近20年阿哈湖國家濕地公園景觀格局動態(tài)演化分析

王 立， 李 敬， 孔志紅， 蘇以江， 劉 懿， 陳驍強， 謝乙瑩， 王 原， 金慧雨

(1.安徽師范大學 地理與旅游學院，安徽 蕪湖 241003；2.貴陽阿哈湖國家公園管理處，貴州 貴陽 550007；3.上海棲星生態(tài)環(huán)境咨詢有限公司，上海 200433；4.曼徹斯特大學 環(huán)境發(fā)展與教育學院，英國 曼徹斯特 M13 9PL)

引 言

國家濕地公園作為濕地保護、生態(tài)恢復與濕地資源可持續(xù)利用的有機結合體[1]，近13年來發(fā)展迅速。自2005年中國第一個國家濕地公園試點——杭州西溪國家濕地公園被批準建設以來，到2016年，中國已陸續(xù)批準建設試點國家濕地公園840個，總面積約4×104km2，占國土面積的0.41%。經(jīng)過13年的發(fā)展，我國國家濕地公園在31個省級行政區(qū)都有分布(不含港、澳、臺地區(qū))，濕地公園建設在國內蓬勃發(fā)展。作為一種新興濕地保育措施的體現(xiàn)和生態(tài)旅游目的地,國家濕地公園在生物多樣性保護方面起到重要作用，同時，具有很高的生態(tài)旅游和科普宣教等諸多價值[2]。國內學者針對國家濕地公園開展了多方面的研究。趙磊基于游客感知理論，對西溪國家濕地公園進行實例研究，通過結構方程模型研究了游客感知價值、滿意與忠誠之間關系[3]。潘麗麗、尹晶萍等分別從主觀心理視角與層次分析法方面對國家濕地公園的游客環(huán)境行為意愿影響因素和生態(tài)旅游資源評價進行了實例研究[4-5]。左怡琳、王松、李兵、鐘軍弟等針對不同國家濕地公園進行了鳥類或植被的生物多樣性調查[6-9]。目前國內關于國家濕地公園的研究主要集中在生態(tài)旅游、生物多樣性評價等方面，對景觀尺度上的空間格局研究較少。

在快速城市化地區(qū)濕地退化問題很常見，景觀結構的變化對濕地生態(tài)系統(tǒng)服務功能有一定的影響[10]。阿哈湖國家濕地公園緊鄰貴陽市中心，以阿哈水庫為核心，是貴陽城市供水的主要水源地之一，也是我國西南典型喀斯特地區(qū)的庫塘濕地[11]。近20年，貴陽市城鎮(zhèn)化率從45.0%增長到74.8%，快速城市化對其產生了重要影響，出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化、水生高等植物生境退化、生境破碎化等問題，威脅公園濕地生態(tài)系統(tǒng)與阿哈水庫的生態(tài)安全。

本文利用1998—2017年間三期遙感影像數(shù)據(jù)提取研究區(qū)各景觀類型，綜合運用RS/GIS技術和景觀格局分析方法，分析阿哈湖國家濕地公園景觀格局變化特征，旨在為濕地公園的保護與發(fā)展提供景觀空間尺度上的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿哈湖國家濕地公園位于貴州省貴陽市中心城區(qū)西南部，涉及花溪、南明、云巖和觀山湖四區(qū)。地理位置處于26°30′40″～26°33′55″N,106°36′59″～106°40′44″E。海拔高度約1076～1310m，總面積1218hm2。公園屬于黔中亞熱帶濕潤、溫和氣候區(qū)，年均溫度15.3℃，四季溫差不大；雨量充沛，冬季陰雨較多，多年平均降雨量1140～1200mm，年降雨日數(shù)平均為178天，雨量多集中在5月—8月。阿哈水庫是城市供水和防洪為主的中型水庫，入庫河流有游魚河、白巖河、蔡沖河、金鐘河與爛泥溝河，均屬于長江流域吳江水系南明河支流。公園內動植物資源豐富、地貌類型典型，休閑游憩體驗與科普宣教價值較高。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

根據(jù)貴陽市經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設歷程，同時考慮遙感影像的質量與可獲性，本文數(shù)據(jù)源采用三期Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，分別是1998年11月7日、2007年5月8日Landsat TM影像(分辨率30m)、2017年4月1日Landsat8 OLI影像(分辨率30m)，軌道號為127/42。所得空間數(shù)據(jù)的投影參考系統(tǒng)都統(tǒng)一使用通用橫軸墨卡托投影，參考橢球體為WGS-1984。景觀動態(tài)分析以十年為時間尺度劃分為兩個研究時段，為別為1998—2007年和2007—2017年，對比分析兩個時段的景觀格局變化。數(shù)據(jù)預處理以ENVI軟件為平臺，對各期遙感影像進行幾何校正、輻射定標數(shù)據(jù)處理，并利用FLASSH模塊對影像進行大氣校正。

