东洞庭湖湿地景观格局演变及稳定性研究

周根苗， 李新建， 王志强， 邓正苗, 余明峰

(1.湖南省农林工业勘察设计研究总院， 湖南 长沙 410007； 2.国家林业和草原局 中南调查规划设计院， 湖南 长沙 410007； 3.湖南科技大学, 湖南 湘潭 411201； 4.中国科学院亚热带农业生态研究所 亚热带农业生态过程重点实验室， 湖南 长沙 410125； 5.中国科学院 洞庭湖湿地生态系统观测研究站， 湖南 岳阳 414000；6.湘阴县林业局， 湖南 湘阴 414600)

湿地是陆地与水体之间过渡带所构成的特殊自然综合体，与海洋和森林并称为地球三大生态系统[1]，具有调节径流、控制污染、调节气候、提供生物栖息地等多种生态功能，在保护生态环境、保持生物多样性以及促进经济社会发展等方面均具有不可替代的作用[2-5]。但近几十年来，湿地面积大量萎缩甚至消亡，湿地生态功能退化严重[6]。开展湿地生态系统的变化趋势及其稳定性研究对于湿地的保护与恢复具有重要的意义[7-9]。东洞庭湖是湿地生态类型和珍稀鸟类国家级自然保护区，是由《国际湿地公约》收录和中国政府指定的21个国际重要湿地自然保护区之一。随着全球环境变化和生物多样性研究的深入，东洞庭湖湿地逐渐成为研究的热点之一。

近年来，关于东洞庭湖的研究多集中于动植物种群栖息地变化和生态系统健康等方面[10-12]，而对东洞庭湖湿地生态系统等方面的研究相对较少。尤其是随着《洞庭湖生态环境专项整治三年行动计划(2018—2020年)》的实施，亟需加强湿地对这些整治措施的响应研究，本文从景观的角度开展东洞庭湖湿地在整治行动计划前后湿地变化特征、趋势及其稳定性等方面的研究，为湿地下一步的管理、规划与行动提供科学依据。

1 研究区概况

洞庭湖为我国第二大淡水湖泊，湖体分为东、西、南洞庭湖三部分。东洞庭湖湿地位于长江中下游荆江江段南侧，地理坐标范围为112°43′—113°14′E，29°00′—29°38′N之间。该区域为亚热带湿润季风气候，年平均降水量为1300～1900mm。东洞庭湖7—8月水位达到峰值，12月—翌年3月为枯水期，水位绝对变幅可达17.76m(岳阳站)。东洞庭湖的湿地植物群落主要为虉草、芦苇、荻和苔草群落[13]。该湿地于1984年成立湖南省级自然保护区，1994年经国务院批准升格为国家级自然保护区；于1992年加入“国际重要湿地公约”，是我国首批加入“国际重要湿地公约”的六个国际重要湿地之一。该湿地总面积为19万hm2，主要目标为保护东洞庭湖特有湿地生态系统和生物多样性。东洞庭湖湿地独特的生态环境孕育了丰富的自然资源，据历年调查，东洞庭湖共记录到鸟类345种，淡水鱼类117种，野生和归化植物865种，是湿地水禽的重要越冬地，也是重要繁殖地和停歇地，该湿地在区域物种保护网络中具有十分重要的地位。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

根据研究需求、东洞庭湖区湿地的特点以及该区域数据的可获得性，选用东洞庭湖湿地区域枯水期的高精度遥感影像为2015—2020年数据源，区域主要的遥感影像数据包括以下两类：Google Earth影像(2 m分辨率精度)和Landsat8 OLI卫星影像数据(30 m分辨率)，局部地区参考了欧洲航天局的哨兵二号影像数据，东洞庭湖遥感解译边界以大堤为准。主要数据的相关参数详见表1。

2.2 研究方法

2.2.1 湿地(植被)景观类型划分 参照国土资源部于2017年最新组织和修订的国家标准《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)、中科院遥感数据分类标准以及洞庭湖区湿地的特点，参考该区相关历史研究资料，将东洞庭湖湿地景观类型划分为林地、芦苇地、湖草地、水域和泥滩地等5种景观类型。具体见表2。

