41030743-臧淑英报告正文

1、计划完成情况

本项研究目标为：1）揭示高强度人类作用下，松嫩平原LUCC过程、格局及其演变规律；2）系统识别气候变化和高强度人类活动影响下松嫩平原湖沼生态系统的时空变化趋势；3）通过综合生态水文调控，构建湖沼湿地生态系统健康的水循环和生态安全格局。依据这一目标，研究内容又具体分为五个方面：1）松嫩平原LUCC过程的时空格局特征及驱动机理；2）松嫩平原LUCC影响下的湖沼生态系统演变过程；3）松嫩平原LUCC与湖沼生态系统演化的耦合机理；4）松嫩平原湖沼生态系统服务功能30年变化测评；5）松嫩平原湖沼湿地生态安全的调控方案。

根据上述研究目标和内容，按照计划任务书的设计，本课题组开展并完成了如下研究工作：

1.1 完成了松嫩平原典型湖沼湿地野外调查、监测与实验样品的采集和测试工作

对比分析湖沼湿地水生态及水环境效应的国内外研究资料，选择不同驱动机制下松嫩平原典型湖沼湿地作为样带，包括：乌裕尔河流域样带（农业开发驱动）、大庆湖泊群（工业化驱动）和松江湿地样带（城市化驱动）。（见图1）对样带内不同季节湖沼湿地的表层水及沉积物中的基本理化指标、营养盐及重金属含量、浮游藻类、附生藻类等生物指标及水体的固有光学特性及高光谱特征进行定位、定量监测和测试，共设置采集点1708个；同时，采集湖泊沉积柱样品21个，长度为14.25-40.5cm，沉积速率为0.15-0.82%，测得年代起点最早为1820年，最晚为1961年。 1.2 完成了松嫩平原LUCC格局、过程、演变规律研究

收集、整理已有的相关研究资料，补充购买多源遥感影像数据和专题地图，利用遥感影像数据，完成了松嫩平原1980年、1995年、2000年和2010年LUCC矢量图，建立了本项目研究的基础信息数据库平台。分析了不同时空尺度下LUCC过程的区域差异、时空格局演变规律及其区域差异特征。构建生态计量经济模型分析土地利用变化驱动力机制，阐释了不同情境模式下，预测未来土地利用的变化趋势。 1.3 分析了LUCC影响下松嫩平原典型湖沼湿地生态系统的演变过程

针对不同驱动机制：如工业开发驱动，农业开发驱动，城市化驱动等，量化分析了湖沼生态系统污染过程的时空格局演变过程。通过乌裕尔河及其下游扎龙湿地的水体及

沉积物中的富营养化指标进行取样监测，分析了污染物质在流域内的迁移及转化规律，及其对下游湖沼湿地的影响。通过对大庆湖泊群重金属元素含量、多环芳烃的含量及组成分布特征及对水生生物的毒性进行评估。结合137Cs测年数据，重建污染历史，判别污染来源及污染程度，揭示流域内化石燃料能源的消耗历史并进行健康风险评价。通过对松江湿地（城市湿地）流域径流量和非点源污染物负荷含量的分析，分析了工业化、城市化导致的下垫面变化对流域水分循环及水量平衡产生极大的影响，以及水环境问题。

群

图1 松嫩平原湖沼湿地典型样带位置图

1.4 分析了LUCC与湖沼湿地生态演化过程的耦合作用机制

完成了研究项目所需的地表参数的遥感反演和验证工作，建立了地表参数遥感数据集，获取构建湖沼湿地生态、水文数值模拟模型的关键因子与输入参量，基于遥感图像反演了松嫩平原地表蒸散、悬浮物浓度及湖泊溶解碳的变化趋势与时空分布特征。构建一整套湖沼湿地生态系统生态服务价值具体测定指标，对松嫩平原生态服务价值的变化过程进行评估，构建GWR模型剖析了湖沼湿地生态服务价值变化的驱动因素，阐明LUCC与湖沼湿地生态演化过程的耦合作用机制。

1.5 分析了松嫩平原典型湖沼湿地生态安全模式与调控机制

考虑到研究区水资源紧缺的问题，研究其最小生态需水量更具有实际意义。针对土地利用与湖沼生态环境在不同尺度上的耦合，项目通过SEBAL模型估算了松嫩平原2008年生长季（5－9月）的蒸散量，计算了典型湖泊最小及适宜生态需水量，以乌裕尔河流域为典型案例，对流域作物种植结构、土地利用景观格局进行优化，预测不同情景模式下，水资源高效利用及污染物的排放量，量化表达建立维护流域湿地生态安全的模式，以维持研究区湖沼湿地生态功能，实现整体调控的目标。

