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    鄱陽湖濕地生態(tài)演變驅(qū)動力及數(shù)字濕地調(diào)控體系

    2013-11-30 05:00:04吳勰王振興周航宇
    中南大學學報(自然科學版) 2013年12期
    關(guān)鍵詞:鄱陽湖分類

    吳勰,王振興,周航宇

    (1. 江西省水利規(guī)劃設(shè)計院,江西 南昌,330029;2. 環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所,廣東 廣州,510655)

    濕地在近代史上遭受人類活動破壞最嚴重,是繼其他生態(tài)系統(tǒng)之后人類重視最晚的一種資源[1]。濕地作為自然界最富生物多樣性和生態(tài)功能最高的生態(tài)系統(tǒng),具有抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、蓄洪防旱、降解污染、調(diào)節(jié)氣候、維護生物多樣性等功能,被譽為“地球之腎”。濕地科學已成為21世紀科學研究的重點學科和優(yōu)勢領(lǐng)域[2?3]。近年來,數(shù)字濕地作為國際濕地學前沿領(lǐng)域的熱點受到廣泛關(guān)注[3?4]。在知識經(jīng)濟框架體系下,對自然資源的高層次有效管理、合理開發(fā)利用以及區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展模式的科學設(shè)計與實施等都要依賴于特定資源、特定區(qū)域的數(shù)字化建設(shè)[5]。我國濕地退化問題嚴重,現(xiàn)有研究主要集中于湖泊和沿海灘涂的管理[6],對退化濕地的科學管理與恢復重建研究開展較晚,亟待強化高新技術(shù)的組合應用,深入剖析不同地區(qū)和類型濕地系統(tǒng)的演化機制,明確濕地退化的原因、規(guī)律、機理,探索濕地的資源管理、保護與合理開發(fā)利用[7],其關(guān)鍵是濕地資源管理與開發(fā)利用的信息化,其核心是建設(shè)數(shù)字濕地,推動濕地科學由定性科學向定量科學的轉(zhuǎn)化[8?9]。鄱陽湖濕地是亞洲最大濕地和世界六大濕地之一,對維系長江中下游防洪安全和水文循環(huán)作用巨大[10]。長期以來,鄱陽湖濕地發(fā)生了顯著的不合理演變:濕地面積銳減,土壤逐漸沙化,調(diào)蓄功能下降;資源過度開發(fā),生物多樣性減少,生態(tài)功能衰退,污染日益嚴重[11]。因此,有必要準確掌握鄱陽湖濕地的分布和動態(tài)變化規(guī)律,剖析濕地結(jié)構(gòu)與功能演變的關(guān)鍵驅(qū)動因素,為鄱陽湖濕地的恢復與保護提供理論基礎(chǔ);構(gòu)建促進濕地資源優(yōu)化配置與高效管理的數(shù)字濕地調(diào)控體系,為濕地開發(fā)、利用、保護、恢復與可持續(xù)發(fā)展提供科學的決策支持。

    1 研究方法

    1.1 區(qū)域概況

    鄱陽湖濕地位于長江中下游的江西省,地處亞熱帶濕潤季風區(qū)(見圖1),年平均氣溫為16.5~17.8 ℃,年平均無霜期為273 d,年平均日照約為1 970 h,年輻射總量約為 4 500×106J/m2,水系流域面積約為16.22萬km2,約占江西省國土面積的97%。鄱陽湖濕地植被包括湖灘草洲的濕生植被、淺水洼地的沼生植被以及分布于水體中的水生植被;動物資源以鳥類最為突出,共有鳥類 310種。鄱陽湖濕地承擔著調(diào)洪蓄水、調(diào)節(jié)氣候、降解污染等多種生態(tài)功能,是世界自然基金會劃定的全球重要生態(tài)區(qū)之一,在保障中國的生態(tài)安全與糧食安全方面占據(jù)重要的戰(zhàn)略地位。

