基于“3S”技術(shù)和景觀破碎化分析的ち韜涌謔地功能區(qū)劃分

周林飛 徐浩田 蘆曉峰

摘要：凌河口濕地是遼河三角洲濕地的重要組成部分，是遼寧省自然保護(hù)區(qū)。以5年TM影像為數(shù)據(jù)源，對8種土地利用景觀類型的總面積及斑塊數(shù)量進(jìn)行計算，并對選定的4個景觀空間格局指數(shù)進(jìn)行計算，以計算結(jié)果為依據(jù)定量分析了凌河口濕地的景觀破碎化特征。結(jié)果表明：受人為活動影響，1995年到2005年，景觀破碎化程度加大；由于對濕地加強了保護(hù)，2005年到2014年景觀破碎度稍有降低。依據(jù)人與生物圈計劃（Man and the Biosphere Programme，MAB）提出的保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃分原則，結(jié)合景觀破碎化分析結(jié)果以及濕地內(nèi)的實際情況首次對凌河口濕地功能區(qū)進(jìn)行劃分，結(jié)果表明：核心區(qū)總面積320.51 km2，緩沖區(qū)總面積270.53 km2，試驗區(qū)總面積267.68 km2。研究結(jié)果對保護(hù)凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)完整性和生物多樣性具有重要意義，同時也為凌河口濕地資源的開發(fā)及利用提供了參考。

關(guān)鍵詞：凌河口濕地；“3S”技術(shù)；景觀破碎化；景觀空間格局指數(shù)；功能區(qū)劃分

中圖分類號： P343文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0519-04

景觀破碎化是指由于自然或人文因素的干擾所導(dǎo)致的景觀由簡單趨向于復(fù)雜的過程，即景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程[1]。景觀破碎化直接或間接地影響著景觀的結(jié)構(gòu)、功能及動態(tài)，并對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，其實質(zhì)是自然與人為因素長期協(xié)同作用的結(jié)果。為恢復(fù)濕地生態(tài)自然環(huán)境，保護(hù)生物種群和生物多樣性，達(dá)到生態(tài)平衡，應(yīng)對濕地尤其是已定為自然保護(hù)區(qū)的濕地進(jìn)行功能劃分。濕地功能區(qū)的劃分應(yīng)充分體現(xiàn)濕地的特點，按照濕地的資源狀況進(jìn)行劃分。多年的濕地景觀破碎化分析可以充分體現(xiàn)濕地資源、各生態(tài)系統(tǒng)的變化情況，比如其在空間和時間上的連續(xù)性，據(jù)此進(jìn)行功能區(qū)劃分，以達(dá)到優(yōu)先保護(hù)、合理布局的目的。在景觀破碎化分析中，最有效的方法是利用“3S”技術(shù)對濕地內(nèi)的相關(guān)信息進(jìn)行提取和分析。本研究即采用“3S”技術(shù)對凌河口濕地5個年份跨越20年的景觀破碎化動態(tài)變化進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上首次對其功能區(qū)進(jìn)行劃分，并利用“3S”技術(shù)對濕地1995—2014年中的5年進(jìn)行了功能區(qū)的具體劃分，為科學(xué)利用濕地資源、協(xié)調(diào)研究區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和建設(shè)健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)等提供科學(xué)依據(jù)[2]。

1研究區(qū)域概況

凌河口濕地是遼河三角洲濕地的重要組成部分，屬遼寧省省級自然保護(hù)區(qū)，是我國河口濕地的典型區(qū)域。地理坐標(biāo)為121°00′ ～ 121°30′E，40°45′ ～ 41°00′N。凌河口濕地保護(hù)區(qū)地處中國渤海遼東灣北海岸，遼寧省凌海市南部沿海地帶，囊括凌海市68.7 km海岸線，東起大凌河河口，與遼寧雙臺河口國家級自然保護(hù)區(qū)相鄰；西至小凌河河口西部龍頭，與世界知名的筆架山、天橋景觀相接；北部為遼西中心城市錦州市和遼西明珠凌海市。保護(hù)區(qū)總面積約為8.36萬hm2，屬濱海濕地復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。

保護(hù)區(qū)內(nèi)物種多樣，資源豐富，主要保護(hù)對象是濕地生態(tài)系統(tǒng)、候鳥及西太平洋斑海豹。每年有7萬余只鳥經(jīng)凌河口濕地進(jìn)行遷徙，是國際上重要的候鳥停歇地，也是世界瀕危鳥類黑嘴鷗和丹頂鶴的主要棲息地和繁殖地，并且該地區(qū)位于東北亞鳥類遷徙必經(jīng)之地，生物物種十分豐富，有動植物共計239科，1 024種。凌河口受遼東灣北部潮汐、海流、波浪等海洋因素的影響，形成大面積的灘涂、沼澤濕地，因此極具濕地生態(tài)效益。凌河口濕地生態(tài)資源豐富，不僅具有經(jīng)濟價值，而且具有重要的生態(tài)和科研價值[3]，應(yīng)對其進(jìn)行功能區(qū)的劃分，以達(dá)到優(yōu)先保護(hù)、科學(xué)利用的目的。