经过4年的研究工作，项目组共出版著作2部，发表有项目标注学术论文88篇：其中SCI收录论文35篇（计划10篇，第一标注25篇，总影响因子为？），EI收录1篇，CSCD收录52篇（第一标注44篇）。获得国家技术发明二等奖1项（第二完成人），黑龙江省科技进步二等奖1项（第一完成人）。完成了项目设定的任务目标。

2、取得的主要进展与成果

2.1 揭示了松嫩平原LUCC过程和格局特征、驱动机制及生态安全格局

（1）1980-2010年，30年间松嫩平原LUCC的总体状况发生了显著变化（表1、图2），总体呈现“三增四减”趋势，即耕地（水田和旱田）、城镇用地、未利用地（盐碱和沙化地）增长，而草地、林地、湿地和水域（河流、湖泊、水库坑塘）减少。全区土地利用格局是以农业用地为主，耕地面积分布最广，1980-2010年耕地占总面积的

54.47%-60.84%，且呈增加趋势；其次是林地和草地，分别占总面积的12.57%-13.0%和

10.91%-7.88%，湿地加水域占总面积的12.38%-9.07%，呈下降趋势。

表1 松嫩平原1980、1995、2000、2010年各种土地利用类型面积、比重（单位：km、%） 年份 耕地 林地 草地 水域 湿地 建设用地 未利用地

1980

1995

2000

2010

131378.5 28080.0 17024.5 9160.3 10425.4 11468.2 8405.1

60.84 13.0 7.88 4.24 4.83 5.31 3.89

2

117626.4 54.47 125286.7 58.02 126520.5 58.59 27139.4 23561.6 11751.0 14995.2 8980.1 11888.3

12.57 26274.9 10.91 22605.0 5.44 6.94 4.15 5.51

11107.7 13052.8 9037.3 8577.6

12.17 26345.9 10.47 17547.1 5.14 6.04 4.18 3.97

10788.8 13653.0 9156.4 11930.3

12.20 8.13 4.99 6.32 4.24 5.52

图2 松嫩平原1980、1995、2000、2010年土地利用/土地覆被格局

这一格局30a变化过程中，主导过程是：草地、水域和沼泽湿地、林地对耕地增加贡献最大，分别为33.83%、28.96%、19.17%；耕地和草地对建设用地贡献最大，分别为76.53%和8.92%；盐碱地和沙化地的增加，贡献最大的地类是草地、水域和沼泽湿地、耕地，分别为46.68%、34.67%和15.28%（图3）。由此可见，草原退化、湿地和水域大面积萎缩，盐碱地沙地增加，反映出区域城镇化进程加快和生态环境恶化的趋势。同时，近30a来松嫩平原土地利用速度、程度都显著增加，土地利用速度由1980-2000年的1.8%增加到2000-2010年的5.3%，前20年开发速度较快的是西部，而后10年则转移到东部（图4）。土地综合利用程度从1980年的250增加到2010年263，整体处于中等偏上水平，并以中部农业市县为中心不断向外扩展（见图5），反映出人类活动干扰加剧。

（2）基于综合指标评价法对松嫩平原生态安全格局进行综合评价，结果表明松嫩平原土地利用生态安全风险总体呈现由东北向西南递增的趋势（见图6）。在所有风险等级中，较低风险区所占比重最大，1980-2010年生态安全等级风险由低向高变化趋势明显，生态环境有所恶化（见表2）。松嫩平原典型草地、湿地普遍存在中高度脆弱性。此外，松嫩平原西部耕地、草地和沼泽湿地的破坏还表现为沙化、盐碱化加重，抗干扰能力减弱，自然灾害破坏性严重等。

