雁鳴湖自然保護區(qū)土地利用與景觀格局變化研究

劉家福，申 琳，紀明秀，祝 悅，白淑夏

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

濕地作為自然界重要的生態(tài)系統(tǒng)，其綜合功能不可替代.濕地科學早期發(fā)展較為緩慢，近現(xiàn)代以來發(fā)展逐漸加快.2000年以來，其研究領(lǐng)域擴大，成為重點學科和研究領(lǐng)域.我國自加入《濕地公約》后，積極響應(yīng)濕地保護等工作，為全球濕地保護和合理利用濕地作出了重要貢獻[1].雁鳴湖自然保護區(qū)濕地類型豐富，沼澤、湖泊、河流及水庫等均屬于濕地，參照我國目前濕地調(diào)查監(jiān)測所采用的濕地分類系統(tǒng)，結(jié)合實際情況，科學分析研究區(qū)景觀分布[2-5].遙感可大面積同步觀測，數(shù)據(jù)綜合性、可比性強，且機械收集地物信息，能一定程度上避免對觀測地物的人為主觀干擾，運用遙感進行土地利用研究，不僅可以獲得較高的實用價值，還能節(jié)省人力物力，獲得較高的經(jīng)濟價值.本文利用四期遙感影像數(shù)據(jù)提取研究區(qū)景觀信息，分析其景觀格局分布特征及景觀轉(zhuǎn)移的規(guī)律和驅(qū)動力，得出研究區(qū)景觀的變化情況及演變規(guī)律，分析濕地景觀動態(tài)變化主要影響因素[6-9]，為雁鳴湖自然保護區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供有力支持.

1 研究區(qū)概況

雁鳴湖自然保護區(qū)地處吉林和黑龍江兩省的交界，地理位置為128°11′0″E至128°45′30″E，43°39′20″N至43°51′28″N，東西隔45 km，南北隔24 km.研究區(qū)地處溫帶季風氣候帶，年平均氣溫4.3 ℃，無霜期約120 d.保護區(qū)冬季寒冷，春秋較短，夏季氣溫較高，降水量充沛，主要集中在7—8月.

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

采用Landsat-TM/ETM遙感影像解譯，選取2000年、2005年、2010年和2015年四期影像數(shù)據(jù)，主要采用eCognition軟件自動分類及人機結(jié)合的目視解譯方法，在季相方面控制云量在10%以內(nèi)，數(shù)據(jù)主要選擇6—9月無云圖像.數(shù)據(jù)以1995年和1996年幾何精校正后的遙感圖像作為基礎(chǔ)，位置為兩個像元左右.標準假彩色合成方法是整景和分縣圖像采用統(tǒng)一標準，其糾正后的圖像均保存為Geotiff格式，利用ERDAS IMAGINE軟件的Image Geometric Correction 模塊完成數(shù)據(jù)校正中的幾何精校正.

圖1 雁鳴湖自然保護區(qū)概況圖Fig.1 Overview of Yanming Lake Nature Reserve

2.2 研究方法

從景觀類型角度定量分析土地利用變化，以生態(tài)學的角度進行分析與研究.景觀格局指數(shù)可以反映景觀格局變化特點，由于指數(shù)繁多，選擇時需結(jié)合研究區(qū)自然環(huán)境狀況和社會經(jīng)濟狀況，簡潔、高效地選取符合研究區(qū)實情的景觀格局指數(shù).為充分體現(xiàn)景觀的生態(tài)意義，本文選取多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度數(shù)(SHEI)、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)、連接度數(shù)(CONNECT)、蔓延度(CONTAG)、聚合度(AI)、斑塊密度(PD)、分離度(DIVISION)，這幾種景觀格局指數(shù)對景觀格局進行定量分析[10].

3 結(jié)果與分析

3.1 雁鳴湖自然保護區(qū)土地利用變化

利用ArcGIS對研究區(qū)遙感影像解譯，得到圖2，由解譯結(jié)果(圖2)分析計算得到表1.

