近30年?yáng)|平湖濕地景觀格局演變研究

朱紅豆，劉曉,2，于泉洲,3，張亞茹，柴麗杰

(1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059;2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083;3.聊城大學(xué)東平湖濕地研究所，山東 聊城 252059)

0 引言

被譽(yù)為“地球之腎”的濕地是水陸交錯(cuò)分布的自然地物。廣義上，濕地泛指地表過濕或有積水的地區(qū)，包括水下和水面無(wú)植物生長(zhǎng)的明水面和大型江河的主河道；狹義上，濕地是指有喜濕生物棲息活動(dòng)、地表常年或季節(jié)積水及土層嚴(yán)重潛育化3個(gè)條件并存的陸地和水域之間的過渡地帶[1]。濕地作為地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，不僅具有涵養(yǎng)水源，調(diào)節(jié)區(qū)域氣候，促進(jìn)水分循環(huán)，降解污染物等功能，而且是生物多樣性的搖籃。近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人口數(shù)量的大量增加和城市化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)的濕地正面臨著多種生態(tài)災(zāi)難，如區(qū)域生態(tài)環(huán)境破壞、自然景觀消失、生物多樣性減少、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能喪失等[2-4]，從而嚴(yán)重影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和濕地的進(jìn)一步開發(fā)利用。因此，應(yīng)加強(qiáng)濕地景觀動(dòng)態(tài)變化研究，揭示濕地景觀演變規(guī)律，探明濕地景觀演變動(dòng)力機(jī)制。2003年，我國(guó)第一次利用“3S”技術(shù)，對(duì)全國(guó)濕地景觀的基本類型、面積、分布等進(jìn)行了全面調(diào)查，2013年，我國(guó)完成了第二次全國(guó)濕地資源調(diào)查，可見國(guó)家對(duì)濕地的重視程度。宮鵬等[5]學(xué)者以美國(guó)陸地衛(wèi)星資料研究了1990和2000年前后中國(guó)濕地變化。區(qū)域尺度上，有學(xué)者研究了洪湖[6]、黃河三角洲[7-8]、南四湖[9-10]等不同區(qū)域的濕地動(dòng)態(tài)變化，取得了豐厚的研究成果。

東平湖是山東省第二大淡水湖，南水北調(diào)東線的必經(jīng)之地，有著極其重要的地理位置及生態(tài)服務(wù)功能，但隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)化程度加劇以及旅游開發(fā)等人為活動(dòng)的影響，湖區(qū)污染逐漸加重，威脅著濕地資源的可持續(xù)利用[11-12]。因此，為了維護(hù)生物多樣性和濕地生態(tài)平衡，持續(xù)、合理、綜合地利用濕地資源，充分發(fā)揮濕地的多種功能，對(duì)東平湖濕地景觀演變的研究變得尤為重要。該文在遙感和GIS技術(shù)的支持下，結(jié)合空間分析指標(biāo)，從景觀水平上分析1985—2015年的30年間東平湖濕地景觀的空間分布格局，揭示濕地景觀變化的規(guī)律和機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域濕地景觀格局的優(yōu)化、景觀生態(tài)的合理規(guī)劃以及濕地景觀生態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

東平湖(老湖)位于山東省東平縣境內(nèi)，西近京杭大運(yùn)河，東接大汶河(東平境內(nèi)稱大清河)，南連柳長(zhǎng)河，北通黃河，總面積209km2，常年水面124.3km2，平均水深2.5m，蓄水總量40億m3[11]。東平湖所在地區(qū)屬溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，夏季高溫多雨，冬春季節(jié)多風(fēng)少雨，四季分明，年均氣溫13.3℃，年均降水640.5mm。東平湖主要由大汶河注入，經(jīng)調(diào)蓄后流入黃河，汶河流域的豐水期和枯水期的變化，使得東平湖區(qū)內(nèi)耕地和水面交錯(cuò)分布，湖區(qū)漁業(yè)和農(nóng)業(yè)混合發(fā)展。東平湖濕地屬于我國(guó)北方少見的大型湖灣濕地，動(dòng)植物資源豐富。近年來(lái)，東平湖憑其水資源、漁業(yè)資源及旅游資源等優(yōu)勢(shì)，已發(fā)展為對(duì)游客極具吸引力的生態(tài)文化旅游地。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

