基于GIS的三江平原退耕還濕空間決策分析

基于GIS的三江平原退耕還濕空間決策分析

P208：A1000-0690(2009)06-0874-0620世紀(jì)50年代以來，人類開始對三江平原進行的過度開發(fā)，使得沼澤濕地資源的數(shù)量和質(zhì)量急劇下降，嚴(yán)重影響了三江平原的生態(tài)環(huán)境[1,2]。因此，有必要對重要濕地區(qū)域采取強制性措施，進行人工恢復(fù)（退耕還濕），使其發(fā)揮應(yīng)有的環(huán)境功能，進而支撐區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。退耕還濕是指通過生態(tài)工程方法將一些無種植價值或種植價值不大的已開墾為農(nóng)田的濕地進行恢復(fù)工作[3]。其目的就是在保護現(xiàn)存濕地的基礎(chǔ)上，擴大濕地面積，保護生物多樣性，將現(xiàn)有的低產(chǎn)田強制性退耕還濕，自然恢復(fù)濕地面貌，以充分發(fā)揮濕地功能[4]。為了科學(xué)實施退耕還濕，首先需知道退耕耕地的面積及其分布范圍。如果通過實地調(diào)查的方法加以確定，不僅費時費力，還難以做到定量定位。近年來，遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，為快速、精確和綜合地對復(fù)雜的地理系統(tǒng)進行空間定位和過程動態(tài)分析提供了良好的手段[5,6]。國內(nèi)已有相關(guān)研究對退耕還濕的意義以及退耕還濕應(yīng)遵循的理論與技術(shù)路線進行了初步探索[7,8]，但是目前尚缺乏退耕還濕空間決策的研究成果。本文以三江平原沼澤濕地恢復(fù)與重建為目標(biāo)，在遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下，對三江平原退耕還濕的范圍及其空間分布進行研究，從而為退耕還濕的宏觀規(guī)劃、實施和管理服務(wù)。1研究方法1.1GIS數(shù)據(jù)平臺的構(gòu)建1.1.1土地利用數(shù)據(jù)三江平原2005年土地利用數(shù)據(jù)由中巴資源衛(wèi)星CBERS遙感影像數(shù)據(jù)進行人工目視解譯得到，將研究區(qū)21種二級土地利用類型進行了歸并處理，共分為7種類型進行統(tǒng)計分析，分別為：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦用地、未利用地和沼澤濕地。課題組于2006年對2005年遙感數(shù)據(jù)解譯結(jié)果，進行野外精度檢驗，各土地利用類型的總體解譯精度約為92%，其中，農(nóng)田的解譯精度為94.2%，完全滿足本研究的需要。1.1.2現(xiàn)有沼澤濕地緩沖區(qū)數(shù)據(jù)從三江平原2005年的土地利用數(shù)據(jù)中提取出濕地，在ArcGIS9.1數(shù)據(jù)處理平臺下，利用DISTANCE命令生成最大距離為2km的距離緩沖區(qū)，然后利用RECLASS函數(shù)將距離緩沖區(qū)分為：0～1000m，1000～2000m兩個緩沖帶。1.1.3環(huán)境背景因子數(shù)據(jù)(1)高程等級數(shù)據(jù)本文通過獲取三江平原90m分辨率的SRTMDEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS9.1數(shù)據(jù)處理平臺下，利用RECLASS函數(shù)將高程分為：＜50m,50～80m,80～100m,100～200m,200～400m,400～700m,＞700m共7個等級。(2)土壤類型數(shù)據(jù)利用三江平原邊界圖，從黑龍江省1:100萬的矢量化土壤圖中裁減出屬于三江平原的部分，為簡化分析，將三江平原的土壤類型合并為以下7類，分別為：暗棕壤、草甸土、沼澤土、白漿土、黑土、水稻土、砂土。(3)地貌類型數(shù)據(jù)地貌圖采用中國科學(xué)院長春地理所和東北師范大學(xué)地理系1986年編制的三江平原1∶25萬地貌圖，經(jīng)掃描、數(shù)字化和制圖綜合后生成三江平原地貌圖，為簡化分析，將地貌類型進行合并分為：低河漫灘、高河漫灘、一級階地、二級階地、洼地、臺地、湖濱漫灘、湖成階地、低山和丘陵。(4)河流緩沖區(qū)數(shù)據(jù)利用校正的TM影像，主要以20世紀(jì)80年代中期的為準(zhǔn)，在ARCVIEWGIS3.1軟件下勾畫出主要河流，河流的選取標(biāo)準(zhǔn)為三級以上，然后轉(zhuǎn)換成ARC/INFO的COVERAGE格式。