基于全球地表水数据的长沙市湿地景观动态变化研究

收稿日期Received：2023-03-14""" 修回日期Accepted：2023-06-16

基金项目：长沙市科技计划项目（kq1801082）。

第一作者：曾哲礼（2242756735@qq.com）。

*通信作者：佘济云（shejiyun@126.com），教授。

引文格式：

曾哲礼，佘济云，唐子朝，等. 基于全球地表水数据的长沙市湿地景观动态变化研究. 南京林业大学学报（自然科学版），2024，48（2）：9-18.

ZENG Z L， SHE J Y， TANG Z C， et al. Dynamic change of wetland landscape in Changsha based on JRC global surface water data. Journal of Nanjing Forestry University （Natural Sciences Edition），2024，48（2）：9-18.

DOI：10.12302/j.issn.1000-2006.202303019.

摘要：【目的】探究长沙市1999—2019年湿地景观的时空演变规律，综合分析长沙市湿地景观格局的动态变化特征，以及自然、人为因素对湿地景观格局的影响机制，为长沙市湿地资源的保护与合理利用提供理论依据。【方法】基于全球地表水数据（GSWD），结合气象、水文等数据，采用湿地分布信息提取、湿地类型划分和景观格局指数的方法，针对湿地季节性和波动变化特征，对长沙市1999—2019年湿地景观格局的动态演变情况进行长期且连续的监测，分析其长时间尺度的演变趋势以及短期的波动变化特征。【结果】①1999年以来，长沙市湿地面积持续增加，其中，永久性河流是长沙市的主要湿地类型。2007—2009年，长沙市湿地景观发生了较大的变化，主要表现为2008年前永久性河流、湖泊分别向季节性河流、湖泊转化，2008年后出现逆转。2017年以前，长沙市湿地景观格局破碎化程度不断加剧，2017年之后开始逐渐恢复。②在自然因素中，长沙市湿地面积受降水和湘江径流量影响较大；在人为因素中，人口的增加和粗犷的社会经济发展模式，会间接导致景观格局破碎化加剧，但政府政策和措施对湿地修复具有强制性作用。【结论】基于全球地表水数据提取湿地信息具有可行性；长沙市湿地面积持续增加，永久性河流及其周边是主要湿地类型。研究结果可为长沙市湿地资源的保护与合理利用提供重要参考。

关键词：湿地；景观格局；全球地表水数据；长沙市

中图分类号：S759；X87""""" 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1000-2006（2024）02-0009-10

Dynamic change of wetland landscape in Changsha based on JRC global surface water data

ZENG Zheli1， SHE Jiyun1*， TANG Zichao2， LUO Chuying1

（1. College of Forestry， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China; 2. Hunan Prospecting Designing and Research General Institute for Agriculture and Forestry Industry， Changsha 410007， China）

Abstract： 【Objective】 The objectives of this study were to explore the temporal and spatial evolutions of wetland landscape in Changsha from 1999 to 2019， to comprehensively analyze the dynamic-change characteristics of wetland-landscape patterns in Changsha in the same period， and to explore the influence mechanism of natural and human factors on wetland-landscape patterns， so as to provide an important theoretical basis for the protection and rational utilization of wetlands in Changsha. 【Method】 Based on global surface water data （GSWD）， combined with meteorological and hydrological data， this paper adopted the methods of wetland distribution information extraction， wetland type classification and landscape pattern index， aiming to achieve long-term and continuous monitoring of the dynamic evolution of annual wetland-landscape patterns in Changsha City from 1999 to 2019 based on the seasonal and fluctuating characteristics of wetlands. In addition， we analyzed the evolution trend of its long time scale， as well as the short-term fluctuation change characteristics. 【Result】 （1） Since 1999， the wetland area in Changsha has been overall increase， with permanent river being the main wetland type. From 2007 to 2009， there was a large fluctuation in wetland landscape， as represented by the transformation of permanent rivers and lakes to seasonal rivers and lakes， respectively， in the early stage， and by the reversal of fragmentation after 2008. The fragmentation degree of wetland-landscape pattern in Changsha continuously intensified until 2017 and later began to gradually recover. （2） The wetland-landscape pattern in Changsha was greatly affected by the natural factors such as precipitation and runoff from the Xiangjiang River and extreme freezing disasters that led to large fluctuations of the wetland-landscape pattern. The wetland landscape pattern in Changsha was also affected by human factors such as growing population and urban expansion that may lead to the intensification， but government policies and measures had a positive effect on wetland restoration. 【Conclusion】 It was feasible to use GSWD to extract wetland information. The wetland area in Changsha had continued to grow， among which permanent river was the main wetland type. The results from this study could provide important scientific references for the protection and rational utilization of wetlands in Changsha.

