 3 地理信息系统在湿地景观研究中的应用 在湿地研究中，遥感是最主要的数据收集手段，地理信息系统则是数据存储、分析和管 理的技术。g i s 在对湿地空间数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示等方面具有无 法比拟的优势；目前，地理信息系统在湿地研究中的应用主要体现在以下五个方面：湿地空 间数据的管理、查询和分析：基于g i s 的湿地遥感分类；湿地与环境因素定量模型；湿地信 息系统；湿地制图；它不仅可以对海量的湿地信息进行存储、管理和分析，并且能通过模型 将不同信息关联进行定量化研究，从而有助于揭示湿地复杂的生态过程 2 4 。2 6 】。 遥感和地理信息系统技术的发展为湿地景观研究提供了新的方法和技术支持，在湿地资 源调查、湿地识别和湿地分类、湿地动态变化监测、湿地制图、湿地与环境因素定量模型、 湿地信息系统等方面发挥着重要的作用，同时在湿地景观的研究中起到很大的支持和推动作 用【2 7 1 。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外研究进展 发达国家对湿地的研究起步较早，且取得了较突出的成就。美国是当前世界湿地数量排 名第二大的国家，湿地研究始于1 9 世纪末，c o w l e s 和t r a n s e a u 等人对美国北部的淡水湿地 进行了初步的研究( m i t s c h & g o s s e l i n k ，2 0 0 7 ) 。从1 9 5 0 年到1 9 7 0 年，美国湿地的研究开始 向海岸带扩展，重点是滨海盐化湿地和红树林沼泽，但该时期湿地研究主要目的是为了开发 利用湿地资源，并非出于保护湿地的目的；进入2 0 世纪7 0 年代以来，美国的湿地研究进入 了高速发展时期，湿地的研究更侧重于湿地生态系统、结构与功能的研究( m c d o n a l d ，1 9 8 1 ； s t o c k t o n & r i c h a r d s o n ，1 9 8 7 ) ，并涌现了一批湿地研究成果。随着卫星遥感技术的发展，湿 地遥感技术的应用也越来越深入和广泛。l u l l a 研究了l a n d s a tm s s 影像在湿地资源调查和 海岸生态系统管理中的应用【2 引。c a r p e n t e r 等利用l a n d s a t 遥感影像通过建立模型来监测内陆 湿地水体的水质【2 9 。h u a n g 等用g i s 数据和s p o t 多光谱数据中提取知识用于湿地分类【3 0 1 。 k i n d s c h e rk 等人用印度的i r s 1 bl i s s i i 影像将g r a n dt e t o nn a t i o n a lp a r k 的草甸湿地类型 用非监督分类法将其划分为6 类【3 1 1 。t o w n s e n d 等人用多时相和多光谱的t m 影像研究美国加 4 内蒙古大学坝士字位论又 利福尼亚少i , i 二i l 部的森林湿地，通过植被指数和缨帽变换等预处理，并利用各种分类方法，对 该地区的植被群落进行了详细的分类，分为2 1 个森林群落和另外几个重要的生态类型【3 2 1 。 湿地资源、生态、环境与可持续发展已经成为2 1 世纪科学研究的重点，湿地破坏与退化 带来的环境功能丧失和生态问题客观上也为湿地科学的发展提供了机遇和动力。湿地科学研 究已经成为国际学术界与各国政府乃至公众关注的热点与焦点；湿地研究正处在一个前所未 有的蓬勃发展时期，很多方面取得了令人瞩目的进展，学科理论体系建设正在逐步完善，湿 地科学已成为2 l 实际的重点学科和研究领域【3 3 1 。 