基于LUCC 和景觀格局變化的海南東寨港紅樹林濕地動態研究

吳庭天，丁 山，陳宗鑄＊，雷金睿，陳小花，李苑菱

(1. 海南省林業科學研究院，海南省紅樹林研究院，海南 ?？?571100；2. 國家林業和草原局中南調查規劃設計院，湖南 長沙 410014)

自然、社會兩種生態系統在不同的時間和空間尺度上相互作用引起的土地利用類型的綜合變化，是人類學者對土地利用/覆被變化（LUCC）的基本定義[1]，它在結構和功能上影響著整個生態系統的服務功能，對維持生態系統的穩定性起著決定性作用[2]。人類社會最早涉及土地利用/覆被變化相關方面的探索可以追溯到19 世紀30 年代，當時針對該領域的研究相對粗糙，主要是對土地的利用類型進行勘察以及現狀分析[2]。目前，國外的相關研究主要圍繞對不同空間范圍內土地利用/覆被變化的直接監測、時空變化、驅動力因素、環境效應以及修復模型和預測評估等方面的分析探究[3-5]。我國從20 世紀60 年代開始相關方面的研究，起步較國外稍晚，但隨著我國現代化建設的不斷推進，土地利用/覆被變化研究在城鄉開發進程中發展迅速，通過結合航空航天遙感和地理信息技術建立相關模型，探究驅動土地利用/覆被變化的主要影響因子及其所帶來生態環境效應等相關應用已經日趨成熟[6-7]。

近年，景觀生態學發展迅速，將景觀生態學融入LUCC 中，從景觀尺度上探究LUCC 在時空變換中的結構特征、動態變化、演變規律已成為LUCC 研究的熱點話題，主要運用景觀生態學原理[8]和數理統計分析方法[9-10]將景觀和LUCC 的動態變化結合起來，從景觀格局和土地利用兩個層面描述土地利用變化的景觀動態，定量分析區域生態的敏感性、脆弱性、風險性及生態修復意見[11-12]。

在我國，已有大量研究人員對廣東[13]、廣西[14]、福建[15]、浙江[16]和海南[17]5 個省的紅樹林動態變化及景觀格局進行了研究。東寨港作為海南省最大的半封閉港灣式瀉湖，生物資源豐富，內含我國成片面積最大的紅樹林保護區，分布有全國95% 的紅樹林植物[18-19]。黃星等[20]、羅丹等[21]、王小軍等[22]分別通過不同時期的遙感影像，分析了東寨港地區地表覆被的變化情況及其驅動力；辛昆等[23]結合RS、GIS 和景觀指數分析了東寨港地區紅樹林在不同時期的變化特征。加強對該地區土地利用和景觀格局等生態學研究，有助于推進紅樹林濕地保護、海岸帶修復、退塘還濕等重大生態措施的開展?；诖?，本文以東寨港海岸線和保護區界線向內陸緩沖1 km 的區域為研究范圍，結合東寨港及其周邊地區1988—2016 年6 個時段相近時相的遙感影像，綜合土地利用/覆被變化和景觀斑塊指數2 種方法，探究該地區紅樹林濕地的動態變化，以期為東寨港地區生態環境保護及城鄉建設和諧發展提供參考。

1 研究區域概況

東 寨 港 位 于 海 南 島 東 北 部 （ 19°51 ′56 ″～20°02′22″ N，110°31′26″～110°39′20″ E），地跨海口和文昌兩市，整體呈漏斗狀深入內陸15 km，形成半封閉港灣式瀉湖。內含東寨港國家級自然保護區和清瀾港省級自然保護區（部分）2 個紅樹林保護區，其中，東寨港國家級自然保護區是我國成立最早的紅樹林濕地保護區。該地區年均氣溫23.3～23.8℃，年均降水量1 676.4 mm，典型的熱帶季風海洋氣候為紅樹林的生長提供了良好的生存環境，其內共有紅樹植物種類17 科33 種，包括真紅樹植物9 科22 種，半紅樹植物8 科11 種，植物結構組成帶有明顯的東方群系特征。20 世紀80 年代圍墾養殖和圍墾造陸在海南大力推行，對海南省沿海岸帶植被和土地利用產生了巨大影響[24-26]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

本研究所使用遙感數據均來自中國科學院計算機網絡信息中心（地理空間數據云http://www.gscloud.cn/），主要包括研究區域1988、1995、2000、2005、2010、2016 年6 個不同時期相近時相的遙感影像數據，分辨率為30 m。數據與處理中首先用ENVI5.3 對遙感影像進行大氣校正和幾何校正，將誤差控制在0.5 個像元內；其次，選擇能良好表現紅樹林濕地信息的波段組合運用監督分類進行地物提??；第三，在GIS 軟件中結合實地調查驗證數據對分類結果進行修正，使最終總體分類精度超過90%。