由解譯結(jié)果(圖2和表1)分析，2000—2005年研究區(qū)旱地面積同比增加0.371 km2，林地面積下降到279.194 km2，灌木林面積減少至27.412 km2，中覆蓋度草地面積減少至12.795 km2，居民點面積為3.956 km2；濕地面積為52.849 km2，其中沼澤占比最大，其次為河渠、湖泊，面積分別為24.545 km2、7.023 km2和6.599 km2；水庫坑塘面積為4.715 km2，較2000年增大0.012 km2，水田面積1.590 km2，較2000年減少0.123 km2.

圖2 2000—2015年研究區(qū)景觀類型分布圖Fig.2 Landscape type distribution map of research area from 2000 to 2015

表1 2000—2015年研究區(qū)景觀遙感解譯面積Tab.1 Area of landscape remote sensing interpretation in the study area from 2000 to 2015

2010年，研究區(qū)面積為531.343 km2，非濕地面積較2005年減少3.724 km2，較2000年減少3.569 km2，其中林地面積最大為295.046 km2，較2005年增長了15.852 km2，旱地面積較2005年減少了6.70 km2，中度覆蓋草地由2005年的12.795 km2，減少至0.613 km2，新增高覆蓋度草地19.176 km2，居民點比2005年面積擴大了2.388 km2；濕地面積較2005年增加了4.399 km2，占研究區(qū)面積的10.69%；非人工濕地中，沼澤面積最大為27.077 km2，占研究區(qū)的5.13%，較2005年增加了2.532 km2，其次是河渠較2005年增大1.368 km2，灘地較2005年減少了0.416 km2，湖泊較2005年減少了4.237 km2；人工濕地中水田較2005年減少了0.103 km2，水庫坑塘較2005年增長了4.537 km2.

2015年，研究區(qū)的面積為527.799 km2，非濕地面積為471.391 km2，其中林地較2010年減少了3.560 km2，旱地面積較2010年增加0.001 km2，高覆蓋度草地較2010年增加了0.008 km2，灌木林增加了0.014 km2，中覆蓋草地較2010年減少了0.002 km2，居民點面積較2010年相比變化不大；濕地景觀中，河渠減少最多，較2010年減少0.013 km2，其次為湖泊、水田和沼澤，分別減少0.006 km2、0.004 km2和0.001 km2，灘地較2010年增加0.012 km2，水庫坑塘較2010年增加0.009 km2.

3.2 景觀格局指數(shù)分析

基于景觀水平的景觀格局指數(shù)計算結(jié)果見表2.

表2 2000—2015年研究區(qū)景觀水平格局指數(shù)Tab.2 Landscape horizontal pattern index of the study area from 2000 to 2015

(1)景觀多樣性：研究期間保護區(qū)SHDI與SHEI變化一致，均呈減小趨勢，SHPI由2000年1.356 8降至2015年的1.324 4，SHEI由2000年0.565 8降至2015年的0.533 4.以5年為一階段，分三個時段，SHPI分別減少0.001 6、0.030 9和增加0.000 1，SHEI分別減少0.020 4、0.012 4和0，二者下降趨勢均減緩.這表明，破碎化程度隨其豐富度的下降而降低，各景觀類型呈現(xiàn)顯著的不均衡趨勢.

(2)景觀連通性：研究期間斑塊聚力指數(shù)COHESION一直保持在99%以上，保護區(qū)各斑塊內(nèi)部非常凝聚.景觀類型間研究指數(shù)CONNECT 2000年、2005年、2010年和2015年分別為70.05%、69.63%、48.21%和49.37%，連通性指數(shù)不斷下降，但下降趨勢減緩.

(3)景觀聚集度：研究期間，景觀蔓延度指數(shù)CONTAG不斷上升，從2000年的68.14%上升至70.13%，但增幅不大，這表明，景觀中優(yōu)勢斑塊類型的鏈接性上升，景觀細化程度下降.研究時段內(nèi)聚合度指數(shù)AI總體變大，由2000年的96.94%降至2005年的96.92%，此后不斷增長，2015年增長至97.26%.研究表明，該時間段內(nèi)，破碎化在一定程度上得到改變，凝聚狀況也在不斷增加.

