四川省若爾蓋保護(hù)區(qū)景觀生態(tài)格局動(dòng)態(tài)分析

馮佳, 董鑫,2,3*, 趙姍姍

1. 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637000；

2. 嘉陵江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與污染防治南充市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637000；

3. 西南野生動(dòng)植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637000；

4. 西華師范大學(xué)管理學(xué)院，四川 南充 637000

四川省若爾蓋自然保護(hù)區(qū)（102 °29′—102 °59′E,33 °25′—34 °80′ N）地處于四川省阿壩藏族自治州若爾蓋縣境內(nèi)，濕地生態(tài)系統(tǒng)和黑頸鶴、梅花鹿等珍稀動(dòng)物為該保護(hù)區(qū)的主要保護(hù)對象[1]。該保護(hù)區(qū)水資源和碳資源非常豐富，為黃河、長江提供充足的水分，是我國三大濕地之一。但因其所處生態(tài)環(huán)境脆弱，再加上自然環(huán)境的影響和人類活動(dòng)的干擾，從而造成了一系列濕地生產(chǎn)力衰退、濕地資源喪失的現(xiàn)象[2]。

從生態(tài)保護(hù)方面，若爾蓋保護(hù)區(qū)是典型的高寒濕地，物種繁多，資源豐富，同時(shí)分布有國家濕地、黑頸鶴、梅花鹿保護(hù)區(qū)。并且因其充足的水源，該保護(hù)區(qū)對黃河的水源補(bǔ)給和維持生態(tài)平衡起著舉足輕重的作用[3]。因此，以若爾蓋保護(hù)區(qū)為研究對象，分別選用2004年、2009年Landsat TM影像，2014年、2016年Landsat OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，運(yùn)用ENVI5.5軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[5]、景觀特征提取，通過轉(zhuǎn)移矩陣和景觀指數(shù)的計(jì)算，分析若爾蓋保護(hù)區(qū)若干年景觀格局的動(dòng)態(tài)變化，對促進(jìn)該地區(qū)濕地資源科學(xué)保護(hù)和利用，規(guī)劃和管理有參考意義[4]。

1 研究內(nèi)容和方法

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了明顯地反應(yīng)若爾蓋保護(hù)區(qū)的景觀生態(tài)格局動(dòng)態(tài)變化情況，選取間隔3～5年，盡可能比較清晰、含云量在5%以下的遙感數(shù)據(jù)；同時(shí)考慮到遙感影像的特征、研究范圍和內(nèi)容，最終從USGS官網(wǎng)和地理空間數(shù)據(jù)云選取了2004—2016年夏季（6—9月份）Landsat系列數(shù)據(jù)（見表1），選用ENVI 5.5模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（見表2）。

表 1 主要數(shù)據(jù)Tab. 1 General information of the main data

表 2 數(shù)據(jù)處理操作Tab. 2 Operation steps and template selection required for data processing

1.2 景觀特征提取

經(jīng)過閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)和研究[6-11]，并結(jié)合本研究的數(shù)據(jù)分辨率，將若爾蓋保護(hù)區(qū)覆被類型分為沼澤、湖泊、高覆蓋度草甸、低覆蓋草甸、沼澤化草甸和沙化地/裸地。

在ENVI5.5中，使用標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成四個(gè)時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)，目視解譯分析能夠獲得圖像植被成紅色，其突出表現(xiàn)了植被的特征。參考相關(guān)研究和資料[12-14]，對研究區(qū)域景觀進(jìn)行目視解譯（見表3）。

1.3 景觀分類

選擇監(jiān)督分類法進(jìn)行景觀類型的分類，參考相關(guān)文獻(xiàn)和目視解譯建立感興趣區(qū)域、選擇樣本。完成之后進(jìn)行評價(jià)，樣本分離度結(jié)果均大于1.9，說明質(zhì)量好可使用[15-17]。利用Classification Workflow工具執(zhí)行分類，生成景觀類型分類文件（見圖1）。

1.4 轉(zhuǎn)移矩陣分類后處理

將進(jìn)行分類之后的四期數(shù)據(jù)，通過Change Detection Statistics工具進(jìn)行比較得到轉(zhuǎn)移矩陣，選取面積指數(shù)變化矩陣分析景觀類型動(dòng)態(tài)[18]。

表 3 若爾蓋保護(hù)區(qū)目視解譯標(biāo)志Tab. 3 Visual Interpretation Signs of Zoige Nature Reserve

1.5 選取景觀指數(shù)