2.2 分類方法

參照《中國濕地調查大綱》以及《土地利用現狀調查技術規程》中濕地和土地利用現狀的分類標準，在結合前人研究成果[24,27]的基礎上，根據現實需求將研究區域景觀斑塊分為6 個類型，分別為養殖水面（人工開挖或天然形成用于水產養殖的水面）、水域（陸地及海洋水域，溝渠、水工建筑物等用地）、建筑用地（人工建設用地）、紅樹林（沿海生長紅樹植物的林地）、林地（生長喬木、竹類、灌木的土地，包括種植園）、耕地（指種植農作物的土地，包括熟地，新開發、復墾、整理地、輪歇地、休耕地等），最終分類的結果見圖1。

2.3 數據分析方法

參照國內外在景觀生態上的研究成果及方法，本文選取斑塊數量（NP）、斑塊面積（CA）、平均斑塊面積（MPS）、斑塊密度（PD）、斑塊平均形狀破碎化指數（FS1）、面積加權平均形狀破碎化指數（FS2）和蔓延度指數（CONTAG）等7 項生態景觀指標[24,28-29]，對地類變化形成的生態景觀變化進行分析；同時運用SPSS 軟件對地類面積變化和景觀指數變化進行相關性分析，揭示景觀動態對地類變化的響應。各生態景觀指標的公式如下：

斑塊面積（CA）：

圖1 分類結果圖Fig. 1 Classification result chart

面積加權平均形狀破碎化指數（FS2）：

蔓延度（CONTAG）：

上述公式中：aij代表第i類景觀所有斑塊面積之和,Ai表示同類型斑塊面積之和，Ni為該類型景觀斑塊數量；ni為第i類景觀要素總面積，A為全部景觀類型的面積之和；FS1和FS2是2 個景觀類型斑塊形狀破碎化指數，MSI表示斑塊平均形狀指數，MSI≥1，MSI越大表示斑塊形狀越偏離正方形；SI(i) 表示景觀斑塊i的形狀指數，P(i) 代表斑塊i的周長；A(i) 代表斑塊i的面積；ASI表示面積加權的景觀斑塊平均形狀指數，ASI越大代表斑塊形狀越不規則；蔓延度(CONTAG) 值越小斑塊聚集度越低，破碎化越大；gik是景觀類型i和k之間的節點數，Pi是景觀類型i占研究區總面積的比重；m代表景觀類型數目。

3 結果與分析

3.1 東寨港紅樹林濕地土地利用覆被變化

由圖2 可知：濕地、耕地、林地、建筑用地組成了研究區域全部覆被類型，土地利用/覆被變化從1988—2016 年期間在各地類之間不斷轉換。研究區域內，建筑用地和濕地面積呈逐年增長趨勢，耕地面積呈減小趨勢。濕地系統由紅樹林、水域、養殖水面三大部分組成，其中，養殖水面的面積從1988 年占研究區域總面積的1.60% 上升到2016 年的11.89%，其面積變化對濕地面積變化起到主導作用。通過土地轉移矩陣（表1 和表2）可知：1988—2016 年間，耕地面積共減少1 865 hm2，其中，轉化成養殖水面的面積為977.78 hm2（數據未列出）。由此可見，濕地的變化動態主要體現在養殖水面的變化上。

圖2 東寨港紅樹林濕地各景觀類型面積動態變化圖Fig. 2 The dynamic change of the proportion of the landscape types in Dong zhai port mangrove wetland

表1 1988－2016 年東寨港紅樹林濕地各景觀類型面積動態變化屬性表 Table 1 The dynamic change of the proportion of the landscape types in Dong zhai port mangrove wetland in 1988－2016

由表1 可知：1988—2016 年期間，養殖水面面積增長1 623 hm2，其主要來自耕地和林地的轉化（表2）；2000 年以后，城鎮建設和旅游業的發展使得大面積的林地和耕地轉化為建筑用地，建筑用地面積比例從2.49% 上升到9.39%（圖2），面積從392 hm2增長到1 481 hm2，同時期的耕地和林地面積大幅降低；從景觀斑塊間的相互轉化關系看，養殖水面和建筑用地面積快速增長，與之相對應的是耕地面積的快速減少。而其它紅樹林、水域等景觀類型，在研究區間內整體面積上未有大的變化，但景觀類型間的轉換仍舊活躍。