湿地研究内容增多，领域扩大；综合性增强，分化性加大；世界湿地科学发展不平衡， 发展中国家与发达国家之间的湿地研究水平差距逐步缩小；国际湿地科学研究前沿领域的最 新进展和发展趋势，主要在湿地保护与管理，形成、发育与演化，古环境重建，生态过程与 动态，生物多样性保护，温室气体排放、温室效应和全球环境变化，湿地退化机制、退化湿 地恢复与重建和人工湿地构建，生态系统健康，泥炭地与泥炭开发利用、湿地生态工程模式 与管理技术和新技术、新手段与新方法应用方面取得突出进展【3 4 1 。 1 4 2 国内研究现状 中国湿地研究起步于2 0 世纪5 0 年代，至2 0 世纪9 0 年代才完成全国湿地初步调查，对 不同类型的湿地生态系统研究比较薄弱；我国于1 9 9 2 年加入国际湿地公约，是世界上湿地类 型齐全、分布广泛、生物多样性最为丰富的国家之一，然而由于人口的增长和经济的快速发 展，资源长期过度消耗，使我国湿地功能退化极度严重，其功能和效益不断下降。进入2 1 世 纪以来，我国政府对湿地保护逐渐重视起来，中国己制定了湿地调查大纲和湿地保护行动计 划，湿地保护和合理利用己纳入中国2 2 1 世纪议程和中国生物多样性保护行动计划 的优先发展领域，中国湿地保护行动计划已经出版。在湿地区域分析、湿地系统环境变化、 湿地形成动力、湿地保护与可持续发展等领域正在加强研究，争取在2 l 世纪初获得重大突破。 利用3 s 技术进行湿地调查与监测并开展更深入的研究。1 9 9 5 1 9 9 6 年中科院沈阳应用生 态所对辽宁双台河流域自然保护区水禽的生境研究及景观设计中应用了遥感技术35 1 。那晓东 等使用分类回归树算法继承l a n d s a t 5 数据的光谱特征、纹理特征和地学辅助数据( 地形地貌 图) 对三江平原东北部沼泽湿地进行提取 3 6 1 。李芳芳( 2 0 0 8 ) 等结合缨帽变化及决策树分类 法建立了湿地信息提取决策树模型，用于区分不同类型的湿地，并对两个不同时相的湿地分 布进行了变化监测【37 1 。杜红艳等使用数学知识和地理信息系统为支撑，结合辐射增强降噪处 理和光谱增强缨帽处理，进行湿地遥感影像的分类，明显提高了区分湿地类型的精度，生成 5 内蒙古大学坝士学位论文 了湿地遥感影像分类图 3 引。许辉熙等使用e o s m o d i s 影像利用阀值法并结合人机交互式调 整消除误判像元及云的干扰提取若尔盖高原湿地信息【3 9 1 。闵文彬等通过对若尔盖湿地t m 影 像1 - 5 波段和7 波段数据制定了若尔盖湿地主要地物的自动判识流程【4 0 1 。李春雷等利用 l a n d s a t 7e t m + 数据，应用改进的归一化差异水体指数( d ) 和坡度信息，使用决策树 分类方法，准确地提取了桂林市喀斯特地貌地区的水体信息【4 l 】。潘琛等通过对l a n d s a t 一5t m 遥感影像进行波段代数运算、主成分分析和图像分割等处理，使用决策树分类方法，结合试 验区主要地物类型提纯后的训练样本集，实现了主要地物的空间分布专题信息提取1 4 2 | 。 1 5 研究内容和技术路线 本文是国家科技支撑计划项目“乌梁素海湿地生态系统恢复与重建关键技术研究与示范” ( 2 0 1 1 b a c 0 2 8 0 3 ) 的一部分内容，并在此项目资助下完成。 1 5 1 研究内容 富营养化的直接结果就是藻类或大型水生植被的过度繁殖。所以对水生植被生长面积及 分布监测对反映水体富营养化程度具有重要意义。湿地水生植被是水生生态系统中的重要组 成部分之一。由于受到水深、透明度、悬浮物浓度等水域环境的限制，需要有一种合适的技 术对水生植物，尤其是沉水植物的分布与生长状况进行大尺度、快速、动态和综合监n t 4 3 1 。 遥感技术具有独特的宏观、快速、动态、实时等优势，同时也具有大面积监测等特点，己广 泛应用于环境与资源动态监测。 