莫莫格湿地景观变化及对白鹤生境的影响

徐睿泽 高健峰

(中国地质大学(北京)，信息工程学院，北京，100083)

景观格局是指景观的空间结构特征，它既能表现景观异质性，又能表明各种生态过程在不同尺度上作用的结果。掌握景观格局动态变化是了解区域生态系统现状、建设生态文明的重要环节[1]。其中景观格局指数是研究景观生态学的定量化方法，是衡量景观格局动态变化的重要指标，是评估野生动物生境好坏的关键因素。基于景观格局指数分析野生动物生境一直是研究热点，其中秦立鑫[2]通过对比不同年份的达赉湖地区蒙原羚(Procapragutturosa)生境的景观格局指数动态变化情况，揭示人类活动对其生境的影响，从而达到保护该地区蒙原羚的目的。刘伶[3]运用景观生态学方法分析苏北地区丹顶鹤(Grusjaponensis)越冬种群数量及栖息地动态变化，为保护丹顶鹤提出合理对策。

同样湿地景观格局的动态变化对鹤类(Gruidae)的生境具有直接影响，景观格局动态决定着自然生态的过程，其中物种的分布及其多样性和种群的生存能力在一定程度上受到斑块大小、形状和连接度的影响[4-5]。作为春秋季在莫莫格国家级自然保护区中停歇的主要物种——白鹤(Grusleucogeranus)，又名西伯利亚鹤、雪鹤，是国家Ⅰ级重点保护鸟类，在世界自然保护联盟红皮书中被列为极危等级，其种群数量在全世界约为3 800—4 000只[6]。同时，白鹤作为鹤类中对生存环境要求最特殊的种群，它对浅水湿地有较强的依赖性，需要较大面积的生存范围、丰富的淡水资源食物来源以及合适的植被覆盖度。

目前关于白鹤的生态特征[7]、种群食性[8-9]、种群现状与救护[10-11]、种群迁徙[12-13]、活动行为[14]等方面展开了较为全面的研究，但从景观尺度对白鹤停歇地生态环境的研究较少。相关文件的实行虽然加强了对湿地的保护和恢复力度，但随着城镇化建设的进程，每年湿地仍然出现减少趋势。在这样的情况下，湿地环境的变化是否会对白鹤选择栖息地造成以及现有湿地的生态环境是否能满足白鹤的生存要求等问题，是相关研究人员研究的重点。而作为中途停歇地，莫莫格湿地对于白鹤的迁徙速度和繁殖起到关键性作用[15]。因此本文将ENVI 5.3软件作为遥感数据的分析工具，从时空尺度快速获取近15年莫莫格湿地的土地覆盖动态变化；利用FRAGSTATS 4.2软件提取类别水平和景观水平上的景观格局指数，分析湿地景观格局动态变化与白鹤数量变化和地理分布之间的内在联系，对科学改善和恢复湿地、保护白鹤生境提供参考决策。

1 研究区概况

莫莫格国家级自然保护区(45°42′25″—46°18′0″N，123°27′0″—124°4′33.7″E)隶属于吉林省白城市镇赉县，地处松辽沉降带北段，松嫩平原西部边缘。莫莫格自然保护区是典型的湿地类型保护区，称为“吉林西部之肾”，其中湿地面积占全区总面积的80%以上，主要分为江河湖泊水域湿地、苔草小叶章(Deyeuxiaangustifolia)湿地、芦苇(Phragmitesaustralis)沼泽湿地以及碱蓬(Suaedaglauca)草甸湿地。同时，该湿地包含了296种鸟类，其中116种夏候鸟在此处繁殖，尤以白鹤数量居多，是中国重要候鸟的繁殖地以及迁徙候鸟的停歇地，具有重要的保护和科研价值。莫莫格湿地属于温带大陆性季风气候，具有夏热多雨、春旱风大的特点。该湿地的水利资源丰富且主要接纳和承载嫩江、洮儿河、二龙涛河汛期行洪，起到蓄洪滞洪以及净化水质的功能，可以有效地缓解洪水对下游松花江流域的威胁，降雨主要集中在6—8月，年降雨量达391.8 mm。从地理位置角度看，莫莫格湿地生态系统稳定完整，生物多样性日渐丰富并且濒危物种得到很好的保护，为建立湿地生物资源物种基因库和珍稀鸟类栖息繁衍地提供了重要保障。莫莫格湿地具有优美的自然景观，不可忽视的生态功能和经济功能，因此应用遥感影像分析长时序下的土地类型变化以及景观格局动态，对于监测保护该湿地，为白鹤提供更加适宜的生存环境，避免白鹤数量的大幅度减少是十分必要的。

