鄱阳湖湿地生态演变驱动力及数字湿地调控体系

吴勰¹，王振兴²，周航宇¹

(1. 江西省水利规划设计院，江西 南昌，330029；

2. 环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州，510655)

摘 要：

构建对于实现湿地资源信息共享、湿地环境保护、退化湿地的恢复与重建及流域管理等方面具有重要的现实意义，利用多时相、长时段遥感动态监测解译、空间分析与辅助决策等技术，系统剖析鄱阳湖湿地的生态环境演变过程、退化机理及其主要驱动力。研究结果表明：在自然和人为因素长期、综合作用下，鄱阳湖湿地发生显著的不合理演变，主要表现在：土地逐渐沙化，水土流失严重、旱涝趋于频发，水体污染加剧，生物资源锐减，湿地退化严重。深入探讨湿地系统演变过程中的宏观政策引导、人口资源环境相互作用、气候生态水文互动耦合、社会经济发展模式等关键驱动因素。在此基础上，构建协调湿地与流域系统、内部子系统、社会经济系统等之间关系的数字湿地调控体系。

关键词：

鄱阳湖；湿地演变；驱动作用；数字湿地；调控体系；

中图分类号：X703.5          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)12-5173-07

Digital wetland regulation system and driving force behind ecological evolution of digital wetland for Poyang Lake wetland

WU Xie¹, WANG Zhenxing², ZHOU Hangyu¹

(1. Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning and Designing Institute, Nanchang 330029, China;

2. South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China, Guangzhou 510655, China)

Abstract: Digital wetland construction plays meaningful function for wetland resources information sharing, wetland environment protection and degraded wetland restoration. Evolutional process, degenerated mechanism and main dynamics of the Poyang Lake wetland were systematically analyzed using multi-temporal and long-time dynamic monitoring interpretation, spatial analysis and decision support technology. Then, the actualities of wetland evolvements affected by integrated physical and anthropic factors such as, land desertification, soil erosion, frequent droughts, increased water pollution, plummeted biological resources, and severely serious degradation were analyzed. In addition, several aspects in the wetland evolving process were discussed, such as, guide of macroscopic policy, interaction among population, resources and enciroment, coupling of climate, ecology and hydrology social and economic factors. Finally, coordinating digital wetland regulation systems such as wetland and watershed system, internal system and social-economy system were constructed.

Key words: Poyang Lake; wetland evolvement; driving forces; digital wetland; regulation system

湿地在近代史上遭受人类活动破坏最严重，是继其他生态系统之后人类重视最晚的一种资源^[1]。湿地作为自然界最富生物多样性和生态功能最高的生态系统，具有抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、降解污染、调节气候、维护生物多样性等功能，被誉为“地球之肾”。湿地科学已成为21世纪科学研究的重点学科和优势领域^[2-3]。近年来，数字湿地作为国际湿地学前沿领域的热点受到广泛关注^[3-4]。在知识经济框架体系下，对自然资源的高层次有效管理、合理开发利用以及区域经济社会发展模式的科学设计与实施等都要依赖于特定资源、特定区域的数字化建设^[5]。我国湿地退化问题严重，现有研究主要集中于湖泊和沿海滩涂的管理^[6]，对退化湿地的科学管理与恢复重建研究开展较晚，亟待强化高新技术的组合应用，深入剖析不同地区和类型湿地系统的演化机制，明确湿地退化的原因、规律、机理，探索湿地的资源管理、保护与合理开发利用^[7]，其关键是湿地资源管理与开发利用的信息化，其核心是建设数字湿地，推动湿地科学由定性科学向定量科学的转化^[8-9]。鄱阳湖湿地是亚洲最大湿地和世界六大湿地之一，对维系长江中下游防洪安全和水文循环作用巨大^[10]。长期以来，鄱阳湖湿地发生了显著的不合理演变：湿地面积锐减，土壤逐渐沙化，调蓄功能下降；资源过度开发，生物多样性减少，生态功能衰退，污染日益严重^[11]。因此，有必要准确掌握鄱阳湖湿地的分布和动态变化规律，剖析湿地结构与功能演变的关键驱动因素，为鄱阳湖湿地的恢复与保护提供理论基础；构建促进湿地资源优化配置与高效管理的数字湿地调控体系，为湿地开发、利用、保护、恢复与可持续发展提供科学的决策支持。