    圖1 鄱陽湖地理位置Fig. 1 Location of Poyang Lake area

    1.2 遙感解譯與濕地生態(tài)演變關(guān)聯(lián)性分析

    1.2.1 遙感監(jiān)測與解譯方法

    自1976—2009年,對鄱陽湖濕地不同季節(jié)、不同水位、典型枯豐水期的變化情況進行遙感動態(tài)監(jiān)測(表1),通過現(xiàn)場勘測結(jié)果(圖2)和遙感解譯對濕地遙感影像進行多時相數(shù)據(jù)糾正、投影變換、圖像增強、標志建立、濕地分類和統(tǒng)計分析等處理。

    在借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,通過對研究區(qū) MSS和TM遙感影像反復試驗,首先對遙感影像數(shù)據(jù)進行非監(jiān)督分類,通過人工解譯確定其類別屬性;然后,將人工解譯后的非監(jiān)督分類的分類屬性經(jīng)過光譜聚類處理轉(zhuǎn)化成適用于監(jiān)督分類的分類模板文件;再執(zhí)行監(jiān)督分類的作業(yè)方法能夠提高計算機自動分類的精度。非監(jiān)督分類的初始分類數(shù)應盡可能多,若太少,則光譜特性相近的地物出現(xiàn)混淆的現(xiàn)象非常突出,致使分類精度很低,但初始分類數(shù)也不宜過多,否則,計算機的運算量較大,而且最終的分類精度也沒有較大提高。濕地分類具體參數(shù)為:(1) 選擇60(個別為40)為非監(jiān)督分類的初始分類數(shù),最大循環(huán)數(shù)和循環(huán)收斂閾值分別為24和0.95;(2) 對各類別作專題判別、色彩確定和分類合并,形成分類模板;(3) 將模板中的60類濕地類型(個別40類) 通過監(jiān)督分類進行聚類、鄰近度分析與合并等操作??傮w技術(shù)路線如圖3所示。

    圖2 基礎(chǔ)地理測量D級GPS控制網(wǎng)(1:240 000)Fig. 2 D-level GPS control network (1: 240 000)

    1.2.2 遙感數(shù)據(jù)與濕地生態(tài)演變因子關(guān)聯(lián)性

    基于遙感影像數(shù)據(jù),提取鄱陽湖不同時期不同濕地類型(湖泊、河流、灘地、沼澤)的面積、水位、空間分布和結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合各歷史時期的政策文件、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測與生態(tài)統(tǒng)計等資料,詳細分析鄱陽湖不同時期的各濕地類型形態(tài)特征和生態(tài)環(huán)境演變趨勢,對比印證遙感數(shù)據(jù)變化與生態(tài)演變因子的作用關(guān)系,據(jù)此歸納鄱陽湖濕地生態(tài)環(huán)境演變的驅(qū)動因素。

    表1 遙感動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容Table 1 Dynamic monitoring content

    1.3 空間分析與輔助決策技術(shù)

    數(shù)字濕地的空間分析與輔助決策技術(shù)的核心是GIS 技術(shù)。GIS 技術(shù)以其自身所具有的海量空間數(shù)據(jù)庫、空間分析及輔助決策支持與網(wǎng)絡(luò)訪問等功能,實現(xiàn)深入分析濕地空間關(guān)系、動態(tài)模擬濕地演化過程、準確評估生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值。數(shù)字濕地的決策支持系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、知識庫等以及人機交互進行多模型的有機組合、輔助決策,實現(xiàn)科學決策的綜合集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)與一般的決策支持系統(tǒng)不同,可支持復雜的、半結(jié)構(gòu)化或結(jié)構(gòu)化的空間問題并對此求解[7]。

