1964—2015年海南省八門灣紅樹林濕地及其周邊土地景觀動態(tài)分析

徐曉然,謝跟蹤,邱彭華

海南師范大學,地理環(huán)境與科學學院, ?？?570000

土地利用/覆被變化(LUCC)是全球環(huán)境變化的關(guān)鍵因子[1- 2],也是人類活動作用于自然環(huán)境的最直接的表現(xiàn)形式[3],能夠通過改變濕地景觀組成,轉(zhuǎn)變景觀中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動方式,使得景觀要素之間的生態(tài)過程發(fā)生變化,從而影響濕地景觀格局和功能[4]。因此,景觀格局的變化是土地利用變化最直接的體現(xiàn)[5]。目前國內(nèi)對景觀格局變化的分析主要是兩個方面：一是利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析景觀面積的變化,類型的轉(zhuǎn)移以及利用相關(guān)的景觀指數(shù)進行分析；如王濤等[6],1998—2014年阿克蘇河流域耕地景觀時空變化的研究。劉世梁等[7],廣西濱海區(qū)域景觀格局分析及土地利用變化預(yù)測。祝明霞等[8],基于LUCC的潘陽湖濕地生態(tài)效應(yīng)分析。王海軍等[9],岷江流域三江交匯區(qū)景觀格局變化研究。二是利用空間模型,例如馬爾科夫模型、CA模型等模擬景觀的變化。如呂娜等[10],基于CA-Markov模型的巴里坤湖流域土地利用動態(tài)變化分析與預(yù)測。顧劉陽等[11],基于遙感與CA-Markov模型的土地利用景觀格局模擬及其驅(qū)動力研究。張啟斌等[12],磴口縣景觀格局AES-LPI-CA模型演化模擬。

利用轉(zhuǎn)移矩陣及相關(guān)景觀指數(shù)分析濕地景觀格局變化是目前國內(nèi)研究的熱點之一,如陳奇亮等[13],利用轉(zhuǎn)移矩陣、馬爾科夫模型研究閩江河口濕地自然保護區(qū)土地景觀演變情況,同時利用相關(guān)景觀指數(shù)對閩江河口濕地自然保護區(qū)的景觀格局變化和驅(qū)動力進行研究和分析。丁彤彤等[14],以多時相Landsat影像為數(shù)據(jù)源,在GIS支持下,對東營市濕地景觀土地利用的時空變化進行了分析。宋詩園等[15],利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,景觀破碎度、濕地分形維數(shù)等景觀指數(shù)分析了烏江流域(重慶段)的景觀格局變化。分析土地利用/覆被變化和相關(guān)指數(shù)的變化能夠直觀的展現(xiàn)濕地景觀格局變化的過程,從而對濕地生態(tài)保護上有著重大的意義。

八門灣地處海南省文昌市東南部,是海南的第二大漁港,同時八門灣也是我國紅樹植物種類最多的地方,其紅樹林的種類占目前全世界紅樹林品種八十一種的40%。八門灣紅樹林濕地不僅具有眾多寶貴的紅樹林種類資源,同時也在抵御風浪中起到了重要的作用。然而,由于文昌市的快速發(fā)展,人類活動的越加劇烈,使得八門灣紅樹林濕地土地利用/覆被變化顯著。受此影響,紅樹林面積逐年減少,八門灣紅樹林濕地生態(tài)狀況日益惡化,濕地景觀破碎化現(xiàn)象越加明顯。