Keywords：wetland; landscape pattern; global surface water data （GSWD）; Changsha City

湿地是连接水域和陆地的重要过渡地带，在水陆生态系统服务功能中的作用无可替代［1］。但由于受全球气候变化、人类活动等多种因素的影响，我国湿地生态系统存在着如生态结构破碎、生态系统服务价值降低等严重的生态安全问题。同时湿地作为“山水林田湖草生命共同体”中的重要组成部分，对维护我国生态、粮食和水资源安全的意义重大，它的破坏将会给“山水林田湖草系统”的稳定性造成严重影响，同时也会潜在影响区域内经济社会的绿色健康发展。因此，高效且科学地监测湿地生态系统景观格局的动态变化对于湿地生态系统的保护具有重要意义。

近年来，国内外关于湿地景观格局动态变化方面的研究中，基于多期遥感影像解译分析湿地时空演变已成为主流。长沙市地处湘江下游，位于洞庭湖南端，湿地资源丰富，是长江中游的重要生态节点。虽然已有学者对长沙市湿地景观格局演变趋势进行了相关研究，但仅用了3～10期遥感影像对湿地进行分类和时空变化趋势分析。然而湿地本身具有季节性特征，年际间面积波动幅度大，因而单期遥感影像难以反映真实的湿地面积和季节性特征，同时也无法捕捉到湿地景观在短时间内的波动变化。2016年欧盟联合研究中心（The Joint Research Centre，JRC）发布了全球地表水数据集（JRC global surface water dataset，GSWD），该数据有效地弥补了单期遥感影像数据在湿地季节性体现方面的不足。该数据是由Pekel等利用1984—2019年期间400多万幅Landsat遥感影像所生成的，涵盖了地表水域的时空分布、变化强度、相互转化、循环再生、季节性和永久性等信息。近年来，已有一些学者将全球地表水数据应用于湿地范围提取和水文长期演变特征等方面。如刘言基于Google Earth Engine平台，将全球地表水数据和多期Landsat遥感影像数据相结合，解译并分析1984—2018年莫莫格湿地景观，结果表明莫莫格湿地的面积变化趋势主要是递减，景观破碎化加剧、连通性降低。此外，已有相关学者在利用全球地表水数据对湿地进行研究得出了与前人研究相反的结果，并证实了利用全球地表水数据来描述较大时空尺度下的湿地景观演变特征具有可行性和优势性。如Feng等基于全球地表水数据集提取出我国范围内1984—2015年的地表水体，研究我国21世纪前后水体的整体特征和变化，结果表明，大于1 km2的水体总表面积和丰度估计值分别是21世纪前估计值的0.2～0.5倍和0.3～1.5倍；我国水体的大小-丰度和海岸线-面积的关系遵循经典的幂标度律（power-scaling law），而该结论与前人利用传统方法对中国水体特征的研究结论相反。

本研究基于全球地表水数据，针对湿地的季节性和波动变化特征，提取长沙市1999—2019年的湿地空间分布信息并进行分类，对长沙市湿地景观格局的动态演变情况进行长时间且连续的监测，分析其长时间尺度的演变趋势以及短期的波动变化特征，并从自然因素和人为因素两方面出发，探究长沙市湿地景观格局动态变化的驱动力机制。

