北大港湿地动态变化特征研究刘克

第32卷第12期2010年12月2010，32（12）：2356-2363ResourcesScienceVol.32，No.12Dec.，2010文章编号：1007-7588（2010）12-2356-08北大港湿地动态变化特征研究刘克1，2，3，赵文吉1，2，3，杜强4，谭红武4（1.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京100048；2.首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京100048；3.首都师范大学资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，北京100048；4.中国水利水电科学研究院水环境研究所，北京100038）摘要：北大港湿地位于天津市东南部，具有典型的湿地特征和多种生态环境和社会服务功能。在各种因素的影响下，北大港湿地生态系统严重退化，湿地功能也随之减弱。研究北大港湿地动态变化特征对于改善湿地生态环境质量，提高天津市生态系统的健康水平具有重要意义。本文在3S技术的支持下提取了北大港湿地2000年-2008年的水体、植被和土地利用信息，分析并总结其动态变化特征，在此基础上提出湿地保护和持续发展的对策和措施。研究表明：①2000年-2008年研究区的水资源、植被资源和土地利用都发生了很大变化；②随着水资源的匮乏，湿地植物群落退化，有向盐渍化过渡的趋势。9年来，湿地植被长势呈现从好转到恶化的趋势，这种变化与湿地水资源量变化密切相关；③2000年-2008年研究区湿地变化呈现自然湿地人工化，人工湿地城市化两大特点。据此提出：尽快建立湿地生态用水保障机制，实现湿地-保护-利用-开发-致富-提高-保护……湿地的良性循环是北大港湿地生态改善的有效途径。关键词：天津；北大港；湿地；3S；动态变化1引言《湿地公约》对湿地的定义为不论其为天然或人工，长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6m的水域。湿地具有调蓄洪水、净化水质、调节气候等生态功能，在维护区域生态平衡和生境安全、维持生物多样性等方面发挥着重要的作用。然而，湿地尤其是地处快速城市化地区的湿地，在经济发展和人口增长的双重压力下受到严重的干扰和威胁，其生态环境受到严重破坏，数量和质量急剧下降。为此，湿地保护已成为当前国际众多学科学者与管理者关注的焦点[1，2]。研究湿地的动态变化可以为保护湿地和制定科学的湿地管理对策提供依据，并已成为近年来湿地研究领域的热点之一。然而利用传统的野外采样方法进行湿地调查不仅覆盖范围小而且费时费力，而利用3S技术则可以节省人力、物力，且大大增强监测的时效性，能够更好的反映湿地生态系统的动态变化。因此，随着RS、GIS、GPS的不断融合加深，3S技术成为研究湿地资源动态变化监测的主流方法[3]，且广泛应用于海岸、河流、河口、湖泊等湿地[4-9]。北大港湿地地处天津市，具有多类型湿地特征，生态系统保存完整，有着良好的生物多样性，是天津乃至渤海湾地区生物多样性最为丰富的地区之一，被国际湿地专家认定为一块达到国际“重要意义湿地”标准的湿地[10]。它作为天津重要的生态基础设施，具有完善城市防洪排涝体系、调控水源、改善生物栖息环境、提供资源等众多生态环境与社会服务功能[11]。但是，由于经济的发展和人口的增加，北大港湿地的保护面临严重威胁，环境质量已经不能满足国家一级标准[12]，各种湿地功能亦随之退化。因此及时准确的掌握北大港湿地动态变化情况对于保护和改善湿地生态环境，提高天津市生态系统的健康水平，建立城市生态安全格局至关重要。收稿日期：2010-05-03；修订日期：2010-07-28基金项目：国家科技支撑计划重点项目：“环北京区域地表环境遥感动态监测与评价技术研究”（编号：2007BAH15B02）。