江汉平原典型湿地演化特征及其控制因素研究

魏文豪，唐连松，马 瑞*

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430078)

湿地是陆地生态系统与水生生态系统之间过渡性的生态系统，具有独特的气候和水文特征，与海洋、森林并称为全球三大自然生态系统[1]，并且具有多种生态功能[2-3]，被誉为“地球之肾”，对维持全球生态平衡和可持续发展具有重要的意义[4-5]。

湿地面积的改变是湿地演化的一个重要特征[6]。现如今，世界上众多国家都面临着湿地退化的问题，全球湿地生态系统遭到威胁[7]。据《全球湿地展望》报告显示，从1970年至2015年间，全球近1/3的湿地已经消失，其中70%以上的湿地受到人类活动的影响，湿地退化极其严重。据2013年全国第二次湿地资源调查数据显示[8]，我国湿地总面积约为53.6万km2，约占全国国土总面积的5.58%，与全国第一次湿地资源调查数据相比，湿地面积减少了约3.4万km2，其中自然湿地面积减少超过了3.37万km2。

从20世纪80年代开始，国内外学者利用Landsat影像数据分别对泥炭型沼泽湿地、海岸湿地、湖泊湿地的演化过程等进行了监测研究[9-11]，并能够利用不同季节遥感数据对湿地进行分类与趋势预测[12]，而且在实践中不断纠正分类中会出现的错分现象，有效地提高了湿地分类的精度[13]。综合利用遥感技术与地理信息系统技术相结合的方法也广泛应用于湿地的演化过程与特征的研究[14]。

湿地演化是一种较为复杂的过程，不同位置、不同时期湿地演化特征的差异是由多种控制因素共同影响的[15]。总体上讲，湿地演化的控制因素主要包括自然因素和人为因素两个方面[16]。自然因素中气候因素是控制湿地分布与发育的主要因素之一，湿地面积的变化往往与气温、降水等因素的变化有关，表现为湿地面积随气温的降低而增加、随降水量的增多而增加[17]。地表湿地与地下水往往有着复杂的水力联系，地下水补给和地下水流过程的变化对湿地演化也有重要的影响[18-19]。人为因素可概括为城市发展、农业开垦对湿地的破坏，造成水体富营养化、生物入侵以及其他污染[20]。在江汉平原地区，三峡大坝工程、南水北调工程以及其他水利工程等的建设和生活用水导致的地下水开采等人为因素也是造成江汉平原湿地退化的重要原因。总而言之，湿地生态系统的演化过程是自然因素和人为因素共同影响叠加的结果[21]。

江汉平原湿地作为长江中下游湿地的核心地区，具有重要的生态价值和经济价值。江汉平原湿地的研究历史悠久，从20世纪70年代开始众多专家学者就开展了有关湿地演化问题的研究。前人主要通过解译遥感影像将江汉平原湿地进行分类[3]，分析了江汉平原湖泊湿地的空间分布及动态变化[22]，探究了气候变化对江汉平原湿地演化的影响[23]。但是，目前仍缺少连续的、长时间序列的、不同年份四季的湿地演化特征及其影响因素研究。因此，本文基于遥感解译方法对2000—2018年间每个季节江汉平原湿地的演化特征进行了研究，一方面探索江汉平原近期湿地面积的变化情况，另一方面由于在此时间段内江汉平原完成了三峡工程、南水北调工程以及其他生态修复工程，还探索大型水利工程对江汉平原湿地面积变化的影响，并进一步结合降水量、地表水水位和地下水水位的动态变化以及人类活动来探讨江汉平原湿地演化的控制因素，以为区内湿地保护提供依据。

1 研究区概况

江汉平原位于湖北省中南部，属于长江中游地区，是长江与汉江冲积而成的平原。江汉平原西起宜昌，东至武汉，北抵大洪山麓，南部与洞庭湖平原相连，是长江中下游平原的重要组成部分。江汉平原地理位置介于北纬29°26′～31°37′、东经111°14′～114°36′之间，在行政区划上主要包括天门市、潜江市、仙桃市、荆州市、监利市、洪湖市等，面积约为4.5万km2。江汉平原地势总体上由西北向东南逐渐变低，湖泊洼地多集中在江汉平原东南部，见图1。

图1 江汉平原地形与水系分布图Fig.1 Topography and water system of Jianghan Plain

江汉平原处于北亚热带向中亚热带过渡的地区，属于亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛。江汉平原年平均气温为16℃，其中1月份气温最低，月平均气温为1～5℃，7月份气温最高，月平均气温为27～30℃。该地区降水充沛，年平均降水量约为1 164 mm，降水多集中在6～8月份[24]。

