近30年長江下游升金湖濕地不同季節(jié)景觀生態(tài)風(fēng)險時空分析*

朱嫻飛，陸雨婷，吳鵬海,2,3 ，馬曉雙,2，周立志,2

(1：安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601) (2：濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽大學(xué))，合肥 230601) (3：安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院，合肥 230601)

濕地作為與森林、海洋并稱的全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一[1]，具有保持水源、凈化水質(zhì)、蓄洪防旱、調(diào)節(jié)氣候和維護(hù)生物多樣性等重要生態(tài)功能[2]. 但隨著城市化進(jìn)程加快和人口擴(kuò)張，濕地不斷被侵占開發(fā)，濕地環(huán)境受到嚴(yán)重的人為干擾，造成水質(zhì)下降、水資源減少、生物多樣性降低，給人類社會和生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響[3-4]. 濕地生態(tài)風(fēng)險評價作為現(xiàn)階段濕地管理與保護(hù)和相關(guān)決策制定的重要依據(jù)，引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，已成為當(dāng)前濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合評估的關(guān)鍵問題和宏觀生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)研究方向之一[5].

景觀生態(tài)風(fēng)險指自然或人為因素影響下景觀格局與生態(tài)過程相互作用可能產(chǎn)生的不利后果，而景觀生態(tài)風(fēng)險評價作為生態(tài)風(fēng)險評價在區(qū)域尺度的重要分支，是以景觀類型及格局作為評價受體，對生態(tài)風(fēng)險的分布和演化過程進(jìn)行定量分析[6]. 土地直接受人類活動影響，人類對土地的利用已經(jīng)改變了大量自然生態(tài)系統(tǒng)的空間，對自然生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利作用[7],進(jìn)而對生態(tài)過程產(chǎn)生影響. 土地利用方式與格局變化與景觀生態(tài)風(fēng)險的時空分布緊密關(guān)聯(lián)，目前，以土地利用/覆蓋變化為誘因的景觀生態(tài)風(fēng)險評價是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，已在濕地生態(tài)風(fēng)險評價中得到一定應(yīng)用. 如高賓等[8]利用3期Landsat遙感數(shù)據(jù)，基于景觀結(jié)構(gòu)和土地利用信息構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，并結(jié)合GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等對錦州灣沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)進(jìn)行景觀生態(tài)風(fēng)險分析；劉春燕艷等[9]使用Landsat遙感數(shù)據(jù)并結(jié)合GIS、RS技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)分析法和地理探測器法，通過利用景觀指數(shù)構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險模型，分析1976-2013年三江平原濕地景觀生態(tài)風(fēng)險時空動態(tài)變化規(guī)律及其驅(qū)動力. 上述針對濕地的景觀生態(tài)風(fēng)險研究大多以人類活動頻繁的沿海濕地和平原濕地為主，隨著長江流域的大力開發(fā)，流域濕地生態(tài)系統(tǒng)受到越來越大的外界脅迫，對流域濕地景觀生態(tài)風(fēng)險的研究也越來越得到重視[10-11].

作為長江中下游的國際濕地，升金湖濕地由于自然過程、圍湖造田、開發(fā)養(yǎng)殖等原因?qū)е聺竦鼐坝^發(fā)生變化，生態(tài)系統(tǒng)面臨著嚴(yán)重威脅[12]. 為了合理開發(fā)保護(hù)和利用濕地資源，已有學(xué)者開展了升金湖濕地生態(tài)風(fēng)險評估的前期研究. 例如，李鑫等[13]基于1986年、2002年和2011年3期遙感數(shù)據(jù)，對升金湖濕地土地利用生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，得到1986-2011年保護(hù)區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險不斷上升，生態(tài)風(fēng)險面積不斷擴(kuò)大等重要結(jié)論；Zhang等[14]顧及景觀指數(shù)的尺度差異，分析了不同尺度景觀指數(shù)對升金湖濕地生態(tài)風(fēng)險評估的影響. 然而，由于升金湖濕地特殊的地理位置，湖內(nèi)水域與長江水體相通，且其有明顯的豐水期和枯水期變化[15]，不同季節(jié)湖內(nèi)泥灘、草灘等濕地重要景觀類型會發(fā)生明顯改變，年內(nèi)一期影像只能反映某個季節(jié)的生態(tài)風(fēng)險情況，難以代表其他季節(jié)的生態(tài)風(fēng)險. 因此，有必要進(jìn)一步對不同季節(jié)升金湖濕地景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估. 但由于遙感傳感器故障和云覆蓋等影響，往往難以獲得一年不同季節(jié)升金湖濕地的合適數(shù)據(jù),從而制約后續(xù)景觀生態(tài)風(fēng)險評估.