2研究方法

2.1基礎(chǔ)資料

主要數(shù)據(jù)源為1995、2000、2005、2009、2014年30 m分辨率的TM影像。以GIS為技術(shù)平臺，并用ERDAS 8.6對TM影像進(jìn)行大氣校正、幾何糾正、信息增強等處理。收集的各種輔助資料有：行政界限圖、水系圖和大凌河地區(qū)以往的調(diào)查資料、研究成果以及各種相關(guān)地質(zhì)、植被、土壤、氣象、水文、區(qū)域地理概況、社會經(jīng)濟因素等。

2.2土地利用景觀分類與遙感分類信息提取

根據(jù)遼寧省土地部門制定的土地利用分類系統(tǒng)及實地調(diào)查研究，將凌河口濕地土地利用景觀類型劃分為8類，分別是：林地、湖泊-養(yǎng)殖塘、居民地、蘆葦沼澤、旱地、水田、灘涂及河流。

2.3景觀空間格局指標(biāo)

景觀空間格局通常是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，具體是指由自然或人為形成的一系列大小、形狀各異，排列不同的景觀鑲嵌體在景觀空間的排列，即是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)。目前有上百種用來分析和解釋景觀格局的指數(shù)，但是景觀結(jié)構(gòu)要素之間具有高度的相關(guān)性。根據(jù)相關(guān)分析，本研究選定了4個既相互獨立，又能全面描述凌河口濕地景觀格局的景觀指數(shù)，分別是：多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢度指數(shù)、景觀斑塊密度和景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)。通過對它們的分析，能反映出凌河口濕地的景觀破碎化狀況。

3計算結(jié)果與分析

3.1計算結(jié)果

通過ArcGIS等軟件，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中各景觀類型的面積、斑塊數(shù)等信息，按照式（1）～（4），代入相關(guān)參數(shù)，計算得出1995、2000、2005、2009、2014年5年的凌河口濕地的景觀多樣性指數(shù)（H）、景觀優(yōu)勢度指數(shù)（D）、景觀斑塊密度（PD）和景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI），將計算結(jié)果繪制成凌河口濕地景觀格局指數(shù)變化趨勢圖（圖1）。

3.2濕地內(nèi)部破碎化分析

從圖1可以看出，1995年到2014年，凌河口濕地的各個景觀指數(shù)趨勢都呈拋物線形式變化，其中景觀多樣性指數(shù)先從2.498升到2.720，再降到2.544；景觀斑塊密度先從0.342升到0.473，再降到0.354；香農(nóng)多樣性指數(shù)先從1.732升到1.885，再降到1.763；景觀優(yōu)勢度指數(shù)則是先從0.502降到 0.280，再升到0.456。由此不難看出2005年是一個轉(zhuǎn)折點，各個指標(biāo)出現(xiàn)了高峰或低谷。從各個指數(shù)的含義來分析，可以說明在1995年到2005年期間，濕地的景觀多樣性增加幅度明顯，整體斑塊密度增大，土地利用豐富，景觀的破碎化程度加重，各類型所占的比例差異逐漸減小，表明在這期間人類對濕地景觀的干預(yù)越來越頻繁，造成了濕地景觀的急劇變化。從優(yōu)勢度指數(shù)的定義來看，優(yōu)勢度D越大，表明景觀只受一個或少數(shù)幾個斑塊類型的支配；D值越小，表示景觀由多個面積相近的斑塊類型所構(gòu)成。由此表明，濕地中占優(yōu)勢地位的幾種景觀類型的面積在逐步減小，各景觀類型所占面積比例趨于平等。4種景觀指數(shù)變化趨勢表明：1995—2005年，濕地內(nèi)景觀破碎化加劇。這主要受人為活動的影響，使湖泊-養(yǎng)殖塘、居民地等的面積不斷增大，旱地雖然面積沒有上升，但斑塊數(shù)量增加明顯，這些對大斑塊蘆葦沼澤、灘涂等的不斷蠶食、分割、隔離，使?jié)竦刭|(zhì)量下降，導(dǎo)致環(huán)境變差，進(jìn)一步加劇濕地內(nèi)部的破碎化進(jìn)程。

