黃河三角洲新生濕地景觀格局特*征及其動態變化——以墾利縣為例

王薇,陳為峰,王燃藜,甘運賢

（1.山東農業大學資源與環境學院,山東泰安271018;2.山東省水利科學研究院,濟南250013;3.棲霞市交通局,山東棲霞265300;4.兗州市國土資源局,山東兗州 272100）

濕地景觀格局取決于濕地資源的分布和組分,與濕地生態系統抗干擾能力、恢復能力、穩定性、以及生物多樣性有著密切的聯系。同時,濕地景觀格局不是一成不變的,目前的格局是在過去的景觀流的基礎上形成的[1-4]。因此,對典型濕地生態系統原生景觀結構及其特征進行定量分析,是研究不同類型濕地功能與機理變化的基本前提,可為研究濕地環境變化及其生態效應提供科學依據,對于開展濕地資源保護與恢復具有重要意義[5]。國內對濕地景觀格局變化的研究始于20世紀90年代,主要采用景觀格局空間分布特征指數和景觀異質性指數來研究濕地景觀格局的變化[6-10]。

本文所研究的新生濕地是從1976年黃河改道至今,現黃河入海口所在地。黃河三角洲新生濕地是典型的河口灣和濱海濕地生態系統,具有豐富的生物資源。本文基于景觀生態學相關理論和方法,以墾利縣為例,在“3S”技術支持下以TM影像為信息源,構建區域濕地分類系統。采用斑塊類型面積、斑塊個數、分維數、斑塊密度、斑塊分離度、最大斑塊指數、景觀形狀指數、景觀聚集度指數、景觀多樣性指數、景觀均勻度指數等空間格局指數,運用GIS、FRAGSTATS 3.3軟件,提取墾利縣濕地生態景觀格局信息,并利用各景觀指數系統分析近20年墾利縣濕地的景觀格局特征、動態變化及其主導驅動因素,以期為黃河三角洲新生濕地的科學管理和保護提供科學依據。

1 研究區概述

黃河三角洲位于黃河入海口,北臨渤海,東靠萊州灣,90%以上屬于東營市管轄。墾利縣隸屬于山東省東營市 ,位于北緯 37°21′-38°09′,東經 118°24′-119°10′,處于黃河下游入海口的黃泛平原上,是黃河三角洲新生濕地生態系統的最典型區域。本區屬于海陸相互沉積的退海之地,土壤是在黃河沖積物上發育而成的潮土和輕重不同的鹽化潮土,表層土壤質地為中壤和重壤;現存排灌條件一般,潛水埋深較淺,礦化度高;地貌為淺平洼地與微斜平地;屬溫帶半濕潤季風氣候區,年平均氣溫11.9℃,平均降水量592.20 mm,年平均蒸發量1 908.20 mm。全縣轄 5個鎮、2個鄉和2個辦事處,332個村,21.24萬人[11],總面積2 204.00 km2,其中耕地面積540.78 km2。

2 研究資料與方法

2.1 濕地景觀分類

根據《全國濕地資源調查與監測技術規程》(林業部,1997),以濕地形成動力因子為主導,綜合考慮濕地的水文、生態等要素,堅持科學、實用的原則,結合黃河三角洲濕地的實際情況,將該區濕地分為人工濕地(灌溉水田、坑塘水面、養殖水面、人工溝渠、水庫水面、鹽田)和天然濕地(河流水面、葦地、灘涂、灘地)兩大類共10種濕地類型(表1)。

表1 黃河三角洲墾利縣濕地遙感解譯標志(TM432RGB合成影像)

2.2 遙感影像解譯

根據研究區土地利用狀況及主要農作物物候歷,選擇1987年5月 7日和2004年11月2日的渤海灣幅兩期遙感影像,并根據各波段的數據統計特征及其合成后的目視效果,選擇對綠色植被反應敏感的TM4,3,2波段進行RGB假彩色合成。