本研究以升金湖濕地為研究區(qū)域，利用數(shù)據(jù)重建技術(shù)獲取(1989年、1996年、2003年、2010年和2017年)不同季節(jié)的遙感數(shù)據(jù)并解譯生成對應(yīng)土地利用類型圖. 結(jié)合各土地利用類型面積百分比與景觀指數(shù)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評價模型，實(shí)現(xiàn)升金湖濕地景觀在不同季節(jié)間長時序的生態(tài)風(fēng)險評估. 通過分析不同季節(jié)景觀時空變化特征和相關(guān)性，可為今后升金湖濕地分季節(jié)管理和保護(hù)乃至長江保護(hù)工作提供參考與借鑒.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

升金湖自然保護(hù)區(qū)(30°15′～30°30′N，116°55′～177°15′E；圖1)位于安徽省池州市東至縣境內(nèi)，處于長江中下游南岸，保護(hù)區(qū)總面積為333 km2，中心湖面積為133 km2. 升金湖屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，春暖秋涼，夏熱冬寒，四季分明. 雨季為7-8月，雨量充沛，湖內(nèi)水位達(dá)到最高；10-12月水位下降，露出泥灘和草灘，為候鳥越冬做準(zhǔn)備[16]. 但隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動加劇，升金湖濕地景觀發(fā)生改變，給濕地生態(tài)環(huán)境與候鳥遷徙造成一定影響.

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

根據(jù)升金湖冬夏季天長、春秋季天短的季節(jié)特性[17]，將四季劃分為：春季3-4月；夏季5-8月；秋季9-10月；冬季11-2月. 由于數(shù)據(jù)重建適宜處理少量云或條帶問題[18]，1996年夏季數(shù)據(jù)由于云量太大而無法獲得. 因此，本文選取1989年、1996年、2003年、2010年和2017年4個季節(jié)共19景Landsat TM/ETM+/OLI遙感數(shù)據(jù)，具體下載地址為https://earthexplorer.usgs.gov/和http://www.gscloud.cn/，不同時間獲取的數(shù)據(jù)如表1所示. 所用DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，來自http://www.gscloud.cn/.

表1 遙感數(shù)據(jù)

*為去云影像，#為去條帶影像，*#為去條帶和去云影像.

利用遙感影像處理軟件對19景Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、幾何校正和裁剪等預(yù)處理. 針對遙感影像中出現(xiàn)的條帶(ETM+數(shù)據(jù))和少量云遮擋問題，使用遙感空值重建技術(shù)進(jìn)行重建處理，得到空間連續(xù)的遙感影像[18]. 本文采用支持向量機(jī)分類法對研究區(qū)域土地利用信息進(jìn)行解譯，參照全國土地利用分類體系[19]，將本研究區(qū)域的土地利用類型劃分為林地、水域、耕地、人造表面、泥灘和草灘6類(圖2). 對解譯結(jié)果進(jìn)行Kappa系數(shù)精度驗(yàn)證，其值整體達(dá)到83%以上. 結(jié)合野外實(shí)測驗(yàn)證，精度均達(dá)到80%以上，滿足本研究要求. 最后使用Fragstat軟件獲取相關(guān)景觀指數(shù)[20].

圖2 1989-2017年升金湖濕地土地利用分類Fig.2 Land use classification of Lake Shengjin wetland from 1989 to 2017

2 研究方法

2.1 景觀生態(tài)風(fēng)險評價單元的采集

為了優(yōu)化評價效果，基于景觀的生態(tài)風(fēng)險評價需要合理選擇評價單元. 在充分考慮景觀空間異質(zhì)性、斑塊大小和濕地面積的基礎(chǔ)上，本研究按照升金湖流域景觀斑塊平均面積的 2～5倍使用ArcGIS對研究區(qū)域均勻布網(wǎng)采樣，將研究區(qū)域均勻劃分為442個1 km×1 km的生態(tài)風(fēng)險評價單元[21]. 分別計(jì)算每個生態(tài)風(fēng)險評價單元的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)值.

