黃河流域濕地分布格局的變化分析

彭楊靖 張 宇 林樂樂 金 崑

(1 中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所，北京 100091；2 中國林業科學研究院自然保護地研究所，北京 100091；3 生物多樣性保護國家林業和草原局重點實驗室，北京 100091)

黃河流域是我國第二大流域，是中國重要的生態屏障密集區，也是中國經濟社會發展和生態環境保護問題比較突出的典型區域。為解決黃河流域面臨的保護與發展的結構性矛盾，2019年黃河流域生態保護與高質量發展上升為國家戰略(武占云等, 2021)。濕地是動植物重要的棲息地，與人類的生存發展息息相關，黃河流域擁有豐富的濕地資源，對于該地區的生態環境平衡、物種的多樣性保護以及社會經濟發展等具有重要作用。過去30 a，在氣候變化、城市化建設以及國家退耕還林還草政策等因素的影響下，黃河流域部分地區的土地覆蓋狀況發生了轉變(黃金亭等, 2020)，了解黃河流域濕地資源的時空分布以及動態變化，將有助于濕地資源的保護與可持續利用。

景觀格局是形狀、大小各異的景觀斑塊在空間上的排列(伍業鋼等, 1992)，可反映景觀分布受環境要素和干擾狀況綜合控制的特征，是各種生態過程在不同尺度上綜合作用的結果(陳利頂等, 2014)。景觀元素的數量、種類、形狀及分布特征具有重要的生態學意義，景觀格局變化的定量分析有利于景觀規劃與管理、資源有效利用和環境保護(張秋菊等, 2003)。濕地景觀格局動態的定量分析有助于把握區域濕地資源特征，為有效開展濕地規劃、保護及管理等工作提供基礎(王瑞山等, 2000; 龔明昊等, 2020)。

目前，國內外常用的景觀分布格局分析方法主要包括定性描述、景觀生態疊置和景觀格局數量分析等(張敏等, 2016)，近年來對黃河流域的景觀格局研究主要集中在對其土地覆被進行動態制圖(Ji et al, 2021)，研究土地利用格局演變及驅動力(張佰發等, 2020; 付含培等, 2021; 廖慧等, 2021; Sun et al, 2021)，分析景觀破碎化及其成因(梁加樂等, 2022)，評價基于景觀格局變化的生態風險或生態系統服務價值(Zhang et al, 2021; 劉希朝等, 2021; 孫夢華等, 2021)，分析黃河流域河源區的土地利用變化及其影響等(陳瓊等, 2020)。但對黃河流域長時間尺度的濕地分布格局變化研究較少，無法詳盡得知近幾十年來黃河流域的濕地分布格局變化特征。本文利用2000年、2010年和2020年3期基于遙感影像的土地覆被數據提取黃河流域的濕地分布，運用空間分析、土地覆被類型轉移矩陣和景觀格局指數方法分析黃河流域近20 a的景觀格局變化特征，有利于進一步了解和保護黃河流域的濕地資源。

1 研究區概況

黃河流域(32°6′～41°48′ N，95°50′～119°6′ E)橫跨中國東部、中部和西部，地跨青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南及山東9個省(圖1)，涉及76個地區(州、盟、市)，包含青藏高原、內蒙古高原、黃土高原、華北平原、山東丘陵等多種地形(張佰發等, 2020)。黃河流域的流域面積約79.46萬km2，海拔范圍為0～6 255 m(付含培等, 2021)。黃河流域西部為大陸性干旱氣候，中部為季風性半干旱氣候，東部屬海洋性半濕潤氣候，年均溫9℃，大部分地區年降水量200～650 mm。

圖1 研究區域位置示意圖Fig.1 location of the study area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及處理

