基于ArcGIS与Fragstats的海口市湿地景观格局演变分析

袁之煜

摘 要：利用1973年、1988年、1993年、1998年、2008年、2013年、2018年共7年的遥感影像作为基本信息源，采用GIS及景观生态学方法，利用Fragstats软件对海口市湿地类型的景观格局和整体景观格局及其湿地的动态变化进行定量分析。结果显示：各类景观格局在时间序列和空间序列上存在明显差异，且人类活动对湿地景观格局的变化影响越来越大。

关键词：湿地;景观格局;演变;ArcGIS;海口市

中图分类号 S718.54+9文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）06-0129-05

Analysis of Wetland Landscape Pattern Evolution in Haikou City Based on ArcGIS and Fragstats

XUAN Zhiyu

（School of Urban and Environmental Sciences， Yunnan University of Finance and Economics， Kunming 650221， China）

Abstract： Using the remote sensing images of 1973， 1988， 1993， 1998， 2008， 2013 and 2018 as basic information sources， using the methods of GIS and landscape ecology， and using Fragstats software， type landscape pattern and overall landscape pattern of wetlands in Haikou City were quantitatively analyzed. The results showed that there are obvious differences in the time series and spatial sequence of various landscape patterns， and human activities have more and more influence on the change of wetland landscape pattern.

Key words：  Wetland; Landscape pattern; Evolution; ArcGIS; Haikou city

近年來，全球经济进入飞速发展时期，经济全球化使得许多国家都因此受益。但不可忽视的是，各个国家和地区随之产生的生态环境问题也愈加突出[1]。尤其是近几十年来，全球性和区域性的环境问题更是频繁发生。生态环境问题给我国造成的灾害损失较大，调查显示最高可接近GDP的14%[2]。因此，保护生态环境刻不容缓，其中对于湿地生态环境问题的研究与发展更是重中之重。如何合理开发利用湿地，缓解并阻止生态环境退化，已经受到国际社会各方面的普遍关注与重视。湿地、海洋和森林一起被称为全球三大生态系统，另外还被称作“地球之肾”，由此可见湿地的重要地位。

然而由于人类活动造成的破坏和不利影响，目前全球湿地面积减少的趋势令不容乐观。据统计，自20世纪初叶以来，地球上湿地面积已缩减了近50%。美国在没有颁布实施控制湿地开发的法律以前，湿地面积减少速度惊人，达到平均1年减少1%[3-4]。目前，由于受农业的需求（围湖造田等）、城市的扩张、矿产资源的开发等人类活动影响，湿地遭到严重破坏，尤其是自然湿地的减少需要引起高度关注，因此对于湿地的研究已成为21世纪学者们的研究热点。湿地是地球生态环境中不可或缺的组分，也是居民享受高品质生活、保障城市生态安全的重要天然基础设施，具有诸多重要的生态功能，同时也能为人类社会服务[5-8]。为此，笔者选择2018年被评为首批“国际湿地城市”的海口作为研究对象，研究历年来海口当地湿地面积的变化情况，了解其深层次的变化，为今后海口湿地的保护和可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 海口是海南省的省会（110°07′～110°42′E、19°31′～20°04′N），地处海南省北部，东临文昌，西接澄迈，南毗定安，北濒琼州海峡，总面积约为3145km2，是海南政治、经济及文化中心，同时也是最重要的交通枢纽。海口是我国第一个世界健康城市的试点地，2018年10月份被评为全球首批湿地城市。

1.2 数据来源 从美国地质勘探局全球可视化查看器（GloVis）中下载各年的遥感影像，将覆盖全市的Landsat TM 和OLI影像作为基本数据源[9]，包括1973年、1988年、1993年、1998年、2008年的Landsat4-5的TM影像和2013年、2018年的Landsat8的OLI影像。为方便影像的解译提取，选择了每年云层最少、最为清晰的遥感影像作为数据源，时间基本为每年6—8月。

