鄧 帆，王學雷，厲恩華，蔡曉斌，黃進良，胡硯霞，姜劉志

(1:中國科學院測量與地球物理研究所，武漢430074)

(2:中國科學院研究生院，北京100049)

1993-2010年洞庭湖濕地動態(tài)變化*

鄧 帆1，2，王學雷1＊＊，厲恩華1，蔡曉斌1，黃進良1，胡硯霞1，2，姜劉志1，2

(1:中國科學院測量與地球物理研究所，武漢430074)

(2:中國科學院研究生院，北京100049)

利用不同時相遙感影像，結(jié)合實地調(diào)查，采用決策樹分類方法提取洞庭湖濕地信息，完成洞庭湖四期濕地類型分布圖;同時分析洞庭湖濕地植被群落動態(tài)變化特征、驅(qū)動因素以及濕地變化的影響.結(jié)果表明，17 a來洞庭湖灘地植被分布和面積發(fā)生了明顯變化，林灘地面積凈增367.88 km2，變化比例為1127.51%，分布范圍向洲灘主體擴展，成為主要灘地類型;蘆葦灘地面積減少44.09 km2，草灘地面積增加2.99 km2，變化比例分別為－5.80%和0.40%.洞庭湖濕地的變化一方面受洞庭湖泥沙淤積和灘地植被演替的影響，另一方面也受到人類活動干擾的影響.天然濕地植被的破壞，特別是人工種植蘆葦和灘地造林在一定程度上改變了洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)原有的結(jié)構(gòu)和功能.為有效保護洞庭湖濕地，要合理開發(fā)洲灘資源，保護天然濕地植被，合理規(guī)劃和控制灘地造林.

遙感;濕地變化;驅(qū)動因素;洞庭湖;決策樹分類方法

洞庭湖是中國第二大淡水湖，是長江重要的調(diào)蓄湖泊，具有重要的生態(tài)功能和經(jīng)濟價值.1994年，洞庭湖被國務院列為國家級自然保護區(qū)，1992年和2001年東洞庭湖濕地與西、南洞庭湖濕地被聯(lián)合國教科文組織列入《國際重要濕地名錄》.

伴隨著人類活動對洞庭湖生態(tài)環(huán)境影響日益擴大，洞庭湖開始面臨一系列生態(tài)環(huán)境問題，如洪澇災害加劇、生物多樣性降低、土壤潛育化、污染負荷增加、濕地資源衰退等已經(jīng)對經(jīng)濟和環(huán)境產(chǎn)生了不良影響［1］.濕地植被在濕地生態(tài)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，也是各種動物賴以生存的棲息和覓食地.然而，在濕地資源開發(fā)利用巨大的經(jīng)濟效益驅(qū)使下，濕地天然植被不可避免地遭受破壞［2］.開展洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測，獲取濕地植被群落分布、動態(tài)信息，分析人類活動對濕地的影響，對研究濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化、功能退化以及濕地保護、濕地資源合理開發(fā)利用都有重要意義.

衛(wèi)星遙感作為一種有效的監(jiān)測手段，在濕地監(jiān)測中廣泛應用.美國早在1970s就著手進行全國范圍內(nèi)的濕地調(diào)查與制圖工作(NWI)［3］.國內(nèi)利用遙感技術(shù)對洞庭湖進行濕地分類和植被監(jiān)測已經(jīng)開展了部分研究.1983年，邵家駒等在研究洞庭湖洲灘釘螺滋生環(huán)境時，就利用Landsat MSS數(shù)據(jù)進行了濕地分類的工作［4］.徐怡波等利用ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進行了洞庭湖植被分類研究［5］，總體精度達到87.59%.王紅娟等則利用Landsat ETM數(shù)據(jù)，采用決策樹分類方法，進行洞庭湖濕地分類的研究，取得了較好的分類效果［6］.黃進良用目視解譯和計算機分類兩種分類方法分別對洞庭湖和東洞庭湖1977-1991年多期影像進行了濕地分類和面積提?。?］.袁正科等于2004年利用3S技術(shù)對洞庭湖濕地植被進行調(diào)查并繪制了植被類型分布圖，并結(jié)合邵家駒等1983年的分類結(jié)果分析了洞庭湖濕地植被景觀動態(tài)變化特征及其對生物多樣性的影響［8］.盡管此前的研究取得了一些成果，但對于洞庭湖濕地及植被動態(tài)的監(jiān)測研究并不充分，洞庭湖濕地也處在不斷的演變發(fā)展過程中，因此有必要進行持續(xù)的監(jiān)測和研究.本文利用四期遙感影像分析1993年以來洞庭湖濕地及植被動態(tài)，以期對洞庭湖植被群落分布現(xiàn)狀及動態(tài)變化過程有一個全面的掌握.

