1964—2015年海南省八门湾红树林湿地及其周边土地景观动态分析

徐晓然,谢跟踪,邱彭华

海南师范大学,地理环境与科学学院, 海口 570000

土地利用/覆被变化(LUCC)是全球环境变化的关键因子[1- 2],也是人类活动作用于自然环境的最直接的表现形式[3],能够通过改变湿地景观组成,转变景观中的物质循环和能量流动方式,使得景观要素之间的生态过程发生变化,从而影响湿地景观格局和功能[4]。因此,景观格局的变化是土地利用变化最直接的体现[5]。目前国内对景观格局变化的分析主要是两个方面：一是利用土地利用转移矩阵分析景观面积的变化,类型的转移以及利用相关的景观指数进行分析；如王涛等[6],1998—2014年阿克苏河流域耕地景观时空变化的研究。刘世梁等[7],广西滨海区域景观格局分析及土地利用变化预测。祝明霞等[8],基于LUCC的潘阳湖湿地生态效应分析。王海军等[9],岷江流域三江交汇区景观格局变化研究。二是利用空间模型,例如马尔科夫模型、CA模型等模拟景观的变化。如吕娜等[10],基于CA-Markov模型的巴里坤湖流域土地利用动态变化分析与预测。顾刘阳等[11],基于遥感与CA-Markov模型的土地利用景观格局模拟及其驱动力研究。张启斌等[12],磴口县景观格局AES-LPI-CA模型演化模拟。

利用转移矩阵及相关景观指数分析湿地景观格局变化是目前国内研究的热点之一,如陈奇亮等[13],利用转移矩阵、马尔科夫模型研究闽江河口湿地自然保护区土地景观演变情况,同时利用相关景观指数对闽江河口湿地自然保护区的景观格局变化和驱动力进行研究和分析。丁彤彤等[14],以多时相Landsat影像为数据源,在GIS支持下,对东营市湿地景观土地利用的时空变化进行了分析。宋诗园等[15],利用土地利用转移矩阵,景观破碎度、湿地分形维数等景观指数分析了乌江流域(重庆段)的景观格局变化。分析土地利用/覆被变化和相关指数的变化能够直观的展现湿地景观格局变化的过程,从而对湿地生态保护上有着重大的意义。

八门湾地处海南省文昌市东南部,是海南的第二大渔港,同时八门湾也是我国红树植物种类最多的地方,其红树林的种类占目前全世界红树林品种八十一种的40%。八门湾红树林湿地不仅具有众多宝贵的红树林种类资源,同时也在抵御风浪中起到了重要的作用。然而,由于文昌市的快速发展,人类活动的越加剧烈,使得八门湾红树林湿地土地利用/覆被变化显著。受此影响,红树林面积逐年减少,八门湾红树林湿地生态状况日益恶化,湿地景观破碎化现象越加明显。

目前,国内对八门湾红树林湿地及其周边土地景观格局变化的研究尚少,且主要集中于土地利用变化及驱动力分析和CA_Markov模型模拟预测。如吴季秋等[16],利用CA_Markov模型对八门湾红树林湿地2020年土地利用变化趋势进行了预测和模拟。吴季秋等[17],以RS和GIS技术手段,提取了1988、1998、2009年的土地利用/覆被空间格局信息,研究其土地利用变化动态度,并分析了自然驱动因素和社会经济驱动因素的作用。朱耀军等[18],以1987、2000、2010年3个时相的影像为数据源,对八门湾红树林湿地的红树林景观面积的变化及其变化的驱动力进行了分析,同时,对红树林周边土地景观类型的土地利用/覆被变化进行了分析。从景观生态学的角度分析,土地利用/覆被变化对景观格局的影响主要表现在景观的破碎化[19]。将土地利用/覆被变化与湿地景观破碎化联系起来,分析土地利用/覆被变化与景观破碎化的相关性,在湿地生态保护上具有重大意义。然而,在八门湾红树林湿地景观格局变化的研究中,尚未见到相关文章。

