辽河口湿地景观格局变化特征与驱动机制分析*

陈 爽,马安青,李正炎

(中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛266100)

辽河口湿地景观格局变化特征与驱动机制分析*

陈 爽,马安青**,李正炎

(中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛266100)

在GIS/RS技术与景观格局分析软件FRAGSTATS的支持下,利用1988、1995、2001和2007年的4期TM遥感影像数据,对辽河口地区的湿地景观格局的动态变化特征进行了定量分析。结果表明:自1988年以来,辽河口地区的湿地类型发生了重大变化,主要表现在大量的自然湿地转化为人工湿地或人工景观,具体表现在转化为建筑用地、水稻田、养殖区。驱动力分析表明:年平均气温升高,降水量的减少是导致辽河口地区湿地变化的主要自然因素;人口的急剧增长,经济开发等人类干扰是引起变化的主要驱动力。

湿地;景观格局;景观变化;辽河口;驱动力

湿地景观生态系统是地表重要的土地覆被类型,由于其独特的地理位置和空间分布特征及其特殊的环境功能而表现出整体性的特征[1]。湿地特别是受城市发展影响大的湿地,成为被人类利用强度最高、影响和破坏最为严重的自然景观类型之一。通过对湿地景观格局的研究可以更好地理解生态学过程,通过分析景观格局随时间的变化可以反映景观生态过程,揭示景观演替的机制和规律,进而预测景观的变化趋势,最终实现资源的可持续利用。随着湿地科学研究的不断发展,近年来湿地环境演变和景观格局的变化研究已经成为景观生态学的研究热点和重要研究领域[2]。其中对于滨海湿地景观的动态变化研究已成为国内外专家探求的热点问题之一[3-5]。

辽宁省是中国东北地区唯一的沿海省份,沿海岸线分布有丰富的滨海湿地资源,尤其是辽河三角洲一带,因滨海湿地分布集中,类型多样,人为扰动强烈,近年来已成为滨海湿地景观演变研究的热点地区。国内学者王宪礼、肖笃宁等都曾利用遥感和地理信息系统技术对辽河三角洲湿地的景观格局,景观破碎化程度以1986—1994年的景观变化进行过较系统地研究,揭示了湿地景观格局的变化程度及其与人类活动的关系[6-8];还有学者进一步就辽河三角洲湿地景观格局对养分去除功能的影响进行了空间模拟,从而为进行以污染治理为核心的景观规划提供了理论依据[9];一些学者还通过对辽东湾滨海湿地资源近年来景观演变的研究,分析了区域经济发展及湿地生境自然演变对生态环境的影响[10]。徐玲玲等人对盘锦湿地近20 a的动态变化进行了研究[11],但是利用遥感和地理信息系统等最新技术揭示辽河口地区湿地从1980年代至2007年的长期变化过程的研究尚不多见[11-14]。进入二十一世纪以来,由于可持续发展观和科学发展观在当地生态环境管理和社会经济发展方面的应用,以及辽河口地区社会经济的加速发展,辽河口地区生态环境质量水平较1990年代又有了不小的变化。本研究利用遥感和GIS技术,通过景观格局分析方法,力图揭示辽河口地区在1988—2007年近20 a间,湿地生态环境质量的演变轨迹,同时结合多年的气象资料从温度、降雨量等气象因素以及人为活动的干扰等方面阐述了辽河口湿地的变化成因,使得当地政府部门能够清楚地认识到这期间所采取的保护措施是否取得了预期的成效以及今后还需解决的问题,从而提高辽河口地区的生态环境质量水平,使湿地资源可持续利用,以达到经济效益、社会效益、生态效益的同步发展。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

研究区地处40°40′N～41°01′N,122°05′E～122°26′E。辽河流经海城、盘山、大石桥、大洼、营口等市县,穿行于辽河中下游区的近海地带,沿岸属于滨海与堆积平原,地势平坦,海拔在3～10 m之间,气候属于暖风带季风气候,年平均气温8.0℃,年均降水量620～730mm,冬季盛行东北风,夏季盛行西南风。