1" 材料与方法

1.1" 研究区概况及数据来源

长沙市（111°53′～114°15′E， 27°51′～28°41′N）是湖南省省会城市，是国家级“两型社会”示范城市。市域土地总面积11 816.0 km2，下辖6个区、2个县级市和1个县，分别为岳麓区、天心区、雨花区、芙蓉区、开福区、望城区、浏阳市、宁乡市和长沙县。长沙市地处湖南省东部偏北，属湘江下游和长浏盆地西缘，气候类型属于亚热带季风气候，夏冬季长、春秋季短，年均气温约17.4" ℃，年均降水量为1 358.6～1 552.5 mm，年均日照1 583.0 h。长沙市东部和东南部为丘陵岗地，市域中心为湘江冲积而成的台地，构成了中部低、东西部高的鞍型湘浏盆地。长沙市境内地表水系发达，湖泊河流众多，主要有湘江等“一江八河”及其支流；河长5 km以上的支流有302条，其中湘江流域289条。合适的气候、地貌、水文条件使得长沙市地区具有丰富的湿地资源（图1）。

全球地表水数据集（JRC global surface water dataset）是本研究所使用的基础数据（https：//global-surface-water.appspot.com）。该数据集使用1984—2019年间从Landsat 5、7和8获取的400多万幅影像所生成，包含1984—2019年的地表水域位置和时间分布信息，以及地表水域的时空分布、变化强度，季节性和永久性，相互转化和循环再发生等信息。已有研究在30 m的分辨率下，对全球40 124个抽样控制点进行了精度检验（跨越36 a），检验结果显示识别错误率低于1%，遗漏错误率低于5%。气象及水文数据来自中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）、中国水情年报以及研究区省级市级年鉴。

基于Google Earth Engine平台内部的API编程，调取长沙市1999—2019年域内的全球地表水数据集中的年度水体分类历史数据层（JRC Yearly Water Classification History， v1.2），并在ArcGIS 10.6中叠加谷歌地球高分辨率的历史影像进行目视检查和手动矫正，以获取研究区按照季节性和永久性分类的湿地水面范围和位置。其中，季节性湿地水面是一年中只在丰水期才被水淹没的类型，永久性湿地水面是一年中始终被水体淹没的类型。

1.2" 研究方法

1.2.1" 湿地类型划分

依据研究区湿地分布特征和本研究所需，并参照《湿地公约》和GB/T 21010—2017《土地利用分类》中湿地的分类标准，根据湿地水面的位置、形状、结构、纹理等几何特征，通过目视解译法将长沙市湿地分为季节性河流、季节性湖泊、永久性河流、永久性湖泊、滩涂、坑塘水田及其他小型湿地6类（表1）。

1.2.2" 景观格局指数的选取与计算

景观指数可以简化景观类型的特征描述，高度浓缩景观类型的空间配置信息。根据国内外学者在景观生态上的研究成果或方法，结合本研究的分析尺度和研究目标，选取在湿地类型水平上的斑块平均面积（MPS，表征景观格局的异质性特征）、面积加权平均分维度（FRAC-AM，取值为1～2，数值越小表明斑块形状越规整）、景观水平的聚集度指数（AI，值越高说明景观斑块聚集度越高）、分割度指数（LD，值越高表明景观空间结构越离散，连通性越低）、景观形状指数（LSI，数值越大表明景观斑块形状越复杂）、最大斑块指数（LPI，指景观中最大斑块面积占景观总面积的比例），共计6个景观格局指标，利用Fragstats 4.2景观指标计算软件进行相关指数的计算，各景观格局指标的生态学意义见文献［20］。

2" 结果与分析

2.1" 长沙湿地景观分类结果及景观面积动态变化

通过ArcGIS处理分类结果，可以获得1999—2019年长沙市共计21期湿地景观类型的分布图（图2）。利用QGIS 3.14中AcATaMa（Accuracy Assessment of Thematic Maps）插件对长沙市1999年、2009年、2019年湿地分类结果进行分层随机抽样，依次布设抽样点396、397、396个。结合谷歌地球高分辨率历史影像对样本进行精度检验，最终检验分类精度分别为91.16%、91.92%、94.19%，总体均超过90%；Kappa系数分别为0.88、0.89、0.92，均在0.8以上，说明基于全球地表水数据对长沙市湿地进行分类的方法合理、可靠。