本文在定量分析八门湾红树林湿地及其周边土地土地利用/覆盖的基础上,选择斑块数量(NP)、斑块面积(CA)、斑块平均面积(MPS)、斑块密度(PD)、聚合度(AI)、斑块平均形状破碎化指数/面积加权平均形状破碎化指数(FS1/FS2)、蔓延度指数(CONTAG)反映景观破碎化过程,并分析土地利用/覆被变化与景观破碎化过程的相关性。因此,在对景观格局演变分析时,利用土地利用/覆盖变化与景观破碎化过程指数相关分析的方式进行定量分析得到的结果会更有意义。本文主要对八门湾红树林湿地景观破碎化过程进行定量的深入分析,希望为八门湾红树林湿地资源的保护和利用提供理论参考。

1 研究区概况及其分析系统

1.1 研究区域概况

图1 研究区域图Fig.1 Research area diagram

研究区域是海南省文昌市八门湾海岸线向外缓冲2km的区域,地理坐标为110°44′—110°55′E,19°31′—19°40′N(图 1)。八门港湾位于文昌市的东南部。北部有文昌江、文教河等8条河流汇入湾内,港内风浪小,回淤较少,属于瀉湖——河口湿地生境。属于热带海洋性季风气候,平均气温23.2°C,年均降水量2000mm。该地区有常规的全日潮,潮间带较宽,最高潮位2.38m,最低潮位0.01m,平均潮差0.75m[18]。八门湾红树林保护区于1981年批建,现为省级自然保护区,同时也是文昌市重点建设的自然旅游景区。几十年来,随着文昌市的快速发展,八门湾红树林保护区的人为干扰程度不断的增强,近几年,有媒体报道八门湾红树林遭到了严重的破坏,从景观生态学的角度对八门湾红树林湿地动态变化的驱动力进行分析对八门湾红树林生态保护有着重要的意义。

1.2 分类方法

1.2.1 数据来源

采用数据包括：研究区域1964年、1972年、1988年、2000年、2009年、2015年6期同/近时相的遥感影像(表1),Google地图及2015年实地调查资料。在ERDAS IMAGINE软件中对6期影像进行大气辐射校正并基于Google地图对卫星影像进行几何校正,误差控制在0.5个像元内。在ArcGIS 10.0软件支持下,参考当地历史文献以及地形图进行人机交互目视解译,并结合GPS验证点和Google earth历年验证点,进行实地验证、校对、修正,从而确保解译精度。

1.2.2 影像分类系统

根据全国《土地利用现状调查技术规程》以及《中国湿地调查大纲》并且在借鉴前人对八门湾红树林湿地的研究成果的基础上[16- 18],结合实际研究需求,本着异质性与均质性相结合、景观功能与生态功能相一致的原则,将研究区域分为6类,分别是养殖水面、水域、建筑用地、红树林、林地、耕田(表 2),最终分类的结果见图2。

表1 八门湾红树林湿地影像介绍

表2 八门港湾湾湿地景观分类系统

图2 分类结果图Fig.2 Classification result chart

2 研究方法

在参考国内外相关文献结合实地调研的基础上,选择斑块数量(NP)、斑块面积(CA)、斑块平均面积(MPS)、斑块密度(PD)、聚合度(AI)、斑块平均形状破碎化指数/面积加权平均形状破碎化指数(FS1/FS2)、蔓延度指数(CONTAG)(表3)反映景观破碎化过程,选择土地利用转移矩阵反映研究区域土地类型面积的变化、类型的转移,在此基础上将土地利用/覆被变化与景观破碎化过程相结合做相关性分析,揭示土地利用/覆被变化对八门湾红树林湿地景观破碎化的影响。