目前,國內(nèi)對八門灣紅樹林濕地及其周邊土地景觀格局變化的研究尚少,且主要集中于土地利用變化及驅(qū)動力分析和CA_Markov模型模擬預(yù)測。如吳季秋等[16],利用CA_Markov模型對八門灣紅樹林濕地2020年土地利用變化趨勢進行了預(yù)測和模擬。吳季秋等[17],以RS和GIS技術(shù)手段,提取了1988、1998、2009年的土地利用/覆被空間格局信息,研究其土地利用變化動態(tài)度,并分析了自然驅(qū)動因素和社會經(jīng)濟驅(qū)動因素的作用。朱耀軍等[18],以1987、2000、2010年3個時相的影像為數(shù)據(jù)源,對八門灣紅樹林濕地的紅樹林景觀面積的變化及其變化的驅(qū)動力進行了分析,同時,對紅樹林周邊土地景觀類型的土地利用/覆被變化進行了分析。從景觀生態(tài)學的角度分析,土地利用/覆被變化對景觀格局的影響主要表現(xiàn)在景觀的破碎化[19]。將土地利用/覆被變化與濕地景觀破碎化聯(lián)系起來,分析土地利用/覆被變化與景觀破碎化的相關(guān)性,在濕地生態(tài)保護上具有重大意義。然而,在八門灣紅樹林濕地景觀格局變化的研究中,尚未見到相關(guān)文章。

本文在定量分析八門灣紅樹林濕地及其周邊土地土地利用/覆蓋的基礎(chǔ)上,選擇斑塊數(shù)量(NP)、斑塊面積(CA)、斑塊平均面積(MPS)、斑塊密度(PD)、聚合度(AI)、斑塊平均形狀破碎化指數(shù)/面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)(FS1/FS2)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)反映景觀破碎化過程,并分析土地利用/覆被變化與景觀破碎化過程的相關(guān)性。因此,在對景觀格局演變分析時,利用土地利用/覆蓋變化與景觀破碎化過程指數(shù)相關(guān)分析的方式進行定量分析得到的結(jié)果會更有意義。本文主要對八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程進行定量的深入分析,希望為八門灣紅樹林濕地資源的保護和利用提供理論參考。

1 研究區(qū)概況及其分析系統(tǒng)

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 研究區(qū)域圖Fig.1 Research area diagram

研究區(qū)域是海南省文昌市八門灣海岸線向外緩沖2km的區(qū)域,地理坐標為110°44′—110°55′E,19°31′—19°40′N(圖 1)。八門港灣位于文昌市的東南部。北部有文昌江、文教河等8條河流匯入灣內(nèi),港內(nèi)風浪小,回淤較少,屬于瀉湖——河口濕地生境。屬于熱帶海洋性季風氣候,平均氣溫23.2°C,年均降水量2000mm。該地區(qū)有常規(guī)的全日潮,潮間帶較寬,最高潮位2.38m,最低潮位0.01m,平均潮差0.75m[18]。八門灣紅樹林保護區(qū)于1981年批建,現(xiàn)為省級自然保護區(qū),同時也是文昌市重點建設(shè)的自然旅游景區(qū)。幾十年來,隨著文昌市的快速發(fā)展,八門灣紅樹林保護區(qū)的人為干擾程度不斷的增強,近幾年,有媒體報道八門灣紅樹林遭到了嚴重的破壞,從景觀生態(tài)學的角度對八門灣紅樹林濕地動態(tài)變化的驅(qū)動力進行分析對八門灣紅樹林生態(tài)保護有著重要的意義。

1.2 分類方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

采用數(shù)據(jù)包括：研究區(qū)域1964年、1972年、1988年、2000年、2009年、2015年6期同/近時相的遙感影像(表1),Google地圖及2015年實地調(diào)查資料。在ERDAS IMAGINE軟件中對6期影像進行大氣輻射校正并基于Google地圖對衛(wèi)星影像進行幾何校正,誤差控制在0.5個像元內(nèi)。在ArcGIS 10.0軟件支持下,參考當?shù)貧v史文獻以及地形圖進行人機交互目視解譯,并結(jié)合GPS驗證點和Google earth歷年驗證點,進行實地驗證、校對、修正,從而確保解譯精度。

1.2.2 影像分類系統(tǒng)

