探究河流流量和土地利用变化对以湿地为主的印度-孟加拉巴林德地区河岸带的影响

该研究分析印度-孟加拉国邦林地区三条河流流域的水文变化与土地利用/覆盖（LULC）转型对碳汇的影响，利用2010和2024年Landsat影像及CA-Markov模型预测2038年LULC，结合InVEST模型量化碳储量。结果显示：大坝导致河流流量减少36%-50%，洪水减少使湿地面积缩减46%-74%，而农业用地扩张76%-89%。尽管农业扩张使碳汇增长约15%，但湿地和植被驱动的碳汇显著下降，凸显短期碳收益与自然生态系统服务退化的生态悖论，提出跨边界水资源治理、碳智能农业和湿地植被恢复的必要性。

　　

Ripan Ghosh | Kaushik Roy | Sandipta Debanshi | Pallabi Chowdhury | Tuli Karmakar | Susmita Ghosh | Swades Pal

印度马尔达市高尔班加大学地理系

摘要

本研究探讨了印度-孟加拉邦巴林德地区以湿地为主的三个河岸带（Tangon河、Punarbhaba河和Atreyee河流域）的水文变化及土地利用类型（LULC）转换的动态，以及这些变化对碳封存的影响。通过使用多时相Landsat图像（2010年、2024年）和2038年的CA-Markov预测模型，本研究量化了这些流域内植被、水体、农业用地和建筑用地的空间变化。InVEST模型被用来计算碳汇。研究结果表明，在大坝建设后，河流流量减少了约36%至50%，随之洪水频率降低，导致湿地面积减少了36%至46%，而农业用地面积增加了76%至89%。农业用地吸收了总碳储量的最大份额（80-90%），而湿地和植被作为碳库的作用显著减弱（减少了46-74%），从而降低了长期的碳稳定性。尽管由于农业扩张，碳封存的增长幅度有限（约15%），但湿地植被等自然资本的丧失导致碳贡献减少了46-74%，这反映了从稳定碳汇向短暂碳汇的转变。这一现象突显了在自然生态系统服务退化的同时，短期内碳储量增加的生态悖论。研究结果强调了跨界水资源管理、低碳农业实践以及湿地和植被恢复对于维持碳平衡和生态系统恢复力的重要性。

引言

湿地是地球上生产力最高、生态价值最丰富的生态系统之一，具有重要的调节功能，如养分循环、水文缓冲、防止土壤侵蚀、稳定风暴、支持生物多样性、碳封存和调节气候（Junk等人，2013年；Mitsch和Gosselink，2015年；Bobbink等人，2006年）。全球范围内，不同类型的湿地被认定为重要的碳汇，尽管它们仅覆盖了地球表面的不到6%，却储存了约20-30%的土壤碳（Nahlik和Fennessy，2016年）。湿地在厌氧环境中积累有机碳的能力使其在减缓气候变化和维持区域碳预算方面至关重要。然而，在过去几十年中，由于修建水坝等水文干预措施、人口增长带来的快速土地利用和土地覆盖变化（LULC）以及农业扩张和发展、基础设施建设，全球范围内的湿地持续减少和退化（Davidson，2014年；Hu等人，2020年；Meng等人，2017年）。这些变化扰乱了水文、生物地球化学和生态过程，导致沉积的碳重新释放到大气中，从而加速了温室气体的排放。

