2000—2014年子牙河流域湿地景观格局演变及驱动力分析❋

胡 娟， 马安青， 马冰然

(中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛266100)

2000—2014年子牙河流域湿地景观格局演变及驱动力分析❋

胡 娟， 马安青， 马冰然

(中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛266100)

选取子牙河从东到西3个具有时空代表性的湿地，分析子牙河流域湿地景观格局的变化及变化的驱动机制。利用2000、2004、2009和2014年子牙河流域4个时期的遥感影像数据，运用ENVI、ArcGIS和FRAGSTATS等软件，构建转移矩阵，判断湿地的由来和去向,定量化景观格局指数。结果表明：东部，人工湿地被围填占用，大面积减小，自然湿地和非湿地面积增加，主要是由海域和人工湿地转入；水田、沼泽湿地的破碎化最为严重，主要是城镇村等的人类建设活动导致的景观破碎化。中部，耕地、城镇村及工矿用地与湿地类型的相互转变最显著，人工湿地增加，自然湿地减小；湖泊湿地的破碎化最严重，人类活动较弱，自然因素(降雨量)是该区域的主导因素。西部，自然湿地和人工湿地面积变化较小，湿地景观破碎化较小。东部人类开发强度最大，受到人类干扰最大，中部破碎化程度最强，西部破碎化最小。

遥感影像；子牙河流域；湿地；景观格局

湿地是水陆交互作用形成的自然综合体，不仅具有最丰富的生物多样性，而且还是人类最重要的生存环境之一[1]，具有调蓄洪水、净化水质等生态功能，对地区、区域乃至全球的气候变化、经济发展、人类生存环境都有着重要的影响，对维护区域生态平衡和生境安全、维持生物多样性等方面发挥着巨大的作用[2]。湿地景观格局是湿地应对外界扰动进行响应的主要表现方式，研究湿地景观格局变化及其驱动机制对于探索湿地生态环境质量及其演变具有重要的意义。

子牙河水系是海河流域的重要组成部分，近年来海河流域生态环境面临着诸多困扰，水质恶化、水资源枯竭、湿地严重退化、人地关系紧张等[3]，这些矛盾在子牙河流域表现得尤为突出，因此研究子牙河流域的生态环境质量及其演变特征对于揭示整个海河流域的生态环境质量都具有一定的意义。目前国内学者主要集中研究子牙河流域的北大港湿地动态变化，南大港湿地动态变化，衡水湖国家级自然保护区湿地景观格局的变化以及岗南、黄壁庄水库的水质、水量变化[4-9]，没有在比较大的尺度上探索子牙流域湿地景观格局变化，以及各种变化的驱动机制。本文选取子牙河从东到西3个重要的、具有时空代表性的湿地景观，能依次代表滨海湿地、湖泊湿地、人工湿地景观，以此来反映子牙河流域的湿地景观格局的变化特征，以及3个重要湿地景观之间不同变化的驱动机制。在遥感和地理信息系统技术的支持下，探讨地物之间的相互转化，用景观生态学的各项指标定量化研究湿地景观格局的变化特征，通过对自然因素和人为因素的探索揭示研究区域景观格局变化的驱动力。

1 研究区概况

研究对象由子牙河东部滨海湿地、中部湖泊湿地、西部人工湿地组成。子牙河东部滨海湿地由团泊洼湿地自然保护区、北大港湿地自然保护区和南大港湿地保护区及其周边地物组成(见图1中标号“A”)，属暖温带大陆性季风气候[10]。北大港湿地具有多种湿地类型的特征，生物多样性最为丰富，被国际湿地专家认定为是一块达到国际“重要意义湿地”标准的湿地[11]。南大港湿地是鸟类迁徙的重要中转站，其湿地保护区内湿地保持着较为原始的状态，物种丰富[12]。子牙河中部湖泊湿地由衡水湖国家自然保护区及其周边地物组成(见图1中标号“B”)，属于暖温带大陆性季风气候，鸟类南北迁徙不同路线的重要交汇区，同时也是华北平原唯一一个由水域、沼泽、滩涂、林地、草地等多种生境类型组成的完整内陆淡水湿地生态系统。