2 数据获取和预处理

本文以覆盖白城市的Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI影像作为基础数据，其中遥感影像数据均下载于https：//earthexplorer.usgs.gov/网站。为了准确获得研究区景观格局的动态变化特征，本文选取降水量变化较明显并且植被生长较好月份的数据。经过筛选，最终选用的数据源包括2004年5月14日、2009年7月15日、2013年6月24日、2019年5月24日，4幅无云和阴影的清晰遥感影像。本文在ENVI 5.3软件中对遥感影像进行几何校正、彩色合成和掩膜裁剪的预处理工作。

(1)几何校正 通过控制点法在影像上均匀选取50个易于识别的地面控制点，采用GSC_WGS_1984投影坐标系，采用多项式校正法进行几何校正，保证校正误差在0.5个像元之内。

(2)彩色合成 分别采用5、4、3波段和6、5、4波段组合对遥感影像进行彩色合成，合成后的影像更利于突出植被和水体特征。

(3)掩膜裁剪 将下载好的遥感影像和莫莫格湿地的矢量面文件导入ENVI 5.3软件中，通过掩膜处理对镶嵌的影像进行裁剪处理。

3 研究方法

3.1 土地覆盖分类及精度评价

为了能够有针对性地探究莫莫格地区土地类别及其变化对白鹤生境的影响，从而达到保护白鹤的目的，本文对该研究区近15年土地利用类型的变化进行分析。基于国内外学者关于湿地生态系统分类研究的成果[16-17]，同时考虑莫莫格自然保护区的植被和水文条件，结合遥感影像的同时将地形图和土壤图作为分类的辅助数据。运用R语言的随机分层采样(stratified-random-sample)技术在遥感影像上进行随机采样，建立以色调、形态和纹理为基础的解译标志，将采样点的70%作为训练样本，剩余的30%作为验证样本。将研究区划分为湿地和非湿地两部分，其中湿地包括湖泊、河流、水库、沼泽，非湿地包括草地、耕地、盐碱地、居民地。本文采用支持向量机的分类算法对该研究区进行土地覆盖分类，利用ENVI 5.3软件计算混淆矩阵得到总体精度和Kappa系数，对分类结果进行精度评价。

3.2 景观格局动态分析

人类活动和自然环境是景观格局时空分异的主要驱动力[18]。随着人类活动的强度增加、范围扩大，会使景观格局发生一定的转变[19]，其中景观格局破碎化是野生动物生境破碎化的内部表现[20]，也是探究白鹤适宜生境因素的重要方法之一。本文利用4期土地利用分类的结果，通过FRAGSTATS 4.3软件计算景观格局指数，定量分析莫莫格自然保护区的景观格局演变特征。本文分别从类别水平(CLASS LEVEL)和景观水平(LANDSCAPE LEVEL)两级选取指数，从而反映不同斑块类型的特征和斑块间的相互关系。在类别水平上，本研究选取每类斑块所占景观面积比(PLAND)，斑块密度(PD)，周长面积分维数(PAFRAC)3个指数。类别水平上选取的3个指数旨在探究莫莫格生境的景观破碎度，景观构造以及景观空间的异质性程度，从而分析白鹤在该区域的适宜生境规律。在景观水平上，本研究选取香农多样性指数(SHDI)，蔓延指数(CONTAG)，景观形状指数(LSI)，最大斑块指数(LPI)4个指数。研究在景观水平上选取的4个指数旨在从整体上，探究莫莫格地区白鹤生境的破碎度、连通性以及不提供斑块的聚集程度。

4 结果与分析

4.1 莫莫格自然保护区土地覆盖变化分析

运用ArcGIS 10.2软件对基于支持向量机分类算法的分类结果进行细碎斑块的修正处理，最终得到4个时期莫莫格湿地的土地利用分类图(图2)。计算混淆矩阵后发现分类的总体精度均大于85%，分类结果均被认为满足研究需求，能较准确地从时间尺度上明确该研究区土地覆盖的变化情况。

