1964—2015年海南省八門灣紅樹林濕地及其周邊土地景觀動態分析

徐曉然,謝跟蹤,邱彭華

海南師范大學,地理環境與科學學院, 海口 570000

土地利用/覆被變化(LUCC)是全球環境變化的關鍵因子[1- 2],也是人類活動作用于自然環境的最直接的表現形式[3],能夠通過改變濕地景觀組成,轉變景觀中的物質循環和能量流動方式,使得景觀要素之間的生態過程發生變化,從而影響濕地景觀格局和功能[4]。因此,景觀格局的變化是土地利用變化最直接的體現[5]。目前國內對景觀格局變化的分析主要是兩個方面：一是利用土地利用轉移矩陣分析景觀面積的變化,類型的轉移以及利用相關的景觀指數進行分析；如王濤等[6],1998—2014年阿克蘇河流域耕地景觀時空變化的研究。劉世梁等[7],廣西濱海區域景觀格局分析及土地利用變化預測。祝明霞等[8],基于LUCC的潘陽湖濕地生態效應分析。王海軍等[9],岷江流域三江交匯區景觀格局變化研究。二是利用空間模型,例如馬爾科夫模型、CA模型等模擬景觀的變化。如呂娜等[10],基于CA-Markov模型的巴里坤湖流域土地利用動態變化分析與預測。顧劉陽等[11],基于遙感與CA-Markov模型的土地利用景觀格局模擬及其驅動力研究。張啟斌等[12],磴口縣景觀格局AES-LPI-CA模型演化模擬。

利用轉移矩陣及相關景觀指數分析濕地景觀格局變化是目前國內研究的熱點之一,如陳奇亮等[13],利用轉移矩陣、馬爾科夫模型研究閩江河口濕地自然保護區土地景觀演變情況,同時利用相關景觀指數對閩江河口濕地自然保護區的景觀格局變化和驅動力進行研究和分析。丁彤彤等[14],以多時相Landsat影像為數據源,在GIS支持下,對東營市濕地景觀土地利用的時空變化進行了分析。宋詩園等[15],利用土地利用轉移矩陣,景觀破碎度、濕地分形維數等景觀指數分析了烏江流域(重慶段)的景觀格局變化。分析土地利用/覆被變化和相關指數的變化能夠直觀的展現濕地景觀格局變化的過程,從而對濕地生態保護上有著重大的意義。

八門灣地處海南省文昌市東南部,是海南的第二大漁港,同時八門灣也是我國紅樹植物種類最多的地方,其紅樹林的種類占目前全世界紅樹林品種八十一種的40%。八門灣紅樹林濕地不僅具有眾多寶貴的紅樹林種類資源,同時也在抵御風浪中起到了重要的作用。然而,由于文昌市的快速發展,人類活動的越加劇烈,使得八門灣紅樹林濕地土地利用/覆被變化顯著。受此影響,紅樹林面積逐年減少,八門灣紅樹林濕地生態狀況日益惡化,濕地景觀破碎化現象越加明顯。

目前,國內對八門灣紅樹林濕地及其周邊土地景觀格局變化的研究尚少,且主要集中于土地利用變化及驅動力分析和CA_Markov模型模擬預測。如吳季秋等[16],利用CA_Markov模型對八門灣紅樹林濕地2020年土地利用變化趨勢進行了預測和模擬。吳季秋等[17],以RS和GIS技術手段,提取了1988、1998、2009年的土地利用/覆被空間格局信息,研究其土地利用變化動態度,并分析了自然驅動因素和社會經濟驅動因素的作用。朱耀軍等[18],以1987、2000、2010年3個時相的影像為數據源,對八門灣紅樹林濕地的紅樹林景觀面積的變化及其變化的驅動力進行了分析,同時,對紅樹林周邊土地景觀類型的土地利用/覆被變化進行了分析。從景觀生態學的角度分析,土地利用/覆被變化對景觀格局的影響主要表現在景觀的破碎化[19]。將土地利用/覆被變化與濕地景觀破碎化聯系起來,分析土地利用/覆被變化與景觀破碎化的相關性,在濕地生態保護上具有重大意義。然而,在八門灣紅樹林濕地景觀格局變化的研究中,尚未見到相關文章。

