黃河三角洲新生濕地景觀格局特*征及其動(dòng)態(tài)變化——以墾利縣為例

王薇,陳為峰,王燃藜,甘運(yùn)賢

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東泰安271018;2.山東省水利科學(xué)研究院,濟(jì)南250013;3.棲霞市交通局,山東棲霞265300;4.兗州市國土資源局,山東兗州 272100）

濕地景觀格局取決于濕地資源的分布和組分,與濕地生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力、恢復(fù)能力、穩(wěn)定性、以及生物多樣性有著密切的聯(lián)系。同時(shí),濕地景觀格局不是一成不變的,目前的格局是在過去的景觀流的基礎(chǔ)上形成的[1-4]。因此,對典型濕地生態(tài)系統(tǒng)原生景觀結(jié)構(gòu)及其特征進(jìn)行定量分析,是研究不同類型濕地功能與機(jī)理變化的基本前提,可為研究濕地環(huán)境變化及其生態(tài)效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù),對于開展?jié)竦刭Y源保護(hù)與恢復(fù)具有重要意義[5]。國內(nèi)對濕地景觀格局變化的研究始于20世紀(jì)90年代,主要采用景觀格局空間分布特征指數(shù)和景觀異質(zhì)性指數(shù)來研究濕地景觀格局的變化[6-10]。

本文所研究的新生濕地是從1976年黃河改道至今,現(xiàn)黃河入海口所在地。黃河三角洲新生濕地是典型的河口灣和濱海濕地生態(tài)系統(tǒng),具有豐富的生物資源。本文基于景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)理論和方法,以墾利縣為例,在“3S”技術(shù)支持下以TM影像為信息源,構(gòu)建區(qū)域濕地分類系統(tǒng)。采用斑塊類型面積、斑塊個(gè)數(shù)、分維數(shù)、斑塊密度、斑塊分離度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、景觀聚集度指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)、景觀均勻度指數(shù)等空間格局指數(shù),運(yùn)用GIS、FRAGSTATS 3.3軟件,提取墾利縣濕地生態(tài)景觀格局信息,并利用各景觀指數(shù)系統(tǒng)分析近20年墾利縣濕地的景觀格局特征、動(dòng)態(tài)變化及其主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素,以期為黃河三角洲新生濕地的科學(xué)管理和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概述

黃河三角洲位于黃河入?？?北臨渤海,東靠萊州灣,90%以上屬于東營市管轄。墾利縣隸屬于山東省東營市 ,位于北緯 37°21′-38°09′,東經(jīng) 118°24′-119°10′,處于黃河下游入?？诘狞S泛平原上,是黃河三角洲新生濕地生態(tài)系統(tǒng)的最典型區(qū)域。本區(qū)屬于海陸相互沉積的退海之地,土壤是在黃河沖積物上發(fā)育而成的潮土和輕重不同的鹽化潮土,表層土壤質(zhì)地為中壤和重壤;現(xiàn)存排灌條件一般,潛水埋深較淺,礦化度高;地貌為淺平洼地與微斜平地;屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫11.9℃,平均降水量592.20 mm,年平均蒸發(fā)量1 908.20 mm。全縣轄 5個(gè)鎮(zhèn)、2個(gè)鄉(xiāng)和2個(gè)辦事處,332個(gè)村,21.24萬人[11],總面積2 204.00 km2,其中耕地面積540.78 km2。

2 研究資料與方法

2.1 濕地景觀分類

根據(jù)《全國濕地資源調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(林業(yè)部,1997),以濕地形成動(dòng)力因子為主導(dǎo),綜合考慮濕地的水文、生態(tài)等要素,堅(jiān)持科學(xué)、實(shí)用的原則,結(jié)合黃河三角洲濕地的實(shí)際情況,將該區(qū)濕地分為人工濕地(灌溉水田、坑塘水面、養(yǎng)殖水面、人工溝渠、水庫水面、鹽田)和天然濕地(河流水面、葦?shù)亍┩?、灘?兩大類共10種濕地類型(表1)。

