1980—2015年黄河流域山东段湿地景观格局与干扰度动态变化研究

黄俊涵，付梦雨，邱冬冬，倪盼盼，曲荷盈，王 萍

（曲阜师范大学 地理与旅游学院，山东 日照 276826）

0 引言

黄河流经山东省9个县（市）区，每年为山东省供水70多亿立方米，是山东省经济社会发展的重要保障。黄河流域湿地是东亚乃至全球重要的水禽繁殖与栖息地，其中，黄河三角洲湿地是我国暖温带地区最年轻、最广阔、最完善的新生湿地生态系统[1-2]。湿地生物多样性丰富，在维持区域生态平衡等方面发挥着巨大作用。黄河流域生态景观的稳定是维持区域生态服务功能稳定和实现生态经济可持续发展的前提[3-5]，然而由于人类对湿地功能与价值认识不足，在急于追求经济利益的环境下，对土地进行不合理利用和开发，使湿地资源的可持续利用受到威胁[6-7]，湿地面积减少且污染程度日趋加重，生物多样性受到严重挑战，生态系统受到不同程度的破坏。

近些年来，湿地生态环境的原始性、脆弱性和可持续发展一直是政府和学术界所关注的问题[8]。1978年美国生态学家康奈尔等人提出了中度干扰假说，陈利顶等学者认为适度的干扰可以促进生态系统的演化和更新，有利于生态经济可持续发展[9]。针对人为干扰度以及景观格局变化响应机制，基于地理信息系统与遥感技术，与生态学理论方法相结合，大量研究从“湿地保护与管理”[10-13]、“数字湿地 系统”[14-15]、“受损湿地恢复”等[16-18]方面展开，发现湿地变化受自然、人为因素综合影响，且人为干扰影响较大。土地利用方式及景观格局变化规律是空间尺度上进行湿地生态修复与评价等工作的基础与前提，黄河三角洲“湿地动态监测”[19-21]、“景观格局变化”[22-24]、“景观格局驱动力”[25-27]相关研究较多，人为驱动力因素是引起景观格局变化的主要因素。本文响应黄河流域生态保护和高质量发展的号召，顺应山东省新旧动能转换综合试验区建设需求，以1980—2015年黄河流域山东段湿地资源及景观格局时空变化为研究对象，深入分析黄河流域山东段湿地景观格局演变规律及其驱动机制，揭示不同经济类型区内湿地与非湿地、不同湿地类型之间的转化特征，为全面推进黄河流域山东段湿地生态保护与经济产业提升协同发展提供理论参考。

1 研究区概况

黄河流域山东段位于山东省西、北部，全长628千米，包括菏泽、聊城、德州、滨州、东营、济宁、济南、淄博、潍坊、泰安等十市所辖的59个县（市、区），2020年10市生产总值达39 003.77亿元；地处暖温带半湿润季风气候区，降雨集中在7~9月，年降水量大于480毫米，温度在11.7℃~14.2℃之间；地形以山地丘陵和平原为主，西南部地势低平，中部属丘陵地区，黄河三角洲为陆地最低处。

2 数据来源与处理

2.1 研究区范围

本研究选用HydroSHEDS平台上的Basinoutlines 30sec resolution数据，对照国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据共享平台-黄河下游科学数据中心（http://henu.geodata.cn）的黄河干流变迁数据，核对黄河干流的流路信息；对照高分辨率遥感影像（6~8月份），参考黄河统计年鉴数据，删除有误的流域范围数据，添加永丰河流域、小岛河流域及入海口处的部分黄河故道。最终，完成黄河流域山东段范围的修订（图1），总面积共23 547.80平方千米。

图1 黄河流域山东段流域范围图

黄河流域山东段各县（市、区）的经济发展模式不同，大致可归并为三个经济类型区：鲁西南农业区（菏泽市3个县区、聊城市3个县区、济宁市2个县区）、济南都市圈（济南市10个县区、泰安市6个县区、淄博市3个县区）和黄河三角洲高效生态经济区（德州市1个县区、滨州市2个县区、东营市4个县区）。鲁西南农业区地下矿产资源丰富，工业发展较快，农业生产以平原农业耕作的方式为主；济南都市圈二三产业产值比重高，2017年人均GDP为7.02万元，城镇化率63.3%；黄河三角洲高效生态经济区是我国重要的后备土地资源开发区和高效生态经济示范区。

