朱红豆,刘晓,2,于泉洲,3,张亚茹,柴丽杰
(1.聊城大学环境与规划学院,山东 聊城 252059;2.北京林业大学水土保持学院,北京 100083;3.聊城大学东平湖湿地研究所,山东 聊城 252059)
被誉为“地球之肾”的湿地是水陆交错分布的自然地物。广义上,湿地泛指地表过湿或有积水的地区,包括水下和水面无植物生长的明水面和大型江河的主河道;狭义上,湿地是指有喜湿生物栖息活动、地表常年或季节积水及土层严重潜育化3个条件并存的陆地和水域之间的过渡地带[1]。湿地作为地球上最重要的生态系统之一,不仅具有涵养水源,调节区域气候,促进水分循环,降解污染物等功能,而且是生物多样性的摇篮。近年来,随着工农业的迅速发展,人口数量的大量增加和城市化进程的不断加快,我国的湿地正面临着多种生态灾难,如区域生态环境破坏、自然景观消失、生物多样性减少、生态系统结构和功能丧失等[2-4],从而严重影响着湿地生态系统的保护和湿地的进一步开发利用。因此,应加强湿地景观动态变化研究,揭示湿地景观演变规律,探明湿地景观演变动力机制。2003年,我国第一次利用“3S”技术,对全国湿地景观的基本类型、面积、分布等进行了全面调查,2013年,我国完成了第二次全国湿地资源调查,可见国家对湿地的重视程度。宫鹏等[5]学者以美国陆地卫星资料研究了1990和2000年前后中国湿地变化。区域尺度上,有学者研究了洪湖[6]、黄河三角洲[7-8]、南四湖[9-10]等不同区域的湿地动态变化,取得了丰厚的研究成果。
东平湖是山东省第二大淡水湖,南水北调东线的必经之地,有着极其重要的地理位置及生态服务功能,但随着经济的迅速发展,工业化程度加剧以及旅游开发等人为活动的影响,湖区污染逐渐加重,威胁着湿地资源的可持续利用[11-12]。因此,为了维护生物多样性和湿地生态平衡,持续、合理、综合地利用湿地资源,充分发挥湿地的多种功能,对东平湖湿地景观演变的研究变得尤为重要。该文在遥感和GIS技术的支持下,结合空间分析指标,从景观水平上分析1985—2015年的30年间东平湖湿地景观的空间分布格局,揭示湿地景观变化的规律和机制,为实现区域湿地景观格局的优化、景观生态的合理规划以及湿地景观生态的监测和评价提供依据。
东平湖(老湖)位于山东省东平县境内,西近京杭大运河,东接大汶河(东平境内称大清河),南连柳长河,北通黄河,总面积209km2,常年水面124.3km2,平均水深2.5m,蓄水总量40亿m3[11]。东平湖所在地区属温带季风型大陆性气候,夏季高温多雨,冬春季节多风少雨,四季分明,年均气温13.3℃,年均降水640.5mm。东平湖主要由大汶河注入,经调蓄后流入黄河,汶河流域的丰水期和枯水期的变化,使得东平湖区内耕地和水面交错分布,湖区渔业和农业混合发展。东平湖湿地属于我国北方少见的大型湖湾湿地,动植物资源丰富。近年来,东平湖凭其水资源、渔业资源及旅游资源等优势,已发展为对游客极具吸引力的生态文化旅游地。
该研究数据源主要包括1985年、1991年、1996年、2000年、2004年、2011年、2015年7期夏季的Landsat TM/OLI遥感影像,东平湖地形及景点分布等资料。运用ENVI5.1软件,对7期夏季遥感影像进行波段叠加,以东平湖为边界做不规则裁剪、大气校正、几何校正、图像增强等预处理。根据《全国湿地资源调查与监测技术规程》的分类原则与依据,并考虑东平湖湿地的实际情况,将东平湖湿地分为自然水面、挺水植被、浮水植被、沉水植被、草滩地、裸地、耕地和建筑用地8类。结合遥感影像的颜色、形状、纹理及其与周边环境的关系特征,建立东平湖湿地遥感解译标志。根据解译标志,运用ENVI软件对遥感影像采用最大似然法进行监督分类,然后通过目视解译对错分的地物进行重分类,最后得到比较精确的湿地信息分布图,符合分类精度标准。该文利用美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的景观结构分析软件Fragstata3.4[13],对7期东平湖景观分类结果进行分析,并利用ArcGIS10.2软件对东平湖景观格局分类展示。