表1 采用遥感影像数据的参数表Tab.1 Parameters of remote sensing image data年份Landsat8 OLI卫星影像Google Earth影像枯水期水位/m枯水期水位/m2015LC81230402015090LGN0022.8712月16日24.742016LC81230402016061LGN0122.1412月8日21.402017LC81230402016365LGN0121.0112月8日21.372018LC81230402017351LGN0021.9612月15日22.232019LC81230402019021LGN0023.4912月7日20.202020LC81230402019341LGN0020.201月9日20.73

表2 东洞庭湖湿地不同覆盖类型遥感分类Tab.2 Remote sensing classification of different land coverage types in East Dongting Lake景观类型覆盖类型(生物学)特征影像特征林地以杨树为主,呈条状或片状分布有明显阴影,图像上呈红色芦苇地以芦苇为主组成的滩地呈灰绿色,对已收割的芦苇,有明显人为规则痕迹湖草地以湖草为主组成的滩地深浅不一的黄色,形状大小各异,边界模糊水域陆地表面洼地积水形成深浅不一的蓝色,边界清晰泥滩地既无水生也无沼生植被覆盖的湖泊边缘泥滩地浅灰色,呈条带状或环状、片状,边界清晰

2.2.2 数据处理技术路线确定 根据所采用的遥感影像数据的特点以及对数据的精度要求，采用监督分类结合目视解译的方法来生成项目分析所需数据。研究并确定了具体的数据处理技术路线(图1)。选择2015—2020年遥感影像数据进行分析，其中以Landsat8 OLI卫星影像为主数据源，以对应年度Google Earth影像为辅助数据源；对Landsat8 OLI影像数据在ENVI 5.2遥感数据处理软件中进行多波段影像合成与几何校正(误差控制在1个像元以内)，并分别对各年度枯水期的影像数据进行监督分类后再结合Google Earth影像进行目视解译，生成该区域6个年度枯水期的土地覆盖矢量数据。参照东洞庭湖区的多年野外调查资料和野外验证数据，进一步对所获取的数据校正，采用通用的标准误差矩阵计算各个时期解译数据的总体分类精度和Kappa系数[14]，使解译精度满足本研究的精度要求，得到2015—2020年东洞庭湖湿地景观类型分类图。在此基础上，借助Fragstats 4.0景观特征分析软件对2015—2020年6个年度共6期东洞庭湖湿地数据进行景观指数、景观破碎度及景观稳定性的计算分析。

图1 遥感解译技术路线Fig.1 Technical route of remote sensing interpretation

2.2.3 数据处理 数据处理过程大致分为以下三个步骤：

(1)景观类型转移矩阵建立。转移矩阵是一种定量描述状态与状态之间转化的方法，景观类型转移矩阵可以在一定程度上反映不同景观类型之间的转化情况，其数学形式如下[12]：

(1)

式中：Sij为某一起始时期i类景观类型到某一结束时期转为j类景观类型的面积；n为景观类型。

(2)景观格局分析。景观指数能有效地反映景观结构的组成和空间配置等方面特征，是描述景观格局及其变化的经典方法。从反映东洞庭湖湿地景观格局特征的景观结构、形状特征、景观异质性及聚合性4个方面选取景观指数，并在5%的置信度条件下进行指数相关性检验。最终选用了最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、面积加权的平均形状因子(AWMSI)、平均斑块分维数(FRAC-MN)、蔓延度(CONTAG) 、 散布与并列指数(IJI) 、Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI) 和总边缘对比度(TECI)等8个景观指数来分析景观格局的变化[15-17]，指数的统计性质及其生态学含义见表3。

