近30年南四湖湿地景观类型变化特征

梁佳欣,李新举*,高峰,许燕



近30年南四湖湿地景观类型变化特征

梁佳欣1,李新举1*,高峰2,许燕2

1. 山东农业大学资源与环境学院, 山东 泰安 271018 2. 济宁市国土资源局采煤塌陷地治理中心, 山东 济宁 272017

选取1985、2000年Landsat5 TM及2015年Landsat8 OLI遥感影像为数据源，以格网化为基础，分别利用转移矩阵和景观类型转化强度指数对南四湖湿地近30年的景观类型转移状况、生态等级变化情况进行定量时空分析，结果表明：①近30年来南四湖自然湿地面积逐年下降，人工湿地面积逐年上升，非湿地略有增加，由1985年自然湿地为主导的“湖泊-芦苇-荷田”景观结构转变为2015年人工湿地主导的“养殖水面-水稻田-湖泊”结构；②湖区主要呈现出大量自然湿地向人工湿地转移的趋势，转出面积最显著的是芦苇，为501.88 km2，主要转化为养殖水面、水稻田。转入面积最大的是养殖水面，为305.70 km2，主要由芦苇、荷田及湖泊转化而来；③1985~2000、2000~2015和1985~2015年景观类型转化强度指数值分别为-0.73、-0.40和-1.12，景观生态等级降低，宏观生态状况驱差，但后15年较前15年生态转差程度有所减缓，转化剧烈区域分布在最容易被人为垦殖的湖区东西两侧。

南四湖湿地; 转移矩阵; 景观类型转化强度; 格网化; 景观时空变化

斑块的出现、持续与消失是区域景观格局动态变化的本质[1]，而景观格局的改变势必会引起生态环境状况的变化。研究景观类型间的迁移变化特征，可直接揭示景观格局演变是有利于提升区域生态状况的良性发展还是使区域生态环境恶化的负面影响，对充分认识景观变化趋势及内在原因有十分重要的意义[2-6]。

马尔科夫转移矩阵可对景观类型迁移变化特征做出全面具体的描述。通过转移矩阵分析景观中各类斑块的转化状况，有利于揭示研究时间段内各景观类型间的转移变化规律，便于了解研究初期各景观类型的流失去向以及研究期末各来源与构成。陈希[2]、张华兵[7]等利用转移矩阵分别对湘江流域和盐城海岸湿地的景观类型之间的转移情况进行研究。土地覆被转类指数由邵全琴提出，用来反映出转类的方向，可对景观转类的幅度、速度以及生态等级的变化情况进行刻画。邵全琴[8]、吴丹[9]等利用该指数分别研究了三江源地区和长江源区土地利用类型变化特征和宏观生态状况。褚琳[14]对土地覆被转类指数进一步改进，提出景观类型转化强度指数，对辽宁省海岸带的生态系统状况变化进行了详细刻画。

本文以1985、2000和2015年的遥感影像作为数据源，在ENVI和ArcGIS的支持下，利用转移矩阵、景观类型转化强度指数和格网化等方法，从时间和空间相结合的角度定量探究近30年来南四湖湿地景观类型转移的方向、幅度大小以及生态等级变化情况。

1 研究区概况

南四湖位于山东省西南部（34°27¢N-35°20¢N, 116°34¢E-117°21¢E)，隶属济宁市微山县,自西北向东南依次由南阳、独山、昭阳和微山4个湖泊组成。南四湖南北长126  km，东西宽5~25  km，平均水深1.46  m，最大水面面积为1266  km2，集流总面积为3543  km，是山东省最大的淡水湖泊和南水北调东线工程主要的调蓄枢纽。南四湖属于温暖带大陆性季风气候，年平均气温13.7 ℃，年降水量750 mm左右[10]。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

选取1985年6月25日和2000年5月17日Landsat5 TM遥感影像以及2015年4月25日Landsat8 OLI遥感影像为数据源，空间分辨率为30  m。在ENVI5.1软件的支持下，进行辐射校正、几何精校正、影像裁剪和图像增强等预处理。参考《湿地公约》和微山县土地利用现状资料，结合野外调查，将南四湖湿地分为3个一级类，10个二级类，分别为天然湿地（湖泊、河流、芦苇及荷田）、人工湿地（水稻田、人工水渠、养殖水面和水库坑塘）以及非湿地（居民点及建筑用地、其他用地）。采用基于样本的面向对象方法对影像进行监督分类，分割、合并阈值分别设为36%和94%[11]。使用分层采样法采集各景观类型的样点对分类结果进行精度验证，总体分类精度均在90%左右，符合精度要求。

2.2 研究方法

2.2.1 转移矩阵模型转移矩阵可分析景观类型在研究初期和末期的数量情况以及研究时段内的变化情况，探究景观类型研究初期的流失方向和研究末期的来源构成，在一定程度上还能指示景观类型在未来的变化趋势[12]。转移矩阵的数学公式可表示为：

式中：为面积；n为景观类型数；、分别为期初与期末的景观类型。

2.2.2 景观类型转化强度指数以前人[13,14]的研究作为参考，根据二级分类来构建南四湖景观类型生态等级分级指数（表1），该表排除了实际情况下不同景观类型混合存在于同一区域的状况。分级指数越接近1，生态等级越高。

表1 各景观类型的生态等级分级指数

式中：L为景观类型转化强度指数；为景观类型；为区域总面积；A为第个景观类型一次转类的面积；D、D分别为转化前、后的分级指数。L为负，生态等级与宏观生态状况转差，且绝对值越大，转差程度越大。反之，生态等级与宏观生态状况转好，数值越大，转好程度越大。

