近百年來鄱陽湖南部濕地景觀生態(tài)格局演變

萬智巍 ，連麗聰，賈玉連*，張智，蔣梅鑫

1. 江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022；2. 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實驗室，江西 南昌 330022

濕地景觀生態(tài)格局變化對于生態(tài)系統(tǒng)各項功能，如系統(tǒng)恢復(fù)能力、生物多樣性、重要野生動物棲息地保護(hù)等方面有著顯著的影響（Zadnik et al.，2009；林世滔等，2017）。研究表明，隨著城市化和人類干擾強(qiáng)度的日益增加，全球范圍內(nèi)的濕地景觀生態(tài)格局出現(xiàn)了不同的變化過程（Bertrab et al.，2010），特別是在城市周邊區(qū)域，各類天然濕地的消失，濕地斑塊的減少以及濕地之間連通性的急劇下降，使得濕地生態(tài)功能的合理評估成為目前研究的熱點(diǎn)之一（Zhao et al.，2016）。國內(nèi)的研究同樣表明，氣候變化在人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的疊加效應(yīng)下，對黃河三角洲（陳琳等，2017；吳晶晶等，2018）、白洋淀（張敏等，2016）、洞庭湖（黃群等，2013）等區(qū)域的天然濕地變化起到了主導(dǎo)作用；同時，農(nóng)業(yè)的大規(guī)模開發(fā)對東北三江平原地區(qū)的天然濕地減少也產(chǎn)生了重要影響（那曉東等，2009）。

為了更好地研究長時間序列下濕地景觀生態(tài)格局演變及其對環(huán)境變化的響應(yīng)，目前主要是通過不同時期的衛(wèi)星遙感影像，提取出不同年份的濕地范圍，基于景觀生態(tài)格局指數(shù)的變化，量化濕地變化的生態(tài)效應(yīng)和變化規(guī)律（劉征等，2013）。因此，重建較長時間序列的濕地景觀格局變化對于提高未來變化趨勢的預(yù)測精度和模擬的有效性具有重要意義?？紤]到衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)一般只能回溯到 20世紀(jì) 70年代左右，為了研究近百年來典型區(qū)域濕地景觀格局變化規(guī)律有必要發(fā)掘新的資料來源（孔凡亭等，2013）。近年來，一批民國時期高精度的實測軍事地形圖資料被陸續(xù)發(fā)掘，并在歷史時期土地利用重建、城市化水平、近百年湖泊演變等研究領(lǐng)域產(chǎn)生了較大影響（He et al.，2015；潘倩等，2016；張昊雁等，2016；張毅等，2010）。相關(guān)學(xué)者的研究表明，民國時期的 1∶5萬地形圖的誤差范圍在1/4000～1/1000（潘威等，2010），可以利用這批歷史資料延長濕地景觀生態(tài)格局演變序列，并以此為基礎(chǔ)探討近百年尺度下的濕地變化規(guī)律，為區(qū)域濕地格局模擬和預(yù)測提供基礎(chǔ)邊界（韓穎等，2017）。

本研究以中國最大的淡水湖——鄱陽湖為例，選取濕地分布較為集中的鄱陽湖南部作為典型區(qū)域，空間范圍為 116°E～116°45′E，28°20′N～29°N（圖1）。鄱陽湖作為長江中游地區(qū)重要的通江湖泊和候鳥棲息地，具有重要的生態(tài)意義。鄱陽湖屬于吞吐型、季節(jié)性湖泊，水位年內(nèi)變化幅度較大。高水位時則“洪水一片”，低水位時則“枯水一線”，因此其湖泊的岸線在同一年內(nèi)變化極其顯著。正常年份中鄱陽湖豐水期湖泊水域面積非常大，而枯水期整個鄱陽湖僅以一條狹窄的水道聯(lián)系長江，豐水期為湖面的區(qū)域在枯水期就轉(zhuǎn)變?yōu)橹逓竦?。因此，一般認(rèn)為在鄱陽湖地區(qū)，其豐水期水面可以視為是整個鄱陽湖濕地的范圍。同時，贛江、撫河、信江等河流在贛北地區(qū)由南向北匯入鄱陽湖，并形成了大面積的洲灘和濕地（游海林等，2016）。本研究利用1930年代軍事地形圖、1979年和2015年Landsat衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，研究近百年來3個時期鄱陽湖南部濕地面積和景觀生態(tài)格局演進(jìn)規(guī)律，為鄱陽湖濕地保護(hù)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 軍事地形圖