作者简介：刘克，女，河北保定市人，博士生，研究方向为地图学与地理信息系统应用建模研究。E-mail：[e-mail]通讯作者：赵文吉，E-mail：[e-mail]2010年12月刘克等：北大港湿地动态变化特征研究本研究以北大港湿地为研究对象，以高分辨率的SPOT5卫星数据和国内免费的CBERS卫星数据为基本数据源，在3S技术的支持下对其进行动态监测与综合分析，研究该湿地从2000年到2008年在水资源、植被资源和土地利用三方面的动态变化，并在此基础上提出湿地保护和持续发展的对策，为湿地生态恢复和综合管理提供科学依据。2研究区域概况2.1地理位置研究区位于东经117°11'～117°37'，北纬38°36'～38°50'，面积973.56km2，地处天津市大港区。北大港水库是北大港湿地的核心区所在地，是华北地区最大的平原型水库，于1980年建成，历史上为蓄水洼淀。北大港水库库区东面距渤海湾6km；西面通过马圈引河经马圈闸与马厂减河沟通；东南部与大港油田毗邻；北侧与独流减河行洪道右堤相连。注入库区的河流主要有大清河、子牙河以及引黄来水。水库面积为164km2，设计蓄水库容为5×108m3，兴利库容为4.41×108m3[13]。研究区的范围及地理位置见图1。2.2地质地貌研究区地形由海岸和退海岸成陆的淤泥堆积而成，形成了以河砾粘土为主的盐碱地貌。在地质上属于中国东部黄骅坳陷的一部分，基底岩石埋藏较深，主要岩石包括碳酸盐岩、碎屑岩、火山岩三大类。区内地势平缓，地形单一，由西南向东北微微降低，坡度小于万分之一[14]。2.3气候研究区属暖温带半湿润大陆型季风气候，受太平洋季风影响，夏季盛行高温的东南风，冬季盛行寒冷干燥的西北风。该区气候冬夏长、春秋短、春季干旱多风，夏季高温高湿多雨，秋季冷暖适宜，冬季寒冷少雪。本区四季变化明显，降雨多集中在7月-8月份，年蒸发量是降雨量的3倍多[15]。3数据源与技术路线3.1数据源本研究所使用的遥感数据包括2008年9月的SPOT5卫星10m多光谱和2.5m全色影像以及5景CBERS卫星19.5m多光谱影像，成像时间分别为2000年9月、2002年7月、2004年6月、2006年6月、2008年9月。另外，辅助数据包括研究区1∶5万地形图，以及相关资料、统计年鉴等。3.2技术路线在广泛收集研究区资料的基础上，以遥感数据为基本数据源，采用RS、GIS和GPS技术相结合的方法，获取研究区现状和变化信息，包括植被现状信息、植被指数变化信息、水域面积变化信息以及土地利用现状和变化信息，并结合其他统计数据对这些信息进行统计分析，具体技术流程见图2。4植被指数计算在各地表特征参数中，NDVI（NormalizedDifferenceVegetationIndex，归一化植被指数）对植被的生长势和生长量非常敏感，可以很好地反映地表植被的繁茂程度，在一定程度上能够代表地表植被覆盖变化[16，17]。近年来，NDVI被广泛应用于定性或定量评价植被覆盖及其生长活力。归一化差值植被指数计算公式如下：NDVI=NIR-RNIR+R（1）式中NDVI代表归一化植被指数；NIR代表近红外波段；R代表红波段。利用CBERS进行植被指数运算的表达式为：NDVI=CBERS4-CBERS3CBERS4+CBERS3（2）计算得到的NDVI值在-1~1之间，一般情况下，当NDVI值＞0.05时地表始有植被分布。NDVI值＜0.20时，植被常常是相当贫乏的，当NDVI值＞0.60时，植被生长茂盛[18]。图1研究区范围及地理位置示意Fig.1Geographicallocationofthestudyarea2357第32卷第12期资源科学湿地水资源变化湿地水资源量的多少对湿地生态系统的维系起着极为重要的作用。水域面积大小在一定程度上反映水资源量的多寡。北大港水库作为北大港湿地的核心区，其水域面积变化可以反映整个研究区的水资源量变化。利用CBERS影像得到其2000年-2008年的水域动态分布如图3。