河南省濕地景觀格局演變特征研究

申懷飛，陳 琛，王 林

(許昌學院 城鄉規劃與園林學院,河南 許昌 461000)

濕地是地球生態系統的重要組成部分，具有巨大的環境調節能力和生態價值，在保護物種多樣性、消減洪峰和蓄洪抗旱、吸收二氧化碳和調節局部小氣候、降解污染物和凈化水質等方面發揮著重要作用[1].濕地問題是當今生態學熱點問題之一，濕地景觀的演變從側面反映了社會經濟的發展，因此，對濕地進行研究可以更好地把握濕地演變的原因和趨勢，從而為經濟建設提供參考.

國外學者為了滿足經濟發展的需要較早地開展濕地景觀格局的研究，但限于當時的研究條件，大部分研究范圍較小，深度也較淺.20世紀80年代以來，RS和GIS技術的巨大進步以及景觀生態學的產生并開始應用到濕地景觀研究[2]，特別是2001年召開的亞洲濕地大會通過的利用RS和GIS技術進行濕地研究的議題進一步深入推進了對濕地景觀格局及其變化的研究，促進了濕地景觀格局研究的長足發展，濕地研究的目的從擴展濕地利用轉變為關注濕地生態系統的健康與可持續發展[3].

國內濕地景觀演變的研究始于20世紀70年代，很多學者運用RS技術做了一些濕地發展的探索，對國內濕地的分類、面積、形成原因以及演變特征進行了探究，對濕地景觀有了初步認識[4].RS和GIS技術的成熟推動了國內濕地景觀格局研究的快速進步，研究范圍擴大到濕地的各個類型中并且深度不斷加大.近年來，國內濕地景觀研究內容以濕地各類型分布與動態變化為主，逐漸向景觀變化的原因及其產生的影響方面擴展，濕地景觀格局的研究方法直接體現了“3S”技術與景觀格局指數統計的結合[5].

河南處于亞熱帶和暖溫帶之間，氣候類型為濕潤半濕潤季風氣候，濕地為常見的內陸型濕地[2]，濕地種類多、分布廣、總量大，在河南省所有土地利用類型中，濕地占有重要地位.盡管國內外圍繞濕地景觀格局演變進行了深入研究并取得了豐碩成果，但對于河南省濕地景觀格局的研究還比較少，特別是對其演變特征的分析還不夠詳細.以河南濕地為研究對象，選取1990年和2012年兩個時間段，借助遙感影像和地理信息技術，剖析了研究區近30年來濕地景觀格局的整體變化特征和某單一景觀類型的演化，從而為河南省濕地資源的合理開發、保護以及實現濕地可持續發展提供參考.

1 研究區概況

河南居于中國之中(東經110°21′～116°39′，北緯31°23′～36°22′)，黃河穿境而過，與冀、晉、陜、鄂、皖、魯6省相鄰[6]，全省土地面積16.7萬km2，居全國第17位；屬于亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶，氣候適宜，日照時間長，降水豐富；地形地貌復雜多樣，中部和東部屬于華北平原的南部，西部為伏牛山脈，北部為太行山，南部為大別山，境內河流眾多，跨越黃河、淮河、海河和長江四大流域，面積達到了163 489 km2，水資源總量達到了413億m3，居全國第19位[7].河南省境內濕地類型多樣，且面積較大，不同地形均有分布，尤其是境內南部的南陽、信陽、駐馬店最為集中.其中國家級濕地有丹江口水庫濕地、三門峽庫區濕地、宿鴨湖濕地和豫北黃河故道沼澤區，國家級濕地保護區有黃河濕地自然保護區、丹江濕地自然保護區和新鄉黃河濕地鳥類自然保護區，境內濕地生物種類繁多，其中國家I級重點保護動物有白鸛、黑鸛、金雕和玉帶海雕等8種，國家II級重點保護動物有白鵜鶘、白瑟鷺、小天鵝等共計31種[8].

2 研究方法

2.1 景觀格局指數選取

景觀格局是不同景觀類型在時空上的排列組合情況，包含各景觀類型的多少、形狀、屬性等，其變動既是自然和人類活動等各種因素干預的結果，又影響著該區域整個生態系統的變化[9].本研究選取了破碎度指數、多樣性指數、優勢度指數和分維度指數4個的景觀格局指數:

(1)破碎度指數，反映了景觀的破碎化程度.其公式如

PD=Ni/Ai,

①

式中，Ni為某景觀類型的斑塊數，Ai為某景觀類型的總面積.