2.2 景觀生態(tài)風(fēng)險模型構(gòu)建與風(fēng)險分級

景觀生態(tài)風(fēng)險的大小取決于研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)所受外部干擾的強(qiáng)弱和內(nèi)部抵抗力的大小，不同景觀類型在抵抗外部干擾和維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能等方面的作用都有所差異，景觀所受的干擾度越大，則景觀的脆弱性越突出，抵抗外界干擾能力和自我恢復(fù)能力越弱，其生態(tài)風(fēng)險也就越大. 為探討升金湖濕地景觀格局與生態(tài)風(fēng)險的關(guān)系，通過景觀與生態(tài)環(huán)境之間的定量分析研究來揭示二者之間的相互關(guān)系. 本文借鑒前人的研究成果[22]，在各生態(tài)風(fēng)險評價單元內(nèi)利用不同土地利用類型的面積比例與各濕地景觀類型的景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)構(gòu)建土地利用生態(tài)風(fēng)險評價模型，分析景觀生態(tài)風(fēng)險的時空分布和動態(tài)變化. 各生態(tài)風(fēng)險評價單元的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)公式為：

(1)

式中，ERI為生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；N為景觀組分類型的數(shù)量(林地、水域、耕地、人造表面、泥灘和草灘6類)；k為研究區(qū)域劃分的風(fēng)險單元數(shù)量，且k∈[1～442]；Aki為第k風(fēng)險評價單元i類景觀組分的面積，Ak為第k個風(fēng)險評價單元總面積；Di為景觀干擾指數(shù)；Vi為脆弱度指數(shù).

景觀干擾度指數(shù)Di是對由不同景觀所代表的生態(tài)系統(tǒng)受到干擾的程度的反映[23],描述了濕地景觀受外部干擾的程度，選擇景觀破碎度、景觀分離度和景觀分維數(shù)來定量分析濕地受干擾程度[22]，函數(shù)為：

Di=fd(Ci,Ni,Fi)

(2)

式中，fd為一次線性函數(shù)，C、N和F分別為景觀破碎度、景觀分離度和景觀分維數(shù)；3個指數(shù)的權(quán)重和為1，根據(jù)相關(guān)研究[22]并結(jié)合升金湖實(shí)際情況，分別賦值0.5、0.3和0.2；3個指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義及計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[23].

景觀脆弱度指數(shù)Vi表示不同生態(tài)系統(tǒng)的易損性，生態(tài)系統(tǒng)的易損性與其在景觀自然演替過程中所處的階段有關(guān)[24]. 結(jié)合參考文獻(xiàn)[25]與升金湖實(shí)際情況，對不同土地利用類型的易損性進(jìn)行賦值，分別為：泥灘6、草灘5、水域4、林地3、耕地2、人造表面1，歸一化處理得到各自的脆弱度指數(shù).

根據(jù)濕地景觀生態(tài)風(fēng)險評價模型得到風(fēng)險小區(qū)風(fēng)險值ERI，再使用ArcGIS將每個風(fēng)險小區(qū)ERI賦為每個小區(qū)中心點(diǎn)屬性值，利用克里金插值法獲得濕地生態(tài)風(fēng)險空間分布圖[26]. 根據(jù)插值數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分布密度情況，取19景風(fēng)險指數(shù)插值數(shù)據(jù)在某一區(qū)間自然斷點(diǎn)結(jié)果的平均值作為該區(qū)間統(tǒng)一的斷點(diǎn)值，并根據(jù)斷點(diǎn)結(jié)果將風(fēng)險值分為5個風(fēng)險等級：高(0.3616～1)、較高(0.2139～0.3616)、中(0.1349～0.2139)、較低(0.0540～0.1349)和低風(fēng)險(0～0.0540)[27].

2.3 高程劃分

根據(jù)30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，并結(jié)合升金湖濕地高程分布情況，將研究區(qū)劃分為5個高程帶：0～20 m、20～40 m、40～60 m、60～80 m和>80 m.

2.4 景觀生態(tài)風(fēng)險相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是對兩個或多個具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量兩個變量因素的相關(guān)密切程度. 升金湖濕地具有明顯的季節(jié)性特征，一年中不同時期氣候變化會產(chǎn)生相互影響，使得不同季節(jié)景觀生態(tài)風(fēng)險發(fā)生變化. 通過季節(jié)相關(guān)性分析，可以確定不同季節(jié)間景觀生態(tài)風(fēng)險是否存在顯著相關(guān)的關(guān)系，更好地反映季節(jié)性濕地景觀生態(tài)風(fēng)險等級及其分布的變化特征. 本文利用Pearson相關(guān)系數(shù)[28]建立季節(jié)與季節(jié)間的景觀生態(tài)風(fēng)險相關(guān)關(guān)系，對景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行季節(jié)相關(guān)性分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