表1 黃河三角洲墾利縣濕地遙感解譯標(biāo)志(TM432RGB合成影像)

2.2 遙感影像解譯

根據(jù)研究區(qū)土地利用狀況及主要農(nóng)作物物候歷,選擇1987年5月 7日和2004年11月2日的渤海灣幅兩期遙感影像,并根據(jù)各波段的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征及其合成后的目視效果,選擇對綠色植被反應(yīng)敏感的TM4,3,2波段進(jìn)行RGB假彩色合成。

以校正好的2004年11月2日圖像為基準(zhǔn)圖像,校正中采用北京54坐標(biāo)系,在Viewer中打開需要校正的遙感影像,利用Raster菜單中的Geometric Correction命令,在兩幅圖像上選擇39個(gè)同名地物點(diǎn)作為控制點(diǎn),應(yīng)用多項(xiàng)式校正模型和雙線性內(nèi)插重采樣對1987年5月7日的圖像進(jìn)行校正,校正精度為0.39個(gè)像元[12-14]。

采用非監(jiān)督分類,按照像元的光譜特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類;對分類后的圖像進(jìn)行分類后重組,聚類統(tǒng)計(jì),去除分析和鄰域分析等操作,按照先前確定的分類方案,參考土地利用現(xiàn)狀圖信息、野外調(diào)查資料以及圖像的空間結(jié)構(gòu)、紋理信息對圖像進(jìn)行判讀,合并相同類別地物,糾正錯(cuò)分像元,得到最終的遙感影像分類圖象[15、16](附圖5、附圖6)。

2.3 景觀指數(shù)選擇與提取

基于研究目的和黃河三角洲地區(qū)濕地景觀特征,選取能確保計(jì)算精度的10個(gè)指標(biāo),其中在斑塊類型級別上選用了8個(gè)指標(biāo)“斑塊面積、斑塊占景觀總面積的比例、斑塊個(gè)數(shù)、斑塊分維數(shù)、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、景觀聚集度指數(shù)”,在景觀級別上選用了2個(gè)指標(biāo)“觀多樣性指數(shù)、景觀均勻度指數(shù)”。FRAGSTATS是由美國俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開發(fā)的一個(gè)景觀指標(biāo)計(jì)算軟件,本研究運(yùn)用的是基于 WINDOWS操作系統(tǒng)的FRAGSTATS解3.3版本,該版本界面友好,以 ARC/INFO或ARCVIEW為基本工作環(huán)境,支持ARC/INFO、IDRISI、ERDAS等多種格式的矢量與柵格數(shù)據(jù),通過對濕地分類結(jié)果圖編輯及格式轉(zhuǎn)換后,得到30 m×30 m精度的網(wǎng)格數(shù)據(jù),分別進(jìn)行各個(gè)層級的景觀指數(shù)提取[17-18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)期各類型濕地面積變化分析

由表1可以看出,1987年濕地總面積94 331.61 hm2,占墾利縣總面積的比例42.80%,其中天然濕地面積為62 249.54 hm2,占濕地總面積的65.99%左右;人工濕地32 082.06 hm2,占濕地總面積的34.01%。由于各種原因濕地遭到破壞,受到威脅,2004年濕地面積為88 176.48 hm2,濕地面積較1987年下降6 155.13 hm2,占墾利縣總面積的比例40.01%,其中天然濕地面積為53 266.50hm2,占濕地總面積的 60.41%左右;人工濕地 34 909.99 hm2,占濕地總面積的39.59%。由此可見,灘涂和葦?shù)厥菈ɡh最主要的天然濕地類型,濕地景觀面積在研究時(shí)段內(nèi)呈顯著下降趨勢,17 a共減少6 155.12 hm2,平均每年減少362.07 hm2,其中灘涂濕地面積減少幅度最大3 894.78 hm2;從各濕地類型之間的轉(zhuǎn)換來看,各種濕地景觀之間、濕地和非濕地之間相互轉(zhuǎn)化和逆轉(zhuǎn)并存,灘涂和葦?shù)嘏c其他地類轉(zhuǎn)換頻繁。