本文在定量分析八門灣紅樹林濕地及其周邊土地土地利用/覆蓋的基礎上,選擇斑塊數量(NP)、斑塊面積(CA)、斑塊平均面積(MPS)、斑塊密度(PD)、聚合度(AI)、斑塊平均形狀破碎化指數/面積加權平均形狀破碎化指數(FS1/FS2)、蔓延度指數(CONTAG)反映景觀破碎化過程,并分析土地利用/覆被變化與景觀破碎化過程的相關性。因此,在對景觀格局演變分析時,利用土地利用/覆蓋變化與景觀破碎化過程指數相關分析的方式進行定量分析得到的結果會更有意義。本文主要對八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程進行定量的深入分析,希望為八門灣紅樹林濕地資源的保護和利用提供理論參考。

1 研究區概況及其分析系統

1.1 研究區域概況

圖1 研究區域圖Fig.1 Research area diagram

研究區域是海南省文昌市八門灣海岸線向外緩沖2km的區域,地理坐標為110°44′—110°55′E,19°31′—19°40′N(圖 1)。八門港灣位于文昌市的東南部。北部有文昌江、文教河等8條河流匯入灣內,港內風浪小,回淤較少,屬于瀉湖——河口濕地生境。屬于熱帶海洋性季風氣候,平均氣溫23.2°C,年均降水量2000mm。該地區有常規的全日潮,潮間帶較寬,最高潮位2.38m,最低潮位0.01m,平均潮差0.75m[18]。八門灣紅樹林保護區于1981年批建,現為省級自然保護區,同時也是文昌市重點建設的自然旅游景區。幾十年來,隨著文昌市的快速發展,八門灣紅樹林保護區的人為干擾程度不斷的增強,近幾年,有媒體報道八門灣紅樹林遭到了嚴重的破壞,從景觀生態學的角度對八門灣紅樹林濕地動態變化的驅動力進行分析對八門灣紅樹林生態保護有著重要的意義。

1.2 分類方法

1.2.1 數據來源

采用數據包括：研究區域1964年、1972年、1988年、2000年、2009年、2015年6期同/近時相的遙感影像(表1),Google地圖及2015年實地調查資料。在ERDAS IMAGINE軟件中對6期影像進行大氣輻射校正并基于Google地圖對衛星影像進行幾何校正,誤差控制在0.5個像元內。在ArcGIS 10.0軟件支持下,參考當地歷史文獻以及地形圖進行人機交互目視解譯,并結合GPS驗證點和Google earth歷年驗證點,進行實地驗證、校對、修正,從而確保解譯精度。

1.2.2 影像分類系統

根據全國《土地利用現狀調查技術規程》以及《中國濕地調查大綱》并且在借鑒前人對八門灣紅樹林濕地的研究成果的基礎上[16- 18],結合實際研究需求,本著異質性與均質性相結合、景觀功能與生態功能相一致的原則,將研究區域分為6類,分別是養殖水面、水域、建筑用地、紅樹林、林地、耕田(表 2),最終分類的結果見圖2。

表1 八門灣紅樹林濕地影像介紹

表2 八門港灣灣濕地景觀分類系統

圖2 分類結果圖Fig.2 Classification result chart

2 研究方法

在參考國內外相關文獻結合實地調研的基礎上,選擇斑塊數量(NP)、斑塊面積(CA)、斑塊平均面積(MPS)、斑塊密度(PD)、聚合度(AI)、斑塊平均形狀破碎化指數/面積加權平均形狀破碎化指數(FS1/FS2)、蔓延度指數(CONTAG)(表3)反映景觀破碎化過程,選擇土地利用轉移矩陣反映研究區域土地類型面積的變化、類型的轉移,在此基礎上將土地利用/覆被變化與景觀破碎化過程相結合做相關性分析,揭示土地利用/覆被變化對八門灣紅樹林濕地景觀破碎化的影響。