近年来,许多学者在景观生态系统空间特征的量度及其指标体系的建立方面做出的努力,产生了许多景观格局评价指标[14-15]。定量的描述景观格局特征是分析景观结构、功能及过程的基础,而景观指数是反映景观格局的结构组成和空间配置的定量指标[16]。该文对景观格局演变特征的分析采用了景观多样性指数、优势度、均匀度、破碎度指数。
2.2.1 景观多样性指数
景观多样性指数(SHDI)反映斑块类型的多样性,常用来揭示景观结构的复杂程度,斑块类型的齐全程度或多样化状况[4]。通常采用Shannon多样性指数计算,计算公式为:
(1)
式中:H—景观多样性指数;Pk—斑块k的景观比例;n—斑块的种类。
当景观中只有一种类型的斑块时,SHDI=0,当斑块类型增加或者各类斑块所占比例趋于相近时,SHDI也相应增大。
2.2.2 景观优势度指数
景观优势度指数(D)表示景观多样性对最大景观多样性指数的偏离程度,或描述景观由少数几个斑块类型控制的程度,它与多样性指数相反,是多样性指数的最大值与实际计算值之差[17],其值越大,表明该区域斑块的种类与面积比差异越大。计算公式(2):
(2)
式中:Do—优势度指数;Hmax—多样性指数的最大值;Pk—斑块k的景观比例;n—斑块的种类。
它的值与偏离程度成正比,值越大则表示偏离程度越大,当其值为0时,表示景观完全均质。
2.2.3 景观均匀度指数
景观均匀度指数(SHEI)反映的是景观中的各斑块在面积分布上的均匀程度,通常用多样性指数与它的最大值之比来表示[18],计算公式(3):
(3)
式中:E—均匀度指数;Hmax—多样性指数的最大值;Pk—斑块k的景观比例;n—斑块的种类。
2.2.4 景观破碎度指数
景观破碎度是景观异质性的重要表征,它表示景观被分割的破碎程度,不仅反映了景观空间结构的复杂性,也在一定程度上反映了人类对景观的干扰程度[19],计算公式(4):
Ck=Nk/Ak
(4)
式中:Ck—景观k的破碎度;Nk—景观k的斑块数;Ak—景观k的总面积。
东平湖湿地景观的变化反映在不同湿地类型之间转换的变化上,通过分析各类型景观面积的变化情况,可以了解湿地类型变化的总体态势和湿地结构的变化。由表1、图1分析可得:1985—2015年间,东平湖湿地各类型面积变化较大。其中,裸地面积逐渐减少,由1985年的15.01km2减少到2011年的2.15km2,2011—2015年裸地面积没有明显变化。
研究时段内,建筑用地面积是逐年增加的,由1985年的3.07km2增加到2015年的6.74km2,近30年,面积增加了3.68km2,增加面积比1985年原有面积还要大,可见建筑力度之大。
表1 1985—2015年各类型湿地景观面积统计(km2)
湿地类型中自然水面的面积波动增加,自然水面面积1985年为72.32km2,1991年为89.59km2,到2011年已经达到115.97km2,这是由于降水年际变化和南水北调东线工程的影响,降水的变化和南水北调工程调蓄使得湖泊水位发生一定变化,湖泊水面面积存在一定波动。同时湖泊面积还受到以菹草群落为主的沉水植被群落的影响,沉水植被群落的盛衰,影响了自然水面的显露。1996年自然水面的减少,就是由于当年沉水植被群落生长茂盛,侵占了大量的湖面。