該研究數(shù)據(jù)源主要包括1985年、1991年、1996年、2000年、2004年、2011年、2015年7期夏季的Landsat TM/OLI遙感影像，東平湖地形及景點(diǎn)分布等資料。運(yùn)用ENVI5.1軟件，對(duì)7期夏季遙感影像進(jìn)行波段疊加，以東平湖為邊界做不規(guī)則裁剪、大氣校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。根據(jù)《全國(guó)濕地資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》的分類原則與依據(jù)，并考慮東平湖濕地的實(shí)際情況，將東平湖濕地分為自然水面、挺水植被、浮水植被、沉水植被、草灘地、裸地、耕地和建筑用地8類。結(jié)合遙感影像的顏色、形狀、紋理及其與周邊環(huán)境的關(guān)系特征，建立東平湖濕地遙感解譯標(biāo)志。根據(jù)解譯標(biāo)志，運(yùn)用ENVI軟件對(duì)遙感影像采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，然后通過目視解譯對(duì)錯(cuò)分的地物進(jìn)行重分類，最后得到比較精確的濕地信息分布圖，符合分類精度標(biāo)準(zhǔn)。該文利用美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開發(fā)的景觀結(jié)構(gòu)分析軟件Fragstata3.4[13]，對(duì)7期東平湖景觀分類結(jié)果進(jìn)行分析，并利用ArcGIS10.2軟件對(duì)東平湖景觀格局分類展示。

2.2 研究方法

近年來(lái)，許多學(xué)者在景觀生態(tài)系統(tǒng)空間特征的量度及其指標(biāo)體系的建立方面做出的努力，產(chǎn)生了許多景觀格局評(píng)價(jià)指標(biāo)[14-15]。定量的描述景觀格局特征是分析景觀結(jié)構(gòu)、功能及過程的基礎(chǔ)，而景觀指數(shù)是反映景觀格局的結(jié)構(gòu)組成和空間配置的定量指標(biāo)[16]。該文對(duì)景觀格局演變特征的分析采用了景觀多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度、均勻度、破碎度指數(shù)。

2.2.1 景觀多樣性指數(shù)

景觀多樣性指數(shù)(SHDI)反映斑塊類型的多樣性，常用來(lái)揭示景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，斑塊類型的齊全程度或多樣化狀況[4]。通常采用Shannon多樣性指數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式為：

(1)

式中：H—景觀多樣性指數(shù)；Pk—斑塊k的景觀比例；n—斑塊的種類。

當(dāng)景觀中只有一種類型的斑塊時(shí)，SHDI=0，當(dāng)斑塊類型增加或者各類斑塊所占比例趨于相近時(shí)，SHDI也相應(yīng)增大。

2.2.2 景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)

景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)表示景觀多樣性對(duì)最大景觀多樣性指數(shù)的偏離程度，或描述景觀由少數(shù)幾個(gè)斑塊類型控制的程度，它與多樣性指數(shù)相反，是多樣性指數(shù)的最大值與實(shí)際計(jì)算值之差[17]，其值越大，表明該區(qū)域斑塊的種類與面積比差異越大。計(jì)算公式(2)：

(2)

式中：Do—優(yōu)勢(shì)度指數(shù)；Hmax—多樣性指數(shù)的最大值；Pk—斑塊k的景觀比例；n—斑塊的種類。

它的值與偏離程度成正比，值越大則表示偏離程度越大，當(dāng)其值為0時(shí)，表示景觀完全均質(zhì)。

2.2.3 景觀均勻度指數(shù)

景觀均勻度指數(shù)(SHEI)反映的是景觀中的各斑塊在面積分布上的均勻程度，通常用多樣性指數(shù)與它的最大值之比來(lái)表示[18]，計(jì)算公式(3)：

(3)

式中：E—均勻度指數(shù)；Hmax—多樣性指數(shù)的最大值；Pk—斑塊k的景觀比例；n—斑塊的種類。

2.2.4 景觀破碎度指數(shù)

