近十年来西溪湿地变化机制的驱动力分析

2015-03-20刘甲红李炆炆来周翔屈千喜黄军林胡潭高张登荣

杭州师范大学学报(自然科学版) 2015年3期

刘甲红，李炆炆，来周翔，屈千喜，黄军林，胡潭高，张登荣

（1.杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州310036；2.浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江杭州310036；3.杭州师范大学理学院，浙江杭州310036）

0 引言

湿地是地球上一种重要的生态系统，是水生生态系统和陆地生态系统之间的过渡区域［1］，它在抵御洪水、调节气候、调节径流、控制污染、美化环境和维护区域生态平衡等方面具有其他系统所不能替代的作用，被誉为“地球之肾”和“生物超市”［2］.西溪湿地是中国第一个集城市湿地、农耕湿地、文化湿地于一体的国家湿地公园［3-5］，具有降解污染、保护土壤涵养水源、固定二氧化碳和释放氧气、生物栖息地、营养物质循环等功能和休闲旅游、研究与教育等用途，对杭州有着无可取代的作用［6］.

进入21世纪以来，杭州西溪湿地的景观遭到严重破坏，其中包括水质恶化、水体富营养化、植被面积减少、土地功能改变、地下水位变化等.国内外相关研究表明，造成湿地景观格局变化的驱动因素主要包括自然因素（地质、地貌、气候、水温、植被、土壤等）和人为因素（人口、经济、政策等）.自然因素常在较大的时空尺度上作用于景观，在大环境背景上控制着湿地的变化，而人为因素则是在较短的时间尺度上影响湿地资源动态变化的重要驱动力［7］.

遥感技术具有大面积同步观测、数据综合性、可比性并允许重复观测等特点，在湿地资源调查、湿地动态监测及湿地保护中有着广泛应用.目前国内外已经有不少学者利用遥感数据开展了对湿地景观格局变化及驱动机制的研究，但是较多集中在流域范围、滨海范围等面积较大的湿地区域，并且在演变驱动力分析中侧重于分析自然环境因素，对城市湿地的研究还相对较少，对其演变机制的分析也还不够详细.另外，城市湿地因其独特的地理位置和景观特征，不同的城市湿地之间驱动力也存在较大不同.因此，本研究利用遥感技术，以多源多时相方法对西溪湿地的遥感影像进行时空格局演变分析，并对湿地面积锐减的干扰源进行探索，在此基础上尝试提出西溪湿地的保护措施建议，为西溪湿地资源的合理利用和可持续发展提供依据.

1 方法

1.1 研究区概况与数据

1.1.1 研究区概况

选取杭州西溪湿地为研究区（图1），该区位于杭州湾产业带，地处杭州市中心，开发为旅游景区，是典型的城市湿地区域.研究区内河流、湖泊、沼泽众多，水系发达，资源丰富.湿地周边房地产业、工业和城市化建设迅猛发展，导致湿地面积不断压缩、湿地植被减少和水体污染等严重问题，急需采取针对性措施加以有效解决.

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location in the study area

1.1.2 数据与处理

本研究通过分析西溪湿地周边区域内的近期遥感影像数据，确定湿地变迁的概略时间节点，分析湿地演变的趋势及程度，并进一步明确2000年来研究区内湿地演变的关键时间节点；根据确定的时间节点以及高分辨率遥感影像（例如QuickBird、IKONOS、WorldView 1／2等）存档结果，选择2000年至今的遥感数据作为主要数据源.高分辨率遥感影像以及参数如表1和图2所示.

表1 高分辨率遥感影像Tab.1 High-resolution remote sensing image

对多期高分遥感数据集进行数据处理，主要包括正射纠正、配准、几何精矫正、融合、镶嵌、裁切等，保证每期高分影像都能完整覆盖研究区域，并使得多期遥感影像间的几何精度均方误差在0.5个像元以内，便于后续开展分类和变化信息提取工作.

