四川省若尔盖保护区景观生态格局动态分析

冯佳, 董鑫,2,3*, 赵姗姗

1. 西华师范大学环境科学与工程学院，四川 南充 637000；

2. 嘉陵江流域生态环境保护与污染防治南充市重点实验室，四川 南充 637000；

3. 西南野生动植物资源保护教育部重点实验室，四川 南充 637000；

4. 西华师范大学管理学院，四川 南充 637000

四川省若尔盖自然保护区（102 °29′—102 °59′E,33 °25′—34 °80′ N）地处于四川省阿坝藏族自治州若尔盖县境内，湿地生态系统和黑颈鹤、梅花鹿等珍稀动物为该保护区的主要保护对象[1]。该保护区水资源和碳资源非常丰富，为黄河、长江提供充足的水分，是我国三大湿地之一。但因其所处生态环境脆弱，再加上自然环境的影响和人类活动的干扰，从而造成了一系列湿地生产力衰退、湿地资源丧失的现象[2]。

从生态保护方面，若尔盖保护区是典型的高寒湿地，物种繁多，资源丰富，同时分布有国家湿地、黑颈鹤、梅花鹿保护区。并且因其充足的水源，该保护区对黄河的水源补给和维持生态平衡起着举足轻重的作用[3]。因此，以若尔盖保护区为研究对象，分别选用2004年、2009年Landsat TM影像，2014年、2016年Landsat OLI遥感影像为主要数据源，运用ENVI5.5软件对数据进行预处理[5]、景观特征提取，通过转移矩阵和景观指数的计算，分析若尔盖保护区若干年景观格局的动态变化，对促进该地区湿地资源科学保护和利用，规划和管理有参考意义[4]。

1 研究内容和方法

1.1 数据准备

为了明显地反应若尔盖保护区的景观生态格局动态变化情况，选取间隔3～5年，尽可能比较清晰、含云量在5%以下的遥感数据；同时考虑到遥感影像的特征、研究范围和内容，最终从USGS官网和地理空间数据云选取了2004—2016年夏季（6—9月份）Landsat系列数据（见表1），选用ENVI 5.5模块进行数据预处理（见表2）。

表 1 主要数据Tab. 1 General information of the main data

表 2 数据处理操作Tab. 2 Operation steps and template selection required for data processing

1.2 景观特征提取

经过阅读大量相关文献和研究[6-11]，并结合本研究的数据分辨率，将若尔盖保护区覆被类型分为沼泽、湖泊、高覆盖度草甸、低覆盖草甸、沼泽化草甸和沙化地/裸地。

在ENVI5.5中，使用标准假彩色合成四个时相的遥感数据，目视解译分析能够获得图像植被成红色，其突出表现了植被的特征。参考相关研究和资料[12-14]，对研究区域景观进行目视解译（见表3）。

1.3 景观分类

选择监督分类法进行景观类型的分类，参考相关文献和目视解译建立感兴趣区域、选择样本。完成之后进行评价，样本分离度结果均大于1.9，说明质量好可使用[15-17]。利用Classification Workflow工具执行分类，生成景观类型分类文件（见图1）。

1.4 转移矩阵分类后处理

将进行分类之后的四期数据，通过Change Detection Statistics工具进行比较得到转移矩阵，选取面积指数变化矩阵分析景观类型动态[18]。

表 3 若尔盖保护区目视解译标志Tab. 3 Visual Interpretation Signs of Zoige Nature Reserve

1.5 选取景观指数

本研究在Fragstats4.2景观分析软件中，主要从斑块类型和景观水平两个方面进行分析。根据他人研究结果和参考相关文献后[19-21]，本研究选取①从斑块类型指数：斑块的数目（NP）、斑块类型总面积（CA）、各斑块类型所占保护区景观面积百分比（PLAND）和平均各斑块类型面积（AREA_MN）。②从景观水平指数：最大斑块面积指数（LPI）、景观聚集度指数（AI）、香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）进行分析[22-25]。各景观指数的生态意义如表4所示。

2 结果分析

2.1 转移矩阵面积指数结果分析

经过表5数据分析对比，大致可以得到三个结论：（1）2004—2016年间，沼泽、沼泽化草甸等景观向低、高覆盖度草甸转变的趋势尤为明显；（2）2004—2016年间，沼泽面积逐步减少；2009年后，沼泽面积趋于稳定，减少速率变小；（3）总体上，若尔盖保护区的基本景观生态格局变化不大，草甸是研究区优势度最高的景观类型。

2004—2009年，五年中有40%的沼泽、25%的湖泊转变为沼泽化草甸；32%的沙化地/裸地转变成低覆盖度草甸。可以看出，沼泽化草甸和高、低覆盖度草甸为整个保护区的主体，沼泽、湖泊面积减少，但部分沙化地/裸地开始被利用。