子牙河西部人工湿地由港南水库、黄壁庄水库及其周边地物组成(见图1中标号“C”)，黄壁庄、岗南水库是滹沱河中下游的两座梯级大型水库，岗南水库总库容 17.04 亿m3，其下游 28 km 处为黄壁庄水库，总库容 12.1 亿 m3，黄壁庄、岗南水库联合控制流域面积 23 400 km2，占滹沱河流域面积的95%。两座水库功能以防洪主，兼俱工农业、城市生活用水等[13]。

图1 子牙河流域重点关注区域示意图

2 数据源及研究方法

2.1 数据源

遥感影像 2000、2004、2009和2014年子牙河流域从东到西3个区域8、9月份的Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像数据，夜光遥感影像(F152000，F152004，F162009，F182013)(http://ngdc.noaa.gov/eog/)。

非遥感数据 国家标本平台提供的1:1 000 000中国植被类型图，为了便于野外调查，突出研究重点，确定子牙河水系图，根据国家气象局提供的降水量获得3个区域2000—2014年14年的平均降水量，2014年7、8、9月份对研究区域进行野外调查。

2.2数据处理

2003年后的ETM数据去条带，采用控制点校正方式进行几何精校正，配准精度在1个像元内，辐射定标，FLAASH大气校正，确定研究区域。按照《湿地公约》、《全国湿地资源调查技术规程》的湿地和非湿地的类型进行分类，湿地分为：自然湿地(河流湿地，沼泽湿地，湖泊湿地，滩涂)、人工湿地(水塘，水库，水渠，水田，盐田，养殖水面)。非湿地分为：草地，城镇村及工矿用地，道路，耕地。两人同时对关注区域内的湿地进行目视解译，一致率达93%，对于解译不同的区域，结合野外考察及google earth，重新解译，最后拓扑检查。

夜间灯光数据的灰度值在0～63之间，地面分辨率为0.008 3度，分别掩膜提取2000、2004、2009和2013年的3个研究区域，获得研究区的平均灯光强度。

2.3 分析方法

首先生成转移矩阵，探索地物之间的转化。其次，基于Fragstats4.2用景观生态学的各项指标定量化研究湿地景观格局的变化特征。景观格局指数数量众多，但是很多指数相关性较强。Riitter等认为景观类型数目、平均斑块面积、平均面积周长比、分维数、聚集度、平均斑块形状指数即可解释景观格局的87%[14]。因此，本研究选择的景观格局指数包括：斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、斑块占景观面积的比例(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、周长-面积分维数(PAFRAC)、聚集度指数(AI)、Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI)。

由于研究区域难于统计人口、国民生产总值等经济社会因素，夜光数据与国民生产总值(GDP)、人口数量等社会经济因素具有很强的相关性[15-16]，由此引入夜光影像数据来反映人口、国民生产总值等社会因素。

3 景观格局的转化

3.1 2000—2014年团泊洼、北大港、南大港及其周边湿地转化分析

从统计数据来看(见表1)，人工湿地面积在2000—2004年增加，2004—2014年不断缩减，减少了57.76 km2。由景观转移矩阵(见表1)可知，人工湿地主要是被填埋用于城郊等非湿地建设，水田向城镇村及工矿用地转出的面积为59.83 km2，向耕地转出的面积为21.66 km2；盐田向城镇村及工矿用地转出的面积为11.62 km2；养殖水面转出为城镇村及工矿用地的面积为14.44 km2。人工湿地也有部分转出为自然湿地，其中水库转入沼泽湿地的面积为18.71 km2，主要是因为水库本身较浅，渗漏量和蒸发量较大，没有引黄水的定期补给，导致水库大部分被植被覆盖，具有“沼泽湿地”的属性，水库水面的变化就会引起水库和沼泽湿地之间的转化；水田转入沼泽湿地的面积为13.37 km2。

自然湿地的面积由2000年的244.84 km2增加到2014年的274.01 km2。由景观转移矩阵(见表1)可知，自然湿地主要是由海域转入，海域向滩涂转入的面积为65.82 km2，向沼泽湿地转入的面积为49.33 km2。