    圖3 濕地遙感解譯分類技術(shù)路線Fig. 3 Technical route of interpretation and classification

    2 結(jié)果與討論

    2.1 鄱陽湖濕地歷史演變分析

    根據(jù)湖盆地質(zhì)、地貌和歷史演變情況,以永修縣松門山為界,可將鄱陽湖分為北鄱陽湖和南鄱陽湖 2部分,其中北鄱陽湖形成于更新世后期,南鄱陽湖形成于南朝時期[12?13]。新構(gòu)造運動產(chǎn)生的強烈下沉趨勢是鄱陽湖形成的地質(zhì)學基礎(chǔ),而其演變則主要為水域的發(fā)育過程,主導因素為上、中游“五河”來水與下泄長江的水量吞吐平衡中使積水成湖或水落灘出[12]。在更新世后期,長江九江河段主泓自故道南移今道,古彭蠡澤的江北部分來水減少而日趨萎縮;與此相反,江南部分則因上游水源豐盛,下游受長江主溉的頂托和洪流倒灌,加之氣候轉(zhuǎn)暖和繼續(xù)陸沉,促使原來廣闊的平原逐漸沼澤化因而不斷擴大,最后發(fā)展成今日的鄱陽湖。

    2.2 濕地遙感解譯精度校驗

    目前,遙感影像專題分類后進行評價精度的因子有混淆矩陣、總體分類精度、Kappa系數(shù)、錯分誤差、漏分誤差、每一類的制圖精度和用戶精度。本研究的分類精度采用混淆矩陣來評價,再依混淆矩陣計算出總精度和Kappa系數(shù),以這2個因子來衡量分類精度。本次分類精度評價分析是利用 ERDAS的 Accuracy Assessment工具,其中Number of Points 輸入300,Distribution Parameters選擇stratified Random(即指點數(shù)與類別涉及的像元數(shù)成比例)。按照上述分類步驟可以計算出總分類精度為90.12%,Kappa系數(shù)為0.872 1。由此可知:先進行非監(jiān)督分類,再利用非監(jiān)督分類后圖像進行類型合并歸納,并生成分類模板進行監(jiān)督分類,可較好地提高分類精度,最終結(jié)果表明本次分類方法是可行的。

    2.3 濕地生態(tài)環(huán)境演變驅(qū)動因素分析

    2.3.1 宏觀政策引導

    政策引導是鄱陽湖濕地演變的重要原因。東漢時期,鄱陽湖區(qū)就已設(shè)施江堤,至明、清時,濕地圍墾進入盛期;建國后,特別是1958—1976年間,受“以糧為綱”思想指導,濕地圍墾達到高潮,水域面積銳減。1927—1988年的60年間,鄱陽湖濕地平均每年減少5.3 km2,總面積減少318 km2。至1976年濕地水域僅1 525.8 km2;1976—1988年間,洲灘仍被不斷開墾利用, 濕地面積的快速減少導致調(diào)蓄能力降低,泥沙淤積,水位升高(圖4)。

    圖4 不同時期濕地變化圖Fig. 4 Wetland changes in different years

    自20 世紀 80 年代開始, 濕地破壞導致的嚴重后果受到關(guān)注與重視,但相關(guān)法規(guī)仍不健全。20世紀90年代,國家逐步把生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護當作基本國策,把濕地生態(tài)系統(tǒng)保護和修復寫入“中國21世紀議程”,并提出了“封山植樹,退耕還林;平垸行洪,退田還湖;以工貸賑,移民建鎮(zhèn);加固干堤,疏浚河湖”的濕地恢復工程,使森林覆蓋率逐漸上升,水土流失面積開始下降,洲灘面積稍有上升,濕地環(huán)境得到改善,至2000年,沙地、灘地、草洲和水域面積分別為46.5,364.2,845.2和2 010.8 km2。至2000年,濕地水域面積提高到2 010.8 km2(圖5),至2004年底,恢復工程共平退圩堤418座,總面積為1 180 km2[14]。2009年國務院批復《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》,將鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)建設(shè)納入國家戰(zhàn)略,為鄱陽湖濕地的恢復與保護帶來契機。

