河南省濕地景觀格局演變特征研究

申懷飛，陳 琛，王 林

(許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院,河南 許昌 461000)

濕地是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有巨大的環(huán)境調(diào)節(jié)能力和生態(tài)價值，在保護(hù)物種多樣性、消減洪峰和蓄洪抗旱、吸收二氧化碳和調(diào)節(jié)局部小氣候、降解污染物和凈化水質(zhì)等方面發(fā)揮著重要作用[1].濕地問題是當(dāng)今生態(tài)學(xué)熱點問題之一，濕地景觀的演變從側(cè)面反映了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此，對濕地進(jìn)行研究可以更好地把握濕地演變的原因和趨勢，從而為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供參考.

國外學(xué)者為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要較早地開展?jié)竦鼐坝^格局的研究，但限于當(dāng)時的研究條件，大部分研究范圍較小，深度也較淺.20世紀(jì)80年代以來，RS和GIS技術(shù)的巨大進(jìn)步以及景觀生態(tài)學(xué)的產(chǎn)生并開始應(yīng)用到濕地景觀研究[2]，特別是2001年召開的亞洲濕地大會通過的利用RS和GIS技術(shù)進(jìn)行濕地研究的議題進(jìn)一步深入推進(jìn)了對濕地景觀格局及其變化的研究，促進(jìn)了濕地景觀格局研究的長足發(fā)展，濕地研究的目的從擴(kuò)展?jié)竦乩棉D(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康與可持續(xù)發(fā)展[3].

國內(nèi)濕地景觀演變的研究始于20世紀(jì)70年代，很多學(xué)者運(yùn)用RS技術(shù)做了一些濕地發(fā)展的探索，對國內(nèi)濕地的分類、面積、形成原因以及演變特征進(jìn)行了探究，對濕地景觀有了初步認(rèn)識[4].RS和GIS技術(shù)的成熟推動了國內(nèi)濕地景觀格局研究的快速進(jìn)步，研究范圍擴(kuò)大到濕地的各個類型中并且深度不斷加大.近年來，國內(nèi)濕地景觀研究內(nèi)容以濕地各類型分布與動態(tài)變化為主，逐漸向景觀變化的原因及其產(chǎn)生的影響方面擴(kuò)展，濕地景觀格局的研究方法直接體現(xiàn)了“3S”技術(shù)與景觀格局指數(shù)統(tǒng)計的結(jié)合[5].

河南處于亞熱帶和暖溫帶之間，氣候類型為濕潤半濕潤季風(fēng)氣候，濕地為常見的內(nèi)陸型濕地[2]，濕地種類多、分布廣、總量大，在河南省所有土地利用類型中，濕地占有重要地位.盡管國內(nèi)外圍繞濕地景觀格局演變進(jìn)行了深入研究并取得了豐碩成果，但對于河南省濕地景觀格局的研究還比較少，特別是對其演變特征的分析還不夠詳細(xì).以河南濕地為研究對象，選取1990年和2012年兩個時間段，借助遙感影像和地理信息技術(shù)，剖析了研究區(qū)近30年來濕地景觀格局的整體變化特征和某單一景觀類型的演化，從而為河南省濕地資源的合理開發(fā)、保護(hù)以及實現(xiàn)濕地可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 研究區(qū)概況

河南居于中國之中(東經(jīng)110°21′～116°39′，北緯31°23′～36°22′)，黃河穿境而過，與冀、晉、陜、鄂、皖、魯6省相鄰[6]，全省土地面積16.7萬km2，居全國第17位；屬于亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶，氣候適宜，日照時間長，降水豐富；地形地貌復(fù)雜多樣，中部和東部屬于華北平原的南部，西部為伏牛山脈，北部為太行山，南部為大別山，境內(nèi)河流眾多，跨越黃河、淮河、海河和長江四大流域，面積達(dá)到了163 489 km2，水資源總量達(dá)到了413億m3，居全國第19位[7].河南省境內(nèi)濕地類型多樣，且面積較大，不同地形均有分布，尤其是境內(nèi)南部的南陽、信陽、駐馬店最為集中.其中國家級濕地有丹江口水庫濕地、三門峽庫區(qū)濕地、宿鴨湖濕地和豫北黃河故道沼澤區(qū)，國家級濕地保護(hù)區(qū)有黃河濕地自然保護(hù)區(qū)、丹江濕地自然保護(hù)區(qū)和新鄉(xiāng)黃河濕地鳥類自然保護(hù)區(qū)，境內(nèi)濕地生物種類繁多，其中國家I級重點保護(hù)動物有白鸛、黑鸛、金雕和玉帶海雕等8種，國家II級重點保護(hù)動物有白鵜鶘、白瑟鷺、小天鵝等共計31種[8].

2 研究方法

2.1 景觀格局指數(shù)選取

景觀格局是不同景觀類型在時空上的排列組合情況，包含各景觀類型的多少、形狀、屬性等，其變動既是自然和人類活動等各種因素干預(yù)的結(jié)果，又影響著該區(qū)域整個生態(tài)系統(tǒng)的變化[9].本研究選取了破碎度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和分維度指數(shù)4個的景觀格局指數(shù):

(1)破碎度指數(shù)，反映了景觀的破碎化程度.其公式如

PD=Ni/Ai,

①

式中，Ni為某景觀類型的斑塊數(shù)，Ai為某景觀類型的總面積.