表3 景观指数的统计性质及生态学含义Tab.3 The statistical characteristics and ecological implications of landscape indexes性质名称生态学含义结构最大斑块指数(LPI)表示最大斑块对整个类型或者景观的影响程度,而且其值的变化可以反映人类干扰强度的变化面积加权平均形状指数(AWMSI)度量景观空间格局复杂性的重要指标形状景观形状指数(LSI)反映景观格局中斑块形状复杂程度平均斑块分维数(FRAC-MN)描述斑块几何形状的复杂程度,形状越简单,越有规律,越趋近于1总边缘对比度(TECI)描述景观边界对比度,对比度越大,越趋近于1异质性Shannon多样性指数(SHDI)反映景观的多样性,该数值越高,说明景观多样性越丰富Shannon均匀度指数(SHEI)表征不同景观类型分布的均匀程度聚合性散布与并列指数(IJI)描述斑块类型间的总体散布与并列状况蔓延度(CONTAG)描述景观里不同斑块类型的非随机性或团聚程度

(3)景观稳定性模型建立。景观格局变化会导致景观稳定性发生相应的变化，因此，景观稳定性评价是景观格局分析与评价的重要内容，也是衡量景观生态系统质量的重要指标之一。而斑块是景观格局的基本组成单元，景观稳定性程度可通过各类型斑块的稳定程度以及景观斑块的组成结构来测度。研究显示，景观稳定性与斑块密度、蔓延度指数和总边缘对比度等景观指数密切相关，采用(1)式的景观稳定性指数模型能较好地定量评价景观稳定性程度，其公式为[18-19]：

S=CONTAG/(PD×TECI)

(2)

式中：S为景观稳定性指标，CONTAG为蔓延度指数，PD为斑块密度、TECI为总边缘对比度。

当景观稳定指标S的值越高，则表示景观趋于更稳定状态；反之，当S的值越低，景观趋于更不稳定状态。

3 结果与分析

3.1 湿地景观结构变化总体特征

景观的结构(包括景观要素类型、数量及空间格局)及其动态是研究景观生态系统功能和动态的基础，也是推演区域景观系统的生态过程和评价景观生态系统质量的重要手段。基于标准误差矩阵进行的遥感解译精度验证结果表明，总体精度范围介于86%～93%之间，Kappa系数介于0.91～0.96之间，即本文的遥感解译结果满足后续分析的要求。

从图2中可知，通过分年度反映了从2015—2020年间东洞庭湖湿地在枯水期的景观要素组成及分布情况。在枯水期，东洞庭湖湿地从空间分布上看，水域和泥滩地具有较好的连通性，构成了东洞庭湖湿地景观的自然廊道，芦苇地和湖草地分散分布在景观中，成为东洞庭湖的优势景观类型。东洞庭湖湿地主要景观是芦苇地、湖草地、水域和泥滩地。从数量上看，芦苇地与湖草地较多。

图2 2015—2020年东洞庭湖湿地枯水期景观分布Fig.2 Landscape distribution during dry season in East Donting Lake wetland from 2015 to 2020

2015—2020年东洞庭湖湿地各景观要素面积及占比见表4。由表4可知，2015—2020年，林地面积在2017年保持稳定，而在2017年以后迅速减少到接近消失，芦苇地的面积总体呈现增加的趋势，湖草地面积与该年水位关系较大，但整体面积呈减少的趋势，水域和泥滩地面积数量也有少量增加，主要受气候条件的影响所致。

表4 2015—2020年东洞庭湖湿地各景观要素面积及占比Tab.4 Area and proportion of various landscape elements in the East Dongting Lake wetland during 2015—2020景观类型2015年2016年2017年面积/km2占比/%面积/km2占比/%面积/km2占比/%林地1.10.11.10.11.10.1芦苇地406.631.6443.134.5431.433.6湖草地563.743.9515.440.1552.143.0水域和泥滩地313.924.4325.525.3300.623.4景观类型2018年2019年2020年面积/km2占比/%面积/km2占比/%面积/km2占比/%林地0.90.10.40.00.20.0芦苇地464.336.1487.538.0499.438.9湖草地552.343.0487.237.9433.833.8水域和泥滩地266.420.7308.924.1349.727.2

通过2015—2020年的转移矩阵计算，可得到如表5所示的景观转移矩阵，从中可提炼出景观动态变化的主要转移过程。在2015—2020年，东洞庭湖湿地景观类型转移过程主要包括：湖草地变化为芦苇地；湖草地变化为水域和泥滩地。