a.草地转耕地 b.草地转建设用地

c.草地转未利用地 d.e.水体湿地转耕地 f. 林地转耕地

水体湿地转未利用地

g.耕地转建设用地 h.草地转建设用地

图3 1980-2010年主导土地利用类型转移过程时空格局

图4 1980-2000、2000-2010年土地利用速度空间格局

a.1980年土地综合利用程度指数 b.1995年土地综合利用程度指数

c.2000年土地综合利用程度指数 d.2010年土地综合利用程度指数

图5 1980-2010年土地利用程度空间分布格局

图6 1980-2010年研究区生态安全分布格局

表2 1980-2010年松嫩平原生态安全等级面积、比重 （km2、%）

1980年 2000年 2010年 1980年 2010年

低风险区 46220.93 42414.31 27409.92 19.72 11.69

较低风险区 129484.57 139428.98 130832.38 55.24 55.81

中度风险区 53113.52 47460.22 68380.74 22.66 29.17

较高风险区 5437.59 4972.95 7462.74 2.32 3.18

高风险区 162.73 142.89 333.57 0.07

0.14

2.2 揭示了LUCC影响下的湖沼湿地生态环境的演变过程

项目选择区域不同驱动机制（城市化、工业化驱动，农业开发驱动等）下典型湖沼湿地系统，量化分析导致其生态系统变化和退化的过程。

（1）松嫩平原不同驱动机制影响下湖沼湿地生态系统退化过程

污染过程：通过对2010-2013年松嫩平原典型样带湿地表层水、表层沉积物和沉积岩芯的样品进行测试与分析，结果表明乌裕尔河、大庆湖泊群局部区域表层水体和沉积物中氮、磷营养物含量较高，高锰酸盐浓度较高，OP与Fe/Al-P具有较大潜在威胁（见图7，8）。大庆湖泊群表层水体和沉积物中重金属含量较高。水质标识指数法研究结果显示，松嫩平原表层水体为IV类水质，超标因子主要有氨氮、高锰酸盐、总氮、总磷和汞（图9，10）。Hakanson 潜在生态危害评价表明，松嫩平原表层沉积物重金属中镉和汞为潜在危害风险因子，其中大庆湖泊群风险较为严重（图11）。土地利用/土地覆被变化与样区相关沉积指标的对比和相关分析显示，人类经济活动的变化特征与对应时段沉积指标的变化特征具有较好相关性，湖泊在沉积过程中受到土地利用/土地覆被变化、农业和工业生产活动的影响（图12-1，12-2）。

盐碱化过程：基于1985年MSS、1995年TM影像和2000年、2010年的MODIS影像，

图7 松嫩平原表层水体营养盐污染物空间分异

图8 松嫩平原表层沉积物营养盐污染物空间分异

图7 松嫩平原表层水体重金属污染物空间分异 图9 松嫩平原表层水体重金属污染物空间分异

图10 松嫩平原表层沉积物重金属污染物空间分异

图 11 Hakanson潜在生态危害评价结果

图12-1 XHL和HSH中2-6环多环芳烃在岩芯的含量(ng/g)垂向分布特征0.3 0.25耦合度和协调度 0.2 0.15 0.1 0.05 0 50年代中 60年代中 70年代中 80年代中 90年代中 2004年

耦合度协调度

图12-2相应湖泊沉积污染与人类经济活动的耦合度与协调度

盐碱化过程：通过对野外实测土样EC值和盐碱土盐分敏感波段的反射率值进行回归分析建立遥感反演的统计模型。根据反演EC值对松嫩平原盐碱地分级：轻度盐碱地（66-136ms/m）中度盐碱地（136-204ms/m）重度盐碱地（>204ms/m）（见图13）。松嫩平原盐碱化土地主要分布在平原的西部地区，以吉林省长岭、大安、通榆，黑龙江省杜尔伯特蒙古族自治县、大庆、肇源等市县为中心集中分布，近30年来表现的趋势为盐碱化面积扩大，程度加剧，特别是重度盐碱地面积近30年来增加了252km2。

图13 松嫩平原1980-2010年盐碱化程度空间分布图

湖泊退缩过程：松嫩平原湖泊在过去25年期间，总体呈现出退缩的趋势（图14f）。不同大小湖泊的空间变化趋势差异显著。其中小面积湖泊数量和面积呈现增加趋势。面积在1公顷-10000公顷之间的湖泊数量与面总体上趋于减少，而面积在10000公顷之上的湖泊呈现波动趋势。如图15所示，在1995-2000年期间，由于受气候干旱影响，

月

亮湖和中内泡面积萎缩，因此对图14e中的结果影响较大。而湖泊的数量也呈现破碎化的趋势。松嫩平原湖泊的变化既有自然因素（气候暖干化），也有人类活动的影响所致，当然也有人工活动导致湖泊面积增加的。

