基于GIS的三江平原退耕还湿空间决策分析，本文主要内容关键词为：空间论文,GIS论文,江平论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：P208文献标识码：A文章编号：1000-0690(2009)06-0874-06
20世纪50年代以来，人类开始对三江平原进行的过度开发，使得沼泽湿地资源的数量和质量急剧下降，严重影响了三江平原的生态环境[1,2]。因此，有必要对重要湿地区域采取强制性措施，进行人工恢复（退耕还湿），使其发挥应有的环境功能，进而支撑区域农业的可持续发展。退耕还湿是指通过生态工程方法将一些无种植价值或种植价值不大的已开垦为农田的湿地进行恢复工作[3]。其目的就是在保护现存湿地的基础上，扩大湿地面积，保护生物多样性，将现有的低产田强制性退耕还湿，自然恢复湿地面貌，以充分发挥湿地功能[4]。为了科学实施退耕还湿，首先需知道退耕耕地的面积及其分布范围。如果通过实地调查的方法加以确定，不仅费时费力，还难以做到定量定位。近年来，遥感、地理信息系统技术的迅速发展，为快速、精确和综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析提供了良好的手段[5,6]。国内已有相关研究对退耕还湿的意义以及退耕还湿应遵循的理论与技术路线进行了初步探索[7,8]，但是目前尚缺乏退耕还湿空间决策的研究成果。本文以三江平原沼泽湿地恢复与重建为目标，在遥感、地理信息系统技术的支持下，对三江平原退耕还湿的范围及其空间分布进行研究，从而为退耕还湿的宏观规划、实施和管理服务。
1 研究方法
1.1 GIS数据平台的构建
1.1.1 土地利用数据
三江平原2005年土地利用数据由中巴资源卫星CBERS遥感影像数据进行人工目视解译得到，将研究区21种二级土地利用类型进行了归并处理，共分为7种类型进行统计分析，分别为：耕地、林地、草地、水域、城乡工矿用地、未利用地和沼泽湿地。课题组于2006年对2005年遥感数据解译结果，进行野外精度检验，各土地利用类型的总体解译精度约为92%，其中，农田的解译精度为94.2%，完全满足本研究的需要。
1.1.2 现有沼泽湿地缓冲区数据
从三江平原2005年的土地利用数据中提取出湿地，在ArcGIS 9.1数据处理平台下，利用DISTANCE命令生成最大距离为2km的距离缓冲区，然后利用RECLASS函数将距离缓冲区分为：0～1000m，1000～2000m两个缓冲带。
1.1.3 环境背景因子数据
(1)高程等级数据
本文通过获取三江平原90m分辨率的SRTMDEM数据，在ArcGIS 9.1数据处理平台下，利用RECLASS函数将高程分为：＜50m,50～80m,80～100m,100～200m,200～400m,400～700m,＞700m共7个等级。
(2)土壤类型数据
利用三江平原边界图，从黑龙江省1:100万的矢量化土壤图中裁减出属于三江平原的部分，为简化分析，将三江平原的土壤类型合并为以下7类，分别为：暗棕壤、草甸土、沼泽土、白浆土、黑土、水稻土、砂土。
(3)地貌类型数据
地貌图采用中国科学院长春地理所和东北师范大学地理系1986年编制的三江平原1∶25万地貌图，经扫描、数字化和制图综合后生成三江平原地貌图，为简化分析，将地貌类型进行合并分为：低河漫滩、高河漫滩、一级阶地、二级阶地、洼地、台地、湖滨漫滩、湖成阶地、低山和丘陵。
(4)河流缓冲区数据
利用校正的TM影像，主要以20世纪80年代中期的为准，在ARCVIEW GIS 3.1软件下勾画出主要河流，河流的选取标准为三级以上，然后转换成ARC/INFO的COVERAGE格式。在ArcGIS 9.1数据处理平台下，利用DISTANCE命令和RECLASS函数分别为线状河流作不同间距的缓冲区，河流缓冲区为：0～500m,500～1000m,1000～2000m,2000～3000m,3000～5000m。
