基于遥感信息的三江平原农业开发对湿地水文调节功能影响

Remote sensing and GIS techniques are both increasingly valued as useful tools for providing large-scale basic information on ecosystem functions. It offers a cost efficient means for delineating wetlands over a large area at different points in time and can provide useful information of spatial heterogeneity and variability on wetland characteristics. In many cases, remote sensing data can partially replace the often time consuming and expensive ground surveys. Sanjiang Plain, as the lowest plain in eastern Heilongjiang Province, it embraces most concentrated and widely scattered marshlands in China. For agricultural reclamation, the wetlands continued to decline in area and deteriorate in functions currently. The aim of this study is to indicate that remote sensing techniques can be used to quantify the functions and values of wetlands. By taking Sanjiang Plain as study area, quantitative Remote Sensing combined with GIS and field surveys will be used to evaluate the water regulating function. Qualitative models and methods include SEBS (Surface Energy Balance System), split window algorithm, surface soil moisture model (NDVI-Ts index). Base on the analysis of the relationship between driving factors and characteristics of temporal and spatial variation of water regulating function, spatial statistical model (CLUE-S) will be used to simulate the future scenes of Sanjiang Plain. Carrying out this research could provide sufficient technical support and scientific basis to understanding of mechanism of wetland functions, local management of water resource and sustainable development of agriculture.

湿地生态系统水文调节研究是当前的热点，但目前的研究方法多局限于以点带面的静态评估，水文调节功能的动态性和时空异质性无法得到足够解释。建立基于定量遥感的湿地生态系统水文调节功能监测模型，可解决上诉难点问题，实现实时、准确的定量监测及深层次分析。三江平原是我国面积最大的沼泽湿地区，由于农业开发，导致大量沼泽湿地资源衰减和功能损失。本研究结合遥感、GIS和实地监测，应用地表能量平衡系统模型（SEBS)、地面温度模型、土壤水分模型和CLUE-S等模型，在区域尺度上定量、动态地监测三江平原湿地生态系统地表温度、土壤储水量、蒸发量等水文调节功能要素，结合水文数据，分析三江平原湿地生态系统水文调节功能时空变化机制及其分布特征，并分析在人口、农业开发等驱动力下的可能变化情景。开展本项研究对明晰研究区农业开发对湿地水文调节功能影响机制、合理利用区域水资源及农业可持续发展提供有效支持和科学依据。

摘要：本研究利用遥感反演模型并集成卫星数据，通过解译了解三江平原沼泽湿地时空动态，对三江平原2000至2015年生长季的地表温度、蒸散量和土壤水量进行反演，结合降水量数据，借助GIS技术对主要生态类型的耗水、水分盈亏和土壤水量状况进行分析。结果表明：经过近六十年的农业开垦，三江平原沼泽湿地面积比率由32.4%降为4.97%，沼泽湿地仅余54.1×104ha，总损失率为84.7%，损失速率为5.1×104ha/a；沼泽湿地，具有明显的温度调节作用，但由于沼泽湿地面积萎缩，其温度调节作用也在不断的弱化；林地、草地、沼泽湿地、旱田和水田生态系统，在2000年生长季的耗水量分别为456.6、431.7、393.7、359.4和346.5mm，在2010年生长季蒸发总量为451.9 ，432.2，367.3，371.4 ，362.7 mm。森林生态系统的蒸散量大于其他生态系统；在各生态系统中，水分盈余规律为旱地>水田>沼泽湿地>草地>林地。而在自然生态系统中，沼泽湿地水分盈余要明显高于林地和草地，因此，沼泽湿地具有得天独厚的蓄水功能；三江平原表层土壤（0-20cm）土壤含水量均值为54.4×108m3，对其影响最大的因素为降雨量。各生态系统中，林地土壤水分保持总量最高，历年均值达到18.68×108m3。土壤含水量仅次于林地的为旱地和水田，分别为16.27×108m3、11.17×108m3。而沼泽湿地的历年土壤含水量仅为4.4×108m3，尽管分布面积仅占整个平原区的4.97%，其保存的土壤水却依然占到总量的8.4%；通过生态位分布模型，本研究模拟了2050年不同气候情景下三江平原沼泽湿地分布，结果表明：在耕地不扩张不退耕的前提下，三江平原沼泽湿地在2050年RCP2.6情景下，将减少18.8×104ha，减少率为40.6%；在2050年RCP4.5情景下，将减少6.6×104ha，减少率为14.2%；在2050年RCP6.0情景下，将减少19.3×104ha，减少率为41.6%；在2050年RCP8.5情景下，将减少36×104ha，减少率为77.6%。因此，三江平原沼泽湿地的水文调节能力仍存在下降的风险，下一阶段三江平原沼泽湿地保护工作的重点，应在保护现有沼泽湿地的基础上，加强退耕还湿和湿地恢复，重视农业结构调整并发展人工湿地，这利于研究区沼泽湿地水文调节功能的恢复。