根據(jù)全國《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》以及《中國濕地調(diào)查大綱》并且在借鑒前人對八門灣紅樹林濕地的研究成果的基礎(chǔ)上[16- 18],結(jié)合實際研究需求,本著異質(zhì)性與均質(zhì)性相結(jié)合、景觀功能與生態(tài)功能相一致的原則,將研究區(qū)域分為6類,分別是養(yǎng)殖水面、水域、建筑用地、紅樹林、林地、耕田(表 2),最終分類的結(jié)果見圖2。

表1 八門灣紅樹林濕地影像介紹

表2 八門港灣灣濕地景觀分類系統(tǒng)

圖2 分類結(jié)果圖Fig.2 Classification result chart

2 研究方法

在參考國內(nèi)外相關(guān)文獻結(jié)合實地調(diào)研的基礎(chǔ)上,選擇斑塊數(shù)量(NP)、斑塊面積(CA)、斑塊平均面積(MPS)、斑塊密度(PD)、聚合度(AI)、斑塊平均形狀破碎化指數(shù)/面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)(FS1/FS2)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)(表3)反映景觀破碎化過程,選擇土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映研究區(qū)域土地類型面積的變化、類型的轉(zhuǎn)移,在此基礎(chǔ)上將土地利用/覆被變化與景觀破碎化過程相結(jié)合做相關(guān)性分析,揭示土地利用/覆被變化對八門灣紅樹林濕地景觀破碎化的影響。

表3 景觀指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 八門灣紅樹林濕地土地利用覆蓋變化

由圖3可知,研究區(qū)域內(nèi)耕地、林地、濕地是最主要的覆被類型,土地利用/覆被變化特征主要體現(xiàn)在這幾類上。在濕地的構(gòu)成中,紅樹林和養(yǎng)殖水面是面積變化的主要類型,在50年內(nèi),紅樹林面積占總面積的15%下降到5.25%,養(yǎng)殖水面面積占總面積的2.07%上升到14.62%。通過土地轉(zhuǎn)移矩陣(表4)可知,1964—2015年間,紅樹林面積共減少1594.98hm2,其中轉(zhuǎn)化成養(yǎng)殖水面的面積為1415.51hm2,因此,紅樹林和養(yǎng)殖水面的變化可以反映出研究區(qū)域內(nèi)濕地的變化動態(tài)。

圖3 1964—2015年八門灣紅樹林濕地各景觀類型面積占總面積比例變化圖Fig.3 The change of the proportion of the landscape types to the total area in BaMen harbour mangrove wetland

由表4土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知,1964—1988年間,大面積的林地轉(zhuǎn)化成耕地,直接導(dǎo)致耕地面積比例從29.97%上升到39.06%,直到2000年政府實施退耕還林政策后,在2000—2015年政府的強行介入下,耕地面積比例下降了16.1%,同時林地面積比例上升了7.68%。在1964—2015年近50年內(nèi),建筑用地的面積持續(xù)增長,面積比例從2%上升到2015年的10.6%,與此同時,紅樹林的面積比例從1964年的15%下降到2015年的5.25%,養(yǎng)殖水面的面積比例從1964年的2.07%上升到2015年的14.62%,建筑用地的面積主要是由林地和耕地面積轉(zhuǎn)化而來,紅樹林的面積主要是轉(zhuǎn)化成養(yǎng)殖水面。

表4 1964年—2015年八門灣紅樹林濕地景觀轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程

計算1964—2015年間各個時期的八門灣紅樹林濕地的景觀破碎化指數(shù)并進行空間統(tǒng)計以表示八門灣紅樹林濕地破碎化的過程(圖4)。分析可知,1964—2015年間,八門灣紅樹林濕地的平均斑塊面積總體呈現(xiàn)縮減的趨勢,其縮減的幅度達39.12%,且在1972—2000年間縮減的幅度最為明顯。濕地的斑塊數(shù)量、斑塊平均形狀破碎化指數(shù)、面積加權(quán)斑塊平均形狀破碎化指數(shù)總體呈現(xiàn)增加的趨勢,其中,斑塊數(shù)量增長幅度高達64.02%,斑塊平均形狀破碎化指數(shù)、面積加權(quán)斑塊平均破碎化指數(shù)由1964年的0.3260、0.8234增長到2015年的0.3408、0.8441。

