基于“格局-过程-质量”的盐城滨海湿地生境变化分析

张华兵,高 卓,王 娟, 刘玉卿,韩 爽,张亚楠,李玉凤

1 盐城师范学院 城市与规划学院, 盐城 224007

2 中国黄海盐城海滨湿地生态环境监测中心, 盐城 224057

3 南京师范大学 海洋科学与工程学院, 南京 210023

格局和过程通常指的是不同的地理或景观单元的空间关系和响应的演变过程,格局和过程的相互关系可以表达为“格局影响过程,过程改变格局”,是景观生态学的基本前提[1-2]。景观变化会改变区域生境的结构与组成要素,随之对物质流、能量流 循环过程产生影响,进而改变了区域生境的生产能力和服务功能[3]。滨海湿地生境质量的时空变化是复杂格局与众多生态过程相互作用的结果,探讨“格局-过程-质量”的耦合关系,有利于深入理解生境质量变化的内在机制,对于滨海湿地生态系统维护具有积极的意义。

生境质量是指环境为个体和种群的持续生存与发展提供适宜条件的能力,是生物多样性的重要反映,生境质量的优劣决定人类与自然及其他种群的可持续发展与和谐发展[4- 7]。评估、模拟和预测生境质量的状态、趋势及其对人类福祉的影响,是当前生态学与地理学研究的热点领域[8-9]。目前对生境质量的研究主要集中在生境质量评价研究,可分为两类：一是较小空间尺度上基于实地调查的生境质量评价研究,通常采用样带法或样方法,获取与生境质量有关的参数,构建评价体系并运用一定的数学方法进行评价[10- 14]。二是在较大空间尺度上,将景观格局数据与威胁源的分布整合到生境模型中,构建结构性空间显示模型,如ARIES、MIMES、InVEST等模型,尤以InVEST模型评估生境质量的方法最为广泛[15-17],在城市及区域生态安全、流域生境质量评价、自然保护区评价等方面取得了一系列成果[18- 22]。在生境质量评估的基础上,开始从“格局-质量”关系视角,分析土地利用/景观变化对生境质量的影响。如吴建生、包玉斌、刘春芳、黄贤峰、何建华、王惠等分析了土地利用变化对京津冀、陕西黄河湿地、黄土丘陵区、贵州省兴义市坡岗自然保护区、湖北鄂州、河北张家口等区域生境质量的影响[23- 27]；戴云哲等研究了长沙都市区城市扩张对生境质量的影响[28]；储琳等运用空间概率模型对生境质量时空演变进行了模拟预测[29]。这些研究成果,为从“格局-过程-质量”相互关系出发,评估、预测生境质量时空变化,提供了理论和方法借鉴。

盐城滨海湿地地处江苏中部沿海,是我国乃至世界集潮间带滩涂、潮汐、河流、盐沼、芦苇沼泽和互花米草沼泽于一体的最典型和最具代表性的淤泥质滨海湿地分布区之一,是我国第一个滨海湿地类型自然遗产,也是全球第二个滨海湿地自然遗产，是江苏省第一个世界自然遗产,评估与预测自然遗产地的生境质量时空变化意义突出,但是该方面的研究还鲜见报道。因此,本文以江苏盐城国家级珍禽自然保护区核心区为对象,将InVEST模型与GIS技术结合,分析景观格局与生境质量变化；运用多元线性回归方法分析“格局-过程-质量”的关系,并运用“基于水盐过程的盐城海滨湿地景观格局动态模型V1.0”系统,模拟预测了2025年、2030年研究区景观格局与生境质量,可为盐城滨海湿地世界自然遗产地的保护与建设提供借鉴。