3.2 斑塊類型級別上景觀格局指數(shù)變化分析

由表2、3可知,近20年,灌溉水田面積減少1 531.61 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加662,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.095 2,最大斑塊指數(shù)由0.287增加到0.538 8,景觀形狀指數(shù)增加,聚集度減少0.43%;坑塘水面面積增加2 400.85 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加950,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.082 3,最大斑塊指數(shù)由 0.028 7增加到0.104 8;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少0.55%;養(yǎng)殖水面面積增加344.76 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加1 118,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.118 0,最大斑塊指數(shù)由0.829 8增加到1.532 7;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少 0.02%;人工溝渠面積減少 1 554.19 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加2 273,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.043 9,最大斑塊指數(shù)由0.421 3減少到0.162 2;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少6.36%;水庫水面面積增加2 823.36 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加2 936,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.190 3,最大斑塊指數(shù)由0.155 8增加到0.173 3;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少4.20%;鹽田面積增加344.76 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加3 129,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.276 5,最大斑塊指數(shù)由0.014 1增加到0.090 3;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少28.27%;河流水面面積增加1 546.13 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加2 616,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)減少0.131 5,最大斑塊指數(shù)由0.813 6減少到0.498 7;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少 1.43%;葦?shù)孛娣e減少 3 819.91 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加3 931,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.121 1,最大斑塊指數(shù)由1.089 2增加到1.771 8;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少 0.84%;灘涂面積減少3 894.78 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加3 494,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.091 1,最大斑塊指數(shù)由1.497 4增加到2.679 3;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少0.53%;灘地面積減少2 814.78 hm2,斑塊個(gè)數(shù)增加4 648,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數(shù)增加0.146 1,最大斑塊指數(shù)由0.161 2減少到0.008 1;景觀形狀指數(shù)增加;聚集度指數(shù)減少26.17%。

表2 1987年和2004年墾利縣濕地類型及面積

表3 不同濕地類型景觀格局指數(shù)分析(1987年)

表4 不同濕地類型景觀格局指數(shù)分析(2004年)

3.3 景觀級別景觀格局指數(shù)變化分析

由圖1可知,研究區(qū)濕地景觀多樣性指數(shù)1987年為1.764 3,2004年下降到1.710 5,說明各斑塊類型在景觀中分布呈均衡化趨勢減弱,人類干擾強(qiáng)度增強(qiáng),景觀類型的多樣化、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性有了變化;均勻度指數(shù)由1987年的0.687 3上升到2004年的0.692 3。墾利縣均勻度指數(shù)說明該區(qū)均勻度指數(shù)較低,景觀為少數(shù)幾種濕地類型所控制。其中養(yǎng)殖水面、葦?shù)亍┩糠謩e占總面積的 7.67%、7.60%和12.33%,在整個(gè)墾利縣濕地景觀中占據(jù)控制地位,并構(gòu)成墾利縣濕地景觀主體。

3.4 驅(qū)動(dòng)力分析

墾利縣濕地景觀變化的驅(qū)動(dòng)因子可分為兩類:自然驅(qū)動(dòng)因子和人為驅(qū)動(dòng)因子。兩者分別對濕地系統(tǒng)在不同的時(shí)空尺度上發(fā)生作用,構(gòu)成了推動(dòng)區(qū)域濕地演變的驅(qū)動(dòng)力,引起了濕地景觀格局和生態(tài)功能的動(dòng)態(tài)演變,塑造了當(dāng)前的濕地景觀現(xiàn)狀。