景觀破碎度是景觀異質(zhì)性的重要表征，它表示景觀被分割的破碎程度，不僅反映了景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也在一定程度上反映了人類對(duì)景觀的干擾程度[19]，計(jì)算公式(4):

Ck=Nk/Ak

(4)

式中：Ck—景觀k的破碎度；Nk—景觀k的斑塊數(shù)；Ak—景觀k的總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析

東平湖濕地景觀的變化反映在不同濕地類型之間轉(zhuǎn)換的變化上，通過分析各類型景觀面積的變化情況，可以了解濕地類型變化的總體態(tài)勢(shì)和濕地結(jié)構(gòu)的變化。由表1、圖1分析可得：1985—2015年間，東平湖濕地各類型面積變化較大。其中，裸地面積逐漸減少，由1985年的15.01km2減少到2011年的2.15km2，2011—2015年裸地面積沒有明顯變化。

研究時(shí)段內(nèi)，建筑用地面積是逐年增加的，由1985年的3.07km2增加到2015年的6.74km2，近30年，面積增加了3.68km2，增加面積比1985年原有面積還要大，可見建筑力度之大。

表1 1985—2015年各類型濕地景觀面積統(tǒng)計(jì)(km2)

濕地類型中自然水面的面積波動(dòng)增加，自然水面面積1985年為72.32km2，1991年為89.59km2，到2011年已經(jīng)達(dá)到115.97km2，這是由于降水年際變化和南水北調(diào)東線工程的影響，降水的變化和南水北調(diào)工程調(diào)蓄使得湖泊水位發(fā)生一定變化，湖泊水面面積存在一定波動(dòng)。同時(shí)湖泊面積還受到以菹草群落為主的沉水植被群落的影響，沉水植被群落的盛衰，影響了自然水面的顯露。1996年自然水面的減少，就是由于當(dāng)年沉水植被群落生長(zhǎng)茂盛，侵占了大量的湖面。

圖1 1985—2015年?yáng)|平湖濕地景觀變化

草灘地面積的變化不是太明顯，呈波動(dòng)趨勢(shì)變化，以蘆葦為主的挺水植物群落面積的變化規(guī)律與草灘地相似，可能其中有著某種聯(lián)系。以荷田為主的浮水植物群落和以菹草群落為主的沉水植被面積變化起伏較大，并且沒有明顯的規(guī)律性。耕地1985—1996年間的變化不大，1996—2000年間卻減少了不少，從1996年的4.941km2減少到2000年的2.98km2，而2000—2015年間耕地面積開始逐漸增加，到2015年耕地面積達(dá)到了6.33km2?？偟膩?lái)說(shuō)，東平湖各濕地類型面積的變化較大。

分析圖2可知，東平湖北部出湖口處，1985年主要為裸地，1985—2000年間逐漸發(fā)展為蘆葦沼澤和湖泊水面，2000—2015年間逐步演化為蘆葦沼澤、草灘地、建筑用地和湖泊水面；東部大汶河入湖口附近，1985年以大片裸地、耕地為主，1985—2000年不少裸地發(fā)展為耕地和建筑用地，2000—2015年間景觀類型變化較大，部分耕地逐漸變?yōu)榻ㄖ玫?，裸地逐漸被蘆葦沼澤、草灘地、耕地所代替。2011—2015年河流兩岸裸地明顯被開墾為耕地。研究時(shí)段內(nèi)，湖泊水面不斷增加，湖邊以蘆葦為主的挺水植物生長(zhǎng)茂盛，草灘地逐年向陸地蔓延。菹草群落一直都是東平湖中主要沉水植被，其變化起伏較大?？偟膩?lái)說(shuō)，各種濕地類型發(fā)生轉(zhuǎn)移和維持的狀況不同，近30年來(lái)，東平湖濕地各景觀類型之間轉(zhuǎn)換發(fā)生較大變化，但各景觀分布位置較穩(wěn)定。

