黄河三角洲新生湿地景观格局特*征及其动态变化——以垦利县为例
2010-06-21王薇陈为峰王燃藜甘运贤
王薇,陈为峰,王燃藜,甘运贤
(1.山东农业大学资源与环境学院,山东泰安271018;2.山东省水利科学研究院,济南250013;3.栖霞市交通局,山东栖霞265300;4.兖州市国土资源局,山东兖州 272100)
湿地景观格局取决于湿地资源的分布和组分,与湿地生态系统抗干扰能力、恢复能力、稳定性、以及生物多样性有着密切的联系。同时,湿地景观格局不是一成不变的,目前的格局是在过去的景观流的基础上形成的[1-4]。因此,对典型湿地生态系统原生景观结构及其特征进行定量分析,是研究不同类型湿地功能与机理变化的基本前提,可为研究湿地环境变化及其生态效应提供科学依据,对于开展湿地资源保护与恢复具有重要意义[5]。国内对湿地景观格局变化的研究始于20世纪90年代,主要采用景观格局空间分布特征指数和景观异质性指数来研究湿地景观格局的变化[6-10]。
本文所研究的新生湿地是从1976年黄河改道至今,现黄河入海口所在地。黄河三角洲新生湿地是典型的河口湾和滨海湿地生态系统,具有丰富的生物资源。本文基于景观生态学相关理论和方法,以垦利县为例,在“3S”技术支持下以TM影像为信息源,构建区域湿地分类系统。采用斑块类型面积、斑块个数、分维数、斑块密度、斑块分离度、最大斑块指数、景观形状指数、景观聚集度指数、景观多样性指数、景观均匀度指数等空间格局指数,运用GIS、FRAGSTATS 3.3软件,提取垦利县湿地生态景观格局信息,并利用各景观指数系统分析近20年垦利县湿地的景观格局特征、动态变化及其主导驱动因素,以期为黄河三角洲新生湿地的科学管理和保护提供科学依据。
1 研究区概述
黄河三角洲位于黄河入海口,北临渤海,东靠莱州湾,90%以上属于东营市管辖。垦利县隶属于山东省东营市 ,位于北纬 37°21′-38°09′,东经 118°24′-119°10′,处于黄河下游入海口的黄泛平原上,是黄河三角洲新生湿地生态系统的最典型区域。本区属于海陆相互沉积的退海之地,土壤是在黄河冲积物上发育而成的潮土和轻重不同的盐化潮土,表层土壤质地为中壤和重壤;现存排灌条件一般,潜水埋深较浅,矿化度高;地貌为浅平洼地与微斜平地;属温带半湿润季风气候区,年平均气温11.9℃,平均降水量592.20 mm,年平均蒸发量1 908.20 mm。全县辖 5个镇、2个乡和2个办事处,332个村,21.24万人[11],总面积2 204.00 km2,其中耕地面积540.78 km2。
2 研究资料与方法
2.1 湿地景观分类
根据《全国湿地资源调查与监测技术规程》(林业部,1997),以湿地形成动力因子为主导,综合考虑湿地的水文、生态等要素,坚持科学、实用的原则,结合黄河三角洲湿地的实际情况,将该区湿地分为人工湿地(灌溉水田、坑塘水面、养殖水面、人工沟渠、水库水面、盐田)和天然湿地(河流水面、苇地、滩涂、滩地)两大类共10种湿地类型(表1)。
表1 黄河三角洲垦利县湿地遥感解译标志(TM432RGB合成影像)
2.2 遥感影像解译
根据研究区土地利用状况及主要农作物物候历,选择1987年5月 7日和2004年11月2日的渤海湾幅两期遥感影像,并根据各波段的数据统计特征及其合成后的目视效果,选择对绿色植被反应敏感的TM4,3,2波段进行RGB假彩色合成。
以校正好的2004年11月2日图像为基准图像,校正中采用北京54坐标系,在Viewer中打开需要校正的遥感影像,利用Raster菜单中的Geometric Correction命令,在两幅图像上选择39个同名地物点作为控制点,应用多项式校正模型和双线性内插重采样对1987年5月7日的图像进行校正,校正精度为0.39个像元[12-14]。
采用非监督分类,按照像元的光谱特性进行统计分类;对分类后的图像进行分类后重组,聚类统计,去除分析和邻域分析等操作,按照先前确定的分类方案,参考土地利用现状图信息、野外调查资料以及图像的空间结构、纹理信息对图像进行判读,合并相同类别地物,纠正错分像元,得到最终的遥感影像分类图象[15、16](附图5、附图6)。
2.3 景观指数选择与提取