表3 景觀指數

3 結果與分析

3.1 八門灣紅樹林濕地土地利用覆蓋變化

由圖3可知,研究區域內耕地、林地、濕地是最主要的覆被類型,土地利用/覆被變化特征主要體現在這幾類上。在濕地的構成中,紅樹林和養殖水面是面積變化的主要類型,在50年內,紅樹林面積占總面積的15%下降到5.25%,養殖水面面積占總面積的2.07%上升到14.62%。通過土地轉移矩陣(表4)可知,1964—2015年間,紅樹林面積共減少1594.98hm2,其中轉化成養殖水面的面積為1415.51hm2,因此,紅樹林和養殖水面的變化可以反映出研究區域內濕地的變化動態。

圖3 1964—2015年八門灣紅樹林濕地各景觀類型面積占總面積比例變化圖Fig.3 The change of the proportion of the landscape types to the total area in BaMen harbour mangrove wetland

由表4土地利用轉移矩陣可知,1964—1988年間,大面積的林地轉化成耕地,直接導致耕地面積比例從29.97%上升到39.06%,直到2000年政府實施退耕還林政策后,在2000—2015年政府的強行介入下,耕地面積比例下降了16.1%,同時林地面積比例上升了7.68%。在1964—2015年近50年內,建筑用地的面積持續增長,面積比例從2%上升到2015年的10.6%,與此同時,紅樹林的面積比例從1964年的15%下降到2015年的5.25%,養殖水面的面積比例從1964年的2.07%上升到2015年的14.62%,建筑用地的面積主要是由林地和耕地面積轉化而來,紅樹林的面積主要是轉化成養殖水面。

表4 1964年—2015年八門灣紅樹林濕地景觀轉移矩陣

3.2 八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程

計算1964—2015年間各個時期的八門灣紅樹林濕地的景觀破碎化指數并進行空間統計以表示八門灣紅樹林濕地破碎化的過程(圖4)。分析可知,1964—2015年間,八門灣紅樹林濕地的平均斑塊面積總體呈現縮減的趨勢,其縮減的幅度達39.12%,且在1972—2000年間縮減的幅度最為明顯。濕地的斑塊數量、斑塊平均形狀破碎化指數、面積加權斑塊平均形狀破碎化指數總體呈現增加的趨勢,其中,斑塊數量增長幅度高達64.02%,斑塊平均形狀破碎化指數、面積加權斑塊平均破碎化指數由1964年的0.3260、0.8234增長到2015年的0.3408、0.8441。

分析斑塊空間水平指數可知,在50年間,研究區域內斑塊密度由1964年的0.0653個/hm2增長到2015年的0.1073個/hm2。同時,研究區域內最大斑塊面積由1964年的3068.19hm2縮減到2015年的2197.35hm2,縮減幅度達28.38%,說明研究區域斑塊破碎化逐漸加深。從斑塊空間連通性、聚集度上分析可知,研究區域內聚合度從1964年的90.03%下降到2015年的86.53%,說明研究區域內板塊的聯系整體趨向于分散化。與此同時,研究區域的蔓延度由1964年的47.71%下降到2015年38.45%,說明研究區域內斑塊的連通性在逐漸降低。

所有的指數的變化表明,八門灣紅樹林濕地由大面積斑塊占主導,空間連續分布趨向于整體破碎化。1972—2015年間,研究區域內景觀破碎化的程度持續增加,由此可見,研究區域景觀破碎化是其景觀格局變動的主要表現。

圖4 八門灣紅樹林濕地景觀指數變化Fig.4 The landscape index change in BaMen harbour mangrove wetland

3.3 八門灣紅樹林濕地的土地利用/覆被變化對景觀破碎化過程的影響

不合理的土地利用會很大程度上破壞區域景觀結構的完整性[26],從而會引起生物多樣性的減少,導致生境的退化、破碎化、邊緣化。通過計算各土地利用類型與保護區濕地景觀破碎化指數的相關系數可以構建其他土地利用/覆被變化與濕地景觀破碎化間的相互關系[27]。依據前人的研究以及參考相關文獻[16- 19,23],本文選擇使用研究區域景觀破碎化的指數與土地利用類型面積進行相關分析。

