南四湖自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與評價

孔 梅，王 聰，宗雪梅，曹惠明，孟祥亮

（山東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 濟南 250101）

自然保護區(qū)是保護和管理自然資源、保護生態(tài)系統(tǒng)多樣性、保護豐富的物種及其遺傳資源的重要場所[1-2]。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，保護與開發(fā)的矛盾日益突出，自然保護區(qū)范圍縮小[3]、生境破碎化、生物多樣性流失等問題受到高度關(guān)注。田貴全等[2-3]對山東省自然保護區(qū)進行了基礎(chǔ)調(diào)查與研究；劉曉曼等[4]構(gòu)建了自然保護區(qū)人類活動天地一體化評價體系；顧羊羊[5]、崔文連[6]、方懿[7]等分別對沅江源、嶗山、米亞羅等自然保護區(qū)進行了遙感監(jiān)測。目前自然保護區(qū)研究多集中于現(xiàn)狀監(jiān)測或評價，并未在長時間序列上探討自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境變化狀況及其對自然保護區(qū)的影響。本研究利用2000—2019年5期遙感影像數(shù)據(jù)，提取山東省南四湖省級自然保護區(qū)的土地利用信息，分析南四湖省級自然保護區(qū)2000—2019年生態(tài)系統(tǒng)變化特征及其生態(tài)保護狀況，以期為自然保護區(qū)日常監(jiān)管等工作提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

山東省南四湖省級自然保護區(qū)位于山東省微山縣、魚臺縣和濟寧市任城區(qū)境內(nèi)，地理坐標為34°27′～35°20′N，116°34′～117°21′E。2006 年 3月，山東省人民政府批準了濟寧市人民政府《關(guān)于調(diào)整山東南四湖省級自然保護區(qū)功能區(qū)的請示》 （魯政字〔2006〕70號），保護區(qū)面積調(diào)整為1 275.47 km2，其中核心區(qū)面積451.07 km2，緩沖區(qū)面積403.59 km2，實驗區(qū)面積420.81 km2，如圖1所示。主要保護對象為濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥類。

南四湖是南陽湖、獨山湖、昭陽湖、微山湖4個相連湖泊的總稱。南四湖自然保護區(qū)由濕地、陸地和島嶼三部分組成，分別占保護區(qū)面積的97.7%、1.7%和0.6%。南四湖是我國淮河以北地區(qū)面積最大、結(jié)構(gòu)完整、保存較好的內(nèi)陸大型淡水草型湖泊，是鳥類重要的棲息地和遷移驛站，是重要的水資源調(diào)蓄地，是國家南水北調(diào)東線工程的重要調(diào)水區(qū)。

圖1 山東南四湖省級自然保護區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所使用的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站，包括2000年9月14日、2005年8月11日、2010年6月22日30 m的3期Landsat7 ETM圖像、2015年7月30日30 m的Landsat8 OLI圖像和2019年6月3日和8月20日的2景8 m高分6號衛(wèi)星數(shù)據(jù)。生物多樣性資料來源于相關(guān)專著[8]、統(tǒng)計年鑒。

將多時相遙感影像數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換，具體的投影參數(shù)為Albers Conical Equal Area，橢球體WGS84，中央經(jīng)線為110°E，雙標準緯線為25°N和47°N，投影起始緯度12°N，中央經(jīng)線偏差和起始點偏差都為0。以衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，采用面向?qū)ο蠛湍恳暸凶x相結(jié)合的方法，結(jié)合研究區(qū)遙感影像季相、地貌類型等特征，提取2000—2019年5個時期南四湖省級自然保護區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

在參考及查閱大量濕地自然保護區(qū)生態(tài)狀況評價研究資料的基礎(chǔ)上，考慮到數(shù)據(jù)獲取的難易程度及準確度，遵循科學(xué)性、代表性、可操作性、客觀性和實用性原則，采用自然保護區(qū)生態(tài)保護狀況指數(shù)法，選擇了面積、物種、生態(tài)系統(tǒng)和開發(fā)活動四大類指標進行評價。構(gòu)建了以生境質(zhì)量評價為重點，兼顧反映物種多樣性和開發(fā)干擾程度的指標體系，每項指標根據(jù)不同等級分別賦值，如表1所示。

式中：NEI（ecological protect index in nature reserve）——自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境保護狀況指數(shù)，數(shù)值范圍 0～100；ASI（areasuitability index）——面積適宜指數(shù)，用自然保護區(qū)核心區(qū)面積百分比表示；ASII(alien species invasion index)——外來物種入侵指數(shù)，用自然保護區(qū)外來入侵物種數(shù)表示；HQI(habitat quality index)——生境質(zhì)量指數(shù)，用主要保護對象的棲息地質(zhì)量表示；DDI(development disturbance index)——開發(fā)干擾指數(shù)，用與開發(fā)活動有關(guān)的用地類型表示。