圖1 研究區(qū)域區(qū)位圖Fig. 1 Location map of study area

1930年代鄱陽湖南部濕地的重建主要利用上世紀(jì) 30年代相關(guān)的軍事地形圖進(jìn)行，主要包括1∶2.5萬和1∶5萬兩種形制的地形圖資料（陳黎等，1999）。近年來，這批軍事地形圖在江西師范大學(xué)（萬智巍等，2018）以及臺北“中央研究院”近代史研究所進(jìn)行了較為完善的數(shù)字化和空間化（江偉濤，2015），其下載地址為 http：//map.rchss.sinica.edu.tw/。本研究將此套地形圖中有關(guān)鄱陽湖南部的圖幅在ArcGIS 10.2平臺中進(jìn)行數(shù)字化和空間配準(zhǔn)（圖 2）。主要流程可以分為初步配準(zhǔn)和后期微調(diào)兩個步驟：首先利用1930年代測繪的軍事地形圖標(biāo)注的經(jīng)緯度信息，在ArcGIS 10.2平臺中通過Georeferencing工具中的Add control points功能將已進(jìn)行掃描的 jpg.格式地圖匹配到真實的地理空間中；然后利用投影變換工具將歷史地圖與江西省鄱陽湖地區(qū)的行政區(qū)劃底圖進(jìn)行調(diào)整；最后利用1930年代軍事地形圖中的山峰以及現(xiàn)代遙感影像中的標(biāo)志性地點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)微調(diào)，以確保地形圖反映的水域分布的準(zhǔn)確性。同時利用美國陸軍工程署制圖局（Army Map Service，US Corps of Engineers）（潘威，2011）于上世紀(jì)50年代出版的江西鄱陽湖地區(qū)航空測繪地圖進(jìn)行比對，提高重建結(jié)果精度和可靠性。利用ArcGIS中的Polygon工具實現(xiàn)1930年代鄱陽湖南部濕地的重建，最終恢復(fù)其濕地分布空間格局。

圖2 1930年代鄱陽湖地區(qū)1∶5萬軍事地形圖示意Fig. 2 Poyang lake region military topographic map of 1∶50000 in 1930s

1.2 遙感影像

對于1970年代和2010年代的鄱陽湖南部濕地的重建可以分別利用Landsat3 MSS和Landsat7 ETM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，下載地址為 http：//www.landcover.org/ data/landsat/。具體的選取標(biāo)準(zhǔn)為：影像分辨率高于60 m；鄱陽湖地區(qū)圖像較為清晰、各類洲灘和濕地區(qū)域顯示明顯；湖區(qū)云量小于10%。最終，本研究選取了1979年7月2日和2015年7月31日的湖區(qū)遙感影像作為1970年代和2010年代鄱陽湖南部濕地空間分布格局基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于ENVI 5.4軟件進(jìn)行遙感目視解譯，提取出各類水面和濕地范圍。利用《江西省圩堤圖集》（彭忠福，1999）數(shù)據(jù)，采用樣點(diǎn)法驗證1970s和2010s遙感影像解譯數(shù)據(jù)，其解譯精度分別為75.8%和81.2%。

1.3 濕地重建與分析流程

在ArcGIS 10.2平臺下，基于重建的1930年代的歷史時期鄱陽湖南部濕地范圍和1970年代、2010年代濕地范圍，在公里網(wǎng)格的劃分基礎(chǔ)上統(tǒng)計其濕地所占比率；再利用核密度空間分析方法插值獲得整個研究區(qū)域的濕地比率空間分布；最后利用3個時期的濕地比率空間分布柵格圖進(jìn)行不同時期的變化運(yùn)算，求出 1930s—1970s、1970s—2010s、1930s—2010s 3個時間段的濕地空間格局變化過程。