江汉平原河网密布，湖泊星罗棋布，水资源丰富。长江是我国最大的河流，汉江是长江最长的支流，对于江汉平原地下水的补、径、排有着重要的作用。该地区湖泊众多，多集中在江汉平原东南部，其中较为重要的有洪湖、长湖等湖泊湿地。

研究区第四纪地层从上至下分别为全新统郭河组(Qhg)、上更新统沙湖组(Qp3s)、中更新统江汉组(Qp2j)、下更新统东荆河组(Qp1d)，地层主要以冲积物、冲洪积物、湖积物为主，其岩性主要为粉土、黏土、砂砾石，第四纪孔隙含水岩组的隔水底板主要由下部新近纪碎屑岩构成。江汉平原第四纪孔隙水可分为浅层孔隙潜水、中层孔隙承压水和深层孔隙承压水，地下水水位埋深为1～4 m，由于区内地下水的补给、排泄与地表水系的联系紧密，受地势的影响，研究区内地下水的总体流向为由西北向东南流动，在地势低洼的湖泊和河流处排泄[25]。

江汉平原发达的地表水资源为地下水径流提供了良好的条件，深厚的第四纪地层构成了良好的地下水库，使得江汉平原拥有着丰富的地下水资源。由于地下水与地表水之间存在着复杂的水力联系，起着互补调节的作用，从而促进了江汉平原湿地的发育。

2 遥感数据来源与研究方法

2.1 遥感数据来源与处理

本研究所使用的遥感数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)，其中2000—2011年的遥感影像使用的是Landsat-5 TM卫星数字产品， 2012年的遥感影像使用的是Landsat-7 ETM卫星数字产品，2013—2018年的遥感影像使用的是Landsat-8 OLI_TIRS卫星数字产品。其中，Landsat-5卫星工作时间为1982—2011年，其携带的传感器为Landsat主题成像仪(TM)；Landsat-7卫星于1999年4月开始工作，其携带的传感器为增强型主题成像仪(ETM+)，但2003年5月31日Landsat-7 ETM+机载扫描行校正器(SLC)突然发生故障，导致数据发生异常，所获取的遥感图像出现数据重叠和数据丢失，遥感图像产生白色条带；Landsat-8卫星于2013年2月开始工作，其携带的两个传感器分别为陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS)。Landsat-5 TM、Landsat-7 ETM和Landsat-8 OLI_TIRS卫星数字产品说明，详见表1至表3。

表1 Landsat-5 TM卫星数字产品说明Table 1 Product description of Landsat-5 TM

表2 Landsat-7 ETM卫星数字产品说明Table 2 Product description of Landsat-7 ETM

表3 Landsat-8 OLI_TIRS卫星数字产品说明Table 3 Product description of Landsat-8 OLI_TIRS

本文获取了江汉平原2000—2018年每年3、6、9和12月份的遥感影像，每一期影像一般由4、5景遥感影像数据所组成。使用的遥感影像尽可能选择无云或少于10%云层覆盖，便于解译分析。

本文采用ENVI 5.2软件进行遥感影像处理。在地理空间数据云上获取的遥感影像虽然已经进行了几何校正，但是仍需要对遥感影像进行进一步处理，对遥感影像数据的预处理主要包括辐射校正、大气校正、影像拼接与裁切等操作。

由于2003年5月31日Landsat-7 ETM+ SLC突然发生故障，导致获取的遥感图像出现数据重叠和大约25%的数据丢失，主要表现为遥感图像出现白色条带，如图2(a)所示。这些白色条带的产生直接影响了遥感影像数据的质量和精细度，不利于对遥感图像的进一步处理。因此，本文使用ENVI 5.2软件中的landsat_gapfill插件对遥感影像进行了修复。

图2 去条带前后的遥感图像Fig.2 Remote sensing image before and after filling the gap

徐涵秋[26]的研究表明，利用中红外波段和绿色波段构成的改进的归一化水体指数(MNDWI)可用于快速、准确地提取水体信息。由于江汉平原面积广大，地形复杂，本文采用计算MNDWI的方法计算江汉平原的湿地面积，可以消除地形差异、城市建筑等的影响，从而提高提取水体信息的精度。MNDWI的计算公式如下：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(1)

式中：Green分别对应TM/ETM+影像的波段2(0.52～0.60 μm)和OLI影像的波段3(0.53～0.59 μm)；MIR分别对应TM/ETM+影像的波段5(1.55～1.75 μm)和OLI影像的波段6(1.57～1.65 μm)。