在ArcGIS9.1數(shù)據(jù)處理平臺下，利用DISTANCE命令和RECLASS函數(shù)分別為線狀河流作不同間距的緩沖區(qū)，河流緩沖區(qū)為：0～500m,500～1000m,1000～2000m,2000～3000m,3000～5000m。1.1.4耕地生產(chǎn)力數(shù)據(jù)三江平原耕地生產(chǎn)力數(shù)據(jù)的計算方法，借鑒了國志興等的研究成果[9]。NPP指綠色植物在單位時間和單位面積上所能累積的有機干物質(zhì)，它能夠以統(tǒng)一的尺度標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，是很好的耕地生產(chǎn)力衡量指標(biāo)，避免了以作物產(chǎn)量衡量耕地生產(chǎn)力時由于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，作物品種變化等的干擾[10]。根據(jù)NPP距平百分率將2005年三江平原的耕地分為三類：低產(chǎn)耕地(＜-10%)、中產(chǎn)耕地(-10%～10%)、高產(chǎn)耕地(＞10%)。以上數(shù)據(jù)被統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系和投影下。所采用的投影為等面積割圓錐投影，并采用全國統(tǒng)一的中央經(jīng)線和雙標(biāo)準(zhǔn)緯線，中央經(jīng)線為東經(jīng)105°，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為北緯25°和北緯47°，所采用的橢球體為KRASOVSKY橢球體。所有數(shù)據(jù)都被統(tǒng)一成100m×100m柵格大小的GRID。1.2退耕還濕決策模型退耕還濕的主要對象是低產(chǎn)的耕地，濕地植被作為隱域植被，有其適宜分布的水文、地貌、土壤等環(huán)境[2]，這是退耕還濕的理論根據(jù)。退耕還濕決策模型的構(gòu)建主要是利用了GIS的空間分析功能，模型的描述見下圖1。退耕還濕決策模型按照退耕的時序分為一級退耕還濕決策模型和二級退耕還濕決策模型，再根據(jù)退耕的指標(biāo)，將一、二級退耕還濕決策模型分為單個指標(biāo)的退耕還濕決策模型和復(fù)合處理退耕還濕決策模型，不同模型所對應(yīng)的還濕指標(biāo)不同（圖1）。2結(jié)果與分析2.1耕地生產(chǎn)力結(jié)構(gòu)三江平原耕地生產(chǎn)力構(gòu)成（見表1）。低產(chǎn)旱地的面積為127.7×，占2005年總耕地面積的21.5%；低產(chǎn)水田的面積為18.68×，占2005年總耕地面積的3.15%。退耕還濕的對象為低產(chǎn)的旱地和水田，因此，從三江平原耕地生產(chǎn)力數(shù)據(jù)中提取出低產(chǎn)的旱地和水田數(shù)據(jù)。2.2退耕還濕空間決策分析三江平原目前已成為我國重要的商品糧豆基地之一，如果進行一次性或短期內(nèi)退出耕地恢復(fù)沼澤濕地具有較大困難，而且人力、物力、財力在短期內(nèi)也難以滿足退耕需求，因此退耕還濕必須逐步推進。既考慮到一些低產(chǎn)耕地還濕的緊迫性，又考慮到區(qū)域糧食生產(chǎn)，使退耕分級逐步進行。本文依據(jù)生態(tài)效益最大、經(jīng)濟發(fā)展與因地制宜等原則，將三江平原退耕還濕按照退耕的緊迫性分為兩級。近期重點實施一級退耕還濕，中遠(yuǎn)期則重點實施二級退耕還濕。2.2.1一級退耕還濕空間決策分析一級退耕還濕類型為優(yōu)先退耕還濕的耕地。主要考慮的因子是低產(chǎn)的耕地（包括旱地和水田）、離現(xiàn)有沼澤濕地分布區(qū)以及河流的距離、地貌條件、土壤條件和高程等。將低產(chǎn)的耕地數(shù)據(jù)分別與河流緩沖區(qū)、地貌類型、土壤類型、高程等級、現(xiàn)有沼澤濕地緩沖區(qū)等柵格數(shù)據(jù)進行柵格計算分析，利用單個指標(biāo)退耕還濕決策模型（見圖1）確定的退耕面積為：距河流500m范圍內(nèi)的低產(chǎn)耕地需要退耕，則退耕的面積為58787h；地貌類型為低河漫灘的低產(chǎn)耕地需退耕，則退耕面積為386087h；土壤類型為沼澤土的低產(chǎn)耕地需退耕，則退耕面積為90036h；海拔高程小于50m的低產(chǎn)耕地需退耕，則退耕面積為58805h；距現(xiàn)有沼澤濕地分布區(qū)1000m范圍內(nèi)的低產(chǎn)耕地需退耕，則退耕面積為130172h。將以上確定的退耕面積直接相加，會導(dǎo)致部分重復(fù)計算。因此，將以上單個指標(biāo)計算得到的退耕數(shù)據(jù)代入利用GIS建立的復(fù)合處理退耕還濕決策模型（圖1），運用該模型計算得到低產(chǎn)耕地的還濕數(shù)據(jù)，統(tǒng)計其面積為525652h，占2005年三江平原耕地總面積的8.76%。