本文的主要研究内容是以l a n d s a tt m 、e t m + 卫星遥感影像为数据源，采用遥感解译与野 外实地调查相结合的技术路线，对中国内蒙古自治区境内的黄河流域最大湖泊乌梁素海 六期不同时相相同季像的遥感数据进行水生植被信息提取和变化分析。由变化结果反映出当 年水质的富营养化程度，分析造成水体污染的主要原因。其主要的研究内容如下： ( 1 ) 乌梁素海湿地水生植被信息的提取 获取研究区典型年份的遥感影像数据和研究区地形图等数据，进行野外实地调查，利用 g p s 设备在野外对各观测点进行定位调查，确定各点坐标和地理位置。实地观测的地物景观 状况，拍摄实地的照片，并且作好记录。对遥感数据进行几何精校正、大气辐射校正和影像 增强处理，提取影像的植被指数( n d v i ) 作为分类的辅助信息。选择2 0 1 0 年遥感影像进行 波谱统计特征分析，选择最佳的波段组合。分析不同地物类型的光谱特征值，经过多次试验 确定阀值，建立分类决策树对影像进行不同类别信息的提取。对分类结果进行精度评价，最 6 内蒙古大学硕士学位论文 后得出结论：应用决策树分类方法提取湿地水生植被信息，分类精度邻人满意。 ( 2 ) 近2 5 年来乌梁素海水生植被动态变化研究 在e n v l 4 8 和a r c g i s 9 3 软件的支持下，对乌梁素海湿地六期遥感影像进行了处理。对六 期分类结果中不同水生植被及地物类型面积和结构进行统计分析。然后建立了湿地转移矩阵， 确定挺水植物、沉水植物、湖泊水面和滩涂保持不变的面积以及转化为其他类型的面积，据 此算出乌梁素海1 9 8 9 1 9 9 5 年、1 9 9 5 2 0 0 2 年、2 0 0 2 年- 2 0 0 7 年和2 0 0 7 年2 0 1 0 年四个阶段 的湿地转移概率矩阵。重点分析了乌梁素海湿地水生植被演化这一动态过程。以此研究乌梁 素海水生植被近2 5 年来的面积及空间变化情况和演化趋势。 ( 3 ) 分析影响水生植被生长变化的驱动因素 引起湿地水生植被变化的驱动因素总结可分为两类：自然因素和人为因素，自然因素主 要包括：海拔高度、地形、地貌、坡度、坡向、土壤、植被、气温、降水、灾害等因素，这 些因子对湿地水生植被变化的影响是有限的；而人为因素主要包括：人口、经济发展、城镇 化的进程、人为控制因素等，则被认为是湿地景观格局变化的确定性因素。分析影响乌梁素 海湿地水生植被演化规律与变化趋势，探讨人为因素、气候因素对乌梁素海水生植被演替的 影响，为今后湿地开发利用以及湿地保护提供可行性建议和科学依据。 1 5 2 技术路线 本研究的技术路线，如图1 1 所示。 7 内蒙古大学硕士学位论文 图1 1 技术路线图 f i g u r e1 1i l l u s t r a t i o no f t e c h n o l o g yr o u t e 固 内蒙古大学硕士学位论文 第二章乌梁素海流域概况 2 1 自然地理概况 乌梁素海湿地位于我国内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内，地理位置如图2 1 所 示。乌梁素海是内蒙古河套灌区排灌水系的重要组成部分，位于黄河河套平原的末端，是黄 河内蒙古段最大的湖泊湿地。湖区介于北纬4 0 。3 6 4 10 0 3 和东经1 0 8 0 4 3 1 0 8 。5 7 之间，南北 长约3 5 - 4 0 k m ，东西宽约5 l o k m ，湖面平均高程为1 0 1 8 5 m ，湖泊容量为 2 5 x 1 0 8 m 3 3 3 x 1 0 8 m 3 。湖水深度多数区域在o 5 - 2 5 m 之间，最深能达到4 m ，多年平均深度 为0 7 m ，2 0 0 5 2 0 10 年水域的平均水深呈逐渐增加的趋势。2 0 0 5 年平均水深为1 2 0 m ，2 0 0 6 年平均水深为1 3 l m ，2 0 0 7 年平均水深为1 3 2 m ，2 0 1 0 年平均水深为1 5 9 m 。