(2003WORD)基于GIS的扎龙湿地生态脆弱性分析研究

基于GIS的扎龙湿地生态脆弱性分析研究摘要：湿地是世界上具有独特结构与功能的生态系统，它不仅向人类提供大量的生产和生活资料，还具有蓄洪防旱、降解污染、调节气候等生态功能，是人类最重要的环境资本之一。然而，由于相当的湿地开发活动缺少科学论证和周密规划，直接影响湿地生态系统的物质循环和能量流动，导致湿地的整体功能无法充分发挥，使得湿地生态系统健康受损，脆弱性加剧。由此，本文选择扎龙湿地为研究区，进行了扎龙湿地生态脆弱性的评价研究。通过对扎龙湿地进行野外考查和广泛的资料收集，分析了扎龙湿地的组成结构和功能特征，并以此为基础，对扎龙湿地生态脆弱性进行了评价，以期为扎龙湿地的环境保护工作提供科学的依据。关键词：扎龙湿地GIS生态脆弱性分析一、绪论1.1湿地生态脆弱性的国内外研究进展1.1.1湿地及湿地研究湿地是地球自然生态系统的重要组成部分，是具有多功能的独特生态系统。目前国际比较公认的湿地定义是根据1971年(前)苏联、加拿大、澳大利亚、英国等36国在伊朗签署的拉姆萨尔条约——《湿地公约》，把湿地定义为：“不问其为天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带、静止或流动、淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6m的水域”。湿地被人们誉为“自然之肾”，它是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一，不但具有丰富的资源，还具有巨大的环境调节功能和环境效益[1]。湿地的研究最初起源于国外，尤其是欧洲各国在公元前便开始对泥炭湿地进行了以开发利用为目的的研究[2]。我国的湿地研究是20世纪60年代对沼泽进行研究开始的，东北师范大学沼泽教研室，中国科学院长春地理研究所先后对东北三江平原、大小兴安岭、长白山、若尔盖高原等地区的沼泽进行了综合考察[3]，80年代中期之后，我国学者在湿地概念及其分类、湿地功能、湿地合理开发与保护等方面的问题研究也取得了一定的成果[4-6]。从地域上讲，我国对沼泽湿地的研究以东北三江平原为典型；对湖泊湿地的研究主要集中在长江中下游的淡水湖地区；对滨海湿地的研究，近年来主要集中在环渤海的黄河三角洲湿地及辽河三角洲滨海湿地、苏北沿岸湿地以及南方红树林湿地研究上，其中肖笃宁等学者从景观生态学角度对环渤海湿地的研究已取得较高水平[7]；崔保山等学者又率先开展了湿地健康的研究[8]。1.1.2湿地生态系统脆弱性及其研究进展湿地生态系统由土壤圈、水圈、大气圈和生物圈组成，包括生物组分与非生物组分两大部分[9]。非生物组分涉及基质（岩石、土壤）、介质（水、空气等）、气候（温度、降水、风等）、能源（太阳能及其他能源）、物质代谢原料等元素；生物组分即通常所说的生态系统的生产者、消费者和分解者。湿地生态系统的数量约占全球陆地面积的6％。许多权威人士认为湿地是各种环境资源中受到威胁最大的一类。在20世纪，湿地减少速度很快，其面积和质量(指物种多样性等)都在降低。尤其在近几十年，湿地退化现象严重。在英国，20世纪50年代至80年代，大约有15％的盐碱湿地消失而用于工业或农业土地开垦项目；在法国，相当数量的重要湿地被排水，主要于农业开垦；在西班牙，全国原始湿地面积的60％已经消失[10]。在我国，据不完全统计，我国大约有湿地面积6594万km2(不包括江河、水库及池塘等)，约占世界湿地面积的l0％[11]，但长期以来，湿地的盲目开发、污染和生物栖息地的破坏，使我国湿地面积迅速减少，生产和生态功能迅速降低，生物多样性丧失，湿地资源已经发生严重退化[12-14]。据估计中国40％的重要湿地受到严重退化的威胁，特别是在近50年来湿地的退化和丧失以惊人的速度发展。20世纪50年代初，长江流域共有大小湖泊4033个，目前因围垦、泥沙淤积而消亡的约1100个，50％的滨海滩涂湿地不复存在；黑龙江省三江平原78％的天然沼泽湿地丧失；七大水系63.1％的河段水质污染失去了饮用水功能等等。