(2)多樣性指數，代表濕地景觀要素的多少和不同濕地景觀類型所占比例變化.其公式如

②

式中，m代表景觀類型數，Pk代表不同景觀類型所占面積的比例.

(3)優勢度指數，描述一種或多種景觀嵌塊體支配景觀格局的程度.其公式如

③

式中，Hmax=ln(m)，Pk代表景觀類型所占面積的比例，m代表景觀類型數.

(4)分維數指數,反映斑塊形狀的復雜程度或斑塊的自我相似程度.其公式如

FD=2lnP/lnA,

④

式中，P代表斑塊周長，A代表斑塊的面積.

2.2 濕地分類系統

開展濕地景觀格局研究之前必須先進行濕地景觀分類，國內外對于濕地的分類方法有很多，不同國家制定出了不同的濕地分類體系.以《濕地公約》為參考，結合研究區實際情況[10]，將河南省濕地分為河流、湖庫、沼澤和水田4種類型.

2.3 數據來源及其預處理

根據研究區地理位置及遙感數據云量，選取符合研究要求的1990年和2012年2個時期的Landsat衛星影像作為基礎數據.

首先,在Erdas Image 9.2軟件平臺上對兩個時期的遙感影像進行波段融合、拼接和裁剪，將裁剪后的圖像進行纓帽變換并進行線性拉伸.然后,用監督分類的方法把濕地類型進行分類提取[11];運用ArcGIS10.0將分類結果數據進行格式轉換，分類完成后結合目視判讀對分類效果進行檢驗，對于分類混合不清的部分在Erdas Image 9.2和ArcGIS10.0中加以對比求證后再分類.最后,利用Fragstats3.4軟件提取破碎度指數、多樣性指數、優勢度指數、分維數指數等景觀格局指數[12].

3 結果與分析

3.1 河南省濕地構成及面積比例變化分析

利用研究區的Landsat遙感影像經過一系列的分析處理，得到河南省濕地景觀類型分布圖(圖1、圖2),利用ArcGIS10.0計算得出1990、2012年河南省各類型濕地斑塊數、面積及其比重變化(表1).

圖1 1990年河南省各濕地景觀類型分布圖

圖2 2012年河南省各濕地景觀類型分布圖

濕地類型斑塊數19902012增減面積/(hm2)19902012增減面積比例/﹪19902012沼澤41-38 871.1456.18-8 814.964.510.03水田6 07010 0523 98216 471.2240 959.0624 487.848.3620.76湖泊182148-3476 824.3791 870.6515 046.2839.0446.58河流10667-3994 629.7264 341.59-30 288.1348.0932.63總計6 36210 2683 906196 796.45197 227.48431.03100100

從表1可以看出，1990年至2012年河南省濕地面積由196 796.45 hm2增長到197 227.48 hm2，增長了431.03 hm2，斑塊數由6 362個增加到10 268個，增加了3 906個，水田面積和斑塊數的增加是濕地總面積和總斑塊數增加的主要原因；水田面積增加最為明顯，增加了24 487.84 hm2，斑塊數增加了3 982個，水田面積增加主要得益于水稻品種的改良，品種改良后使水稻產量大幅提升，另外耕作技術的進步，國家政策的支持等都促進了水田面積的大幅度增長；雖然湖泊的面積增長了15 046.28 hm2，但斑塊數卻減少了34個，湖泊面積的增加主要得益于小浪底水庫等水利設施的修建；湖泊斑塊數減少是由于城市化進程的加快，使得湖泊周邊得到開發導致了部分湖泊的消失，另外圍湖造田也是主要原因之一；其他濕地的面積在原來的基礎上都有所下降，河流面積減少最多，減少了30 288.13 hm2；水資源的不合理利用和水資源浪費使得一些主要河流的支流消失，這導致了河流總面積的減少，從1990年和2012年的濕地分類結果圖像中可以看出河流的支流數量明顯減少，這直接反映了河流濕地面積的減少；沼澤數量和面積都大幅減少，面積從8 871.14 hm2減為56.18 hm2，減少了99.36%.