升金湖保護(hù)區(qū)1989-2017年主要地類為林地、水域和耕地，而人造表面、泥灘和草灘所占面積較少(圖3). 1989-2017年，水域與耕地面積波動較大，耕地與林地面積呈現(xiàn)明顯的此消彼長態(tài)勢. 其中，1989-2003年林地面積呈現(xiàn)上升趨勢，而耕地面積呈下降趨勢，2003年林地面積明顯增加，這與21世紀(jì)初，國家推行的“退耕還林”政策密切相關(guān). 但是于2010年春季開始，沙山部分山體挖空，形成裸露地表，于秋季長出部分綠植，2017年林地繼續(xù)大面積喪失，最明顯的為金山圩與沙山區(qū)域，大塊山體挖空，形成裸露表面(圖1，圖2). 隨著村鎮(zhèn)發(fā)展和人類活動加強(qiáng)，人造表面呈現(xiàn)明顯增長趨勢. 但整體而言，林地與人造表面季節(jié)敏感性較低，四季變化幅度小，而耕地、水域、泥灘和草灘等地類的季節(jié)敏感性較高，隨著季節(jié)變化地類面積有明顯的增減波動. 其中，夏季水域面積明顯上升，秋、冬季水位逐漸下降，1989-2017年，泥灘面積迅速增長，且在冬季達(dá)到全年最高值，而草灘面積逐年減少，在秋季處于較高值狀態(tài). 根據(jù)水域與泥灘、草灘的年變化曲線可知，三者面積增減狀況密切相關(guān). 湖區(qū)地類變化主要原因在于湖區(qū)被開發(fā)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，魚蟹大量取食湖內(nèi)水草，湖區(qū)內(nèi)人類活動加劇，對湖區(qū)濕地環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，使得草灘面積急劇減少，且湖區(qū)周邊耕地分布密集，長期的農(nóng)業(yè)發(fā)展使得水土流失逐漸加重，造成湖內(nèi)泥灘淤積. 土地利用方式的改變使升金湖保護(hù)區(qū)天然林地大面積喪失，濕地系統(tǒng)自然調(diào)節(jié)能力減弱，水土流失、濕地草灘退化等眾多生態(tài)問題逐漸惡化，使?jié)竦乇Ｗo(hù)區(qū)的生態(tài)風(fēng)險水平不斷上升.

圖3 1989-2017年升金湖濕地不同季節(jié)土地利用變化Fig.3 Land use change of Lake Shengjin wetland in different seasons from 1989 to 2017

3.2 四季濕地景觀生態(tài)風(fēng)險時空變化分析

從時間序列上分析，1989-2017年升金湖濕地景觀生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(圖4). 1989-1996年升金湖保護(hù)區(qū)自然景觀完整度高，受人類干擾范圍較小，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，四季均處于較低風(fēng)險狀態(tài)，僅于秋季的上湖或下湖區(qū)域出現(xiàn)小塊高風(fēng)險區(qū)；2003年人造表面迅速增加，人類活動強(qiáng)度增強(qiáng)，其中夏季上湖區(qū)水位較低，湖內(nèi)水草露出水面，使整體景觀嚴(yán)重破碎化，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性上升，使得夏季生態(tài)風(fēng)險指數(shù)急速上升，空間分布發(fā)生較大變化，高風(fēng)險區(qū)面積達(dá)到49.59 km2，為整個研究時段高風(fēng)險區(qū)面積最高值. 冬季水位持續(xù)下降，泥灘大面積露出水面，與草灘交錯分布，景觀斑塊化嚴(yán)重，使得景觀生態(tài)風(fēng)險升高. 2010年夏季高風(fēng)險區(qū)面積較2003年有所減小，但四季皆有高風(fēng)險區(qū)，且春、冬季高風(fēng)險區(qū)風(fēng)險面積上升，其中夏季意外的高風(fēng)險區(qū)面積較小是由于該時期湖區(qū)水位較高，泥灘、草灘幾乎全部淹沒，整個升金湖景觀完整性高，生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度較低，整體呈現(xiàn)低風(fēng)險狀態(tài). 至2017年，村鎮(zhèn)發(fā)展趨于平穩(wěn)，并拆除養(yǎng)魚圍網(wǎng)，降低了下湖區(qū)域的人為干擾，整體風(fēng)險降低，但值得注意的是由于上湖區(qū)域大面積濕地草灘的進(jìn)一步退化喪失，水土流失狀況加重，使該區(qū)域每季皆有較廣面積的高風(fēng)險區(qū)，其中面積最大的為夏季. 根據(jù)四季風(fēng)險狀況，總體來說2003-2017年春、秋季風(fēng)險比夏、冬季整體偏低，高風(fēng)險區(qū)主要出現(xiàn)在夏季和冬季，其中冬季中風(fēng)險以上風(fēng)險區(qū)面積最大.