2.2 土地数据重分类

本研究利用的土地数据来自国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据共享平台-黄河下游科学数据中心（http://henu.geodata.cn）Landsat TM解译数据，空间分辨率为100米。参考《湿地公约》和《土地利用现状分类》（GB/T21010-2017），借鉴Laura R.Musacchio[28]的研究成果，并结合黄河流域山东段湿地景观的特点及分布，对研究区土地利用类型进行重分类，包括湿地和非湿地两大类，其中湿地包括河渠、湖泊、水库坑塘、滩地、滩涂、沼泽地6类，非湿地包括耕地、林地、草地、建设用地、未利用地5类。1980—2015年黄河流域山东段土地利用类型分布见图2。

图2 黄河流域山东段土地利用类型分布图

2.3 景观指数选取

景观格局指数高度浓缩景观格局信息，定量反映其结构组成和空间配置等方面的特征[29]。本研究根据黄河流域山东段湿地分布特点，参考孙姝博等[25]的选取类别，在类型水平上选取最大斑块指数（LPI）、斑块数量（NP）、聚集度指数（CLUMPY）、斑块密度（PD）和平均斑块面积（AREA_MN）5个指数；景观水平上选取蔓延度指数（CONTAG）、景观形状指数（LSI）、香浓多样性指数（SHDI）、香浓均匀度指数（SHEI）4个景观指数来描述研究区的景观格局。将1980—2015年黄河流域山东段土地利用类型数据的Tiff文件导入Fragstats 4.0软件，利用Fragstats 4.0软件来完成景观指数的计算和处理。

2.4 景观干扰度

2.4.1 景观干扰度计算。由于自然或人为干扰，导致景观由单一、均质和连续的整体向复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体变化。本研究以反映景观格局的基础指标为依据，通过不同指数的叠加来反映不同景观所代表的生态系统受干扰的程度[30]，选取与干扰密切相关的景观破碎度、分维度倒数和优势度来构建景观干扰度指数公式[31]：

式中，Ui为景观i的景观干扰度；Ci为景观i的破碎度指数；FDi为景观i的分维度倒数；FIi为景观i的优势度指数；a、b、c为权重，反映各指数对景观所代表生态环境的影响程度。

景观破碎度指数（Ci）反映整个景观或某一景观类型在给定时间和给定性质上的破碎化程度[31]，其公式如下：

式中，ni为景观类型i的斑块数；Ai为景观类型i的总面积。

景观分维度倒数（FDi）表示斑块形状的复杂程度[31]，取值范围为1~2，其公式如下：

式中，FRAC_MN为平均斑块分维度；pij为景观斑块ij的周长；aij为斑块ij的面积；N为全部景观的斑块总数。

景观优势度（FIi）表示斑块对景观格局形成和变化影响的大小[31]，其公式如下：

其中，频度=斑块i出现的样方数/总样方数；密度=(斑块i的数目/斑块的总数目)；比例=斑块i的面积/样方的总面积。

据此，根据黄河流域山东段景观类型及格局特征，借鉴前人的相关研究成果，综合分析研究区各景观指数对生态环境贡献的实际情况，将破碎度指数、分维度倒数和优势度指数的权重分别设定为0.5、0.3和0.2[31-34]。

2.4.2 评价单元的划分。根据研究区范围和采样的工作量，参考高宾[32]、王娟[35]、邸晓慧[36]等的研究成果，将研究区域划分为10 km×10 km的正方形网格，采样方式为等间距格网采样法，共划定样区312个（见图3），计算每一个样区的景观干扰度，以此作为样区中心点的属性值，利用克里金插值法进行数据处理，最终得到黄河流域山东段各年期景观干扰度空间分布图。