水体的 MNDWI 值通常为正值，非水体地物的 MNDWI 值通常为负值，统计MNDWI为正的色块数量总和，并乘以色块的单位面积，所得的结果即为湿地面积。

本研究所使用的气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)，主要使用的数据为中国地面气候资料日值数据集，其中包含了江汉平原多个基准、基本气象站1951年1月以来气温、降水量、蒸发量、气压、湿度等要素的日值数据。本次研究所使用的数据为江汉平原2000—2018年每日20时累计降水量数据。

本研究所使用的地表水数据来源于湖北省水文水资源中心(http://sw.hubeiwater.gov.cn/)，该网站提供的湖北省常用水情报表包括湖北省全部湖泊、河流、水库等地表水每日0～8时水位、流量、水势等信息。本次研究所使用的数据为江汉平原2000—2018年每日8时的水位和流量数据。

2.2 研究方法

本研究中关于湿地面积、降水量、水位等变化趋势分析采用的方法为季节性肯达尔检验法。季节性肯达尔检验法[27]是通过将相同月份的数据按时间顺序排列，并前后两两比较来分析其变化趋势。该方法适用于存在季节性变化的数据检验，能够降低数据资料中“漏测值”和周期性特征造成的影响，可提高趋势分析的准确性。在本研究中，江汉平原湿地面积数据为2000—2018年每季度数据，降水量、水位等数据为日数据，由于这些数据都存在明显的季节性周期变化，因此采用季节性肯达尔检验法对江汉平原不同季节湿地的演化特征进行分析。

3 江汉平原湿地演化特征分析

图3为2000—2018年间江汉平原不同季节湿地遥感解译较好的图幅,图中白色部分为湿地，黑色部分为非湿地。

由图3可见，在空间上江汉平原东南部的湿地面积明显要大于西北部，这可能是由于东南部地势相对较低、平坦，一方面容易收集降水和地表径流补给，另一方面东南部地区为江汉平原地下水主要的排泄区，湿地也有可能得到地下水的补给。

图3 2000—2018年基于遥感解译的江汉平原湿地随时间的演化分布图Fig.3 Area of the wetland evolution over time in Jianghan Plain based on remote sensing interpretation from 2000 to 2018注：由于2005年9月的遥感影像质量较差，参考价值不大，因此选择距离2005年9月时间最近的2005年6月的遥感影像。

此外，长湖湿地和洪湖湿地是江汉平原上分布较大的两个湖泊湿地，而且分别位于江汉平原的西北部与东南部，具有很好的代表性，因此本文将选择江汉平原湿地以及江汉平原的典型湿地(洪湖湿地、长湖湿地)来全面分析江汉平原湿地的演化特征及其控制因素。

根据2000—2018年间江汉平原湿地多期遥感数据，可计算得出江汉平原湿地的面积。由于三峡水电站于2009年全部完工，引江济汉工程于2014年9月26日正式通水，因此本文以2009年和2014年为节点，分别研究2000—2008年、2009—2013年、2014—2018年各时间段内江汉平原湿地面积的变化趋势，其结果见表4和图4。

表4 2000—2018年江汉平原湿地面积数据的季节性肯达尔检验结果Table 4 Results of seasonal Kendall test for the wetland area of Jianghan Plain wetland

图4 2000—2018年江汉平原湿地面积的变化图Fig.4 Changes in water surface area of Jianghan Plain wetland from 2000 to 2018

由表4和图4可知，江汉平原湿地在2000—2008年间总体上呈现出面积减小的趋势，在2009—2013年间总体上呈现出面积增加的趋势，在2014—2018年间总体上仍呈现出面积增加的趋势。其中，江汉平原湿地在2011年秋季面积最大，为8 389 km2，约占研究区面积的18.6%；江汉平原湿地在2005年春季面积最小，为1 599 km2，仅占研究区面积的3.6%。

由于江汉平原面积较大，湿地分布较多，不同地区的湿地演化特征也有差异。洪湖湿地位于江汉平原东南部，主要是地下水的排泄区；长湖湿地位于江汉平原西北部，主要是地下水的径流区。根据2000—2018年间江汉平原洪湖湿地、长湖湿地多期遥感影像数据，可计算得出洪湖湿地、长湖湿地的面积，用来研究2000—2008年、2009—2013年、2014—2018年各时间段内江汉平原洪湖湿地、长湖湿地面积的变化趋势，其结果见表5和图5。

表5 2000—2018年江汉平原洪湖湿地和长湖湿地面积数据的季节性肯达尔检验结果Table 5 Results of seasonal Kendall test for the wetland area of Honghu Lake wetland and Changhu Lake wetland from 2000 to 2018