將各指標(biāo)下確定的一級退耕還濕數(shù)據(jù)以及一級退耕還濕復(fù)合數(shù)據(jù)與三江平原行政區(qū)數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，得到各行政區(qū)一級退耕還濕數(shù)據(jù)，其結(jié)果見圖2和表2。圖2三江平原一級退耕還濕分布圖Fig.2ThedistributionofreturningfarmlandtowetlandinthefirstorderintheSanjiangPlain由圖2和表2可知，位于黑龍江與松花江交匯處的同江市、富錦市，倭肯河流域的樺南縣是一級退耕還濕的主要區(qū)域，退耕面積分別為58701h、56787h和44726h，分別占一級退耕還濕區(qū)總面積的11.17%、10.8%和8.51%。滿足一級退耕還濕條件的耕地，具有最適宜沼澤濕地恢復(fù)的水文、地貌、土壤和地形等條件，如果恢復(fù)成沼澤濕地可以取得較大的成效，是近期應(yīng)重點實施的退耕還濕區(qū)。2.2.2二級退耕還濕空間決策分析二級退耕還濕是在一級退耕還濕實施完后，為了進一步改善生態(tài)環(huán)境，而還需要進一步退耕的耕地。在一級退耕還濕空間分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)退耕還濕決策模型（圖1），將低產(chǎn)耕地數(shù)據(jù)分別與現(xiàn)有沼澤濕地緩沖區(qū)、河流緩沖區(qū)進行柵格計算分析。就二級退耕還濕而言，有兩種情況。①在滿足耕地生產(chǎn)力為低產(chǎn)，距離河流500～1000m范圍內(nèi)耕地退耕，據(jù)此建立基于GIS的單個指標(biāo)的退耕還濕模型，得到退耕面積為52128h；②在滿足耕地生產(chǎn)力為低產(chǎn)，距離現(xiàn)有沼澤濕地分布區(qū)周圍1000～2000m范圍內(nèi)的耕地退耕，據(jù)此建立基于GIS的單個指標(biāo)的退耕還濕模型，則退耕面積為150577h。在單個指標(biāo)退耕還濕的基礎(chǔ)上，利用GIS構(gòu)建空間復(fù)合處理的退耕還濕決策模型（圖1），得到二級退耕復(fù)合數(shù)據(jù)，統(tǒng)計其面積為194029h，占2005年三江平原總耕地面積的3.23%。分別將以上分析結(jié)果與三江平原行政區(qū)數(shù)據(jù)進行空間疊加，得到各行政區(qū)退耕數(shù)據(jù)（見圖3和表3）。圖3三江平原二級退耕還濕分布圖Fig.3DistributionofreturningfarmlandtowetlandinthesecondorderintheSanjiangPlain由圖3和表3可知，倭肯河流域的樺南縣、依蘭縣，黑龍汀與松花江交匯處的同江市以及松花江沿岸的湯原縣是二級退耕還濕的主要區(qū)域，還濕面積分別為23727h、19897h、22493h和19136h，占二級退耕還濕總面積的12.23%、10.25%、11.59%和9.86%。二級退耕還濕區(qū)位于現(xiàn)有沼澤濕地緩沖區(qū)、河流緩沖區(qū)一定距離的范圍內(nèi)，可以作為中遠(yuǎn)期退耕還濕的區(qū)域。在一級退耕還濕實施完成后，二級退耕還濕的執(zhí)行，有助于已有沼澤濕地的集中連片，增大沼澤濕地斑塊之間的連通性，對于沼澤濕地生物多樣性保護、均化洪水、調(diào)節(jié)氣候等重要功能的發(fā)揮，將有很大的促進作用。3結(jié)論與討論就整個三江平原而言，一級退耕還濕耕地的面積為525652h，占2005年三江平原總耕地面積的8.76%。二級退耕還濕耕地的面積為194029h，占2005年三江平原總耕地面積的3.23%。以上空間數(shù)據(jù)均為柵格數(shù)據(jù)，其分辨率為100m。因而，其退耕地塊的大小主要在1h以上，這對退耕還濕工程的宏觀規(guī)劃、實施和管理等具有較大的應(yīng)用價值。從短期來看，退耕還濕必然會減少糧食的生產(chǎn)。但是，由于所退的耕地，大都農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，抗拒自然災(zāi)害能力低，耕地質(zhì)量差，農(nóng)作物產(chǎn)量不穩(wěn)定，且多處在河流沿岸，現(xiàn)有沼澤濕地分布區(qū)周圍，地貌類型為低河漫灘，土壤保水性較強，適合濕地植物生長，具有退耕還濕的有利土地優(yōu)勢，符合退耕還濕要求。還濕后可以并入自然保護區(qū)，擴大保護區(qū)面積，對保護區(qū)的發(fā)展非常有利。同時，一級退耕地