1.2 湿地信息提取

在湿地公约组织通过的国际湿地分类规则文件［4］基础上，结合湿地的定义及其生态特征，将西溪湿地内的类型分为水域、绿地、裸地、建筑4种一级类别和对应的河流、库塘、沼泽、草地、灌丛、林地、岸滩、休耕地、建筑、道路10种二级分类.利用ArcGIS软件分别对2007、2011和2012年的遥感影像进行数字化处理，获取西溪湿地遥感分类的空间分布结果.

1.3 景观格局指数计算

对景观空间格局进行定量分析可以反映出景观结构的组成和空间配置方面的特征［8］.本研究选取斑块面积和斑块数等指标，利用Fragstats软件对西溪湿地进行景观空间格局分析，在西溪湿地遥感空间分布结果的基础上，提取斑块面积、斑块数等湿地信息指标，对杭州西溪湿地景观格局变化进行定量分析.

2 结果

2.1 西溪湿地空间分布

在湿地信息提取方法和ArcGIS软件的支持下，重点以表1所示3期高分辨率遥感影像为基础，根据西溪湿地分类系统，利用人工目视解译的方法制作西溪湿地空间分布图，分类结果如图3所示.

图2 研究区域高分辨率遥感影像Fig.2 View of high resolution remote sensing image

图3 2000、2007和2012年西溪湿地类型图Fig.3 Xixi wetland mapping in 2000、2007and 2012

由图3可见，湿地面积在减少，而非湿地面积在增加.

2.2 水域和植被的面积变化

利用ENVI软件，通过对比分析的方法，重点分析水域、植被和建筑3种主要地物类型的面积变化情况.

由图4可以看出，湿地中心的水域面积大幅度减少，而植被有所增加，这是由于政府规划保护政策的作用下，受到人为破坏影响较少.但在西溪湿地公园保护范围外即湿地周边，植被、水域面积均呈现减少的趋势，而且减少较为明显.而非湿地面积增加及减少部分与植被面积变化正好相反，增加的面积正是建立在减少的湿地类型面积之上，说明随着城市化进程的加快，研究区内建设用地面积不断增加，并逐渐连接成片，使得整个湿地景观更加倾向于人文性，逐渐演变为人工湿地，降低其自然生态价值.

图4 2007-2012年3种主要地物类型的空间格局动态变化Fig.4 The dynamic changes of spatial pattern of three mainly feature type from 2007to 2012

2.3 斑块数量和面积变化

利用Fragstats软件，得到研究区历年斑块类型面积和数量情况，列于表2.

表2 研究区斑块类型面积和数量Tab.2 Area and quantity of plaque type in the research area

由表2可知，水域类型中的河流斑块面积和数量都减少10%左右；库塘减少更加明显，面积和数量分别减少近50%.植被类型中的草地斑块面积和数量都出现明显的减少，林地斑块面积得到增加，但是斑块数量减少，表明林地分布趋于规整.

3 讨论

3.1 湿地演变驱动力分析

3.1.1 自然因素

杭州地处沿海，易受台风天气影响，2008年台风“凤凰”、2009年台风“莫拉克”、2011年台风“南玛都”、2012年台风“海葵”等都不同程度影响杭州.台风引起的强烈气压使得树木连根拔起，农作物和陆生植物被摧毁，对湿地中植物造成一定程度的破坏.台风带来的暴雨冲刷使得地面上的污染物通过地表径流进入水体，同时暴雨也可能会引起山体崩塌或泥石流，造成水土流失甚至泥沙淤积等，都会对湿地水体造成影响.在发生洪水时，西溪湿地北部余杭塘河的污水回返流到西溪湿地，造成短期污染［9］，洪水会冲刷地面，将地面垃圾冲进河流或库塘，都会对湿地水体造成污染；洪水也会冲毁植被，对湿地中植被造成灾害，从而导致湿地水土流失；甚至会水土淤积，堵塞河流.如2013年的台风“菲特”使近150万m3的水朝西溪湿地奔涌而来，携带的大量沙石，给湿地景观造成巨大冲击.