辽河口地区属于东北亚经济圈黄金地段,经济区位优势显著,经济社会发展水平居辽宁省前列,人类活动对环境质量的变迁影响显著。本研究选取盘锦市和营口市地区作为研究范围,后面的计算和分析都以此为对象。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及处理 本次采用了1988、1995、2001和2007年4期的Landsat-TM影像,根据野外调查与地形图,各类型遥感数据的波段统计特征及假彩色合成效果,利用ArcGis和ERDAS对数据经过几何纠正,坐标转换和增强处理后,使图像达到最好的效果,建立解译标志进行了目视解译,并且借助FRASTATS软件对研究区域进行计算获取该区景观空间格局的动态特征。将该区域的湿地类型图在ArcMap里空间分析模块下生成30 m×30 m的栅格数据,并将4个时期的栅格图分别两两叠加,得到了20 a间辽河口湿地类型变化图。

1.2.2 景观类型划分 以我国土地利用现状分类系统为依据,结合研究区域的水文地貌特征,将研究区划分为水稻田、芦苇地、库塘、养殖区、滩涂、翅碱蓬、建筑用地等类型。

2 结果分析

2.1 湿地景观类型的面积变化分析

运用FRAGSTATS景观格局分析软件对4期的湿地类型面积进行了计算,得到如表1所示的结果。表2为近20 a辽河口不同湿地类型的面积变化值及其变化速度。为了更加方便直观地分析各种类型面积的变化,绘制了不同湿地类型的面积比例随时间变化图(见图1)和面积变化率图(见图2)。

表1 辽河口湿地类型面积时间变化Table1 The area of wetland types in Liaohe

表2 湿地类型面积变化值Table 2 The area changes of wetland types

图1 不同湿地类型的面积比例随时间变化比较图Fig.1 The changes of area percent with time for wetland types

图2 不同湿地类型的面积变化率比较图Fig.2 The rate of area changes of different wetland types

辽河口地区的水稻田面积从1988—2007年间稳步上升,并且在研究区域中占有较大的比重,在1988—1995年间增加速度非常快,随后增速减缓。芦苇田面积在1988年占有较大的比重33.8%,但是到1995年期间其面积急剧骤减,随后又呈现逐渐增加的趋势。近20 a间翅碱蓬面积在逐年减少,到2007年只占研究区总面积的很微小的一部分。滩涂面积在1988—1995年变化最明显,以较快的速率迅速增加,2001年以后几乎没有变化。养殖区面积呈现稳步升高的趋势,而且变化速率由18.04%增加到46.27%,增长速度快,随后几年增加速度有所减缓。库塘面积在1988—1995年间变化幅度最大,到1995年占据研究区域最大的比重,2001到2007年间所占比重有所降低。建筑用地面积在1995到2001年间以较大的变化率增加,随后几年变化不大。通过分析比较得到:1988—2007年库塘面积变化最显著,而且扩大的比例最大;翅碱蓬面积缩小的最明显;芦苇田面积变化最不稳定;水稻田、养殖区、建筑用地和滩涂的面积则呈现逐年增加的趋势。

2.2 湿地景观类型的转换特征分析

湿地景观在数量上的变化反映了其演变的基本特征,而湿地景观各要素尤其是主要景观类型的转化过程更能表现湿地景观演变的方向、速度和空间差异,并且易于从中分析引起这种演变的驱动因子。本文利用ArcGIS中GRID模块的空间分析功能分别将1988,1995,2001,2007年的辽河口湿地景观类型图两两进行叠加计算及统计整理,得到湿地类型之间的转移矩阵表(见表3～5)。

表3 1988和1995年湿地类型转移矩阵Table 3 The transfer matrix of wetland types in 1988 and 1995

表4 1995和2001年湿地类型转移矩阵Table 4 The transfer matrix of wetland types in 1995 and 2001

