江苏条子泥垦区景观格局变化与驱动机理研究

俞学志,季耀波,王 炼,徐 敏

(1.南京师范大学海洋科学与工程学院,江苏 南京 210023) (2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

围填海历史悠久,苏北范公堤和浙东大沽塘都是我国围填海工程的杰出代表[1]. 国外的填海造地工程也有近千年的历史[2]. 国外对围填海工程的研究,主要是综合环境模拟和演绎分析等方法,将围填海工程视为系统性研究,经过全面的数据分析,发掘内在规律,最终提出针对性建议[3-4]. 我国围填海的环境生态影响研究前期主要关注单个围填海项目. 孙连成[5]利用实地调查的水质、泥沙等有关数据,通过数值模拟和环境模拟来评估围垦工程对生态环境的影响. 龚文平等[6]对海南省黄龙港填海造陆工程进行系统性研究,得出工程建设对水环境影响不大、对海岸保护作用显著. 当前众多学者已经开始研究我国围填海工程现状和对环境生态的响应. 沈永明等[7]分析江苏围填海相关工程数据,得出历年来江苏围填海垦区聚集性特征、驱动力因子,最终提出了未来江苏沿海围填海工程的发展模式. 徐敏等[8]按照“围填控制线+适宜围填规模”的研究思路,构建了江苏潮滩湿地的质量评估框架,并据此得出了江苏潮滩湿地生态价值;用潮流数学模型计算出了江苏各岸段的围填控制线;构建了潮滩适宜规模评价模型并确定了江苏各岸段的适宜围填规模,为研究潮滩围填规模提供了宝贵经验.

本文选取国内单体规模最大的农业利用型垦区——条子泥为研究对象,统计不同时期景观格局分布和景观演变数据,研究景观格局指数的大小和不同使用类型的面积转移变化,剖析景观演变驱动因素,从而了解大规模围垦工程景观格局演变的过程、特征和驱动因素,为生态保护和修复及相似工程的生态保护规划项目提供参考[9-10].

1 研究区概况

东台条子泥垦区(32°43′N～32°53′N,120°52′E～120°58′E)位于苏北辐射沙脊中部,为梁垛河口至方塘河闸北侧的连陆滩涂[11-12]. 条子泥属滨海相沉积地貌单元[11]. 滩面东部的大型潮沟主要有西大港和东大港,潮滩宽度受其外侧沿岸分布的潮沟控制,南侧的条渔港和北侧西大港末梢均伸入条子泥腹地,形成高涂外围的低洼地带. 条子泥垦区一期建设总面积6 095.62 hm2,东西向距离约3 km,南北长约18 km. 条子泥围填项目按照农业综合开发养殖基地建设标准,将用海区的南侧和北侧洼地区作为生态水库,在用海区南北两侧紧靠围堤和排水闸的低洼海域由里向外依次布置了一级和二级净化池,构建生态式养殖池,形成景观式湿地型池塘,利用循环水集约化池塘养殖技术,建立统一规格养殖池,确立合理的养殖模式,构建人工湿地,合理配比不同功能区.

2 研究数据和方法

2.1 数据来源

2.1.1 遥感影像

表1 遥感影像数据Table 1 Remote sensing image data

图1 研究区影像图Fig.1 Image map of the study area

本文以2010年、2015年、2018年、2020年4期Landsat影像为数据源,数据选取543波段进行合成. 具体见表1.

2.1.2 其他数据

江苏省行政区矢量数据,用以提取江苏省条子泥垦区范围.

2.2 研究方法

2.2.1 遥感影像数据处理

原始遥感影像使用之前,对图像先预处理,包括几何校正、影像增强和条子泥区域的裁剪. 本次配准几何校正的地理参考使用已经进行过精确配准的“江苏及长江三角洲ETM镶嵌影像”,坐标系为CGCS2000. 几何校正使用专业的遥感影像处理软件ENVI5.3,研究区裁剪如图1.

2.2.2 研究区景观分类与解译

综合考虑条子泥研究区的特点、研究区土地覆被和土地利用的特殊性、人类社会活动对生境的影响程度,采用适合垦区的景观类型指标,将研究区景观分为2种基本类型:自然景观和人工景观(见表2),对人类活动影响较小的划分为自然景观,对人类活动影响较大的划分为人工景观[11-12]. 研究区景观的解译标志见表3[13-14]. 最后通过2015年、2018年和2020年实地调查数据点,并结合Google Earth的高分影像,获取各个年份的地物类型点,用于对土地覆盖数据进行精度验证,分类精度较好,均在83.50%以上[15].