图1 1985—2015年东平湖湿地景观变化
草滩地面积的变化不是太明显,呈波动趋势变化,以芦苇为主的挺水植物群落面积的变化规律与草滩地相似,可能其中有着某种联系。以荷田为主的浮水植物群落和以菹草群落为主的沉水植被面积变化起伏较大,并且没有明显的规律性。耕地1985—1996年间的变化不大,1996—2000年间却减少了不少,从1996年的4.941km2减少到2000年的2.98km2,而2000—2015年间耕地面积开始逐渐增加,到2015年耕地面积达到了6.33km2。总的来说,东平湖各湿地类型面积的变化较大。
分析图2可知,东平湖北部出湖口处,1985年主要为裸地,1985—2000年间逐渐发展为芦苇沼泽和湖泊水面,2000—2015年间逐步演化为芦苇沼泽、草滩地、建筑用地和湖泊水面;东部大汶河入湖口附近,1985年以大片裸地、耕地为主,1985—2000年不少裸地发展为耕地和建筑用地,2000—2015年间景观类型变化较大,部分耕地逐渐变为建筑用地,裸地逐渐被芦苇沼泽、草滩地、耕地所代替。2011—2015年河流两岸裸地明显被开垦为耕地。研究时段内,湖泊水面不断增加,湖边以芦苇为主的挺水植物生长茂盛,草滩地逐年向陆地蔓延。菹草群落一直都是东平湖中主要沉水植被,其变化起伏较大。总的来说,各种湿地类型发生转移和维持的状况不同,近30年来,东平湖湿地各景观类型之间转换发生较大变化,但各景观分布位置较稳定。
3.2.1 湿地景观多样性分析
1985年和2015年东平湖湿地景观镶嵌体景观类型多样性计算结果见表2,湿地景观多样性指数变化如图3所示。1985年为1.48,1991年降为1.37,1996年上升为1.68,达到研究时段内的最大值,景观的均匀度也达到了最大值0.81,这说明景观各类斑块所占比例比较均衡,多样性比较好。1996—2011年间景观的多样性指数持续下降,2011年景观多样性指数为1.01,2011—2015年间多样性指数有所回升。从1996—2011年,景观多样性下降说明各景观类型所占比例差异增大,景观多样性降低。2011—2015年,多样性指数的上升说明各景观类型所占比例差异减小,景观多样性增加。
图2 1985—2015年东平湖湿地景观演变图谱
表2 1985—2015年东平湖湿地景观指数
由表2、图3可知,景观均匀度随多样性的变化而变化,1996—2011年景观的均匀度也呈持续减小趋势,从0.81降到0.51,各景观类型面积分布逐渐不均匀,2015年景观均匀度指数为0.65,比2011年各景观类型分布趋于均匀。优势度指数1985年为0.29,1996年达到最小为0.19,1996—2011年优势度指数逐渐增大,2011年为0.49,达到研究时段内的最大值,从优势度指数的意义来看,优势度指数越高,表明组成景观的各类型所占比例的差异越大,该地区景观被某一种或几种湿地类型所控制,2015年优势度为0.35,比2011年有所下降,说明湿地各类型的景观所占比例的差异减小,可能由于人们对景观的规划。总体上来说,东平湖湿地各景观类型分布还比较均匀,但均匀度有下降趋势,趋于出现优势景观,景观多样性整体呈下降趋势,值得人们加强重视。
3.2.2 湿地景观破碎度分析
东平湖湿地景观破碎化主要表现为斑块数量增加,斑块形状趋于不规则,以及斑块彼此隔离。景观破碎化会对生存于其中的物种造成一系列的影响,因此,景观破碎化是生物多样性丧失的重要原因之一[16]。由于研究的东平湖湿地总面积没有改变,采用湿地景观的总斑块的变化研究景观的破碎度。斑块数(NP)的值大,破碎度高,斑块数的值小,破碎度低。