人工湿地也有部分转入自然湿地，非湿地也有部分退还为自然湿地，其中耕地退还面积最大，却仅有5.40 km2的耕地退还。

自然湿地主要由海域转入，非湿地由2000年的1 675.63 km2，增加到2014年的1 675.63 km2，主要由人工湿地转入。

3.2 2000—2014年衡水湖及其周边湿地转化分析

据统计分析(见表2)，2000—2014年人工湿地面积一直呈现增加的趋势，从1.33 km2增加到3.21 km2。由景观转移矩阵(见表2)可知，水塘由城镇村及工矿用地转入的面积为0.42 km2，由耕地转入的面积为0.34 km2；水田由耕地转入的面积为1.21 km2。由此可知人工湿地主要由城镇村及工矿用地、耕地转入。

自然湿地由2000年的65.81 km2减小到2014年的62.71 km2。由景观转移矩阵(见表2)可知，自然湿地主要转出为城镇村及工矿用地、耕地，其中沼泽湿地转入耕地的面积为1.16 km2，转入到城镇村及工矿用地的面积为0.81 km2；湖泊湿地转入到城镇村及工矿用地的面积为0.24 km2，转入到耕地的面积为0.17 km2；河流湿地转入到城镇村及工矿用地的面积为0.24 km2，转入到耕地的面积为0.17 km2。另外从景观转移矩阵(见表2)可知，自然湿地之间也有转化，湖泊湿地向沼泽湿地有大面积转出，转出面积为12.12 km2，主要是因为湖泊面积小，深度浅，有利于植被生长，使得湖泊向沼泽湿地转化，可见芦苇沼泽在衡水湖中逐渐扩大。

表1 2000—2014年子牙河流域东部湿地转化分析

表2 2000—2014年衡水湖及其周边地物类型转移矩阵

Note：①Town；②Road；③Cultivated land；④River；⑤Lake；⑥Woodland；⑦Pond；⑧Paddy field；⑨Unused land；⑩Marsh

耕地、城镇村及工矿用地与湿地类型的相互转变最显著，人工湿地主要由城镇村及工矿用地、耕地转入，自然湿地主要转出为耕地、城镇村及工矿用地，在2000—2014年非湿地面积有216.15 km2增加到217.37 km2，增幅不大。

3.3 2000—2014年岗南、黄壁庄水库及其周边湿地转化分析

表3 2000—2014年岗南、黄壁庄水库及其周边地物类型转移矩阵

Note：①Town；②Road；③Cultivated land；④River wetland；⑤Woodland；⑥Pond；⑦Paddy field；⑧Unused land；⑨Marsh

该区域湿地面积较小，其中人工湿地面积所占比重较大，在这10年先增加后减小最后趋于平稳，在2004年面积达到最大，主要是因为岗南黄壁庄水库都只在一侧建有堤坝，降水量的增加使得水库面积增大，人工湿地也有部分是由自然湿地转入，沼泽湿地转入库塘的面积为5.42 km2。

自然湿地面积最小，在2004年达到最低，之后呈上升趋势，其中河流湿地主要是与沼泽湿地、耕地发生转化，在2000—2009年下降，在2009—2014年有所回升，主要是由耕地(2.55 km2)和沼泽湿地(1.71 km2)转入；沼泽湿地面积在2004年最小，之后有所回升，主要是因为水库水面的变化使得沼泽湿地转化为水库，这与该区域的降水息息相关，除此之外，沼泽湿地由非湿地转入的面积也较大。

