游宇馳,李志威,李希來

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114;2.青海大學省部共建三江源生態(tài)和高原農牧業(yè)國家重點實驗室,青海 西寧 810016)

高強度的人類活動和緩慢的氣候變暖,促使全球土地覆蓋發(fā)生顯著的變化,也間接影響水文過程、環(huán)境質量、生態(tài)系統(tǒng)等[1-2]。若爾蓋高原泥炭沼澤是中國最重要的高原濕地,是若爾蓋高原主要的土地覆蓋類型,具有極高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。濕地對區(qū)域的生物多樣性、水文循環(huán)、氣候變化、碳循環(huán)等方面具有重要的作用及意義[3-4],更關鍵的是直接影響著黃河上游水源涵養(yǎng)、生態(tài)建設以及區(qū)域社會經濟發(fā)展[5]。

近30年來若爾蓋高原泥炭沼澤已明顯萎縮且功能退化,地表水位下降,敏感且脆弱的濕地或草原正發(fā)生著局部沙漠化的現(xiàn)象[6-10]。據記載,若爾蓋濕地于20世紀50年代便開始開挖人工溝渠,70年代全面開展,2000年以后政府又實施生態(tài)環(huán)境保護政策,因此部分專家認為土地覆蓋的演變,特別是泥炭沼澤萎縮、草地退化主要受人類活動(挖溝排水、過度放牧)直接影響[7,10-11]。如今,氣候變化已成為全球性的趨勢,其對濕地生態(tài)環(huán)境的影響明顯,并影響濕地的水源與水量分配[12],從而進一步影響河流湖泊、沼澤分布以及植被生長。因此有學者研究認為氣候的暖干化趨勢與若爾蓋高原濕地生態(tài)存在緊密的關系[13]。隨著遙感技術的發(fā)展,遙感和GIS技術在濕地動態(tài)監(jiān)測研究中得到了廣泛應用[11,14-15]。對若爾蓋高原土地覆被變化,可利用遙感和GIS技術實現(xiàn)濕地信息特征提取與分類,進而研究其動態(tài)變化[9,16-18]。多種遙感圖像解譯的方法中,面向對象法因其分類單元為同質對象而非單個像素而優(yōu)于傳統(tǒng)解譯方法[19],因其包含的形狀、紋理、光譜等特征具有更豐富的語義信息而分類精度高,而免費的中低分辨率的Landsat數(shù)據使其應用最為普遍?？傮w而言,若爾蓋高原濕地面積減少并斑塊化、草地退化、荒漠化突顯已是共識[6-10,13],但是變化速率與幅度則因研究區(qū)范圍、影像精度和影像時間的不同而不同。

目前關于若爾蓋高原土地覆蓋變化,尤其是沼澤濕地的研究多從宏觀角度闡述其與人類活動、氣候變化、土地利用及土地覆蓋變化的關系,而較少考慮具體的人類活動(如人工挖溝)和降水量變化。若爾蓋高原土地覆蓋已受到一定程度的人為干擾和破壞,準確有效地了解土地覆蓋的現(xiàn)狀和動態(tài)變化對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、濕地生態(tài)保護與修復有著重要的意義。本文利用1990—2011年遙感影像(Landsat)分析土地覆蓋變化和人工河網分布情況,同時結合1967—2012年氣候要素數(shù)據,解釋土地覆蓋演變的氣候因素,并主要從泥炭沼澤人工溝渠的輸水模式切入以較深入地闡述泥炭沼澤變化原因。