1.1.4 耕地生产力数据
三江平原耕地生产力数据的计算方法，借鉴了国志兴等的研究成果[9]。NPP指绿色植物在单位时间和单位面积上所能累积的有机干物质，它能够以统一的尺度标准体现生态系统生产力，是很好的耕地生产力衡量指标，避免了以作物产量衡量耕地生产力时由于农业结构调整，作物品种变化等的干扰[10]。根据NPP距平百分率将2005年三江平原的耕地分为三类：低产耕地(＜-10%)、中产耕地(-10%～10%)、高产耕地(＞10%)。
以上数据被统一到同一坐标系和投影下。所采用的投影为等面积割圆锥投影，并采用全国统一的中央经线和双标准纬线，中央经线为东经105°，双标准纬线分别为北纬25°和北纬47°，所采用的椭球体为KRASOVSKY椭球体。所有数据都被统一成100m×100m栅格大小的GRID。
1.2 退耕还湿决策模型
退耕还湿的主要对象是低产的耕地，湿地植被作为隐域植被，有其适宜分布的水文、地貌、土壤等环境[2]，这是退耕还湿的理论根据。退耕还湿决策模型的构建主要是利用了GIS的空间分析功能，模型的描述见下图1。退耕还湿决策模型按照退耕的时序分为一级退耕还湿决策模型和二级退耕还湿决策模型，再根据退耕的指标，将一、二级退耕还湿决策模型分为单个指标的退耕还湿决策模型和复合处理退耕还湿决策模型，不同模型所对应的还湿指标不同（图1）。
2 结果与分析
2.1 耕地生产力结构
三江平原耕地生产力构成（见表1）。低产旱地的面积为127.7×
，占2005年总耕地面积的21.5%；低产水田的面积为18.68×，占2005年总耕地面积的3.15%。退耕还湿的对象为低产的旱地和水田，因此，从三江平原耕地生产力数据中提取出低产的旱地和水田数据。
2.2 退耕还湿空间决策分析
三江平原目前已成为我国重要的商品粮豆基地之一，如果进行一次性或短期内退出耕地恢复沼泽湿地具有较大困难，而且人力、物力、财力在短期内也难以满足退耕需求，因此退耕还湿必须逐步推进。既考虑到一些低产耕地还湿的紧迫性，又考虑到区域粮食生产，使退耕分级逐步进行。本文依据生态效益最大、经济发展与因地制宜等原则，将三江平原退耕还湿按照退耕的紧迫性分为两级。近期重点实施一级退耕还湿，中远期则重点实施二级退耕还湿。
2.2.1 一级退耕还湿空间决策分析
一级退耕还湿类型为优先退耕还湿的耕地。主要考虑的因子是低产的耕地（包括旱地和水田）、离现有沼泽湿地分布区以及河流的距离、地貌条件、土壤条件和高程等。
将低产的耕地数据分别与河流缓冲区、地貌类型、土壤类型、高程等级、现有沼泽湿地缓冲区等栅格数据进行栅格计算分析，利用单个指标退耕还湿决策模型（见图1）确定的退耕面积为：距河流500m范围内的低产耕地需要退耕，则退耕的面积为58787h
；地貌类型为低河漫滩的低产耕地需退耕，则退耕面积为386087h；土壤类型为沼泽土的低产耕地需退耕，则退耕面积为90036h；海拔高程小于50m的低产耕地需退耕，则退耕面积为58805h；距现有沼泽湿地分布区1000m范围内的低产耕地需退耕，则退耕面积为130172h。将以上确定的退耕面积直接相加，会导致部分重复计算。因此，将以上单个指标计算得到的退耕数据代入利用GIS建立的复合处理退耕还湿决策模型（图1），运用该模型计算得到低产耕地的还湿数据，统计其面积为525652h，占2005年三江平原耕地总面积的8.76%。将各指标下确定的一级退耕还湿数据以及一级退耕还湿复合数据与三江平原行政区数据进行空间叠加分析，得到各行政区一级退耕还湿数据，其结果见图2和表2。
图2 三江平原一级退耕还湿分布图
Fig.2 The distribution of returning farmland to wetland in the first order in the Sanjiang Plain