1 研究區(qū)概況

洞庭湖(28°44'～29°35'N，111°53'～113°05'E)位于中國湖南省境內(nèi)，長江中游荊江南岸，北連長江，南承湘、資、沅、澧四水而吞吐長江，是兼具蓄、泄功能的過水性洪道型湖泊.洞庭湖水位波動較大，呈現(xiàn)“水漲為湖，水落為洲”的動態(tài)景觀，洲灘面積廣闊.

洲灘濕地是洞庭湖濕地中的一個重要濕地類型，由于季節(jié)性淹水的作用，發(fā)育出豐富的濕地植被資源.野外實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，洞庭湖濕地植被群落類型主要有旱柳(Salix matsudana)、意楊(Populus euramevicana cv)、南荻(Miscanthus sacchariflorus)、蘆葦(Phragmites communis)、苔草(Carex brevicuspis)、虉草(Phalaris arundinacea)、蔞蒿(Artemisia selengensis)、蓼(Polygonum hydropiper)等.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

由于洞庭湖是洪道型湖泊，水位季節(jié)性差異很大，不同季節(jié)各濕地類型的面積也隨之變化.在洪水期，洞庭湖洲灘大部分被水淹沒;在平水期，地勢較低的泥灘地和草灘地被水淹沒，蘆葦灘地和林灘地全部露出水面;在枯水期，各濕地類型全都露出水面，大片泥灘地也露出水面.因此，選擇枯水期影像進行濕地類型的分類，其他時相數(shù)據(jù)做輔助之用.

研究選用1993年和2006年的TM數(shù)據(jù)，2002年的ETM+數(shù)據(jù)和2010年的HJ-1A/1B數(shù)據(jù)，盡量獲取每年3期(枯水期、平水期、豐水期)數(shù)據(jù).其中枯水期數(shù)據(jù)獲取日期為:1993年12月6日、12月31日，1994年1月23日，2002年1月5日、12月29日，2006年9月21日、11月1日;2011年1月2日、4月27日.Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)軌道號為12340、12439和12440，來源于美國地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀測中心(EROS)，HJ-1數(shù)據(jù)來自中國資源衛(wèi)星應用中心.

2.2 濕地分類系統(tǒng)

濕地分類系統(tǒng)的制定是濕地動態(tài)變化監(jiān)測研究的基礎，根據(jù)研究目的、尺度和方法的不同，分類系統(tǒng)有所差異.《濕地公約》將濕地類型劃分為3大類、32小類，根據(jù)其劃分，洞庭湖濕地包含永久性內(nèi)陸三角洲濕地、永久性河流濕地、時令湖濕地、泛濫地濕地、灌叢濕地和淡水森林沼澤濕地等濕地類型.本研究著重利用遙感手段監(jiān)測洲灘主要植被群落的動態(tài)，因此根據(jù)洞庭湖洲灘植被以及遙感數(shù)據(jù)的特點制定濕地分類系統(tǒng).

根據(jù)灘地植被優(yōu)勢種群，結(jié)合實地調(diào)查的洞庭湖濕地植被情況和選用的遙感數(shù)據(jù)的特點，將濕地劃分為林灘地、蘆葦灘地、草灘地、泥灘地、湖草和水體6種類型.其中林灘地包括意楊、旱柳、防護林灘地和蘆林間種灘地;蘆葦灘地包括蘆葦和南荻灘地;草灘地包括苔草、虉草、蔞蒿、蓼等為優(yōu)勢種群的灘地;湖草包括眼子菜、黑藻、菹草等;泥沙灘地為無明顯植被生長的灘地.

2.3 遙感解譯和分類

在遙感影像的分類中，根據(jù)植被群落以及泥灘、水體等地物的光譜特征及其在不同時相影像上的光譜差異提取分類規(guī)則，進行決策樹分類.通過實地調(diào)查采樣，得到各典型地物枯水期和平水期光譜曲線.分析各典型地類樣本的光譜曲線，得出以下光譜特征:(1)枯水期，在TM5波段，蘆葦與其他類型植被光譜差異較大，其走勢為TM2波段上升到TM3波段，然后在TM4波段下降到一個低谷，在TM5波段達到一個高值.(2)平水期，在TM4波段，虉草反射值達到高點，其光譜走勢與苔草相似，但TM4與TM3差值的差異明顯.(3)平水期或枯水期，在TM5波段，湖草和水體的反射值與其他各植被類型差異明顯.(4)在枯水期NDVI影像上，水和泥灘與其他各植被類型NDVI值差異明顯.