1 研究区概况

江苏盐城国家级珍禽自然保护区位于江苏中部沿海地区,濒临黄海,介于32°20′—34°37′N,119°29′—121°16′E,横跨东台、大丰、亭湖、射阳、滨海、响水6县(市、区),海岸线长582 km,是西太平洋海岸最大的淤泥质潮滩湿地。保护区地处北亚热带与暖温带的过渡地带,季风气候显著,年平均气温介于13.7—14.8℃之间,年降水量在900—1100 mm之间。江苏盐城国家级珍禽自然保护区核心区,北至新洋港河,南至斗龙港河,西至海堤公路,为典型的淤长型海滨湿地,区域面积为1.92×104hm2。核心区以中路港道路为界,分为南北两部分。北部区域面积约0.52×104hm2,因进行了大面积的人工芦苇(Phragmitesaustralis)沼泽恢复,成为典型的人工管理区域。南部区域面积约1.10×104hm2,其景观演变主要受潮汐等自然条件的影响,人类活动对其影响微弱,为典型的自然条件控制区域。

本研究选择南部自然条件下的滨海湿地(北至中路港,南至斗龙港)为研究区(图1),景观从陆地向海洋依次表现为芦苇沼泽、碱蓬(Suaedasalsa)沼泽、互花米草(Spartinaalterniflora)沼泽和光滩。

图1 研究区位置及景观类型

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

景观数据以1992年TM影像、2000年、2011年和2017年ETM影像为数据源。由于Landsat- 7 ETM机载扫描行校正器发生故障,导致2003年5月21日以后的ETM影像数据条带丢失,影响了遥感影像的质量,需将遥感影像的各波段图像文件和对应的去条带文件导入ENVI 5.0中,运用去条带工具(tm_destrip),对2011年和2017年遥感影像进行去条带处理。此基础上,运用ENVI 5.0软件,依次进行大气校正、几何校正(通过选取特征点和野外GPS定位,实现遥感影像的几何校正,使均方根(Root Mean Square, RMS)小于0.5个像元)、非监督分类、人工目视校正,完成遥感图像的解译,使总体解译精度达到90%；最后在ArcGIS 中制作完成四个时期的景观类型图(图2)。

图2 研究区景观类型图

土壤水分和盐度是滨海湿地景观演变的关键因子。土壤水分(体积百分比)、土壤盐度(质量百分比)空间分异图主要根据2011年野外实测数据,参照景观类型、空间位置等信息,运用人工神经网络反演,从而得到研究区土壤水分与盐度的空间分异(图3)[30-31]。

图3 2011年研究区土壤水分与盐度空间分异图

2.2 研究方法

2.2.1生境质量评估

生境质量运用InVEST 3.2模型中的生境质量模块(Habitat Quality),综合研究区景观类型图和生物多样性威胁因素,从而生成生境质量空间分异图。研究中,以1983年状态为基础(1983年成立省级自然保护区,人类活动影响微弱,基本处于原生态状况),栅格大小设置为30 m×30 m。人类干扰活动因素主要为修筑道路、养殖活动；外来物种互花米草100%的覆盖度,不适宜鸟类栖息和繁殖。丹顶鹤喜欢在有浅水水域分布的地点觅食或栖息,保护区南北两侧的新洋港河、斗龙港河的水深不适宜丹顶鹤；另一方面,河流上的航运形成了典型的线状干扰源。因此,将道路(堤坝)、养殖池、互花米草、河流作为威胁因子。结合研究区特征,分别设置威胁因子的最大影响距离、权重、衰退线性相关性、威胁因子敏感度等参数,计算生境退化指数(公式1)[21,24,32- 33]。再结合生境适宜程度(越接近原生态的自然系统适宜度越大,研究中以在维护海滨湿地生态环境稳定性中的作用,以及珍稀物种丹顶鹤觅食、栖息环境为参照,将生境适宜度最高取1,最低为0；养殖池、道路、河流、互花米草沼泽、芦苇沼泽、碱蓬沼泽、光滩的生境适宜性指数分别为0.5、0、0.5、0.5、1、1、0.8),计算生境质量指数(公式2)。

(1)

公式(1)中,Dij是生境退化指数；R指的是威胁因子个数；Yr表示威胁因子栅格单元数；wr表示威胁因子的权重值；ry表示威胁因子的个数；βx为研究区保护区水平；sjr表示威胁因子的敏感度。

(2)