黃河流域范圍邊界參考“水利部黃河水利委員會”官網(http://www.yrcc.gov.cn/)所公布的黃河水系水資源圖。本研究基于自然資源部發布的30 m全球地表覆蓋數據集GlobeLand 30繪制黃河流域濕地分布圖(Chen et al, 2014)，該數據研制所使用的分類影像主要是30 m多光譜影像，包括美國陸地資源衛星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光譜影像和中國環境減災衛星(HJ-1)多光譜影像，2020版數據還使用了16 m分辨率高分一號(GF-1)多光譜影像。該數據共包括10個一級類型，分別是耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪。

在ArcGIS 10.2軟件中對數據集進行拼接和裁剪得到黃河流域的土地覆被圖。根據目前國際上公認的《濕地公約》對濕地的定義：濕地指不論其為天然或人工、長久或暫時性的沼澤地、泥炭地或水域地帶、靜止或流動、淡水、半咸水、咸水體，包括低潮時水深不超過6 m的水域。該數據集分類系統中的濕地和水體均屬于濕地的范疇，因此將其合并為一種類型進行提取并用于后續的分析研究。

2.2 研究方法

2.2.1 空間分析 利用ArcGIS 10.2軟件中的空間分析工具，提取黃河流域的土地覆被分布，識別2000年、2010年和2020年的濕地變化及其空間分布，并對各類土地覆被及其之間的轉化面積進行計算。

2.2.2 土地覆被類型轉移矩陣 土地覆被類型轉移矩陣是將土地覆被變化轉移面積以矩陣的形式進行表達，作為結構分析和變化方向分析的基礎，能夠具體刻畫出土地利用的結構特征和用地功能類型變化(楊清可等, 2018)。轉移矩陣為：

式中：Snn為面積；n為土地覆被的類型數；t、t′分別為研究初期與末期的土地覆被類型。

本文使用ArcGIS 10.2軟件的柵格計算器功能對2000年、2010年和2020年的土地覆被類型數據進行交叉分析，建立2000—2010年和2010—2020年兩個時期的土地覆被類型轉移矩陣，為使分析結果能更直觀顯示，利用桑基圖可視化濕地轉移矩陣。

2.2.3 景觀格局指數 景觀格局指數可以定量描述景觀結構特征隨時間的變化過程，能夠高度而準確地反映景觀格局的相關信息(Mitsch et al, 2007)。本文基于Fragstats軟件(McGarigal et al, 2012)在類型尺度上分別計算黃河流域2000年、2010年和2020年的濕地景觀格局指數。根據不同景觀指數表述的生態學含義，選取斑塊所占景觀面積比例(Percentage of Landscape,PLAND)、斑塊數量(Number of Patches,NP)、斑塊密度(Patch Density,PD)、斑塊平均面積(Mean Patch,AREA_MN)、最大斑塊占景觀面積比例(Largest Patch Index,LPI)、景觀形狀指數(Landscape Shape Index,LSI)、聚集指數(Aggregation Index,AI)、分離度指數(Splitting Index,SPLIT)表示黃河流域的濕地空間布局特征。

3 結果與分析

3.1 黃河流域濕地分布格局時空演變分析

從黃河流域2000年、2010年和2020年土地覆被類型分析可知(圖2)，黃河流域整體土地覆被類型以草地為主，其次是耕地和林地，整個黃河流域的土地覆被結構在2000—2020年間未發生明顯變化。

圖2 黃河流域(a)2000年、(b)2010年、(c)2020年土地覆被分布圖Fig.2 land cover distribution maps of the Yellow river basin in (a) 2000, (b) 2010 and (c) 2020

黃河流域濕地面積比例較小，2000年、2010年和2020年濕地占黃河流域面積的比例分別為1.63%、1.73%和1.85%，近20 a濕地面積增加了約0.22%，濕地呈緩慢增長趨勢。

對黃河流域2000—2010年、2010—2020年濕地增加以及減少的區域進行分析可知，黃河流域濕地增加的區域主要由西南部濕地周邊的草地，以及北部和東南部黃河沿岸的耕地轉變而來。近20 a，陜西韓城市有少量濕地轉化為草地和耕地；青海省瑪多縣和共和縣，內蒙古自治區的磴口縣、杭錦旗和包頭市有少量濕地轉化為草地；內蒙古阿拉善左旗、杭錦旗，寧夏自治區的銀川市、賀蘭縣和平羅縣，山西永濟市、平陸縣，河南封丘縣等有少量濕地轉化為耕地。