1.23S技术应用于湿地生态系统脆弱性研究随着“3S”技术的发展以及生态学、地理学等学科的交叉融合，湿地生态系统脆弱性研究中也引入了RS和GIS技术方法。RS和GIS技术在湿地研究中具有数据快速获取、长时间序列表征和空间分析等多方面传统方法所不能比拟的优势。GIS具有强大的空间信息处理和分析功能，能够快速、精确和综合地对复杂的湿地类型系统进行空间信息集成、空间信息共享查询、以及空间信息分析决策。GIS技术在湿地中的应用主要包括：湿地信息集成功能、湿地信息共享查询、空间决策支持等。1995年，佛罗里达大学建立了佛罗里达湿地WebGIS的和地理数据库；Quinn等人于2001年建立了加利福尼亚州SanJoaquin湿地决策系统[18]；在我国，2001年殷力、张树清等对中国湿地信息系统的湿地信息获取进行研究[19]；2003年韩敏对基于WebGIS的扎龙地理信息系统的建立进行了研究[20]。二、研究区概况2.1自然地理环境2.1.1地理位置与地位扎龙国家级自然保护区是世界上重要湿地保护区之一，是以芦苇沼泽为中心的内陆性湿地和水域生态系统类型的自然保护区。扎龙自然保护区位于中国黑龙江省西部，东北平原北部的乌裕尔河下游的齐齐哈尔市区东南郊26.7公里处，地理坐标为东经123°47′一124°37′，北纬46°52′~47°32′。其总面积为2100km2，居住人口为2.5万人。扎龙湿地是我国最大的以鹤类等大型水禽为主体的珍稀鸟类和湿地生态类型的国家级自然保护区，1979年经黑龙江省人民政府批准建立自然保护区，1987年4月经国务院批准建立扎龙国家级自然保护区，并于1992年被拉姆萨尔公约列入国际重要湿地名录。在世界珍稀水禽保护和繁育中占有极其重要地位。图1扎龙湿地的地理位置示意图2.1.2气候条件扎龙自然保护区地处中纬地带，属中温带大陆性季风气候。春干风大，夏热多雨，秋凉早霜，冬寒漫长。年平均气温为2℃，年降水量为426mm，且降水多集中在每年的6一9月，年蒸发量为810mm，年平均相对湿度为62%。扎龙湿地主要特点是:冬寒漫长，春干风大，夏热多雨，秋凉霜早。年平均气温2~42℃，最冷月份(l月)最低气温一35℃，平均气温一16.1℃，最热月份(7月)最高气温36.6℃，平均气温25.2℃，多年平均降雨量414~426mm，7一9月份降水量占全年降雨的70%左右，蒸发强烈，达15oomm，是降水量的3一4倍，年水面蒸发800一900mm.扎龙自然保护区的风向和风速主要受贝加尔湖和蒙古低压以及南方海洋暖湿气流的影响，风速最大在4月，平均为4.8s，多为偏南大风;风速最小在1月，平均风速2.8s，多为西风和西北风，风向频次最多的也是西风和西北风扎龙国家级自然保护区年降雨量有比较明显的周期变化，缺水是个世界性的问题。由于上游及周边地区的截流，流进扎龙的水量呈减少的趋势，在少水期中尤其明显.所以干旱是扎龙国家级自然保护区今后相当长时间的主要不利气候条件。2.1.3土壤与水文条件扎龙自然保护区地处嫩江左岸，乌裕尔河以及双阳河下游。属于半干旱的冲积，风积平原。地形开阔平坦，沿河漫滩上相间分布着风积沙丘，相对高差5一10m，乌裕尔河以及双阳河两河下游低洼的冲积平原上湖泊泡沼星罗棋布。扎龙自然保护区的土壤以草甸沼泽土为主，其次是潜育草甸土和碳酸盐草甸土，这几种土壤面积大约占该区总面积的80%，分布较为集中成片，风沙土、黑钙土、盐土、碱土所占的面积不足20%，其分布较零散。扎龙地区的成土母质主要为第四纪近代湖相钻质和细沙质沉积物。扎龙地区一带的土壤为非地带性土壤。主要包括有沼泽土、碱土、盐土、草甸土、黑钙土和风沙土六类，土壤肥力中等。[15]2.2保护区生态脆弱性现状从卫星图片上我们可以看到，乌裕尔河、双阳河在依安县以下逐渐失去河道，形成了面积大几十万公顷的扎龙沼泽湿地，这是世界上保存下来面积最大又相对完整的芦苇沼泽湿地。