表1 南四湖省級自然保護區(qū)環(huán)境狀況評價指標體系及其權(quán)重

3 結(jié)果與分析

3.1 南四湖省級自然保護區(qū)土地利用狀況分析

本研究將南四湖自然保護區(qū)土地利用結(jié)果劃分為5個時間段：2000年、2005年、2010年、2015年、2019年，其土地利用空間分布見圖2。濕地是山東南四湖省級自然保護區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)類型，其面積占保護區(qū)總面積的比例超過85%。

2000—2019年間南四湖省級自然保護區(qū)內(nèi)水域濕地、草地、耕地等用地面積減少，林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加。水域濕地面積從2000年的1 045.68 km2減少到2010年的1 012.66 km2，之后小幅上升到2019年的1 024.00 km2，20年共減少了21.68 km2，其中湖泊面積減少65.71 km2，水庫坑塘面積增加34.48 km2，河渠、灘地等其他濕地面積增加9.55 km2，表現(xiàn)為自然濕地減少、人工濕地增加。草地面積從2000年的9.32 km2減少到 2019年的 2.41 km2，減少了6.91 km2；耕地面積略微減少。城鄉(xiāng)建設(shè)用地由2000年的21.24 km2增加到2019年的33.07 km2，其中工礦交通用地增加9.23 km2，農(nóng)村居民點增加2.55 km2。林地面積呈增加趨勢，由2000年的7.19 km2增加到2019年的23.15 km2，增加了15.96 km2，主要表現(xiàn)為灌木林地和疏林地的增加。

圖2 2000—2019年南四湖自然保護區(qū)土地利用空間分布

3.2 南四湖省級自然保護區(qū)生態(tài)保護狀況評價分析

根據(jù)自然保護區(qū)生態(tài)保護狀況指數(shù)的計算方法，得到2000年以來南四湖省級自然保護區(qū)的生態(tài)保護狀況指數(shù)（圖3）。面積適宜指數(shù)評價自然保護區(qū)功能區(qū)劃的合理程度，2006年南四湖省級自然保護區(qū)功能區(qū)調(diào)整以來，面積適宜指數(shù)基本不變；外來物種入侵指數(shù)主要由自然保護區(qū)，外來入侵物種數(shù)計算得出，更新周期較長，因此外來物種入侵指數(shù)動態(tài)變化幅度較小。生境質(zhì)量指數(shù)反映自然保護區(qū)生境類型對主要保護對象的適宜程度，2000—2019年間南四湖省級自然保護區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)總體呈下降趨勢，由2000年的84.54下降到2019年的82.07。開發(fā)干擾指數(shù)反映人類生產(chǎn)生活對自然保護區(qū)造成的干擾程度，2000—2019年間南四湖省級自然保護區(qū)開發(fā)干擾指數(shù)在4.53～6.13之間，總體呈上升趨勢，與2000年相比，2019年開發(fā)干擾指數(shù)增加了1.60。由此表明，研究期間由于人類活動的影響，南四湖省級自然保護區(qū)土地利用狀況發(fā)生改變，生境質(zhì)量下降，開發(fā)干擾增大。

圖3 南四湖省級自然保護區(qū)各項指數(shù)變化

自然保護區(qū)生態(tài)保護狀況指數(shù)（NEI） 評價自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境保護狀況，數(shù)值范圍為0～100。NEI≥75，為優(yōu)；55≤NEI＜75，為良；35≤NEI＜55，為一般；20≤NEI＜35，為較差；NEI＜20，為差。2000—2019年間南四湖省級自然保護區(qū)生態(tài)保護狀況指數(shù)（NEI） 在77.66～79.98之間，總體較高，為優(yōu)，表明南四湖自然保護區(qū)主要保護對象的原生生境得到有效保護，開發(fā)干擾輕微。2000—2019年南四湖省級自然保護區(qū)生態(tài)保護狀況指數(shù)總體呈下降趨勢，年均減少值為0.11。

整體來看，南四湖省級自然保護區(qū)雖然受到人類開發(fā)建設(shè)的影響，自然濕地和草地面積減少，造成生境質(zhì)量下降，但水域濕地面積較大，同時水域濕地對生境質(zhì)量的影響較大，加之近些年來園地、林地面積的增加，使得研究區(qū)內(nèi)生態(tài)保護狀況基本穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過研究2000—2019年南四湖省級自然保護區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，分析南四湖省級自然保護區(qū)20年來土地利用變化情況及生態(tài)環(huán)境保護狀況，主要得出以下結(jié)論：

（1） 南四湖省級自然保護區(qū)2000—2019年水域濕地面積減少，主要表現(xiàn)為湖泊等自然濕地面積減少，水庫坑塘、河渠等人工濕地增加；城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加，主要表現(xiàn)為工礦交通用地的增加；同時林地面積增加，表現(xiàn)為灌木林地和疏林地的增加。

（2） 2000年以來，南四湖省級自然保護區(qū)生境質(zhì)量呈下降趨勢，與之對應(yīng)的是開發(fā)干擾指數(shù)逐年增大。由于南四湖省級自然保護區(qū)水域濕地面積廣闊，同時水域濕地對生態(tài)環(huán)境的影響較大，自然保護區(qū)生態(tài)保護狀況指數(shù)基本穩(wěn)定，生態(tài)保護狀況總體為優(yōu)。