图3 黄河流域山东段景观干扰度评价单元划分

3 结果与分析

3.1 湿地变化分析

3.1.1 整体变化分析。通过土地利用转移矩阵（land use change matrix）描述在不同年份发生变化的土地类别以及发生变化的位置和变化的面积。由图2可知，耕地一直是研究区的优势地类，占研究区总面积的60%以上，2015年达到14 324.18平方千米；土地利用类型面积排序依次是耕地＞建设用地＞草地＞湿地＞林地＞未利用土地。研究区湿地面积占总面积的6.3%~8.1%，1980—2000年间湿地面积持续减少，2000—2015年间湿地面积增加了280.80平方千米。湿地地类中，河渠、滩涂、滩地均呈“先减少后增加”的趋势，但2015年三类湿地面积相较于1980年仍有所下降，缩减面积分别为40.13平方千米、86.88平方千米、113.86平方千米；湖泊面积呈“增加-减少-增加”的趋势，2015年的面积相较于1980年增长了23.61平方千米；水库坑塘面积呈波动上升趋势，1980—2015年增加143.92平方千米；沼泽地面积的波动幅度最小。在非湿地类型中，耕地与建设用地的面积均呈增长趋势；林地先减少后增加，1980—2015年增加189.62平方千米；草地面积先增长后减少；未利用土地面积一直下降。研究区地类间转化主要发生在中部和北部，中部以非湿地地类之间转换为主，北部的现代黄河三角洲地区以湿地与非湿地之间转化为主。由图4可知，黄河带来大量泥沙在入海口处淤积，东营市东北部的土地面积不断扩张，新生土地类型多由湿地逐渐转换为非湿地。

图4 1980—2015年黄河三角洲土地利用类型分布

在湿地与非湿地的转换过程中，湿地与耕地之间的转换最为密切（表1）。1980—2015年研究区内湿地主要转换成耕地，面积达401.06平方千米；同时耕地也是湿地增加的主要来源，1980—2015年总计有133.20平方千米的耕地转换为湿地。湿地地类间的转换也较为密切，在1980—2015年间有25.67平方千米的滩地转化为河渠，50.21平方千米的河渠转化为滩地；6.5%的滩地、3.9%的滩涂和2.0%的沼泽地转化为水库坑塘。非湿地地类间转换中，耕地转换为建设用地的面积最多，1980—2015年共有828.77平方千米的耕地转为建设用地，2000—2015年的转换数量较大；草地和未利用土地转换为耕地的面积最多，分别为454.19平方千米和163.99平方千米，其中，2000—2015年共有450.51平方千米的草地转换为耕地。

表1 1980—2015年土地利用转移矩阵（km2）

3.1.2不同经济类型区内土地利用变化分析。1980—2015年，由于居民生活用地与生产用地的需求量大，各经济类型区建设用地均有大幅度增加；济南都市圈和鲁西南农业区耕地减少不显著，黄河三角洲地区耕地补充量较大，这与我国坚持最严格的耕地保护制度密切相关，山东省推行“田长制”，确保完成耕地保有量目标。鲁西南农业区和黄河三角洲高效生态经济区内的湿地面积减少幅度较大，分别达到50.1%、42.8%；而济南都市圈内湿地面积呈现小幅度增加，总体上升5.2%（表2）。黄河三角洲高效生态经济区自20世纪50年代便开创了“引黄”事业，推动了水库坑塘的建立[37]，水库坑塘湿地面积增加幅度高达107.9%；济南都市圈作为山东省重要经济圈，建设用地需求旺盛，建设用地扩张占用部分滩地、未利用地，同时济南市政府积极建设各级湿地公园，湿地面积整体小幅度增加；鲁西南农业区建设用地、草地面积增幅较大，部分被建设用地占用的耕地通过湿地开发补足，造成各类湿地面积大幅减少。