湖泊所在地区 四季更替明显，气温变化大，多年平均气温为7 3 ，全年日照时数为3 1 8 5 5 h 。湖泊流域内 降雨量少而蒸发量大，多年平均蒸发量为1 5 0 2 m m ，平均降雨量为2 2 4 m m ，蒸发量是降雨量 的6 7 倍。湖水于每年1 1 月末结冰，直到来年3 月末4 月初开始融化，冰封期约为5 个月， 全年无霜期为1 5 2 天。 9 内蒙古大学硕士学位论文 f i g u r e2 1g e o g r a p h i c a ll o c a t i o no fw u l i a n g s u h a ib a s i n 2 2 乌梁素海灌排系统概况 乌梁素海是内蒙古河套灌区排灌水系的重要组成部分，处在黄河河套平原末端，属于黄 河内蒙古段最大的湖泊，是当地农田退水、工业废水和城乡生活污水的唯一承泄渠道，对河 套灌区节水灌溉工程正常运行和控制土地盐碱化起着关键作用，灌区水系如图2 2 所示。乌 梁素海由于接纳了大量的农田灌溉退水、工业废水和生活污水，乌梁素海已经逐渐成为典型 的草型浅水富营养化湖泊，水体水质污染日益严重，其中农田面源污染是主要污染源。 河套灌区是我国古老的农田灌区之一，也是全国最大型的自流灌区之一，其引黄灌区总 土地面积为7 4 x 1 0 5 k m 2 ，灌溉面积为3 7 6 x 1 0 5 k m 2 ；地势平坦，灌渠纵横交错，北依阴山，南 邻黄河。河套灌区灌溉系统共设七级：总干渠( 1 条，全长1 8 0 8 5 k m ) 、干渠( 1 2 条，全长 7 7 9 7 4 k m ) 、分干渠( 6 0 条，全长1 0 6 9 k m ) 、支渠( 3 3 9 条，全长2 2 1 8 5 k m ) 、斗渠、农渠和 1 0 内蒙古大学坝士学位论文 毛渠( 三类共8 5 8 6 1 条，全长4 6 1 万k m ) ：排水系统也设7 级：总排干沟( 1 条，全长2 2 8 k m ) 、 干沟( 1 2 条，全长5 1 6 1 2 k m ) 、分干沟( 5 9 条，全长9 2 5 k m ) 、支沟、斗沟、农沟和毛沟( 四 类共1 7 6 1 9 条，全长1 2 2 1 l k m ) 。河套灌区各排干沟渠及乌梁素海位置，如图2 2 所示。灌区 各主要排干长度，如表2 1 所示。 表2 1 灌区备捌 干长度 t a b l e2 1t h el e n g t ho fd r a i n e di nh e t a oi r r i g a t i o na r e a 排千沟名称总排千一排千二排千三排千四排千五排千六排千七排千八排千九排千十排千 长度( k i n ) 2 2 83 596 465 45 763 554 333 84 364 693 16 排水量( 万m 3 )5 8 3 7 4 92 3 4 3 2 9 3 4 44 9 2 31 3 2 8 311 1 4 991 1 6 0 73 0 5 856 1 5 28 6 2 9 3 42 31 7 2 19 2 图2 2 河套灌区主要排干图 f i g u r e2 2t h em a i nd r a i n a g eo f h e t a oi r r i g a t i o na r e a 乌梁素海作为灌区唯一的排、退水及山洪水承泄区，每年有6 9 0 0 k i n 2 的农田灌溉退水经 过扬水站汇入乌梁素海，退水经过西山咀镇( 乌拉特前旗政府所在地) 排入黄河。经过多年 建设，河套灌区形成了引水、排水、湖泊调蓄、退水入黄的完整水循环系统，在维持灌区水 环境系统平衡，调节气候等方面发挥着重要作用。大量营养物质随着退水及地表径流排入乌 内蒙古大学硕士学位论文 梁素海，造成了乌梁素海的水质严重恶化，将近一半以上湖面被芦苇群落覆盖，其余明水区 域布满沉水植物，使乌梁素海成为典型的寒旱区草型水环境富营养化湖泊。