從圖1可以看出，在2005年到2014年期間，多樣性指數(shù)、景觀斑塊密度和香農(nóng)多樣性指數(shù)都開始有所下降，景觀優(yōu)勢度指數(shù)有所升高，由此可以得出結(jié)論：在這個時期，景觀多樣性在逐步減少，景觀破碎化程度趨于緩和，其中一些占優(yōu)勢的景觀類型得到了有效的鞏固，景觀的連續(xù)性和整體性較2005年有所好轉(zhuǎn)[8]。這主要是因為相關(guān)部門加強了濕地的生態(tài)環(huán)境管理，限制了對濕地的開發(fā)與占用。

4凌河口濕地功能區(qū)劃分

4.1濕地功能區(qū)劃分的依據(jù)

“人與生物圈計劃”簡稱MAB，是聯(lián)合國教科文組織科學(xué)部門于1971年發(fā)起的一項政府間跨學(xué)科的大型綜合性研究計劃。生物圈保護(hù)區(qū)是MAB的核心部分，是一種新型的自然保護(hù)區(qū)，是根據(jù)“世界生物圈保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)章程框架”設(shè)立的。它將傳統(tǒng)的絕對保護(hù)過渡到開放式、多功能的積極保護(hù)。建立自然保護(hù)區(qū)不但要保護(hù)自然資源，還要實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，因此，需要對保護(hù)區(qū)進(jìn)行全方位規(guī)劃，實現(xiàn)保護(hù)區(qū)的多功能作用，即除了把保護(hù)看作主要任務(wù)外，還應(yīng)將教育、科研、生態(tài)旅游和資源開發(fā)等結(jié)合起來，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

為達(dá)到保護(hù)區(qū)的多功能要求，一般將其劃分為3個區(qū)域：（1）核心區(qū)：是保護(hù)區(qū)的核心部分，此區(qū)域要盡量保證不受人為破壞或干擾。核心區(qū)要嚴(yán)禁采伐和狩獵等活動，嚴(yán)格保護(hù)動植物和生態(tài)環(huán)境，以維持物種多樣性的完整，并使其維持穩(wěn)定。具體劃分時需注意：核心區(qū)必須是需要保護(hù)的野生動植物最集中分布的區(qū)域，或者是各原生性生態(tài)系統(tǒng)類型保存最完好的區(qū)域。（2）緩沖區(qū)：一般處于核心區(qū)外圍，可防止核心區(qū)受到外界的干擾，起到緩沖的作用。在緩沖區(qū)可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行以資源保護(hù)為目的的科研活動、旅游活動、景觀恢復(fù)工程等，但前提是不破壞濕地內(nèi)景觀。具體劃分時需注意：緩沖區(qū)一般包括一部分原生性生態(tài)系統(tǒng)類型和由演替類型所占據(jù)的半開發(fā)地段，使生物、景觀與核心區(qū)保持一致。（3）過渡區(qū)（又稱試驗區(qū)）：主要用于發(fā)展本地特有的生物資源，保存與核心區(qū)和緩沖區(qū)的一致性。在此區(qū)域允許進(jìn)行一些科研和人類經(jīng)濟活動以協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)鼐用瘛⒈Ｗo(hù)區(qū)及研究人員的關(guān)系[9]。

4.2功能區(qū)劃分

凌河口濕地是遼寧省自然保護(hù)區(qū)，目前還沒有對其進(jìn)行功能區(qū)的劃分。為實現(xiàn)凌河口濕地的多功能性，在保護(hù)的同時對其進(jìn)行利用，本研究首次對其進(jìn)行功能區(qū)的劃分。以MAB提出的保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃分原則為依據(jù)，結(jié)合景觀破碎化分析結(jié)果以及濕地內(nèi)的實際情況進(jìn)行劃分。從景觀破碎化分析結(jié)果看，1995—2005年，由于人類對濕地景觀的干預(yù)越來越頻繁，濕地的景觀多樣性增加幅度明顯，整體斑塊密度增大，土地利用豐富，景觀的破碎化程度加重，各類型所占的比例差異逐漸減小，使?jié)竦鼐坝^急劇變化，改變了濕地固有的水文情勢，使?jié)竦貎?nèi)生物多樣性面臨最大威脅。雖然2005—2014年，濕地內(nèi)景觀破碎化程度有所改善，但是濕地內(nèi)景觀破碎化程度仍較大，需要加強對其的保護(hù)。基于以上原因，結(jié)合凌河口濕地景觀破碎化現(xiàn)狀及物種生境特征，建議性地提出了該濕地功能區(qū)的劃分。從凌河口5年的濕地遙感影像以及濕地調(diào)查來看，凌河口濕地的東南角主要分布的是沼澤地和珍稀動物，相對完好地保存了原始生態(tài)系統(tǒng)的類型，因此將凌河口濕地的南部沿海地帶及周邊沼澤地區(qū)劃分為核心區(qū)；過渡區(qū)為研究區(qū)的中部地區(qū)，這里主要是林地、旱田、水田等，其功能與核心區(qū)的功能相似；破碎化程度比較嚴(yán)重的北部地區(qū)，劃分為試驗區(qū)[10]。具體分區(qū)如下：

