天津市宁河湿地资源动态变化及生态环境影响分析.docx

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天津市宁河湿地资源动态变化及生态环境影响分析

天津市宁河湿地资源动态变化及生态环境影响分析

仰满荣

摘要：

基于遥感、GIS技术和景观生态学方法，以天津市宁河县为研究区域，在1987年和2005年的TM、ETM遥感数据为信息源的基础上，定量分析了天津市宁河湿地资源动态变化。

结果表明：

湿地类型的整体构成发生了剧烈变化，自然湿地的面积减少了37.42%、斑块减少了124块，人工湿地的面积增加了14606.2hm2。

多样性指数和均匀性指数呈降低趋势，优势度指数和破碎度指数呈增加趋势。

人为活动是近20年宁河湿地资源动态变化的主要驱动力，天然湿地面积的减少及湿地类型的改变引起地下水文条件的恶化，导致湿地水源逐渐枯竭，湿地资源的变化破坏了生物多样性。

1前言

湿地是地球生态环境中的一个独特生态系统，具有分散洪水、涵养水源、净化环境、调节气候、维护生物多样性、保持区域生态平衡等多种生态功能，是人类的重要生存环境之一[1～4]。

但是近年来随着人口的持续增长与土地资源紧缺之间的矛盾日益突出，人类活动的加剧导致全球湿地环境遭到严重的人类干扰和破坏，进而加速了全球气候和生态环境进一步恶化，引发了一系列的生态环境问题，因此，湿地的动态变化及其对生态环境的影响研究已成为当今国内外专家探求的热点课题[5～9]。

天津市宁河湿地的核心区七里海，一直是国内外专家关注的焦点，不同学者从资源、环境变迁、鸟类及蛾类变化、生态系统的退化及修复等方面进行了大量的研究[10～14]，从战略意义上分析了保护七里海湿地的重要性。

前人大量的研究多注重湿地的资源和环境现状问题，较少利用新技术或方法（特别是遥感与地理信息系统技术）揭示过去几十年来宁河湿地的变化过程，也较少利用多年气象、水文资料和人类活动引起的土地利用变化对宁河湿地生态环境的影响进行分析研究。

本文中利用1987年和2005年两个时段的卫星数据，结合多次野外实地考察，借助于遥感和地理信息系统技术，提取不同时期宁河湿地的各类信息，并利用景观生态学的理论与方法，定量分析了宁河湿地近20年的动态变化特征。

在此研究的基础上，分析了湿地资源变化的驱动机制及对生态环境的影响，为合理开发和保护湿地资源、实现生态县建设目标提供有力支持。

2区域自然地理特征

天津市宁河县位于渤海平原及海河水系北四河（蓟运河、潮白河、北运河、永定新河）的下梢区,地势低平开阔，水系发达，河渠密布，湿地资源非常丰富，境内七里海湿地是1992年经国务院批准建立的天津古海岸与湿地国家级自然保护区的核心区，属典型的古泻湖湿地生态系统[12]（图1）。

大陆性气候特点十分明显，属温带半湿润大陆性季风气候。

春季干旱少雨，夏秋炎热多雨;冬季寒冷风大。

1987～2004年，年均降雨量549mm，比1987年以前的20年平均降雨量（620mm左右）要小，年均蒸发量为1623mm，比1987年以前的20年平均蒸发量（1520mm左右）要大。

由于地貌上为冲积平原前缘与滨海平原交错带，故目前宁河县的洼地、湿地以两种形态表现：

一种是在蓟运河凹岸一侧，因河水泛滥而形成的决口洼地、河流扇间洼地，目前多为鱼塘、芦苇地，或开垦为农田种植棉花等。

另一种是在海退阶段相对稳定时期被砂咀或离岸堤封闭或半封闭的古海湾逐渐形成的古泻湖。

洼地地势低洼，土壤疏松湿润，以粘性土为主，地下水位浅，土壤盐渍化较为严重。

此外，近年来，由于过量开采地下水，形成地面沉降区，在局部地段形成沉降洼地。

湿地中水生生物科目繁多，是珍稀和濒危野生动物迁徙、栖息和繁殖的基地，其中“七里海”是渤海鱼类饵料供应地之一，同时，湿地还具有泄洪、滞洪、调节小区域气候的作用[15]，具有极为重要的生态意义。