基于研究目的和黄河三角洲地区湿地景观特征,选取能确保计算精度的10个指标,其中在斑块类型级别上选用了8个指标“斑块面积、斑块占景观总面积的比例、斑块个数、斑块分维数、斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、景观聚集度指数”,在景观级别上选用了2个指标“观多样性指数、景观均匀度指数”。FRAGSTATS是由美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的一个景观指标计算软件,本研究运用的是基于 WINDOWS操作系统的FRAGSTATS解3.3版本,该版本界面友好,以 ARC/INFO或ARCVIEW为基本工作环境,支持ARC/INFO、IDRISI、ERDAS等多种格式的矢量与栅格数据,通过对湿地分类结果图编辑及格式转换后,得到30 m×30 m精度的网格数据,分别进行各个层级的景观指数提取[17-18]。
3 结果与分析
3.1 不同时期各类型湿地面积变化分析
由表1可以看出,1987年湿地总面积94 331.61 hm2,占垦利县总面积的比例42.80%,其中天然湿地面积为62 249.54 hm2,占湿地总面积的65.99%左右;人工湿地32 082.06 hm2,占湿地总面积的34.01%。由于各种原因湿地遭到破坏,受到威胁,2004年湿地面积为88 176.48 hm2,湿地面积较1987年下降6 155.13 hm2,占垦利县总面积的比例40.01%,其中天然湿地面积为53 266.50hm2,占湿地总面积的 60.41%左右;人工湿地 34 909.99 hm2,占湿地总面积的39.59%。由此可见,滩涂和苇地是垦利县最主要的天然湿地类型,湿地景观面积在研究时段内呈显著下降趋势,17 a共减少6 155.12 hm2,平均每年减少362.07 hm2,其中滩涂湿地面积减少幅度最大3 894.78 hm2;从各湿地类型之间的转换来看,各种湿地景观之间、湿地和非湿地之间相互转化和逆转并存,滩涂和苇地与其他地类转换频繁。
3.2 斑块类型级别上景观格局指数变化分析
由表2、3可知,近20年,灌溉水田面积减少1 531.61 hm2,斑块个数增加662,斑块占景观总面积的比例减少,斑块密度增加,斑块分维数增加0.095 2,最大斑块指数由0.287增加到0.538 8,景观形状指数增加,聚集度减少0.43%;坑塘水面面积增加2 400.85 hm2,斑块个数增加950,斑块占景观总面积的比例增加,斑块密度增加,斑块分维数增加0.082 3,最大斑块指数由 0.028 7增加到0.104 8;景观形状指数增加;聚集度指数减少0.55%;养殖水面面积增加344.76 hm2,斑块个数增加1 118,斑块占景观总面积的比例增加,斑块密度增加,斑块分维数增加0.118 0,最大斑块指数由0.829 8增加到1.532 7;景观形状指数增加;聚集度指数减少 0.02%;人工沟渠面积减少 1 554.19 hm2,斑块个数增加2 273,斑块占景观总面积的比例减少,斑块密度增加,斑块分维数增加0.043 9,最大斑块指数由0.421 3减少到0.162 2;景观形状指数增加;聚集度指数减少6.36%;水库水面面积增加2 823.36 hm2,斑块个数增加2 936,斑块占景观总面积的比例增加,斑块密度增加,斑块分维数增加0.190 3,最大斑块指数由0.155 8增加到0.173 3;景观形状指数增加;聚集度指数减少4.20%;盐田面积增加344.76 hm2,斑块个数增加3 129,斑块占景观总面积的比例增加,斑块密度增加,斑块分维数增加0.276 5,最大斑块指数由0.014 1增加到0.090 3;景观形状指数增加;聚集度指数减少28.27%;河流水面面积增加1 546.13 hm2,斑块个数增加2 616,斑块占景观总面积的比例增加,斑块密度增加,斑块分维数减少0.131 5,最大斑块指数由0.813 6减少到0.498 7;景观形状指数增加;聚集度指数减少 1.43%;苇地面积减少 3 819.91 hm2,斑块个数增加3 931,斑块占景观总面积的比例减少,斑块密度增加,斑块分维数增加0.121 1,最大斑块指数由1.089 2增加到1.771 8;景观形状指数增加;聚集度指数减少 0.84%;滩涂面积减少3 894.78 hm2,斑块个数增加3 494,斑块占景观总面积的比例减少,斑块密度增加,斑块分维数增加0.091 1,最大斑块指数由1.497 4增加到2.679 3;景观形状指数增加;聚集度指数减少0.53%;滩地面积减少2 814.78 hm2,斑块个数增加4 648,斑块占景观总面积的比例减少,斑块密度增加,斑块分维数增加0.146 1,最大斑块指数由0.161 2减少到0.008 1;景观形状指数增加;聚集度指数减少26.17%。