公式(2)中,Qxj指生境质量指数；Hj表示生境适宜程度,k为半饱和系数,研究中k值设置为15(栅格分辨率的一半)；z一般设置为2.5。

2.2.2线性模型构建

在ArcGIS中,创建随机点图层,随机点数设置为300,点之间最小允许距离为400 m,得到了302个有效点；用生成的302个点去提取2011年生境质量、土壤水分、土壤盐度、景观类型等栅格的像元值,获得302个随机点上的生境质量(y)、土壤水分(x1)、土壤盐度(x2)和景观类型的值。研究区内景观类型主要包括芦苇沼泽、碱蓬沼泽、米草沼泽和光滩 4 个类型。在定量分析时,需要将类型变量转变为定量变量,设置 3 个虚拟变量(x3、x4、x5),分别进行0、1赋值。在此基础上构建多元回归方程,如公式(3)：

y=a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+b

(3)

2.2.3景观模拟

《基于水盐过程的盐城海滨湿地景观格局动态模型V1.0》(软件著作权编号：No.01678102,2017年)(以下简称“V1.0”)是在ArcGIS10.0和Matlab2008平台上开发设计的,其功能不仅可以动态显示区域景观变化,而且能够从生态过程的视角,解释区域景观变化的机制问题。系统由下四个部分构成：一是主程序,揭示景观格局变化与生态过程的关系；二是时间函数,景观格局演变需要的是时间上的连续变化,可以实现对任意时候(不限时间间隔)研究区景观模拟；三是可视化表达；四是调用命令。该模型自带了盐城滨海湿地不同景观类型土壤水分和盐度的阈值参数以及不同驱动下土壤水分和盐度的年变化参数。在本研究中,以2011年景观类型与土壤水分/盐度为基础,调节土壤水盐参数,模拟2025年、2030年研究区景观格局变化。

3 结果分析

3.1 景观格局分析

从景观构成看,研究区景观类型以芦苇沼泽、碱蓬沼泽、米草沼泽和光滩为主。从图2中可以看出,研究区内景观格局带状特征明显,景观带沿海岸线延伸、沿着海陆方向交替；景观构成变化显著,呈现芦苇沼泽、米草沼泽面积在增加,光滩面积在减少,碱蓬沼泽呈先增加后减少的特征。芦苇沼泽面积百分比从1992年的0.13%增长到2017年的36.95%；米草沼泽面积百分比从1992年的3.05%增加到2017年的35.42%。1992—2000年,碱蓬沼泽面积百分比从29.89%增加到36.91%；但是,至2011年,面积百分比迅速减少至14.41%,至2017年值剩下5.11%。1992—2000年,一方面,陆向的芦苇沼泽没有形成规模,碱蓬沼泽向芦苇沼泽演替不强烈；另一方面,米草繁殖时间并不长、还没有与碱蓬沼泽形成交错带,还没有影响到光滩向碱蓬沼泽的演变,此时段的碱蓬沼泽面积还能持续增长。2000年以后,碱蓬沼泽开始在海陆两个方向受到米草沼泽、芦苇沼泽的挤压,面积急剧减少。另外,养殖池从无到有,至2011年已增加2.53%,至2017年又恢复为芦苇沼泽。

3.2 生境质量分析

运行InVEST模型中Habitat Quality的模块,得到研究区的生境质量空间分异图(图4),在ArcGIS中进行重分类,得到各分值区间的栅格数,通过统计计算,分析研究区生境质量情况。

图4 研究区生境质量空间分异图

1992—2011年,研究区生境质量整体上存在退化趋势,生境质量指数从0.85降低至0.76,降低了10.52%。1992—2000年,生境质量指数由0.85降至0.82,主要由于此时段的威胁因子互花米草沼泽面积比重较小、人类活动(养殖池)基本比重小,而高生境适宜性的碱蓬沼泽还在增加,所以此时段的生境质量降幅较少、基本稳定。而至2011年,生境质量迅速降至0.76,归结于高生境适宜性的碱蓬沼泽面积急剧减少,威胁因子互花米草沼泽面积扩张迅速、人类活动开始增强。至2017年,研究区生境质量又上升至0.78,主要威胁因素为互花米草扩张,人类活动减弱,保护区区实施了大面积的沼泽恢复。