3湿地空间信息获取

《湿地公约》给出了湿地的定义；“湿地是指天然或人工的、永久性或暂时性的沼泽地、泥炭地和水域,蓄有静止或流动、淡水或咸水水体,包括低潮时水深浅于6米的海水区”。

按照这个定义，湿地应包括沼泽、泥炭地、湿草甸、湖泊、河流、滞蓄洪区、河口三角洲、滩涂、水库、池塘、水稻田以及低潮时水深浅于6米的海域地带等。

狭义的定义通常把湿地视为生态交错带，是陆地和水域之间的过渡区域，由于土壤浸泡在水中，所以特征植物得以生长（eg.IBPWorshing-ton,1976,Cowardinet.a11979;Denny,1985）①。

宁河县地质构造单元属于新华夏构造体系第二沉降带的华北沉降北部。

根据广义的湿地定义，宁河县的湿地资源是非常丰富的。

但实际上，由于河流变迁，人类活动以及自然气候条件的影响，历史上的洼、淀、坑、塘真正保持一定水量的已经不多，取而代之的是大量的人工运河、水渠、水库、养殖池等。

因此，本文遥感湿地信息的提取，只考虑宁河县相对狭义的湿地解译，即不包括季节性赋水洼地，只以图像上反映出的水面面积为准。

本文湿地信息提取是以Mapgis6.7和ENVI4.0为数据处理平台,以1987年3月27日和2005年4月13日美国陆地卫星TM、ETM数据作为主要数据源,以宁河1∶5万地形图及宁河县行政区划图等相关资料作为辅助信息，在ENVI环境下，依据地物含水性不同所表现出的光谱特征差别，对TM、ETM数据进行了增强及变换处理，提取出天津市宁河湿度信息，然后用非监督分类方法，对湿度图进行了计算机分类，初步划分湿地类型，最后根据不同类型湿地形态和空间分布特征，经人机交互方法修正分类图，最终得到宁河湿地两个年代的湿地分布图。

在Mapgis6.7环境下，运用GIS空间分析模块，对天津市宁河县1987年和2005年面积≥1hm2湿地分布情况进行了空间统计分析，其结果见图2和表1。

4动态变化指标体系构建

湿地是一种典型的生态交错带，具有缀块镶嵌或异质性的时空特征。

本文将湿地资源类型看作是不同类型的景观斑块，整个研究区看作一个景观生态系统，利用景观格局研究方法对天津市宁河湿地资源空间格局进行研究，通过空间格局指数的变化，分析研究区湿地资源的空间格局变化。

本研究选取景观格局研究指数[16~19]中较为常用的几个指标，对区内湿地景观的空间特征进行分析研究，主要的指标简述如下：

4.1多样性（diversity）指数H

湿地多样性指数的大小反映湿地资源类型的多少及各类型所占比例的变化。

当湿地资源类型为单一类型时，湿地资源空间分布是均质的，其多样性指数为0，由两个以上类型构成的湿地景观，当各类型所占比例相等时，湿地资源的多样性指数最高，当类型所占比例差别增大，则多样性指数下降。

选Shannon-Weaver的景观多样性指数公式计算：

H=

（pi）Ln（pi）（4-1）

其中,H为湿地资源多样性指数，m为研究区湿地资源类型数目,pi为第i类湿地资源类型所占的面积比例。

4.2均匀度（evenness）指数E

均匀度表示湿地资源各类型的分配均匀程度，均匀度指数越大，表明湿地资源各类型分配越均匀。

计算公式为：

E=H/Hmax（4-2）

Hmax=Ln（m）（4-3）

H=-Ln

Ln（pi）2（4-4）

其中，E为湿地资源均匀度指数，m为研究区湿地资源类型数目，Hmax为给定丰富度m条件下景观最大可能均匀度。

4.3优势度（dominance）指数D

优势度指数表示湿地资源多样性对最大多样性的偏差。

表明湿地资源类型组成中某种或某些

类型支配的程度。

计算公式为:

D=Hmax+

（pi）Ln（pi）（4-5）

式中，pi为湿地资源类型i所占面积比例，m为研究区湿地资源类型个数。

优势度指数大，表明各

湿地资源类型所占比例差别大，其中某一种或某几种湿地资源类型占优势，优势度指数小，表明各类型所占比例相当。

优势度指数为0，即H=Hmax时，表明各湿地资源类型所占比例相等，没有一种类型占据优势。

4.4破碎度（fragmentation）指数FNt

破碎度指数是利用斑块数量与工作区或样地面积构造的一类景观结构指数，反映了湿地资源本身的自然状况和人为改造对湿地资源影响因素的干扰程度。

计算公式为：

FNT=

（ni/A）（4-6）

其中，FNt为湿地资源破碎度指数，A为总面积，ni表示景观类型i的斑块总数。

5结果分析

根据湿地资源空间格局变化表征模型，经过计算获得天津市宁河县湿地资源空间格局指数表（表2）。

另外，根据信息提取结果获得湿地类型结构图（图3）。

5.1湿地类型结构变化分析

根据图3和表2可以发现，研究区湿地类型的整体构成发生了剧烈变化，人类干扰大大加强，自然湿地的面积、比重和斑块显著减少，人工湿地的面积、比重和斑块大增，如池塘和养殖池的比重与面积都大大增加，特别是养殖池的面积增加了近8倍，人工池塘的面积也从1987年的0hm2增加到2005年的4160.4hm2。

1987年自然湿地斑块共347个，到2005年减少为223个，一些面积较小的湿地因气候干旱而干旱化、盐渍化。

2005年斑块面积仍然减少，但斑块数量大增。

研究时段内，湿地斑块的规模逐渐缩小，1987～2005年，坑塘最大斑块面积由79.3hm2降为48.9hm2，减小了30.4hm2，有水洼地最大斑块面积由770.2hm2降为553.46hm2减小了216.7hm2，养殖池最大斑块面积由277.8hm2增加为2502.1hm2，增加了2224.3hm2，表明人类活动增强。

5.2湿地类型空间分布均匀化分析

从多样性指数来看，1987年的湿地资源多样性指数为0.7541下降到2005年的0.7304，表明各湿地类型所占的面积比例差异增大，增加了另一种湿地类型或向某种湿地类型聚集，并转化成一种占优势的湿地资源类型，从而使得各类型所占面积差别增大，例如养殖池湿地面积比例大大增加，而坑塘湿地、洼地湿地和泻湖湿地的比重减少，使得各类型的面积比重差异增大，趋向不均匀化。

从均匀度指数来看，1987年的湿地资源均匀度指数0.8412，下降到2005年0.7027,表明相对于1987年来说，2005年的湿地资源类型分配不匀，比例结构悬殊较大。

从表中可以发现均匀度指数与多样性指数规律性趋同。

对优势度指数研究表明，2005年的优势度指数

相对于1987年增加了0.0817，表明2005年的湿地资源分布中，有一种或几种湿地类型占据优势，例如2005年养殖池湿地和人工池塘湿地优势状态增大，面积比例差别增大。

进一步说明人工湿地资源分布趋向不均匀化。

5.3湿地类型破碎化分析

由表2可知，1987年研究区湿地共有斑块数600,随着湿地总面积的增加，2005年湿地斑块数增加到762,其中养殖池的斑块数增加较大,从总的趋势看并不能说明湿地破碎化程度的改变。

但是，1987～2005年，研究区自然湿地面积减少，但其总的斑块数却增加了162，说明研究区自然湿地随着人类活动的影响碎裂化加重。

对天津市宁河湿地资源破碎度指数研究表明，2005年湿地资源的破碎度指数大于1987年湿地资源破碎度指数，增大了0.001，说明宁河县整个景观的破碎化程度随时间变化而在增加，各类景观受人类活动的干扰在增强，湿地景观的异质性在逐渐加大，整体上斑块的连通性在降低，进一步体现了天津市宁河湿地资源类型由集中分布到分散分布变化的状态。

从以上分析我们可以看出：

各湿地资源空间格局指数之间彼此参证，互为补充。

各指数充分说明天津市宁河湿地的空间格局发生了变化，湿地的碎裂化程度加重，湿地资源进入相对不均匀分布的状态。

进一步说明天津市宁河湿地类型之天然湿地面积和比重的减少，人工湿地趋向优势的空间格局。

6动态变化及对生态环境的影响

湿地在抵御洪水、调节径流，改善气候、控制污染,美化环境和维护区域生态平衡等功能方面有着其它系统所不能替代的作用，被誉为“地球之肾”、“生命的摇篮”、“文明的发源地”和“物种的基因库”。

天津宁河湿地资源的变化带来一系列的生态环境问题，主要表现在以下几个方面：

6.1湿地资源动态变化的驱动机制

天津市宁河县湿地资源的变化主要表现为天然湿地不断减少，人工湿地逐年大增。

1987年研究区共有天然湿地12532.1hm2，人工湿地5253.4hm2，而到了2005年，自然湿地面积为9798.6hm2，人工湿地面积达19859.6hm2。