根據(jù)以上特征，在ENVI/DESITION TREE模塊中構(gòu)建決策樹進行濕地分類.計算機自動分類，不可避免地存在一些誤分現(xiàn)象.分類后，將柵格分類圖像轉(zhuǎn)成矢量文件，進行人工修改.

3 結(jié)果與分析

依據(jù)以上分析和分類方法，提取洞庭湖濕地信息，制作專題地圖并進行疊置統(tǒng)計分析.1993、2002、2006和2010年洞庭湖濕地分類結(jié)果見圖1.

圖1 洞庭湖濕地分類圖Fig.1 Wetland classification maps of Lake Dongting

3.1 洞庭湖濕地類型分布

草灘濕地主要分布在河道兩側(cè)和湖體周邊的低位洲灘，通常位于蘆葦灘地下部.蘆葦灘地占據(jù)洲灘主體部分，在北洲、團洲、武光洲、柴下洲、橫嶺湖、萬子湖北部洲灘、澧水洪道灘地和目平湖洲灘都有大片分布.林灘地除了沿大堤呈條帶狀分布的防護林外，其集中分布在漉湖周邊、資江三角洲、湘江三角洲、南洞庭湖西部洲灘和目平湖洲灘.造成這種濕地類型分布特征的原因有兩個方面，一是灘地植被演替的過程，二是人為干擾的作用.洲灘植被群落的演替過程受洲灘抬高以及泥沙淤積速度的控制［7］.從低位灘到高位灘分布著不同生態(tài)型的植被，根據(jù)泥沙淤積的速度，其演替過程又存在一定的差異.在西洞庭湖，由于大面積的灘地造林，林地面積比例較高.

3.2 濕地動態(tài)變化分析

1993-2010年，草灘地面積增加了2.99 km2，蘆葦灘地面積減少了44.09 km2，林灘地面積增加了367.88 km2，其變化比例分別為0.40%、－5.80%和1127.51%.各濕地類型變化轉(zhuǎn)移矩陣見表1.

由于洞庭湖濕地蘆葦經(jīng)營歷史較長，蘆葦灘地面積較穩(wěn)定，17a凈減少44.09 km2.1993-2002年期間面積增加14.03 km2.2002-2010年，蘆葦灘地面積有所下降，減少58.12 km2.草灘地面積波動較大，1993-2002年凈增加 140.77 km2，2002-2006 年凈減少 288.26 km2，2006-2010 年凈增加 150.49 km2.1993-2002 年期間，草灘地向其它濕地類型轉(zhuǎn)移的面積為249.46 km2，新增加草灘地389.73 km2.45%的新增草灘地來源于泥灘地，39%來源于蘆葦灘地，15%來源于水體.2002-2010年期間，草灘地向其它濕地類型轉(zhuǎn)移的面積為376.50 km2，新增草灘地面積為238.82 km2，草灘地面積凈減少137.69 km2.在新增的草灘地中，44.20%來源于泥灘地，31.45%來源于蘆葦灘地.

表1 1993-2002年和2002-2010年洞庭湖濕地變化轉(zhuǎn)移矩陣(km2)Tab.1 Transition matrix of Lake Dongting wetland change from 1993 to 2002 and from 2002 to 2010

洞庭湖洲灘最顯著的變化就是林灘地面積的快速增加.在整個洞庭湖，林灘地面積比例由1993年的1.17%上升到2010年的14.34%.林灘地面積增加最快的區(qū)域為西洞庭湖，面積比例由1993年的1.09%上升到2010年的26.47%，平均每年增加21.64 km2.在東洞庭湖和南洞庭湖林灘地面積也快速增加.1993-2002年林灘地向其它濕地類型轉(zhuǎn)移的面積為13.28 km2，新增加林灘地面積120.44 km2，凈增107.16 km2.在新增加的林灘地中，36.35%來自湖草灘地，23.45%來自蘆葦灘地.2002-2010年林灘地向其它濕地類型轉(zhuǎn)移的面積為63.74 km2，新增林灘地面積為 323.82 km2，凈增 260.08 km2.在新增的林灘地中，51.12%來自于湖草灘地，40.50%來自于蘆葦灘地.