表3 景观指数

3 结果与分析

3.1 八门湾红树林湿地土地利用覆盖变化

由图3可知,研究区域内耕地、林地、湿地是最主要的覆被类型,土地利用/覆被变化特征主要体现在这几类上。在湿地的构成中,红树林和养殖水面是面积变化的主要类型,在50年内,红树林面积占总面积的15%下降到5.25%,养殖水面面积占总面积的2.07%上升到14.62%。通过土地转移矩阵(表4)可知,1964—2015年间,红树林面积共减少1594.98hm2,其中转化成养殖水面的面积为1415.51hm2,因此,红树林和养殖水面的变化可以反映出研究区域内湿地的变化动态。

图3 1964—2015年八门湾红树林湿地各景观类型面积占总面积比例变化图Fig.3 The change of the proportion of the landscape types to the total area in BaMen harbour mangrove wetland

由表4土地利用转移矩阵可知,1964—1988年间,大面积的林地转化成耕地,直接导致耕地面积比例从29.97%上升到39.06%,直到2000年政府实施退耕还林政策后,在2000—2015年政府的强行介入下,耕地面积比例下降了16.1%,同时林地面积比例上升了7.68%。在1964—2015年近50年内,建筑用地的面积持续增长,面积比例从2%上升到2015年的10.6%,与此同时,红树林的面积比例从1964年的15%下降到2015年的5.25%,养殖水面的面积比例从1964年的2.07%上升到2015年的14.62%,建筑用地的面积主要是由林地和耕地面积转化而来,红树林的面积主要是转化成养殖水面。

表4 1964年—2015年八门湾红树林湿地景观转移矩阵

3.2 八门湾红树林湿地景观破碎化过程

计算1964—2015年间各个时期的八门湾红树林湿地的景观破碎化指数并进行空间统计以表示八门湾红树林湿地破碎化的过程(图4)。分析可知,1964—2015年间,八门湾红树林湿地的平均斑块面积总体呈现缩减的趋势,其缩减的幅度达39.12%,且在1972—2000年间缩减的幅度最为明显。湿地的斑块数量、斑块平均形状破碎化指数、面积加权斑块平均形状破碎化指数总体呈现增加的趋势,其中,斑块数量增长幅度高达64.02%,斑块平均形状破碎化指数、面积加权斑块平均破碎化指数由1964年的0.3260、0.8234增长到2015年的0.3408、0.8441。

分析斑块空间水平指数可知,在50年间,研究区域内斑块密度由1964年的0.0653个/hm2增长到2015年的0.1073个/hm2。同时,研究区域内最大斑块面积由1964年的3068.19hm2缩减到2015年的2197.35hm2,缩减幅度达28.38%,说明研究区域斑块破碎化逐渐加深。从斑块空间连通性、聚集度上分析可知,研究区域内聚合度从1964年的90.03%下降到2015年的86.53%,说明研究区域内板块的联系整体趋向于分散化。与此同时,研究区域的蔓延度由1964年的47.71%下降到2015年38.45%,说明研究区域内斑块的连通性在逐渐降低。

所有的指数的变化表明,八门湾红树林湿地由大面积斑块占主导,空间连续分布趋向于整体破碎化。1972—2015年间,研究区域内景观破碎化的程度持续增加,由此可见,研究区域景观破碎化是其景观格局变动的主要表现。

图4 八门湾红树林湿地景观指数变化Fig.4 The landscape index change in BaMen harbour mangrove wetland

3.3 八门湾红树林湿地的土地利用/覆被变化对景观破碎化过程的影响

不合理的土地利用会很大程度上破坏区域景观结构的完整性[26],从而会引起生物多样性的减少,导致生境的退化、破碎化、边缘化。通过计算各土地利用类型与保护区湿地景观破碎化指数的相关系数可以构建其他土地利用/覆被变化与湿地景观破碎化间的相互关系[27]。依据前人的研究以及参考相关文献[16- 19,23],本文选择使用研究区域景观破碎化的指数与土地利用类型面积进行相关分析。