3.2 湿地景观格局动态变化特征

2015—2020年，东洞庭湖湿地景观格局指数变化见表6。2015—2017年，最大斑块指数、面积加权平均形状指数、斑块密度、景观形状指数、总边缘对比度和平均斑块分维数增加，景观斑块的几何形状和边缘趋于复杂化，说明该阶段东洞庭湖湿地景观破碎化程度升高；2018—2020年上述指数减少，景观斑块的形状和边缘趋于简单，说明该时期东洞庭湖湿地景观破碎化程度降低。Shannon多样性指数和均匀度指数、散布与并列和蔓延度指数在2015—2018年逐年下降，表明东洞庭湖湿地景观多样性和均匀度下降；2018—2020年上述指数增加，则说明东洞庭湖湿地景观多样性、均匀度和景观斑块聚集度均增加，从而反映了东洞庭湖湿地景观生态系统总体上在整治行动计划实施后呈好转的趋势。

表5 2015—2020年东洞庭湖湿地景观面积变化量表Tab.5 Land cover change in the East Dongting Lake wetland during 2015—2020 km2景观类型景观面积变化量湖草地林地芦苇地水域和泥滩地湖草地376.800.67118.8267.04林地0.010.730.330.00芦苇地24.520.01366.4415.19水域和泥滩地32.960.0013.58267.21

表6 2015—2020年东洞庭湖湿地景观格局指数变化Tab.6 Changes of landscape pattern indexes in the East Dongting Lake wetland during 2015—2020年份景观指数LPI/%LSIAWMSIFRAC-MNCONTAG/%IJISHDISHEITECI/%201523.0312.135.961.0658.2361.731.110.7817.76201626.2312.596.041.0757.1061.531.090.7622.20201732.2712.666.541.0857.5261.101.080.7522.40201828.6712.546.121.0357.9163.201.070.7722.58201921.2112.985.811.0457.1861.431.080.7822.07202024.7812.486.051.0356.8462.671.100.7922.03 注: LPI:最大斑块指数;LSI:景观形状指数;AWMSI:面积加权平均形状指数; FRAC-MN:平均斑块分维数;CONTAG:蔓延度指数;IJI:散布与并列指数;SHDI :Shannon香农多样性指数;SHEI :Shannon均匀度指数;TECI:总边缘对比度

3.3 湿地景观稳定性变化特征

图3为2015—2020年东洞庭湖湿地景观稳定性指数变化图。由该图可知，景观稳定性指数可分为两个不同的阶段：2015—2017年阶段和2018—2020年阶段。在2015—2017年阶段，东洞庭湖湿地景观稳定性指数呈快速下降的趋势，反映了该阶段处于非平衡态；到2018—2020年阶段，湿地景观稳定性指数基本平缓波动，趋向于一个新的稳定态，反映了研究区湿地景观生态系统的稳定性经过了下降后，在2018年重新出现了“准”平衡态，从而间接反映了研究区湿地生态系统的恶化趋势得到遏止而有向好的趋势。

图3 东洞庭湖湿地景观稳定性变化图Fig.3 Changes of landscape stability in East Dongting Lake wetland

4 结论与讨论

4.1 结论

(1) 东洞庭湖湿地景观要素存在较明显的空间分布特征。其中，水域和泥滩地具有较好的连通性，构成了东洞庭湖湿地景观的自然廊道，芦苇地和湖草地分散分布在景观中，成为东洞庭湖的优势景观类型。

(2) 2015—2020年，东洞庭湖湿地主要景观类型有如下的动态变化特征：林地呈减少的趋势，主要是由“专项整治行动”中实施的砍伐杨树林的措施导致的；湖草地面积呈减少的趋势，主要包括两方面的原因，一是水位升高导致一部分湖草地被淹没，二是由芦苇的入侵导致一部分湖草地转变为芦苇地；芦苇呈现连续增加的趋势，主要由湖草地和砍伐后的杨树迹地转变而来；水域和泥滩地面积数量也有少量增加，主要是水量增加导致水位升高所致。导致景观动态变化的两个主要过程为湖草地变化为芦苇地以及湖草地变化为水域和泥滩地。