按照等距分级的方法,将研究区生境质量指数分为四个区间0—0.25、0.25—0.5、0.5—0.75、0.75—1,分别表示景观生境质量等级为差、一般、良好、优秀。从表1看出,研究区生境质量整体较高,大部分区域生境质量等级为0.75—1的优秀等级,依次是一般等级和差等级,在良好等级没有分布。研究区生境质量存在“两极分化”态势。1992—2011年,3个等级的面积变化,呈现“两增一减”的特征,生境质量处于优秀等级的面积呈持续下降状态,面积占比从1992年的95.19%降低至2011年的61.70%,降幅达到35.18%。生境质量处于一般和差等级的面积呈增加趋势,差等级的面积比从0.01%增加到0.10%；一般等级的面积比从4.80%增加到38.20%,增加了近7倍。2011—2017年生境质量等级分布变化与1992—2011年的变化相反,优秀等级的面积比上升至67.15%；一般等级和差等级的面积比分别下降至32.82%、0.03%。

表1 1992—2017年研究区生境质量变化

通过对生境质量空间分异图的叠加分析,可以看出：生境质量发生变化的区域主要位于景观交错带,是景观类型易发生改变的区域,包括芦苇沼泽-养殖池交错带、碱蓬沼泽-米草沼泽交错带、光滩-米草沼泽交错带。

3.3 基于“格局-过程-质量”的滨海湿地生境分析

随机选取的302个点中提取的土壤盐度和水分值,统计结果见表2,其中光滩32个,米草沼泽63个,碱蓬沼泽120个,芦苇沼泽87个。比较土壤水分平均值,光滩最高,为55.102%,依次为米草沼泽、芦苇沼泽和碱蓬沼泽,分别为40.61%、39.28%、35.93%。土壤水分的高低与潮侵的频率密切相关,一般来说距离海洋越近,土壤水分含量越高；因为互花米草强大的促淤能力,致使区域微地貌发生改变,互花米草沼泽区地势升高,阻挡了潮水进入碱蓬沼泽区；而芦苇沼泽区主要受到陆地水的影响。比较土壤盐度平均值,米草沼泽最高,为1.38%,依次为碱蓬沼泽、光滩、芦苇沼泽,分别为0.63%、0.54%、0.40%。海水是土壤盐度的主要来源,从芦苇沼泽到米草沼泽,离海洋越来越近,潮滩地下潜水位变浅,受海水影响的时间增加,土壤盐度呈现相应的增加；米草沼泽与碱蓬沼泽的盐度高于光滩,主要得益于植被的聚盐作用。生境质量统计结果显示：芦苇沼泽、碱蓬沼泽的生境质量指数都有两个值,分别为0.5和1；米草沼泽、光滩的生境质量指数分别为0.5和0.8。

表2 研究区随机点土壤水分、土壤盐度与生境质量统计

利用上述随机点的重采样数据与景观格局数据,在SPSS19.0中定量分析生境质量(y)与生态过程(土壤水分x1和盐度x2)、景观格局(景观类型：x3、x4、x5)的相关关系,得出：生境质量与土壤水分、土壤盐度、景观类型的总体相关系数为0.69；多元回归方程,结果显示：在显著性水平α=0.10下,通过F检验,多元回归方程y=0.01x1-0.14x2+0.20x3+0.17x4-1.24x5+0.61是显著的。在显著性水平为0.01下,y与x3呈正相关,y与x2、x5呈负相关；显著性水平α=0.05下,y与x4显著正相关；而y与x1的相关性不显著。进一步分析生态过程(土壤水分x1和盐度x2)、景观格局(景观类型：x3、x4、x5)5个变量之间的相关关系,得出：土壤水分与盐度在α=0.01下呈显著负相关。土壤水分与x4在α=0.01下呈显著负相关；土壤盐度在α=0.01下,与x3呈显著负相关、与x5呈显著正相关。在α=0.01,x3、x4、x5之间呈显著负相关。上述分析,不仅表明生境质量-景观格局-生态过程之间是存在联系的；而且生态过程要素间、景观格局要素间、生态过程与景观间间都是相关联系的。

