河南省湿地景观格局演变特征研究

申怀飞，陈 琛，王 林

(许昌学院 城乡规划与园林学院,河南 许昌 461000)

湿地是地球生态系统的重要组成部分，具有巨大的环境调节能力和生态价值，在保护物种多样性、消减洪峰和蓄洪抗旱、吸收二氧化碳和调节局部小气候、降解污染物和净化水质等方面发挥着重要作用[1].湿地问题是当今生态学热点问题之一，湿地景观的演变从侧面反映了社会经济的发展，因此，对湿地进行研究可以更好地把握湿地演变的原因和趋势，从而为经济建设提供参考.

国外学者为了满足经济发展的需要较早地开展湿地景观格局的研究，但限于当时的研究条件，大部分研究范围较小，深度也较浅.20世纪80年代以来，RS和GIS技术的巨大进步以及景观生态学的产生并开始应用到湿地景观研究[2]，特别是2001年召开的亚洲湿地大会通过的利用RS和GIS技术进行湿地研究的议题进一步深入推进了对湿地景观格局及其变化的研究，促进了湿地景观格局研究的长足发展，湿地研究的目的从扩展湿地利用转变为关注湿地生态系统的健康与可持续发展[3].

国内湿地景观演变的研究始于20世纪70年代，很多学者运用RS技术做了一些湿地发展的探索，对国内湿地的分类、面积、形成原因以及演变特征进行了探究，对湿地景观有了初步认识[4].RS和GIS技术的成熟推动了国内湿地景观格局研究的快速进步，研究范围扩大到湿地的各个类型中并且深度不断加大.近年来，国内湿地景观研究内容以湿地各类型分布与动态变化为主，逐渐向景观变化的原因及其产生的影响方面扩展，湿地景观格局的研究方法直接体现了“3S”技术与景观格局指数统计的结合[5].

河南处于亚热带和暖温带之间，气候类型为湿润半湿润季风气候，湿地为常见的内陆型湿地[2]，湿地种类多、分布广、总量大，在河南省所有土地利用类型中，湿地占有重要地位.尽管国内外围绕湿地景观格局演变进行了深入研究并取得了丰硕成果，但对于河南省湿地景观格局的研究还比较少，特别是对其演变特征的分析还不够详细.以河南湿地为研究对象，选取1990年和2012年两个时间段，借助遥感影像和地理信息技术，剖析了研究区近30年来湿地景观格局的整体变化特征和某单一景观类型的演化，从而为河南省湿地资源的合理开发、保护以及实现湿地可持续发展提供参考.

1 研究区概况

河南居于中国之中(东经110°21′～116°39′，北纬31°23′～36°22′)，黄河穿境而过，与冀、晋、陕、鄂、皖、鲁6省相邻[6]，全省土地面积16.7万km2，居全国第17位；属于亚热带和暖温带的过渡地带，气候适宜，日照时间长，降水丰富；地形地貌复杂多样，中部和东部属于华北平原的南部，西部为伏牛山脉，北部为太行山，南部为大别山，境内河流众多，跨越黄河、淮河、海河和长江四大流域，面积达到了163 489 km2，水资源总量达到了413亿m3，居全国第19位[7].河南省境内湿地类型多样，且面积较大，不同地形均有分布，尤其是境内南部的南阳、信阳、驻马店最为集中.其中国家级湿地有丹江口水库湿地、三门峡库区湿地、宿鸭湖湿地和豫北黄河故道沼泽区，国家级湿地保护区有黄河湿地自然保护区、丹江湿地自然保护区和新乡黄河湿地鸟类自然保护区，境内湿地生物种类繁多，其中国家I级重点保护动物有白鹳、黑鹳、金雕和玉带海雕等8种，国家II级重点保护动物有白鹈鹕、白瑟鹭、小天鹅等共计31种[8].

2 研究方法

2.1 景观格局指数选取

景观格局是不同景观类型在时空上的排列组合情况，包含各景观类型的多少、形状、属性等，其变动既是自然和人类活动等各种因素干预的结果，又影响着该区域整个生态系统的变化[9].本研究选取了破碎度指数、多样性指数、优势度指数和分维度指数4个的景观格局指数:

(1)破碎度指数，反映了景观的破碎化程度.其公式如

PD=Ni/Ai,

①

式中，Ni为某景观类型的斑块数，Ai为某景观类型的总面积.