(4)景觀破碎度：分析因子主要采用斑塊密度(PD)和景觀分離度指數(shù)(DIVISION)進行深度研究.2000—2015年期間PD先升后降，2015年P(guān)D高于2000年.可以看出研究區(qū)景觀斑塊數(shù)上升，景觀整體破碎化加強.2000—2015年，DIVISION小幅增大并趨于穩(wěn)定，表明研究區(qū)景觀整體破碎化略有加強，斑塊的細化程度亦小幅增加.

4 景觀格局變化特征驅(qū)動機制分析

4.1 自然因素

4.1.1 氣溫變化

氣溫升高對世界濕地的面積和質(zhì)量有著重要的決定作用，經(jīng)研究氣溫越高濕地面積越小，反之，低氣溫有利于濕地的發(fā)育.氣溫升高，水面蒸發(fā)量和植物蒸騰量亦會升高，土壤吸收熱量增多，土壤水蒸發(fā)加劇，濕地環(huán)境遭到嚴重破壞.綜合分析，氣溫是制約濕地發(fā)育的最基本因素，研究期間研究區(qū)氣溫波狀上升1.8 ℃，從2000年平均氣溫3.3 ℃升至2015年平均氣溫5.1 ℃，如圖3所示.氣溫的升高使飽和水汽壓升高，蒸發(fā)量增加，濕地水量和濕地補給水量均減少，進而濕地面積減小，質(zhì)量下降.氣溫升高會引起濕地水文特征改變，濕地水位下降，調(diào)節(jié)徑流能力減弱.濕地的能量平衡受土壤溫度影響，土壤氣溫升高會使?jié)竦匮雌诳s短，枯水期時間增長，水位下降，進而導致濕地生態(tài)系統(tǒng)失衡[11].

圖3 2000—2015年研究區(qū)年平均氣溫Fig.3 Annual average temperature in the study area from 2000 to 2015

4.1.2 降水變化

濕地水文特征深受補給水源影響，大部分地區(qū)濕地補給水源以降水為主，因而降水多的年份濕地面積呈擴大趨勢，降水少的年份濕地面積減少，降水量的多少直接影響著濕地的面積變化.保護區(qū)濕地徑流主要來自大氣降水和地下水，地下水補給相對比較穩(wěn)定，因此大氣降水對保護區(qū)濕地面積變化影響更明顯.且研究區(qū)位于溫帶季風氣候區(qū)，降水集中在夏季，且年際、季節(jié)變化大，濕地補給水源的變化明顯地影響和改變濕地面積.2000—2015年，研究區(qū)降水量呈減少趨勢，如圖4所示[12-13].

圖4 2000—2015年研究區(qū)年平均降水量Fig.4 Annual average precipitation in the study area from 2000 to 2015

4.1.3 植被變化

研究區(qū)內(nèi)除濕地景觀外，森林對保護區(qū)生態(tài)環(huán)境同樣起到重要維持作用.森林與濕地不是獨立存在的，二者間物質(zhì)與能量的交換共同維持著保護區(qū)的生態(tài)平衡.森林繁茂，樹冠密集，截留降水增多，高森林覆蓋率可以增加下滲，復雜的森林系統(tǒng)具有發(fā)達的根系，可以較好的固定土壤，減輕水土流失，因此森林同樣具有保護濕地的重要作用.經(jīng)濟發(fā)展需求日益膨脹，不合理的人為活動使保護區(qū)內(nèi)植物群落演替加快，天然林的毀壞導致植被結(jié)構(gòu)變化，樹冠密度的下降致使植被截留水分能力下降，根系密度改變使土壤下滲能力減弱.加強植被的保護，可提高植被對水文的調(diào)節(jié)作用，利于保護濕地系統(tǒng)，對濕地的面積和質(zhì)量變化有著重要的影響.

4.2 人為因素

4.2.1 耕地變化

耕地的變化不僅僅是耕地數(shù)量的增長或減少，更多的體現(xiàn)在耕地質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，對比上次土地普查，敦化市耕地結(jié)果明顯發(fā)生改變.當?shù)刂?、高產(chǎn)田面積不斷擴大，低產(chǎn)田面積大幅降低，耕地質(zhì)量得到較大提升，政府根據(jù)實際情況評估土地，宜耕土地制定合理的耕作方式，不適宜的土地退耕還林還草，恢復其自然演替.耕地質(zhì)量的轉(zhuǎn)化實際是土壤質(zhì)量的上升，土壤結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定有利于改善耕作區(qū)的水文狀況，對濕地生態(tài)環(huán)境平衡的維持具有深遠影響[14].