1979年经批准建立扎龙自然保护区后，扎龙湿地原始的自然景观，丰富的野生动植物资源，尤其是作为世界上丹顶鹤重要繁殖地以及在国际性水禽迁徙途中重要的停歇地作用，引起了国际环境保护组织和专家学者的极大关注。1992年扎龙湿地被列入国际重要湿地名录，中国政府在提交的备案材料中是这样描述扎龙湿地的：“面积210000ha。是由乌裕尔河下游流域一大片永久性及季节性淡水沼泽地和无数小型浅水湖泊组成，湿地的周围是草地、农田和人工鱼塘。”而今，大型工程的修建和其他人为活动的入侵正在急剧的改变着原始的湿地景观，扎龙湿地作为一个动态的极其脆弱的生态系统，正在遭受着严重的破坏[16-17]。2.2.1资源短缺、水质污染严重进入90年代湿地水位持续下降，至1996－1997年，水位与平水年相比下降约100cm，河道断流，部分湖泊干涸露底，大部分沼泽变成了干旱地，湿地严重萎缩，面积减少约50％。据环保和水文部门监测，扎龙湿地水质污染严重，水质已达到地面水环境标准V类水质，主要污染物是高锰酸盐，BOD5和总磷、，局部为砷、汞和挥发性酚。受污染影响，水体普遍呈富营养化和重营养化，藻类及其它浮游生物异常增殖，导致水质恶化，严重的降低了水体的渔业利用等价值。部分地区地下第四系统隙潜水河第四系统承压水也受到污染。2.2.2境碎裂、片断化、岛屿化加剧50年代后期特别是进入90年代，扎龙湿地内陆续修建了公路、水库、引排水工程等大型工程，1992年改道后的301国道在扎龙保护区北部呈东西走向穿过；1996年大庆龙虎泡引水工程在保护区西部呈南北走向贯通；1995年以来唐土岗子石家店公路等多条公路的修建以及各级经济开发区、农场等的建设急剧的改变了原始的湿地生态系统，破坏了湿地生态系统的完整性和连续性，造成湿地生境碎裂，加剧了湿地“岛屿化”，对湿地生态系统生存构成了严重威胁。2.2.3野生动植物资源迅速减少，以鹤类为主的生物多样性保护受到威胁近几十年来人类生产开发活动使湿地生态系统面临着巨大的环境压力，生物资源迅速减少，生物多样性保护受到严重威胁。鱼类资源种群质量下降退化严重，鸟类、兽类资源都明显减少。作为湿地生态系统重要组成部分的草原、芦苇植被退化破坏严重。以鸟类为例，90年代后，鸟类种群数量明显减少，千巢以上的巢区没有了，在湿地栖息繁殖的鸟类不足1万只。同时由于污染，鱼类、鸟类经解剖发现，都有不同程度有毒物质的积累。三、数据的处理与分析3.1遥感影像的处理与分析3.1.1研究所用数据和数据平台研究中使用的遥感影像数据为美国Landsat7ETM数据,,成像时间为2000年7月4日，轨道号为120/0270000。其它数据包括：1986、1996、2000年三个时期的土地利用数据，地形图数据。研究中使用的遥感影像处理软件为美国的ERDASIMAGE8.6图像处理系统，地理信息系统软件采用美国ESRI公司的ArcGIS8.1和ArcView3.3。3.1.2湿地类型信息提取本研究中湿地信息提取采用RS、GIS、GPS3S结合的技术，以遥感、GIS技术为主，GPS野外跟踪采样为辅，并借鉴了以往学者研究的成果，结合扎龙湿地分布特征综合设计了扎龙湿地信息提取的技术流程。3.2GIS下的湿地退化信息提取3.2.1扎龙湿地类型动态变化信息提取对扎龙湿地1986、1996、2000年三个时期的湿地类型分布图图3.2、3.3、3.4利用Arc/INFO中的IDENTITY命令对其进行叠加分析，综合运用Arcmap8.1和Excel软件，完成扎龙湿地类型的数据处理工作。运用上述方法，对扎龙湿地三个时相的湿地类型数据进行处理，综合运用Arc/INFO和Arcview软件，提取发生变化的数据，得出扎龙湿地类型的增减变化情况。3.2.2湿地景观结构指数提取本研究应用GIS新技术以及景观结构分析软件FRAGSTATS3.3，根据上述遥感解译得到的湿地类型图，首先在Arcview中得到每种湿地类型的Grid，然后在Fragstats3.3的支持下选取软件中的11个指标，以空间单元为单位，计算出各栅格单元的湿地景观结构指数。图2扎龙湿地生态脆弱性指数分布图四、扎龙湿地生态脆弱性的评价结果4.1生态脆弱性评价结果的含义通常