近年来，由于河流流量调节、农业扩张、基础设施建设和城市化驱动的土地利用变化，全球范围内的河岸带经历了广泛的转变（Nilsson等人，2005年；Grill等人，2019年）。通过大坝、拦河坝、堤坝和改道等手段调节河流流量，改变了河流流量的大小、时间和变化性，破坏了维持湿地结构和功能的自然洪水机制（Poff等人，1997年）。这些变化也导致了湿地面积的缩小和建筑用地及农业用地的扩张（Zhang等人，2010年）。恒河-布拉马普特拉-梅格纳河流域的研究表明，流量调节导致旱季流量减少、洪水峰值改变以及河流与泛滥平原之间的横向连通性下降（Gain等人，2015年）。这种水文变化限制了沉积物沉积和季节性淹没，导致湿地面积缩小、植被变化以及水生栖息地的丧失。Saha和Pal（2019年）、Talukdar和Pal（2018年）明确记录了大坝建设对土地利用变化的影响，尤其是湿地面积的减少和农业用地的扩张。他们认为河岸泛滥平原的形成与河流流量动态密切相关。因此，流量和洪水范围的减少与地区的生物物理特性及土地利用特征密切相关。Takukdar和Pal（2018年）进一步研究发现，Tangon河和Punarbhaba河上的大坝建设既减少了洪水范围，也降低了洪水强度。此外，土地利用和土地覆盖（LULC）的变化改变了地表径流、蒸散作用和沉积物动态，通常会加剧水文压力并加速湿地退化（Lambin和Meyfroidt，2011年）。

过去四十年来，许多研究调查了恒河泛滥平原和巴林德古老冲积平原上土地利用类型（LULC）变化及其对湿地动态的影响。例如，Das和Pal（2018年）研究了巴林德地区的十年间LULC变化，并记录了大量湿地转变为农业用地和建筑用地的情况。Saha和Pal（2019年）还探讨了巴林德泛滥平原上的农业与湿地之间的冲突，重点关注Atreyee河流域。Mahmud等人（2020年）将这种变化与地下水枯竭和土壤质量恶化联系起来，而Hassan等人（2022年）则研究了农业扩张导致的生物多样性丧失和水文系统破坏。在跨界背景下，这些相互作用因各国在水资源管理政策、发展优先事项和制度框架上的差异而变得更加复杂（Wolf等人，2003年；Zeitoun和Warner，2006年）。尽管存在这些复杂性，印度-孟加拉地区的大部分现有研究仍然孤立地讨论水文变化或土地利用变化，往往局限于国家范围内，从而忽视了它们对河岸湿地的综合和跨界影响。

土地利用类型（LULC）变化与碳封存之间的关联也非常复杂且多方面。湿地、森林和草地等土地覆盖类型可作为长期碳汇，而转化为农业用地后，由于土壤侵蚀、有机物氧化和生物量生产力下降，通常会导致碳流失（Houghton，2012年；Meerburg等人，2010年）。在泛滥平原河岸带，水文连通性控制着沉积物沉积和碳通量，任何土地利用方式的改变，尤其是排水系统的改变（如排干湿地、填平湿地或恢复湿地），都会显著影响碳动态（Badiou等人，2011年；Meng等人，2016年）。Debanshi和Pal（2022年）记录了由于水文变化导致的湿地变浅，从而促进了植被生长，增加了濒临消失的恒河三角洲的碳汇。因此，量化水文变化和LULC转换对区域和跨界层面碳储存和空间潜力的影响对于理解人为压力下的生态后果以及制定气候适应性土地组织和管理策略至关重要。图1展示了大坝引起的水文变化、LULC变化与碳汇之间的概念框架。

在全球范围内，Nahlik和Fennessy（2016年）以及Li等人（2024年）的湿地中心碳汇研究强调了土壤湿度、植被产量和厌氧环境在碳储存中的关键作用。在南亚，Berger等人（2019年）详细阐述了内陆和沿海湿地的碳封存潜力，并指出了土地转换和气候不规律性带来的日益严重的威胁。Pal等人（2017年）仅基于漂浮和暴露的植被干生物量样本，计算了巴林德地区部分湿地的碳封存能力。

评估河流流量调节和土地利用变化对湿地丰富的河岸带的影响需要既具有空间明确性又具有时间连贯性的方法。水坝建设通过改变流量模式、沉积物运动、淹没频率和泛滥平原连通性，改变了自然水文机制，进而导致土地利用变化，影响湿地的完整性和相关的碳过程。基于卫星的土地利用-土地覆盖（LULC）评估是一种有效工具，可以捕捉广阔和跨界河流系统的长期景观动态。多日期图像分类有助于可靠地识别与水文变化相关的湿地面积、农业用地和建筑用地的变化。基于马尔可夫链的LULC建模可以根据观察到的变化概率模拟未来的土地利用变化（Mishra等人，2014年）。在数据受限的情况下，空间生态系统服务模型尤为重要；在这方面，综合生态系统服务与权衡（InVEST）碳模型支持在不同土地利用情景下碳储存和封存的准确估算（Wu等人，2024年），有助于全面评估印度-孟加拉邦巴林德地区河岸带的水文和土地变化影响。