表2 研究区景观分类标准Table 2 Criteria for the classification of landscapes in the study area

表3 条子泥垦区景观解译标志Table 3 Landscape interpretation signs for Tiaozi mud reclamation area

2.2.3 景观指数分析法

景观格局指数分析法视为定量研究方法[16]. 计算景观格局指数使用Fragstats4.2软件分析[17]. 本文主要分析景观结构,筛选的指数是为了得到景观的结构信息,各类景观指数计算方法和生态学意义见表4.

表4 景观指数Table 4 Landscape index

2.2.4 景观类型转移矩阵模型

景观类型转移矩阵能够明确表达研究区域一定时间段内的景观类型之间的流失与转移及各类景观面积转移比例[18-19].其数学表达式为:

式中,n为景观类型的总数,本文为光滩、植被、水体、耕地、建设用地、养殖池、未利用地7种类型;i、j分别表示转移前、转移后的景观类型,包括2010—2015年、2015—2020年和2018—2020年3个研究段,S代表土地利用类型的面积.

3 结果与讨论

3.1 景观面积统计

条子泥垦区景观面积在2010—2020年发生了显著的变化,分类结果见图2.根据表5,从时间尺度上看,2010—2015年光滩面积呈现上升趋势,水体面积减少87.38%,植被面积呈现先增加后减少的趋势,与人为开发活动密切相关,主要以垦区内部基础设施配套建设为主.2015—2018年光滩面积减少63.29%,养殖池和耕地面积大幅上升.2018—2020年围垦后水体面积有所上升,各类人工景观面积增加缓慢,表明垦区内开发程度趋向饱和,生态湿地和生态公园的建设成效逐步显现,水体面积大幅增加,生物栖息环境得到改善.

围垦前2010年光滩和水体是主要景观类型,围垦后 2020年耕地、建筑用地和养殖池是人工景观的主要类型,水体面积也明显增加,人为选择及不同的开发利用方式影响着垦区内景观分布.

图2 2010—2020年景观分类图Fig.2 Landscape classification map from 2010 to 2020

表5 各类景观面积及占比Table 5 Various landscape areas and percentages

3.2 景观转移分析

本研究通过Arcgis进行叠加分析,计算出2010—2015年、2015—2020年和2018—2020年研究区各景观类型转移矩阵,见表6、表7和表8,以反映研究区各景观类型的增减状况和转变规律、趋势.

表6 2010-2015年景观面积转移矩阵Table 6 Landscape area transfer matrix from 2010 to 2015 hm2

表7 2015—2020年景观面积转移矩阵Table 7 Landscape area transfer matrix from 2015 to 2020 hm2

表8 2018—2020年景观面积转移矩阵Table 8 Landscape area transfer matrix from 2018 to 2020 hm2

3.2.1 2010—2015年景观转移情况

光滩、水体和植被自然景观少部分转变为人工景观. 其中光滩主要转变为未利用地、植被、建筑用地,转换面积分别为530.10 hm2、398.43 hm2、363.06 hm2,转移比例分别为17.56%、13.20%、12.13%. 水体大多转变为光滩、建筑用地、未利用地,转换面积分别为2 401.65 hm2、131.49 hm2、99.63 hm2,其中光滩转移占比为75.54%;其次为养殖池、植被,转换面积分别为67.23 hm2、64.62 hm2;少量转变为耕地,转换面积为44.55 hm2.

2010—2015年属于建设初期,主要以围垦和内部基础设施配套建设为主,光滩景观较为完整,属于较为原始的阶段. 这也表明大规模围垦的开发周期相对较长,条子泥围垦施工超过20个月,其后还需更长的时间建设内部配套设施,因此围垦竣工初期景观格局变化主要表现为垦区内部的自然演替,叠加少部分开发活动.