通过分析土地利用类型的变化，可以了解该研究区的土地利用结构和土地覆盖变化的总趋势，也是衡量白鹤生境的重要因素。通过表1可以看出在时间尺度上该地区土地利用类型的变化特点。总体上看，2004—2019年，该地区的湿地总面积呈增长趋势，从500.4 km2增长到628.4 km2。根据研究发现，水资源面积的变化是影响白鹤聚集的关键性因素。由表1，莫莫格地区的河流因不同年份和月份的水量不同，呈现一定幅度的波动，水库的面积总体上呈现增长态势，湖泊的面积从2009年开始呈现大幅度增长，沼泽湿地在2004年的面积为260.3 km2，2019年为382 km2，增加的幅度达到46.8%。根据统计数据也可以发现沼泽和水资源面积的增长，吸引着迁徙的白鹤群在此地区聚集。非湿地的总面积总体呈递减趋势，其中草地面积大幅度减少，主要是由于不合理的人类活动导致草地的质量下降。但近些年关于保护区政策的不断改进，退耕还草的意识深入民心，对于生态环境的保护起到指导作用，同时盐碱地面积的稳步下降也体现了该研究区水土保持良好。由此可见在自然因素和相关政策的调整下，莫莫格湿地的生态环境愈发适宜白鹤栖息。作为中途休憩地，该地区的生境能够为白鹤迁徙和繁殖中所需的食物补充和能量累积提供必要保障。

表1 2004—2019年莫莫格自然保护区土地利用面积Tab.1 Land use area of Momoge Nature Reserve，2004-2019

4.2 莫莫格自然保护区景观格局指数变化分析

4.2.1 类别水平的指数变化

类别水平的景观格局指数用于分析研究区内每种斑块类型的景观特征。从PD 指数(图3)看耕地、草地、盐碱地有较大幅度的波动但总体呈减少趋势，而居民地呈现增加趋势，从6.11个/km2增加到9.89个/km2，河流、水库、湖泊和沼泽的波动较稳定但总体呈增加趋势。可见湿地PD指数的增加说明湿地的破碎度缓慢增加，而湿地破碎度的增加会导致白鹤的栖息地碎片化，从而导致整个区域内白鹤栖息地面积的缓慢减少。而非湿地的PD值除居民地外均稍有减少说明其破碎度变化不明显。从PAFRAC指数(图3)看耕地、盐碱地和居民地总体呈增加趋势，且数值更接近于2，表明非湿地斑块的形状趋于复杂化，而河流、水库、湖泊和沼泽均呈现降低趋势且数值更接近于1，说明湿地斑块的形状趋于简单化。这也从侧面反映出白鹤栖息地的破碎度在缓慢增加，这也是该研究区近几年白鹤种群在数量上并未出现大幅上升的原因之一。从PLAND指数(图3)看耕地、草地和盐碱地总体呈现下降趋势，说明非湿地的面积占整个研究区面积的比例减少，而河流和水库的数值略减少，但湖泊和沼泽的数值大幅度增加，说明湿地的面积占整个研究区面积的比例增加，进一步说明湿地面积呈增加态势。也从侧面验证了4.1中整体湿地面积的增加对该研究区的生境趋于适宜白鹤停歇起到促进作用。

4.2.2 景观水平的指数变化

景观水平的景观格局指数用于分析整个研究区的景观特征，景观破碎化格局的分析有助于了解湿地发展阶段的景观格局演变规律。LPI(图4)呈现先增加后减小的趋势，在2009年达到最高8.44%，总体上LPI仅减少了0.22%，可以看出LPI值较为稳定，从而说明整个区域在近几年呈现较为稳定的生态状况，是十分有利于白鹤在此地的栖息和繁殖。LSI(图4)总体呈现降低趋势，2013年最低为172.53，其数值总体减少3.31，减幅为1.9%，LSI的减少说明景观系统的斑块形状趋于简单。CONTAG(图4)总体呈现小幅度的增长，在2019年增长到峰值34.42，该指数的增长说明了该研究区景观系统的斑块聚集程度高，连通性好。尤其对于湿地斑块，聚集度越高就更能为白鹤种群提供广阔且集聚的生存环境。SHDI(图4)总体先减后增加，并在2004年和2019年数值相等，在未来会有继续增长的趋势。由以上指标的变化情况可以看出，近15年莫莫格自然保护区总体呈景观破碎度增加，斑块形状趋于简单，不同斑块间连通性好的趋势。同时结合遥感影像可以发现，莫莫格自然保护区的湿地主要集中在区域的东部和西南部，两个区域湿地中水资源的范围在不断扩大，为白鹤在此地栖息提供了良好的生态环境。