尽管取得了这些进展，但在跨界河岸带中，将河流水文变化、时空LULC变化和碳汇动态联系起来的综合评估仍尚未充分探索。大多数现有研究仅关注湿地的生态生产力或由于大坝建设、土地利用变化引起的水文变化，很少将这两个方面结合起来进行碳预算分析。此外，以往的研究通常只针对单个河流流域或其部分，这限制了普遍结论的得出。包括多个流域的数据分析可以提供更可靠的概括。

考虑到地理空间技术的局限性和优势，本研究试图填补河流水文变化、土地利用类型（LULC）变化以及湿地主导河岸环境中碳储存能力和碳源-汇转换之间的关键知识空白。具体目标包括：（1）评估相关河流的水文变化；（2）利用基于卫星的遥感和GIS分析，绘制和解释LULC变化的时空动态及其预测变化；（3）应用InVEST模型量化时空碳预算；（4）评估水文变化对LULC变化及碳储存的影响。这项研究可以为政策制定提供有关碳汇热点、失去碳封存功能的湿地面积、恢复潜力区域和可持续管理方案的空间见解，从而促进气候行动，特别是在印度国家气候变化行动计划（NAPCC）和孟加拉国Delta Plan 2100等国家和国际议程下的碳核算方面。

研究区域

印度和孟加拉国的巴林德地区（横跨孟加拉国西北部和相邻的印度西孟加拉邦）是一个新构造活跃的古老冲积平原，河流的自然演变非常明显。一些河流（如Atreyee河、Punarbhaba河和Tangon河）原本与冰川补给的Teesta河相连，因此是常年流动的。

使用的数据

我们使用了美国地质调查局（USGS）的Landsat卫星图像（2010年和2024年）（表1）进行土地利用/土地覆盖（LULC）分类。选择无云图像以避免像素内的数字编号（DN）值差异。LULC地图用于LULC变化分析和未来LULC预测（2038年）。选择11月至12月（雨季后）的Landsat图像进行LULC分类，以确保最小的云覆盖和一致的表面反射率。

河流的水文变化

图3展示了大坝建设导致的月度流量变化及其变异性。所有河流在大坝建设后的流量减少都非常明显，特别是在Atreyee河的雨季月份，流量变化幅度最大，范围从75到125立方米/秒。而在雨季后的非雨季月份，流量较建坝前有所减少，因此变化幅度不如雨季月份明显。

结果总结及与以往研究的比较

巴林德地区的河岸带泛滥平原在过去三十年中经历了明显的水文和土地利用变化，模型结果进一步表明了这些趋势的持续性。所有三条河流的流量在大坝建设后均显著下降，导致洪水强度减弱和湿地水文稳定性降低。大坝建设通常将水流引向其他流域或在其水库中储存大量水，从而导致这些变化。

结论

本研究强调了大坝引起的水文变化和土地利用类型（LULC）转换如何极大地重构了印度-孟加拉邦巴林德地区三个河岸带的碳汇动态。上游大坝的建设使河流流量减少了约60%，破坏了河流与湿地的连通性，减少了洪水频率和洪水范围及强度。因此，原本的植被和湿地等自然景观受到了影响。

作者贡献声明

Ripan Ghosh：撰写初稿、验证、监督、软件开发、方法论设计、数据分析、概念化。Kaushik Roy：数据分析。Sandipta Debanshi：数据分析。Pallabi Chowdhury：方法论设计。Tuli Karmakar：软件开发。Susmita Ghosh：软件开发。Swades Pal：撰写初稿、验证、监督、方法论设计、数据分析、概念化。