由图2和表2可知，位于黑龙江与松花江交汇处的同江市、富锦市，倭肯河流域的桦南县是一级退耕还湿的主要区域，退耕面积分别为58 701h、56787h和44726h，分别占一级退耕还湿区总面积的11.17%、10.8%和8.51%。满足一级退耕还湿条件的耕地，具有最适宜沼泽湿地恢复的水文、地貌、土壤和地形等条件，如果恢复成沼泽湿地可以取得较大的成效，是近期应重点实施的退耕还湿区。
2.2.2 二级退耕还湿空间决策分析
二级退耕还湿是在一级退耕还湿实施完后，为了进一步改善生态环境，而还需要进一步退耕的耕地。在一级退耕还湿空间分析的基础上，根据退耕还湿决策模型（图1），将低产耕地数据分别与现有沼泽湿地缓冲区、河流缓冲区进行栅格计算分析。就二级退耕还湿而言，有两种情况。①在满足耕地生产力为低产，距离河流500～1000m范围内耕地退耕，据此建立基于GIS的单个指标的退耕还湿模型，得到退耕面积为52128h；②在满足耕地生产力为低产，距离现有沼泽湿地分布区周围1 000～2000 m范围内的耕地退耕，据此建立基于GIS的单个指标的退耕还湿模型，则退耕面积为150577h。在单个指标退耕还湿的基础上，利用GIS构建空间复合处理的退耕还湿决策模型（图1），得到二级退耕复合数据，统计其面积为194029h，占2005年三江平原总耕地面积的3.23%。分别将以上分析结果与三江平原行政区数据进行空间叠加，得到各行政区退耕数据（见图3和表3）。
图3 三江平原二级退耕还湿分布图
Fig.3 Distribution of returning farmland to wetland in the second order in the Sanjiang Plain
由图3和表3可知，倭肯河流域的桦南县、依兰县，黑龙汀与松花江交汇处的同江市以及松花江沿岸的汤原县是二级退耕还湿的主要区域，还湿面积分别为23727h、19897h、22493h和19136h，占二级退耕还湿总面积的12.23%、10.25%、11.59%和9.86%。二级退耕还湿区位于现有沼泽湿地缓冲区、河流缓冲区一定距离的范围内，可以作为中远期退耕还湿的区域。在一级退耕还湿实施完成后，二级退耕还湿的执行，有助于已有沼泽湿地的集中连片，增大沼泽湿地斑块之间的连通性，对于沼泽湿地生物多样性保护、均化洪水、调节气候等重要功能的发挥，将有很大的促进作用。
3 结论与讨论
就整个三江平原而言，一级退耕还湿耕地的面积为525652h，占2005年三江平原总耕地面积的8.76%。二级退耕还湿耕地的面积为194029h，占2005年三江平原总耕地面积的3.23%。以上空间数据均为栅格数据，其分辨率为100m。因而，其退耕地块的大小主要在1h以上，这对退耕还湿工程的宏观规划、实施和管理等具有较大的应用价值。
从短期来看，退耕还湿必然会减少粮食的生产。但是，由于所退的耕地，大都农田基础设施不够完善，抗拒自然灾害能力低，耕地质量差，农作物产量不稳定，且多处在河流沿岸，现有沼泽湿地分布区周围，地貌类型为低河漫滩，土壤保水性较强，适合湿地植物生长，具有退耕还湿的有利土地优势，符合退耕还湿要求。还湿后可以并入自然保护区，扩大保护区面积，对保护区的发展非常有利。同时，一级退耕地占2005年三江平原耕地总面积的8.76%，且都为低产耕地，因而一级退耕的实施对三江平原整个区域的粮食生产影响不会太大。二级退耕还湿的耕地作为中远期还湿的重点区域，主要是在一级退耕的基础上，对处在河流和现有沼泽湿地分布区周围一定距离的低产耕地进行实施，其目的是为了生态环境的进一步改善。考虑到退耕还湿的复杂性，二级退耕还湿的执行，可以在一级退耕还湿实施完后，根据其还湿的效果来确定实施的进度和范围。
收稿日期：2008-12-16；修订日期：2009-04-16
标签：沼泽论文;