3.1.2 人为因素

3.1.2.1 周边居民生活

随着城区人民生活水平的不断提高，对蔬菜、鱼类等需求加大，部分湿地被开发成种植业和养殖业用地，围塘造田、围河造鱼塘等现象不断增加，造成了河流、库塘面积大量减少［9-10］.同时，随着西溪湿地的商业开发，外来居民人口不断涌入，而当地居民的生活垃圾和污水等污染物无收集处理设施［11-13］，排放造成了局部农田、鱼塘、河道污染，堵塞河道，水体没有得到及时流动更换，降低了湿地内部的流通性，进一步造成湿地生态系统的破坏.

3.1.2.2 工业建设

西溪湿地周边区域原有的工业模式主要以建材、机械、汽配和服装加工为主，随着城市的快速扩张以及杭州未来科技城的加速建设，大量高新技术企业相继入驻，工业建设水平达到前所未有的程度，但是由于基础设施建设滞后，使得大量工业污水无法纳入到城市污水排放系统，而是直接流入西溪水系中，造成水体的严重污染［10］，而废水中含有的重金属等大量污染物质，对水生生物和植被具有严重的毒害作用，生态系统多样性下降，造成湿地资源进一步萎缩.

3.1.2.3 旅游开发

近年来，政府将西溪湿地开发为旅游景区，旅游业迅猛发展.从2005年到2010年，参观的游客累积达到了678.1万［7］，这对湿地保护造成了很大的压力.首先，二氧化碳含量增加，使得湿地的气温上升，不但影响陆生植物，且水体的溶解氧也会受到影响，直接威胁到水生生物的生存.其次，人流量的增多还会导致生活垃圾等固体废弃物的增加，部分固废难以自然降解，会长期残留在土壤中对生态环境造成影响，另外也可能会进入河道中，堵塞河流，影响系统内部的连通性.

3.1.2.4 房地产开发

西溪湿地环境优美，吸引了很多房地产商前来投资开发，将众多楼盘建在西溪湿地周边，少数还直接建在湿地的中央区域，对西溪湿地的植被、土地和水域都造成了严重的破坏.首先，房地产开发破坏了大量植被，侵占了大片土地面积［11］，植被的破坏导致湿地降低了对温度和湿度等的调节功能，并且降低了林地涵养水分的能力，同时土壤被硬化后很难恢复其生命力，且硬质的地表会增强暴雨期的短时径流，产生了更多污染物［9］.其次，建筑工地的扬尘覆盖在植被和水体的表面，阻碍动植物的生长.随着开发力度的加大，大量库塘被填埋，使得水域面积迅速减少，湿地景观破碎度和分离度不断增大，有些水网已遭受严重破坏甚至不复存在［14］.楼盘施工期间的截流措施或施工时产生的材料废物和生活垃圾等固体废弃物堆积，造成河流的堵塞，水体流通性受阻，甚至造成库塘的消失.

截至2014年，据透明售房网数据统计，随着绿城、富力等大型房地产开发集团的相继入驻，在本研究区周边在售及待售的房地产项目超过70个，部分房地产项目更是直接将楼盘建设在湿地的中央区域［10］，上述项目的开发，势必要占用大量的湿地资源，是造成研究区内湿地面积萎缩的主要因素.

3.1.2.5 城市道路建设

由于旅游业和房地产的开发，迫使大幅度地修建道路，不仅改变了土地功能类型，更对湿地的生境造成破坏.西溪湿地四周都是宽度40m的车行道路，打破了生境的连通度，加剧了景观的破碎化，隔离了物种间的交流，会导致景观多样性的下降，物种趋于单一，不利于生态系统的平衡和稳定，而且阻隔了西溪湿地外部水源的注入［9］，影响水系的流通.而汽车尾气对湿地的植物具有毒害作用，是威胁湿地生态系统安全的重要因素.

随着研究区内城市化程度的提高，道路网建设日趋增多，从2000年的遥感影像（图5）可以看出研究区内的南北向主干道仅有杭州绕城高速1条，然而到了2012年新增了高教路、荆长路两条主干道，部分湿地资源被占用.另外，湿地受到城市道路的切割，景观连续性被人为阻断，自然植被破碎化程度上升，威胁到水系保护、动物的栖息环境和连通性［13］.