18年期间，自然湿地减少2733.5hm2，人工湿地增加了14606.2hm2，而该研究区1987年的人口为30万，2003年的人口为36万，增加了6万，1987年国民生产总值为5.6亿，2003年国民生产总值为80.6亿元。

在人口增加和区域经济发展的双重压力下，一方面致使天然湿地大面积退化和丧失及转型。

例如，1987年养殖池面积为1330.5hm2，增加了8倍多，2005年遥感图像上解译出的养殖池有284块，面积达11677hm2。

经过民访得知，小部分养殖池是由一些闲置坑塘改造而成的，大部分是由许多季节性赋水洼地开发利用来的，从而使湿地补给水源减少，湿地植被退化，生物链被彻底破坏。

另一方面随着天然湿地减少，湿地涵养水源、维持区域生态平衡的功能下降，导致湿地调节水热状况、促淤保滩等生态功能被削弱。

上世纪七十年代，以“备战备荒”战略思想为主的开荒运动，使西七里海沼泽地大面积地改造为粮田，八十年代开始，东七里海围堤改造成水库。

1987～2005年间，人工池塘、养殖池分别增加了4160.4hm2、和11346.5hm2。

当然人工湿地面积的增加，在某些功能上补偿了自然湿地的净丧失。

但如何从根本上协调两者的增减关系，需要从整合社会、经济和生态三效益上进行考虑。

6.2对生态环境的影响

6.2.1湿地资源动态变化与地下水

湿地的自然存在与环境条件是密不可分的，特别是浅层地下水与湿地水文是相互作用，除反映在水量的互为补充、相互渗透外浅层地下水水质的变化对湿地水环境乃至其湿地生态系统有着十分重要的影响作用，在枯水期，低洼湿地以地下水补给为主。

从天津市宁河县年降雨量、年蒸发量与年开采量动态变化来看（图4），近20年变化中,地下水年开采量的大小与降雨量的大小有着明显的对应关系，降雨量小的年份，开采量明显上升，同样，降雨量大的年份，开采量明显下降。

1994～2003年的开采量远远大于多年平均开采量。

地下水的年开采量的大小与蒸发量的大小没有明显的对应关系，但蒸发量远远大于降雨量。

而据大量资料显示[20]，从1987年到2004年地下水水位动态曲线全区总体呈下降趋势，以芦台镇为中心的降落漏斗迅速扩大，与汉沽降落漏斗连成一体。

由于降落漏斗的加速扩大，造成地面沉降量加速，地势的超平现象也使得洼地调蓄能力减弱。

由此可见，经济发展带动城市化进程加快和人口大幅增长,地下水被大量开采，水位下降，且蒸发量大于降雨量，天然湿地萎缩，范围减小，水量降低。

地下水的开采，引起地面沉降，形成沉降洼地，补偿部分天然湿地的净丧失，但洼地的形成速率远远跟不上湿地萎缩率。

从图2也体现上面的论述，1987年宁河县的湿地主要集中在东北部和西南部，沿三条主要河流（蓟运河、潮白新河和永定新河）两侧分布，中心部分湿地很少，2005年东北部湿地明显减少，中心部位及西南部湿地明显增多。