长沙市属湘江水系， 湘江自南向北，从湘潭韶山入境，纵贯长沙市区， 经望城区乔口出境。1999—2019年长沙市湿地面积总体呈波动上升趋势（图3）。截至2019年，长沙市湿地面积达到239.34 km2，面积增加了约22%。在研究时段内，长沙市湿地面积年际间波动幅度较小，面积大小范围保持在191.83～263.09 km2。各类湿地景观中，永久性河流的面积最大，其面积约是湿地总面积的35%，总体变化趋势为先减少后增加，截至2019年，面积增长了约7%；坑塘水田等其他小型湿地的面积年际间波动幅度最大，面积增长量最多，20年间，面积增长率达20%以上。此外，其他湿地类型面积变化相对稳定。

综合分析各类型湿地面积的变化曲线（图3）可明显看到，长沙市除滩涂外的各类型湿地面积在2007—2009年间均呈现出大幅度波动。此外，坑塘水田及其他小型湿地的面积在2015—2019年间表现出了一次最大幅度的波动，其面积在2017年达68.41 km2，是1999年以来的最大值。统计可知，2007—2009年长沙市湿地总面积未表现出明显波动，而各湿地类型面积呈现出明显波动变化（图3），这表明在2007—2009期间，长沙市湿地斑块与非湿地斑块之间的转换幅度较小，而各湿地类型之间的转换幅度较大。为了明确2007—2009年长沙市各湿地类型的转换特征，本研究分别建立2007—2008年和2008—2009年湿地类型面积转移矩阵（表2、表3）。结合表2、表3和图3中湿地类型面积变化信息来看， 2007—2008年出现大面积永久性河流、湖泊分别向季节性河流、湖泊转换，2008—2009年则发生逆转。

2.2" 湿地景观格局的动态变化

2.2.1" 湿地类型水平上的景观格局演变特征

斑块平均面积可以定量反映出各类湿地景观的破碎化程度。通过分析长沙市1999—2019年各类型湿地斑块平均面积变化图可以看出（图4a）：永久性河流斑块平均面积最大，年际间波动幅度最大，稳定性较差；其次是永久性湖泊斑块平均面积，波动幅度较小，总体表现出小幅上升趋势；季节性湖泊、季节性河流以及滩涂湿地的斑块平均面积相近，均呈现出小幅下降趋势；坑塘水田及其他小型湿地的斑块平均面积最小，且年际间几乎无明显波动变化。

面积加权平均分维度可定量反映出各类湿地景观空斑块形状的复杂性，其值越大表示该湿地类型斑块形状越复杂。因为河流本身的形状特征是细长型，所以永久性河流和季节性河流的面积加权平均分维度最高。另外，因为长沙市地区的季节性河流主要分布在湘江各支流及次级支流源头处，斑块分布不连续，所以其面积加权平均分维度低于永久性河流。同样，由于滩涂湿地主要分布于湘江及其各级支流两岸，本身也呈扁长形状，所以其面积加权平均分维度也高于除河流以外的其他湿地类型。此外，滩涂湿地面积加权平均分维度总体呈波动下降趋势，波动幅度最大；季节性湖泊和永久性湖泊的面积加权平均分维度相近，且总体上均呈小幅度下降趋势；坑塘水田及其他小型湿地的面积加权平均分维度最低，总体呈小幅下降趋势，但波动幅度最小（图4b）。

2.2.2" 湿地景观水平上的景观格局演变特征

聚集度指数和景观分割度指数可定量反映出湿地景观斑块的聚集和离散程度。由图5a可知，1999—2017年聚集度指数（AI）波动下降，景观分割度指数（LD）波动上升，这表明2017年以前，长沙市湿地斑块的空间分布逐渐离散，然而从2017年开始，该趋势显著反转。景观形状指数（LSI）主要体现景观斑块的形状特征，其值越高代表景观斑块形状越复杂，斑块规整性越差。根据图5b可以看出，景观形状指数同样表现出2017年以前逐年上升而2017年以后开始回转的变化特征。景观最大斑块指数（LPI）表示湿地景观中最大斑块在整体景观中所占的比例，由图5b可知，1999—2017年景观最大斑块指数总体呈现出波动下降的趋势，同样在2017年以后出现小幅度回转。