1.4 景觀格局統(tǒng)計

利用Fragstats 4.2軟件對3個時期的濕地空間分布柵格進(jìn)行處理，得出3個時期鄱陽湖南部濕地的各類景觀格局指數(shù)，主要包括：斑塊總面積（TA）、斑塊數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）、總邊界長度（TE）、平均邊界密度（ED）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、聚集度指數(shù)（AI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）等（McGarigal et al.，2012；傅伯杰，2011；鄔建國，2007）。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地形態(tài)重建

重建結(jié)果如圖3所示，1930s鄱陽湖南部湖區(qū)和濕地分布較廣，除研究區(qū)西南部較少有濕地和水域斑塊外，其他地區(qū)都分布有大量的濕地和水域。1970s開始，研究區(qū)西部地區(qū)開始出現(xiàn)大規(guī)模濕地斑塊減少的現(xiàn)象，研究區(qū)東部則出現(xiàn)濕地和小面積水域變?yōu)榇竺娣e水域的現(xiàn)象。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因很可能是由于研究區(qū)東部靠近南昌等主要城市，在城市化驅(qū)動力的作用下，大量濕地和水域轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地；而研究區(qū)東部則可能是在人工水域建設(shè)等因素的作用下，小塊水面逐漸合并成為大面積的水域。2010s重建結(jié)果顯示，研究區(qū)域東部和西部的小塊濕地大面積消失，鄱陽湖主湖區(qū)也被分割為幾個次級區(qū)域；同時在研究區(qū)的東南部出現(xiàn)大量面積較小的獨(dú)立水域，其原因很可能與贛撫平原水利建設(shè)以及這一區(qū)域各類水庫的修建有關(guān)。從總體濕地面積的變化來看，鄱陽湖南部地區(qū)濕地面積經(jīng)歷了先增加后減少的變化過程，即從1930s的1386 km2增加至1970s的1655 km2，隨后減少至2010s的1129 km2?？傮w而言，目前的濕地面積較1970s的最大值減少了約31.8%。

2.2 濕地密度重建

將研究區(qū)按照公里格網(wǎng)進(jìn)行劃分，并計算每個公里網(wǎng)格中的濕地面積比率，利用核密度插值方法得到了鄱陽湖南區(qū)濕地密度的空分布格局（圖4）。由圖4可知，研究區(qū)中部屬于濕地密度較高的區(qū)域，一般比率在90%以上，這一區(qū)域也是鄱陽湖的主要湖區(qū)范圍；其他濕地密度較高的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的東部和西部，密度值在 20%～70%范圍內(nèi)；密度值在 10%以下的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的東南部等區(qū)域，從地形上看這一地區(qū)主要屬于丘陵地帶，各類水域較少。不同時期的濕地密度變化主要體現(xiàn)為研究區(qū)西部密度值下降、東部密度上升，同時研究區(qū)東南部則從1930s的幾乎為0演變?yōu)?010s的10%左右。

圖3 1930s、1970s、2010s鄱陽湖南部濕地分布圖Fig. 3 Distribution map of the wetlands in south Poyang Lake of 1930s, 1970s and 2010s

圖4 1930s、1970s、2010s鄱陽湖南部濕地密度Fig. 4 Wetland density in south Poyang Lake of 1930s, 1970s and 2010s