3.4 基于过程的滨海湿地景观格局与生境质量预测

3.4.1景观格局模拟预测

在V1.0系统,生态过程参数主要调节土壤水分和盐度的年变化速度,系统认为景观演变首先发生在景观交错带,通过土壤水分和盐度的变化驱动景观类型发生改变。研究区中景观交错带有光滩-碱蓬沼泽交错带、光滩-米草沼泽交错带、碱蓬-芦苇沼泽交错带、碱蓬-米草沼泽交错带,对应的水分变化速度分别为[δ1,δ2,δ3,δ4],盐度变化速度分别为[β1,β2,β3,β4]。1992年、2000年、2011年为建模数据,以2011年景观和生态数据为基础,选择参数,模拟1992年的景观；用同样的参数模拟2000年的景观,对结果进行比较；如果结果不满意则需要重新调整参数。以2011年数据为基础,设置[δ1,δ2,δ3,δ4]=[0.00%,-3.500%,-1.500%,1.500%],[β1,β2,β3,β4]=[0.00%,0.300%,-0.007%,0.085%],模拟2017年的景观,并与真实值进行叠加对比,得出模型总体精度为82.03%(表3)。Kappa系数值为0.72,说明模型取得了比较理想的效果。Kappa系数是通过将模拟结果图与真实景观图进行叠加,构建两幅图的景观概率转移矩阵而得,能够从保持数量和位置两方面的能力来评价景观综合信息的变化。Kappa值大于0时,模拟结果才有意义,而且值越大,说明模拟结果与真实情况的一致性越好,当Kappa值为1时,说明模拟结果与真实值完全一致；一般来说,Kappa值大于0.7时,认为模拟结果与真实值的一致性达到了一个相当满意的程度[34-35]。

表3 模型模拟精度

模拟结果显示(图5)：至2030年,景观格局仍呈现带状格局,滨海湿地景观带已由2011年的4条变成3条,碱蓬沼泽带消失。米草沼泽扩张速度较快,碱蓬沼泽面积急剧减少。至2030年,芦苇沼泽面积百分比增长到28.73%；米草沼泽面积百分比迅速扩张至64.06%；碱蓬沼泽仅剩零星斑块分布,面积百分比减少至0.04%,面临消失。

图5 景观模拟图

3.4.2生境质量模拟预测

生境质量模拟结果显示(图6、表4)：2025年、2030年生境质量指数持续下降,分别为0.67、0.65,生境质量下降的主要威胁因子是互花米草沼泽的迅速扩张。按照3.2中等距分级的方法,统计得出(表4)：研究区生境质量在一般等级上面积占比最高,其次是优秀、良好等级,水平等级为差上没有分布,生境质量整体上已降至良好以下水平。研究区景观生境质量存在“单极化”态势,研究区内生境质量处于优秀等级的面积在急剧减少,处于一般等级的面积在持续增加。至2030年,生境质量为优秀等级的面积百分比从2011年的61.70%下降到30.14%,降幅超过了50%。生境质量为一般等级的面积百分比从2011年的38.20%增加至64.06%,增幅达到了67.69%。

表4 2025年和2030年研究区生境质量变化

图6 2025年和2030年生境质量分布模拟结果

4 结论与讨论

对滨海湿地“格局-过程-质量”的关系的理解,有利于揭示生境质量时空动态对生态过程与格局变化的响应机制,是维护滨海湿地生物多样性的重要依据。文章以江苏盐城国家级珍禽自然保护区核心区为例,分析滨海“格局-过程-质量”的关系,得出：

(1)研究区内景观格局带状特征明显,芦苇沼泽、米草沼泽在不断增加,碱蓬沼泽先增加后减少。生态过程表现为：土壤水分,光滩>米草沼泽>芦苇沼泽>碱蓬沼泽；土壤盐度,米草沼泽>碱蓬沼泽>光滩>芦苇沼泽。芦苇沼泽距海洋最远,为潮上带,潮水很难影响到,致使地下潜水位深度加大,土壤水分下降；另一方面,受降水的作用明显,在雨水的长期淋溶作用下致使土壤盐度下降,开始转向淡水生态系统。互花米草的促淤功能,使米草沼泽高程抬升,又处在植被带的最东缘,受潮水的影响的频率最高,受海水影响的时间最长,所以其土壤水分、盐度为植被带土壤中最高。另一方面,米草沼泽高程的增加,有效阻挡了潮水进入碱蓬沼泽,致使碱蓬沼泽受到潮水影响频率和时间明显减少,相比较而言,其土壤水分和盐度要低于米草沼泽[30]。多元回归分析结果显示,生境质量与景观格局、生态过程间的总体相关系数为0.69,回归方程在α=0.10下是显著的；生态过程要素间、景观格局要素间、生态过程与景观格局之间在α=0.01都是显著相关的；印证了过程驱动格局,格局影响过程,滨海湿地就是在格局与过程的共同作用下不断发生演变,致使生境质量随之改变[36]。