1  研究方法

1.1  区域概况

鄱阳湖湿地位于长江中下游的江西省，地处亚热带湿润季风区(见图1)，年平均气温为16.5~17.8 ℃，年平均无霜期为273 d，年平均日照约为1 970 h，年辐射总量约为4 500×10⁶ J/m²，水系流域面积约为16.22万km²，约占江西省国土面积的97%。鄱阳湖湿地植被包括湖滩草洲的湿生植被、浅水洼地的沼生植被以及分布于水体中的水生植被；动物资源以鸟类最为突出，共有鸟类 310种。鄱阳湖湿地承担着调洪蓄水、调节气候、降解污染等多种生态功能，是世界自然基金会划定的全球重要生态区之一，在保障中国的生态安全与粮食安全方面占据重要的战略地位。

图1  鄱阳湖地理位置

Fig. 1  Location of Poyang Lake area

1.2  遥感解译与湿地生态演变关联性分析

1.2.1  遥感监测与解译方法

自1976—2009年，对鄱阳湖湿地不同季节、不同水位、典型枯丰水期的变化情况进行遥感动态监测(表1)，通过现场勘测结果(图2)和遥感解译对湿地遥感影像进行多时相数据纠正、投影变换、图像增强、标志建立、湿地分类和统计分析等处理。

在借鉴前人经验的基础上，通过对研究区MSS和TM遥感影像反复试验，首先对遥感影像数据进行非监督分类，通过人工解译确定其类别属性；然后，将人工解译后的非监督分类的分类属性经过光谱聚类处理转化成适用于监督分类的分类模板文件；再执行监督分类的作业方法能够提高计算机自动分类的精度。非监督分类的初始分类数应尽可能多，若太少，则光谱特性相近的地物出现混淆的现象非常突出，致使分类精度很低，但初始分类数也不宜过多，否则，计算机的运算量较大，而且最终的分类精度也没有较大提高。湿地分类具体参数为：(1) 选择60(个别为40)为非监督分类的初始分类数，最大循环数和循环收敛阈值分别为24和0.95；(2) 对各类别作专题判别、色彩确定和分类合并，形成分类模板；(3) 将模板中的60类湿地类型(个别40类) 通过监督分类进行聚类、邻近度分析与合并等操作。总体技术路线如图3所示。

图2  基础地理测量D级GPS控制网(1:240 000)

Fig. 2  D-level GPS control network (1: 240 000)

1.2.2  遥感数据与湿地生态演变因子关联性

基于遥感影像数据，提取鄱阳湖不同时期不同湿地类型(湖泊、河流、滩地、沼泽)的面积、水位、空间分布和结构特征，结合各历史时期的政策文件、社会经济数据、水质监测与生态统计等资料，详细分析鄱阳湖不同时期的各湿地类型形态特征和生态环境演变趋势，对比印证遥感数据变化与生态演变因子的作用关系，据此归纳鄱阳湖湿地生态环境演变的驱动因素。

表1  遥感动态监测内容

Table 1  Dynamic monitoring content

1.3  空间分析与辅助决策技术

数字湿地的空间分析与辅助决策技术的核心是GIS 技术。GIS 技术以其自身所具有的海量空间数据库、空间分析及辅助决策支持与网络访问等功能，实现深入分析湿地空间关系、动态模拟湿地演化过程、准确评估生态系统服务功能价值。数字湿地的决策支持系统是利用数据库、模型库、方法库、知识库等以及人机交互进行多模型的有机组合、辅助决策，实现科学决策的综合集成系统。该系统与一般的决策支持系统不同，可支持复杂的、半结构化或结构化的空间问题并对此求解^[7]。