4 景观格局指数分析

4.1 斑块类型水平上的景观格局指数分析

4.1.1 团泊洼、北大港、南大港及其周边地区景观格局指数分析 如图2，子牙河东部滨海湿地，即TBN，人工湿地类型最多，所占的景观面积较大，水渠的PLAND指数有增加的趋势，主要是因为随着人口的不断增长，开垦的耕地面积不断增加(见表1)，降雨量不断减小，所以水渠面积增加，斑块数量NP先增加后略微减小。最大斑块指数LPI基本不变，说明水渠没有破碎化，水渠由于其为线性地物，交织成网状。因此其PAFRAC最大，形状显得复杂。PAFRAC有减小的趋势，说明人类活动越来越有规划。水渠的聚集度AI最小，主要是因为水渠呈线状遍布整个研究区域而不是以团块状出现，相邻接的边长较小。水塘、盐田、养殖水面、水库的分维数PAFRAC变化较大，其他的指数变化均较小。水库的PAFRAC不断增加，这主要受降水量的影响，随着降水量的不同，水库水面会发生变化。养殖水面的PAFRAC在2004年大幅度减小，盐田的PAFRAC有增加的趋势。水田所占的景观面积仅次于水渠，其PLAND指数有大幅度减小，斑块数量NP不断增加，最大斑块指数LPI大幅度减小，聚集度指数AI也在不断地减小，说明水田的破碎化在不断加剧，在一定程度上水田的各生态系统之间的功能联系断裂，生物生境不断丧失或退化，不利于维持生物多样性。

自然湿地所占景观面积较小，其中沼泽湿地的PLAND指数最大。2004—2014年沼泽湿地的PLAND指数基本没有变化，斑块数量NP不断增加，最大斑块指数LPI呈现减小的趋势。聚集度指数AI也在不断减小，说明沼泽湿地破碎化的同时，连接度也在不断减小。滩涂的PLAND指数不断增加，斑块数量基本没有变化。最大斑块指数在2014年大幅度增加，聚集度指数也在不断加大，说明滩涂没有破碎化。

图2 团泊洼、北大港、南大港景观格局指数变化

4.1.2 衡水湖及其周边地区景观格局指数分析 对于子牙河流域中部的湖泊湿地，与东部相反，自然湿地所占景观面积的比例远远大于人工湿地，其中河流湿地>沼泽湿地>湖泊湿地>水塘>水田，湖泊湿地所占景观面积呈下降趋势，但是斑块数量NP不断增加，其最大斑块指数LPI减小，说明湖泊湿地越来越破碎化，这与衡水湖上道路的建设、湿地植被的生长，降水量变化均有关系。湖泊湿地的聚集度指数AI也在不断减小，说明湖泊湿地的破碎化在朝向退化的方向发展。水塘、水田的PLAND指数不断增加，说明该区域在不断被开发，人类活动越来越剧烈。

4.1.3 岗南、黄壁庄水库及其周边湿地景观格局指数分析 从图4看出，子牙河流域西部的人工湿地水库所占景观面积比例最大，为该区域的优势景观类型，水库的PLAND指数、最大斑块指数LPI在2004达到最大，之后迅速减小。水库在2009—2014年各项景观指标的变化均较小。水塘、水田的各项景观指标的变化也均较小。

河流湿地的PLAND指数有减小的趋势，斑块数量NP有大幅度增加，最大斑块指数LPI不断减小，聚集度指数AI减小，PAFRAC变化很小，主要是因为河流河道干涸，出现断流。2004—2014年沼泽湿地的PLAND指数增加，斑块数量NP增加，最大斑块指数LPI增加，分维数PAFRAC也呈现增加的趋势，聚集度指数不断减小，这主要与水库水面、河流的变化有关。与子牙河东部和中部相比，该区域分维数最小，形状较为规则。另外，该区域各湿地景观斑块的分维数PAFRAC变化较小，说明该区域在2000—2014年人类活动最小。

4.2 景观水平上的景观格局指数分析

由表4可知，子牙河东部区域，PAFRAC较小且有下降趋势，说明该区域受人类的干扰较大并且仍在向着干扰增强的方向发展；景观多样性指数呈现上升趋势，说明斑块的异质性提高，且从2009—2014年提高幅度较大，说明这一段时间的开发强度较大，斑块受到的扰动较大；斑块均匀度提高，说明关注区域内优势景观数量减小，主要类型的景观变得越来越不明显；斑块聚集度AI下降，说明景观的连接度减弱，破碎化程度加剧。

子牙河流域的中部，由表4可知，PAFRAC较子牙河东部大，并且在缓慢增大，聚集度AI大幅减小，由2000年的95减小到2014年的93.78。说明子牙河中部区域的破碎化程度最大。