圖4 1989-2017年不同季節(jié)升金湖濕地景觀生態(tài)風(fēng)險分布Fig.4 Landscape ecological risk distribution of Lake Shengjin wetland in different seasons from 1989 to 2017

從空間分布上分析，1989-1996年升金湖保護(hù)區(qū)以中風(fēng)險與較高風(fēng)險為主，僅在秋季上湖與下湖分別有小塊高風(fēng)險區(qū)(圖4)，其中1989年春季與冬季在中湖東南水域出現(xiàn)較高風(fēng)險區(qū)，原因在于此區(qū)域湖內(nèi)水草繁盛，在該研究時段，漁民大規(guī)模撈取水草外銷，導(dǎo)致生態(tài)損失增強(qiáng)，風(fēng)險上升. 2003年夏季高風(fēng)險區(qū)以從中心向四周延伸的方式迅速擴(kuò)散，高風(fēng)險區(qū)主要位于上湖、下湖和沙山附近，聯(lián)合區(qū)域首次出現(xiàn)高風(fēng)險，而唐家咀周邊村鎮(zhèn)聚集區(qū)域也出現(xiàn)中風(fēng)險，其中，較高、高風(fēng)險區(qū)面積占保護(hù)區(qū)總面積的45.65%，冬季上湖和下湖區(qū)域泥灘、草灘面積均減少，且分布較為斑塊化，抗干擾能力弱，形成大面積較高、高風(fēng)險區(qū). 2010年春季高風(fēng)險區(qū)位于上湖區(qū)域，冬季高風(fēng)險區(qū)分布于上湖與七星墩區(qū)域，且兩季高風(fēng)險區(qū)皆由上湖向楊峨頭方向延伸. 2017年加強(qiáng)濕地管理后，整體景觀破碎化程度降低，抗干擾能力增強(qiáng)，高風(fēng)險區(qū)面積降低，但在上湖區(qū)域呈現(xiàn)集中分布，夏季高風(fēng)險區(qū)面積最大，秋、冬季節(jié)面積縮小，不同季節(jié)高風(fēng)險區(qū)均位于上湖并靠近張溪鎮(zhèn)方向，主要由于上湖草灘進(jìn)一步喪失，金山圩山體林地大面積挖空，加劇該區(qū)域景觀破碎化程度，生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力減弱，且張溪鎮(zhèn)周邊村鎮(zhèn)分布密集，靠近東至縣城區(qū)，受人為干擾強(qiáng)度大，整體生態(tài)風(fēng)險偏高. 總體來說，升金湖1989-2017年季節(jié)生態(tài)風(fēng)險面積整體呈上升趨勢，且高風(fēng)險區(qū)主要分布于上下湖區(qū)與七星墩附近，另外，2003-2017年沙山與神頭山區(qū)域一年中大部分時間皆處于中、較高風(fēng)險狀態(tài)，甚至在2010年出現(xiàn)高風(fēng)險區(qū)，因此該區(qū)域自2003年后一直承受著較強(qiáng)的人為干擾. 上下湖區(qū)是濕地草灘的主要分布區(qū)域，1989-2017年，隨著濕地草灘的逐漸退化甚至喪失，生態(tài)景觀破碎化加劇，生物多樣性降低，生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力減弱，使上下湖區(qū)風(fēng)險程度不斷提高，從高風(fēng)險區(qū)的單季節(jié)分布演變?yōu)楦唢L(fēng)險區(qū)的全年分布. 因此，應(yīng)該重視濕地草灘保護(hù)，維持生物多樣性，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力.

為了便于分析土地利用變化對景觀生態(tài)風(fēng)險的影響，本文對升金湖不同季節(jié)土地利用變化情形下各等級風(fēng)險面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5). 結(jié)果顯示，隨著人造表面面積的增加和草灘面積的減少，較高風(fēng)險和高風(fēng)險區(qū)面積均呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢，而較低風(fēng)險和低風(fēng)險區(qū)面積呈現(xiàn)明顯下降趨勢. 由圖5可直觀看出，部分較低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)風(fēng)險水平升至中、較高和高風(fēng)險. 1989-2017年，人造表面面積由5.58 km2增加至15.63 km2，草灘面積由32.35 km2減少至10.57 km2，高風(fēng)險與較高風(fēng)險區(qū)面積由10.15 km2增加至17.7 km2. 這表明人造表面增加，人類活躍范圍擴(kuò)大，對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾增強(qiáng)，破壞了生態(tài)系統(tǒng)的自穩(wěn)定性，抵御不確定性的事故和災(zāi)害的能力降低，整體脆弱性升高. 濕地草灘部分大面積退化，降低了濕地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能和景觀完整性，使得上下湖區(qū)生態(tài)風(fēng)險不斷上升. 因此濕地景觀中人造表面與自然草灘的土地利用變化對濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響不可忽視，需重點(diǎn)關(guān)注.