图3  湿地遥感解译分类技术路线

Fig. 3  Technical route of interpretation and classification

2  结果与讨论

2.1  鄱阳湖湿地历史演变分析

根据湖盆地质、地貌和历史演变情况，以永修县松门山为界，可将鄱阳湖分为北鄱阳湖和南鄱阳湖2部分，其中北鄱阳湖形成于更新世后期，南鄱阳湖形成于南朝时期^[12-13]。新构造运动产生的强烈下沉趋势是鄱阳湖形成的地质学基础，而其演变则主要为水域的发育过程，主导因素为上、中游“五河”来水与下泄长江的水量吞吐平衡中使积水成湖或水落滩出^[12]。在更新世后期，长江九江河段主泓自故道南移今道，古彭蠡泽的江北部分来水减少而日趋萎缩；与此相反，江南部分则因上游水源丰盛，下游受长江主溉的顶托和洪流倒灌，加之气候转暖和继续陆沉，促使原来广阔的平原逐渐沼泽化因而不断扩大，最后发展成今日的鄱阳湖。

2.2  湿地遥感解译精度校验

目前，遥感影像专题分类后进行评价精度的因子有混淆矩阵、总体分类精度、Kappa系数、错分误差、漏分误差、每一类的制图精度和用户精度。本研究的分类精度采用混淆矩阵来评价，再依混淆矩阵计算出总精度和Kappa系数，以这2个因子来衡量分类精度。本次分类精度评价分析是利用ERDAS的Accuracy Assessment工具，其中Number of Points 输入300，Distribution Parameters选择stratified Random(即指点数与类别涉及的像元数成比例)。按照上述分类步骤可以计算出总分类精度为90.12%，Kappa系数为0.872 1。由此可知：先进行非监督分类，再利用非监督分类后图像进行类型合并归纳，并生成分类模板进行监督分类，可较好地提高分类精度，最终结果表明本次分类方法是可行的。

2.3  湿地生态环境演变驱动因素分析

2.3.1  宏观政策引导

政策引导是鄱阳湖湿地演变的重要原因。东汉时期，鄱阳湖区就已设施江堤，至明、清时，湿地围垦进入盛期；建国后，特别是1958—1976年间，受“以粮为纲”思想指导，湿地围垦达到高潮，水域面积锐减。1927—1988年的60年间，鄱阳湖湿地平均每年减少5.3 km²，总面积减少318 km²。至1976年湿地水域仅1 525.8 km²；1976—1988年间，洲滩仍被不断开垦利用， 湿地面积的快速减少导致调蓄能力降低，泥沙淤积，水位升高(图4)。

图4  不同时期湿地变化图

Fig. 4  Wetland changes in different years

自20 世纪 80 年代开始， 湿地破坏导致的严重后果受到关注与重视，但相关法规仍不健全。20世纪90年代，国家逐步把生态建设和环境保护当作基本国策，把湿地生态系统保护和修复写入“中国21世纪议程”，并提出了“封山植树，退耕还林；平垸行洪，退田还湖；以工贷赈，移民建镇；加固干堤，疏浚河湖”的湿地恢复工程，使森林覆盖率逐渐上升，水土流失面积开始下降，洲滩面积稍有上升，湿地环境得到改善，至2000年，沙地、滩地、草洲和水域面积分别为46.5，364.2，845.2和2 010.8 km²。至2000年，湿地水域面积提高到2 010.8 km²(图5)，至2004年底，恢复工程共平退圩堤418座，总面积为1 180 km^2[14]。2009年国务院批复《鄱阳湖生态经济区规划》，将鄱阳湖生态经济区建设纳入国家战略，为鄱阳湖湿地的恢复与保护带来契机。

2.3.2  人地矛盾

人类活动对鄱阳湖的影响主要体现在城镇化发展、开矿修路、水利工程建设、湖区围垦、陡坡垦植、毁林开荒、粗放耕作等所导致的对湖泊水位、泥沙量、面积、容积的改变继而引起水土流失、洪涝灾害等。1985—2005年鄱阳湖湿地人口增长23.90%，而湿地减少2.02%(表2)。