本研究在Fragstats4.2景觀分析軟件中，主要從斑塊類型和景觀水平兩個(gè)方面進(jìn)行分析。根據(jù)他人研究結(jié)果和參考相關(guān)文獻(xiàn)后[19-21]，本研究選?、購陌邏K類型指數(shù)：斑塊的數(shù)目（NP）、斑塊類型總面積（CA）、各斑塊類型所占保護(hù)區(qū)景觀面積百分比（PLAND）和平均各斑塊類型面積（AREA_MN）。②從景觀水平指數(shù)：最大斑塊面積指數(shù)（LPI）、景觀聚集度指數(shù)（AI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）進(jìn)行分析[22-25]。各景觀指數(shù)的生態(tài)意義如表4所示。

2 結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)移矩陣面積指數(shù)結(jié)果分析

經(jīng)過表5數(shù)據(jù)分析對比，大致可以得到三個(gè)結(jié)論：（1）2004—2016年間，沼澤、沼澤化草甸等景觀向低、高覆蓋度草甸轉(zhuǎn)變的趨勢尤為明顯；（2）2004—2016年間，沼澤面積逐步減少；2009年后，沼澤面積趨于穩(wěn)定，減少速率變小；（3）總體上，若爾蓋保護(hù)區(qū)的基本景觀生態(tài)格局變化不大，草甸是研究區(qū)優(yōu)勢度最高的景觀類型。

2004—2009年，五年中有40%的沼澤、25%的湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚苫莸椋?2%的沙化地/裸地轉(zhuǎn)變成低覆蓋度草甸?？梢钥闯?，沼澤化草甸和高、低覆蓋度草甸為整個(gè)保護(hù)區(qū)的主體，沼澤、湖泊面積減少，但部分沙化地/裸地開始被利用。

2009—2014年，五年中有47%的沙化地/裸地、44%的沼澤、21%的高覆蓋度草甸轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚苫莸椋?8%的沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒采w度草甸，33%的沙化地/裸地轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度草甸?？梢钥闯觯訚苫莸?、低覆蓋草甸構(gòu)成了若爾蓋保護(hù)區(qū)的主體。這五年中，沼澤有很大變化，并且大部分沙化地/裸地開始向草甸轉(zhuǎn)化。

圖 1 2004—2016 年若爾蓋保護(hù)區(qū)景觀類型分類圖Fig. 1 Classification map of landscape types in Zoige Nature Reserve from 2004 to 2016

2014—2016年，兩年中有74%的沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚苫莸?；沼澤化草甸分別有23%和13%轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度草甸和高覆蓋度草甸；11%的沙化地/裸地轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度草甸。整體來說，兩年變化不大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，沼澤化草甸、低覆蓋度草甸仍是若爾蓋保護(hù)區(qū)的主要景觀，沼澤變化仍很大。

2004—2016年間，研究區(qū)域景觀格局有明顯變化，其中，85%的沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚苫莸椋?5%的沼澤化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒采w度草甸；22%的高覆蓋草甸轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚苫莸椋?0%、65%沙化地/裸地分別轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚苫莸?、低覆蓋度草甸?？偟膩碚f，沼澤和沙化地/裸地的改變最為明顯，沼澤化草甸，高、低覆蓋度草甸為該區(qū)域主要景觀。

表 4 各景觀指數(shù)生態(tài)意義Tab. 4 Ecological significances of each landscape index

表 5 2004—2016年若爾蓋保護(hù)區(qū)景觀類型面積指數(shù)變化轉(zhuǎn)移矩陣Tab. 5 Transition Matrix of Landscape Type Area Index Change in Zoige Nature Reserve from 2004 to 2016 單位：hm2

2.2 景觀指數(shù)結(jié)果及分析

將經(jīng)過前述處理的2004—2016年若爾蓋保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstats4.2景觀分析軟件，選擇指數(shù)進(jìn)行處理，得到四個(gè)時(shí)期的若爾蓋保護(hù)區(qū)的景觀指數(shù)。根據(jù)輸出結(jié)果，對若爾蓋保護(hù)區(qū)的景觀格局進(jìn)行分析（見表6）。

2.2.1 斑塊類型水平

本研究通過在Fragstats4.2軟件中進(jìn)行斑塊類型指數(shù)計(jì)算，分析該保護(hù)區(qū)的斑塊類型及動(dòng)態(tài)變化。并且，斑塊類型指數(shù)也是進(jìn)行景觀水平指數(shù)分析的基礎(chǔ)[26-28]。