2009—2014年，五年中有47%的沙化地/裸地、44%的沼泽、21%的高覆盖度草甸转变为沼泽化草甸；28%的沼泽转变为高覆盖度草甸，33%的沙化地/裸地转变为低覆盖度草甸。可以看出，沼泽化草甸、低覆盖草甸构成了若尔盖保护区的主体。这五年中，沼泽有很大变化，并且大部分沙化地/裸地开始向草甸转化。

图 1 2004—2016 年若尔盖保护区景观类型分类图Fig. 1 Classification map of landscape types in Zoige Nature Reserve from 2004 to 2016

2014—2016年，两年中有74%的沼泽转变为沼泽化草甸；沼泽化草甸分别有23%和13%转变为低覆盖度草甸和高覆盖度草甸；11%的沙化地/裸地转变为低覆盖度草甸。整体来说，两年变化不大。同时发现，沼泽化草甸、低覆盖度草甸仍是若尔盖保护区的主要景观，沼泽变化仍很大。

2004—2016年间，研究区域景观格局有明显变化，其中，85%的沼泽转变为沼泽化草甸；25%的沼泽化草甸转变为高覆盖度草甸；22%的高覆盖草甸转变为沼泽化草甸；20%、65%沙化地/裸地分别转变为沼泽化草甸、低覆盖度草甸。总的来说，沼泽和沙化地/裸地的改变最为明显，沼泽化草甸，高、低覆盖度草甸为该区域主要景观。

表 4 各景观指数生态意义Tab. 4 Ecological significances of each landscape index

表 5 2004—2016年若尔盖保护区景观类型面积指数变化转移矩阵Tab. 5 Transition Matrix of Landscape Type Area Index Change in Zoige Nature Reserve from 2004 to 2016 单位：hm2

2.2 景观指数结果及分析

将经过前述处理的2004—2016年若尔盖保护区数据导入Fragstats4.2景观分析软件，选择指数进行处理，得到四个时期的若尔盖保护区的景观指数。根据输出结果，对若尔盖保护区的景观格局进行分析（见表6）。

2.2.1 斑块类型水平

本研究通过在Fragstats4.2软件中进行斑块类型指数计算，分析该保护区的斑块类型及动态变化。并且，斑块类型指数也是进行景观水平指数分析的基础[26-28]。

2004年若尔盖保护区各景观类型面积大小排序为高覆盖度草甸>沙化地/裸地>低覆盖度草甸>沼泽化草甸>沼泽>湖泊；斑块数量排序为沙化地/裸地>高覆盖度草甸>低覆盖度草甸>沼泽化草甸>沼泽>湖泊，平均斑块面积排序为湖泊>高覆盖度草甸>沼泽>低覆盖度草甸>沼泽化草甸>沙化地/裸地。其中，高覆盖度草甸和沙化地/裸地为保护区的主体，分别占总面积的38.59%和20.41%，且这两部分的斑块数量较高，说明其破碎化程度较严重。

2009年若尔盖保护区各景观类型面积大小排序为低覆盖度草甸>沙化地/裸地>沼泽化草甸>高覆盖度草甸>沼泽>湖泊；斑块数量排序为沙化地/裸地>高覆盖度草甸>低覆盖度草甸>沼泽化草甸>沼泽>湖泊；平均斑块面积排序为湖泊>低覆盖度草甸>沼泽化草甸>沼泽>沙化地/裸地>高覆盖度草甸。可以看出，2009年低覆盖度草甸为保护区面积的33.64%，占比最大并且平均斑块面积相对较大，说明低覆盖度草甸在若尔盖保护区内成片分布，连接性好。

2014年若尔盖保护区各景观类型面积大小的排序为低覆盖度草甸>沼泽化草甸>高覆盖度草甸>沼泽>沙化地/裸地>湖泊；斑块数量排序为沼泽化草甸>高覆盖度草甸>低覆盖度草甸>沼泽>沙化地/裸地>湖泊；平均斑块面积排序为湖泊>低覆盖度草甸>沼泽化草甸>高覆盖度草甸>沼泽>沙化地/裸地。可以得出，低覆盖度草甸、沼泽化草甸和高覆盖度草甸构成了若尔盖保护区的主体，分别占了保护区面积的37.29%、36.52%、20.40%，且低覆盖度草甸、沼泽化草甸和高覆盖度草甸的斑块数量较多。

2016年若尔盖保护区各景观类型面积大小的排序为低覆盖度草甸>沼泽化草甸>高覆盖度草甸>沙化地/裸地>沼泽>湖泊；斑块数量排序为沼泽化草甸>高覆盖度草甸>沙化地/裸地>低覆盖度草甸>沼泽>湖泊；平均斑块面积排序为低覆盖度草甸>湖泊>高覆盖度草甸>沼泽化草甸>沼泽>沙化地/裸地。可以看出，2016年低覆盖度草甸、沼泽化草甸和高覆盖度草甸为若尔盖保护区的主体，分别占了40.30%、29.01%和26.40%。沼泽化草甸、高覆盖度草甸、沙化地/裸地斑块数量较高，说明其景观破碎化严重。