(2)多樣性指數(shù)，代表濕地景觀要素的多少和不同濕地景觀類型所占比例變化.其公式如

②

式中，m代表景觀類型數(shù)，Pk代表不同景觀類型所占面積的比例.

(3)優(yōu)勢度指數(shù)，描述一種或多種景觀嵌塊體支配景觀格局的程度.其公式如

③

式中，Hmax=ln(m)，Pk代表景觀類型所占面積的比例，m代表景觀類型數(shù).

(4)分維數(shù)指數(shù),反映斑塊形狀的復(fù)雜程度或斑塊的自我相似程度.其公式如

FD=2lnP/lnA,

④

式中，P代表斑塊周長，A代表斑塊的面積.

2.2 濕地分類系統(tǒng)

開展?jié)竦鼐坝^格局研究之前必須先進(jìn)行濕地景觀分類，國內(nèi)外對于濕地的分類方法有很多，不同國家制定出了不同的濕地分類體系.以《濕地公約》為參考，結(jié)合研究區(qū)實際情況[10]，將河南省濕地分為河流、湖庫、沼澤和水田4種類型.

2.3 數(shù)據(jù)來源及其預(yù)處理

根據(jù)研究區(qū)地理位置及遙感數(shù)據(jù)云量，選取符合研究要求的1990年和2012年2個時期的Landsat衛(wèi)星影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

首先,在Erdas Image 9.2軟件平臺上對兩個時期的遙感影像進(jìn)行波段融合、拼接和裁剪，將裁剪后的圖像進(jìn)行纓帽變換并進(jìn)行線性拉伸.然后,用監(jiān)督分類的方法把濕地類型進(jìn)行分類提取[11];運(yùn)用ArcGIS10.0將分類結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，分類完成后結(jié)合目視判讀對分類效果進(jìn)行檢驗，對于分類混合不清的部分在Erdas Image 9.2和ArcGIS10.0中加以對比求證后再分類.最后,利用Fragstats3.4軟件提取破碎度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、分維數(shù)指數(shù)等景觀格局指數(shù)[12].

3 結(jié)果與分析

3.1 河南省濕地構(gòu)成及面積比例變化分析

利用研究區(qū)的Landsat遙感影像經(jīng)過一系列的分析處理，得到河南省濕地景觀類型分布圖(圖1、圖2),利用ArcGIS10.0計算得出1990、2012年河南省各類型濕地斑塊數(shù)、面積及其比重變化(表1).

圖1 1990年河南省各濕地景觀類型分布圖

圖2 2012年河南省各濕地景觀類型分布圖

濕地類型斑塊數(shù)19902012增減面積/(hm2)19902012增減面積比例/﹪19902012沼澤41-38 871.1456.18-8 814.964.510.03水田6 07010 0523 98216 471.2240 959.0624 487.848.3620.76湖泊182148-3476 824.3791 870.6515 046.2839.0446.58河流10667-3994 629.7264 341.59-30 288.1348.0932.63總計6 36210 2683 906196 796.45197 227.48431.03100100

從表1可以看出，1990年至2012年河南省濕地面積由196 796.45 hm2增長到197 227.48 hm2，增長了431.03 hm2，斑塊數(shù)由6 362個增加到10 268個，增加了3 906個，水田面積和斑塊數(shù)的增加是濕地總面積和總斑塊數(shù)增加的主要原因；水田面積增加最為明顯，增加了24 487.84 hm2，斑塊數(shù)增加了3 982個，水田面積增加主要得益于水稻品種的改良，品種改良后使水稻產(chǎn)量大幅提升，另外耕作技術(shù)的進(jìn)步，國家政策的支持等都促進(jìn)了水田面積的大幅度增長；雖然湖泊的面積增長了15 046.28 hm2，但斑塊數(shù)卻減少了34個，湖泊面積的增加主要得益于小浪底水庫等水利設(shè)施的修建；湖泊斑塊數(shù)減少是由于城市化進(jìn)程的加快，使得湖泊周邊得到開發(fā)導(dǎo)致了部分湖泊的消失，另外圍湖造田也是主要原因之一；其他濕地的面積在原來的基礎(chǔ)上都有所下降，河流面積減少最多，減少了30 288.13 hm2；水資源的不合理利用和水資源浪費(fèi)使得一些主要河流的支流消失，這導(dǎo)致了河流總面積的減少，從1990年和2012年的濕地分類結(jié)果圖像中可以看出河流的支流數(shù)量明顯減少，這直接反映了河流濕地面積的減少；沼澤數(shù)量和面積都大幅減少，面積從8 871.14 hm2減為56.18 hm2，減少了99.36%.