2.3 濕地密度演化

為了進(jìn)一步定量化討論近百年來3個時期鄱陽湖南部濕地格局變化過程，將不同時期濕地密度值的差定義為K，即利用ArcGIS的柵格運(yùn)算工具求出 1970s—1930s、2010s—1930s和 2010s—1930s 3個時段的濕地變化K值,結(jié)果如圖5所示，數(shù)值為1的藍(lán)色區(qū)域即為相應(yīng)時段內(nèi)變?yōu)樗虻膮^(qū)域、數(shù)值為-1的區(qū)域即為變?yōu)殛懙氐膮^(qū)域。由圖5(a)可知，在1930s—1970s，研究區(qū)內(nèi)很多區(qū)域轉(zhuǎn)化為水域和濕地，這一時期屬于濕地面積的擴(kuò)展時期。1970s—2010s則屬于濕地大面積減少而由濕地轉(zhuǎn)化為陸地的區(qū)域則大幅度增加的時期（圖 5(b)）。圖 5(c)顯示，在1930s—2010s，鄱陽湖南部濕地空間格局變化的總體趨勢是水面減少、陸地增加，同時變化具有一定的空間差異性，即研究區(qū)域的中部和西部出現(xiàn)了大面積的濕地消失；濕地密度值擴(kuò)大的區(qū)域主要出現(xiàn)在研究區(qū)的東北部和東南部的局部區(qū)域。

2.4 景觀生態(tài)格局特征演變

基于Fragstats 4.2軟件計算出3個時期的鄱陽湖南部濕地各項景觀生態(tài)格局指數(shù)，具體結(jié)果見表1。TA（斑塊總面積）數(shù)值在近百年間的變化表現(xiàn)為先增加后減少，與利用ArcGIS 10.2平臺計算獲得的濕地面積值的變化情況一致。NP（斑塊數(shù)）在1930s—1970s期間呈下降趨勢，說明這一時期較大面積的水域斑塊呈增加趨勢，盡管斑塊數(shù)下降但總的濕地面積增加；NP值在1970s—2010s期間增加的主要原因則是部分區(qū)域的人工濕地斑塊增加所致。PD（斑塊密度）同樣出現(xiàn)了先降低后升高的格局，特別是2010s斑塊密度達(dá)到了最大值（0.376），說明這一時期盡管濕地總面積較低，但由于人工濕地的增加，斑塊個數(shù)和密度也呈增加趨勢。另一方面，LPI（最大斑塊指數(shù)）在近百年間呈逐步下降趨勢，2010s相較于1930s下降了52.8%左右，這也說明近百年來鄱陽湖南部濕地進(jìn)一步呈現(xiàn)出破碎化的趨勢。AI（聚集度指數(shù)）在1970s達(dá)到最大值，說明這一時期濕地斑塊最為集中。LSI（景觀形狀指數(shù)）總體上呈下降趨勢，說明近百年來濕地斑塊的形狀出現(xiàn)簡化的趨勢，這主要是由于自然水體的邊界要比人工水體更為復(fù)雜。

表1 1930s、1970s、2010s鄱陽湖南部濕地景觀格局指數(shù)Table 1 Wetland Landscape Pattern Index in south Poyang Lake of 1930s,1970s and 2010s

圖5 1970—1930s、2010—1930s和2010—1930s 3個時段的濕地面積變化K值分布圖Fig. 5 Wetland area changes of K value in three periods

3 討論

歷史地圖數(shù)據(jù)可以極大地延長生態(tài)景觀格局變化的時間序列，成為遙感影像數(shù)據(jù)的重要補(bǔ)充方式。近年來國內(nèi)外很多學(xué)者開始利用具有現(xiàn)代測繪信息的地圖資料進(jìn)行歷史土地利用的重建工作（Goldewijk，2001；潘威，2011）。然而，在如何合理利用歷史測繪地圖方面，需要特別注意進(jìn)行測繪精度的驗證。根據(jù)潘威等（2010）對民國時期上海地區(qū)軍事地圖的研究，其誤差主要是由于利用小三角測量所形成，一般認(rèn)為其范圍在1/4000～ 1/1000之間。同時，我們之前的研究也發(fā)現(xiàn)江西地區(qū)1930s民國測繪軍事地形圖在城市面積數(shù)值方面的誤差小于 10%（萬智巍等，2018），因此可以利用這批歷史地圖進(jìn)行相關(guān)研究。本研究結(jié)果也表明，1930s軍事地形圖在進(jìn)行空間配準(zhǔn)和標(biāo)志點(diǎn)微調(diào)之后，可以很好地進(jìn)行歷史水域的重建，其結(jié)果與1950s前后的航拍地形圖匹配較好。盡管如此，在利用歷史地形圖的時候還是要進(jìn)行充分的比對，對其結(jié)果的解釋也要與其他來源的資料進(jìn)行驗證。