圖5 1989-2017年不同季節(jié)升金湖濕地風(fēng)險區(qū)面積變化Fig.5 Changes in the area of the four-year risk zone of Lake Shengjin wetland in different seasons from 1989 to 2017

為了進(jìn)一步體現(xiàn)土地利用類型和格局變化對景觀生態(tài)風(fēng)險分布的影響，將土地利用變化圖與景觀生態(tài)風(fēng)險圖進(jìn)行疊加分析，以地類為單位制作小圖，每個小圖中僅保留某一種地類及該地類下的景觀風(fēng)險分布情況，從而可以清晰地看出不同地類下的景觀風(fēng)險狀況(詳見附錄Ⅰ). 結(jié)果顯示，升金湖濕地主要土地利用類型為水域、林地和耕地，人造表面、泥灘和草灘所占比例較少. 人造表面占比較低，對整體景觀格局變化的影響較小. 泥灘與草灘主要分布于上下湖區(qū)，緊靠水域，其空間分布情況極易受到水域影響[29]，景觀脆弱度高. 因此，高風(fēng)險區(qū)主要位于泥灘和草灘集中分布的上下湖區(qū)，而水域、林地和耕地區(qū)域風(fēng)險等級較低. 由1989-2017年4個季節(jié)的地類、景觀風(fēng)險數(shù)據(jù)可知，1989-1996年，林地、人造表面與耕地四季分布格局變化不大，草灘和泥灘的主要分布季節(jié)為春季、秋季和冬季，而夏季較少，尤其是泥灘，在夏季漲水時期被淹沒，隨著湖水下降，再逐漸露出水面. 各地類變化較為符合濕地自然規(guī)律，無明顯干擾性波動，整個研究區(qū)域呈現(xiàn)出較低的風(fēng)險狀態(tài). 2003年夏季，上下湖區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險急劇上升. 結(jié)合四季土地利用變化(圖2)分析，2003年春季水位過高，淹沒了泥灘和大量草灘，夏季水位急速下降，使得草灘、泥灘大面積露出水面，自下湖延伸至神頭山、沙山附近水域的景觀破碎度迅速上升，連通性減弱，景觀損失度升高，在上湖區(qū)及神頭山、沙山區(qū)域形成大面積的高風(fēng)險區(qū). 2010-2017年，升金湖四季皆有高風(fēng)險區(qū). 其中，2010年春季由于水位過低，上湖區(qū)泥灘與草灘大面積暴露，多種景觀類型夾雜分布，景觀破碎度高，形成大面積的高風(fēng)險區(qū). 而夏季水位迅速上升，且秋季水位持續(xù)處于高位，使得秋季該暴露的泥灘和草灘仍保持淹沒狀態(tài)，在上湖區(qū)域形成高風(fēng)險區(qū). 2017年整體水位較低，泥灘面積大大增加，而草灘面積較少. 四季上湖區(qū)皆呈現(xiàn)出較明顯的泥灘、草灘、水域和耕地混合分布的情況，形成長期性的高風(fēng)險區(qū). 其中，夏季由于水位過低，草灘、泥灘過多地露出水面，區(qū)域整體景觀破碎度較高，易損性大，形成全年最高風(fēng)險區(qū). 綜上所述，各土地利用類型分布交界處相較于單一地類集中分布區(qū)更容易引發(fā)高風(fēng)險，且景觀格局變化越活躍的區(qū)域其景觀生態(tài)風(fēng)險越高，需重點(diǎn)關(guān)注.

3.3 年度景觀生態(tài)風(fēng)險分布

根據(jù)四季濕地景觀生態(tài)風(fēng)險變化分析可知，不同季節(jié)生態(tài)風(fēng)險分布具明顯差異，計(jì)算年度生態(tài)風(fēng)險時不同季節(jié)所占權(quán)重不同，本文使用季節(jié)所占全年月份比例為權(quán)重求取年度風(fēng)險指數(shù)，具體公式為：

(3)

式中，E年為年度生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，Ti為i季節(jié)所占月份，T為研究年份所占總月份，Ei為i季節(jié)生態(tài)風(fēng)險指數(shù).

根據(jù)以上公式計(jì)算年度生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，插值處理得到年度生態(tài)風(fēng)險分布圖(圖6).

圖6 1989-2017年升金湖濕地年度景觀生態(tài)風(fēng)險分布Fig.6 Annual landscape ecological risk distribution of Lake Shengjin wetland from 1989 to 2017