3.2 濕地景觀指數(shù)變化分析

3.2.1 濕地景觀多樣性分析

1985年和2015年?yáng)|平湖濕地景觀鑲嵌體景觀類型多樣性計(jì)算結(jié)果見表2，濕地景觀多樣性指數(shù)變化如圖3所示。1985年為1.48，1991年降為1.37，1996年上升為1.68，達(dá)到研究時(shí)段內(nèi)的最大值，景觀的均勻度也達(dá)到了最大值0.81，這說(shuō)明景觀各類斑塊所占比例比較均衡，多樣性比較好。1996—2011年間景觀的多樣性指數(shù)持續(xù)下降，2011年景觀多樣性指數(shù)為1.01，2011—2015年間多樣性指數(shù)有所回升。從1996—2011年，景觀多樣性下降說(shuō)明各景觀類型所占比例差異增大，景觀多樣性降低。2011—2015年，多樣性指數(shù)的上升說(shuō)明各景觀類型所占比例差異減小，景觀多樣性增加。

圖2 1985—2015年?yáng)|平湖濕地景觀演變圖譜

表2 1985—2015年?yáng)|平湖濕地景觀指數(shù)

由表2、圖3可知，景觀均勻度隨多樣性的變化而變化，1996—2011年景觀的均勻度也呈持續(xù)減小趨勢(shì)，從0.81降到0.51，各景觀類型面積分布逐漸不均勻，2015年景觀均勻度指數(shù)為0.65，比2011年各景觀類型分布趨于均勻。優(yōu)勢(shì)度指數(shù)1985年為0.29，1996年達(dá)到最小為0.19，1996—2011年優(yōu)勢(shì)度指數(shù)逐漸增大，2011年為0.49，達(dá)到研究時(shí)段內(nèi)的最大值，從優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的意義來(lái)看，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)越高，表明組成景觀的各類型所占比例的差異越大，該地區(qū)景觀被某一種或幾種濕地類型所控制，2015年優(yōu)勢(shì)度為0.35，比2011年有所下降，說(shuō)明濕地各類型的景觀所占比例的差異減小，可能由于人們對(duì)景觀的規(guī)劃?？傮w上來(lái)說(shuō)，東平湖濕地各景觀類型分布還比較均勻，但均勻度有下降趨勢(shì)，趨于出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)景觀，景觀多樣性整體呈下降趨勢(shì)，值得人們加強(qiáng)重視。

3.2.2 濕地景觀破碎度分析

東平湖濕地景觀破碎化主要表現(xiàn)為斑塊數(shù)量增加，斑塊形狀趨于不規(guī)則，以及斑塊彼此隔離。景觀破碎化會(huì)對(duì)生存于其中的物種造成一系列的影響，因此，景觀破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一[16]。由于研究的東平湖濕地總面積沒有改變，采用濕地景觀的總斑塊的變化研究景觀的破碎度。斑塊數(shù)(NP)的值大，破碎度高，斑塊數(shù)的值小，破碎度低。

東平湖濕地景觀總斑塊數(shù)1985年為1231，1991年為919，從1991到2000年斑塊數(shù)持續(xù)增加，斑塊數(shù)從919增加到1300，說(shuō)明東平湖濕地景觀的破碎化程度持續(xù)增大，濕地景觀整體比較破碎。但2000—2011年，景觀斑塊數(shù)目減少，破碎程度降低，這是由于南水北調(diào)調(diào)蓄導(dǎo)致湖泊水位上升，使得自然水面在濕地景觀中占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致斑塊數(shù)目降低。2011—2015年斑塊數(shù)目從681～1266，斑塊數(shù)增加，濕地景觀破碎的趨勢(shì)在延續(xù)。

圖3 1985—2015年?yáng)|平湖景觀指數(shù)變化

3.3 濕地景觀演變驅(qū)動(dòng)力分析

一般而言，自然驅(qū)動(dòng)力和人為驅(qū)動(dòng)力是濕地景觀格局動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[20]。自然驅(qū)動(dòng)因子常常是在較大的時(shí)空尺度上作用于景觀格局，引起大面積的景觀發(fā)生變化。人文驅(qū)動(dòng)因子則是景觀格局變化的直接驅(qū)動(dòng)力。