(2)多样性指数，代表湿地景观要素的多少和不同湿地景观类型所占比例变化.其公式如

②

式中，m代表景观类型数，Pk代表不同景观类型所占面积的比例.

(3)优势度指数，描述一种或多种景观嵌块体支配景观格局的程度.其公式如

③

式中，Hmax=ln(m)，Pk代表景观类型所占面积的比例，m代表景观类型数.

(4)分维数指数,反映斑块形状的复杂程度或斑块的自我相似程度.其公式如

FD=2lnP/lnA,

④

式中，P代表斑块周长，A代表斑块的面积.

2.2 湿地分类系统

开展湿地景观格局研究之前必须先进行湿地景观分类，国内外对于湿地的分类方法有很多，不同国家制定出了不同的湿地分类体系.以《湿地公约》为参考，结合研究区实际情况[10]，将河南省湿地分为河流、湖库、沼泽和水田4种类型.

2.3 数据来源及其预处理

根据研究区地理位置及遥感数据云量，选取符合研究要求的1990年和2012年2个时期的Landsat卫星影像作为基础数据.

首先,在Erdas Image 9.2软件平台上对两个时期的遥感影像进行波段融合、拼接和裁剪，将裁剪后的图像进行缨帽变换并进行线性拉伸.然后,用监督分类的方法把湿地类型进行分类提取[11];运用ArcGIS10.0将分类结果数据进行格式转换，分类完成后结合目视判读对分类效果进行检验，对于分类混合不清的部分在Erdas Image 9.2和ArcGIS10.0中加以对比求证后再分类.最后,利用Fragstats3.4软件提取破碎度指数、多样性指数、优势度指数、分维数指数等景观格局指数[12].

3 结果与分析

3.1 河南省湿地构成及面积比例变化分析

利用研究区的Landsat遥感影像经过一系列的分析处理，得到河南省湿地景观类型分布图(图1、图2),利用ArcGIS10.0计算得出1990、2012年河南省各类型湿地斑块数、面积及其比重变化(表1).

图1 1990年河南省各湿地景观类型分布图

图2 2012年河南省各湿地景观类型分布图

湿地类型斑块数19902012增减面积/(hm2)19902012增减面积比例/﹪19902012沼泽41-38 871.1456.18-8 814.964.510.03水田6 07010 0523 98216 471.2240 959.0624 487.848.3620.76湖泊182148-3476 824.3791 870.6515 046.2839.0446.58河流10667-3994 629.7264 341.59-30 288.1348.0932.63总计6 36210 2683 906196 796.45197 227.48431.03100100

从表1可以看出，1990年至2012年河南省湿地面积由196 796.45 hm2增长到197 227.48 hm2，增长了431.03 hm2，斑块数由6 362个增加到10 268个，增加了3 906个，水田面积和斑块数的增加是湿地总面积和总斑块数增加的主要原因；水田面积增加最为明显，增加了24 487.84 hm2，斑块数增加了3 982个，水田面积增加主要得益于水稻品种的改良，品种改良后使水稻产量大幅提升，另外耕作技术的进步，国家政策的支持等都促进了水田面积的大幅度增长；虽然湖泊的面积增长了15 046.28 hm2，但斑块数却减少了34个，湖泊面积的增加主要得益于小浪底水库等水利设施的修建；湖泊斑块数减少是由于城市化进程的加快，使得湖泊周边得到开发导致了部分湖泊的消失，另外围湖造田也是主要原因之一；其他湿地的面积在原来的基础上都有所下降，河流面积减少最多，减少了30 288.13 hm2；水资源的不合理利用和水资源浪费使得一些主要河流的支流消失，这导致了河流总面积的减少，从1990年和2012年的湿地分类结果图像中可以看出河流的支流数量明显减少，这直接反映了河流湿地面积的减少；沼泽数量和面积都大幅减少，面积从8 871.14 hm2减为56.18 hm2，减少了99.36%.