1989-2017年，濕地景觀生態(tài)風(fēng)險明顯增加(圖6). 生態(tài)風(fēng)險指數(shù)年平均值從1989年的0.096上升到2010年的0.179，上升率達(dá)到86.5%，而2010-2017年政府加強(qiáng)濕地保護(hù)，出臺相關(guān)保護(hù)政策，整體風(fēng)險有下降趨勢，年風(fēng)險指數(shù)平均值下降21.8%. 1989-1996年，升金湖保護(hù)區(qū)生態(tài)風(fēng)險整體呈較低狀態(tài)，隨著社會發(fā)展，人類對生態(tài)系統(tǒng)的干擾增強(qiáng)，2003年村鎮(zhèn)聚集區(qū)域開始出現(xiàn)較高、中風(fēng)險區(qū)，上下湖區(qū)較高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險區(qū)面積迅速增長，中風(fēng)險區(qū)逐漸向較高風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)變，較高風(fēng)險區(qū)向高風(fēng)險區(qū)轉(zhuǎn)變，高風(fēng)險區(qū)區(qū)域以中心向四周延伸的趨勢逐漸擴(kuò)大. 其中，高風(fēng)險區(qū)主要分布于上湖和下湖區(qū)域，較高風(fēng)險區(qū)由上、下湖向楊峨頭和沙山方向延伸，至2017年高風(fēng)險區(qū)主要位于上湖區(qū)域. 2010年人類高密度活動區(qū)風(fēng)險面積增加，且隨著養(yǎng)殖業(yè)的逐漸發(fā)展，湖內(nèi)水草被魚蟹過度取食，造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞，隨后政府逐漸重視并加大對升金湖保護(hù)區(qū)的維護(hù)和管理，村鎮(zhèn)趨向穩(wěn)定發(fā)展，2017年村鎮(zhèn)密集區(qū)域風(fēng)險降低. 上湖、楊峨頭和下湖七星墩區(qū)域是濕地草灘的主要分布區(qū)域，生態(tài)脆弱性低，極易受到人為、氣候干擾，呈現(xiàn)高風(fēng)險狀態(tài).

為了體現(xiàn)地形因素對景觀生態(tài)風(fēng)險的影響，本文利用ArcGIS空間分析工具，將DEM高程圖與年景觀生態(tài)風(fēng)險分布圖疊加，計(jì)算各高程帶中景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值(表2)，并給出升金湖濕地保護(hù)區(qū)景觀生態(tài)風(fēng)險與高程關(guān)系(圖7). 結(jié)果顯示，1989-2017年景觀生態(tài)風(fēng)險隨著海拔升高，總體呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢. 1989-2017年最低風(fēng)險均處于0～20 m高程帶，而高風(fēng)險在2003-2017年間呈波動變化. 1989-1996年高風(fēng)險主要分布在20～40 m和40～60 m高程帶，隨著2003-2010年的風(fēng)險上升，其高風(fēng)險主要分布于20～40 m、40～60 m和60～80 m高程帶. 其中，2010年高風(fēng)險迅速向高海拔處轉(zhuǎn)移. 2017年整體風(fēng)險降低，高風(fēng)險主要分布于20～40 m和60～80 m高程帶.

表2 1989-2017年升金湖濕地各高程帶景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值

圖7 1989-2017年升金湖濕地景觀生態(tài)風(fēng)險與海拔之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between landscape ecological risk and altitude of Lake Shengjin wetland from 1989 to 2017

0～20 m高程帶區(qū)域主要為中心湖區(qū)、耕地和居民點(diǎn)，景觀破碎度和脆弱度較低，呈現(xiàn)較低風(fēng)險狀態(tài). 20～40 m高程帶區(qū)域主要為升金湖濕地部分，主要地類為草灘和泥灘，該景觀類型破碎度和脆弱度較高，長期處于較高風(fēng)險狀態(tài). 40～60 m高程帶區(qū)域主要為較低的丘陵，相比于較高山地，此處靠近湖區(qū)，更便于人類開荒伐木，景觀損失度較高. 隨著人類社會發(fā)展，對資源的需求增加，人類活動會逐漸向較高海拔處的林地轉(zhuǎn)移. 60～80 m及 80 m 以上高程帶區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)主要林地部分，2010年人類加強(qiáng)對林地的開發(fā)，使得該區(qū)域景觀破碎度、景觀損失度上升，轉(zhuǎn)變成較高風(fēng)險區(qū). 2017年升金湖濕地保護(hù)區(qū)加強(qiáng)環(huán)境管理，人為干擾強(qiáng)度降低，整體景觀生態(tài)風(fēng)險下降.