    2.3.2 人地矛盾

    人類活動對鄱陽湖的影響主要體現(xiàn)在城鎮(zhèn)化發(fā)展、開礦修路、水利工程建設(shè)、湖區(qū)圍墾、陡坡墾植、毀林開荒、粗放耕作等所導致的對湖泊水位、泥沙量、面積、容積的改變繼而引起水土流失、洪澇災害等。1985—2005年鄱陽湖濕地人口增長 23.90%,而濕地減少2.02%(表 2)。

    近50年來水土流失呈加劇趨勢,自 20世紀80年代后,對植被的破壞由過去的亂砍濫伐和陡坡開墾逐步演變成開礦、采石、修路、城鎮(zhèn)建設(shè)等,湖區(qū)目前水土流失面積已超過 1/5[15]。此外,由于農(nóng)藥化肥用量增加、工業(yè)“三廢”排放有增無減等,導致濕地農(nóng)田土壤污染嚴重,土壤肥力不斷下降。耕作層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)已由20世紀50年代的3%以上,下降到目前的1.5%~2.0%。同時,近年來濕地水 質(zhì)亦呈下降趨勢。1985—1990年,鄱陽湖I、11類水總體占85%左右[16],而到2001年,I類不再存在,III類占29%;至2009年,III類占67.8%,劣III類占32.2%,富營養(yǎng)化評價值亦由1985年的36上升至2009年的46[17]。

    表2 1985—2005年鄱陽湖濕地人口和經(jīng)濟變化統(tǒng)計Table 2 Changes of population and economy of Poyang Lake wetlands from 1985 to 2005

    水情加劇和水質(zhì)惡化導致生物覓食棲息場所破壞,魚類洄游通道阻塞,生物量逐年下降,生物種群結(jié)構(gòu)破壞,植被演替改變,濕地生態(tài)功能退化等(表3)[14]。以保存較好的蚌湖為例,1965—1994年的 30年間,洲灘苔草群落生物量由2 500 g/m2銳減為1 717 g/m2,下降32%。另外,濕地底棲動物數(shù)量、種類不斷減少;蝦、蟹類產(chǎn)量下降,華南虎等國家重點保護動物己經(jīng)滅絕,而河麂、白鰭豚、水獺、長江鱘魚、鰣魚、銀魚等亦瀕臨消亡[18],近年鄱陽湖濕地的漁獲量比20世紀中期減少將近1/3[19]。

    2.3.3 自然因素

    濕地屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),每年4—6月份單次暴雨有時可達300 mm以上,加之針葉林面積達76.6%,且以杉木、松樹為主,其土壤酸化作用抑制林下灌、草生長,難以形成喬、灌、草立體分層的植被條件,無法起到良好的水土保持效果[20],致使鄱陽湖流域水土流失面積約 21%,年均泥沙淤積量高達1 200萬t[16]。泥沙淤積使湖面自20世紀50年代初的5 000多km2縮小到現(xiàn)在的3 000多km2,容積也由317億m3縮小到260億m3;大量泥沙覆蓋原有濕地改變生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu),濕地物種資源及其質(zhì)量明顯退化,土地沙地面積在2008年達3萬km2。1985—2005年鄱陽湖濕地類型面積變化情況見表3。

    鄱陽湖濕地自身的水土流失,以及上游洞庭湖等湖泊面積和容積的銳減,長江北岸“云夢澤”的逐漸淤積和荊江大堤的修筑,導致長江兩岸“南北分流”格局不復存在,洪水沖向南岸,加大鄱陽湖分蓄長江洪水的壓力[21],加劇本己頻發(fā)的洪澇災害。1951—2000年的50年間,鄱陽湖濕地有24年發(fā)生較嚴重洪澇災害,而1401—2000年的600年間發(fā)生較大洪澇災害的概率僅為34%[18]。1998年鄱陽湖持續(xù)2個多月在警戒水位以上,導致湖區(qū)直接經(jīng)濟損失達380億元。2010年,湖區(qū)洪水量級大于1998年,造成近50萬群眾受災。此外,2007和2010年均出現(xiàn)主要江河湖泊水位突破歷史最低水位的嚴重旱情。洪澇災害致使?jié)竦孛娣e急劇減少(表4),湖灘變硬,土壤沙化,植被枯死,生態(tài)功能退化。