將八門灣紅樹林濕地景觀破碎化指數與各景觀類型面積變化做相關性分析可知(表5),紅樹林、養殖水面、建筑用地與大部分研究區域景觀破碎化指數的相關系數達到了顯著相關水平。其中,養殖水面、建筑用地主要是依靠人類活動影響的土地類型,對研究區域內景觀破碎化過程的影響是非常大的。對紅樹林、養殖水面、建筑用地面積的變化比例圖分析可知,養殖水面在1964—2000年間處于快速擴張的階段,分布范圍集中在八門灣北部沿岸、文昌河與八門灣交匯處、文教河與八門灣交匯處這3個區域,而這3個區域也是紅樹林生長的區域,由土地利用轉移矩陣可知,養殖水面主要是侵占紅樹林的面積,使得紅樹林的面積由1964年的2456.28hm2下降到2000年的912.69hm2,從而導致紅樹林面積由大斑塊連續集中分布趨向于小斑塊孤立分散分布。與此同時,建筑用地分布范圍逐漸擴張,從1964年建筑用地主要集中在文城鎮到2015年間建筑用地已經擴張到文城鎮、文教鎮、東閣鎮、東郊鎮、清瀾港的區域內,建筑用地、養殖水面不規則、大范圍快速的擴張以及紅樹林面積的減少導致1964—2015年間斑塊平均面積迅速減少,斑塊密度、斑塊間距大幅增加,從而使得研究區域內的斑塊間的聚合度、連通性呈現降低的趨勢。

表5八門灣紅樹林濕地景觀破碎化指數與景觀類型面積變化之間的相關系數

Table5TheCorrelationcoefficientbetweenlandscapefragmentationindexandlandscapetypeareachangeinBaMenharbourmangrovewetland

景觀指數Landscape index耕地Arableland林地Woodland紅樹林Mangrove養殖水面Aquiculture area建筑用地Construction land水域Water area平均斑塊面積Mean patch area0.656-0.1930.845*-0.869*-0.7840.707斑塊平均形狀破碎化指數Mean shape fragmentation in-dex0.234-0.2960.068-0.1420.040.203面積加權的平均形狀破碎化指數Area-weighted mean shape fragmentation index-0.4750.09-0.660.6670.647-0.581聚合度Aggregation index0.777-0.2910.888*-0.91*-0.915*0.820*斑塊數量Number of plaques-0.7930.302-0.926**0.967**0.888*-0.871*蔓延度Contagion index0.652-0.1020.93**-0.927**-0.909*0.715

注：*與**分別代表顯著相關水平0.05與0.01

對研究區域各景觀破碎化指數的時空變化分析可知(圖5),八門灣紅樹林濕地在1972—2015年間研究區域內斑塊平均面積持續下降了52.81%,聚合度持續下降了4.83%,斑塊數量持續增長了111.96%,斑塊平均形狀破碎化指數和面積加權平均形狀破碎化指數均呈現上升的趨勢,研究區域的景觀破碎化現象逐漸加深,而對應研究區域景觀破碎化過程,建筑用地的面積比重持續增加了7.72%。

結合研究區域內各景觀之間的相互聯系和影響分析可知,1972—2000年間是養殖水面面積快速增長,紅樹林面積快速減少,建筑用地面積持續增長的階段,而此階段也是八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程最為明顯的階段。2000—2015年間,紅樹林、養殖水面面積變化不大,但是建筑用地的面積持續增長,而此時的八門灣紅樹林濕地景觀破碎化仍在持續但速率變慢。由此可見,紅樹林、養殖水面、建筑用地面積的變化對八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程的響應是最積極的。

由土地利用轉移矩陣可知,養殖水面的面積主要是由紅樹林面積轉化而來,因此紅樹林面積與養殖水面的面積變化是息息相關的。養殖水面對八門灣紅樹林濕地景觀破碎化過程的響應主要有兩點：一是養殖水面完全受人類活動的影響,其增長的區域集中在八門灣沿岸,占據紅樹林的面積與水域的面積,并且養殖水面的面積增長無規律性。二是養殖水面面積的增長,使得紅樹林的面積由大斑塊連續集中分布趨向于小斑塊孤立分散分布,從而影響八門灣紅樹林濕地的景觀格局,使得八門灣紅樹林濕地景觀趨向于破碎化。