表5 2001和2007年湿地类型转移矩阵Table 5 The transfer matrix of wetland types in 2001 and 2007

分析湿地类型面积转移矩阵表3～5得到1988—2007年辽河口地区湿地类型转化的总体情况:建筑用地的增加部分主要来自水稻田、芦苇田和滩涂的转化,其减少的部分较少;养殖区的增加主要来自水稻田的转化,而同时养殖区中也有大部分转化为水稻田;水稻田的增加主要来自养殖区和芦苇田的转化;芦苇田的增加主要由水稻田、滩涂和养殖区的转化。

总的来说,该地区的湿地类型变化主要表现在自然湿地大量转化为人工景观或人工湿地,具体表现在转化为建筑用地、水稻田、养殖区。其中转化为养殖区的部位主要分布在邻近河流、海岸一带;转为水稻田和建筑用地的部位主要在城镇或农村居民地等人口密集地区和靠近养殖的区域;湿地退化为滩涂的部位主要集中在沿海,河流一带。由此可见,人类活动对辽河口地区湿地演变起着关键的作用。

3 湿地景观变化的驱动机制分析

辽河口的湿地景观格局变化的驱动因素主要包括自然因素和人为活动。自然因素主要有气候、地质、地貌、水文、植被、土壤等;人为活动主要表现在人口、经济、政策等方面。自然因素常常在较大的时空尺度上作用于景观,在大的环境背景上控制着湿地景观的变化,而人为活动因素则是在较短的时间尺度上影响湿地的动态变化的主要驱动力。下面结合盘锦和营口地区的近20 a来的气候变化特征和人类活动状况对辽河口的湿地景观变化的驱动机制进行分析。

3.1 自然因素驱动力分析

湿地景观是流域中特殊的景观类型,水是维系其生态结构功能和景观空间特征的支点,是湿地景观内部及景观相互间物质流、能量流和信息流的主要载体,因此流域水环境是促使湿地景观形成和演变的直接动力因素[15]。其中气候因素对湿地景观的变化影响重大。

大气降水是湿地主要的补给水源,降水量的多少直接影响湿地的面积。选取盘锦和营口地区的1990—2008年的年均降水量分别进行了统计分析,得到图3、图4。

图3 1990—2008年盘锦地区年降雨量变化Fig.3 Annual precipition of Panjin area from 1990 to 2008

图4 1990—2008年营口地区年降雨量变化Fig.4 Annual precipition of Yingkou area from 1990 to 2008

分析图3、图4可以看到:1990—2008年期间盘锦和营口地区的年降雨量变化显著,盘锦地区1990—2008年年平均降雨量为613 mm,营口地区的年均降雨量为614 mm,2个地区的年降雨量总体上出现递减的趋势。其中盘锦地区年降雨量的极小值变化不大,但是年降雨量的极大值呈现递减的趋势,尤其在1998年前后这种变化趋势更为明显,1998年以前的降雨量极大值出现在1991年和1994年,降雨量值分别为854、858 mm。1998—2008年期间出现的降雨量极大值接近于19 a来的年均降雨量水平,分别为1998年的692 mm,2005年的634 mm和2008年的639 mm。营口地区年降雨量的极大值也出现递减的趋势,在2001年前后变化趋势显著,2001年以前的极大值出现在1990、1994、1996年,降雨量分别为924、880、842 mm;而2001—2008年期间的极大值出现在2001、2005和2008年,年降雨量分别为677、666、607mm,都接近于年均降雨量水平。

除了降水的影响外,气温的变化也是影响湿地景观变化的重要因素。温度不仅影响植被的种类、生长状况和生物量,还影响地表蒸发和水面蒸发的过程和强度。选取盘锦和营口地区1990—2008年的年均气温资料分别进行了统计分析,得到图5、图6。

图5 1990—2008年盘锦地区年均温度变化Fig.5 Annual mean temperature of Panjin area from 1990 to 2008