隨著各濕地類型面積的改變，洞庭湖洲灘植被分布格局也發(fā)生改變.1993年，林灘地主要沿大堤呈條帶狀分布，此后隨著灘地造林的興起，林灘地分布范圍不斷擴大.2010年，在東洞庭湖漉湖周邊、南洞庭湖資江三角洲、湘江三角洲、南洞庭湖西部洲灘以及西洞庭湖目平湖洲灘呈塊狀大片分布.特別在西洞庭湖，林灘地已取代草灘地成為第二大濕地類型，面積比例已大大高于草灘地.

3.3 濕地變化的驅(qū)動因素

洞庭湖各類型濕地面積的變化一方面受到洞庭湖泥沙淤積和灘地植被演替的影響，另一方面也受到人類活動的極大影響.

洞庭湖是季節(jié)性吞吐型湖泊，自身發(fā)展受四口、四水水沙條件制約.由于泥沙淤積，洞庭湖洲灘不斷擴大.如今西洞庭目平湖在枯水期僅剩一條狹窄的河道，七里湖已經(jīng)完全消失.根據(jù)泥沙沉積方式(河相沉積、湖相沉積與河湖相沉積，主要影響洲灘的抬高速度)的不同，洞庭湖植被演替軌跡有所不同［9］.河相沉積和河湖相沉積區(qū)域植被演替以水生植被為起點，湖相沉積區(qū)域以沼生植物為演替起點.隨著湖床的抬高形成洲灘，水生植被向濕生的沼澤植被(主要為莎草科和禾本科)演替.隨著泥沙的進一步淤積和洲灘的繼續(xù)抬高，出現(xiàn)蘆葦和南荻群落.整個灘地植被演替過程為:泥沙灘地→苔草灘地→蘆葦(南荻)灘地→闊葉林灘地.1993-2002年，有145.31 km2的水體轉(zhuǎn)變成泥灘地，175.76 km2泥灘地轉(zhuǎn)變成草灘地，占轉(zhuǎn)出泥灘地的61.18%.期間，轉(zhuǎn)出的草灘地面積為249.46 km2，其中67.17%轉(zhuǎn)成蘆葦灘地.2002-2010 年，有47.85 km2的水體轉(zhuǎn)變成泥灘地，105.56 km2泥灘地轉(zhuǎn)變成草灘地，占轉(zhuǎn)出泥灘地的49.44%.期間，轉(zhuǎn)出的草灘地面積為376.5 km2，其中35.78%轉(zhuǎn)變成蘆葦灘地，另有43.97%轉(zhuǎn)變成林灘地(表1).

人類活動的影響主要表現(xiàn)在圍湖墾殖、人工種植蘆葦和灘地造林.自1980s國家水利部下令停止圍墾，和1998年國家實行“退田還湖”政策后，圍墾現(xiàn)象大為減少.1970s后，洞庭湖區(qū)開始引種楊樹，并且從垸內(nèi)發(fā)展到垸外灘地，從零星種植發(fā)展到成片造林，至今仍在快速發(fā)展.楊樹面積的迅速擴張與洞庭湖區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān)，2007年楊樹林工業(yè)年產(chǎn)值占區(qū)域林業(yè)工業(yè)產(chǎn)值的85.0%，占區(qū)域工業(yè)總產(chǎn)值的2%，楊樹產(chǎn)業(yè)已成為當?shù)亟?jīng)濟重要組成部分［10］.人工種植蘆葦和灘地造林成為現(xiàn)階段洞庭湖濕地變化中最重要的人類活動因素.

3.4 湖區(qū)灘地造林對濕地生態(tài)的影響

自1970s洞庭湖區(qū)引入意楊以來，意楊種植已經(jīng)從最初的垸外零星種植，綠化造林發(fā)展為垸外湖洲灘地工業(yè)原料造林，種植規(guī)模不斷擴大.造林區(qū)域由西洞庭高位灘地逐漸向南洞庭、東洞庭擴展.大量的草灘地和蘆葦灘地轉(zhuǎn)成林地，大大超過了自然演替的速度，改變自然演替的過程，加速了洞庭湖洲灘植被向旱生植被發(fā)展的進程.