1 研究區(qū)概況與研究數(shù)據

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋高原位于青藏高原東北部的黃河源區(qū)(圖1),主要包括四川省阿壩藏族羌族自治州的若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省的瑪曲縣等,面積22 716 km2。若爾蓋高原濕地是黃河上游重要的水源地,兩條支流黑河和白河每年補給黃河主干流水量約40億m3。本區(qū)濕潤寒冷,長冷短暖,年平均降水量560～860 mm,降水強度小,50%～80%的降水量集中在5—8月,年平均氣溫只有0.6～1.2℃,年平均相對濕度達到64%～73%,年蒸散發(fā)量1 260～1 290 mm[5]。這樣的氣候特點有利于沼澤的發(fā)育,特別是黑河中上游地區(qū),支流較少而閉流、伏流寬谷較多,地勢較平坦,多分布著高原沼澤土,沉積物細顆粒含量高,排水能力差而地表長時間積水,沼澤較多。白河支流少,河谷比降略大,沉積物顆粒粗,其排水狀況相比黑河流域要好,泥炭沼澤濕地分布因此也相對較少[5]。據統(tǒng)計資料,自建縣至2005年,紅原縣人口從500多人增長到3.9萬人,若爾蓋縣則從幾千人擴張到7萬多人。與此同時,人類活動越來越頻繁,自然資源消耗量增長,挖溝排水開辟草場,發(fā)展畜牧業(yè),加上林木砍伐導致若爾蓋縣森林占地面積在1975—2005年由16.7%減少到12.8%[20]。

圖1 若爾蓋高原地形

序列遙感影像來源遙感影像時間空間分辨率/m(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat51990?07?0830(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat51995?08?0430(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat72000?10?3130(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat52004?09?1630(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat52010?10?0630(131，36)(131，37)(131，38)(130，37)Landsat52011?10?0630

1.2 研究數(shù)據

1967—2012年的降水量和氣溫采用中國氣象網的中國地面氣象資料日數(shù)據集,選取瑪曲縣(56076)、若爾蓋縣(56079)和紅原縣(56173)的月降水和月氣溫資料統(tǒng)計分析。1990—2011年遙感影像采用地理空間數(shù)據云平臺(http://www.gscloud.cn)提供的Landsat TM數(shù)據,部分數(shù)據的時間、條帶號等信息如表1所示。由于若爾蓋高原大部分區(qū)域位于行列號為(131,37)的影像中,表1中遙感影像時間以該幅影像時間為主。由于研究區(qū)域較大,為保證數(shù)據質量,所下載數(shù)據的云量均保持在20%以下,基本為無云狀態(tài),部分數(shù)據選取同一季節(jié)或者相鄰年份相同時相的影像鑲嵌而成。

2 數(shù)據處理過程

遙感數(shù)據處理過程中主要利用ENVI 5.3軟件中的面向對象特征提取方法(feature extraction)得到土地覆蓋動態(tài)結果,其中主要有圖像分割合并和規(guī)則建立兩部分。圖像分割與合并過程是基于邊緣分割算法,圖像分割過程中同時考慮了影像的光譜特性、空間特性和形狀特性[21]。通過試錯法定性地對影像進行不同尺度的快速直接分割,獲得對地物具代表性的圖像對象,以提取出更多的分類輔助信息,繼而實現(xiàn)對地物的精確分類。分割時可通過預覽窗口查看分割效果,進行調整以得到合理的分割尺度參數(shù)。經過多次試驗,設置分割尺度參數(shù)為30～40,融合尺度參數(shù)為80～90。

區(qū)域土地覆蓋類型主要是草地和泥炭沼澤,光譜特征明顯,表面紋理差異大,地勢分布不同?？紤]地區(qū)特點及研究內容,綜合遙感圖像的光譜特征和形狀特征,輔助DEM數(shù)據,設定分割規(guī)則中的閾值范圍,將土地覆蓋類型分為泥炭沼澤濕地、水體、林地、草地、荒漠、建設用地進行提取，其中草地分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地。同時,運用Google Earth遙感影像和假彩色波段融合進行對比,對規(guī)則集的閾值不斷修正,結合人工目視解譯以滿足研究的分類精度要求。植被覆蓋度fc(fractional vegetation cover)是地表植被的空間分布特征參數(shù)及反映生態(tài)環(huán)境的要素,基于NDVI利用像元二分模型估算[22]。為了驗證遙感解譯的精度,在研究區(qū)范圍內隨機生成驗證點99個,利用Google Earth獲取驗證點的實際地物類型,以對分類精度進行評估,結果顯示1990—2011年總體精度在83.7%～86.5%。