子牙河流域的西部，由表4可知，与其他两个区域相比，该区域的PAFRAC值最大，并且在不断增加，说明该区域的斑块形状不规则，人类活动在不断减缓；景观多样性随时间逐渐增加，异质性变强，复杂度提高；均匀度增大，说明优势景观逐渐消失；聚集度减小，说明该区域景观有破碎的趋势。

图3 衡水湖及其周边景观格局指数变化

图4 岗南、黄壁庄水库及其周边湿地景观格局指数变化

年份YearPAFRAC①SHDI②SHEI③AI④团泊洼、北大港、南大港及其周边TheTuanBowa、BeiDaGang、SouthDaganganditssurroundings20001．25272．00290．722497．307120041．25262．0560．741696．905320091．2462．07990．750296．652420141．23992．19560．791996．0607衡水湖及其周边TheHengshuiLakeanditssurroundings20001．28141．32920．577395．004920041．28271．34360．583594．681820091．2881．34140．582694．427820141．29091．39970．607993．7842岗南、黄壁庄水库及其周边TheGannan、Huangbizhuangreservoiranditssurroundings20001．29011．36830．594296．358520041．28291．36860．594496．327520091．30911．38890．603295．277420141．31141．44630．628194．7305

注：①用大面积分维数；②多样性指数；③均匀度指数；④聚集度指数

5 湿地景观格局的驱动力分析

影响景观格局变化的因素主要有自然因素和人为因素。研究区域内有3种不同类型的湿地景观，自然条件不同，受人类影响的强度也不相同，因此这三种景观格局的驱动机制也会不同。

子牙河东部湿地，据统计景观变化最大的为浅海水域转滩涂，主要是由于河口的自然淤积作用形成的，滩涂面积不断增加，为养殖业、盐田、水田提供了必备的生产条件，为人类的城镇村等的建设活动(特别是围海造陆、沿海工业、港口用地开发)提供了实施的平台。城市建设拓展迅速，城镇村及工业用地从2000年的286.32 km2增加到2014年431.57 km2，平均夜光强度(见表5)由9.65°增加到2014年的25.94°，由此可以看出该区域的人类活动剧烈，与人为因素相比(见图5)，降雨量总体上看变化不明显，因此可以看出人类活动是引起该区域景观格局变化的主导因素。

图5 2000—2014年子牙河三个湿地的降雨量

子牙河中部人类活动较弱，平均夜光强度(见表5)增加缓慢，城镇村等的建设活动较少，国民生产总值GDP增加缓慢。景观破碎化主要受自然条件的影响，通过统计2000—2014年14 a的气象历史资料，降水量不断减少(见图5)，在全球不断变暖的大背景下，蒸发量增大，实地考察发现河道干涸现象严重，出现了断流，自然环境的变化是造成子牙河中部湿地退化的一个重要原因。

表5 2000—2014年子牙河流域三个研究区域的平均夜光强度

子牙河西部区域，景观破碎化程度最小，虽然城镇村等的建设活动在不断增加，但是平均夜光强度(见表5)基数小，且增加缓慢，说明人类活动控制在了一个合理的范围内。但是降雨量的不断减少，全球气温的不断升高，促使子牙河西部区域的湿地景观出现了破碎化的倾向。

6 结果与讨论

本文通过研究子牙河流域从东到西3个重要的有时空代表性的湿地景观来探索子牙河流域的湿地景观的变化以及引起变化的驱动机制，利用RS和GIS技术，运用景观生态学原理，探索湿地景观的来由和去向，并分别在斑块水平和景观水平上对子牙河流域的湿地景观格局变化进行研究。结果显示：

(1)东部团泊洼、北大港、南大港及其周边的湿地景观类型最多，人工开发强度最大，破碎化强度也最大，其中沼泽湿地、水田的破碎化最为严重，连通性不断减小，最大斑块数减小，优势景观越来越不明显，均匀度增强。人工湿地被填埋用来发展非湿地，自然湿地和非湿地的面积增加，主要是由海域和人工湿地转入。