由于研究區域地處文昌市城區,城市的發展會直接影響研究區域與景觀格局的變化。在1964—2015年50年內,建筑用地面積增長了1408.86hm2,平均每年有28.18hm2變為建筑用地。研究表明,交通設施的建設是導致生境景觀破碎化的主要原因[28- 30]。在快速推進的城市化進程中,城市交通干道建設的廊道效應,使得道路周圍的土地逐漸向城市用地轉化,并使得自然廊道不斷受到人工廊道的排擠而發生變形、破損甚至完全消失,從而使得生境景觀逐漸破碎化[31- 32]。在研究區域內,濱灣路、苑東路、航天大道、清瀾大橋等交通設施的建設,將研究區域分割成多個獨立區域,這必然會導致研究區域內各景觀類型趨向于分散化,斑塊形狀趨于不規則化,研究區域景觀破碎化過程也就此展開。

圖5 1964—2015年間八門灣紅樹林濕地各景觀破碎化指數對養殖水面、紅樹林、建筑用地變化的響應Fig.5 The response of landscape fragmentation index to the change of aquaculture water surface, mangroves and construction land of BaMen harbour mangrove wetland in 1964—2015

4 結論與討論

(1)1964—2015年間,八門灣紅樹林濕地土地利用/覆被發生了較大的變化。研究區域內建筑用地、養殖水面面積呈現增長的趨勢,所占比重分別上升了7.72%、12.55%,耕地、林地、紅樹林面積所占比重分別下降了7.01%、9.16%、9.74%。耕地、林地面積主要轉化成建筑用地的面積,紅樹林的面積主要轉化成養殖水面的面積。

(2)八門灣紅樹林濕地由大面積斑塊占主導、空間連續分布趨向于破碎化。1964—2015年間,研究區域內斑塊數量增加了685個,平均斑塊面積縮減了39.12%,聚合度下降了3.5%,最大斑塊面積縮減了28.38%,斑塊密度從1964年的0.0653個/hm2上升到2015年的0.1073個/hm2,蔓延度下降了9.26%,斑塊平均形狀破碎化指數和面積加權平均形狀破碎化指數分別上升了0.0148、0.0207。

(3)八門灣紅樹林濕地土地利用/覆被變化與景觀破碎化過程的相關關系主要體現在養殖水面、建筑用地面積變化對研究區域景觀破碎化指數的影響上。養殖水面、建筑用地面積變化對研究區域景觀破碎化過程的影響主要體現在聚合度、斑塊數量、蔓延度的作用上。其中,養殖水面面積變化對研究區域景觀破碎化過程的影響主要體現在其對紅樹林面積的侵占,使得紅樹林面積占研究區域總面積的比例由15%下降到5.25%,紅樹林由大面積連續集中分布趨向于小面積孤立分散分布。建筑用地面積變化對研究區域景觀破碎化過程的影響主要體現在城市的快速發展、交通設施大量的建設。

2000年前,八門灣紅樹林濕地的紅樹林主要是受過度捕撈和淺海漁業資源的影響,造成紅樹林面積的大量減少。2000年后紅樹林主要是受文昌市快速城市化的影響,包括城市擴張、城市交通建設對紅樹林周邊環境的切割使得自然廊道不斷破損,周邊環境的能量流動以及物質循環受到了嚴重影響,從而對紅樹林的生長環境帶來了消極作用；城市污水、工農業污水同樣使紅樹林生長的水環境遭到破壞主要原因是富營養化和重金屬的影響[33- 35],對紅樹林的自我恢復能力進行了阻礙。并且,2009年國務院發布的《關于推進海南國際旅游島建設發展的若干意見》以來,八門灣紅樹林濕地旅游開發速度激增,使得其與紅樹林保護的矛盾日益突出。