3 研究結果

3.1 氣象要素變化趨勢

采用趨勢線法分析1967—2012年若爾蓋、瑪曲和紅原3個站點的降水量變化趨勢。根據氣象日數(shù)據資料整理得到線性趨勢,若爾蓋高原年降水量呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(圖2(a)),平均減小速率為0.40 mm/a，具體表現(xiàn)為若爾蓋0.33 mm/a、紅原0.53 mm/a、瑪曲0.34 mm/a(圖2(b))。南北降水量及變化情況有一定的差異,區(qū)域降水量則為北少南多,而降水量減少速度呈北慢南快。氣溫呈升高趨勢(圖3),3個站點的升高速率分別為若爾蓋0.075℃/a、紅原0.021℃/a、瑪曲0.038℃/a。從氣候要素來看,紅原站緯度偏低且海拔最高,年降水量豐富;若爾蓋站降水量居中,空氣濕度較大;瑪曲站降水相對較少。濕潤度對沼生生境的發(fā)育和作用特別重要,因此若爾蓋縣的沼澤分布最廣[5]。

圖2 1967—2012年年降水量變化趨勢

圖3 1967—2012年3站年平均氣溫

3.2 土地覆蓋動態(tài)變化

利用ENVI軟件提取出1990—2011年土地覆蓋類型的空間分布及植被覆蓋度(圖4),并統(tǒng)計主要土地覆蓋類型的面積(表2)。若爾蓋高原土地覆蓋以植被覆蓋和泥炭沼澤濕地為主,其次是水體、荒漠和建設用地?？傮w上看,各類型的土地覆蓋面積年際變化方式主要為單調增減和波動變化。其中,變化最大的為建設用地(y=1.162 7x-2 315.1,R2=0.842)和荒漠(y=0.353 1x-664.16,R2=0.172)。2011年建設用地面積是1990年的5.84倍;荒漠面積則從1990年的29.51 km2增長到2011年的39.86 km2,增加速率達0.49 km2/a,主要分布于黃河干流、白河下游和黑河下游兩岸坡面,以及黑河中游的山坡,這與前人的研究結果基本一致[6-7,16]。

圖4 若爾蓋高原土地覆蓋變化

表2若爾蓋高原1990—2011年土地覆蓋面積km2

年份草地泥炭沼澤濕地水體林地建設用地荒漠1990163219555153520235706545729511994172480346282216791551743740811995167454151277116026602454545431999172681544222233141732960343402000175020042631125763724280841272001175479142704620761668876843952003177341041425514688657411304392200417761134055622046166191226446820051766817412259224466191412490120061787431402184132155812142043872008177789840173421812547021555380200918023933871941301256652285390120101798540386351158426931264541392011179175738642723940567226683986

表2表明,水體面積呈不明顯的波動減小趨勢(y=-1.140 5x+2 482.6,R2=0.017),這可能與降水情況以及當前水位變化有關。相應地,圖4則表現(xiàn)為各細小的彎曲河流在降水量較大的年份提取結果較好,因為當降水較大時,河流寬度達到遙感影像所能分辨的空間分辨率大小。草地面積呈明顯的上升趨勢(y=71.337x-125 326,R2=0.860 3),林地主要分布在若爾蓋西部,其占地面積緩慢減少(y=-0.321 7x+708.02,R2=0.095 8)。

圖4表明高、中、低植被覆蓋度空間分布發(fā)生了明顯的變化。植被覆蓋度年平均值為0.68，主要分為2個階段,1990—2000年植被覆蓋度呈明顯的減小趨勢,且在1990年和1995年的植被覆蓋度分別為0.76和0.82,以高植被覆蓋度為主,但空間分布的差異化明顯，而2000年的植被覆蓋度減小到0.48,整個區(qū)域的植被覆蓋度趨于均一化,即中植被覆蓋度達96.35%;在2000年之后,植被覆蓋度呈上升趨勢,2005年和2010年的植被覆蓋度分別為0.55和0.77,并以中高植被覆蓋度為主。