图14 松嫩平原不同大小湖泊在1986-2010年期间的面积与数量的变化趋势

图15 松嫩平原不同大小湖泊在1986-2010年期间的空间格局变化趋势

生物多样性过程：在松嫩平原地区选取32个湖泊、泡沼布设82个采样点，分别采集浮游藻类和着生藻类，对藻类的群落结构和多样性进行分析（见图16）。结果表明多样性指数H值、H'值和Dv值呈显著的正相关关系，三个指数在各湖泡的变化趋势一致。J值和D值在32个湖泡的数值差别不大。洋沙泡（YSP）、克钦湖（KQH）、三永泡（SYP）、花敖泡（HAP）、马圈泡（MJP）藻类植物属间个体数分布不均匀，水质状况稍差。鹅头泡（ETP）、他拉红泡（TLHP）、八里泡（BLP）藻类植物的群落结构简单且藻类属间个体数分配欠均，水质状况最差。其余24个湖泡物种多样性丰富或较好。

图16 松嫩平原不同采样点藻类的群落结构和多样性指数差异

生产能力（NPP）变化过程：基于C-FIX模型估算得到松嫩平原1980、1995、2000、2010年NPP的估算结果（图17），1980-2010年农田NPP总量呈增加趋势，分别为2862.05Pg、3544.85Pg、3743.85Pg、3823.77Pg，30年内增加了33.6%，其中，

1995-2000

总量增幅约为1980-1995的3.43倍，2000-2010总量增幅约为1995-2000年的2.49倍，增加幅度较1995-2000年有所放缓。对比土地利用与气候变化对农田NPP总量增加的贡献率（表3），结果表明2000年以前气候变化对农田NPP增加的贡献率大于土地利用变化，而2000年后由土地利用变化对农田NPP总量增加的贡献率大于气候变化的影响，突显了人为因素对农田NPP增长的影响。

以MODIS250米空间分辨率数据产品（NDVI，近红外和中红外波段反射率等）、气象数据和两期沼泽湿地分布数据为数据源，应用CASA模型估算松嫩平原沼泽湿地2000-2005年和2006-2010年平均植被年实际净初级生产力（ANPP）和潜在净初级生产力（PNPP），进而构建人类活动影响相对贡献率指数（RICI），并以实测生物量数据和沼泽湿地生态试验站通量观测数据进行模型估算结果验证，结果如图18和19所示。

图17 基于C-Fix模型的松嫩平原NPP估算结果

表3 土地利用与气候变化对松嫩平原NPP的贡献率

因素类型 土地利用 气候变化

20世纪80-90年代 影响量/pg 186.39 466.06

27.30 68.26

20世纪90-20世纪末 34.91 162.49

17.54 81.66

20世纪末-21世纪初 影响量/pg 贡献率% 143.82 -61.54

69.24 29.63

贡献率% 影响量/pg 贡献率%

图18 研究区沼泽湿地植被2000-2005和2006-2010年平均ANPP空间分布

图19 研究区沼泽湿地植被2000-2005和2006-2010年平均PNPP空间分布这一研究结果表明，2000-2010年间松嫩平原沼泽湿地净初级生产力呈现缓慢下降趋势，这可能与区域气温显著上升，降水量显著下降及区域人类活动的不断增加有关。计算2000-2010年间潜在和实际生产力间的差值得出，人类活动造成生产力平均年损失量为91.8 gC·m-2·yr-1。

进一步定量评价湿地面积变化与ANPP的关系发现，受湖沼湿地面积变化影响，松嫩平原沼泽湿地植被ANPP平均年损失总量分别是0.61 Pg C，对比其他沼泽湿地三江平原和辽河流域分别为0.40 Pg C和 0.02 Pg C（表4），松嫩平原沼泽湿地面积变化造成植被ANPP年损失总量最大。

表4 东北地区重要沼泽湿地分布区沼泽湿地面积变化及其对ANPP的影响统计

2000 ~ 2010年 新增湿地面积（km） 退化湿地面积（km2） 增加ANPP（gC·m-2·yr-1） 减少ANPP（gC·m-2·yr-1） ANPP总变化（Pg C yr-1）