4.2.2 居民點變化

2000—2015年農(nóng)村居民點面積不斷擴大，研究期間農(nóng)村居民點由3.970 km2，擴大到6.343 km2，擴大了45%，占研究區(qū)比例顯著上升；2005—2010年，灘地、水庫坑塘和沼澤地向農(nóng)村居民點分別轉(zhuǎn)移3.06%、2.58%和1.25%；2010—2015年，灘地、沼澤和水庫坑塘分別向農(nóng)村居民點轉(zhuǎn)入，同時濕地景觀不斷向農(nóng)村居民點轉(zhuǎn)換，但濕地各景觀類型向居民點轉(zhuǎn)入的強度不同.濕地景觀向居民點的轉(zhuǎn)入會導致濕地面積的減少，居民點的擴大，人為活動的增強會對各類濕地景觀的面積和質(zhì)量產(chǎn)生直接或間接的影響[15-16].

4.2.3 旅游業(yè)

雁鳴湖自然保護區(qū)地理位置優(yōu)越，交通便利，附近旅游資源眾多，景觀集群狀況好，與周圍景區(qū)互補性強，作為生態(tài)體驗游的目的地，對周圍城市客源吸引力大.為推動區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，當?shù)卣e極發(fā)展生態(tài)旅游，旅游業(yè)的發(fā)展會帶動基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時要盡可能少的破壞自然景觀，減少對自然環(huán)境的干擾.旅游業(yè)的繁榮吸引大量游客，游客的數(shù)量與自然環(huán)境承載力相適應(yīng)，超過自然承載力會對環(huán)境造成破壞.為推進旅游業(yè)可持續(xù)發(fā)展，當?shù)卣雠_了相應(yīng)的法令法規(guī)，對景區(qū)內(nèi)的服務(wù)個體進行審查，減少不利于景區(qū)良性發(fā)展的企業(yè)，在提高旅游服務(wù)能力的同時，更加注重旅游服務(wù)的環(huán)保.為推進生態(tài)旅游的建設(shè)，設(shè)立相關(guān)管理部門，加強對景區(qū)的管理和保護，對破壞濕地、毀壞植被、捕殺動物等行為進行嚴格的管理和處罰.生態(tài)旅游的開發(fā)提高了人們對濕地景觀的重視，有利于濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復.研究期間保護區(qū)濕地景觀面積有所增大，質(zhì)量有所提升[17].

5 結(jié)論

通過對雁鳴湖保護區(qū)四期遙感影像解譯，得出景觀演變趨勢并進行分析.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與2000年相比，2015年濕地景觀比例上升，非濕地面積占比下降，但各景觀變化幅度明顯不同.基于景觀指數(shù)分析得出：研究時段內(nèi)研究區(qū)景觀類型豐富度下降，破碎化程度降低，研究區(qū)景觀優(yōu)勢度趨于穩(wěn)定，大斑塊不斷分裂成小斑塊，斑塊離散程度和形狀復雜程度有所增加.保護區(qū)濕地面積較大，質(zhì)量高，類型多樣，在景觀類型上，本文分為12個二級分類，對濕地景觀的解譯為：河渠、湖泊、水庫坑塘、灘地、沼澤和水田.在后續(xù)研究中可將濕地類型進一步細化為：灌叢沼澤、森林沼澤和草本沼澤等，濕地景觀類型的細化可以更加具體地反映研究區(qū)域的濕地系統(tǒng)組成和演化.本文研究區(qū)面積狹小，數(shù)據(jù)選取30 m分辨率，精度仍存在一定誤差，在后續(xù)研究中，可選更高分辨率遙感影像進行解譯，提高對地物的辨識水平，減小解譯誤差，從而減小后續(xù)驅(qū)動力分析誤差.