2004年若爾蓋保護(hù)區(qū)各景觀類型面積大小排序?yàn)楦吒采w度草甸>沙化地/裸地>低覆蓋度草甸>沼澤化草甸>沼澤>湖泊；斑塊數(shù)量排序?yàn)樯郴?裸地>高覆蓋度草甸>低覆蓋度草甸>沼澤化草甸>沼澤>湖泊，平均斑塊面積排序?yàn)楹?高覆蓋度草甸>沼澤>低覆蓋度草甸>沼澤化草甸>沙化地/裸地。其中，高覆蓋度草甸和沙化地/裸地為保護(hù)區(qū)的主體，分別占總面積的38.59%和20.41%，且這兩部分的斑塊數(shù)量較高，說明其破碎化程度較嚴(yán)重。

2009年若爾蓋保護(hù)區(qū)各景觀類型面積大小排序?yàn)榈透采w度草甸>沙化地/裸地>沼澤化草甸>高覆蓋度草甸>沼澤>湖泊；斑塊數(shù)量排序?yàn)樯郴?裸地>高覆蓋度草甸>低覆蓋度草甸>沼澤化草甸>沼澤>湖泊；平均斑塊面積排序?yàn)楹?低覆蓋度草甸>沼澤化草甸>沼澤>沙化地/裸地>高覆蓋度草甸?？梢钥闯觯?009年低覆蓋度草甸為保護(hù)區(qū)面積的33.64%，占比最大并且平均斑塊面積相對較大，說明低覆蓋度草甸在若爾蓋保護(hù)區(qū)內(nèi)成片分布，連接性好。

2014年若爾蓋保護(hù)區(qū)各景觀類型面積大小的排序?yàn)榈透采w度草甸>沼澤化草甸>高覆蓋度草甸>沼澤>沙化地/裸地>湖泊；斑塊數(shù)量排序?yàn)檎訚苫莸?高覆蓋度草甸>低覆蓋度草甸>沼澤>沙化地/裸地>湖泊；平均斑塊面積排序?yàn)楹?低覆蓋度草甸>沼澤化草甸>高覆蓋度草甸>沼澤>沙化地/裸地?？梢缘贸?，低覆蓋度草甸、沼澤化草甸和高覆蓋度草甸構(gòu)成了若爾蓋保護(hù)區(qū)的主體，分別占了保護(hù)區(qū)面積的37.29%、36.52%、20.40%，且低覆蓋度草甸、沼澤化草甸和高覆蓋度草甸的斑塊數(shù)量較多。

2016年若爾蓋保護(hù)區(qū)各景觀類型面積大小的排序?yàn)榈透采w度草甸>沼澤化草甸>高覆蓋度草甸>沙化地/裸地>沼澤>湖泊；斑塊數(shù)量排序?yàn)檎訚苫莸?高覆蓋度草甸>沙化地/裸地>低覆蓋度草甸>沼澤>湖泊；平均斑塊面積排序?yàn)榈透采w度草甸>湖泊>高覆蓋度草甸>沼澤化草甸>沼澤>沙化地/裸地?？梢钥闯?，2016年低覆蓋度草甸、沼澤化草甸和高覆蓋度草甸為若爾蓋保護(hù)區(qū)的主體，分別占了40.30%、29.01%和26.40%。沼澤化草甸、高覆蓋度草甸、沙化地/裸地斑塊數(shù)量較高，說明其景觀破碎化嚴(yán)重。

表 6 若爾蓋保護(hù)區(qū)斑塊類型水平景觀指數(shù)Tab. 6 Horizontal landscape index of patch types in Zoige Nature Reserve

從PLAND看：2004年至2016年，沼澤化草甸的波動(dòng)幅度最大，且低覆蓋度草甸所占比例最重，湖泊和沼澤的變化比例相對較小。沼澤化草甸、低覆蓋度草甸整體呈上升趨勢，沙化地/裸地呈下降趨勢。在2009年沼澤面積達(dá)到一個(gè)高峰值，但在之后開始下降。

從NP看：2004年至2016年，沼澤化草甸、沙化地/裸地有較大幅度波動(dòng)。其中沼澤化草甸整體呈上升趨勢，高、低覆蓋度草甸和沼澤斑塊數(shù)量變化不大。2014年，高、低覆蓋度和沼澤化草甸達(dá)到斑塊數(shù)量的峰值，沙化地/裸地大幅度下降，沼澤小幅度下降。

從AREA_MN看：2004年至2016年期間，湖泊和沙化地/裸地的波動(dòng)幅度最大，特別是在2014年出現(xiàn)突變。低覆蓋度草甸整體呈上升趨勢，沼澤呈下降趨勢，沼澤化草甸波動(dòng)不大。