1.3 数据处理 选择覆盖海口市范围的遥感影像作为基础研究数据，利用ArcGIS10.2软件对Landsat TM/OLI影像进行前期处理。为提高影像解译精度，运用人机交互解译，即监督分类与非监督分类相结合的方法，提取海口地区稻田、河流湿地、湖泊湿地、近海与海岸湿地、水库、养殖场等6种湿地利用类型，得到1973—2018年海口湿地分布图（图1）。利用景观格局分析指数软件Fragstats4.2分别进行类型（Class）和景观（Landscape）水平上的分析，选择并计算相关指数进行后期景观格局的分析。

2 结果与分析

2.1 景观尺度上的空间格局变化特征 景观格局指数是景观指数应用中最为常见的方法，不仅能够反映景观结构组成，而且能分析其空间配置等方面的特征[10]。因此，在景观水平上选择景观面积（Total Area， TA）、最大斑块指数（largest patch index，LPI）、香农多样性指数 （Shannon′s Diversity Index， SHDI）、香农均匀度指数（Shannon′s Evenness Index，SHEI）、聚集度 （Aggregation Index， AI）、分维数（Fractal Dimension Index，FRAC） 6个指数[11]，运用FRAGSTATS4.2软件进行分析，结果见表1。由表1可知，1973—2018年海口市湿地景观整体异质性主要表现在：（1）1973—2008年海口湿地总面积一直处于不断增加的状态，由7828hm2增加到10312hm2，但从2008—2018年这10年期间又有一定程度的减少，由10312hm2减少到9435hm2。（2）最大斑块指数（LPI）[12]表示某一类型的最大斑块在整个景观中所占比例的大小。海口湿地1998年的最大斑块指数最大，1973年的最大斑块指数最小;（3）香农多样性指数（SHDI）能反映景观的异质性。SHDI越高说明其破碎化程度越高，土地利用更加丰富，同时其不定性的信息含量也越大[13]。1973—2018年期间，海口湿地多样性指数在1998年最低，但总体呈现小幅上升趋势，说明随着经济的不断发展，对于湿地的利用越来越多样。（4）香农均匀度指数（SHEI）=0时，表明景观仅由1种类型组成，这种情况下景观没有多样性可言;SHEI=1时，表明景观各类型均匀分布，多样性最大。1973—2018年均匀度指数变化不大，总体看略微减少，但基本保持在0.8左右，接近于1，表明1973—2018年海口湿地景观中没有明显的优势类型且各类型的斑块分布一直较为均匀，多样性较高。（5）聚集度（AI）反映了景观整体的聚集程度[14]。1973—1998年聚集度先下降后上升，1998—2018年聚集度由69.6438下降到66.1733，但总体上1973—2018年海口市聚集度变化幅度不大，由65.179增加到66.1733。（6）分维数（FRAC）取值范围一般在1～2，越接近于1，表明斑块的形状越有规律，受人为活动的影响越大;越接近于2，表明斑块的形状越复杂，受人为活动影响越小。海口湿地1973—2018年分维数变化不大，均接近于1，表明人类活动给海口地区湿地造成了很大影响。1973—1998年分维数有小幅增加，但1998—2018年又有所下降，2018年分维数最低（1.0516），说明人类活动的影响程度在逐年加剧，也符合目前海口市社会经济的发展现状，表明人类活动在湿地景观格局中发挥着越来越大的影响力[15-16]。

2.2 类型尺度上的景观格局 利用Fragstats4.2对1973—2018年6种湿地类型（稻田、河流湿地、湖泊湿地、近海与海岸湿地、水库、养殖场）的景观格局进行分析，类型上选择了斑块数（NP）、最大斑块指数（Largest Patch Index，LPI）、聚集度（Largest Patch Index，AI）3种景观指数，结果见表2。

2.2.1 斑块数（NP） 由表2可知，湖泊湿地的斑块数量远大于其他湿地类型，研究区域中有许多细小的湖泊，破碎度较大，但1973—2018年湖泊湿地的斑块数总体呈下降趋势。由于海口优越的地理位置，近年来水产业发展迅速。1973—2018年海口养殖场的斑块数呈持续增加趋势，并于2018年达到最多。6种湿地类型中，斑块数变动最小的为水库，基本保持在60块左右。而近海与海岸湿地的斑块数较少，主要分布在海口地区北部的沿海区域。稻田斑块数在1973—1998年呈下降趋势，1998—2018年又不断上升，人为活动在其中发挥了重要作用。