表2 1980—2015年不同经济类型区内各地类面积变化幅度（%）

3.1.3 景观格局变化分析。从类型水平看（图5），1980—2015年，湖泊、河渠、滩地的最大斑块指数（LPI）比较稳定，各类湿地的斑块数量（NP）和聚集度指数（CLUMPY）均比较稳定。水库坑塘、滩地、河渠的斑块数量（NP）较高，滩涂、湖泊的聚集度指数（CLUMPY）较高。滩涂是黄河流域山东段的优势湿地景观类型，主要分布于黄河入海口地区。1980—1990年，滩涂主要集中分布于黄河入海口中部及其北部沿海地区，滩涂的最大斑块指数（LPI）变化幅度较大，总体呈降低的趋势；1990—2000年，部分内陆滩涂转化成草地和建设用地且分布区南移，主要集中于黄河入海口的南部沿海地区，2000年数值最低；2000—2010年，滩涂又从黄河入海口的南面向北面扩张，滩涂斑块数量增多，滩涂的斑块密度（PD）增加；2010—2015年，滩涂整体又往黄河入海口南面迁移，东营市北部的滩涂与入海口地区的部分内陆滩涂消失，导致平均斑块面积（AREA_MN）数值大幅度下降。总体来看，1980—2015年，滩涂的平均斑块面积（AREA_MN）持续下降，滩涂的斑块密度（PD）增加，反映了滩涂的景观破碎化程度在增加，人类活动对滩涂的干扰逐渐增多。

图5 黄河流域山东段湿地类型水平指数动态变化

从景观水平上看（表3），研究区景观蔓延度指数（CONTAG）稳定在中等水平，数值在56.54~58.78之间；景观形状指数（LSI）在2010年有显著的降低，总体来看稍有增长，说明景观斑块形状趋于不规则，复杂度略升；香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度系数（SHEI）总体呈下降趋势，其中1980—1990年下降幅度较大，1990—2015年趋于稳定，说明研究区景观格局先期变化显著，景观异质性强烈，后期稳定在相对较低的水平。

表3 黄河流域山东段湿地整体景观水平指数动态变化

3.2 景观干扰度变化分析

3.2.1 整体变化分析。根据各年份干扰度指数的范围并参考梁二敏[31]、高宾[32]、邸晓慧[36]等的研究，对黄河流域山东段景观干扰度进行分级：U≤0.7为极低干扰度，0.7＜U≤0.8为低干扰度，0.8＜U≤0.9为中干扰度，U＞0.9为高干扰度。1980—2015年，黄河流域山东段景观干扰度整体呈上升趋势，研究区景观干扰度总体呈现中部高、南北低的态势（见图6），各经济类型区的景观干扰度排序为济南都市圈＞鲁西南农业区＞黄河三角洲高效生态经济区。景观干扰度高值区主要集中于济南都市圈的济南、泰安两市，低值区主要分布于黄河三角洲高效生态经济区的东营市，到2015年，黄河三角洲高效生态经济区内低干扰度区域面积显著减小。

图6 黄河流域山东段湿地景观干扰度空间格局图

3.2.2 不同类型湿地的景观干扰度变化分析。1980—2015年，湖泊、河渠、滩涂景观干扰度较低，沼泽地、水库坑塘、滩地景观干扰度高，各类型湿地景观干扰度多呈波动变化状态（表4）。河渠景观破碎度先增加后减少再增加，优势度呈现增加趋势，分维度倒数波动较小；湖泊景观破碎度呈现波动减少态势，优势度指数、分维度倒数呈现先减少后增加趋势；水库坑塘景观破碎度呈现先增加后减少再增加的趋势，优势度呈现波动减少的趋势，分维度倒数总体呈现增加趋势；滩涂景观破碎度呈现增加态势，优势度指数呈现减少趋势；滩地景观破碎度先增加后减少，优势度指数波动较小，分维度倒数呈现先减少后增加的趋势；沼泽地景观破碎度呈现先减少后增加的趋势，优势度呈现先增加后减少再增加的趋势，分维度倒数总体呈现减少趋势。总体上看，由于景观破碎度所占比重较大，且其他构成指标变化不显著，景观干扰度主要随景观破碎度变化而变化。