3.2 河南省濕地景觀水平格局整體變化分析

利用Fragstats3.4軟件對河南省1990、2012年的景觀格局指數進行了計算(表2).由表2可知，1990年至2012年河南省濕地景觀的破碎度指數增加最為明顯，從3.232 8增長至5.202 6，這反映了近年來河南省濕地景觀破碎度加劇，景觀趨于破碎化，結合表1可以看出,從1990年到2012年河南省濕地的斑塊數大幅增加，然而面積卻增加的很有限，因此這就造成了破碎度指數的增加.多樣性指數從1.600 3增加到1.614 7，多樣性指數增加說明優勢景觀對景觀整體的控制性減弱，1990年河流作為優勢景觀，面積占景觀整體的48.09%，到了2012年卻降低為32.63%，并且水田和湖泊占總面積的比例都出現增長，各種濕地類型所占的比例趨于均衡化，這導致河流的優勢性減小，對景觀整體的控制力減弱.而優勢度指數從1.218 0減至1.203 6說明各景觀類型的偏離程度減弱，景觀格局呈集中趨勢.這主要是由于水田面積的增加使得水田面積占總面積的比例增大，河流面積減少，河流在景觀整體中的優勢性減弱，從而使得景觀格局呈現集中趨勢.景觀分維數指數從1.563 1增長至1.582 8，景觀分維數的高低代表著景觀斑塊形狀的復雜程度，分維數越大表示形狀越不規則；景觀分維數的增加說明各景觀斑塊形狀不規則化加劇，斑塊形狀趨于復雜，這主要是受到人類活動的影響.

表2 1990、2012年河南省濕地景觀格局指數統計表表

3.3 河南省各濕地景觀格局動態變化分析

通過對1990、2012年河南省濕地景觀類型水平指數的分析可以得出兩時期內不同濕地類型的動態變化特征(表3).由表3可知，1990年各濕地的破碎度指數處于0.045～3.685 2之間，其中沼澤的破碎度指數最小，水田的最大；2012年各濕地的破碎度指數處于0.040 8～2.454 1之間，河流的破碎度指數最小，水田的最大.其中沼澤的破碎度指數變化最為明顯，主要是受到了人類活動的影響，大量沼澤被開發為農田或者其他土地利類型，從而使得沼澤的破碎化加劇.在兩個時期內各景觀類型的多樣性型指數和優勢度指數都有所變化，其中沼澤和河流的多樣性指數減小，優勢度指數增大，原因是由于沼澤和河流的面積與斑塊數均有所減小，景觀復雜度降低，與優勢景觀的偏離程度變大；水田和湖泊的多樣性指數增加，優勢度指數變小，這是由于水田和湖泊面積的增加使得他們與優勢景觀的偏離程度減弱.從各景觀類型的分維數指數來看，沼澤和湖泊的分維數變小，水田和河流的分維數變大，這說明沼澤和湖泊的形狀變得有規則，發生變化的主要原因是大量水利設施的修建使得湖泊形狀變得有規則，另外，圍繞沼澤進行的圍沼造田使得沼澤形狀簡單化.河流和水田的分維數變大說明河流和水田的形狀不規則化加劇，形狀趨于復雜化，這主要是隨著耕作技術進步以及水稻經濟價值的增長使得大量山坡水田被開墾，由于新開墾水田缺乏規劃且受地形影響形狀不規則，因此使得水田的分維數增大.

表3 1990、2012年河南省不同濕地類型的景觀格局指數

4 結論

本研究對1990年和2012年兩個時期的河南省濕地景觀格局演變進行了分析，得出如下結論：

(1)河南省濕地總面積略有增加，從1990年到2012年的22年里濕地總面積增長了431.03 hm2.然而自然濕地面積卻減少，其中沼澤面積下降了8 814.96 hm2，減少了99.36%，河流面積減少了30 288.13 hm2，水田面積增長十分迅速，增長了24 487.84 hm2，湖泊面積增加了15 046.28 hm2.

(2)河南省濕地景觀類型結構發生較大變化，水田和湖泊的面積比重增加，沼澤和河流的面積比例下降，沼澤面積下降比例最大.

(3)河南省濕地景觀破碎化加劇，景觀破碎度指數從3.232 8增至5.206 2.這主要是因為人類活動對濕地自然景觀的改造日益增強，大的景觀單元被分化為若干小單元，從而致使破碎度指數增大.

(4)河南省濕地景觀優勢度變小，多樣性和分維數變大.河流作為優勢景觀對景觀整體的控制力減弱，各景觀類型比例差異變小.