近50年来挠力河流域湿地和耕地扩展对居民地变化的响应

近50年来挠力河流域湿地和耕地扩展对居民地变化的响应

1基于居民地信息的三江平原湿地景观演变三江平原是中国最大的淡水沼泽湿地分布面积，也是世界湿地名单之一。伴随着对湿地保护意识的提高和现代RS、GIS技术成熟,人们加强对三江平原湿地动态监测,发现三江平原湿地已严重退缩,已不再是三江平原第一大土地景观类型,取而代之的是耕地,且发现三江平原湿地主要由于耕地的切割,呈破碎化和离散化趋势,生态功能亦日益下降,这种景观变化根本原因在于人类的农垦开发活动。居民地是人类活动的源地,其分布格局是自然、社会、经济以及历史发展的反映,是人类活动强度的空间表现。因此如能充分结合居民地信息与相关景观变化,可揭示人类活动与景观形成和演化的机制。但由于各居民地斑块普遍远小于各背景地物斑块,而且居民地面积在总景观中所占比重非常小,前人在分析三江平原景观演变时,往往只简单的说明居民地数量的增减,甚至忽略不计。本文试图运用相关空间分析法和地统计学理论,凸现居民地信信息,分析居民地与耕地、湿地相互转化关系和空间分布格局,从而分析以居民地为表征的人类农垦开发活动对三江平原景观演变的根本影响,找到一条揭示景观格局变化与人类生态过程相互关系的重要途径。挠力河流域湿地是三江平原湿地一个重要组成部分,其景观变化是三江平原湿地景观变化的缩影。挠力河流域也是我国建国以来重要农垦开发区之一,是世界了解中国农垦区开发景观演变模式的窗口。本文以多源数据为基础,提取近50年来包含居民地和湿地、耕地在内的土地利用/覆被变化信息。在GIS技术支撑下,从空间上定量分析居民地和耕地、湿地动态变化关系,揭示了人类活动对挠力河流域土地/覆被景观变化的影响机制,为挠力河流域湿地乃至三江平地原湿地的合理开发与可持续发展提供科学参考依据。2挠力河流域湿地概况挠力河流域位于黑龙江省三江平原腹地,地理位置:东经131°31′～134°10′,北纬45°43′～47°35′,流域总面积为250.79×104hm2(图1)。气候属中温带大陆性季风气候,年均温1.6℃,1月平均气温-21.6℃,7月平均气温21.4℃,极端最低气温-42℃,极端最高气温36.6℃,年平均降水量565mm,蒸发量542.4mm,平均海拔60m左右。挠力河流域地势低平,广泛发育河漫滩,地表径流不畅,有利于湿地的形成。有3个重要的湿地,分别为七星河湿地,外七星河及挠力河湿地。其中七星河湿地是国家级湿地自然保护区。挠力河流域面积占三江平原总面积的近1/4,但是湿地面积占到三江平原湿地面积的1/4多,挠力河流域被列为国家级自然保护区。行政区划上挠力河流域包括宝清县全部,富锦、饶河、友谊、桦川、七台山、集贤和双鸭山的部分地区,以及建三江和红兴隆两个大型国营农场。自从50年代以来人类的开垦活动,使挠力河流域的湿地大面积的萎缩,湿地的生态功能特征不断下降,导致该流域的生态环境状况不断恶化。所以加强对该流域湿地动态监测和保护具有现实迫切需求。3土地利用变化特征为了提取近50年来挠力河流域湿地、耕地和居民地动态变化信息,本次研究采用了4个时期的多源数据:2000年和1986年的TM(或ETM+)影像数据,1975年的MSS影像,50年代没有影像,选择了1954年1∶10万的地形图作为基础信息源。利用2000年TM数据与1∶10万地形图配准,根据挠力河流域的土地覆盖类型影像特征,建立解译标志,获得2000年研究区三类地物信息。以2000年的数据为基础,对1986年TM影像和1975年的MSS影像进行纠正并勾绘出土地利用发生变化的图斑,分别生成1986年～2000年和1975年～2000年的三类地物动态变化数据。1954年地形图的土地利用数据的提取除了有明显界线的类型之外,没有地类界的沿着最低等高线进行勾绘。最终得到了近50年来挠力河流域湿地、耕地和居民地动态变化数据。4通过分析居住区与湿地和耕地的动态关系，得出以下结论4.1居民地面积变化不论是居民地,还是湿地和耕地,近50年来的变化首先表现在覆被面积变化(如图2)。从居民地及湿地、耕地变化曲线上可以看出,近50年来,挠力河流域居民地和耕地面积不断增加,湿地面积则不断减少。各时期的居民地面积远远低于湿地和耕地的面积,但居民地面积变化却深刻影响了湿地与耕地面积变化。如表1,1975年～1986年是居民地增长最快时期,每年平均增加居民地面积为12.93km2,这期间耕地和湿地年变化率也是最高,耕地每年增加了524.22km2,湿地每年减少了301.78km2。对比1954年～1975年、1975年～1986年、1986年～2000年及1954年～2000年期间居民地和湿地、耕地三者年变化率,发现湿地、耕地年变化率大小随着居民地年变化率大小而变化。这一方面说明湿地的退缩主要是人类的开发利用造成的;另一方面说明近50年来挠力河流域是典型的农垦经济发展模式,即人口增长-居民地扩展-耕地增加的经济发展模式,而不是城镇化经济发展模式:人口增长-居民地扩展-耕地减少。4.2类地物转换概率居民地和湿地、耕地的三者之间最直接的动态变化关系莫过于三者之间的相互转换。