反过来，天然湿地面积的减少，湿地涵养水源功能下降，导致地下水的补给减少，势必加大地下水的开采力度。

总之，地下水的开采与湿地面积之间存在着反相关，天然湿地面积的减少及湿地类型的改变，湿地水源逐渐枯竭。

当然，年内降雨量以及遥感数据的接收时间对湿地面积的统计也有很大的影响，本文的遥感数据在3、4月期间，可比性较强。

湿地为低洼地，随着区内经济的发展，成为大量工农业废水、生活污水的排放地,造成严重的水质恶化，水质功能价值减少，威胁到湿地生物的生存和发展。

1989～1995年,北京大量污水下泄和引蓄排污河污水，造成宁河县造甲城乡一带养鱼池死鱼,河道内鱼虾死亡等。

;1993年董庄镁肥厂酸管破裂，造成大陈庄村十几亩菜地死苗。

七里海湿地芦苇面积由20世纪50年代7168hm2下降到现在的3600hm2。

湿地庞大而脆弱的生物群落就会失去赖以生存的基础，湿地巨大的水质功能价值将丧失。

据实地调查,丰台镇一带的酿造厂、制盐业、造纸业的排污已使浅层水局部污染。

6.2.2对生物多样性的影响

天津市宁河湿地，是我国北方暖温带的生态系统，是世界上生物多样性较丰富的地区之一，蕴藏着极其丰富的生物资源。

据研究[12、13、21],宁河湿地有水生湿生微管束植物12个群落66种，浮游植物80，以芦苇群落为主，间有水葱、香蒲等水生植物群落和沼泽草甸植被。

本区记载的浮游动物120种，底栖动物70种，鱼类60种，蛾类198种。

另外，鸟类有16目34科，约200种，这些鸟中有典型的沼泽湿地鸟类，如鸬鹚、雁、鸭、天鹅、骨顶等水禽约60种，鹬、鹭、鹳、鹤等涉禽约70种。

其中属于国家一级保护动物的有白鹳、黑鹳、丹顶鹤、白鹤、大鸨等9种，属于二级保护动物的有大天鹅、小天鹅、游隼、燕隼、灰鹤、白枕鹤等13种。

拥有丰富的多样性生物资源的宁河湿地，为各种鸟类提供了丰富的食物来源和营巢、避敌的良好条件，是观赏各种珍稀鸟类不可多得的生态旅游胜地，其中宁河湿地的核心区七里海湿地，已规划为国家级湿地保护区，是进行湿地科研与保护意识教育的重要基地。

自然湿地面积的减少，湿地类型结构比例的变化，植物群落严重衰颓，香蒲、水葱、荆三棱和水蓼等一些主要代表种，都已基本形不成群落，芦苇的长势也严重衰退，生物生境受到破坏，在一定程度上破坏了植物多样性。

据实地调查，西七里海苇地中，有大量的地块被人工改造成经济植物地块，对原生态湿地产生了较大的破坏作用。

湿地碎裂化程度的加重以及由集中分布到分散分布状态的改变，造成湿地生态系统的破碎化和岛屿化，从而进一步影响到生活在该区的动物资源，破坏了动物物种的多样性。

洼地湿地、河道湿地等减少，滩涂、涉水芦苇消失，使生活在该区的生物类型由于不适宜新的生存环境而受到影响甚至灭绝。

人工鱼坑（塘）、虾蟹池等的大增,表明人类在滩涂湿地的活动加强，人类在滩涂活动干扰了鸟类栖息环境，造成鸟类及涉禽种类的减少，现在鸟类为180种[11]，原本常见的野兔、狐狸、貉子、黄勋、狗猫、豹猫等10余种哺乳动物现在己基本绝迹。

湿地积的缩减，使水生动物失去了天然的栖息地、产卵场和索饵场，湿地的原有结构发生改变，生物多样性严重丧失，水禽的栖息环境遭到破坏。

总之，湿地类型和面积的不稳定变化不仅使得食物链来源被切断，而且由于生存环境的不断恶化（如土壤盐渍化、湿地消失等），造成生态系统、生物种群和遗传多样性的丧失。

7结论

本研究通过对天津市宁河湿地信息的提取,湿地资源的动态监测及湿地资源变化对生态环境的影响研究，得出以下几点结论：

（1）利用遥感图像与GIS结合技术，对天津市宁河湿地状况进行了调查，得到了较准确的湿地类型与面积变化动态信息，即1987～2005年，天津市宁河天然湿地减少，人工湿地大增，总湿地面积增加了近1倍。

（2）以两个时期遥感数据为基础,利用景观生态学的有关理论与方法,分析了天津市宁河湿地资源空间格局的动态变化，结果显示:

湿地景观的破碎度增加，多样性和均匀度降低，优势度增加,说明人类活动对宁河湿地的干扰程度加大。

（3）在对宁河湿地动态监测的基础上，分析湿地资源变化的驱动机制及对生态环境的影响，认为人为活动破坏湿地生态环境，天然湿地面积的减少和湿地类型的改变引起湿地水文条件恶化，湿地资源的变化破坏了生物多样性。

总之，宁河湿地的生态环境面临很大的人为干扰压力，造成人工湿地面积大增，天然湿地减少，湿地的内部结构及状态发生了很大的变化，湿地的服务功能下降，湿地环境更加脆弱。

综上所述，湿地资源的可持续利用必须以保护湿地生态功能为前提,在此基础上实施湿地资源的开发利用。

致谢：

本文成文后，徐锡华教授级高工审阅了全文并提出修改意见，天津市宁河县国土资源规划局孔德贵处长提供了部分研究数据，在此一并致谢！

参考文献

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