港口建設對濱海濕地景觀格局的影響及其生態(tài)效應

周 然 ，彭士濤 ，覃雪波 ，2，趙玉杰

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環(huán)境保護技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300071；3.農業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

港口建設對濱海濕地景觀格局的影響及其生態(tài)效應

周 然1，彭士濤1，覃雪波1，2，趙玉杰3

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環(huán)境保護技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.南開大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300071；3.農業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

對鴨綠江口濕地的土地利用狀況進行景觀分類，利用TM影像進行人機交互式判讀解譯，獲得了該區(qū)域現狀和丹東港規(guī)劃完成后景觀解譯圖，并開展了港口建設對濕地景觀格局的影響及其生態(tài)效應的評估。結果表明，港口建設后，濕地景觀面積幾乎沒有改變；除了建筑用地斑塊數量增加外，其他斑塊數量均減少，但變化不明顯；濕地景觀指數中，香農多樣性指數（SHDI）和香農均勻度指數（SHEI）增加，優(yōu)勢度指數（D）和蔓延度（CONTAG）下降，平均斑塊分維數（MPFD）幾乎沒有變化；這些變化表明，濕地的景觀格局并沒有發(fā)生明顯變化，因而對生物多樣性影響不明顯。然而景觀的生態(tài)服務功能結果顯示，港口建設對濕地生態(tài)系統造成許多不可逆的影響，導致生態(tài)服務功能在一定程度上退化。

港口建設；濕地；景觀格局；生態(tài)效應

Biography：ZHOU Ran（1981-），female，engineer.

景觀格局分析是景觀生態(tài)學研究的基本內容，量化分析景觀組分的空間分布特征，是進一步研究景觀功能和動態(tài)的基礎，也是探討景觀格局和生態(tài)過程相互關系的基礎［1-3］。景觀格局決定景觀功能，景觀功能的改變又體現在景觀格局的變化上；特定時期和區(qū)域的景觀格局既是具體生態(tài)過程的產物，也影響未來生態(tài)過程的發(fā)展變化［4-5］。港口的建設和運營會對濱海濕地產生直接或間接影響。

根據規(guī)劃，丹東港位于丹東鴨綠江口濕地國家級自然保護區(qū)附近，港區(qū)規(guī)劃范圍占用丹東鴨綠江口濕地國家級自然保護區(qū)部分實驗區(qū)。該保護區(qū)主要保護對象為濱海濕地生態(tài)系統和珍稀野生物種。本文從景觀格局角度探討港口建設對濕地的影響及其生態(tài)效應，為丹東鴨綠江口濕地國家級自然保護區(qū)的資源保護和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1 研究方法

1.1 濕地景觀分類

根據鴨綠江口濕地的土地利用狀況，將濕地景觀分為林地、草地、裸地、水體和建筑用地5個類型，建立濕地景觀分類解譯標志，對TM影像進行人機交互式判讀解譯，勾繪出各類濕地的分布斑塊，經修改完善，獲得該區(qū)域現狀和丹東港規(guī)劃完成后的景觀解譯圖。

在本研究中，林地包括疏林地、未成林造林地、已成林的林地、林灌叢和果園，由于該區(qū)域農田相對較少，故將農田也劃入林地景觀；蘆葦沼澤地劃歸為草地景觀；河流水域、潮溝、坑塘、淺海水域、水產養(yǎng)殖塘等都歸為水體景觀。此外，由于保護區(qū)中采礦地面積相對較小，為便于研究，將采礦地、灘涂景觀等劃歸到裸地景觀中。

1.2 斑塊指數

（1）斑塊類型的面積（CA）：

式中：aij為某一類型斑塊面積。

（2）斑塊所占景觀面積比例（PLAND）

式中：Pi為第i類斑塊的面積占總景觀面積的比例；aij為第i類型斑塊的面積；A為景觀總面積。

（3）斑塊數 NP（Number of Patches）

式中：ni表示景觀中第i類斑塊的總個數。

（4）最大斑塊指數LPI（Largest Patch Index）：斑塊類型中最大斑塊的面積與總景觀面積的百分比。

式中：aij為某個斑塊面積；A為景觀總面積。

（5）平均斑塊面積 MPS（Mean Patch Size）

式中：Xij表示第i類斑塊的面積。

（6）面積加權平均形狀指數LSI（Landscape Shape Index）：是斑塊周長與相同面積圓形斑塊周長之比。數越接近1，說明該斑塊的形狀越接近圓形，指數數值越大，說明斑塊形狀越復雜。