2.2.2 景觀水平

由圖2看出，2004年—2009年若爾蓋保護(hù)區(qū)的景觀形狀指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，聚集度指數(shù)逐漸下降，這說明2004—2009年間保護(hù)區(qū)景觀的整體情況開始趨于復(fù)雜化，景觀聚集程度開始趨于下降。而2014—2016年景觀形狀指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，聚集度指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。2009年—2016年七年間，若爾蓋保護(hù)區(qū)的景觀形狀指數(shù)下降，說明景觀優(yōu)勢度在逐漸減少；景觀聚集度指數(shù)在逐年升高，說明離散程度在變小。

圖3中，從SHDI來看：2004—2009年間若爾蓋保護(hù)區(qū)SHDI略有上升，說明景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和異質(zhì)性程度都在提高，并且各景觀類型間的均勻程度也在上升。2009年—2016年，若爾蓋保護(hù)區(qū)SHDI逐漸下降，說明景觀復(fù)雜度和異質(zhì)性開始下降，各類型斑塊面積逐漸呈現(xiàn)不均勻化。

從SHEI來看：2004—2009年間若爾蓋保護(hù)區(qū)SHEI也有一定幅度的提高，說明了各斑塊面積均勻程度在上升，優(yōu)勢景觀類型并不明顯。2009年—2016年，若爾蓋保護(hù)區(qū)SHEI也呈現(xiàn)出下降的趨勢，表明其斑塊在面積上分布不均，且說明這七年間有優(yōu)勢明顯的景觀類型。

圖 3 2004-2016 年若爾蓋保護(hù)區(qū) SHDI、SHEI變化情況Fig. 3 LSI and AI changes in Zoige Nature Reserve from 2004 to 2016

3 討論

斑塊類型方面，2004—2016年12年間，低覆蓋度草甸的數(shù)量始終在若爾蓋保護(hù)區(qū)占大多數(shù)，其次是沼澤化草甸和高覆蓋度草甸?？梢钥闯霾莸槭茄芯繀^(qū)優(yōu)勢度最高的景觀類型。整體景觀方面，根據(jù)上述景觀指數(shù)結(jié)果說明，景觀類型的斑塊數(shù)目有所變化，景觀破碎程度短期內(nèi)呈上升趨勢；景觀優(yōu)勢度逐漸降低、均勻度指數(shù)呈下降趨勢，說明在景觀尺度下濕地仍在退化[29]。

動(dòng)態(tài)變化方面，從圖4可以看出2009—2016年間，沼澤轉(zhuǎn)化為草甸的趨勢尤為明顯，且主要集中于若爾蓋保護(hù)區(qū)的東北和西南方位，說明未來應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)這些區(qū)域的濕地保護(hù)和恢復(fù)工作，且進(jìn)一步強(qiáng)化局部區(qū)域治理措施。

驅(qū)動(dòng)因子方面，查閱相關(guān)資料可得，近幾十年若爾蓋氣候變化呈暖干化趨勢，其中降水量以17.19 mm?10 a?1的變化速率下降，而氣溫變化以0.52 ℃?10 a?1的速率呈上升趨勢[30]?，F(xiàn)今全球氣溫升高對濕地水文條件影響很大，這也是導(dǎo)致濕地干化的主要自然因素之一，除此之外，過度放牧、大規(guī)模挖渠排水等人為干擾在濕地退化中貢獻(xiàn)率較大[29-30]。

圖 4 2009-2016 年若爾蓋保護(hù)區(qū)沼澤景觀動(dòng)態(tài)變化圖Fig. 4 Dynamic change map of swamp landscape in Zoige Nature Reserve from 2009 to 2016

總的來說，基于若爾蓋保護(hù)區(qū)的相關(guān)研究表明：濕地景觀趨于破碎，沼澤整體數(shù)量明顯減少，景觀集中連片分布，聚集度增加。這說明若爾蓋保護(hù)區(qū)的管理仍應(yīng)該加強(qiáng)，也為之后更好的發(fā)揮若爾蓋保護(hù)區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能提供理論依據(jù)[31]。由于濕地信息的復(fù)雜性和退化的過程性，本研究仍有不足之處如：本文選用Landsat數(shù)據(jù)的精度不高，且受客觀原因限制，并未有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)地采樣核驗(yàn)精度，僅利用谷歌地球進(jìn)行了比對。在后續(xù)研究中，應(yīng)對若爾蓋保護(hù)區(qū)的濕地現(xiàn)狀進(jìn)行全方位、多角度的綜合評價(jià)。