3.2 河南省湿地景观水平格局整体变化分析

利用Fragstats3.4软件对河南省1990、2012年的景观格局指数进行了计算(表2).由表2可知，1990年至2012年河南省湿地景观的破碎度指数增加最为明显，从3.232 8增长至5.202 6，这反映了近年来河南省湿地景观破碎度加剧，景观趋于破碎化，结合表1可以看出,从1990年到2012年河南省湿地的斑块数大幅增加，然而面积却增加的很有限，因此这就造成了破碎度指数的增加.多样性指数从1.600 3增加到1.614 7，多样性指数增加说明优势景观对景观整体的控制性减弱，1990年河流作为优势景观，面积占景观整体的48.09%，到了2012年却降低为32.63%，并且水田和湖泊占总面积的比例都出现增长，各种湿地类型所占的比例趋于均衡化，这导致河流的优势性减小，对景观整体的控制力减弱.而优势度指数从1.218 0减至1.203 6说明各景观类型的偏离程度减弱，景观格局呈集中趋势.这主要是由于水田面积的增加使得水田面积占总面积的比例增大，河流面积减少，河流在景观整体中的优势性减弱，从而使得景观格局呈现集中趋势.景观分维数指数从1.563 1增长至1.582 8，景观分维数的高低代表着景观斑块形状的复杂程度，分维数越大表示形状越不规则；景观分维数的增加说明各景观斑块形状不规则化加剧，斑块形状趋于复杂，这主要是受到人类活动的影响.

表2 1990、2012年河南省湿地景观格局指数统计表表

3.3 河南省各湿地景观格局动态变化分析

通过对1990、2012年河南省湿地景观类型水平指数的分析可以得出两时期内不同湿地类型的动态变化特征(表3).由表3可知，1990年各湿地的破碎度指数处于0.045～3.685 2之间，其中沼泽的破碎度指数最小，水田的最大；2012年各湿地的破碎度指数处于0.040 8～2.454 1之间，河流的破碎度指数最小，水田的最大.其中沼泽的破碎度指数变化最为明显，主要是受到了人类活动的影响，大量沼泽被开发为农田或者其他土地利类型，从而使得沼泽的破碎化加剧.在两个时期内各景观类型的多样性型指数和优势度指数都有所变化，其中沼泽和河流的多样性指数减小，优势度指数增大，原因是由于沼泽和河流的面积与斑块数均有所减小，景观复杂度降低，与优势景观的偏离程度变大；水田和湖泊的多样性指数增加，优势度指数变小，这是由于水田和湖泊面积的增加使得他们与优势景观的偏离程度减弱.从各景观类型的分维数指数来看，沼泽和湖泊的分维数变小，水田和河流的分维数变大，这说明沼泽和湖泊的形状变得有规则，发生变化的主要原因是大量水利设施的修建使得湖泊形状变得有规则，另外，围绕沼泽进行的围沼造田使得沼泽形状简单化.河流和水田的分维数变大说明河流和水田的形状不规则化加剧，形状趋于复杂化，这主要是随着耕作技术进步以及水稻经济价值的增长使得大量山坡水田被开垦，由于新开垦水田缺乏规划且受地形影响形状不规则，因此使得水田的分维数增大.

表3 1990、2012年河南省不同湿地类型的景观格局指数

4 结论

本研究对1990年和2012年两个时期的河南省湿地景观格局演变进行了分析，得出如下结论：

(1)河南省湿地总面积略有增加，从1990年到2012年的22年里湿地总面积增长了431.03 hm2.然而自然湿地面积却减少，其中沼泽面积下降了8 814.96 hm2，减少了99.36%，河流面积减少了30 288.13 hm2，水田面积增长十分迅速，增长了24 487.84 hm2，湖泊面积增加了15 046.28 hm2.

(2)河南省湿地景观类型结构发生较大变化，水田和湖泊的面积比重增加，沼泽和河流的面积比例下降，沼泽面积下降比例最大.

(3)河南省湿地景观破碎化加剧，景观破碎度指数从3.232 8增至5.206 2.这主要是因为人类活动对湿地自然景观的改造日益增强，大的景观单元被分化为若干小单元，从而致使破碎度指数增大.

(4)河南省湿地景观优势度变小，多样性和分维数变大.河流作为优势景观对景观整体的控制力减弱，各景观类型比例差异变小.