(2)中部衡水湖及其周边地物整体上破碎化加强，其中湖泊湿地的破碎化最为严重，这与其相互交织的道路、植被和沼泽有关，湖泊被分割的越来越破碎化，景观多样性和均匀度增强。人工湿地开发程度低，面积小，数量少。耕地、城镇村及工矿用地与湿地类型的相互转变最显著，人工湿地主要由城镇村及工矿用地、耕地转入，自然湿地主要转出为耕地、城镇村及工矿用地，非湿地面积增加，增幅不大。

(3)西部岗南、黄壁庄水库及其周边景观整体上受人类活动影响较小，破碎化程度最小，自然湿地和人工湿地面积变化较小。

总之，在对湿地进行恢复保护的同时，首先要确定湿地减少的原因，针对不同的原因确定不同的方法。对于子牙河东部，在恢复自然湿地景观时，要合理调配各种用地类型的用地规模和比例，增强各类湿地类型之间的连通性，注意保持廊道之间的畅通，湿地恢复的同时要注重连性，防止破碎化。对于中部湿地，应千方百计调水，分析周边水资源形势，确定科学的调水方案，加强对湿地的补水量，缓解自然因素的影响，如降水量的不断减小，温度的不断攀升，蒸发量增大，导致该区域湿地景观破碎。

此外需要加强湿地管理力度，湿地的管理和保护是一项长期的工作，不断完善法律法规，加大保护湿地的力度。

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Abstract: This paper studied the landscape pattern changes of the Ziya River wetland and the driving mechanism by choosing three typical wetlands in temporal and spatial from east to west. By using the satellite data of the three wetlands of the Ziya River Basin in the 2000, 2004, 2009, 2004 respectively and the ENVI, ArcGIS and FRAGSTATS software, we constructed the transition matrix to determine the origin and fate of the wetlands and calculated the index of the landscape pattern to represent the conversions of the Ziya River wetlands. The conclusions are as follows: In the eastern region of the Ziya River, the artificial wetland decreases through a reclamation, the area of the natural wetland and non-wetland increased, which mainly transformed from sea area and the artificial wetland; the fragment of the paddy field and the marsh wetland were inclined to be worse，the fragmentation of landscape in the region is caused by human construction activities. In the central regin of the Ziya River, the exchange between the cultivated land、village and town industrial and mining land and the wetland types is most significant, the area of the artificial wetland increased, and the natural wetland reduced, the fragment of the lake wetland is the most serious, and natural factors (such as rainfall) is the dominant factor affecting the change of the landscape in the region. In the western part of Ziya River, the increasing of the natural wetland and artificial wetland area is small, the wetland landscape inclines to fragment, but it’s small. The east part had the largest patch density and suffered the largest human disturbance. The fragmentation leval of the west part is smallest, and the central part is the most fragmentation.

Key words: satellite data; Ziya River Basin; wetland; landscape pattern change

责任编辑 庞 旻

The Evolution and Driving Force of the Landscape in the Wetland of Ziya River in 2000—2014

HU Juan, MA An-Qing, MA Bing-Ran

(College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

“海河南系子牙河流域下游湿地生态关键技术”项目(931407022)；“胶州湾黄色物质与叶绿素物质卫星数据反演方法的确定研究”项目(201610423355x)；河口湿地高分遥感精细分类技术与系统集成调试研究合同项目(911396017)资助 Supported by Key Techniques of Wetland Ecosystem in the Lower Reaches of Ziyc River Basin of Haihe River(931407022);Study on the Determinction of the Sateuite Data Inversion Method of Yellow Substance and Chlorophy in Jiaozhou Bay(201610423355x);Estuary Wetlands High Resolution Remote Sensing Fine Classification Technology and System Integrated Debugger Research Contracts(911396017)

2016-03-30;

2016-10-08

胡娟(1987-)，女，硕士，研究方向为环境规划与管理。E-mail:hujal1222@163.com

X37

A

1672-5174(2017)09-110-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160104

胡娟， 马安青， 马冰然. 2000—2014年子牙河流域湿地景观格局演变及驱动力分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(9): 110-118.

HU Juan, MA An-Qing, MA Bing-Ran.The evolution and driving force of the landscape in the wetland of the Ziya River in 2000—2014[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(9): 110-118.