图6 1990—2008年营口地区年均温度变化Fig.6 Annual mean temperature of Yingkou area from 1990 to 2008

分析图5、6可以看到:1990—2008年期间盘锦和营口地区的年平均气温总体上有升高的趋势,平均每年分别以0.016℃和0.013℃的速率逐年增加。盘锦地区1990—2001年的年平均气温为9.386℃,2002—2008年的年平均气温为9.626℃。营口地区1990—2001年的年平均气温为9.943℃,2002—2008年的年平均气温为10.293℃。温度的升高,蒸发面的饱和水汽压加大,饱和差增大,加速了蒸发过程。

综合以上所述,辽河口地区的总体的气候变化趋势是降水量减少,气温升高。降水量的减少会降低上游河流径流对湿地水量的补给,降低土壤含水量,加剧干旱程度,最终导致芦苇沼泽的退化。气温的升高会加大地表的蒸发能力,影响湿地面积。总之,就自然因素而言,全球变暖大的背景下导致的气温升高,同时辽河口地区的降雨量减少,是导致湿地面积出现萎缩和退化的主要自然因素。

3.2 人为因素驱动力分析

随着人类社会发展到一定的程度,造成了资源的长期过度消耗,人口的急剧增长导致了沉重的经济压力,进而造成了巨大的生态压力。人类活动的干扰对湿地的影响越来越深刻。本文主要从以下几个方面来分析一下影响辽河口地区湿地变化的人为驱动因子。(1)人口急剧增长。选取盘锦和营口地区作为辽河口地区的研究范围,此地区的总人口数量从1988年的303.2万增长到2007年的360.7万。为了应对人口增长的压力,就会采取相关措施提高单位面积粮食产量,扩大耕地面积。同时由于人口的增长带来了大量的生活污水导致湿地水资源的污染,加快了自然湿地的退化速度。

(2)经济迅速发展。近年来随着人口数量的急剧增长,大量的自然湿地在人类活动的干扰下被逐渐开垦为经济效益较大的人工湿地或人工景观,主要表现在以水田开发、水产养殖为主的农业开发活动,以芦苇造纸、油气开发为主的工业开发活动和交通、城镇居民点等城镇化建设。近现代人类的经济活动及区域开发历史作为一种人类外在的胁迫因子叠加于自然因子之上,加快了湿地环境演变的进程,并使之逐渐偏离原来的自然演化轨迹。

(3)工程建设。为了有效供给农业用水,修建了各种水利设施,造成的后果是湿地景观的生态用水被截留,引起湿地植被的整体退化,生态功能严重受损,水生生物多样性下降,生物生产力降低。

4 结论

(1)辽河口湿地景观类型面积随时间的变化特征主要表现在1988—2007年库塘面积变化最显著,而且扩大的比例最大;翅碱蓬面积缩小的最明显;芦苇田面积变化最不稳定;水稻田、养殖区、建筑用地和滩涂的面积则呈现逐年增加的趋势。湿地景观类型的空间变化特征主要表现在自然湿地大量转化为人工景观或人工湿地,具体表现在转化为建筑用地、水稻田、养殖区,人类活动对湿地的干扰强度增强。

(2)人口的急剧增长,区域经济综合开发等人为活动是影响辽河口地区湿地景观变化的主要驱动力。另外,辽河口地区的“暖干化”趋势即气温升高,降雨量减少,是导致此地区自然湿地退化的重要原因。

随着人口增加,科学技术,社会经济等的全面发展势必会对整个辽河口的变化产生更加深刻的影响,因此保护辽河口湿地景观势在必行。制定湿地开发管理的统一法规,使油气开采,农业开发等经济活动与湿地保护之间协调发展;利用3S技术与计算机技术相结合,建立湿地数据库,便于正确指导湿地资源的可持续开发利用;合理开发湿地资源,使资源的开发强度不超过湿地生境更新及恢复的速度;适当地退耕,重建河岸植被带,以维持湿地的总量平衡。

[1] 刘红玉.湿地景观变化与环境效应[M].北京:科学技术出版社,2004:43-45.