表4 黄河流域山东段湿地景观干扰度构成指标变化表

4 结论与讨论

（1）1980—2015年，黄河流域山东段湿地总面积先减少后增加，总体减少72.85平方千米。其中，水库坑塘面积增长最多，增加143.92平方千米；滩地面积减少最多，减少113.86平方千米。各类湿地面积变化特征也不相同，湿地和耕地之间的转换现象显著。其中滩涂、滩地受自然因素如水文气候变化等影响，主要退化为盐碱地；而沼泽受人为因素的干预，主要围垦成耕地；人为修建水库减少了湖泊、沼泽、滩涂等湿地的上游水源，导致湖泊萎缩、沼泽、滩涂等湿地变干。分析不同湿地类型转移变化的差异性，可以发现湿地动态变化的驱动因素主要有两个方面[38]，其中自然因素主要有水文气候变化及原生环境改变，人为因素主要有农田的过渡开垦及水利工程阻碍水循环过程，同时人为和自然因素之间也存在着反馈机制。

（2）鲁西南农业区和黄河三角洲高效生态经济区内的湿地面积减少显著，减少幅度分别为50.1%、42.8%；济南都市圈内湿地面积呈小幅度增加趋势，总体上升5.2%。这是由于各经济类型区的地方性土地政策与经济发展水平不同，导致各经济类型区的土地利用变化存在差异，如济南市政府近些年来积极响应生态文明建设政策，修建各级湿地公园，湿地生态系统得到一定程度的恢复。因此，研究区范围内要加强土地利用规划管控与用途管制，积极开展一系列促进生态文明建设的工作。

（3）从类型水平看，湖泊、河渠、滩地的最大斑块指数比较稳定，各类湿地的斑块数量和聚集度指数均比较稳定，水库坑塘、滩地、河渠的斑块数量较高，滩涂、湖泊的聚集度指数较高。从景观水平上看，说明研究区景观格局先期变化显著，景观异质性强烈，后期稳定在相对较低的水平上。

（4）黄河流域山东段景观干扰度整体呈上升趋势，各经济类型区的景观干扰度排序为济南都市圈＞鲁西南农业区＞黄河三角洲高效生态经济区。沼泽地、水库坑塘、滩地景观干扰度高且变化幅度大，湖泊、河渠、滩涂景观干扰度低且变化幅度较小。分析得出研究区域内的景观干扰度与经济发展水平呈正相关，经济发展较高的地区，建设用地占用较多，景观干扰度较高；但干扰度也会在地方政策的影响下，如《山东黄河三角洲国家级自然保护区条例》等，强调对湿地景观加以强制性的干预与保护，因此对应地区的景观干扰度则会降低。

近年来有学者面向整个黄河流域研究湿地格局与变化，例如张佰发等[39]基于土地利用类型转移矩阵和空间自相关，从城市群、省、市、县多尺度入手，对黄河流域土地利用状况及变化进行探究；黄翀等[40]利用“北京一号”小卫星数据对黄河流域2006年湿地格局进行监测，在GIS技术支持下分析湿地资源分布的影响因素。更多研究成果是以黄河三角洲作为研究对象，例如宋雨桐等[41]确定了黄河三角洲景观最适宜分析粒度、尺度，进行景观格局脆弱性演变规律分析；王永丽等[42]从景观面积变化、景观斑块特征和景观整体水平格局等方面，对比研究了黄河三角洲2000年和2009年湿地景观格局变化；郭笃发等[43]根据1986年、1996年和2001年土地覆被数据，研究渤海海岸线缓冲带土地利用和景观格局变化，分析了渤海的影响程度与范围。本文以黄河流域山东段作为研究区，从类型水平、景观水平和干扰度指标入手，有针对性地总结了黄河下游地区湿地类型及景观格局的变化特征，同时，对比分析了不同经济类型区内湿地景观变化差异，提出今后湿地保护措施，为湿地变化研究提供新的视角与思路。但本研究也存在一定局限性，当前土地覆被解译数据对湿地分类不够详细，譬如盐田地类的归并原则前后并不统一；湿地面积的变化受极端天气如干旱等影响剧烈，本文未针对特殊年份进行分析。