(2)在区域尺度上基于InVEST模型评估生境质量是比较普遍的方法。研究区1992—2011年生境质量指数是下降的。这一结果与从景观尺度开展的盐城海滨区域丹顶鹤适宜越冬生境变化是一致的,指出研究区适宜生境面积还是呈下降趋势,巨型和大型斑块数量的减少与中型和小型斑块数量的增加揭示了生境的集中趋势与破碎化加剧的态势[37-39]；与基于MaxEnt模型对盐城丹顶鹤越冬生境变化进行评价也是相一致的,保护区内丹顶鹤适宜生境面积持续减少,适宜生境破碎化程度不断加剧,分布格局由连续分布变为集中分布在核心区周围区域[40]。生境质量变化在一定程度上与人类活动导向相一致：1992年研究区升格为国家级自然保护区,人类活动微弱,生境质量好。1980s引种的互花米草,至2000年已南北连成带,成为区域主要生境威胁因子；2009年,《江苏沿海地区发展规划》上升为国家战略,人类活动增强；所以,在研究的4个时刻中2011年生境质量指数降至最低。2012年生态文明战略纳入国家五位一体战略布局,2017年江苏省将盐城滨海湿地列为三大生态特区之一,生态恢复与生态保护上升到新的高度。因此,至2017年生境质量指数又开始上升。

(3)景观过程模拟结果显示：至2030年,互花米草沼泽在研究区内将占据绝对主导,面积百分比达到了64.060%,碱蓬沼泽面临消失；整体生境质量将降至良好水平以下；互花米草将成为区域生境质量的主导威胁因子。互花米草因其适宜的气候、地貌、水文条件以及超强的种间竞争能力,已成为本区域绝对优势种和滨海湿地先锋种,改变了滨海湿地原生演替序列[41]。互花米草的入侵,碱蓬群落生境面积缩小,导致了黑嘴鸥(Saunders′sGull)繁殖期巢址的空间分布格局变化显著,对黑嘴鸥的种群数量变化产生重要的影响[42]。互花米草入侵导致适宜丹顶鹤栖息、觅食的湿地面积大量减少,对丹顶鹤越冬种群的动态分布产生一定影响[43]。甚至提出外来物种是否能阻挡潮滩边缘侵蚀的疑问[44]。因此,控制互花米草的快速扩张已成为区域发展中的难题,主要方法有刈割和水位控制、改变地貌水文过程的工程措施,不仅在大区域尺度上实现比较困难,也容易破坏滨海湿地地貌过程的连续性,产生对生态系统不利的影响；利用另一种外来物种对互花米草进行生态控制,实现对互花米草的生态演替,又容易引发另一物种的入侵问题。为此,华东师范大学《长三角典型河口湿地生态恢复与产业化技术》课题组,运用理化干预和生物替代的控制互花米草和快速恢复本地物种技术和面向生物炭、护坡材料、水质净化材料、肥料、饲料等领域的互花米草综合利用技术在未来或许可以为盐城滨海湿地控制互花米草沼泽、恢复碱蓬沼泽提供借鉴,以解决世界自然遗产地保护与建设中亟待解决的科学问题。

(4)盐城滨海湿地生境质量时空异质性是众多生态过程和格局变化在空间和时间尺度上共同作用的结果,需要从多尺度和过程角度进行时空耦合作用研究。在本研究只选择了土壤水分/盐度要素与线性回归模型进行了“格局-过程-质量”的分析,存在很大的局限性。如何从滨海湿地水文地貌过程、土壤过程、植被变化等多要素构建动态模型,揭示生境质量变化的响应机制,还有待于深入研究。