综合分析各景观格局指数变化特征可知，长沙市湿地景观在1999—2017年间表现出了湿地景观离散程度上升、斑块规整性下降的特征，从而导致湿地景观破碎程度加剧，湿地生态服务价值下降。然而，随着近年来当地政府高度重视对湿地资源的保护及管理，2017年以后湿地景观呈现出离散程度下降、斑块规整性上升的回转趋势。

2.3" 自然、社会及经济指标与湿地景观指标的关系分析

2.3.1" 自然指标与湿地景观指标的相关性

选取长沙市1999—2019年的年降水量、湘江年径流量及平均气温数据作为主要自然指标，利用皮尔森相关系数法分析其与湿地景观指标的相关性（表4）。结果表明，长沙市湿地总面积与年降水量和湘江年径流量存在显著的正相关关系，而与年平均气温之间无显著关系。其中，季节性河流和湖泊、坑塘水田以及其他小型湿地的面积与年降水量具有显著的相关关系；永久性河流、湖泊的面积与湘江径流量具显著的相关关系；滩涂面积与各自然指标的相关性较弱。在景观格局层面，各湿地景观格局指数与年平均气温均无显著关系；最大斑块指数与年降水量存在显著的负相关关系，而景观形状指数、景观分割度指数与年降水量存在显著的正相关关系。此外，景观形状指数和湘江年径流量之间具有显著正相关关系。

2.3.2" 社会经济指标与湿地景观指标的相关性

以长沙市1999—2019年的常住人口、生产总值、各产业生产总值数据作为主要社会经济指标，研究其与湿地景观指标的相关性（表4）。从表4可以看出，常住人口、生产总值以及各产业生产总值与湿地总面积均具有极显著的正相关性，其中，与永久性河流和湖泊、坑塘水田以及其他小型湿地的面积呈极显著正相关，与滩涂面积呈显著负相关，而与季节性河流、湖泊的相关性较弱。在景观格局层面，聚集度指数、景观形状指数对人口、经济指标的变化更为敏感，而景观分割度指数、最大斑块指数与人口、经济指标之间不具显著相关性。

2.3.3" 自然、社会及经济因素对湿地景观的影响

1）自然因素。分析长沙市1999—2019年各自然因子的变化趋势可以看到，分析时段长沙市年平均气温、年降水量和湘江径流量总体上呈波动上升趋势（图6）。各自然因素与长沙市湿地面积的回归分析结果表明：湘江径流量与年降水量的增加将导致湿地面积扩大，而年平均气温的变化对长沙市湿地面积的影响较小。各自然因子对长沙市湿地面积影响程度的从大到小为：湘江径流量＞年降水量＞年平均气温。

2）社会及经济因素。由1999—2019年长沙市常住人口数量及经济生产总值变化趋势可以看到，过去20年长沙市常住人口数量和生产总值持续平稳增长（图7）。由图7可知，人口和经济生产总值的增长将导致湿地斑块的聚集性和规整性下降。

3" 讨" 论

自然条件下，降水量和气温的改变会直接导致湿地植被的生长状况和土壤条件发生改变，从而间接改变湿地的生态环境。随着气温的升高，会加大地表土壤水分的蒸发量，使得土壤的质地发生变化，进而间接影响湿地的形成；随着降水量的增加，土壤含水率提高，直接或间接地为自然湿地的形成提供有利条件。另外，河流径流量的改变将直接影响流域附近湿地的蓄水量，从而造成湿地面积发生变化。通过对1999—2019年长沙市的气候、降水以及水文的变化趋势和湿地面积变化趋势的分析，发现长沙市2005—2007年的年平均气温持续上升，但年降水量、径流量持续下降；同期，长沙市湿地总面积逐年下降，降至近20年来的最低值。同样在2013—2016年间的湿地面积与各项自然因素表现出相似的变化趋势。根据相关性分析结果可知，年降水量与季节性河流、湖泊的面积之间呈显著正相关，湘江径流量与永久性河流、湖泊的面积之间呈显著正相关。综上认为，长沙市的湿地面积变化是由各自然因素共同作用的结果。