将八门湾红树林湿地景观破碎化指数与各景观类型面积变化做相关性分析可知(表5),红树林、养殖水面、建筑用地与大部分研究区域景观破碎化指数的相关系数达到了显著相关水平。其中,养殖水面、建筑用地主要是依靠人类活动影响的土地类型,对研究区域内景观破碎化过程的影响是非常大的。对红树林、养殖水面、建筑用地面积的变化比例图分析可知,养殖水面在1964—2000年间处于快速扩张的阶段,分布范围集中在八门湾北部沿岸、文昌河与八门湾交汇处、文教河与八门湾交汇处这3个区域,而这3个区域也是红树林生长的区域,由土地利用转移矩阵可知,养殖水面主要是侵占红树林的面积,使得红树林的面积由1964年的2456.28hm2下降到2000年的912.69hm2,从而导致红树林面积由大斑块连续集中分布趋向于小斑块孤立分散分布。与此同时,建筑用地分布范围逐渐扩张,从1964年建筑用地主要集中在文城镇到2015年间建筑用地已经扩张到文城镇、文教镇、东阁镇、东郊镇、清澜港的区域内,建筑用地、养殖水面不规则、大范围快速的扩张以及红树林面积的减少导致1964—2015年间斑块平均面积迅速减少,斑块密度、斑块间距大幅增加,从而使得研究区域内的斑块间的聚合度、连通性呈现降低的趋势。

表5八门湾红树林湿地景观破碎化指数与景观类型面积变化之间的相关系数

Table5TheCorrelationcoefficientbetweenlandscapefragmentationindexandlandscapetypeareachangeinBaMenharbourmangrovewetland

景观指数Landscape index耕地Arableland林地Woodland红树林Mangrove养殖水面Aquiculture area建筑用地Construction land水域Water area平均斑块面积Mean patch area0.656-0.1930.845*-0.869*-0.7840.707斑块平均形状破碎化指数Mean shape fragmentation in-dex0.234-0.2960.068-0.1420.040.203面积加权的平均形状破碎化指数Area-weighted mean shape fragmentation index-0.4750.09-0.660.6670.647-0.581聚合度Aggregation index0.777-0.2910.888*-0.91*-0.915*0.820*斑块数量Number of plaques-0.7930.302-0.926**0.967**0.888*-0.871*蔓延度Contagion index0.652-0.1020.93**-0.927**-0.909*0.715

注：*与**分别代表显著相关水平0.05与0.01

对研究区域各景观破碎化指数的时空变化分析可知(图5),八门湾红树林湿地在1972—2015年间研究区域内斑块平均面积持续下降了52.81%,聚合度持续下降了4.83%,斑块数量持续增长了111.96%,斑块平均形状破碎化指数和面积加权平均形状破碎化指数均呈现上升的趋势,研究区域的景观破碎化现象逐渐加深,而对应研究区域景观破碎化过程,建筑用地的面积比重持续增加了7.72%。

结合研究区域内各景观之间的相互联系和影响分析可知,1972—2000年间是养殖水面面积快速增长,红树林面积快速减少,建筑用地面积持续增长的阶段,而此阶段也是八门湾红树林湿地景观破碎化过程最为明显的阶段。2000—2015年间,红树林、养殖水面面积变化不大,但是建筑用地的面积持续增长,而此时的八门湾红树林湿地景观破碎化仍在持续但速率变慢。由此可见,红树林、养殖水面、建筑用地面积的变化对八门湾红树林湿地景观破碎化过程的响应是最积极的。

由土地利用转移矩阵可知,养殖水面的面积主要是由红树林面积转化而来,因此红树林面积与养殖水面的面积变化是息息相关的。养殖水面对八门湾红树林湿地景观破碎化过程的响应主要有两点：一是养殖水面完全受人类活动的影响,其增长的区域集中在八门湾沿岸,占据红树林的面积与水域的面积,并且养殖水面的面积增长无规律性。二是养殖水面面积的增长,使得红树林的面积由大斑块连续集中分布趋向于小斑块孤立分散分布,从而影响八门湾红树林湿地的景观格局,使得八门湾红树林湿地景观趋向于破碎化。