[2] 肖笃宁,胡远满,李秀珍,等.环渤海三角洲湿地的景观生态学研究[M].北京:科学出版社,2001:121-129.

[3] Musacchio L R.Landscape ecological planning process for wetland,waterfowl,and farm land conservation[J].Landscape and Urban Planning,2001,56:142-147.

[4] 傅国斌,李克让.全球变暖与湿地生态系统的研究进展[J].地理研究,2001,20(1):120-128.

[5] 孙广友.中国湿地科学的进展与展望[J].地球科学进展,2000,15(6):666-672.

[6] 王宪礼,布仁仓,胡远满,等.辽河三角洲湿地的景观破碎化分析[J].应用生态学报,1996,7(7):299-304.

[7] 王宪礼,胡远满,布仁仓.辽河三角洲湿地的景观变化分析[J].地理科学,1996,16(3):260-265.

[8] 王宪礼,肖笃宁,布仁仓,等.辽河三角洲湿地的景观格局分析[J].生态学报,1997,17(3):317-323.

[9] 李秀珍,肖笃宁,胡远满,等.辽河三角洲湿地景观格局对养分去除功能影响的模拟[J].地理学报,2001,56(1):32-43.

[10] 肖笃宁,李晓文,王连平.辽东湾滨海湿地资源景观演变与可持续利用[J].资源科学,2001,23(2):31-36.

[11] 徐玲玲,张玉书,陈鹏狮,等.近20年盘锦湿地变化特征及影响因素分析[J].自然资源学报,2009,3(24):483-490.

[12] 李加林,赵寒冰,曹云刚,等.辽河三角洲湿地景观空间格局变化分析[J].城市环境与城市生态,2006,4(19):5-7.

[13] 孙剑,杨德明,李建国.辽河三角洲土地利用时空变化及预测研究[J].华中农业大学学报:社会科学版,2006,61(1):28-32.

[14] 罗宏宇,黄方,张养贞.辽河三角洲沼泽湿地时空变化及其生态效应[J].东北师大学报:自然科学版,2003,35(2):100-105.

[15] 郭跃东,何岩,张明祥,等.洮儿河中下游流域湿地景观演变及其驱动力分析[J].水土保持学报,2004,4(2):118-121.

Landscape Pattern Changes and Its Driving Mechanism of the Wetland In Liaohe

CHEN Shuang,MA An-Qing,LI Zheng-Yan
(College of Environmental Science and Engineerning,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

By using the technology of GIS/RS and FRAGSTATS,the processess of wetland changes in Liaohe in the year of 1988,1995,2001 and 2007 are analyzed,the characteristics of wetland quantity change and wetland landscape pattern’s dynamics and driving forces are also discussed.The historic data sets are derived from 1988,1995,2001 and 2007 Landsat TM images after supervised classification and visual interpretion.The results indicated that since the year of 1988,the wetland types in Liaohe had changed.The changes of wetland types mainly reflected in a large number of natural wetland into artificial wetland or artificial landscape,which specifically reflected in building land,rice fields and aquculture area.Driving factor analyses showed that the main natural factor was the decrease of precipition meanwhile increase of average air temperature.Main human disturbance factors included the sharp increase of population,economic development activities which were the main driving forces in Liaohe.

wetland;landscape pattern;landscape change;Liaohe;driving forces

X87;X171.1

A

1672-5174(2011)03-081-07

辽河河口区大型湿地生态修复关键技术与示范研究项目(2008ZX07208-009);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07526-001-02)资助

2010-04-21;

2010-09-03

陈 爽(1986-),女,硕士生,研究方向为GIS与RS在环境工程中的应用。E-mail:chenshuang191@126.com

**通讯作者:E-mail:maanqing538@yahoo.com.cn

责任编辑 庞 旻