吳勰，王振興，周航宇

(1. 江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 南昌，330029；2. 環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)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(yán)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(hù)生物多樣性等功能，被譽(yù)為“地球之腎”。濕地科學(xué)已成為21世紀(jì)科學(xué)研究的重點(diǎn)學(xué)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(xué)前沿領(lǐng)域的熱點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[3?4]。在知識經(jīng)濟(jì)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(jì)社會發(fā)展模式的科學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)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(yán)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(xué)管理與恢復(fù)重建研究開展較晚，亟待強(qiáng)化高新技術(shù)的組合應(yīng)用，深入剖析不同地區(qū)和類型濕地系統(tǒng)的演化機(jī)制，明確濕地退化的原因、規(guī)律、機(jī)理，探索濕地的資源管理、保護(hù)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(xué)由定性科學(xué)向定量科學(xué)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(yán)重[11]。因此，有必要準(zhǔn)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(fù)與保護(hù)提供理論基礎(chǔ)；構(gòu)建促進(jìn)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(hù)、恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)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(fēng)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(dān)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(jìn)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(jìn)行多時(shí)相數(shù)據(jù)糾正、投影變換、圖像增強(qiáng)、標(biāo)志建立、濕地分類和統(tǒng)計(jì)分析等處理。

在借鑒前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對研究區(qū) MSS和TM遙感影像反復(fù)試驗(yàn)，首先對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)自動分類的精度。非監(jiān)督分類的初始分類數(shù)應(yīng)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(jì)算機(jī)的運(yùn)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(gè)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(gè)別40類) 通過監(jiān)督分類進(jìn)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(shí)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(shí)期的政策文件、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測與生態(tài)統(tǒng)計(jì)等資料，詳細(xì)分析鄱陽湖不同時(shí)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(shí)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(zhǔn)確評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)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(jī)交互進(jìn)行多模型的有機(jī)組合、輔助決策，實(shí)現(xiàn)科學(xué)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(fù)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(shí)期[12?13]。新構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的強(qiáng)烈下沉趨勢是鄱陽湖形成的地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，而其演變則主要為水域的發(fā)育過程，主導(dǎo)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(kuò)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(yàn)

目前，遙感影像專題分類后進(jìn)行評價(jià)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(jià)，再依混淆矩陣計(jì)算出總精度和Kappa系數(shù)，以這2個(gè)因子來衡量分類精度。本次分類精度評價(jià)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(diǎn)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(jì)算出總分類精度為90.12%，Kappa系數(shù)為0.872 1。由此可知：先進(jìn)行非監(jiān)督分類，再利用非監(jiān)督分類后圖像進(jìn)行類型合并歸納，并生成分類模板進(jìn)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(dǎo)

政策引導(dǎo)是鄱陽湖濕地演變的重要原因。東漢時(shí)期，鄱陽湖區(qū)就已設(shè)施江堤，至明、清時(shí)，濕地圍墾進(jìn)入盛期；建國后，特別是1958—1976年間，受“以糧為綱”思想指導(dǎo)，濕地圍墾達(dá)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(dǎo)致調(diào)蓄能力降低，泥沙淤積，水位升高(圖4)。

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

自20 世紀(jì) 80 年代開始， 濕地破壞導(dǎo)致的嚴(yán)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(jì)90年代，國家逐步把生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)當(dāng)作基本國策，把濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)寫入“中國21世紀(jì)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(fù)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(fù)工程共平退圩堤418座，總面積為1 180 km2[14]。2009年國務(wù)院批復(fù)《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》，將鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)納入國家戰(zhàn)略，為鄱陽湖濕地的恢復(fù)與保護(hù)帶來契機(jī)。

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(dǎo)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(zāi)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(jì)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(dǎo)致濕地農(nóng)田土壤污染嚴(yán)重，土壤肥力不斷下降。耕作層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)已由20世紀(jì)50年代的3%以上，下降到目前的1.5%～2.0%。同時(shí)，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(jià)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(jì)變化統(tǒng)計(jì)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(dǎo)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(diǎn)保護(hù)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(jì)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(fēng)氣候區(qū)，每年4—6月份單次暴雨有時(shí)可達(dá)300 mm以上，加之針葉林面積達(dá)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(dá)1 200萬t[16]。泥沙淤積使湖面自20世紀(jì)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(dá)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(dǎo)致長江兩岸“南北分流”格局不復(fù)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(zāi)害。1951—2000年的50年間，鄱陽湖濕地有24年發(fā)生較嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，而1401—2000年的600年間發(fā)生較大洪澇災(zāi)害的概率僅為34%[18]。1998年鄱陽湖持續(xù)2個(gè)多月在警戒水位以上，導(dǎo)致湖區(qū)直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)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(zāi)。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(yán)重旱情。洪澇災(zāi)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(jì)因素

發(fā)展中國家導(dǎo)致濕地喪失的許多因素都與經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展模式嚴(yán)重侵?jǐn)_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(qiáng)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(jì)利益驅(qū)使下單一品種楊樹的大量種植導(dǎo)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(shí)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(zhǔn)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(hù)對策及數(shù)字濕地調(diào)控體系

鑒于目前鄱陽湖濕地保護(hù)的嚴(yán)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(gè)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(jì)系統(tǒng)之間的關(guān)系，積極應(yīng)用現(xiàn)代濕地管理的思想和成功經(jīng)驗(yàn)，其調(diào)控體系如圖5所示。

基于以上數(shù)字濕地體系，運(yùn)用濕地科學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、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(jìn)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(shí)間合理利用、宏觀發(fā)展規(guī)劃、全局整體保護(hù)、避免浪費(fèi)與功能重置，實(shí)現(xiàn)濕地可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)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(shí)間尺度應(yīng)歸根于自然、社會、經(jīng)濟(jì)、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(shí)間尺度而言，人類的社會經(jīng)濟(jì)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(yán)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(yán)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(hù)應(yīng)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(gè)子系統(tǒng)之間關(guān)系、濕地社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的關(guān)系。

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