灌区引排黄河水 水过程如图2 3 所示。 f i g u r e2 3b r i e f d i a g r a m so fe n t e r i n ga n dd r a i n i n go f y e u o w r i v e rw a t e ri nh e t a oi r r i g a t i o na r e a 2 3 水文气象条件 乌梁素海湿地处于我国北方的寒冷干旱地区，属于内陆区的蒙新高原湖区，这种地区太 阳辐射强度大、降雨量小、蒸发量大、干湿期差异大，并且经常出现大风天气。这种强烈的 蒸发和大风天气对湖泊水生植被生长会产生一定的影响，因此研究这种特殊气候条件下的湖 泊水生植被的变化情况，要掌握其特殊性以提出适合干旱区湖泊污染控制与治理方案。 通过对2 0 1 0 年实测的水文气象资料分析，如图2 4 - - 2 8 所示。图2 4 描述了2 0 1 0 年l 1 2 月的温度变化，图2 5 2 8 分别描述了2 0 1 0 年降雨与蒸发、湿度、大气压强、风速的月平均 值变化曲线。从图中可以看出，乌梁素海区域在7 月温度达到最高值3 2 3 摄氏度。降雨量全 年分布不均匀，主要集中在5 - 9 月份之间。从图2 8 可以看出乌梁素海湖泊水面蒸发强烈， 乌梁素海平均每年的蒸发量大约是降雨量的6 7 倍，蒸发量在7 月、8 月达到最大值，1 2 月 蒸发量最小。蒸发量和相对湿度受风速的影响较大，从图中可以看出乌梁素海春季3 5 月份 和冬季11 月份至来年的l 份月风速较大，而这期间乌梁素海的平均相对湿度和蒸发量相对减 小成明显负相关关系。乌梁素海流域的大气压强在7 月份达到最低值，3 月份和1 1 月份达到 最高值。风速在3 月份达到最大值，随时间的变化逐渐减小，在1 1 月份从新回到最高值，而 且最大风速和最小风速相差很大，方向属于北西北风( n n w ) ，风向变化较小。 1 2 内蒙古大学硕士学位论文 4 0 3 0 2 0 1 0 型0 赠一1 0 一2 0 3 0 + 平均值+ 最大值+ 最小值 ；一弋：多5 6789 1 巡 月份 7 0 6 0 5 0 琶4 0 毯3 0 赠2 0 l o 0 + 平均湿度+ 最小湿度 l23456 7 89 1 0l l1 2 月份 图2 42 0 1 0 年温度月变化 图2 52 0 1 0 年湿度月变化 f i g u r e2 4m o n t h l yc h a n g eo f t e m p e r a t u r ei n2 0 1 0f i g u r e2 5m o n t h l yc h a n g eo f h u m i d i t yi n2 0 1 0 + 平均风速卜最大风速+ 极大风速 12 3 4 56 7 89 1 01 l1 2 月份 图2 62 0 1 0 年风速月变化 9 0 0 8 9 0 = 8 8 0 08 7 0 出8 6 0 蓑8 5 0 8 4 0 8 3 0 + 平均气压- 4 1 - - 最高气压+ 最低气压 1234567891 01 11 2 月份 图2 72 0 1 0 年大气暖虽月变化 f i g u r e2 6m o n t h l yc h a n g eo f w i n ds p e e di n2 0 1 0 f i g u r e2 7m o n t h l yc h a n g eo f a t m o s p h e r i cp r e s s u r ei n2 0 1 0 黼平均降雨量+ 蒸发量 l234567891 0l l1 2 月份 图2 82 0 1 0 年降雨与蒸发量月变化 f i g u r e2 8m o n t h l yc h a n g e so f r a i n f a l la n de v a p o r a t i o ni n2 0 1 0 1 3 孙加坫加0 0 mv煅匿 垂v栅越糕 5 o 5 o 5 0 5 0 5 0 5加加均均坞坞埔 蛎如l盆弱加m o o 重卿窿进 内蒙古大学硕士学位论文 2 4 地质、地貌特征及湖泊形态 乌梁素海所在的后套平原平均海拔在1 1 0 0 m 左右，东西长1 7 0 k m ，南北宽4 0 k m 。