分析斑塊空間水平指數(shù)可知,在50年間,研究區(qū)域內(nèi)斑塊密度由1964年的0.0653個/hm2增長到2015年的0.1073個/hm2。同時,研究區(qū)域內(nèi)最大斑塊面積由1964年的3068.19hm2縮減到2015年的2197.35hm2,縮減幅度達28.38%,說明研究區(qū)域斑塊破碎化逐漸加深。從斑塊空間連通性、聚集度上分析可知,研究區(qū)域內(nèi)聚合度從1964年的90.03%下降到2015年的86.53%,說明研究區(qū)域內(nèi)板塊的聯(lián)系整體趨向于分散化。與此同時,研究區(qū)域的蔓延度由1964年的47.71%下降到2015年38.45%,說明研究區(qū)域內(nèi)斑塊的連通性在逐漸降低。

所有的指數(shù)的變化表明,八門灣紅樹林濕地由大面積斑塊占主導(dǎo),空間連續(xù)分布趨向于整體破碎化。1972—2015年間,研究區(qū)域內(nèi)景觀破碎化的程度持續(xù)增加,由此可見,研究區(qū)域景觀破碎化是其景觀格局變動的主要表現(xiàn)。

圖4 八門灣紅樹林濕地景觀指數(shù)變化Fig.4 The landscape index change in BaMen harbour mangrove wetland

3.3 八門灣紅樹林濕地的土地利用/覆被變化對景觀破碎化過程的影響

不合理的土地利用會很大程度上破壞區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)的完整性[26],從而會引起生物多樣性的減少,導(dǎo)致生境的退化、破碎化、邊緣化。通過計算各土地利用類型與保護區(qū)濕地景觀破碎化指數(shù)的相關(guān)系數(shù)可以構(gòu)建其他土地利用/覆被變化與濕地景觀破碎化間的相互關(guān)系[27]。依據(jù)前人的研究以及參考相關(guān)文獻[16- 19,23],本文選擇使用研究區(qū)域景觀破碎化的指數(shù)與土地利用類型面積進行相關(guān)分析。

將八門灣紅樹林濕地景觀破碎化指數(shù)與各景觀類型面積變化做相關(guān)性分析可知(表5),紅樹林、養(yǎng)殖水面、建筑用地與大部分研究區(qū)域景觀破碎化指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達到了顯著相關(guān)水平。其中,養(yǎng)殖水面、建筑用地主要是依靠人類活動影響的土地類型,對研究區(qū)域內(nèi)景觀破碎化過程的影響是非常大的。對紅樹林、養(yǎng)殖水面、建筑用地面積的變化比例圖分析可知,養(yǎng)殖水面在1964—2000年間處于快速擴張的階段,分布范圍集中在八門灣北部沿岸、文昌河與八門灣交匯處、文教河與八門灣交匯處這3個區(qū)域,而這3個區(qū)域也是紅樹林生長的區(qū)域,由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知,養(yǎng)殖水面主要是侵占紅樹林的面積,使得紅樹林的面積由1964年的2456.28hm2下降到2000年的912.69hm2,從而導(dǎo)致紅樹林面積由大斑塊連續(xù)集中分布趨向于小斑塊孤立分散分布。與此同時,建筑用地分布范圍逐漸擴張,從1964年建筑用地主要集中在文城鎮(zhèn)到2015年間建筑用地已經(jīng)擴張到文城鎮(zhèn)、文教鎮(zhèn)、東閣鎮(zhèn)、東郊鎮(zhèn)、清瀾港的區(qū)域內(nèi),建筑用地、養(yǎng)殖水面不規(guī)則、大范圍快速的擴張以及紅樹林面積的減少導(dǎo)致1964—2015年間斑塊平均面積迅速減少,斑塊密度、斑塊間距大幅增加,從而使得研究區(qū)域內(nèi)的斑塊間的聚合度、連通性呈現(xiàn)降低的趨勢。