3.2 東寨港紅樹林濕地景觀破碎化分析

統計分析各時期景觀破碎化指數，揭示斑塊景觀格局的動態變化。結果（圖3）顯示：1988—2016 年間，平均斑塊面積和斑塊平均形狀破碎化指數均呈現下降趨勢，斑塊數量和面積加權平均形狀破碎化指數呈增長趨勢，其中，平均斑塊面積從37.2 hm2降到26.6 hm2，縮減幅度達28.5%，斑塊平均形狀破碎化指數從0.63 下降到0.26；斑塊數量由424 個增長至593 個，增幅為39.86%，面積加權斑塊平均形狀破碎化指數則保持高位微增長，由1988 年的0.91 到2016 年的0.92。

斑塊空間水平指數分析結果（圖3）顯示：在近30 年期間，東寨港地區斑塊密度從1988 年的0.03 個 ·hm－2增長到2016 年的0.04 個 ·hm－2；最大斑塊面積由4 182 hm2上升到4 311.5 hm2。從斑塊空間連通性分析可知：研究區域的蔓延度由1988 年的82.2% 到2016 年83.4%，表明研究區域內斑塊之間始終存在較高的連通性。

結合景觀地類面積變化和景觀指數的變化可知:1988—2016 年間，耕地、養殖水面、建筑用地的面積變化對景觀格局的變化有著積極的響應，斑塊數量、斑塊密度、平均斑塊面積以及面積加權平均形狀破碎化等指數狀態，都表現出東寨港紅樹林濕地景觀破碎化程度正在進一步加大；另一方面，大面積斑塊作為整個區域的主要支撐結構，在空間上保持著良好的連續性，分布逐漸趨向于穩定，因而，雖然研究區域內地類間的轉變仍較活躍，但整體景觀破碎化的趨勢正在逐漸減弱。

表2 1988－2016 年東寨港紅樹林濕地景觀轉移矩陣 Table 2 The landscape transition matrix of mangrove Wetland in Dong zhai port in 1988－2016

圖3 東寨港紅樹林濕地景觀指數變化Fig. 3 The landscape index change in Dong zhai port mangrove wetland

3.3 景觀類型變化對景觀破碎化指數的響應

區域景觀結構的完整性很大程度上決定于該地區是否完成對土地的合理利用，不合理的土地利用會導致生物多樣性降低、斑塊破碎化和生境的退化。在SSPS 軟件上進行土地利用/覆被變化與景觀指數的相關性分析，結果（表3）顯示：耕地、養殖水面和建筑用地三大類型的面積變化與大部分景觀指數存在顯著或極顯著相關性，而這三種地類的面積變化大都以人為因素為主導，其中，耕地與斑塊數量、面積加權平均形狀破碎化指數呈極顯著負相關，與蔓延度呈顯著負相關，與平均斑塊面積呈極顯著正相關；建筑用地分別與斑塊數量、面積加權平均形狀破碎化指數呈顯著正相關，與平均斑塊面積呈顯著負相關；養殖水面則與斑塊數量、面積加權平均形狀破碎化指數呈極顯著正相關，與蔓延度呈顯著正相關，與平均斑塊面積呈極顯著負相關。從分析結果看，耕地面積的減少，建筑用地和養殖水面面積的增加是景觀破碎化加大的直接因素。

表3 東寨港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 Table 3 The correlation coefficient between landscape fragmentation index and landscape type area change in Dong zhai port mangrove wetland

4 討論

從土地利用/覆被變化看，1988—2016 年近30 年間，東寨港及周邊地區土地利用發生了巨大變化，主要表現在(1) 養殖水面的面積占比從1988年的1.6% 上升到2016 年的11.89%，總面積增長1 623 hm2；(2) 建筑用地面積占比由1.86% 上升到9.39%，總面積增長1 187 hm2；(3) 林地面積占比由1988 年的17.61% 下降到2016 年的11.83%，總面積減少912 hm2；(4) 耕地的面積由38.89% 下降到2016 年的27.06%，總面積減少1 865 hm2，其中，養殖水面的面積增長主要來自耕地的轉化，建筑用地面積的增長則主要來自林地和耕地轉化；其余地類，在整個研究區間內雖整體面積上未有大的變化，但景觀類型間的轉換仍是活躍的。