3.4 濕地景觀生態(tài)風(fēng)險季節(jié)相關(guān)性分析

根據(jù)1989-2017年升金湖不同季節(jié)與年度景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，可得到季節(jié)間和不同季節(jié)與相關(guān)年度間的Pearson相關(guān)系數(shù)(表3，表4). 從表3可知，總體上1989-2017年生態(tài)風(fēng)險具有高相關(guān)性的季節(jié)是秋、冬兩季，說明秋、冬兩季的生態(tài)風(fēng)險變化程度一般小于春、夏兩季和夏、秋兩季，最高的為2017年秋、冬兩季. 其中，2010年4個季節(jié)間的相關(guān)度都不高，表明這一年份不同季節(jié)間生態(tài)風(fēng)險的等級及其分布有較大差異；且該年份4個季節(jié)生態(tài)風(fēng)險都相對較高，可能是由季節(jié)性的人為活動(圍網(wǎng)養(yǎng)殖、濫捕濫撈、灌溉、過度砍伐)造成的. 從表4可見，大部分年份冬季與該年度的相關(guān)性都更強(qiáng)，均高于80%，這表明升金湖區(qū)域冬季的生態(tài)風(fēng)險情況接近于年度生態(tài)風(fēng)險；這對于今后缺乏其他季節(jié)數(shù)據(jù)時，相應(yīng)年度生態(tài)風(fēng)險的估算具有參考意義.

表3 1989-2017年升金湖濕地季節(jié)-季節(jié)景觀生態(tài)風(fēng)險相關(guān)系數(shù)

表4 1989-2017季節(jié)-年度升金湖濕地景觀生態(tài)風(fēng)險相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論與討論

本文通過土地利用變化進(jìn)行景觀格局分析，基于景觀格局指數(shù)計(jì)算景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，分析了1989-2017年升金湖濕地景觀生態(tài)風(fēng)險的時空變化，得出結(jié)論：

1)1989-2017年間，升金湖濕地景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；四季景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)具有明顯差異，夏、冬兩季風(fēng)險態(tài)勢尤其嚴(yán)峻，其風(fēng)險指數(shù)平均值高出春、秋兩季平均值的37.03%. 近30年來，升金湖濕地低風(fēng)險區(qū)逐漸變成中、高等風(fēng)險區(qū)，至2017年上湖區(qū)中風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險區(qū)完全轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險區(qū)，風(fēng)險高發(fā)區(qū)主要位于上、下湖區(qū)和七星墩附近.

2)景觀生態(tài)風(fēng)險主要在于人造表面與自然草灘的土地利用變化對濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響，隨著人類活動加強(qiáng)，湖內(nèi)草灘、泥灘極易受到干擾[29]，使草灘大面積退化甚至喪失，水土流失加重，對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響增強(qiáng)，破壞了生態(tài)系統(tǒng)的自穩(wěn)定性，使上下湖區(qū)成為生態(tài)風(fēng)險高發(fā)區(qū). 因而，對土地開發(fā)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，盡可能減少對原始自然景觀的破壞，同時加大湖區(qū)保護(hù)，降低人類對湖區(qū)濕地的不利干擾，保證足夠面積的濕地草灘，以增強(qiáng)濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力、抵抗力和穩(wěn)定性，降低景觀生態(tài)風(fēng)險水平，更好地保證濕地生態(tài)系統(tǒng)的安全和健康.

3)從風(fēng)險指數(shù)的季節(jié)相關(guān)性分析來看，秋季與冬季景觀生態(tài)風(fēng)險相關(guān)性最高，秋季與冬季濕地變化有明顯的相關(guān)關(guān)系，在風(fēng)險指數(shù)上表現(xiàn)出高度相關(guān)性. 而年度景觀生態(tài)風(fēng)險與該年中冬季景觀生態(tài)風(fēng)險相關(guān)性最高，且夏、冬季為風(fēng)險高發(fā)季節(jié)，在整個年度的風(fēng)險狀況中占據(jù)重要地位，需高度關(guān)注. 因此，今后要對升金湖保護(hù)區(qū)內(nèi)村鎮(zhèn)進(jìn)行合理規(guī)劃，盡量遠(yuǎn)離濕地中心區(qū)域，且根據(jù)不同時期制定相應(yīng)保護(hù)措施，尤其是加強(qiáng)高風(fēng)險季節(jié)和高風(fēng)險區(qū)的重視程度和保護(hù)，建立絕對保護(hù)的濕地核心區(qū)，以維持秋冬季節(jié)湖區(qū)和候鳥主要停歇區(qū)域的面積和原生生態(tài)環(huán)境.

研究展望：1)濕地景觀生態(tài)風(fēng)險評價模型未結(jié)合具體的生態(tài)因素和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，且基于景觀計(jì)算的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)僅代表研究區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)變化下的風(fēng)險狀況，未考慮生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部生態(tài)過程所形成的生態(tài)風(fēng)險. 2)本研究所用的Landsat系列遙感影像分辨率相對較低，對小范圍的不同地物類型邊界難以撲捉，這對濕地的精細(xì)分析和數(shù)據(jù)空間化有一定影響. 這些問題將在后續(xù)研究中進(jìn)一步改善.

5 附錄

附錄Ⅰ見電子版(DOI: 10.18307/2020.0321).