1990—2011年間泥炭沼澤濕地面積呈明顯減少的趨勢(y=-71.389x+147 255,R2=0.860 6),減少幅度達29.9%，減小速率為78.62 km2/a。針對泥炭沼澤濕地的遙感解譯,眾多研究結果不一,孫妍[23]研究表明若爾蓋高原近30%的沼澤發(fā)生萎縮,王石英等[17]認為1987—2001年沼澤減少了31.86 km2,沈松平等[24]認為2001年沼澤濕地面積為3 462 km2,20年內減少了20.2%。由于對若爾蓋高原沼澤的界定、研究時段等不同,監(jiān)測結果不盡相同,但已有的共識是泥炭沼澤在近60年的不同時間段內發(fā)生著不同程度的萎縮退化。泥炭是若爾蓋高原沼澤的最基本特征,反映沼澤的發(fā)育過程與程度[5]。沼澤受水分條件影響而萎縮退化，反過來又改變著水分條件,從而影響著整個若爾蓋高原的生態(tài)環(huán)境[6,8]。

4 討 論

4.1 土地覆蓋變化分析

若爾蓋高原屬于氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶,區(qū)域演變方式為沼澤—沼澤化草甸—草甸—草原—沙漠化。從濕地的發(fā)育演變來看,氣候要素發(fā)揮著關鍵的作用。多雨、潮濕且低溫都有利于其發(fā)育[5],并且影響濕地的各種生態(tài)過程以及濕地的動態(tài)變化規(guī)律。過濕或者水分蓄存是沼澤形成的基本條件,由此若爾蓋的低洼地因夏季降水(5—9月)易出現(xiàn)沼澤濕地特征。

若爾蓋高原降水量從長時間序列分析呈不明顯的減小趨勢,而不同的短時期內有上升或下降的趨勢,從而說明降水量的變化不是若爾蓋沼澤迅速萎縮的主要原因。此外,由于全球氣溫普遍上升的影響,若爾蓋區(qū)域的氣溫近年來呈現(xiàn)上升趨勢,有學者認為若爾蓋高原沼澤萎縮退化的主要原因是因氣溫上升而增加的蒸發(fā)蒸騰量[13],這種長期而緩慢的影響過程不容忽視,但本地區(qū)降水量并未顯著變化,氣溫變化速率及蒸發(fā)蒸騰的增量較為有限,還不足以導致若爾蓋泥炭沼澤濕地在近幾十年內的快速萎縮[25]。因此,若爾蓋高原近幾十年的氣候變化并不是土地覆蓋,尤其不是泥炭沼澤濕地發(fā)生變化的主要原因。

植被覆蓋度的變化尤其是高植被覆蓋度在2000年的劇烈減小可能與遙感數(shù)據的月份有關。但更重要的是,早期的人工溝渠排水減小了泥炭沼澤濕地的蓄水量以及蓄水能力,植被生長情況不如以往,導致2000年的植被覆蓋度明顯減小且趨于均一化。此后若爾蓋高原實施了填堵溝渠等恢復工程[26],同時由于排水輸干泥炭表層水分,可能發(fā)生塌陷、裂縫、滑坡等情況[26],人工溝渠排水能力也會降低[27]。當?shù)夭扇√疃聹锨橹鞯幕謴凸こ毯骩27],土壤透氣性的增大可促進溝道植物的生長,因此2000年后植被處于恢復期;2008年后降水量呈短期的上升趨勢,降水量較多時植被生長較好。蔣錦剛等[28]研究表明若爾蓋縣在1974—2007年高植被覆蓋度的面積變化趨勢為先減后增,草地面積呈增長趨勢,且在1994—2000年增長速率最大。研究表明草地植被對氣候變化的響應較為敏感[29],因此植被變化情況與緩慢上升的氣溫、變化的降水量等因素有一定的關聯(lián)[30]。

林地主要分布在若爾蓋南部區(qū)域,其面積呈減小趨勢,主要與當?shù)胤ツ竞徒ㄖ玫氐热祟惢顒佑嘘P。有記載表明若爾蓋縣的沼澤周邊山坡上暗針葉林遭到砍伐,導致森林面積在1975—2005年減少4.3%[20]。建設用地和荒漠化面積呈穩(wěn)定的增長趨勢,前者是因當?shù)氐娜丝谠鲩L及經濟增長、城鎮(zhèn)建設及旅游業(yè)發(fā)展迅速;后者則是由于在氣候暖干化的自然條件下,人工溝渠排水、過度放牧、泥炭開采等不合理無節(jié)制的人類活動直接對生態(tài)環(huán)境造成破壞,導致沼澤退化并沙漠化。