以校正好的2004年11月2日圖像為基準圖像,校正中采用北京54坐標系,在Viewer中打開需要校正的遙感影像,利用Raster菜單中的Geometric Correction命令,在兩幅圖像上選擇39個同名地物點作為控制點,應用多項式校正模型和雙線性內插重采樣對1987年5月7日的圖像進行校正,校正精度為0.39個像元[12-14]。

采用非監督分類,按照像元的光譜特性進行統計分類;對分類后的圖像進行分類后重組,聚類統計,去除分析和鄰域分析等操作,按照先前確定的分類方案,參考土地利用現狀圖信息、野外調查資料以及圖像的空間結構、紋理信息對圖像進行判讀,合并相同類別地物,糾正錯分像元,得到最終的遙感影像分類圖象[15、16](附圖5、附圖6)。

2.3 景觀指數選擇與提取

基于研究目的和黃河三角洲地區濕地景觀特征,選取能確保計算精度的10個指標,其中在斑塊類型級別上選用了8個指標“斑塊面積、斑塊占景觀總面積的比例、斑塊個數、斑塊分維數、斑塊密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數、景觀聚集度指數”,在景觀級別上選用了2個指標“觀多樣性指數、景觀均勻度指數”。FRAGSTATS是由美國俄勒岡州立大學森林科學系開發的一個景觀指標計算軟件,本研究運用的是基于 WINDOWS操作系統的FRAGSTATS解3.3版本,該版本界面友好,以 ARC/INFO或ARCVIEW為基本工作環境,支持ARC/INFO、IDRISI、ERDAS等多種格式的矢量與柵格數據,通過對濕地分類結果圖編輯及格式轉換后,得到30 m×30 m精度的網格數據,分別進行各個層級的景觀指數提取[17-18]。

3 結果與分析

3.1 不同時期各類型濕地面積變化分析

由表1可以看出,1987年濕地總面積94 331.61 hm2,占墾利縣總面積的比例42.80%,其中天然濕地面積為62 249.54 hm2,占濕地總面積的65.99%左右;人工濕地32 082.06 hm2,占濕地總面積的34.01%。由于各種原因濕地遭到破壞,受到威脅,2004年濕地面積為88 176.48 hm2,濕地面積較1987年下降6 155.13 hm2,占墾利縣總面積的比例40.01%,其中天然濕地面積為53 266.50hm2,占濕地總面積的 60.41%左右;人工濕地 34 909.99 hm2,占濕地總面積的39.59%。由此可見,灘涂和葦地是墾利縣最主要的天然濕地類型,濕地景觀面積在研究時段內呈顯著下降趨勢,17 a共減少6 155.12 hm2,平均每年減少362.07 hm2,其中灘涂濕地面積減少幅度最大3 894.78 hm2;從各濕地類型之間的轉換來看,各種濕地景觀之間、濕地和非濕地之間相互轉化和逆轉并存,灘涂和葦地與其他地類轉換頻繁。

3.2 斑塊類型級別上景觀格局指數變化分析

由表2、3可知,近20年,灌溉水田面積減少1 531.61 hm2,斑塊個數增加662,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.095 2,最大斑塊指數由0.287增加到0.538 8,景觀形狀指數增加,聚集度減少0.43%;坑塘水面面積增加2 400.85 hm2,斑塊個數增加950,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.082 3,最大斑塊指數由 0.028 7增加到0.104 8;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少0.55%;養殖水面面積增加344.76 hm2,斑塊個數增加1 118,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.118 0,最大斑塊指數由0.829 8增加到1.532 7;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少 0.02%;人工溝渠面積減少 1 554.19 hm2,斑塊個數增加2 273,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.043 9,最大斑塊指數由0.421 3減少到0.162 2;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少6.36%;水庫水面面積增加2 823.36 hm2,斑塊個數增加2 936,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.190 3,最大斑塊指數由0.155 8增加到0.173 3;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少4.20%;鹽田面積增加344.76 hm2,斑塊個數增加3 129,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.276 5,最大斑塊指數由0.014 1增加到0.090 3;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少28.27%;河流水面面積增加1 546.13 hm2,斑塊個數增加2 616,斑塊占景觀總面積的比例增加,斑塊密度增加,斑塊分維數減少0.131 5,最大斑塊指數由0.813 6減少到0.498 7;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少 1.43%;葦地面積減少 3 819.91 hm2,斑塊個數增加3 931,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.121 1,最大斑塊指數由1.089 2增加到1.771 8;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少 0.84%;灘涂面積減少3 894.78 hm2,斑塊個數增加3 494,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.091 1,最大斑塊指數由1.497 4增加到2.679 3;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少0.53%;灘地面積減少2 814.78 hm2,斑塊個數增加4 648,斑塊占景觀總面積的比例減少,斑塊密度增加,斑塊分維數增加0.146 1,最大斑塊指數由0.161 2減少到0.008 1;景觀形狀指數增加;聚集度指數減少26.17%。