在ArcView的空间分析模块的Tabulateareas对4个时期的土地覆被的相互转化关系进行了统计,获得1954年～1975年、1975年～1986年、1986年～2000年及1954年～2000年4个时段三类地物转化概率(如表2)。表2中,在各期间三类地物都有相互转化的现象,但居民地转化为耕地和湿地的概率非常小,尤其是居民地在1986年～2000年和1954年～2000年间转化湿地的概率几乎为零。近50年来各时期三类地物主要转换模式是湿地-耕地和耕地-居民地。需注意的是,1954年～1975年和1954年～2000年期间出现湿地直接转换为居民地高峰值,这充分显示了1954年是挠力河流初期开发时期,这时人们同时在湿地上开辟耕地和居民地;在1986年～2000年出现了耕地逆转换为湿地高峰值,占2000年湿地总量的16.19%,其原因是从90年代末为了加强七星河湿地等国家级湿地自然保护区生态建设,国家在这些重点湿地保护区实施部分耕地“退耕还湿”。4.3居民地、耕地和湿地三种地物扩张空间分布特征前面分析可知,近50年来挠力河流域居民地、耕地面积持续增加,湿地面积持续减少。那么三者各自动态变化在空间上有什么规律呢?三者之间在空间变化上会有什么相互关系呢?为了探究三者的动态变化,其具体研究方法是:首先生成挠力河流域的1km矢量网格图;然后用1km矢量网格图与各时期新生的居民地、耕地及消亡的湿地空间分布图叠合,从而计算每个格网的居民地、耕地扩张及湿地退缩强度值;最后在ArcMap的地统计模块下以普通克吕格插值法获得居民地、耕地扩张和湿地退缩强度分布趋势图(图3)。为了便于分析与比较,居民地扩张强度分级限值采用以Smartquantile方法分级的1954年居民地扩张强度的十级断点(break)值;由于耕地扩张和湿地退缩强度数量级相同,统一采用1954年耕地扩张强度的十级断点值。与前人方法不同的是本文在三类地物变化强度值基础上,进一步以普通克吕金插值方法处理形成趋势图,从而更能清楚表达三者(尤其是居民地)空间动态变化规律。从图3可看出,1954年～2000年的空间动态变化是1954年～1975年、1975年～1986年和1986年～2000年先后3个时间段的景观演变的累积效应。先后3个时间段的转换强度空间分布图清晰反映了居民地、耕地和湿地三类地物扩张(或退缩)的“演化轨迹”。以居民地扩张强度分布图为例,居民地扩张强度高值区在1954年～1975年主要分布在集贤、友谊和双鸭山相邻区,在1975年～1986年期间,高值区主要分布在宝清中西部,在1986年～2000年期间高值区主要分布在友谊与宝清相邻带,最终累积形成了1954年～2000年集贤至宝清的挠力河流域西部带的居民地扩张强度高值区。从动态变化强度角度分析,三者相互关系主要表现各等级强度区域形状和空间位置的相关度。在1954年～1975年居民地各等级扩张强度区形状位、位置与耕地的相似度最高,尤其是两者8、9级扩张强度高值区空间位置极其一致,主要位于集贤、双鸭山和友谊的交界处、宝清县中部、宝清东部、富锦县中部、富锦县北部4处,这4处构成了居民地和耕地近50年来主要扩张空间格局。在1975年～1986年、1986年～2000年和1954年～2000年间居民地的扩张强度高值区与耕地扩张强度高值区位置一致性降低。其原因是早期机械化耕作还不发达,耕地主要在居民地附近开垦且有很大部分居民地和耕地都同时在湿地等原始土地覆被类型上拓展;而后来居民地主要在早期的耕地上扩张,且伴随耕作机械化水平的提高,耕作半径大大提高了。对比居民地与湿地空间变化格局发现,除了在1954年～1975年期间两者变化的空间位置具有较大一致性外,后期两者之间变化位置有明显距离偏移,如在1975年～1986年期间,居民地扩张强度高值区与湿地退缩强度高值区几乎不重叠,然而两者各自构成强度变化空间格局则非常相似,如在集贤、友谊、双鸭山和七台河一带两者都出现右侧翻的“M”形低值变化强度区。耕地与湿地变化空间相关度最大,尤其是两者的变化强度最高值区空间位置一致性高,且形状相似。如1986年～2000年两者都在挠力河流域北部形成长轴东西向的椭圆形,值得注意的是,一般是耕地的扩张高值区大于湿地的退缩高值区,且湿地退缩高值区都是耕地扩张高值区。这充分说明了挠力河流域的开发主要以湿地的农用开发为主,同时也说明耕地扩张的格局既受到了居民地分布格局的影响,还受到原始自然景观(如湿地的空间分布)的影响。5景观格局变化耕地和湿地是挠力河流域景观的主要类型,是近50年挠力河流域景观变化的主要体现者;居民地是该流域分布最广泛的类型,是挠力河流域的景观变化主要驱动力—人为因素的主要体现者。本文通过对挠力河流域居民地、耕地和湿地之间近50年来动态变化关系研究发现有如下规律:(1)挠力河流流域是一个典型的垦开发区,近50来的景观变化主要是人类活动扰动形成的。居民地的扩张不但本身影响挠力河流域的景观变演变,还通过以居民地扩张为中心的农垦开发(耕地扩张)影响各类自然景观(包括湿地)的退化演变。(2)各期间由于人类生产能力不平不同,居民地对景观变化影响空间范围也有不同。在早期,主要是近距离居民地的各种自然景观退化,这时期居民地的变化空间格局与各自然景观变化的空间格局相关度最高;后期则主要是远距离居民地的自然景观发生变化,这时耕地开发的格局更多受到早期自然景观的格局影响,但