表5八門灣紅樹林濕地景觀破碎化指數(shù)與景觀類型面積變化之間的相關(guān)系數(shù)

Table5TheCorrelationcoefficientbetweenlandscapefragmentationindexandlandscapetypeareachangeinBaMenharbourmangrovewetland

景觀指數(shù)Landscape index耕地Arableland林地Woodland紅樹林Mangrove養(yǎng)殖水面Aquiculture area建筑用地Construction land水域Water area平均斑塊面積Mean patch area0.656-0.1930.845*-0.869*-0.7840.707斑塊平均形狀破碎化指數(shù)Mean shape fragmentation in-dex0.234-0.2960.068-0.1420.040.203面積加權(quán)的平均形狀破碎化指數(shù)Area-weighted mean shape fragmentation index-0.4750.09-0.660.6670.647-0.581聚合度Aggregation index0.777-0.2910.888*-0.91*-0.915*0.820*斑塊數(shù)量Number of plaques-0.7930.302-0.926**0.967**0.888*-0.871*蔓延度Contagion index0.652-0.1020.93**-0.927**-0.909*0.715

注：*與**分別代表顯著相關(guān)水平0.05與0.01

對研究區(qū)域各景觀破碎化指數(shù)的時空變化分析可知(圖5),八門灣紅樹林濕地在1972—2015年間研究區(qū)域內(nèi)斑塊平均面積持續(xù)下降了52.81%,聚合度持續(xù)下降了4.83%,斑塊數(shù)量持續(xù)增長了111.96%,斑塊平均形狀破碎化指數(shù)和面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)均呈現(xiàn)上升的趨勢,研究區(qū)域的景觀破碎化現(xiàn)象逐漸加深,而對應(yīng)研究區(qū)域景觀破碎化過程,建筑用地的面積比重持續(xù)增加了7.72%。

結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)各景觀之間的相互聯(lián)系和影響分析可知,1972—2000年間是養(yǎng)殖水面面積快速增長,紅樹林面積快速減少,建筑用地面積持續(xù)增長的階段,而此階段也是八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程最為明顯的階段。2000—2015年間,紅樹林、養(yǎng)殖水面面積變化不大,但是建筑用地的面積持續(xù)增長,而此時的八門灣紅樹林濕地景觀破碎化仍在持續(xù)但速率變慢。由此可見,紅樹林、養(yǎng)殖水面、建筑用地面積的變化對八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程的響應(yīng)是最積極的。

由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知,養(yǎng)殖水面的面積主要是由紅樹林面積轉(zhuǎn)化而來,因此紅樹林面積與養(yǎng)殖水面的面積變化是息息相關(guān)的。養(yǎng)殖水面對八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程的響應(yīng)主要有兩點：一是養(yǎng)殖水面完全受人類活動的影響,其增長的區(qū)域集中在八門灣沿岸,占據(jù)紅樹林的面積與水域的面積,并且養(yǎng)殖水面的面積增長無規(guī)律性。二是養(yǎng)殖水面面積的增長,使得紅樹林的面積由大斑塊連續(xù)集中分布趨向于小斑塊孤立分散分布,從而影響八門灣紅樹林濕地的景觀格局,使得八門灣紅樹林濕地景觀趨向于破碎化。

由于研究區(qū)域地處文昌市城區(qū),城市的發(fā)展會直接影響研究區(qū)域與景觀格局的變化。在1964—2015年50年內(nèi),建筑用地面積增長了1408.86hm2,平均每年有28.18hm2變?yōu)榻ㄖ玫?。研究表?交通設(shè)施的建設(shè)是導(dǎo)致生境景觀破碎化的主要原因[28- 30]。在快速推進的城市化進程中,城市交通干道建設(shè)的廊道效應(yīng),使得道路周圍的土地逐漸向城市用地轉(zhuǎn)化,并使得自然廊道不斷受到人工廊道的排擠而發(fā)生變形、破損甚至完全消失,從而使得生境景觀逐漸破碎化[31- 32]。在研究區(qū)域內(nèi),濱灣路、苑東路、航天大道、清瀾大橋等交通設(shè)施的建設(shè),將研究區(qū)域分割成多個獨立區(qū)域,這必然會導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)各景觀類型趨向于分散化,斑塊形狀趨于不規(guī)則化,研究區(qū)域景觀破碎化過程也就此展開。