3.2 河南省濕地景觀水平格局整體變化分析

利用Fragstats3.4軟件對河南省1990、2012年的景觀格局指數(shù)進(jìn)行了計算(表2).由表2可知，1990年至2012年河南省濕地景觀的破碎度指數(shù)增加最為明顯，從3.232 8增長至5.202 6，這反映了近年來河南省濕地景觀破碎度加劇，景觀趨于破碎化，結(jié)合表1可以看出,從1990年到2012年河南省濕地的斑塊數(shù)大幅增加，然而面積卻增加的很有限，因此這就造成了破碎度指數(shù)的增加.多樣性指數(shù)從1.600 3增加到1.614 7，多樣性指數(shù)增加說明優(yōu)勢景觀對景觀整體的控制性減弱，1990年河流作為優(yōu)勢景觀，面積占景觀整體的48.09%，到了2012年卻降低為32.63%，并且水田和湖泊占總面積的比例都出現(xiàn)增長，各種濕地類型所占的比例趨于均衡化，這導(dǎo)致河流的優(yōu)勢性減小，對景觀整體的控制力減弱.而優(yōu)勢度指數(shù)從1.218 0減至1.203 6說明各景觀類型的偏離程度減弱，景觀格局呈集中趨勢.這主要是由于水田面積的增加使得水田面積占總面積的比例增大，河流面積減少，河流在景觀整體中的優(yōu)勢性減弱，從而使得景觀格局呈現(xiàn)集中趨勢.景觀分維數(shù)指數(shù)從1.563 1增長至1.582 8，景觀分維數(shù)的高低代表著景觀斑塊形狀的復(fù)雜程度，分維數(shù)越大表示形狀越不規(guī)則；景觀分維數(shù)的增加說明各景觀斑塊形狀不規(guī)則化加劇，斑塊形狀趨于復(fù)雜，這主要是受到人類活動的影響.

表2 1990、2012年河南省濕地景觀格局指數(shù)統(tǒng)計表表

3.3 河南省各濕地景觀格局動態(tài)變化分析

通過對1990、2012年河南省濕地景觀類型水平指數(shù)的分析可以得出兩時期內(nèi)不同濕地類型的動態(tài)變化特征(表3).由表3可知，1990年各濕地的破碎度指數(shù)處于0.045～3.685 2之間，其中沼澤的破碎度指數(shù)最小，水田的最大；2012年各濕地的破碎度指數(shù)處于0.040 8～2.454 1之間，河流的破碎度指數(shù)最小，水田的最大.其中沼澤的破碎度指數(shù)變化最為明顯，主要是受到了人類活動的影響，大量沼澤被開發(fā)為農(nóng)田或者其他土地利類型，從而使得沼澤的破碎化加劇.在兩個時期內(nèi)各景觀類型的多樣性型指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)都有所變化，其中沼澤和河流的多樣性指數(shù)減小，優(yōu)勢度指數(shù)增大，原因是由于沼澤和河流的面積與斑塊數(shù)均有所減小，景觀復(fù)雜度降低，與優(yōu)勢景觀的偏離程度變大；水田和湖泊的多樣性指數(shù)增加，優(yōu)勢度指數(shù)變小，這是由于水田和湖泊面積的增加使得他們與優(yōu)勢景觀的偏離程度減弱.從各景觀類型的分維數(shù)指數(shù)來看，沼澤和湖泊的分維數(shù)變小，水田和河流的分維數(shù)變大，這說明沼澤和湖泊的形狀變得有規(guī)則，發(fā)生變化的主要原因是大量水利設(shè)施的修建使得湖泊形狀變得有規(guī)則，另外，圍繞沼澤進(jìn)行的圍沼造田使得沼澤形狀簡單化.河流和水田的分維數(shù)變大說明河流和水田的形狀不規(guī)則化加劇，形狀趨于復(fù)雜化，這主要是隨著耕作技術(shù)進(jìn)步以及水稻經(jīng)濟(jì)價值的增長使得大量山坡水田被開墾，由于新開墾水田缺乏規(guī)劃且受地形影響形狀不規(guī)則，因此使得水田的分維數(shù)增大.

表3 1990、2012年河南省不同濕地類型的景觀格局指數(shù)

4 結(jié)論

本研究對1990年和2012年兩個時期的河南省濕地景觀格局演變進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)河南省濕地總面積略有增加，從1990年到2012年的22年里濕地總面積增長了431.03 hm2.然而自然濕地面積卻減少，其中沼澤面積下降了8 814.96 hm2，減少了99.36%，河流面積減少了30 288.13 hm2，水田面積增長十分迅速，增長了24 487.84 hm2，湖泊面積增加了15 046.28 hm2.

(2)河南省濕地景觀類型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，水田和湖泊的面積比重增加，沼澤和河流的面積比例下降，沼澤面積下降比例最大.

(3)河南省濕地景觀破碎化加劇，景觀破碎度指數(shù)從3.232 8增至5.206 2.這主要是因為人類活動對濕地自然景觀的改造日益增強(qiáng)，大的景觀單元被分化為若干小單元，從而致使破碎度指數(shù)增大.

(4)河南省濕地景觀優(yōu)勢度變小，多樣性和分維數(shù)變大.河流作為優(yōu)勢景觀對景觀整體的控制力減弱，各景觀類型比例差異變小.