近百年來是人類活動顯著影響土地利用變化的時期，本研究利用歷史地圖信息延展得到鄱陽湖南部濕地1930s—2010s長時間變化序列，并以此揭示不同要素影響下的土地利用變化過程。相關(guān)研究表明,農(nóng)業(yè)化階段與工業(yè)化階段的土地利用變化格局有較大差異（Celio et al.，2014），鄱陽湖地區(qū)的濕地變化也體現(xiàn)出不同歷史階段格局變化的差異性。在1930s—1970s的時間段內(nèi)可以認(rèn)為農(nóng)業(yè)開發(fā)是這一地區(qū)濕地變化的主要驅(qū)動力。盡管濕地總面積處于增加狀態(tài)，但是由圖5(a)可以看出，在距人口較密集的鄱陽湖西岸地區(qū)濕地減少較多，這與本時間段的圍湖造田活動直接相關(guān)。此外，NP（斑塊數(shù)）值從383下降為318也說明大量的小塊濕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌猛尽＿@一時期濕地面積的增加則主要是由于鄱陽湖東部地區(qū)的河道、湖泊整治等水利工程的實施（彭忠福，1999）。1970s—2010s這一時間段可以認(rèn)為是工業(yè)化特別是城市化發(fā)展階段。這一時期濕地面積由1655 km2減少至1129 km2，LPI（最大斑塊指數(shù)）由28.094下降為24.620說明這一時期的濕地斑塊呈現(xiàn)進(jìn)一步破碎化的趨勢，大面積的湖體和濕地轉(zhuǎn)換為其他用途，人類活動尤其是城市化對濕地的影響逐步加重。破碎化同樣表現(xiàn)在濕地的斑塊數(shù)在這一時期增加明顯，一方面由于鄱陽湖主湖區(qū)被圩堤切割，另一方面則是在研究區(qū)東南部等非主湖區(qū)由于農(nóng)業(yè)和城市化等原因出現(xiàn)了各類人工濕地。大量相關(guān)研究表明（梁佳欣等，2017；李瑩瑩等，2016），1980年代以來城市及其周邊地區(qū)都呈現(xiàn)天然濕地減少，人工濕地增加，斑塊呈破碎化分布趨勢，水體間的連通度下降；且這一變化的主要驅(qū)動力是人口的增長和城市快速發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）近百年來鄱陽湖南部地區(qū)總體濕地面積經(jīng)歷了先增加后減少的變化過程，即從1930s的1386 km2增加至1970s的1655 km2，隨后減少至2010s的 1129 km2，目前的濕地面積較 1970s減少了約31.8%。

（2）近百年來研究區(qū)濕地密度變化主要體現(xiàn)為西部密度值下降、東部密度上升，同時由于人工水體的增加，研究區(qū)東南部從1930s幾乎全部為陸地演變?yōu)?010s出現(xiàn)部分區(qū)域濕地，密度值在10%左右。

（3）近百年來鄱陽湖南部濕地空間格局變化的總體趨勢是水面減少、陸地增加，同時變化具有一定的空間差異性，即研究區(qū)域的中部和西部出現(xiàn)了大面積的濕地消失；濕地密度值擴(kuò)大的區(qū)域主要出現(xiàn)在研究區(qū)的東北部和東南部的局部區(qū)域。

（4）LPI和LSI等指數(shù)的變化表明，近百年來鄱陽湖南部濕地呈現(xiàn)出破碎化和簡單化的趨勢。