圖5 1964—2015年間八門灣紅樹林濕地各景觀破碎化指數(shù)對養(yǎng)殖水面、紅樹林、建筑用地變化的響應(yīng)Fig.5 The response of landscape fragmentation index to the change of aquaculture water surface, mangroves and construction land of BaMen harbour mangrove wetland in 1964—2015

4 結(jié)論與討論

(1)1964—2015年間,八門灣紅樹林濕地土地利用/覆被發(fā)生了較大的變化。研究區(qū)域內(nèi)建筑用地、養(yǎng)殖水面面積呈現(xiàn)增長的趨勢,所占比重分別上升了7.72%、12.55%,耕地、林地、紅樹林面積所占比重分別下降了7.01%、9.16%、9.74%。耕地、林地面積主要轉(zhuǎn)化成建筑用地的面積,紅樹林的面積主要轉(zhuǎn)化成養(yǎng)殖水面的面積。

(2)八門灣紅樹林濕地由大面積斑塊占主導(dǎo)、空間連續(xù)分布趨向于破碎化。1964—2015年間,研究區(qū)域內(nèi)斑塊數(shù)量增加了685個,平均斑塊面積縮減了39.12%,聚合度下降了3.5%,最大斑塊面積縮減了28.38%,斑塊密度從1964年的0.0653個/hm2上升到2015年的0.1073個/hm2,蔓延度下降了9.26%,斑塊平均形狀破碎化指數(shù)和面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)分別上升了0.0148、0.0207。

(3)八門灣紅樹林濕地土地利用/覆被變化與景觀破碎化過程的相關(guān)關(guān)系主要體現(xiàn)在養(yǎng)殖水面、建筑用地面積變化對研究區(qū)域景觀破碎化指數(shù)的影響上。養(yǎng)殖水面、建筑用地面積變化對研究區(qū)域景觀破碎化過程的影響主要體現(xiàn)在聚合度、斑塊數(shù)量、蔓延度的作用上。其中,養(yǎng)殖水面面積變化對研究區(qū)域景觀破碎化過程的影響主要體現(xiàn)在其對紅樹林面積的侵占,使得紅樹林面積占研究區(qū)域總面積的比例由15%下降到5.25%,紅樹林由大面積連續(xù)集中分布趨向于小面積孤立分散分布。建筑用地面積變化對研究區(qū)域景觀破碎化過程的影響主要體現(xiàn)在城市的快速發(fā)展、交通設(shè)施大量的建設(shè)。

2000年前,八門灣紅樹林濕地的紅樹林主要是受過度捕撈和淺海漁業(yè)資源的影響,造成紅樹林面積的大量減少。2000年后紅樹林主要是受文昌市快速城市化的影響,包括城市擴張、城市交通建設(shè)對紅樹林周邊環(huán)境的切割使得自然廊道不斷破損,周邊環(huán)境的能量流動以及物質(zhì)循環(huán)受到了嚴重影響,從而對紅樹林的生長環(huán)境帶來了消極作用；城市污水、工農(nóng)業(yè)污水同樣使紅樹林生長的水環(huán)境遭到破壞主要原因是富營養(yǎng)化和重金屬的影響[33- 35],對紅樹林的自我恢復(fù)能力進行了阻礙。并且,2009年國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于推進海南國際旅游島建設(shè)發(fā)展的若干意見》以來,八門灣紅樹林濕地旅游開發(fā)速度激增,使得其與紅樹林保護的矛盾日益突出。