3.2 黃河流域濕地覆被轉移矩陣分析

在ArcGIS 10.2中通過空間疊加和柵格計算得到黃河流域2000—2010年、2010—2020年的土地覆被類型轉移矩陣表(表1、表2)，各類土地覆被類型產生轉移的面積都較少，大多數土地覆被在近20 a未發生明顯變化，2000—2010年土地覆被類型變化的面積稍高于2010—2020年的土地覆被類型變化，分別為88 023.87 km2和80 555.34 km2。在土地覆被類型變化的斑塊中，草地面積變化最多，其次是耕地和林地。濕地面積變化較少，其中2000—2010年高于2010—2020年的變化量，分別為2 725.14 km2和1 712.60 km2，占同時期土地覆被變化總面積的3.10%和2.13%。

表1 2000—2010年土地覆被類型轉移矩陣Table 1 land cover type transfer matrix from 2000 to 2010 km2

表2 2010—2020年土地覆被類型轉移矩陣 Table 2 land cover type transfer matrix from 2010 to 2020 km2

為使濕地類型土地覆被轉移結果更直觀，繪制桑基圖示意黃河流域的濕地覆被轉移，包括濕地類型轉化為其他土地覆被類型和其他土地覆被類型轉化為濕地(圖3)。由圖3可知，2000—2010年、2010—2020年濕地覆被轉移中，耕地和草地主要轉化為濕地，也是濕地轉出的主要類型，且轉入轉出的比例相近，草地轉化為濕地稍多于耕地，而濕地轉變為耕地稍多于草地，其他類型與濕地的相互轉移量遠少于耕地和草地。

圖3 黃河流域2000—2020年濕地覆被轉移示意圖Fig.3 schematic diagram of wetland cover transfer in the Yellow river Basin from 2000 to 2020

3.3 黃河流域濕地景觀格局指數分析

使用Fragstats軟件分別計算了黃河流域2000年、2010年和2020年的濕地景觀指數(表3)。景觀破碎化導致斑塊面積減少以及斑塊數量增加，2000—2020年，黃河流域濕地景觀斑塊所占景觀面積比例(PLAND)呈增加趨勢，斑塊數量(NP)和斑塊密度(PD)呈減小趨勢，斑塊平均面積(AREA_MN)和最大斑塊占景觀面積比例(LPI)呈增加趨勢，說明黃河流域的濕地分布從2000年至2020年其破碎化程度有所降低。2000—2020年，聚集指數(AI)均較高，且呈上升趨勢，分離度指數(SPLIT)顯著降低，因此黃河流域的濕地分布較為聚集并且在近20 a聚集程度呈增加趨勢。景觀形狀指數(LSI)的結果可反映斑塊形狀的復雜程度，其值越大，表明斑塊形狀越復雜，受到的干擾越小，2000—2010年黃河流域濕地的景觀形狀指數顯著降低，2010—2020年稍有增加，該結果顯示黃河流域濕地2000—2010年受到的干擾增加，2010—2020年受到的干擾呈減少趨勢。

表3 黃河流域2000年、2010年、2020年濕地景觀格局指數Table 3 Wetland landscape pattern index in the Yellow river basin in 2000, 2010 and 2020

綜上可知，黃河流域的濕地分布較為聚集，2000—2020年濕地分布的聚集程度進一步增加且破碎化程度有所降低，濕地斑塊所受干擾增加。2010—2020年，濕地斑塊所受干擾呈減少趨勢。