4.3 景观格局动态变化对白鹤生境的影响

莫莫格湿地是白鹤迁徙途中重要的栖息地，为白鹤提供丰富的食物来源。其中湿地面积和景观格局的动态变化很大程度上影响着生境的变化，同时也影响着白鹤种群数量的多少。其中景观格局的动态变化是通过改变白鹤种群的结构和活动分布从而影响白鹤种群数量。因此，掌握湿地景观的演变过程，才能为现有湿地的保护和被破坏湿地的恢复提供理论依据，进而满足白鹤对生境的需求条件。基于上述景观格局动态变化的分析可以发现，湿地景观间连通性在逐年增加，同时水库和湖泊面积占比的逐年增加，为该区域植物生长带来充足的水分和营养物质，提高了该区域的植被覆盖度，同时也保证了白鹤种群的充足食物来源。通过实地调查发现，白鹤在停歇时更喜欢选择范围大且距离间隔远的湿地驻足，挺水植物带及软泥区是白鹤的主要生境，而该研究区湿地破碎度的逐年增加，导致莫莫格保护区斑块间空间异质性的增强，也严重制约着白鹤种群在栖息地的空间分布格局。可见，作为白鹤迁徙途中的驿站，莫莫格湿地景观格局上的逐年优化为大批白鹤提供广阔的空间和充足的食物。

5 讨论

白鹤是喜欢在沼泽中活动的湿地鸟类，该种群对于栖息地的选择具有高度不变性和依赖性，因此一旦该种群迁徙过程中用于补充能量的停歇处的生态系统遭到破坏，会对整个白鹤种群的数量造成极大的威胁。因此通过提高白鹤生境来保证种群顺利迁徙和维持种群数量是十分迫切的工作。根据调查发现，在莫莫格自然保护区休憩的白鹤数量从最初的几百只逐年增加至如今的上千只，其中在2008年白鹤种群的数量为2 148只，也是该研究区春季迁徙首次突破2 000只，这与湿地生态环境质量的提高息息相关。基于上述研究发现，在土地覆盖动态变化方面，该地区湿地的面积在逐年增加，大面积食物充足的湿地吸引着越来越多的白鹤在此驻足。当地相关部门实施引水保湿、退耕还草等一系列的措施同样为扩大白鹤栖息地面积，改善栖息地环境提供保障。在景观格局指数变化方面，该地区湿地形状趋于简单化，不同类型的斑块间高度聚集、连通性好，高湿地破碎化程度的增加与居民地面积的扩大存在一定的正相关性。根据本文对保护区土地格局时空变化的分析中发现，未来几年内该研究区的湿地面积可能会呈现缓慢的增长趋势，景观破碎化的程度会趋于平稳甚至出现缓慢下降的趋势。

根据卫星跟踪数据可知，夜间的迁徙行为在白鹤群体中是常见的，大于80%的跟踪个体均存在此行为。其中，SC07号个体曾经历了32 h的迁徙，迁徙距离为1 299 km。而这种迁徙现象所耗费的能量是需要白鹤在迁徙中消耗较长时间去补充的[21]。而莫莫格保护区正是白鹤需要补充能量的重要地区，因此该研究区的生境对于白鹤具有重要意义。现在的莫莫格自然保护区拥有强大的生态潜力，保护区内资源丰富，如果湿地遭到破坏会直接影响生态的持续发展，造成恢复缓慢甚至难以恢复的局面。因此通过遥感和GIS的手段获取有关研究区生态变化的数据，对于监测和预测保护区环境变化提供重要依据，保证可持续发展战略的有效实施。根据调查发现，当地人们以捕鱼为生，春季时大量的渔网作业会导致对白鹤的误伤，因此在保证当地经济发展需求的同时，更应该加强科普宣教，使保护生态环境、保护白鹤的意识深入人心。

其他研究者通过研究白鹤生境发现，白鹤是最依赖浅水湿地(水深小于30 cm)生存的鹤类[22]，因此通过分析研究区降水量数据和水泡深度的年际变化情况，能更深入地了解水资源的变化对于白鹤生境的影响，是本文后续探究的方向。莫莫格国家级自然保护区周边有2个非保护体系下的白鹤迁徙休歇地，由此更提醒湿地保护人员加强对莫莫格湿地周边环境的保护，划定更大范围的保护区面积，为承载更多白鹤做准备。