表2 1987年和2004年垦利县湿地类型及面积
表3 不同湿地类型景观格局指数分析(1987年)
表4 不同湿地类型景观格局指数分析(2004年)
3.3 景观级别景观格局指数变化分析
由图1可知,研究区湿地景观多样性指数1987年为1.764 3,2004年下降到1.710 5,说明各斑块类型在景观中分布呈均衡化趋势减弱,人类干扰强度增强,景观类型的多样化、结构的复杂性有了变化;均匀度指数由1987年的0.687 3上升到2004年的0.692 3。垦利县均匀度指数说明该区均匀度指数较低,景观为少数几种湿地类型所控制。其中养殖水面、苇地、滩涂分别占总面积的 7.67%、7.60%和12.33%,在整个垦利县湿地景观中占据控制地位,并构成垦利县湿地景观主体。
3.4 驱动力分析
垦利县湿地景观变化的驱动因子可分为两类:自然驱动因子和人为驱动因子。两者分别对湿地系统在不同的时空尺度上发生作用,构成了推动区域湿地演变的驱动力,引起了湿地景观格局和生态功能的动态演变,塑造了当前的湿地景观现状。
3.4.1 自然因素 自然驱动因子常常在较大的时空尺度上作用于景观,它可以引起较大范围的景观变化,主要包括:气候、水文、地质、土壤、植被等。气候条件是湿地形成发展的基础,也是湿地形成的基本驱动力,特别是水热条件,它是湿地景观形成、发育的决定因素[18]。图2为垦利县研究期内气温及降水变化趋势,可以看出该流域气温有逐年升高的趋势,气温变化影响蒸发过程,降水量有逐年降低的趋势,说明垦利县气候逐渐变暖和趋干。2004年湿地面积比1987年减少6 155.12 hm2,因此气候变化是湿地面积减少的重要驱动力之一。
3.4.2 人为因素 人为驱动因子包括:人口、政治、经济、文化等,它们对景观的影响越来越大,在社会经济迅猛发展的现代社会,人为因素对于景观的结构和功能的影响越来越关键。20世纪80年代中期以来,黄河三角洲地区一方面随着人类经济活动的发展,人口增加、油田开发、养殖业扩大,基本建设投资力度加大,建筑用地的面积大幅度增加,城镇化水平逐年提高(表5),引起了湿地空间格局的显著变化;另一方面由于水利工程建设的加强,特别是水库和堤坝的修建,水体的人为干扰增强较为显著,再加上黄河断流、水资源的需求量不断加大等原因,黄河三角洲的环境污染也日趋严重,特别是近年来,来自黄河和其它河流的污染物(主要是无机氮、无机磷和石油类)对湿地生态环境的影响最广泛。
图1 垦利县湿地景观多样性、均匀度指数
图2 垦利县气温与降雨变化趋势(1970-2004年)
表5 垦利县社会、经济指标(1996-2003年)
4 结论
(1)20年来,黄河三角洲的湿地景观发生了巨大的变化。滩涂和苇地是垦利县最主要的天然湿地类型,湿地景观面积在研究时段内呈显著下降趋势,各种湿地景观之间、湿地和非湿地之间相互转化和逆转并存,滩涂和苇地与其他地类转换频繁;垦利县10种不同湿地类型除个别外,斑块个数、分维数、斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、景观聚集度指数均增加,聚集度指数均减少,其中苇地、滩涂、滩地变化幅度较大;研究区湿地景观多样性指数下降,说明各斑块类型在景观中分布呈均衡化趋势减弱;均匀度指数上升,说明该区均匀度指数较低,景观为少数几种湿地类型所控制。
(2)通过对垦利县的实例分析可知,气候变化是黄河三角洲的湿地面积减少的重要驱动力之一,景观格局的变化主要是人口增加、油田开发、土地利用活动加强、水利工程建设等人为驱动因子造成的。
(3)今后黄河三角洲地区,需大力加强资源保护与利用和生态建设,节约各种建设与耕作用地,控制用地斑块盲目扩张,严禁围湖造田,合理建设景观和优化景观结构,以创建环境优美的与自然生态系统相协调的湿地景观,达到人与自然、经济活动与自然过程的协同进化。
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