表 6 若尔盖保护区斑块类型水平景观指数Tab. 6 Horizontal landscape index of patch types in Zoige Nature Reserve

从PLAND看：2004年至2016年，沼泽化草甸的波动幅度最大，且低覆盖度草甸所占比例最重，湖泊和沼泽的变化比例相对较小。沼泽化草甸、低覆盖度草甸整体呈上升趋势，沙化地/裸地呈下降趋势。在2009年沼泽面积达到一个高峰值，但在之后开始下降。

从NP看：2004年至2016年，沼泽化草甸、沙化地/裸地有较大幅度波动。其中沼泽化草甸整体呈上升趋势，高、低覆盖度草甸和沼泽斑块数量变化不大。2014年，高、低覆盖度和沼泽化草甸达到斑块数量的峰值，沙化地/裸地大幅度下降，沼泽小幅度下降。

从AREA_MN看：2004年至2016年期间，湖泊和沙化地/裸地的波动幅度最大，特别是在2014年出现突变。低覆盖度草甸整体呈上升趋势，沼泽呈下降趋势，沼泽化草甸波动不大。

2.2.2 景观水平

由图2看出，2004年—2009年若尔盖保护区的景观形状指数呈现上升趋势，聚集度指数逐渐下降，这说明2004—2009年间保护区景观的整体情况开始趋于复杂化，景观聚集程度开始趋于下降。而2014—2016年景观形状指数呈现下降趋势，聚集度指数呈现上升趋势。2009年—2016年七年间，若尔盖保护区的景观形状指数下降，说明景观优势度在逐渐减少；景观聚集度指数在逐年升高，说明离散程度在变小。

图3中，从SHDI来看：2004—2009年间若尔盖保护区SHDI略有上升，说明景观结构的复杂程度和异质性程度都在提高，并且各景观类型间的均匀程度也在上升。2009年—2016年，若尔盖保护区SHDI逐渐下降，说明景观复杂度和异质性开始下降，各类型斑块面积逐渐呈现不均匀化。

从SHEI来看：2004—2009年间若尔盖保护区SHEI也有一定幅度的提高，说明了各斑块面积均匀程度在上升，优势景观类型并不明显。2009年—2016年，若尔盖保护区SHEI也呈现出下降的趋势，表明其斑块在面积上分布不均，且说明这七年间有优势明显的景观类型。

图 3 2004-2016 年若尔盖保护区 SHDI、SHEI变化情况Fig. 3 LSI and AI changes in Zoige Nature Reserve from 2004 to 2016

3 讨论

斑块类型方面，2004—2016年12年间，低覆盖度草甸的数量始终在若尔盖保护区占大多数，其次是沼泽化草甸和高覆盖度草甸。可以看出草甸是研究区优势度最高的景观类型。整体景观方面，根据上述景观指数结果说明，景观类型的斑块数目有所变化，景观破碎程度短期内呈上升趋势；景观优势度逐渐降低、均匀度指数呈下降趋势，说明在景观尺度下湿地仍在退化[29]。

动态变化方面，从图4可以看出2009—2016年间，沼泽转化为草甸的趋势尤为明显，且主要集中于若尔盖保护区的东北和西南方位，说明未来应重点加强这些区域的湿地保护和恢复工作，且进一步强化局部区域治理措施。

驱动因子方面，查阅相关资料可得，近几十年若尔盖气候变化呈暖干化趋势，其中降水量以17.19 mm∙10 a−1的变化速率下降，而气温变化以0.52 ℃∙10 a−1的速率呈上升趋势[30]。现今全球气温升高对湿地水文条件影响很大，这也是导致湿地干化的主要自然因素之一，除此之外，过度放牧、大规模挖渠排水等人为干扰在湿地退化中贡献率较大[29-30]。

图 4 2009-2016 年若尔盖保护区沼泽景观动态变化图Fig. 4 Dynamic change map of swamp landscape in Zoige Nature Reserve from 2009 to 2016

总的来说，基于若尔盖保护区的相关研究表明：湿地景观趋于破碎，沼泽整体数量明显减少，景观集中连片分布，聚集度增加。这说明若尔盖保护区的管理仍应该加强，也为之后更好的发挥若尔盖保护区的生态服务功能提供理论依据[31]。由于湿地信息的复杂性和退化的过程性，本研究仍有不足之处如：本文选用Landsat数据的精度不高，且受客观原因限制，并未有机会进行实地采样核验精度，仅利用谷歌地球进行了比对。在后续研究中，应对若尔盖保护区的湿地现状进行全方位、多角度的综合评价。