3.1.3 政府政策

针对西溪湿地生态旅游的开发，杭州市政府确定了坚持生态优先、最小干预、修旧如旧、注重文化、可持续发展、以民为本的6个原则［15-16］，对西溪湿地进行保护性建设；2003年9月启动综合保护工程，整个西溪国家湿地公园的建设工程按计划共分为3期，于2008年完工.西溪湿地公园建设后，将大部分居民迁出，停止养殖业，使得湿地的水环境得到很好的治理，恢复了生态系统.西溪经过人工整治后生态环境得到很大改善，说明整治工作是非常有效的，且政府对水资源进行管理，将钱塘江的水流引入西溪湿地，有效地解决了西溪湿地自然水源的补给［9］，稳定并扩大了研究区内的水域面积.

图5 2000年与2012年研究区内南北向主干道对比Fig.5 The changes of north-south road from 2000to 2012

3.2 保护对策分析

3.2.1 对干扰源的控制和防御

西溪湿地周边居民的生活和养殖业对湿地的污染不可忽视，政府需加强对居民的管理和污染物的处理，或缩减人口［3］.在发展养殖业过程中，应注重保护库塘的天然性和连通性，不应随意人为改变.对于西溪湿地周边的重型污染工业，建议将其关闭或迁出，轻型污染工业应配置污水管网，对工业废水进行收集处理，避免其直接排入湿地河流内.

建设西溪湿地公园后，游客量剧增，旅游业发展的同时也带动了多个产业经济的发展，但人流量的增加加重了湿地的负荷.据陈久和等的研究可知，西溪国家湿地公园的旅游生态环境容量不宜超过4 000人／日，控制在3 500人／日为佳［17］.因此，应加大对旅游业的管理力度，对游客量进行严格的控制.

作为造成湿地资源萎缩的重要因素，政府应控制和减少房地产的占地面积，对城市土地利用进行合理规划，充分考虑湿地公园与外部生态景观的连通度，调整和改善西溪湿地周围的土地利用情况［10］.在房地产开发建设过程中，尽量减少湿地资源的占用，采取措施减少工地扬尘的产生.

3.2.2 对区域环境的治理

3.2.2.1 水环境治理

利用水体生物-生态修复技术，对水中污染物进行转移、转化和降解，使水体得到净化，同时提高湿地水体的自身净化能力［18］，该技术包括生物膜处理技术、土地处理技术、人工湿地处理技术和生态浮岛处理技术等［19］；西溪湿地内产生的生活污水和使用后的农田灌溉水等，建议采用管网收集处理，或经处理达标后排放；疏浚西溪湿地内的主要河流，将河底污泥挖出，去除积累在水体中的富营养物质；规划利用钱塘江配水，从钱塘江引入水源，使得湿地内水系在枯水期和平水期都能够保证水体的流动，防止成为死水，增加水体流通性；还可在水中种植芦苇等利于降解水中污染物的植物，有助于水体净化，同时起到涵养水源的作用.

3.2.2.2 固体废弃物处理

对当地居民和游客等产生的垃圾应收集运送到垃圾处理厂统一处理.同时做好道路清洁工作，防止垃圾进入河流对其造成污染；房地产施工和道路施工时所产生的工业废物应及时运送到垃圾处理厂，不应造成堆积致使河流阻塞或污染.

3.2.2.3 景观多样性保护

对西溪湿地内景观多样性的保护首先要扩大生态保护的范围.例如减少旅游休闲廊道中对鸟类的可视区，保证湿地内鸟类的隐蔽性，有利于其种族的繁衍.其次要保持湿地生态廊道的连接度，保证其景观内物种之间交流的畅通性，避免生态保护板块之间出现隔离.

［1］曹晓.西溪国家湿地公园湿地水生植被特征及其与水环境关系研究［D］.南京：南京师范大学，2011.

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