在联合国政府间气候变化专门委员会（Intergo-vernmental Panel on Climate Change，IPCC） 发布的2007年全球气候变化报告中，Lemk等的研究发现河流、湖泊在冰冻期随着气候变暖其冰冻圈层出现了融化和缩减，湿地的面积与分布受河流、湖泊冰冻层季节性融化的影响而出现季节性扩张。查阅资料发现，长沙地区在2007年末到2008年初发生了极端气候事件（特大冰冻灾害），由于长冰冻期和严寒期，导致大量湿地水面结冰，这可能是造成2008年研究区永久性湿地大幅向季节性湿地转化的主要因素。

湿地生态系统对于人为干扰和城市扩张具有高度的敏感性。已有学者证明城镇规模的扩大将影响局部地区的小气候从而影响湿地生态景观，并阻断各湿地生态系统之间的连通性。本研究中，1999—2017年长沙市湿地景观破碎化加剧、斑块规整度下降，斑块间的聚集性、连通性降低，主要原因是人口的扩增和经济生产总值的上升。然而，近年来国家及地方政府对生态文明建设的关注度逐渐提高，对湿地资源的保护与管理不断加强，长沙市内多个湿地保护区、湿地公园相继建成。随着各项湿地保护政策和措施落地，2017—2019年，长沙市湿地景观斑块形状趋于规整化，斑块聚集性提高、连通性上升。

以往关于湿地景观格局时空演变的相关研究，大多基于解译3～10期的遥感影像以提取湿地信息。这些传统方法虽然初步满足了对景观总体变化趋势及其驱动力分析的要求，但湿地本身具有较强的季节性，年际间波动幅度较大，单期遥感影像难以反映出湿地景观真实的面积大小和短期内的波动性变化特征。本研究以长沙市连续21年的全球地表水数据作为数据基础，可以准确反映湿地真实面积，且数据样本具有长时间尺度、时间序列连续的特征，提高了数据样本的代表性。此外，将湿地的季节性特征融入湿地类型的划分，不仅能体现湿地景观的长期发展趋势，还能准确捕捉湿地景观在短期内的波动变化。

综上所述，本研究结果表明：

1）利用全球地表水数据在湿地信息提取方面具有可行性。本研究基于全球地表水数据，采用目视解译的方法对湿地进行提取和分类，精度检验结果显示总体精度和Kappa系数分别在90%和0.8以上，表明采用该方法能够准确、高效地提取湿地信息。

2）长沙市湿地面积总体呈平稳上升趋势，但各湿地类型面积存在较大幅度波动。1999—2019年，长沙市湿地面积持续增加，永久性河流是主要湿地类型。截至2019年，长沙市湿地面积达239.34 km2，面积增加了约22%，其中，永久性河流面积最大，约占湿地总面积的35%。在2007—2009年，长沙市湿地景观出现一次较大幅度的波动，表现为2008年以前的永久性河流、湖泊分别向季节性河流、湖泊转换，2008年后发生逆转。1999—2017年，湿地景观破碎化程度不断加剧，而从2017年开始，湿地景观逐渐好转。长沙市各湿地类型中，永久性河流景观破碎化程度最低，年际间波动幅度最大；坑塘水田及其他小型湿地景观破碎化程度最高，年际间无明显波动变化。

3）长沙市湿地景观受自然及人类活动、社会、经济和政策等多重因素影响。在自然因素中，长沙市湿地景观格局受降水和湘江径流量影响较大，其中季节性湿地面积对降水量更为敏感，永久性湿地面积对河流径流量更为敏感。在人为因素方面，人口和经济的增长会间接导致景观格局破碎化加剧，但随着国家及地方政府的各项政策和措施落地，2017年后长沙市湿地景观格局开始向好的方向演化。

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（责任编辑" 郑琰燚）