可以看到，北大港水库的水域面积年际变化非常明显。通过统计各年水域面积得到表1。从水域面积图2信息提取技术路线Fig.2Technicalrouteofinformationextraction图32000年-2008年北大港水库水域动态分布Fig.3DynamicdistributionofthewaterareainBeidagangReserviorfrom2000to2008年份20002002200420062008水域面积15.5313.8566.0042.1913.68水域变化面积--1.6952.15-23.81-28.51变化率--10.86376.57-36.08-67.57表12000年-2008年北大港水库水域面积变化Table1ChangesinthewaterareaofBeidagangReserviorfrom2000to2008（km2,%）23582010年12月刘克等：北大港湿地动态变化特征研究来看，2004年-2006年北大港水库的水域面积相对较大，但是即使是水域面积最大的2004年，也仅占水库面积的40.24%；其他年份水域面积很小，不足整个水库面积的10%，几近干库。从水域面积变化幅度来看，2004年之后水资源迅速退化，减少幅度越来越大，2006年比2004年减少了36.08%，2008年比2006年减少了67.57%。原因如下：①北大港水库为引黄济津的调蓄水库，2000年-2004年曾4次蓄水，水库水量曾一度增大，但因水库较浅，渗漏量和蒸发量较大，因此在2004年后未蓄水的情况下，水库水资源量退化严重且迅速；②降水量不稳定（图4）。2000年-2008年，年降水量最高为2008年的792.4mm，最低为2001年的376.4mm。同时年平均气温有升高的趋势（图4），气温的不断升高使得蒸腾作用不断增大。在降水量不足、不稳定，且蒸发量较大的情况下，没有引黄水的定期补给，水量就会减少，因此库区水域面积年际变化较大，干库情况时有发生。总之，水资源补给匮乏是北大港水资源减少的主要原因。5.2湿地植被变化（1）湿地植被类型变化。北大港水库作为湿地的核心区，其植被变化可以反映整个研究区的植被变化趋势。根据2008年SPOT5影像提取的其植被空间分布如图5所示。由于北大港水库库干，明水面积很小，优势植物群落为芦苇群落（Form.Phragmitesaustralis），此外碱蓬群落（Form.Suaedaglauca）在北大港东库大量繁殖，与芦苇湿地呈镶嵌状，被部分的包围于芦苇地中，植被结构单一。通过对属性表的计算，得到该区域植被类型统计表（表2）。2008年北大港水库的主要植被类型为芦苇群落，面积为46.84km2，占该区植被总面积的36.98%，其次为芦苇-碱蓬群落，面积为45.95km2，占该区植被总面积的36.28%，再次为碱蓬群落，面积为32.07km2，占该区植被总面积的25.32%。历史上北大港水库植被主要是沉水与挺水植物相搭配，挺水植物类型以芦苇和香蒲群落为主。由对湿地水资源变化的分析可知，近年来由于蓄水情况不稳定，尤其是2004年后一直得不到引黄水补充使北大港水库库底日益干涸。蓄水量的减少使淡水的淹水时间缩短，湿地水体和土壤含盐量增大，湿地植被因此发生了迅速的退化演替。湿生和沼生植物种类逐渐减少，碱蓬群落的大量出现表明湿地植物群落有向盐渍化植物群落发展的趋势。（2）湿地NDVI变化。根据北大港水库植被指数计算的结果，将NDVI分为七级，分别为：＜0.05（非植被），0.05~0.20（长势差），0.20~0.30（长势可），0.30~0.40（长势良下），0.40~0.50（长势良），0.50~0.60（长势良上），＞0.60（长势优），各年的NDVI分数据来源：天津市2001年-2009年统计年鉴图42000年-2008年大港区年降水量与年平均温度变化Fig.4Changesintheannualprecipit