4 討論

黃河流域的濕地主要分布在黃河流域的西部，該區域以草地和濕地為主，而中部和東部濕地面積較小，具有較大面積的耕地和人造地表，濕地分布整體呈現出西多東少的特征，這與黃河流域城市群經濟空間格局的“西冷東熱”特征具有明顯的一致性(Wang et al，2021)。這種特征決定了黃河流域上游和中下游區域在功能上的差別，上游區域的青海、甘肅、寧夏、內蒙古承擔著黃河流域主要的生態保護功能；中下游的陜西、山西、山東、河南承擔著最主要的經濟發展和糧食生產功能(張佰發等, 2020)，根據不同區域的特征進行統籌規劃和發展才能保障黃河流域所承擔的國家糧食安全和生態安全的重任。

研究發現，與濕地間進行相互轉化面積最多的覆被類型是草地和耕地，濕地增加的區域主要由分布在黃河流域西部的草地以及北部和東南部黃河沿岸的耕地轉化而來；濕地減少的區域主要由分布在黃河流域北部和東南部的少量濕地轉化為耕地和草地。隨著人口規模的增加和經濟的發展，城鄉建設用地的擴張大多以犧牲耕地為代價，而耕地的需求以犧牲部分濕地和草地為代價，黃河流域的濕地保護不只關系到濕地生態系統，也與周邊的草地和耕地的保護與利用方式密切相關。黃河流域的草地生態系統本身非常脆弱，耕地是轉化為人造地表最主要的土地覆被類型，而近20 a草地和耕地面積有較明顯的下降，優化黃河流域景觀格局結構，提高對濕地周邊草地與耕地的關注，并開展“山水林田湖草”整體保護規劃，有利于黃河流域濕地資源的保護。

當前，許多國家采取了面積不減少的濕地保護目標來遏制濕地的喪失趨勢，我國的各項濕地恢復項目對黃河流域的濕地保護與恢復做出了巨大貢獻。根據本研究的分析結果，黃河流域的濕地面積呈緩慢增加趨勢，其他的相關研究顯示出黃河流域自實施退耕還林和生態修復等工程以來，流域的植被覆蓋空間格局整體向好(付含培等, 2021; 張樂藝等, 2021)，但相關研究認為，當前濕地總面積的增加不能反映出不同濕地類別之間的變化，其隱藏了最脆弱的濕地類型(如沼澤)的減少，并忽略了濕地組成和相應的生態功能變化以及這些變化所產生的影響(Xu, 2019)。因此，黃河流域濕地總面積的增加并不意味著其濕地質量的改善，僅保持了濕地面積不損失，今后還需更加關注濕地質量和生態系統功能的提升，以及不同濕地類型間的轉化和影響。

5 結論

本文基于黃河流域2000年、2010年和2020年3期土地覆被數據，采用空間分析、土地覆被轉移矩陣、景觀格局指數分析黃河流域近20 a的土地覆被特征、濕地分布格局變化、濕地覆被類型轉移數量和趨勢,結論如下：

(1)黃河流域整體土地覆被類型以草地為主，其次是耕地和林地，整個黃河流域的土地覆被結構在2000—2020年間未發生明顯的變化，濕地在整個黃河流域的覆被面積比例較小，近20 a增加了約0.22%，呈緩慢增加趨勢。

(2)黃河流域的濕地分布較為聚集，2000—2020年濕地分布的聚集程度增加，濕地之間的破碎化程度降低，濕地斑塊所受干擾增加。2010—2020年濕地斑塊所受干擾呈減少趨勢。

(3)與濕地間進行相互轉化面積最多的是草地和耕地，濕地增加的區域主要由分布在黃河流域西南部濕地周邊的草地，以及北部和東南部黃河沿岸的耕地轉化而來；濕地減少的區域主要是分布在黃河流域北部和東南部的少量濕地轉化為耕地和草地。

(4)優化流域景觀格局結構，提高對濕地周邊草地與耕地的關注與整體保護，注重濕地質量和生態系統功能的提升，根據黃河流域東西部的不同特征開展保護與發展規劃，將有助于黃河流域濕地資源的保護。