由于研究区域地处文昌市城区,城市的发展会直接影响研究区域与景观格局的变化。在1964—2015年50年内,建筑用地面积增长了1408.86hm2,平均每年有28.18hm2变为建筑用地。研究表明,交通设施的建设是导致生境景观破碎化的主要原因[28- 30]。在快速推进的城市化进程中,城市交通干道建设的廊道效应,使得道路周围的土地逐渐向城市用地转化,并使得自然廊道不断受到人工廊道的排挤而发生变形、破损甚至完全消失,从而使得生境景观逐渐破碎化[31- 32]。在研究区域内,滨湾路、苑东路、航天大道、清澜大桥等交通设施的建设,将研究区域分割成多个独立区域,这必然会导致研究区域内各景观类型趋向于分散化,斑块形状趋于不规则化,研究区域景观破碎化过程也就此展开。

图5 1964—2015年间八门湾红树林湿地各景观破碎化指数对养殖水面、红树林、建筑用地变化的响应Fig.5 The response of landscape fragmentation index to the change of aquaculture water surface, mangroves and construction land of BaMen harbour mangrove wetland in 1964—2015

4 结论与讨论

(1)1964—2015年间,八门湾红树林湿地土地利用/覆被发生了较大的变化。研究区域内建筑用地、养殖水面面积呈现增长的趋势,所占比重分别上升了7.72%、12.55%,耕地、林地、红树林面积所占比重分别下降了7.01%、9.16%、9.74%。耕地、林地面积主要转化成建筑用地的面积,红树林的面积主要转化成养殖水面的面积。

(2)八门湾红树林湿地由大面积斑块占主导、空间连续分布趋向于破碎化。1964—2015年间,研究区域内斑块数量增加了685个,平均斑块面积缩减了39.12%,聚合度下降了3.5%,最大斑块面积缩减了28.38%,斑块密度从1964年的0.0653个/hm2上升到2015年的0.1073个/hm2,蔓延度下降了9.26%,斑块平均形状破碎化指数和面积加权平均形状破碎化指数分别上升了0.0148、0.0207。

(3)八门湾红树林湿地土地利用/覆被变化与景观破碎化过程的相关关系主要体现在养殖水面、建筑用地面积变化对研究区域景观破碎化指数的影响上。养殖水面、建筑用地面积变化对研究区域景观破碎化过程的影响主要体现在聚合度、斑块数量、蔓延度的作用上。其中,养殖水面面积变化对研究区域景观破碎化过程的影响主要体现在其对红树林面积的侵占,使得红树林面积占研究区域总面积的比例由15%下降到5.25%,红树林由大面积连续集中分布趋向于小面积孤立分散分布。建筑用地面积变化对研究区域景观破碎化过程的影响主要体现在城市的快速发展、交通设施大量的建设。

2000年前,八门湾红树林湿地的红树林主要是受过度捕捞和浅海渔业资源的影响,造成红树林面积的大量减少。2000年后红树林主要是受文昌市快速城市化的影响,包括城市扩张、城市交通建设对红树林周边环境的切割使得自然廊道不断破损,周边环境的能量流动以及物质循环受到了严重影响,从而对红树林的生长环境带来了消极作用；城市污水、工农业污水同样使红树林生长的水环境遭到破坏主要原因是富营养化和重金属的影响[33- 35],对红树林的自我恢复能力进行了阻碍。并且,2009年国务院发布的《关于推进海南国际旅游岛建设发展的若干意见》以来,八门湾红树林湿地旅游开发速度激增,使得其与红树林保护的矛盾日益突出。