4.2.1核心區(qū)

核心區(qū)的劃分有著資源分布及地理形態(tài)上的考慮。核心區(qū)總面積305.88 km2，占濕地總面積的 36.6%。核心區(qū)中包含了蘆葦沼澤、河流、湖泊-養(yǎng)殖塘、灘涂等生態(tài)系統(tǒng)，為候鳥的主要棲息地和覓食地。核心區(qū)主要以保護(hù)濕地珍稀野生動植物為主，同時要保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是重點保護(hù)區(qū)域。目前區(qū)內(nèi)人為活動較小，核心區(qū)內(nèi)居民地面積從1995年的37.54 km2降至2014年的2.09 km2，但從長期來看核心區(qū)內(nèi)需避免外界和人為干擾，應(yīng)將核心區(qū)內(nèi)的居民全部遷出。

4.2.2緩沖區(qū)

緩沖區(qū)位于核心區(qū)的外圍，對核心區(qū)有隔離、緩沖和保護(hù)的作用，總面積268.28 km2，占濕地總面積的32.1%，目前看破碎化程度高于核心區(qū)，主要包括水田、旱地、林地、灘涂、蘆葦沼澤、湖泊-養(yǎng)殖塘等生態(tài)系統(tǒng)。在此區(qū)域可進(jìn)行以保護(hù)為目的的科研、教學(xué)、生態(tài)修復(fù)工程以及生態(tài)旅游等。

4.2.3過渡區(qū)（試驗區(qū)）

過渡區(qū)為緩沖區(qū)以外的地區(qū)，總面積261.59 km2，占濕地總面積的31.3%，目前看破碎化程度高于另外2區(qū)，包括旱田、林地、水田、蘆葦沼澤、灘涂、河流、居民地等生態(tài)系統(tǒng)。在此區(qū)域可從事參觀考察、科研試驗和相應(yīng)的經(jīng)濟活動等。

5結(jié)論

通過遙感和地理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)，運用相關(guān)計算軟件，對濕地資源進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和分析。研究結(jié)果表明，1995年到2005年該區(qū)域的斑塊密度在逐漸增大，濕地各個景觀類型的連續(xù)性和整體性在降低，破碎化程度越來越嚴(yán)重，主要是受人為活動的影響；2005年到2014年，多樣性指數(shù)、斑塊密度及香農(nóng)多樣性指數(shù)在逐步降低，景觀優(yōu)勢度指數(shù)在逐步升高，這表明濕地的整體性和連續(xù)性正在逐漸恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境較2005年之前有所改善。

為保護(hù)凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整性，本研究以MAB提出的保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃分原則為依據(jù)，結(jié)合其景觀破碎化分析結(jié)果以及凌河口濕地的實際情況，首次對其進(jìn)行功能區(qū)的劃分，分為核心區(qū)（占濕地總面積的36.6%）、緩沖區(qū)（占濕地總面積的32.1%）和試驗區(qū)（占濕地總面積的31.3%）。

參考文獻(xiàn)：

[1]由暢，周永斌，于麗芬，等. 景觀破碎化數(shù)量分析方法概述[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2006，22（5）：146-151.

[2]周再知，蔡滿堂，肖篤寧，等. 鄉(xiāng)村土地利用與景觀格局動態(tài)變化研究[J]. 林業(yè)科學(xué)研究，1999，12（6）：599-605.

[3]李新香. 凌河口濕地科學(xué)考察[J]. 遼寧林業(yè)科技，2004（1）：34-35.

[4]王勝. 景觀結(jié)構(gòu)特征數(shù)量化方法概述[J]. 河北林果研究，1999，14（2）：126-132.

[5]李詳，王心源，胡瑋，等. 基于GIS的安慶武昌湖濕地景觀格局演變研究[J]. 中國水土保持，2006，28（5）：44-46.

[6]周再知，蔡滿堂，許勇太. 鄉(xiāng)村土地利用與景觀格局動態(tài)變化研究[J]. 林業(yè)科學(xué)研究，1999，12（6）：599-605.

[7]周連義，江南，呂恒，等. 長江南京段濕地景觀格局變化特征[J]. 資源科學(xué)，2006（5）：24-29.

[8]鐘春棋，鄭彩紅. 基于TM影像的閩江口濕地信息提取及其動態(tài)變化研究[J]. 國土資源遙感，2008（1）：38-41.

[9]余新曉，牛建植，關(guān)文彬，等. 景觀生態(tài)學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2006：211-288.[ZK）]

[10]王獻(xiàn)溥，于順利，陳宏偉. 論保護(hù)區(qū)基本含義的發(fā)展和深化[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，28（4）：165-168.