4.2 典型泥炭沼澤人工溝渠影響

在脆弱敏感的若爾蓋高原,濕地排水工程直接地改變了該區(qū)水系分布及其水文連通性,導致土地覆蓋發(fā)生變化,引起濕地生態(tài)環(huán)境的惡化。早在1955年,本地區(qū)便開始挖溝排水,開辟牧場。隨著經濟發(fā)展及人類頻繁的干擾,若爾蓋縣和紅原縣累計開挖排水溝700多條,總長度超過1 000 km。溝渠開挖影響沼澤面積約2 000 km2,排水疏干脅迫下嚴重退化沼澤面積達648.3 km2,約占沼澤總面積的27%[25]。目前,若爾蓋高原濕地現(xiàn)存的人工溝渠約有920 km,在若爾蓋縣、紅原縣和瑪曲縣分別有44條、288條和66條[25]。

為進一步討論人工溝渠對泥炭沼澤濕地萎縮退化的影響,基于此前對人工溝渠的判讀和測量,利用ArcGIS軟件對數(shù)據進行計算處理并制圖(圖5)。若爾蓋高原人工溝渠控制的泥炭沼澤濕地可分為2種排水輸干模式,即完全由人工溝渠排水和由人工溝渠與自然河網交織共同排水,圖6的日干喬大沼澤和哈合目喬沼澤系統(tǒng)即為兩種典型的人工溝渠排水系統(tǒng)。

圖5 若爾蓋高原的自然水系和人工溝渠分布

圖6 典型的人工溝渠排水系統(tǒng)

日干喬大沼澤是若爾蓋高原最重要濕地之一,其類型為封閉式泥炭沼澤濕地。經影像處理計算得到日干喬大沼澤的人工溝渠有100余條,總長度292.8 km,控制面積為208.7 km2。這些人工溝渠已經將沼澤濕地排水疏干,轉化為草地,而只在5—8月強降水期,在低洼和河道兩側殘留季節(jié)性濕地景觀。根據溝渠的空間分布特點,可將人工溝渠分為放射式分布、平行式分布、網狀式分布和零散式分布(圖6(a))。日干喬大沼澤的絕大部分地表水和地下水通過人工溝渠排向彎曲小河,再從瓦切鄉(xiāng)匯入白河。日干喬大沼澤的人工溝渠在5—8月加速排走降雨徑流從而減少沼澤的儲水量,而在非降水期則繼續(xù)以地下水橫向補給的方式,將濕地和草地內蓄存的水量排向河道。已有研究指出人工溝渠使泥炭沼澤濕地年平均地下水位降低了50～70 cm[31]。在早期無人工溝渠之前,日干喬大沼澤為常年片狀積水[27],如今已完全變成放牧草原,表明人工溝渠是日干喬大沼澤從濕地轉向草原景觀的最根本原因。

哈合目喬沼澤位于黑河流域的中東部,其人工溝渠特點是沼澤中間有一條較大的人工溝渠貫穿南北,并以此主干溝道為中心向東西兩邊發(fā)散,形成魚骨狀的人工溝渠分布格局(圖6(b)),現(xiàn)存人工溝渠38條,總長113.9 km,控制面積152.3 km2。這類溝渠排水模式為水匯流至主干溝渠,再由兩側溝渠分別向東西方向輸水。本類型的排水結構加速了封閉沼澤內部脫水,引起沼澤萎縮，沙漠化突顯。地表水是維持沼澤濕地的關鍵要素[5],日干喬大沼澤和哈合目喬沼澤均為若爾蓋高原的局部封閉性沼澤濕地,人工溝渠開挖之后的幾十年內,大量的地表水被排走,泥炭沼澤迅速脫水,發(fā)生侵蝕、坍塌,產生裂縫并斑塊化[26],兩處沼澤濕地都發(fā)生了顯著的變化[27,32]。