近50年来水土流失呈加剧趋势，自20世纪80年代后，对植被的破坏由过去的乱砍滥伐和陡坡开垦逐步演变成开矿、采石、修路、城镇建设等，湖区目前水土流失面积已超过1/5^[15]。此外，由于农药化肥用量增加、工业“三废”排放有增无减等，导致湿地农田土壤污染严重，土壤肥力不断下降。耕作层土壤有机质质量分数已由20世纪50年代的3%以上，下降到目前的1.5%~2.0%。同时，近年来湿地水 质亦呈下降趋势。1985—1990年，鄱阳湖I、11类水总体占85%左右^[16]，而到2001年，I类不再存在，III类占29%；至2009年，III类占67.8%，劣III类占32.2%，富营养化评价值亦由1985年的36上升至2009年的46 ^[17]。

表2  1985—2005年鄱阳湖湿地人口和经济变化统计

Table 2　 Changes of population and economy of Poyang Lake wetlands from 1985 to 2005

水情加剧和水质恶化导致生物觅食栖息场所破坏，鱼类洄游通道阻塞，生物量逐年下降，生物种群结构破坏，植被演替改变，湿地生态功能退化等(表3)^[14]。以保存较好的蚌湖为例，1965—1994年的30年间，洲滩苔草群落生物量由2 500 g/m²锐减为1 717 g/m²，下降32%。另外，湿地底栖动物数量、种类不断减少；虾、蟹类产量下降，华南虎等国家重点保护动物己经灭绝，而河麂、白鳍豚、水獭、长江鲟鱼、鲥鱼、银鱼等亦濒临消亡^[18]，近年鄱阳湖湿地的渔获量比20世纪中期减少将近1/3^[19]。

2.3.3  自然因素

湿地属中亚热带湿润季风气候区，每年4—6月份单次暴雨有时可达300 mm以上，加之针叶林面积达76.6%，且以杉木、松树为主，其土壤酸化作用抑制林下灌、草生长，难以形成乔、灌、草立体分层的植被条件，无法起到良好的水土保持效果^[20]，致使鄱阳湖流域水土流失面积约21%，年均泥沙淤积量高达1 200万t^[16]。泥沙淤积使湖面自20世纪50年代初的5 000多km²缩小到现在的3 000多km²，容积也由317亿m³缩小到260亿m³；大量泥沙覆盖原有湿地改变生态环境系统结构，湿地物种资源及其质量明显退化，土地沙地面积在2008年达3万km²。1985—2005年鄱阳湖湿地类型面积变化情况见表3。

鄱阳湖湿地自身的水土流失，以及上游洞庭湖等湖泊面积和容积的锐减，长江北岸“云梦泽”的逐渐淤积和荆江大堤的修筑，导致长江两岸“南北分流”格局不复存在，洪水冲向南岸，加大鄱阳湖分蓄长江洪水的压力^[21]，加剧本己频发的洪涝灾害。1951—2000年的50年间，鄱阳湖湿地有24年发生较严重洪涝灾害，而1401—2000年的600年间发生较大洪涝灾害的概率仅为34%^[18]。1998年鄱阳湖持续2个多月在警戒水位以上，导致湖区直接经济损失达380亿元。2010年，湖区洪水量级大于1998年，造成近50万群众受灾。此外，2007和2010年均出现主要江河湖泊水位突破历史最低水位的严重旱情。洪涝灾害致使湿地面积急剧减少(表4)，湖滩变硬，土壤沙化，植被枯死，生态功能退化。