表2 1987年和2004年墾利縣濕地類型及面積

表3 不同濕地類型景觀格局指數分析(1987年)

表4 不同濕地類型景觀格局指數分析(2004年)

3.3 景觀級別景觀格局指數變化分析

由圖1可知,研究區濕地景觀多樣性指數1987年為1.764 3,2004年下降到1.710 5,說明各斑塊類型在景觀中分布呈均衡化趨勢減弱,人類干擾強度增強,景觀類型的多樣化、結構的復雜性有了變化;均勻度指數由1987年的0.687 3上升到2004年的0.692 3。墾利縣均勻度指數說明該區均勻度指數較低,景觀為少數幾種濕地類型所控制。其中養殖水面、葦地、灘涂分別占總面積的 7.67%、7.60%和12.33%,在整個墾利縣濕地景觀中占據控制地位,并構成墾利縣濕地景觀主體。

3.4 驅動力分析

墾利縣濕地景觀變化的驅動因子可分為兩類:自然驅動因子和人為驅動因子。兩者分別對濕地系統在不同的時空尺度上發生作用,構成了推動區域濕地演變的驅動力,引起了濕地景觀格局和生態功能的動態演變,塑造了當前的濕地景觀現狀。

3.4.1 自然因素 自然驅動因子常常在較大的時空尺度上作用于景觀,它可以引起較大范圍的景觀變化,主要包括:氣候、水文、地質、土壤、植被等。氣候條件是濕地形成發展的基礎,也是濕地形成的基本驅動力,特別是水熱條件,它是濕地景觀形成、發育的決定因素[18]。圖2為墾利縣研究期內氣溫及降水變化趨勢,可以看出該流域氣溫有逐年升高的趨勢,氣溫變化影響蒸發過程,降水量有逐年降低的趨勢,說明墾利縣氣候逐漸變暖和趨干。2004年濕地面積比1987年減少6 155.12 hm2,因此氣候變化是濕地面積減少的重要驅動力之一。

3.4.2 人為因素 人為驅動因子包括:人口、政治、經濟、文化等,它們對景觀的影響越來越大,在社會經濟迅猛發展的現代社會,人為因素對于景觀的結構和功能的影響越來越關鍵。20世紀80年代中期以來,黃河三角洲地區一方面隨著人類經濟活動的發展,人口增加、油田開發、養殖業擴大,基本建設投資力度加大,建筑用地的面積大幅度增加,城鎮化水平逐年提高(表5),引起了濕地空間格局的顯著變化;另一方面由于水利工程建設的加強,特別是水庫和堤壩的修建,水體的人為干擾增強較為顯著,再加上黃河斷流、水資源的需求量不斷加大等原因,黃河三角洲的環境污染也日趨嚴重,特別是近年來,來自黃河和其它河流的污染物(主要是無機氮、無機磷和石油類)對濕地生態環境的影響最廣泛。

圖1 墾利縣濕地景觀多樣性、均勻度指數

圖2 墾利縣氣溫與降雨變化趨勢(1970-2004年)

表5 墾利縣社會、經濟指標(1996-2003年)