图5 2000—2018年江汉平原洪湖湿地和长湖湿地 面积的变化图Fig.5 Changes in water surface area of Honghu Lake wetland and Changhu Lake wetland in Jianghan Plain from 2000 to 2018

由表5和图5可知，洪湖湿地在2000—2008年间总体上呈现出面积增加的趋势，在2009—2013年间总体上呈现出面积减小的趋势，在2014—2018年间总体上仍呈现出面积增加的趋势；长湖湿地在2000—2008年间总体上呈现出面积减小的趋势，在2009—2013年间总体上呈现出面积减小的趋势，在2014—2018年间总体上呈现出面积增加的趋势。其中，洪湖湿地在2018年冬季面积最大，为807 km2，在2006年春季面积最小，为314 km2；长湖湿地在2006年冬季面积最大，为516 km2，在2006年夏季面积最小，为118 km2。但是长湖湿地面积变化与洪湖湿地面积变化略有不同，其变化趋势较不明显。

由上述研究结果可知，在2014—2018年间江汉平原湿地面积的变化规律与江汉平原典型湿地面积的变化规律基本相似，但在2000—2008年、2009—2013年时间段内其湿地面积的变化规律略有不同，说明大型水利工程对江汉平原湿地的演化具有一定的影响。

4 江汉平原湿地演化的控制因素分析

本文将以江汉平原典型湿地(洪湖湿地、长湖湿地)为重点，对江汉平原湿地演化的控制因素进行详细分析。

4.1 降水量的影响

江汉平原处于中亚热带向北亚热带过渡地带，属亚热带季风气候，大气降水可能为湿地的补给水源，降水量的大小可能对湿地的面积产生影响。当降水量增加时，河流湖泊蓄水量增加，水位上升，湿地面积也会随之增加；当降水量减小时，河流湖泊蓄水量减少，水位下降，湿地面积也会随之减少。

2000—2018年江汉平原洪湖湿地和长湖湿地降水量数据的季节性肯达尔检验结果见表6，其降水量和湿地面积的变化情况见图6。

表6 2000—2018年江汉平原洪湖湿地和长湖湿地降水量数据的季节性肯达尔检验结果Table 6 Results of seasonal Kendall test for precipitationdata in Honghu Lake wetland and Changhu Lakewetland in Jianghan Plain from 2000 to 2018

图6 2000—2018年江汉平原洪湖湿地和长湖湿地月 降水量与湿地面积变化图Fig.6 Changes of monthly precipitation and wetland area in Honghu Lake wetland and Changhu Lake wetland in Jianghan Plain from 2000 to 2018

由表6和图6可知，洪湖湿地的降水量在2000—2008年间和2009—2013年间无明显升降趋势，而在2014—2018年间呈下降趋势，与洪湖湿地面积的变化趋势相反；长湖湿地的降水量在2000—2008年间和2014—2018年间无明显的升降趋势，而在2009—2013年间呈上升趋势，说明降水并不是洪湖湿地和长湖湿地的主要控制因素。

4.2 大型地表水体的影响

在江汉平原地区，地表水也是影响湿地演化的控制因素之一。洪湖湿地和长湖湿地分别位于内荆河的下游和上游，据实际调查，长湖湿地上游内荆河流域是江汉平原湖区水利建设的重点地区，1950—1985年间共建了6条干渠、138条支渠，兴修了14处一级电力排泵站、571处二级电力排水站，可以有效地改善长湖湿地现状，使得长湖湿地面积的年内和年际变化都相对稳定(见图5)；2014年后，三峡大坝使得长江在宜昌水文观测点的水位值呈现上升趋势，引江济汉工程使得汉江水位和东荆河水位呈现上升趋势，这可能会造成江汉平原河流面积增加，进而导致江汉平原湿地面积增加；而洪湖湿地与东荆河具有密切的水力联系，长湖湿地与长江具有密切的水力联系，这些大型地表河流水位的变化也会控制湿地的演化，影响湿地水位，进而表现为湿地面积发生变化。如在2009—2018年间洪湖湿地面积与东荆河水位呈现出同样的变化趋势，如在2000—2018年间长湖湿地面积与长江水位(宜昌站)、汉江水位呈现出同样的变化趋势，但是在2000—2018年间洪湖湿地面积与长江水位(监利站)出现了不一致的变化趋势(见表7和图7)，因此洪湖湿地演化可能还受其他因素的控制。

表7 2000—2018年江汉平原大型地表河流水位数据的季节性肯达尔检验结果Table 7 Results of seasonal Kendall test for water levelof surface water from large-scale rivers inJianghan Plain from 2000 to 2018