2.3.4  社会经济因素

发展中国家导致湿地丧失的许多因素都与经济结构密切相关^[3-4]。与1985年相比，2005年湿地区域人口城镇化水平增长3.43%，生产总值和农村居民人均年纯收入分别增长18.0倍和7.5倍，工业和城市的迅速发展加剧湿地的污染。另一方面，不合理的、落后的经济发展模式严重侵扰鄱阳湖湿地生态系统。湿地上低效率的单一农业生产模式，高强度的河道挖沙、酷渔滥捕、湖区放牧、家禽放养等破坏性的资源低效开发和过度利用促使了湿地环境的演变。例如，自2000年以来，短期经济利益驱使下单一品种杨树的大量种植导致鸟类急剧减少；2006年，到鄱阳湖湿地越冬栖息的候鸟已不到40万只，与2005年同一时期相比锐减43.6%。

表3  1985—2005年鄱阳湖湿地类型面积变化情况

Table 3  Change situations of type and area in Poyang Lake wetland from 1985 to 2005

图5  数字湿地调控体系

Fig. 5  Digital wetland reulation system

表4  准极端水位条件的湿地各类型面积

Table 4  Area changes of various wetland types in quasi extreme level conditions         km²

2.4  保护对策及数字湿地调控体系

鉴于目前鄱阳湖湿地保护的严峻形势，构建数字湿地调控体系以协调湿地系统与长江流域其它生态系统关系，理顺湿地系统内部各个子系统之间的“山-河-湖”与“人-地-水”等关系，改善湿地社会经济系统之间的关系，积极应用现代湿地管理的思想和成功经验，其调控体系如图5所示。

基于以上数字湿地体系，运用湿地科学、地球科学、环境科学、信息科学、系统科学、控制论、优化决策论等理论与方法，建立集知识、模型和决策为一体的鄱阳湖数字湿地调控系统，促进湿地系统各种信息、资源和数据的综合处理与全面研究，为湿地资源空间优化配置、时间合理利用、宏观发展规划、全局整体保护、避免浪费与功能重置，实现湿地可持续发展提供科学决策的现代化工具。

3  结论

(1) 基于遥感解译与湿地生态环境变化数据，系统分析鄱阳湖的形成和历史演变过程，其演变从长时间尺度应归根于自然、社会、经济、政策等因素共同作用的结果，其中地质构造、水文、气候等自然因素起主要作用；短时间尺度而言，人类的社会经济活动引起自然环境的破坏和生态规律的波动更为重要。

(2) 鄱阳湖湿地主要存在如下生态环境问题：土地逐渐沙化，水土流失严重、旱涝趋于频发，水体污染加剧，生物资源锐减，湿地退化严重，其中水土流失和资源锐减是核心问题。

(3) 基于现代湿地管理模式和调控体系原理分析，鄱阳湖湿地保护应协调湿地系统与长江流域其它生态系统关系、湿地系统内部各个子系统之间关系、湿地社会经济系统之间的关系。

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(编辑  邓履翔)

收稿日期：2013-10-25；修回日期：2013-12-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51204074)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07206002)；国家环保公益项目(201009012, PM-ZX021-201212-003)

通信作者：王振兴(1982-)，男，湖南长沙人，博士，工程师，从事生态环境演变与风险控制研究；电话：020-85620700；E-mail：zxwang16@yahoo.com

摘要：基于数字湿地的构建对于实现湿地资源信息共享、湿地环境保护、退化湿地的恢复与重建及流域管理等方面具有重要的现实意义，利用多时相、长时段遥感动态监测解译、空间分析与辅助决策等技术，系统剖析鄱阳湖湿地的生态环境演变过程、退化机理及其主要驱动力。研究结果表明：在自然和人为因素长期、综合作用下，鄱阳湖湿地发生显著的不合理演变，主要表现在：土地逐渐沙化，水土流失严重、旱涝趋于频发，水体污染加剧，生物资源锐减，湿地退化严重。深入探讨湿地系统演变过程中的宏观政策引导、人口资源环境相互作用、气候生态水文互动耦合、社会经济发展模式等关键驱动因素。在此基础上，构建协调湿地与流域系统、内部子系统、社会经济系统等之间关系的数字湿地调控体系。