西与 乌兰布和相连，东至乌梁素海、南抵黄河，北至狼牙山，构成河套平原的主体，面积约8 4 5 6 k m 2 ， 占河套平原总面积的7 5 。区内地势平坦开阔，地形自西向东，由西南向东北微倾斜，北部 总排干一线是全区域地势最低部分，乌梁素海是灌区退排水的容泄区，地下水和降雨也由西 南向东北逐渐减小，导致地下水流动逐渐微弱，水份上升作用逐渐增强，水体含盐量增大， 造成土壤盐碱化。地形自然坡度1 5 0 0 0 1 8 0 0 0 ，地面高程在1 0 5 0 1 0 1 8 m 。由于黄河多次改 道泛滥和残留湖泊的退缩，形成了许多微地形地貌，如古河道、碟形洼池、袋状沙丘、从草 沙堆和残留湖泊等。 乌梁素海是1 8 5 0 年黄河改道形成的河迹胡。由于狼牙山西部缺口，在西北风作用下，导 致阿拉善沙地流沙向东蔓延，加之色尔腾山、乌拉山等流域山洪所携带泥沙的不断堆积，并 不断向南扩展，促使河床不断抬高，到1 8 5 0 年将现在西山咀以北早期黄河主流隔断1 5 k m 左 右，造成黄河主流向南移动，形成一条弧形的长条洼池，即乌梁素海的前身。 乌梁素海湖泊形态特征如表2 2 所示。 表2 2 乌梁素海湖泊形态特征参数 t a b l e2 2m o r p h o l o g i c a lp a r a m e t e r so fw u l i a n g s u h a if o ra v e r a g ey e a r s 2 5 社会经济状况 内蒙古河套灌区是典型的以农业发展为主的经济区，总人口达到1 7 5 万，其中农业人口 有1 0 5 万人，总劳动力4 4 万人。据统计资料调查，2 0 1 0 年河套灌区农作物总播种面积9 6 0 万亩，其中粮食总播种面积5 0 2 万亩，经济作物播种面积4 0 1 4 万亩。粮食总产量2 4 4 5 亿公 斤，其中小麦9 1 2 亿公斤，玉米1 5 亿公斤。油料总产量5 5 7 亿公斤，其中油葵1 3 亿公斤， 1 4 内蒙古大学倾士学位论文 花葵4 4 5 亿公斤。西瓜总产量2 4 5 亿公斤，番茄总产量2 3 2 5 亿公斤。以该区农业人口计算， 人均灌溉面积7 6 亩。每个劳动力要负担灌溉面积为1 7 2 亩。河套灌区的灌溉农业是巴彦淖 尔市国民经济赖以发展的基础，随着农业的不断发展，矿业、交通、电力、机械、食品加工 等工业得以快速发展，使得巴彦淖尔市逐渐成为内蒙古自治区西部一个新兴的工业城市。 乌梁素海流域是河套灌区重要的芦苇生产加工基地，水生植物共6 科6 属1 1 种，其中， 以芦苇为优势种群。水中沉水植物、浮水植物、挺水植物分布全湖，如图2 9 所示。芦苇面 积约占整个湖面的1 2 左右，主要分布在湖的北部、中部和西岸。目前芦苇产量约为l x l 0 5 t a 是灌区造纸厂的原料基地。芦苇区外围的明水区域中，几乎布满了沉水植物，水草产量可达 1 2 k g m 2 。沉水植物以眼子菜为优势种，其次是轮藻属和金鱼藻。浮游植物的总生物量反映 了重富营养化湖泊独有的生物量高的特征，数量较多的浮游植物是藻类，尤其是硅藻属【4 4 】。 图2 9 乌梁寨海水生植被 f i g u r e2 9a q u a t i cv e g e t a t i o ni nt h ew u l i a n g s u h a i 乌梁素海是内蒙古自治区主要的淡水渔业基地，如图