图7 2000—2018年江汉平原大型地表河流水位与湖泊 水位的变化图Fig.7 Change of water level of surface water from large- scale rivers and lakes in Jianghan Plain

4.3 地下水水位的影响

江汉平原地下水水位高值区位于区内西、西北和正北方向，地下水水位低值区位于江汉平原腹地，地下水总体流向由西北流向东南[28]。长湖湿地在江汉平原位于地下水的补给径流区，受地下水排泄补给的可能性很低，所以地下水水位的变化对其影响可能较弱；而洪湖湿地位于地下水的排泄区，该湖泊湿地很有可能接受地下水排泄补给，从而地下水水位的变化会影响到洪湖湿地面积的变化。如图8所示，由前人研究得出的2000—2013年洪湖湿地Ⅱ 1-1孔地下水水位年平均数据[29]可以看出，洪湖湿地地下水水位总体上呈现下降的趋势，这可能会造成地下水向湿地排泄水量的减少，这可能也是导致洪湖湿地在2009—2013年呈现面积下降趋势的原因。由于本研究遥感解译手段的精度有限，解译出的湿地面积为自然湿地面积和人工湿地面积的总和，而地下水水位对自然湿地面积的影响较大，导致大部分年份湿地面积与地下水水位的变化规律不符。此外，人为因素是控制洪湖湿地面积变化的重要因素，这将在下面进行阐述。

图8 2000—2013年洪湖湿地Ⅱ 1-1孔地下水水位年 平均值[29]Fig.8 Annual meun groundwater level change in Honghu Lake wetland Ⅱ 1-1 location from 2000 to 2013[29]

4.4 人类活动的影响

除了个别年份外，长湖湿地面积的年内和年际变化均较小，证明长湖湿地水的补给来源比较稳定。第4.2节讨论也表明，长湖湿地上游水电站的兴建对湿地的来水量有重要的调蓄作用，从而使得长湖湿地面积和水位的变化都较小。人类活动对江汉平原湿地面积动态变化具有重要的影响。郑望春[30]的研究表明，江汉平原早在南宋时期已经开始开垦围田，形成最早期的“垸田”。到了20世纪50年代，江汉平原大规模的“围湖造田”、“围网养鱼”等活动使得江汉平原自然湿地面积显著减少，人工湿地面积显著增加。然而在1998年长江特大洪水灾害后，我国开始实施“平垸行洪、退田还湖”政策，使得江汉平原湿地退化状况得以改善。洪湖湿地在2014—2018年间呈现面积上升的趋势可能是由于2015—2017年间洪湖地区实施了拆除洪湖围栏围网的工作，2017年12月验收工作显示，拆围面积约125 km2[31]。长湖湿地在2014—2018年间同样呈现面积上升趋势，一方面可能是由于2015年7月长湖地区启动了湖泊生态恢复工程[32]，另一方面可能是由于引江济汉工程同样为长湖湿地提供了补给水源。

5 结 论

本文以江汉平原湿地、洪湖湿地和长湖湿地2000—2018年多期遥感影像数据为数据源，结合江汉平原气象数据、地表水水位和地下水水位数据，分析江汉平原湿地演化特征及其控制因素，得到如下结论：

(1) 通过江汉平原湿地的遥感影像，可以直观展现出江汉平原湿地在空间上的分布特点。可能是两方面原因造成的：江汉平原地势西北高、东南低，东南部地区湿地容易受到降水和地表径流的补给；江汉平原东南部为整个江汉平原的地下水排泄区，湿地可能得到地下水的补给。

(2) 通过对江汉平原湿地面积的计算以及湿地面积数据的季节性肯达尔检验，分析了江汉平原湿地的演化特征，结果显示：江汉平原湿地在2000—2008年间呈现面积减小的趋势，而在2009—2013年间和2014—2018年间呈现面积增大的趋势。为了解江汉平原典型湿地的演化特征，本次研究又分别计算了洪湖湿地和长湖湿地的面积，结果显示：2000—2008年间洪湖湿地与长湖湿地面积的变化规律相反，而2009—2018年间洪湖湿地与长湖湿地面积的变化规律相似。

(3) 结合洪湖、长湖地区多年气象数据以及地表水水位数据和地下水水位数据，综合分析了江汉平原湿地演化的控制因素，结果表明：对于洪湖湿地而言，降水不是最主要的控制因素，地表水和地下水对洪湖湿地的演化有重要影响，而退垸还湖等人类活动也是一个重要的控制因素；对于长湖湿地而言，长期稳定的降水是维持湿地面积稳定增长的一个重要因素，同样引江济汉工程和湖泊生态恢复工程等人类活动也是影响长湖湿地演化的重要控制因素之一。