式中：E為景觀中所有斑塊邊界的總長度，m；A為景觀總面積，m2。

1.3 景觀指數

（1）Shannon多樣性指數（SHDI）：反映景觀的多少和各景觀要素所占比例的變化。

（2）Shannon均勻度指數（SHEI）

式中：m為斑塊類型數目；Pi是斑塊類型i占景觀面積的百分比。

（3）景觀優(yōu)勢度指數D（Landscape Dominance Index）：表示景觀多樣性對最大多樣性的偏離程度。

式中：SHDImax是多樣性指數的最大值；m是景觀中斑塊類型的總數；Pk是斑塊類型k在景觀中出現的概率。

（4）蔓延度指數CONTAG（Contagion index）：景觀中不同斑塊類型的團聚程度或延伸趨勢。

式中：Pi是景觀類型i占景觀面積的比例；m是景觀中斑塊類型的數目；gik是斑塊類型i與斑塊類型k之間所有鄰接的格網數目（包括景觀i中所有鄰接的格網數目）。

（5）平均斑塊分維數MPFD（Mean Patch Fractal Dimension）：測定景觀和斑塊周邊形狀的復雜程度。

式中：Pij表示斑塊 ij的周長，m；aij表示斑塊 ij的面積，m2。

1.4 生態(tài)效應

本研究用生態(tài)系統服務價值（V）來表示港口建設對濕地的生態(tài)效應，其公式如下

式中：i為景觀類型的數量；Ai為景觀類型的面積；Ei為單位面積上的生態(tài)系統服務價值。

2 結果

2.1 濕地景觀面積變化

港口建設前后鴨綠江口濕地不同景觀類型面積見表1。丹東港規(guī)劃完成后，濕地景觀總面積幾乎沒有變化。然而，由于港口的建設，建筑用地面積由原來的10 445.29 hm2增長到17 915.2 hm2，增幅71.5%；灘涂裸地、水體、草地等自然濕地面積下降，降幅分別為9.18%、7.93%、6.38%；林地的面積變化不大，略微增長（0.47%）。

2.2 濕地斑塊變化

建港后，除了裸地斑塊數量增加外，其他4種斑塊均減少；從最大斑塊所占景觀面積比例指數（LPI）來看，除了建筑用地斑塊數的顯著增加外，其他類型的斑塊數降低，但變化不明顯（表2）；平均斑塊面積（MPS）變化與LPI變化相似；所有類型斑塊的面積加權平均形狀指數（LSI）均降低，其中以建筑用地降幅最大，達到19%（表2）。

2.3 濕地景觀變化

建港后，鴨綠江口濕地景觀指數中，多樣性指數（SHDI）和均勻度指數（SHEI）增加，優(yōu)勢度指數（D）和蔓延度（CONTAG）下降，而平均斑塊分維數（MPFD）幾乎沒有變化（圖1）。

2.4 濕地景觀服務功能

借鑒謝高地等制定的中國陸地生態(tài)系統單位面積生態(tài)服務價值表和Costanza等估算的生態(tài)系統服務價值系數［6-7］，將生態(tài)系統服務分為9類服務功能，同時將村鎮(zhèn)建設用地、養(yǎng)殖區(qū)的服務價值視作0，近似的估算林地、草地、灘涂裸地、水體的單位面積生態(tài)系統服務價值，結果見表3。

從表3可知，港口規(guī)劃實施對所有自然景觀的生態(tài)服務價值會造成一定損失，其中裸地減少最明顯，林地最小，表明港口建設導致生態(tài)服務功能一定程度上的退化。

表1 港口建設前后鴨綠江口濕地景觀面積變化Tab.1 Variation of wetland area before and after port project

表2 建港前后鴨綠江口濕地保護區(qū)斑塊變化Tab.2 Variation of patch in wetland before and after port project

3 討論

3.1 港口建設對濕地景觀的影響

圖1 建港前后鴨綠江口濕地保護區(qū)景觀格局變化Fig.1 Landscape-level metrics change before and after port project

港口建設是人類對濕地生態(tài)系統的強烈干預，可能導致生態(tài)系統中物種數量的減少、抗干擾能力下降、動植物物種滅絕等。島嶼生物地理學的理論認為，物種數量與面積大小呈正比［8］，因為分布區(qū)域大可以降低種間競爭的強度，增加區(qū)域物種出現頻率和單種個體數［9］。從表1可見，港口建設前后鴨綠江口濕地景觀面積變化不大，因此，其對濕地的物種種類和數量影響較小。但從表1也可以看出，灘涂裸地、水體、草地的自然濕地面積均下降，這些自然濕地都是適宜動植物棲息的理想生境，它們面積的減少，勢必降低物種數量。然而濕地面積的改變對物種多樣性影響并不明顯，這是由于：一是面積減少有限，灘涂裸地、水體、草地等自然濕地面積降幅分別為9.18%、7.93%、6.38%，不足以對物種分布產生強烈影響；二是鴨綠江口濕地以鳥類為主要保護物種，由于鳥類屬于大家域物種，較小部分的生境減少并不影響其行為；三是盡管這些被占用的面積在本研究中被劃分為自然濕地，實際調查中發(fā)現，這些地方多是人為干擾嚴重的地方，如礦地，分布于此的動植物非常少。