注：“-”表示植被净初级生产力呈减少趋势

松嫩平原 641.9 1735.9 528.4 549.5 -0.61

三江平原 773.3 1444.9 631.4 612.4 -0.40

辽河流域 143.5 159.8 527.0 569.1 -0.02

选择5个国际重要湿地保护区计算2000-2010年间RICI平均值，对比分析人类活动对沼泽湿地植被NPP的影响空间差异及人类活动影响变化趋势，发现南瓮河湿地受人类活动影响相对贡献率最小，而位于松嫩平原的向海和扎龙湿地受人类活动影响最显著（图20），说明松嫩平原耕垦活动导致的沼泽湿地水源条件变化等造成RICI均值及变化相对更显著，需要重点关注和保护。

图20 东北地区重要湿地保护区平均RICI统计

（2）定量反演松嫩平原典型湖沼湿地水质参量

区域蒸散量估算：通过SEBAL模型与MODIS产品反演的区域蒸散量，并且利用涡动相关系统实测蒸散数据验证SEBAL模型估算结果。由图21可以看出日蒸散量的估算蒸散量与实测蒸散量之间呈极显著正相关（n=50，r=0.8939，P<0.01），模型估算的地表蒸散与仪器实测蒸散量、下垫面地物特征具有较好的一致性，可利用MODIS数据通过SEBAL模型进行区域地表蒸散动态监测（图22）。SEBAL模型估算的地表蒸散与仪器实测蒸散量、下垫面地物特征具有较好的一致性。

图21实测蒸散量与SEBAL模型估算蒸散量对比 图22湖泊水面地表蒸散与参考蒸散量之间对比

区域水分利用效率估算：利用研究区气象站数据，包括气象要素，如：风速、日照时数、温度、相对湿度等，遥感数据包括：地面反照率、地表温度、植被指数（NDVI）。选取了16景MODIS数据来估算整个生长季的实际蒸散量（图23a），通过遥感数据提取水田分布面积（图23b），进一步计算了松嫩平原水田水分利用效率。基于各个水田主产区的统计数据，我们分析了水分利用效率与产量的关系（图24），发现二者关系密切，但是也存在水分利用效率低的问题，需要通过改善灌溉的各个环节及优良品种来提高水田的水分利用效率。

图23 松嫩平原蒸散发的分布格局（a），及主要水田分布区情况（b）

图24 松嫩平原水田产量与水分利用效率的关系

悬浮物含量估算：采用基于全波段比值自动搜索程序，遴选遥感反演悬浮物的最佳波段比值，估算悬浮物含量。通过波段优化搜索，发现872/402nm的波段组合对石头口门水库的TSM回归效果最优(图25a)。松花湖最优波段组合分布范围只是限定在690与400nm之间的组合（图25b）。由于悬浮物浓度高，查干湖大部分近红外与可见光波段的比值组合都具有很好的相关性，最优波段组合最后确定定位837/502nm（图25c）。由图25d可见二龙湖最优波段组合都在可见光波段，程序选取的最佳波段最后确定为657/592nm。同时发现二龙湖水库的TSM反演存在低估现象。进一步分析原因发现主要是由于藻类丰度大造成。为探讨藻类丰度对悬浮物TSM反演的影响，特以Hydrolight辐射传输模型模拟了不同藻类丰度、无机悬浮物浓度的遥感反射率（图26），并以波段比值法构建遥感模型，分析藻类浓度对TSM遥感反演的影响。研究结果表明，藻类浓度大的水体，TSM模型精度呈下降趋势，进一步说明了水体TSM呈现低估主要是由于水体中藻类繁生造成的。

Predicted TSM (mg/L)

Measured TSM (mg/L)Measured TSM (mg/L)

Predicted TSM(mg/L)

Measured TSM(mg/L)Measured TSM (mg/L)

（a）石头口门水库，（b）松花湖，（c）查干湖，（d）二龙湖

图25 全局搜索的最优波段比值与TSM

的回归关系图

TSM (mg/L)

R (λ)(Sr-1)

rs

850

Wavelength (nm)

Band ratio (R

/R

550

)

TSM (mg/L)

R-square

850

Band ratio (R/R

550

)

Chl-a(µg/L)

图26以模拟光谱（Hydrolight）数据分析说明水体中藻类浓度对水体TSM反演模型的影响，（a）藻类浓度对实测遥感反射率的影响，3条光谱的TSM浓度近乎相当，遥感反射率的变化主要是由于藻类浓度的高低造成的；(b)模拟光谱反射构建的比值模型与TSM的关系，(c)不同浓度藻类对TSM

反演的影响分析，(d)比值模型的确定性系数与藻类浓度变化的关系

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vlsm.html