2.2.2 最大斑块指数（LPI） 最大斑块指数表示某一湿地类型中最大面积的斑块在整个景观总面积中所占的比例，是优势度的一种度量方式[17]。由表2可知，1973—2018年各年份最大斑块指数最大的均为河流湿地，根据海口市实地情况，最大的斑块为南渡江湿地，这在一定程度上说明了海口地区河流湿地是优势景观类型。稻田的最大斑块指数均小于1，说明稻田大多呈小块状分布，没有大面积的稻田湿地。湖泊湿地的最大斑块指数总体呈下降趋势，这是由于围湖造田等人为行为所致，自然湖泊面积总体缩小。近年来，水库的最大斑块指数保持稳定，最大的水库是凤潭水库，位于海口市中东部。

2.2.3 聚集度（AI） 一般情况下，聚集度值越大，则同一景观类型斑块表现出高度聚集。由表2可知，1973—2018年河流湿地、水库的聚集指数较大且走势较为平缓，河流湿地的聚集度总体呈缓慢上升趋势。1973—2018年稻田、湖泊湿地的聚集度呈缓慢下降趋势，说明空间破碎化程度提高。截至2018年，湖泊湿地和稻田的聚集度指数与其他湿地类型相比较低，说明湖泊湿地和稻田在2018年空间分布离散，破碎化程度高，连通性较低。

3 结论与建议

3.1 结论 1973—2018年海口湿地景观类型空间格局发生了深刻变化。总体上看，2018年海口市湿地总面积为9435hm2，较1973年的7828hm2增加了1607hm2。这很大程度上得益于近年来人们对于海口地区湿地资源的重视与保护，其中比较明显的变化在于人工湿地面积的增加和湖泊湿地的减少。人工湿地中，水库面积的增加很大程度上源于海口地区水利工程建设所取得的长足进展，而养殖场面积近年来增长较快，也是得益于海口独特的地理优势，有利于渔业等的发展。1973—2018年稻田面积的变化幅度较小，而养殖场的面积大幅增加，这也反映了海口地区在第一产业结构内的调整，转变了经济发展方式，即增加高附加值的农产品比例，从而不断提高海口市居民的收入和促进整个区域的经济发展。

縱观海口市整个湿地的变化，不难看出海口各个时间段的湿地类型没有发生大的变化，湿地香农均匀度指标一直较高，说明海口湿地景观中没有明显的优势类型且各类型的斑块分布较为均匀，多样性较高。没有占据明显优势的湿地类型，其中河流湿地、湖泊湿地、水库合计所占比例超过海口湿地总面积的70%。1973—2018年海口地区湿地分维数一直接近于1，说明海口湿地受人为因素的影响较大。因此，如何使人类活动能持续对湿地产生正面积极的影响，消除各种不利后果，是人类亟需面对和解决的问题。

3.2 建议

3.2.1 加强湿地保护和修复 把湿地保护和修复工作放在湿地管理工作的首要位置，把湿地保护纳入城市生态文明建设进程中。对于目前存在的受污染严重、生态环境退化、破碎化严重的湿地进行修复和综合整治，逐步恢复这些湿地的生态功能，维持生态系统的平衡和稳定，促进湿地的可持续发展。

3.2.2 加强全市湿地的统筹保护 海口在2018年年底被评为“国际湿地城市”，湿地保护也越来越被人们所关注和重视。对全市湿地面积划定湿地保护红线，严格控制湿地红线范围内的区域，对于非法占用湿地等情况出台相应的法律处罚措施，实施对于湿地最严格的全面保护，保障湿地能够永久发挥其生态价值和功效。

3.2.3 加强湿地保护的宣传和教育 利用媒体、公众参与等多种形式，不断提升社会大众的湿地保护意识，推进湿地保护全民化、主流化。同时，结合湿地保护与恢复工程，以湿地公园、自然保护区等为载体，建设布局合理、功能完备的科普宣教设施。对于社会大群体而言，湿地保护导向至关重要。因此要加强湿地保护的宣传教育，提高全民湿地保护意识，营造良好的社会风气，从而在无形中形成湿地保护的最大合力。

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（责编：徐世红）