东平湖湿地景观总斑块数1985年为1231,1991年为919,从1991到2000年斑块数持续增加,斑块数从919增加到1300,说明东平湖湿地景观的破碎化程度持续增大,湿地景观整体比较破碎。但2000—2011年,景观斑块数目减少,破碎程度降低,这是由于南水北调调蓄导致湖泊水位上升,使得自然水面在湿地景观中占主导地位,导致斑块数目降低。2011—2015年斑块数目从681~1266,斑块数增加,湿地景观破碎的趋势在延续。
图3 1985—2015年东平湖景观指数变化
一般而言,自然驱动力和人为驱动力是湿地景观格局动态变化的主要驱动因素[20]。自然驱动因子常常是在较大的时空尺度上作用于景观格局,引起大面积的景观发生变化。人文驱动因子则是景观格局变化的直接驱动力。
东平湖属于温带季风大陆性气候,降水季节变化明显,湖泊水面随降水量的增加而增大。研究时段内来自流域上游的泥沙不断在此淤积,湖泊地势逐渐被抬高,水位较低的区域出现了芦苇等水生植物,泥沙的不断增加,草本植物侵入,湖泊河流沿岸地区演变为草滩地。当湖泊水位上升时,水生植物增加,草本植物会有所减少。所以,湖泊水位变化也引导着湿地植被发生变化,从而导致整个湿地类型发生变化。
人类活动主要为水工建设、土地开发整理和污染物排放。近年来,随着人口增加、经济快速发展东平湖区工业和生活垃圾污染日趋严重,东平湖湿地生态环境受到威胁,湿地景观类型结构简单化。东平湖自被确定为黄河自然滞洪区后,开始进行大量的防洪蓄水工程建设,加上道路设施、大坝等的修建,占用了不少湿地,破坏了湿地的完整性,使湿地景观趋向破碎化。南水北调东线工程实施后,东平湖蓄水量增加,致使湖泊水位明显上升,湖泊面积逐渐扩大。2004—2011年间,受调蓄使水位上升的影响,自然水面面积扩大,浮水植物和挺水植物面积减少,沉水植物面积反而有所增加,生物的多样性减小,生物种群结构趋于单一化。
由于遥感数据分辨率限制,该文只将东平湖湿地分成了8种景观类别。另外研究样本的选取,具有一定主观性,可能造成分类结果及产生的数据与实际景观的分布情况有所偏差。为减少误差对研究的影响,研究参考了许多学者对东平湖影像解译的标准,收集了东平湖历年的自然人文资料,对东平湖有较清晰的了解,分类结果总体上符合东平湖景观变化情况。并且作为该区域景观格局分布宏观参考,揭示东平湖湿地景观格局演变规律及发展趋势毋庸置疑具有重要意义,也为东平湖湿地景观优化和生态环境保护提供有力的科学依据。
该文基于遥感和GIS研究了1985—2015年东平湖湿地的景观动态变化和景观指数变化特征,并对景观演变的驱动力进行了分析,主要结论如下:
(1)近30年来,东平湖湿地类型发生了较大的变化,大量的裸地被耕地和建筑用地取代,湖泊河流沿岸以芦苇为主的挺水植物群落和草滩地逐渐向陆地内部演变,自然水面面积在波动增加,菹草群落则是湖泊沉水植被中的优势物种。
(2)1985—2015年间,东平湖湿地总体景观多样性呈下降趋势,优势物种逐渐明显,景观破碎度波动增加。其中,1996—2011年间湿地景观多样性持续下降,优势度逐渐增加,斑块数先增后减,降低了东平湖的生物物种的多样性,造成一些物种数量的减少甚至消失;2011—2015年,湿地景观多样性有回升趋势,景观均匀度增加,优势度减小,而景观破碎度有增加趋势。
(3)东平湖湿地演化的过程中,受到自然方面和人为方面演化驱动力的共同作用。前期东平湖湿地演化受气候等自然因素影响为主,后期湿地的演化主要受水工建设、土地开发等人为因素影响。东平湖在南水北调工程东线中的调蓄作用是影响后期湖泊自然水面增大的主要因素。