4.3 自然河流和人工溝渠的雙重影響

若爾蓋高原濕地萎縮除了人工溝渠的影響之外,自然河流的發(fā)育和溝道溯源下切也是濕地脫水萎縮的一個重要原因。若爾蓋的黑河流域上游是典型的自然河流和人工溝渠的雙重疊加作用區(qū),兩者共同作用加速該區(qū)域的排水效率。黑河上游的干流與支流河道下切明顯,深度可達0.5～3 m,一旦切穿泥炭層,增加了泥炭層地表水和地下水的橫向水力梯度,使得原來蓄存于泥炭層的地下水源源不斷流出,而且脫水之后也造成緊密構造的泥炭濕地破碎化、松散化,從而更加促進溝道下切及溯源侵蝕,直至逐漸深入沼澤濕地中心地帶。該典型流域總面積為3 865 km2,1990—2015年泥炭濕地面積變化明顯(圖7),由1990年的919.4 km2減小到2015年的643.67 km2,減小速率達11 km2/a。

圖7 黑河上游泥炭濕地面積變化

圖8 黑河上游泥炭濕地、自然水系和人工溝渠分布格局

圖8為黑河流域上游的自然河網和人工溝渠空間分布。自然河網總長3 477.64 km,人工溝渠756條,總長796.74 km。大量的封閉或半封閉的泥炭沼澤濕地已被大大小小的細溝貫穿,使得沼澤濕地排水效率增大,蓄水能力持續(xù)減小。研究表明黑河的徑流量減少速率為0.15億m3/a[25],這間接說明黑河流域的沼澤濕地的蓄水能力減弱。黑河上游泥炭地的地下水位下降,再加之人工溝渠的加速排水作用,增加了自然河網與人工溝渠的連通性,破壞了流域的整體性,并且加速了水源的外排。在自然河網與人工溝渠共同作用下,雨季大量的地表水通過自然河網與人工溝渠組成的通道迅速排走,枯水期又排出一定水量的地下水以補給河道,因此疏干沼澤范圍進一步擴大,沼澤濕地快速萎縮。另一方面,沼澤的萎縮又引起蓄水能力的下降,這一惡性循環(huán)強化了沼澤—沼澤化草甸—草甸—草原—沙漠化過程。

5 結 論

a. 不斷增強的人類活動導致若爾蓋高原的建設用地和荒漠面積發(fā)生的變化最為明顯,2011年的面積分別是1990年面積的5.84倍和1.35倍。林地面積以速率0.66 km2/a減小。在暖干化氣候、人工溝渠排水輸干和自然水系溯源下切的疊加作用下,泥炭沼澤的濕地面積以78.62 km2/a的速率呈持續(xù)減少趨勢。水面面積波動性變化主要受降水量變化的影響。植被覆蓋度變化呈先減后增,且趨于均一化,2000年減小的幅度最為劇烈,2000年以后由于生態(tài)保護政策的實施,植被覆蓋度有所回升。

b. 1967—2012年期間,若爾蓋高原的降水量以0.4 mm/a的速率呈微弱的減小趨勢,氣溫則表現(xiàn)為增高趨勢,但氣候要素變化幅度尚不能在短時間內改變若爾蓋高原土地覆蓋。

c. 在自然河流過程和人工溝渠排水的疊加作用下,若爾蓋高原泥炭沼澤的地表水與地下水流失存在2種最主要的輸水模式:①以日干喬和哈合目喬為典型的大面積封閉式泥炭濕地的人工溝渠排水模式;②以黑河上游的半封閉式泥炭沼澤濕地為代表的由平行或交織的自然水系和人工溝渠共同排水的模式。大規(guī)模人工溝渠破壞了濕地的完整性,將濕地內的地表水快速且持續(xù)地排走,導致泥炭沼澤濕地脫水,同時容易發(fā)生侵蝕、坍塌、產生裂縫及斑塊化,從而顯著減小泥炭沼澤的蓄水量,制約泥炭沼澤的維持,使泥炭沼澤萎縮速率加快。

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