2.2 景觀類型分類信息提取

根據(jù)阿哈湖國家濕地公園總體規(guī)劃土地利用類型劃分，結合全國土地利用分類系統(tǒng)標準，將研究區(qū)劃分為濕地、林地、旱地和建設用地4種景觀類型。在ENVI軟件中使用最大似然法對研究區(qū)進行監(jiān)督分類，然后，結合實地調查、谷歌高清歷史影像等，對分類結果進行驗證、修正，最終得到1998、2007、2017年的研究區(qū)景觀類型分類圖，經(jīng)驗證統(tǒng)計各景觀類型解譯精度在85%以上，滿足精度要求。

2.3研究方法

2.3.1 景觀格局指數(shù) 景觀格局指數(shù)能夠高度濃縮景觀空間格局信息，以反映景觀結構組成和空間配置等特征[12]。利用GIS與Fragstas軟件計算阿哈湖國家濕地公園各相關景觀格局指數(shù)。根據(jù)本文研究內容選取的景觀格局指數(shù)有:斑塊平均面積(Mean Patch Size,MPS)、斑塊個數(shù)(Number of Patches,NP)、景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index,LSI)、聚集度指數(shù)(Contiguity Index)、香農多樣性指數(shù)(Shannon’s Diversity Index,SHDI)、香農均勻度指數(shù)(Shannon’s Evenness Index,SEI)[13-14]。

2.3.2 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣方法反映了研究區(qū)研究時段內各種地類結構特征轉化趨勢與轉移方向等轉移過程變化信息。轉移矩陣通用公式如下：

(1)

其中：S代表特定土地類型的面積；n代表土地類型數(shù)量；x、y分別代表特定地類轉移前后的編號；Sxy表示特定時段內第x類土地類型轉化成第y類的面積。第x行表示第y類土地類型轉移成其他土地類型的面積信息，第y列表示特定時段末期第y類土地類型面積。[15]

2.3.3土地利用動態(tài)度 本研究采用單一土地利用動態(tài)度分析研究區(qū)特定時段不同土地類型轉變的速度。其公式表達如下：

(2)

式(2)中：I表示特定土地類型在研究時段內的年際變化程度，Um、Un分別表示該地類在研究時段初始面積和期末面積，t表示研究時段(單位：年)[16]。

3 結果與分析

3.1 阿哈湖國家濕地公園景觀類型組分變化分析

阿哈湖國家濕地公園各景觀類型面積在1998—2017年變化明顯，由表1可知：建設用地面積持續(xù)增長，研究期間由35.62hm2增長到116.71hm2，尤其在近10年中，建設用地增加57.8hm2，增長了98.11%；濕地面積呈下降趨勢，從1998年的377.12hm2下降到2017年的357.98hm2，下降了5.08%，下降幅度較小；林地與旱地面積呈現(xiàn)波動變化，其中旱地面積先增加后減少，總體呈減少趨勢，林地面積小幅波動，下降過后略有回升。林地和濕地一直是公園主要景觀類型，其面積占研究區(qū)總面積比例分別達到45.87%～48.40%，29.82%～31.4%，其次為旱地，建設用地面積占比最小。

表1 研究區(qū)不同景觀類型面積統(tǒng)計表Table 1 Area of different landscape elements in study area from 1998 to 2017

由表2可知，近20年來，建設用地土地利用動態(tài)度最高，年均變化幅度最大，達到11.98%，濕地、林地和旱地土地利用動態(tài)度均為負值，年均變化率較小。表明建設用地面積持續(xù)高幅度增長，而其他類型用地面積總體持續(xù)低幅度下降。建設用地主要集中在公園東北部的合理利用區(qū)，合理利用區(qū)土地變化幅度最大(圖2)。

表2 土地利用動態(tài)度統(tǒng)計表Table 2 Dynamic degree of landuse in study area from 1998 to 2017

由表3可知，近20年來，林地總轉化量最大，其次依次為旱地和濕地，建設用地總轉化量較小，且旱地、林地和建設用地之間相互轉化明顯。1998—2007年，林地發(fā)生轉移面積最大，主要轉為濕地和旱地，其分別占林地面積縮減總量的38.04%、35.43%，建設用地總轉化面積最小，主要轉化為林地和旱地。2007—2017年，旱地發(fā)生轉移面積最大，且主要轉化為林地，占旱地總轉化量的65.6%，林地總轉化面積僅次于旱地，且主要轉化為建設用地，占林地縮減面積的65.96%，建設用地面積增長迅速。

表3 研究區(qū)各時段景觀類型面積轉移矩陣Table 3 The area transfer matrix of landscape types in the study area during 1998—2017