3.2.2 2015—2020年景观转移情况

光滩主要转变为耕地、水体和养殖池,转换为耕地的面积为1 327.05 hm2,转移比例为34.12%,转换为水体、养殖池的面积分别为996.75 hm2、752.13 hm2,分别占比25.63%、19.34%. 未利用地主要转变为养殖池,转换面积为377.73 hm2,转移比例为59.65%. 植被绝大多数转变为养殖池,转移比较明显,转换面积达150.57 hm2,转移比例为31.66%;其次转变为水体,转换面积为70.38 hm2,占比为14.80%.

2015—2020年是垦区内部取排水沟渠、道路等基础设施配套完成、种养殖规模快速增加阶段,也是围垦区景观格局快速改变、由自然景观向人工景观转变的阶段.

3.2.3 2018—2020年景观转移情况

光滩和水体几乎全分布在条南和条北生态公园内,其中光滩主要转变为水体,转换面积为764.82 hm2,转移比例高达53.50%,人工景观面积增加较少.

该时间段为垦区内生态优化开发阶段,开发规模增加有限,种养殖规模开发强度趋于稳定,生态类景观的面积和格局得到关注和保护,并通过生态公园和生态湿地的建设加以保护和提升.

3.3 景观格局指数分析

选取斑块数量、斑块密度、景观蔓延度指数、香农多样性指数、香农均匀度指数、景观形状指数、最大斑块指数、斑块结合度来分析条子泥景观格局变化.

3.3.1 景观破碎度指数分析

表9 景观破碎度指数Table 9 Landscape fragmentation index

景观的破碎化可用斑块数量、斑块密度和最大斑块占景观面积比例等指数进行分析(见表9). 2010—2018年,斑块数量不断增加,从18个逐渐增加到165个,斑块密度从0.274 9个/hm2增加到2.520 1个/hm2,直接反映了该时段内垦区景观的严重破碎化现象;最大斑块面积占比由46.514 6%下降至14.853 8%,分析其原因,在此期间垦区内进行大规模开发,耕地、养殖池新增斑块数量剧多且规模不一,同时也使得原来成片的大面积光滩、水体被分割开来,形成了一些小斑块. 2018—2020年,斑块数量有所减少,由165个缩减到143个,斑块密度由2.520 1个/hm2减少到2.184 1个/hm2,表明景观破碎化减小,最大斑块面积占比由14.858 3%增加到17.724 4%,说明2018—2020年垦区内开发活动趋于饱和,部分种养殖小斑块转换为未利用地,条南条北生态湿地建设使得水体连通性增加,斑块破碎度降低,生态修复效果明显.

3.3.2 景观聚集度指数分析

景观的聚集程度主要与蔓延度指数、景观形状指数、斑块结合度等指数相关,见表10. 2010年,垦区景观蔓延度指数为67.538 3%,相对较高,分析其原因,垦区内处于未开发的原始状态,光滩和水体等优势斑块类型连通度极高. 到2018年,景观蔓延度指数下降为45.468 7%,说明垦区内原有优势斑块类型破裂,空间优势大大降低,此期间垦区开发活动剧烈,原来光滩、水体优势斑块被部分耕地、养殖池所取代. 2010—2018年景观形状指数大幅上升,由5.769 4增加到13.320 4,说明垦区内斑块形状不规则化现象严重,长条形、指型等过多不规则斑块形状的出现导致原本适宜物种繁衍生存的斑块不再适合栖息,影响了生态平衡,自然景观逐步转变成养殖池和耕地,最终导致自然景观的主导趋势降低. 2018—2020年,斑块结合度变化不大,景观形状指数由13.320 4下降到11.464 8,景观蔓延度指数也有所上升,说明垦区内不规则斑块形状有所减少,物种栖息地得到改善,生态环境相对平衡.

3.3.3 景观多样性指数分析

条子泥垦区的景观多样性指数见表11. 2010—2018年香农多样性指数由0.905 2增加到1.751 5,反映出垦区内景观异质性不断增高,景观类型较为复杂,2018—2020年香农多样性指数有所下降,表明景观类型多样化有减弱趋势;香农均匀度由2010年的0.562 4上升到2018年的0.900 1,2018—2020年有所好转,可见自2018年景观变得均匀,表明垦区生态环境的稳定性、生态系统的抗干扰能力得到加强,生态恢复效果较为明显. 2018—2020年为垦区优化开发阶段,开发强度逐渐减缓,渔业资源恢复、滨海湿地生态与景观修复和建设、生态岸线建设等生态修复措施实施效果显著.

