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《新疆大学》 2019年
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内陆干旱区尾闾湖湿地识别及其景观结构动态变化

王敬哲  
【摘要】:湿地是陆地和水域之间的过渡区,广泛分布在世界各地。在全球生态系统之中,湿地发挥着重要作用。湿地易于退化,在干旱地区湿地的干缩则表现的更为显著,而湿地作为干旱、半干旱区水资源的重要载体,其生态功能不可替代。干旱区湿地对于气候因素的波动以及人为因素的响应更为敏感,湿地所在区域的环境变化可以通过湿地的流转、消亡、干缩、发育等进行深刻反映,湿地的时空变化势必会对干旱区的生态环境质量,尤其是水资源带来深刻的影响。因此,开展干旱区湿地研究对区域的水资源合理配置、生态系统运行功能、生态系统价值、景观格局、演变过程及其驱动机制具有重大科学意义。本研究以国家重要湿地——艾比湖湿地国家级自然保护区为研究靶区,收集了近30年来(1991年、1994年、1997年、2000年、2003年、2006年、2009年、2012年、2015年与2017年),春、夏、秋三个季节的卫星遥感数据,区域的高程数据DEM(Digital Elevation Model)以及对应的水文气象数据。此外,为了进一步说明2017年艾比湖的动态变化,还收集了Sentinel-1A遥感影像。在空间尺度上,以随机森林RF(Random Forest)算法为主要分类器,通过筛选出的最优变量对艾比湖湿地不同湿地类型的面积进行动态提取,借助ArcGIS、Geoda、FRAGSTATS、Graphab等软件操作平台,对湿地的空间结构变化、转移特征、时空关联模式、景观格局、空间连通性等进行分析。在时间尺度上,借助收集到的气温、降水、水文站的径流以及入湖径流量等气象水文数据,以线性倾向估计、R/S分析、突变分析、小波周期分析等方法为主要手段,在分析这些主要气象水文要素的多尺度变化的基础上,探索湿地变化对气候变化的响应机制。研究主要得出的结论如下:(1)在基于RF分类器为框架的背景下,经过反复试验本研究固定决策树的颗数N为100,特征变量的个数x为25,在该种参数设定下识别精度最优,并将其视为最优参数设置方案进行具体的分类工作。(2)1991-2017年整个研究区的各种地类发生了极为显著的时空变动。尤其是在春、夏、秋3个不同季节,各类湿地的面积与时空分布存在明显的差异。艾比湖保护区河流湿地、湖泊湿地、人工湿地、沼泽湿地、盐沼湿地、以及非湿地的多年平均面积分别为110.00 km~2,604.92 km~2,17.08 km~2,760.41 km~2,322.02 km~2,1296.02 km~2,非湿地的面积占比最大。(3)提出了一种新的SAR水体指数(改良的Sentinel 1A水体指数,MSWI)。基于这一新指数和Sentinel 1A数据,采用Otsu方法选择动态分类阈值对湖泊湿地2017年的年内特征进行提取,结果表明分类结果可接受,其最佳总体准确度为99.94%,Kappa系数为0.9971。季节性变化显示湖泊湿地在年内呈现出“急剧上升”—“显著下降”—“逐渐稳定”的变化趋势。(4)艾比湖湿地的湿地率整体空间自相关水平呈波动趋势,而严重枯水期的年份(如2015年)的年自相关水准极低,说明这一时期的艾比湖湿地的空间集中效应较差。时空演变过程可以得知,近30年间艾比湖湿地保护区的湖泊湿地逐渐向西北部转移。不同季节当中,春季的湿地率普遍高于其他季节。最大的湿地率全部出现在春季,其次为夏季、秋季。春季最高的湿地出现时间为2003年,最低则在1991年。夏季最大对应时期为2017年。而对于秋季而言,最高的湿地率也出现在2003年。湖泊湿地是保护区十分重要的湿地的类型。(5)从空间视角而言,河流湿地的丧失主要发生在保护区东南部阿其克苏河一线(桦树林站-鸭子湾站),北部的科克巴斯陶站山前水系区域与桑德库木站的山前区域。湖泊湿地很少会直接从本体干缩为非湿地,艾比湖本体可能会发生萎缩,但通常会转化为沼泽湿地或盐沼湿地,但这种情况偶有发生在阿其克苏河临近的河成湖泊上。沼泽湿地的丧失主要发生在湖区北部(受科克巴斯陶站水系发育的沼泽湿地)以及艾比湖湖滨东部的间歇性风浪带。盐沼湿地的丧失在研究区是很明显的,且主要分布在沼泽湿地的边缘、鸭子湾站-阔克塔拉站沿线以及研究区东北部桑德库木站与五道泉站附近的山前区域。(6)不同季节中湖泊湿地、沼泽湿地以及非湿地的连通程度最强。秋季的斑块现状最为复杂。春季的湿地空间连通性最优,夏季次之,秋季最不理想。季相变化主要受到区域的气候条件与外界因素影响。大型湿地斑块(≥100 ha)与全局图论指数之间存在显著的相关关系,对艾比湖湿地整体的空间连通性做出了至关重要的贡献。各种不同类型的湿地在春季节点度指数NDI较高的斑块数量更多。各类湿地斑块的NDI与其面积均呈现出显著的正相关关系,湿地斑块的面积(规模)越大,NDI也就越大。细碎小斑块在大斑块外围聚集的变化趋势,以及大斑块临近的小尺度斑块对湿地全局空间连通性的显著作用。(7)当前气候情景下艾比湖湿地保护区内部河流湿地的中度、高度适宜分布区集中在阿其克苏河沿岸、奎屯河沿岸以及博尔塔拉河入湖区域。未来情景下中度适宜区最大则出现在基于RCP 8.5情景下的2050年(32.47%),高度适宜区对应在RCP 8.5情景下的2070年(1.66%)。对此贡献程度前5个最高的因素依次为:温度季节变化标准差年平均气温最寒冷月份极低温最干燥季节降水量最湿润季节降水量。当前条件下,湖泊湿地的非适宜区占保护区的34.10%,高度适宜区则可能在RCP 4.5情景下的2070年达到极高值,其面积占比为4.32%。沼泽湿地与盐沼湿地在未来气候情景下的时空分布具有较高的相似性,这与当前的情况是比较一致的。本研究抓住湿地扩缩与继发的环境效应的这一核心问题,为以内陆干旱/半干旱区尾闾湖泊湿地的时空演变过程中其景观格局特征的变化规律提供应用参考,增加对内陆干旱区尾闾湖泊湿地的认识,以期为湿地生态系统生态保育与可持续发展提供技术支持与理论基础,为干旱区生态水文过程研究、水资源的科学合理配置及远期规划提供科学依据。
【学位授予单位】:新疆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:P901;X171.1

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