(3) 东洞庭湖湿地景观格局呈 “U”型变化特征：2015—2020年，最大斑块指数、面积加权平均形状指数、斑块密度、景观形状指数、总边缘对比度和平均斑块分维数先增加后减少，而Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数、散布与并列指数和蔓延度指数先减少后增加，综合反映了东洞庭湖湿地景观生态系统总体上在整治行动计划实施后呈好转的趋势。

(4) 在研究时段内，该湿地景观生态系统经历了由非平衡态到“准”平衡态的过程，从而进一步反映了研究区湿地生态系统的恶化趋势得到遏止而有向好的趋势，说明“整治专项行动”实施后，东洞庭湖湿地景观格局总体呈现好转趋势。

4.2 讨论

(1) 本研究的遥感解译结果表明，东洞庭湖植被格局特点比较复杂，表现为“水域泥滩地—湖草芦苇—林地”的分界和植被混生镶嵌综合格局，这与谢永宏等[20]的研究结果较为一致。洞庭湖的植被演变过程明显受水文和泥沙淤积所影响，水文和泥沙的调控作用形成了洞庭湖特有的双重植被演替模式：水生演替和洲滩演替[21]。一般情况下，沉水植物、浮水植物和挺水植物的有机残体和泥沙淤积缓慢抬升湖泊潜水区域，生长在近水区域的湖草以水生演替方向为主占据浅水裸地，此为水生演替。同时，洞庭湖植被演替也受泥沙淤积速率的影响，当泥沙淤积加快时，木本植物快速占据洲滩；淤积减缓时，苔草等湿生植被逐渐占据低位洲滩，此为洲滩演替。本研究表明，近年来东洞庭苔草植被有所减少，芦苇面积增加较多，结合前期的研究结果，表明芦苇地不断挤占苔草地的趋势依然未改变；东洞庭湖林地面积的大幅减少主要归因于杨树清理专项行动的实施，其直接导致东洞庭湖林地面积下降，也可能在一定程度上导致芦苇面积的增加。

(2) 通过解译多个时段的遥感影像，结合GIS 技术和景观生态学理论分析湿地变化的性质和方向是景观生态学研究的主流方法，可以从区域尺度表征生态系统的健康状况和稳定程度[22]。本研究通过综合景观指数分析表明：东洞庭湖湿地在2015—2018年表现出生态系统稳定性下降的趋势，但在2018年后重新出现了“准”平衡态，从而间接反映了东洞庭湖湿地生态系统的恶化趋势得到遏止而有向好的趋势。通过清理洞庭湖自然保护区内欧美黑杨、拆除非法矮围、关停砂石码头、禁止采砂等措施，在一定程度上恢复了东洞庭湖的湿地景观，增强了内湖外湖之间的水文连通性，从而使得湿地生态系统的完整性和稳定性趋于改善。但是，杨树清理迹地的排水沟、抬垄沟以及垄台仍然存在，并且经过多年的杨树种植后，湿地旱化，林下植被成分发生改变，湿地生态系统结构完整性仍需进一步提升。

(3) 虽然针对洞庭湖湿地开展了一系列的“专项整治行动”，非法矮围和节制闸被拆除，但矮围区域的地形地貌及湿地结构发生改变。近百处砂石码头堆场拆除后，大部分堆放场地没有进行植被恢复。因此，急需在东洞庭湖实施生态保护修复工程，通过水系连通、湖床基底修复、水生植被恢复等工程，恢复湿地生态系统的结构完整性和稳定性，才能发挥湿地生态系统的正常功能。此外，对东洞庭湖湿地景观格局演变及稳定性研究是一项复杂的系统工程，建议通过整合现有平台和资源，加快洞庭湖湿地监测预警平台建设，打造专业监测队伍，应用先进的监测手段，构建一体化的监测网络，以获取时序长、覆盖广、频率高的监测数据，为洞庭湖湿地保护恢复、资源合理开发利用和科学管理提供支撑。