灘地造林雖然有助于當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，抑制釘螺繁殖，能夠起到防浪護堤的作用，但其作為外來物種，大量侵占天然濕地植被也給洞庭湖原有濕地生態(tài)系統(tǒng)帶來威脅和破壞，導致洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化.首先，楊樹的大量種植會導致洞庭湖濕地生物多樣性降低、景觀破碎化程度增加，斑塊類型、大小和形狀的變化都會對生物多樣性造成影響［8］.楊樹侵占原有天然植被，改變了原有天然種群的優(yōu)勢種和關(guān)鍵種，導致一些珍稀鳥類和水生生物的棲息地被破壞，并且楊樹的引入使得斑塊種群較為單一，從而引起生物多樣性單一.第二，楊樹的種植需要開挖排水和運輸溝渠，溝渠的引入切斷了濕地景觀的原有聯(lián)系，影響物種、營養(yǎng)和能量交換.第三，楊樹的種植還會導致地下水位的下降，使?jié)竦睾祷茐臐竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能.第四，濕地生態(tài)系統(tǒng)是重要的碳儲庫，濕地水分排干會導致溫室氣體排放增加［11］.

4 結(jié)論與討論

通過對四期遙感影像分類和實地調(diào)查，獲取洞庭湖1993-2010年四期濕地類型數(shù)據(jù)，對洞庭湖濕地動態(tài)變化進行了分析.17 a來，洞庭湖各濕地類型發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)在林灘地的迅速擴張和草灘地的減少，直接導致洞庭湖濕地洲灘植被分布格局的改變.在整個洞庭湖，林灘地有成為第二大灘地類型的趨勢.在西洞庭湖，林灘地已取代草灘地成為第二大灘地類型.不合理的洲灘開發(fā)改變和影響洞庭湖濕地植被分布和演替，特別是蘆葦種植和灘地造林在一定程度上改變了濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能.

同樣作為長江中下游重要通江湖泊的鄱陽湖面臨著同洞庭湖類似的問題.洲灘圍墾和開發(fā)使?jié)竦刂脖谎萏姘l(fā)生變化，導致鄱陽湖天然植被體系遭受破壞.由于濕地資源的不合理開發(fā)，引發(fā)氣候調(diào)節(jié)功能下降、調(diào)蓄功能減退、生物資源衰退等一系列生態(tài)環(huán)境問題［12-13］.

洞庭湖和鄱陽湖作為長江兩大重要調(diào)蓄湖泊，發(fā)揮著重要的生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)功能和效益，對于調(diào)蓄長江洪水更是發(fā)揮著不可替代的作用［14］.因此，為了有效保護兩大湖泊濕地，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)功能，必須合理地開發(fā)洲灘資源，保護天然濕地植被，合理規(guī)劃灘地利用模式，控制灘地造林規(guī)模.

［1］姜加虎，黃 群.洞庭湖區(qū)生態(tài)環(huán)境退化狀況及其原因分析.生態(tài)環(huán)境，2004，13(2):277-280.

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Dynamics of Lake Dongting wetland from 1993 to 2010

DENG Fan1，2，WANG Xuelei1，LI Enhua1，CAI Xiaobin1，HUANG Jinliang1，HU Yanxia1，2＆ JIANG Liuzhi1，2
(1:Institute of Geodesy and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430074，P.R.China)
(2:Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，P.R.China)

Using multi temporal satellite images of remote sensing，wetland information was extracted by decision tree classification method combined with field surveying and four Lake Dongting’s wetland type distribution maps were drawn out.This paper mainly analyzes the dynamic characteristics of wetland vegetation，driving factors and their influence on the wetland ecosystem in this region.Results show that vegetation community distribution and proportion changed obviously.In the past 17 a，forest area increased by 367.88 km2at a rate of 1127.51%.The forest area extended to main part of beaches and became the main vegetation type of Lake Dongting.Reed area decreased by 44.09 km2，while sedge land area increased by 2.99 km2，with change rate of－5.80%and 0.40%，respectively.This change resulted from both natural environment evolution and human activities.The destruction of natural wetland vegetation，especially planted reed and poplar，destroyed the structure and function of Lake Dongting wetland ecosystem.In order to protect the Lake Dongting wetland effectively，we must rationally exploit bottomland resource，protect natural wetland vegetation and make good management on shoal forestation.

Remote sensing;wetland change;driving factors;Lake Dongting;decision tree classification method

http://www.jlakes.org.E-mail:jlakes@niglas.ac.cn

?2012 by Journal of Lake Sciences

＊ 國家自然科學基金項目(41171426，40871251)、湖北省自然科學基金重點項目(2011CDA075)、中國氣象局氣候變化專項項目(CCSF201205)和中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX2-YW-141)聯(lián)合資助.2011-06-01收稿;2011-11-10收修改稿.鄧帆，男，1983年生，博士研究生;E-mail:aps_df@163.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:xlwang@whigg.ac.cn.