根據景觀生態(tài)學中斑塊的定義，將四周有道路、溝渠、林帶、較寬的田坎等廊道或明顯邊界所包圍的地塊稱作為一個斑塊［10］。從表2可見，海洋紅港區(qū)建成后，鴨綠江口濱海濕地斑塊總數由建港前的3 922減少為3 661，其中建筑用地斑塊數減少最多，減少了166塊，其次為草地、水體和林地。建筑用地斑塊減少是因為人類開發(fā)建設港口使建筑用地的斑塊更完整、聯片，導致斑塊數大量減少。裸地斑塊數有所增加，說明人類干擾加強，同時也表明，濕地生境破碎化加劇。生境破碎化是生物多樣性降低的主因，對鳥類、爬行動物與小型哺乳動物的生存造成影響［11-12］。然而，從最大斑塊所占景觀面積比例指數（LPI）來看，港口建成后的裸地最大斑塊占整個景觀面積的比例仍最高（34.14%），表明濕地仍保留有大面積連續(xù)分布灘涂等裸地斑塊。大斑塊對所有物種的生存都有利，能滿足大多數物種對棲息地的最低面積要求［13］。此外，從面積加權平均形狀指數（LSI）來看，港口建成后，裸地（包括灘涂）和水體作為濕地最重要的自然景觀，其LSI減少幅度非常低，可以預見，港口建設對濕地的生物多樣性影響不明顯。因此，從斑塊水平上看，港口建成后對濕地的生物多樣性影響并不明顯。

表3 不同時期生態(tài)服務功能價值Tab.3 Ecosystem services of wetland before and after port project 104元/a

景觀水平上的格局指數變化趨勢表明，港區(qū)建成后，鴨綠江口濱海濕地的景觀多樣性指數（SHDI）和均勻度指數（SHEI）均有一定程度的上升，優(yōu)勢度指數（D）有所下降（圖3），說明該地區(qū)景觀異質性有所提高，景觀分布也更為均勻，人類的干擾程度相對較低。蔓延度（CONTAG）是描述景觀中不同類型成分聚集程度的指標，取值在0～100。蔓延度高說明景觀中的優(yōu)勢斑塊類型形成良好的拼接，由大型緊湊斑塊組成，反之表明景觀破碎化程度高［13］。港口建設前鴨綠江口濕地的蔓延度為62.12，說明該區(qū)景觀在空間構型上灘涂濕地具有一定的連通性，港口建設后為60.28，表明景觀連通性略微降低，對物種的遷移、繁殖和生存產生一定影響，但由于降幅較小，因此影響并不明顯，加之港口建設中設計了動物遷移廊道，有效減弱了蔓延度降低對物種的影響。從平均斑塊分維數（MPFD）也可以看出，港口建設前后幾乎沒有發(fā)生變化，表明對物種的分布產生影響較小。由此可見，從景觀水平看，港口建設對濕地的生物多樣性影響也較小。

3.2 港口建設對濕地的生態(tài)效應

生態(tài)系統服務功能是指生態(tài)系統與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用。它不僅為人類提供食品、醫(yī)藥及其他生產生活原料，還創(chuàng)造與維持地球生態(tài)系統，形成了人類生存所必需的環(huán)境條件，生態(tài)系統服務功能的內涵可以包括有機質的合成與生產、生物多樣性的產生與維持、調節(jié)氣候、營養(yǎng)物質貯存與循環(huán)、土壤肥力的更新與維持、環(huán)境凈化與有害有毒物質的降解、有害生物的控制、減輕自然災害等許多方面。海洋紅港規(guī)劃的實施將造成灘涂裸地、水體面積的下降，對灘涂裸地、水體生態(tài)系統造成一定損失，林地、草地面積也有所下降，其對應的生態(tài)服務價值也相應減少（表3）。因此，丹東港港口規(guī)劃實施的開發(fā)給當地帶來巨大的社會和經濟效益的同時，也導致生態(tài)服務功能一定程度的衰退，對濕地生態(tài)系統造成了許多不可逆的影響。

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Landscape pattern and ecological effect in project of port

ZHOU Ran1，PENG Shi-tao1，QIN Xue-bo1，2，ZHAO Yu-jie3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering，Ministry of Transport，Tianjin300456，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin300071，China；3.Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture，Tianjin300191，China）

Based on the land use，the remote sensing image interpretation map of Yalvjiang wetland landscape before and after Dandong port project was obtained by human-machine interactive interpreting with TM image.The landscape pattern and ecological effect in project of Dandong port were evaluated.Results show that after the port project，the area of wetland will be constant，and the patch number of different landscapes will decrease except the constructed lands.Based on the landscape metrics，SHDIandSHEIwill increase，whileDandCONTANGwill decrease，andMPFDwill be constant before and after port project.These results suggest that there are not significant variations on the landscape pattern of wetland by the impact of port project.However，the results of the ecosystem services of wetland will be declined for the impact of the port project.

port construction；wetland；landscape pattern；ecological effect

X 171.4

A

1005-8443（2012）03-0245-06

2011-12-31；

2012-03-05

海洋公益性行業(yè)科研重大專項經費項目（200805080）

周然（1981-），女，湖北省荊州市人，工程師，主要從事交通環(huán)保研究工作。