3.2 阿哈湖國家濕地公園景觀格局變化特征

3.2.1 景觀水平上景觀格局變化特征 由表4可知，阿哈湖國家濕地公園在研究時段內景觀水平上各種景觀格局指數(shù)變化明顯。公園斑塊個數(shù)從1998年的48個增加到2017年的78個，持續(xù)增加趨勢明顯；斑塊平均面積指數(shù)和聚集度指數(shù)持續(xù)下降，表明阿哈湖國家濕地公園整體呈現(xiàn)破碎化趨勢；香農多樣性指數(shù)表示景觀中斑塊類型的不均衡分布以反映景觀異質性；而景觀優(yōu)勢度與香濃均勻度指數(shù)有關，一般香濃均勻度增高，景觀優(yōu)勢度降低。1998—2017年，研究區(qū)香農多樣性指數(shù)從1.12增長到1.22，香農均勻度指數(shù)分別0.81增長到0.88，其中該兩種指數(shù)在2007—2017年增加幅度明顯；表明公園景觀多樣性與異質性增高，而景觀優(yōu)勢度降低。

表4 研究區(qū)景觀水平上的景觀格局指數(shù)變化Table 4 The change of landscape pattern index on the scale of landscape in the study area

3.2.2 類型水平上景觀格局變化特征 圖3顯示了在斑塊類型水平上各時期景觀格局指數(shù)的變化趨勢。聚集度指數(shù)用來度量景觀中不同斑塊類型的聚集程度，值越大反映同一景觀類型斑塊聚集度越高。在研究時段內，濕地聚集度最大，其次是林地，且濕地變化較小，走勢平穩(wěn)，林地呈現(xiàn)明顯下降趨勢，說明濕地和林地空間分布集中，連通性高，破碎化程度低。旱地聚集度相對較小，呈現(xiàn)先下降后小幅上升態(tài)勢，總體趨于下降，表明旱地空間分布離散，破碎化程度高，連通性低于林地和濕地。建設用地聚集度最低，總體呈顯著上升趨勢，表明建設用地空間分布逐漸聚集，連通性增強。

景觀形狀指數(shù)通過計算區(qū)域內某斑塊形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來測量形狀復雜程度，能夠體現(xiàn)不同斑塊類型的邊緣情況，反映不同范圍內的生態(tài)情況，其變化對景觀生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能有著重要影響。從景觀形狀指數(shù)圖中可以看出，林地的景觀形狀指數(shù)最大，其次是旱地、濕地和建設用地。其中，林地、濕地和建設用地呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，而旱地呈現(xiàn)先上升后下降的態(tài)勢，下降趨勢明顯，最低值降到6.5，低于其他三種景觀類型，表明林地、濕地和建設用地的形狀愈加復雜，邊緣效應增強。旱地在2007—2017年間形狀愈發(fā)變得規(guī)則，邊緣效應降低。

4 結論與討論

濕地是具有獨特的生態(tài)結構和功能并且蘊涵豐富生物多樣性的重要自然資源，濕地公園是濕地保護管理的一種重要形式，了解濕地演變時空特征是了解濕地生態(tài)演變規(guī)律和制定濕地保護對策的基礎[17]。本文綜合考慮研究區(qū)總體規(guī)劃與《全國土地利用分類》，運用遙感技術，從景觀格局角度出發(fā)，分析1998—2017年阿哈湖國家濕地公園景觀類型動態(tài)變化趨勢與景觀格局演變特征，結果表明：

(1)1998—2017年，阿哈湖國家濕地公園景觀類型組分發(fā)生了明顯變化。建設用地面積顯著增加，土地利用變化幅度最大，且集中在公園合理利用區(qū)；林地和濕地一直是公園主要景觀類型，其中以林地面積最大，且面積變化呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，增加幅度較小，總體呈下降趨勢。

(2)1998—2017年，林地總轉化量最大，其次依次為旱地和濕地，建設用地總轉化量較小，且旱地、林地和建設用地之間相互轉化明顯，建設用地在2007—2017年間面積增長迅速。

(3)1998—2017年，阿哈湖國家濕地公園景觀類型在景觀水平上，斑塊個數(shù)、香農多樣性與香農均勻度指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)增加的上升趨勢，斑塊平均面積和聚集度指數(shù)則持續(xù)下降。說明阿哈湖國家濕地公園景觀多樣性與異質性增高，而景觀優(yōu)勢度降低，整體呈現(xiàn)破碎化趨勢。在類型水平上，濕地聚集度最大，其次是林地，旱地聚集度相對較小，呈現(xiàn)先下降后小幅上升態(tài)勢，總體趨于下降趨勢，建設用地聚集度最低，總體呈顯著上升趨勢，空間分布逐漸聚集，連通性增強。林地的景觀形狀指數(shù)最大，其次是旱地、濕地和建設用地，其中，林地、濕地和建設用地呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，而旱地呈現(xiàn)先上升后下降的態(tài)勢，表明林地、濕地和建設用地的形狀愈加復雜，邊緣效應增強，旱地在2007—2017年間形狀愈發(fā)變得規(guī)則，邊緣效應降低。

阿哈湖國家濕地公園特殊的地理位置，決定了其景觀結構會受到人口增長、城市用地擴張、產業(yè)發(fā)展等人為干擾因素的驅動，并對濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能和價值產生進一步影響。后期將進一步開展哈湖國家濕地公園景觀格局演變的驅動力以及對生態(tài)服務功能影響的量化評價。