4 結論

(1)20年來,黃河三角洲的濕地景觀發生了巨大的變化。灘涂和葦地是墾利縣最主要的天然濕地類型,濕地景觀面積在研究時段內呈顯著下降趨勢,各種濕地景觀之間、濕地和非濕地之間相互轉化和逆轉并存,灘涂和葦地與其他地類轉換頻繁;墾利縣10種不同濕地類型除個別外,斑塊個數、分維數、斑塊密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數、景觀聚集度指數均增加,聚集度指數均減少,其中葦地、灘涂、灘地變化幅度較大;研究區濕地景觀多樣性指數下降,說明各斑塊類型在景觀中分布呈均衡化趨勢減弱;均勻度指數上升,說明該區均勻度指數較低,景觀為少數幾種濕地類型所控制。

(2)通過對墾利縣的實例分析可知,氣候變化是黃河三角洲的濕地面積減少的重要驅動力之一,景觀格局的變化主要是人口增加、油田開發、土地利用活動加強、水利工程建設等人為驅動因子造成的。

(3)今后黃河三角洲地區,需大力加強資源保護與利用和生態建設,節約各種建設與耕作用地,控制用地斑塊盲目擴張,嚴禁圍湖造田,合理建設景觀和優化景觀結構,以創建環境優美的與自然生態系統相協調的濕地景觀,達到人與自然、經濟活動與自然過程的協同進化。

[1]Mitsch W J,Gosselink J M.Wetlands[M].New York:Van Nostrand Reinhold Company Inc,1986.

[2]Daily G C.Nature′s Services:Societal Dependence on Natural Ecosystem[M].Washington:Island Press,1997.

[3]Forman R T T.Some general principles of landscape and regional ecology[J].Landscape Ecology,1995,10(3):133-142.

[4]肖篤寧,布仁倉,李秀珍.生態空間理論與景觀異質性[J].生態學報,1997,17(5):453-461.

[5]周德民,宮輝力,胡金明,等.三江平原淡水濕地生態系統景觀格局特征研究:以洪河濕地自然保護區為例[J].自然資源學報,2007,22(1):86-96.

[6]許健民.黃河三角洲(東營市)濕地評價與可持續利用研究[D].北京:中國農業科學院,2001.

[7]王仰麟,趙一斌,韓蕩.景觀生態系統的空間結構:概念、指標與案例[J].地球科學進展,1999,14(3):235-241.

[8]鄔建國.景觀生態學:格局、過程、尺度與等級[M].北京:高等教育出版社,2000:99-119.

[9]王憲禮,布仁倉,胡遠滿,等.遼河三角洲濕地的景觀破碎化分析[J].應用生態學報,1996,7(3):299-304.

[10]布仁倉,王憲禮,肖篤寧.黃河三角洲景觀組分判定與景觀破碎化分析[J].應用生態學報,1999,10(3):321-324.

[11]王薇,陳為峰.黃河三角洲土地整理生態評價研究:以山東省墾利縣為例[J].中國土地科學,2008,22(1):65-70.

[12]趙庚星,李玉環.遙感和GIS支持的土地利用動態監測研究:以黃河三角洲墾利縣為例[J].應用生態學報,2000,11(4):573-576.

[13]趙庚星,林戈.黃河口耕地遙感動態監測及其生態環境安全分析[J].水土保持學報,2004,18(2):37-40.

[14]溫仲明,焦峰,張曉萍,等.紙坊溝流域近 60年來土地利用景觀變化的環境效應[J].生態學報,2004,24(9):1094-1011.

[15]李新舉,胡振琪,劉寧,等.基于3S技術的黃河三角洲土壤質量自動化評價方法研究[J].農業工程學報,2005,21(10):59-63.

[16]王璦玲,趙庚星,王瑞燕,等.區域農地整理質量評價及其時空配置研究:以山東省青州市為例[J].自然資源學報,2006,21(3):369-374.

[17]張國坤,鄧偉,宋開山,等.新開河流域土地利用格局變化及其生態學意義[J].生態學報,2006,26(9):3027-3029.

[18]張國坤,鄧偉,呂憲國,等.新開河流域濕地景觀格局動態變化過程研究[J].自然資源學報,2007,22(2):204-210.