表11 景观多样性指数Table 11 Landscape diversity index

表10 景观聚集度指数Table 10 Landscape aggregation index

3.4 驱动力因素分析

景观格局演变驱动力主要为自然驱动力和人为驱动力,同一地区景观格局的演变可能是由于单个或者多个驱动力因素的相互作用. 由于围垦工程的实施,垦区内受自然条件影响的程度急剧减弱,同时垦区内开发和生态保护修复活动的持续推进使得垦区景观格局的演变主要是人为因素的影响,因此本文主要分析人为主导驱动力.

2010—2018年条子泥围垦区主导驱动力为大规模种养殖地的建设. 条子泥垦区在此期间水产养殖、水稻和小麦种植活动及生态补偿有关工程措施驱动垦区内景观格局变化,垦区内景观破碎化趋势不断上升,斑块数量和景观形状指数都有所增加,其中种养殖地的拓张作为一个主导驱动力,其造成的主要影响为:养殖生产规模剧增、养殖和耕地缺乏高效的管理、垦区内部环境污染加剧、生物栖息环境得不到保障. 此外,人工景观扩张明显,作为区域内属于绝对优势景观的光滩被其他人工景观大量占据,使得垦区景观的破碎化严重,分离性加大,空间上景观呈现松散的现象. 2018—2020年景观破碎化趋势有所减缓,主要由于世界自然遗产候鸟栖息地和调整后生态红线的保护、条南条北生态湿地与生态公园建设、部分种养殖小斑块转换为未利用地,垦区内开发强度趋向饱和,开发力度减缓,水产养殖、水稻种植等产业逐渐形成规模化,此时间段景观格局驱动力因素主要是生态与景观修复、生态岸线建设等生态修复工程.

3.5 讨论

(1)从景观生态规划角度,针对此类大规模围垦区,建议在工程规划、设计阶段要兼顾生产活动和生态保护修复,做好垦区景观格局规划,提升垦区生态功能. 自然景观功能的自动修复,需要维持其自然属性特征和边界形状,发挥其自然生态服务功能的价值. 耕地斑块空间分布特征与耕地景观的生态化紧密相关,耕地对农业产量及营养的扩散与输送十分重要. 耕地景观空间格局的优化需要对耕地的布局在空间上进行调整,以此影响耕地景观的生态过程,进而实现景观功能的利用最大化,以此来协调经济价值和生态价值,耕地利用与景观保护要互相协调.

(2)加强垦区内生态环境质量的动态监测和跟踪管理. 根据生态围垦的原则,围垦实施后,应进行水文、地形、海洋生态环境的跟踪观测和调查,并根据观测和调查结果,实时研究景观格局演变过程中的元素、生态要素等变化过程和机理,并关注对碳增汇的作用,对围垦过程中产生的动态污染,应立即查明污染源,采取保护措施.

4 结论

本文以条子泥为研究区,利用2010年、2015年、2018年和2020年Landsat系列遥感影像和生态调查数据,通过3S技术将研究区景观分为7类,应用景观生态学技术,分析围垦对研究区景观格局演变的影响,综合考虑研究区景观格局驱动因素,分析围垦带来的景观格局变化. 主要研究结论如下:

(1)2010—2018年各类景观面积消长变化快速,面积显著增加的是耕地和养殖池,明显减少的为光滩、水体. 2018—2020年,景观面积仍有变化,条南条北生态湿地面积增加,生态公园建设,水体面积得到明显提升.

(2)2010—2018年景观斑块数量增多,趋向破碎化、离散化;景观均匀度上升、多样性增加、自然景观优势度降低. 2018—2020年斑块数量减少,景观破碎化趋势降低;景观均匀度、多样性下降.

(3)围垦区景观格局主导驱动因素为人为因素,2010—2018年种养殖活动的大力发展为主要驱动力,2018—2020年主要驱动力是垦区内生态保护修复活动.

(4)开发与生态保护修复为围垦区景观格局变化的主导驱动力,协调好围垦区开发与生态保护,可以优化改善景观格局,大幅度提升垦区生态功能,在一定程度上弥补因围垦工程造成的生态环境影响和损失.