東平湖屬于溫帶季風(fēng)大陸性氣候，降水季節(jié)變化明顯，湖泊水面隨降水量的增加而增大。研究時(shí)段內(nèi)來(lái)自流域上游的泥沙不斷在此淤積，湖泊地勢(shì)逐漸被抬高，水位較低的區(qū)域出現(xiàn)了蘆葦?shù)人参?，泥沙的不斷增加，草本植物侵入，湖泊河流沿岸地區(qū)演變?yōu)椴轂┑?。?dāng)湖泊水位上升時(shí)，水生植物增加，草本植物會(huì)有所減少。所以，湖泊水位變化也引導(dǎo)著濕地植被發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個(gè)濕地類型發(fā)生變化。

人類活動(dòng)主要為水工建設(shè)、土地開發(fā)整理和污染物排放。近年來(lái)，隨著人口增加、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展東平湖區(qū)工業(yè)和生活垃圾污染日趨嚴(yán)重，東平湖濕地生態(tài)環(huán)境受到威脅，濕地景觀類型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。東平湖自被確定為黃河自然滯洪區(qū)后，開始進(jìn)行大量的防洪蓄水工程建設(shè)，加上道路設(shè)施、大壩等的修建，占用了不少濕地，破壞了濕地的完整性，使?jié)竦鼐坝^趨向破碎化。南水北調(diào)東線工程實(shí)施后，東平湖蓄水量增加，致使湖泊水位明顯上升，湖泊面積逐漸擴(kuò)大。2004—2011年間，受調(diào)蓄使水位上升的影響，自然水面面積擴(kuò)大，浮水植物和挺水植物面積減少，沉水植物面積反而有所增加，生物的多樣性減小，生物種群結(jié)構(gòu)趨于單一化。

3.4 不確定性分析

由于遙感數(shù)據(jù)分辨率限制，該文只將東平湖濕地分成了8種景觀類別。另外研究樣本的選取，具有一定主觀性，可能造成分類結(jié)果及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與實(shí)際景觀的分布情況有所偏差。為減少誤差對(duì)研究的影響，研究參考了許多學(xué)者對(duì)東平湖影像解譯的標(biāo)準(zhǔn)，收集了東平湖歷年的自然人文資料，對(duì)東平湖有較清晰的了解，分類結(jié)果總體上符合東平湖景觀變化情況。并且作為該區(qū)域景觀格局分布宏觀參考，揭示東平湖濕地景觀格局演變規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì)毋庸置疑具有重要意義，也為東平湖濕地景觀優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

該文基于遙感和GIS研究了1985—2015年?yáng)|平湖濕地的景觀動(dòng)態(tài)變化和景觀指數(shù)變化特征，并對(duì)景觀演變的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1)近30年來(lái)，東平湖濕地類型發(fā)生了較大的變化，大量的裸地被耕地和建筑用地取代，湖泊河流沿岸以蘆葦為主的挺水植物群落和草灘地逐漸向陸地內(nèi)部演變，自然水面面積在波動(dòng)增加，菹草群落則是湖泊沉水植被中的優(yōu)勢(shì)物種。

(2)1985—2015年間，東平湖濕地總體景觀多樣性呈下降趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)物種逐漸明顯，景觀破碎度波動(dòng)增加。其中，1996—2011年間濕地景觀多樣性持續(xù)下降，優(yōu)勢(shì)度逐漸增加，斑塊數(shù)先增后減，降低了東平湖的生物物種的多樣性，造成一些物種數(shù)量的減少甚至消失；2011—2015年，濕地景觀多樣性有回升趨勢(shì)，景觀均勻度增加，優(yōu)勢(shì)度減小，而景觀破碎度有增加趨勢(shì)。

(3)東平湖濕地演化的過程中，受到自然方面和人為方面演化驅(qū)動(dòng)力的共同作用。前期東平湖濕地演化受氣候等自然因素影響為主，后期濕地的演化主要受水工建設(shè)、土地開發(fā)等人為因素影響。東平湖在南水北調(diào)工程?hào)|線中的調(diào)蓄作用是影響后期湖泊自然水面增大的主要因素。