從景觀生態學的角度看，斑塊密度上升，數量的增加、平均斑塊面積下降、面積加權平均形狀破碎化指數的高位穩定等景觀指標狀態都表明東寨港地區在1988—2016 年期間景觀斑塊間分離、破碎化程度正在逐漸加大，這與韓淑梅[17]、辛昆等[23]對東寨港地區紅樹林衰減和破碎化加劇的景觀變化分析結果以及甄佳寧等[30]對清瀾港紅樹林遙感監測得到的斑塊密度增大、分離度升高、聚集度和連接度不斷減小的分析結果保持一致；其原因主要來自兩個方法面，一是毀林曬鹽、發展種植業。據統計，自20 世紀50 年代中期起，東寨港地區開始毀林建鹽場；到70 年代初開始圍海造農田，盡管進入80 年代后，毀林造鹽田和農田事件逐漸減少，但廢棄鹽田以及無法種植的農田，多數在90 年代中期又改為養殖塘[31]，景觀破碎化持續發生。二是2000 年后養殖業、地產業和旅游業的飛速發展引起的建設用地和養殖塘面積快速增長，加大了林地、耕地以及建設用地等景觀類型本身的破碎化程度[20]，這在福建和廣西等地區的相關紅樹林的研究中也得到了論證[32-33]。景觀破碎化指數與各景觀類型面積變化的相關性分析結果也表明，耕地面積的減少，建筑用地和養殖水面面積的增加直接導致了景觀破碎化的加重。

作為紅樹林濕地最重要的組成部分，東寨港的紅樹林群落在整個研究區間內總面積未出現大的變化，紅樹林與其它地類間的互動，主要表現在跟耕地、養殖水面和水域三個類型之間的面積轉換；其中，2000 年出現低谷期，總面積相對1995 年減少189 hm2，主要發生在紅樹林向水域、養殖水面和耕地轉移上；20 世紀90 年代，海南省大力發展水產養殖業對紅樹林生態系統造成了很大的傷害，伴隨著養殖水面面積的爆炸式增長，大量的灘涂被開挖成池塘， 紅樹林濕地面積急劇下降[34]； 到1999 年東寨港保護區制定并實施相關管理辦法，開始在宜林灘涂和紅樹林殘疏林地等適宜恢復區進行人工補植紅樹林，擴大和恢復紅樹林濕地生態系統，到2005 年紅樹林面積已恢復至1995 年水平。因此，盡管因為圍墾養殖與圍墾造農田、鹽田對紅樹林生態系統造成一定程度的破壞，但后期對宜林地的人工繁育措施，使紅樹林面積得到恢復[22]。2012 年東寨港地區爆發團水虱，至2015 年仍未得到有效遏制，紅樹林大面積死亡[35]；而2014 年，臺風 “威馬遜” 的侵襲又加劇了該地區紅樹林的退化[22, 36]，但得益于近年來海南省對水產養殖業實施限養、禁養、關閉、拆除等大力環保整治手段以及退塘還濕工作的有效推進，使得東寨港地區紅樹林面積在2005 年至2016 年期間未產生大的波動。另外，從我國各省近幾十年紅樹林的動態分布看，紅樹林分布重心轉移明顯，軌跡方向基本與海岸潮間帶走向一致，大多指向受到良好波浪掩護的港灣或河口灣內[37]，這更凸顯了東寨港地區紅樹林保護區工作的重要性。

我國的紅樹林主要分布在海南、廣西、廣東、浙江、福建5 個省份的沿海地區，南至海南三亞，北以浙江溫嶺市為界，南北紅樹林分布區在氣候上有較大差異，但綜合前人的研究成果可以發現，影響紅樹林群落的穩定性及生態脆弱性的脅迫因子主要來自二個方面：陸地（圍海造田、圍墾養殖、人造林、旅游）和海洋（海平面上升、病蟲害、臺風）[20,35,38]；近年隨著國家對紅樹林濕地發展的高度重視，海南省相繼出臺了多項法律法規，紅樹林濕地的破壞勢頭得以控制，同時嚴厲退塘還林政策也使紅樹林濕地生態系統得到了一定程度的恢復；雖然斑塊破碎化仍然不可避免，但區域優勢斑塊逐漸明顯，連接程度良好，土地利用結構正趨向穩定健康?；诒狙芯拷Y果，建議東寨港地區在紅樹林濕地保護和保育工作方面可以加大退塘還濕以及退耕還林工作力度，減少養殖水面和耕地對紅樹林濕地的侵蝕；在生物多樣性保護方面，應合理規劃布局城鄉建設紅線，減少建筑用地及農業用地對生境破碎化的影響。

5 結論

（1）1988—2016 年間，研究區域養殖水面和建筑面積大幅增長，林地和耕地面積減少，紅樹林面積動態穩定。

（2）斑塊密度和數量的上升、平均斑塊面積的下降、面積加權平均形狀破碎化指數的高位穩定等景觀指標狀態都表明，東寨港地區在研究區間內景觀斑塊間分離、破碎化程度正在逐漸加大。

（3）耕地面積的減少，建筑用地和養殖水面面積的增加是景觀破碎化加重的主要原因。

（4）紅樹林的面積變化在整個研究區間內總面積未出現明顯波動，與其它地類間的互動主要表現在與耕地、養殖水面和水域之間的轉換。