    2.3.4 社會經(jīng)濟因素

    發(fā)展中國家導致濕地喪失的許多因素都與經(jīng)濟結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3?4]。與1985年相比,2005年濕地區(qū)域人口城鎮(zhèn)化水平增長 3.43%,生產(chǎn)總值和農(nóng)村居民人均年純收入分別增長18.0倍和7.5倍,工業(yè)和城市的迅速發(fā)展加劇濕地的污染。另一方面,不合理的、落后的經(jīng)濟發(fā)展模式嚴重侵擾鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)。濕地上低效率的單一農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,高強度的河道挖沙、酷漁濫捕、湖區(qū)放牧、家禽放養(yǎng)等破壞性的資源低效開發(fā)和過度利用促使了濕地環(huán)境的演變。例如,自2000年以來,短期經(jīng)濟利益驅(qū)使下單一品種楊樹的大量種植導致鳥類急劇減少;2006年,到鄱陽湖濕地越冬棲息的候鳥已不到40萬只,與2005年同一時期相比銳減43.6%。

    表3 1985—2005年鄱陽湖濕地類型面積變化情況Table 3 Change situations of type and area in Poyang Lake wetland from 1985 to 2005

    圖5 數(shù)字濕地調(diào)控體系Fig. 5 Digital wetland reulation system

    表4 準極端水位條件的濕地各類型面積Table 4 Area changes of various wetland types in quasi extreme level conditions km2

    2.4 保護對策及數(shù)字濕地調(diào)控體系

    鑒于目前鄱陽湖濕地保護的嚴峻形勢,構(gòu)建數(shù)字濕地調(diào)控體系以協(xié)調(diào)濕地系統(tǒng)與長江流域其它生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系,理順濕地系統(tǒng)內(nèi)部各個子系統(tǒng)之間的“山?河?湖”與“人?地?水”等關(guān)系,改善濕地社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間的關(guān)系,積極應用現(xiàn)代濕地管理的思想和成功經(jīng)驗,其調(diào)控體系如圖5所示。

    基于以上數(shù)字濕地體系,運用濕地科學、地球科學、環(huán)境科學、信息科學、系統(tǒng)科學、控制論、優(yōu)化決策論等理論與方法,建立集知識、模型和決策為一體的鄱陽湖數(shù)字濕地調(diào)控系統(tǒng),促進濕地系統(tǒng)各種信息、資源和數(shù)據(jù)的綜合處理與全面研究,為濕地資源空間優(yōu)化配置、時間合理利用、宏觀發(fā)展規(guī)劃、全局整體保護、避免浪費與功能重置,實現(xiàn)濕地可持續(xù)發(fā)展提供科學決策的現(xiàn)代化工具。

    3 結(jié)論

    (1) 基于遙感解譯與濕地生態(tài)環(huán)境變化數(shù)據(jù),系統(tǒng)分析鄱陽湖的形成和歷史演變過程,其演變從長時間尺度應歸根于自然、社會、經(jīng)濟、政策等因素共同作用的結(jié)果,其中地質(zhì)構(gòu)造、水文、氣候等自然因素起主要作用;短時間尺度而言,人類的社會經(jīng)濟活動引起自然環(huán)境的破壞和生態(tài)規(guī)律的波動更為重要。

    (2) 鄱陽湖濕地主要存在如下生態(tài)環(huán)境問題:土地逐漸沙化,水土流失嚴重、旱澇趨于頻發(fā),水體污染加劇,生物資源銳減,濕地退化嚴重,其中水土流失和資源銳減是核心問題。

    (3) 基于現(xiàn)代濕地管理模式和調(diào)控體系原理分析,鄱陽湖濕地保護應協(xié)調(diào)濕地系統(tǒng)與長江流域其它生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系、濕地系統(tǒng)內(nèi)部各個子系統(tǒng)之間關(guān)系、濕地社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間的關(guān)系。

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