3.4.1 自然因素 自然驅(qū)動(dòng)因子常常在較大的時(shí)空尺度上作用于景觀,它可以引起較大范圍的景觀變化,主要包括:氣候、水文、地質(zhì)、土壤、植被等。氣候條件是濕地形成發(fā)展的基礎(chǔ),也是濕地形成的基本驅(qū)動(dòng)力,特別是水熱條件,它是濕地景觀形成、發(fā)育的決定因素[18]。圖2為墾利縣研究期內(nèi)氣溫及降水變化趨勢,可以看出該流域氣溫有逐年升高的趨勢,氣溫變化影響蒸發(fā)過程,降水量有逐年降低的趨勢,說明墾利縣氣候逐漸變暖和趨干。2004年濕地面積比1987年減少6 155.12 hm2,因此氣候變化是濕地面積減少的重要驅(qū)動(dòng)力之一。

3.4.2 人為因素 人為驅(qū)動(dòng)因子包括:人口、政治、經(jīng)濟(jì)、文化等,它們對景觀的影響越來越大,在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì),人為因素對于景觀的結(jié)構(gòu)和功能的影響越來越關(guān)鍵。20世紀(jì)80年代中期以來,黃河三角洲地區(qū)一方面隨著人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的發(fā)展,人口增加、油田開發(fā)、養(yǎng)殖業(yè)擴(kuò)大,基本建設(shè)投資力度加大,建筑用地的面積大幅度增加,城鎮(zhèn)化水平逐年提高(表5),引起了濕地空間格局的顯著變化;另一方面由于水利工程建設(shè)的加強(qiáng),特別是水庫和堤壩的修建,水體的人為干擾增強(qiáng)較為顯著,再加上黃河斷流、水資源的需求量不斷加大等原因,黃河三角洲的環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重,特別是近年來,來自黃河和其它河流的污染物(主要是無機(jī)氮、無機(jī)磷和石油類)對濕地生態(tài)環(huán)境的影響最廣泛。

圖1 墾利縣濕地景觀多樣性、均勻度指數(shù)

圖2 墾利縣氣溫與降雨變化趨勢(1970-2004年)

表5 墾利縣社會(huì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(1996-2003年)

4 結(jié)論

(1)20年來,黃河三角洲的濕地景觀發(fā)生了巨大的變化。灘涂和葦?shù)厥菈ɡh最主要的天然濕地類型,濕地景觀面積在研究時(shí)段內(nèi)呈顯著下降趨勢,各種濕地景觀之間、濕地和非濕地之間相互轉(zhuǎn)化和逆轉(zhuǎn)并存,灘涂和葦?shù)嘏c其他地類轉(zhuǎn)換頻繁;墾利縣10種不同濕地類型除個(gè)別外,斑塊個(gè)數(shù)、分維數(shù)、斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、景觀聚集度指數(shù)均增加,聚集度指數(shù)均減少,其中葦?shù)?、灘涂、灘地變化幅度較大;研究區(qū)濕地景觀多樣性指數(shù)下降,說明各斑塊類型在景觀中分布呈均衡化趨勢減弱;均勻度指數(shù)上升,說明該區(qū)均勻度指數(shù)較低,景觀為少數(shù)幾種濕地類型所控制。

(2)通過對墾利縣的實(shí)例分析可知,氣候變化是黃河三角洲的濕地面積減少的重要驅(qū)動(dòng)力之一,景觀格局的變化主要是人口增加、油田開發(fā)、土地利用活動(dòng)加強(qiáng)、水利工程建設(shè)等人為驅(qū)動(dòng)因子造成的。

(3)今后黃河三角洲地區(qū),需大力加強(qiáng)資源保護(hù)與利用和生態(tài)建設(shè),節(jié)約各種建設(shè)與耕作用地,控制用地斑塊盲目擴(kuò)張,嚴(yán)禁圍湖造田,合理建設(shè)景觀和優(yōu)化景觀結(jié)構(gòu),以創(chuàng)建環(huán)境優(yōu)美的與自然生態(tài)系統(tǒng)相協(xié)調(diào)的濕地景觀,達(dá)到人與自然、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然過程的協(xié)同進(jìn)化。

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