2.2.3 格网化利用网格作为研究单元有助于探究空间分布与分异规律，弥补用区域均值代替整个区域状况的缺陷[15]。结合研究区实际情况，运用ArcGIS创建1 km×1 km的网格，利用叠加分析和字段计算器获取每个网格的景观类型转化强度指数值，并将结果进行空间化。

3 结果与分析

3.1 景观类型空间分布分析

近30年南四湖湿地各景观类型空间分布和面积情况发生了重大变化（图1、表2），由1985年自然湿地为主导的“湖泊-芦苇-荷田”景观结构转变为2000年自然、人工湿地双向主导的“湖泊-芦苇-水稻田-养殖水面”结构再转化成2015年人工湿地主导的“养殖水面-水稻田-湖泊”结构。自然湿地中，湖泊水面向湖中心萎缩，由1985年的511.84 km2减小到2015年的422.64 km2；芦苇、荷田由西南向北不断缩减，芦苇由1985年的433.23 km2减小为2015年的26.66 km2，荷田则由1985年的170.61 km2减小为2015年的11.76 km2。人工湿地中，上级湖东北角和下级湖西南角的水稻田连片增加，占总面积比重由1985年的2.59%增加到2015年的8.38%；养殖水面沿着自然湿地减少的方向由西南、东北朝湖中心剧烈扩张，占总面积比重由1985年的0.38%增加到2015年的43.80%。非湿地中，居民点及建筑用地30年间共增加了10.69 km2，与南四湖附近的人口数量增加有关。

图 1 1985~2015年南四湖湿地景观类型空间分布图

表 2 1985~2015年南四湖湿地景观类型面积变化情况

3.2 景观类型转移情况分析

分析转移矩阵可知（表3、表4），1985~2000年养殖水面增加最多（311.76 km2），主要由自然湿地中的芦苇、湖泊及荷田转化而来。减少最多的是芦苇与荷田（274.38 km2、136.32 km2），芦苇主要转化为养殖水面、水稻田和其他用地，荷田主要转化为养殖水面。表明这一时段南四湖区农业结构发生了重大调整，不再是单一的种植业，水产养殖业迅速得到发展[16]。2000~2015年，养殖水面持续增长（272.94 km2），主要由芦苇、荷田、湖泊、水稻田和其他用地转入。湖泊也有所增加（81.94 km2），2002年开展生态补水工程后，水域面积增加，芦苇、荷田等挺水植物退化并转为湖泊。芦苇、湖泊及荷田减少最为显著（227.50 km2、70.90 km2和32.35 km2）。人口增加带来的资源需求量增长和水产养殖带来的经济效益进一步刺激了当地居民对湖区的开发。

1985~2015年绝大部分景观都发生了转变(图2)，转出面积最显著的是芦苇，其次是湖泊及荷田。转入面积最大的是养殖水面，其次为水稻田、湖泊和其他用地。湖区呈现出大量自然湿地向人工湿地转移的趋势，表明1985~2015年间水产养殖业和种植业成为南四湖区农业的主导方向，土地开发利用速度加快，现代化进程不断推进。

表3 1985~2000年南四湖湿地景观类型转移矩阵（km2）

表4 2000~2015年南四湖湿地景观类型转移矩阵（km2）

图2 1985~2015年南四湖湿地景观类型转出转入面积

3.3 景观类型转化强度分析

1985~2000年景观类型转化强度指数为-0.73，整体生态级别降低，宏观生态状况变差。L在-3.00~-1.76的低值区主要分布在南阳湖西北部、昭阳湖中部和南部及微山湖西部和南部（图3）。该时段湖区周边人口数量的增加引起资源需求量增长，再加上受持续干旱和降雨量波动的影响，湖区水位下降，湖泊水面转化成向陆地过渡的沼泽，为人类开发提供了有利条件，导致湖岸处的芦苇、荷田被开垦成水稻田和养殖水面。2000~2015年景观类型转化强度指数为-0.40，仍朝着低生态级别发展。L在-3.00~-1.63的低值区出现于南阳湖和独山湖的西部、昭阳湖东部及微山湖北部和西部。水产养殖和粮食种植为当地居民带来了可观收益，驱动人们进一步扩大农业规模。城镇化发展加快，也导致更多自然湿地向人工湿地、非湿地转移。

近30年景观类型转化强度指数为-1.12，L为-4.00~-1.53的低值区占研究区的45.19%，表明南四湖总体生态等级降低，宏观生态状况驱差。L低值区分布在湖区东西两侧，最低值出现在南阳湖和微山湖。从时间上看，1985~2000年景观类型转化强度指数的绝对值小于2000~2015年，表明前15年为转化高峰期，大量水陆交界处较高生态级别的景观类型被人为开发成较低生态级别的景观类型。后15年转化强度减缓，生态状况略有恢复，与态补水工程、南四湖省级保护区建立和退耕还湿的开展有关。从空间上看，后15年L低值区向湖心扩张，人为干扰由湖岸向湖心转移，对自然开发力度加剧。

图3 南四湖湿地不同时段景观生态等级转化强度空间分布图

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）从景观类型空间分布来看，近30年来，南四湖自然湿地面积逐年下降，人工湿地面积逐年上升，非湿地略有增加，由1985年自然湿地为主导的“湖泊-芦苇-荷田”景观结构转变为2015年人工湿地主导的“养殖水面-水稻田-湖泊”结构，反映出人为干扰对南四湖景观格局的影响；

（2）从景观类型转移情况来看，近30年各景观类型都发生了转移，湖区主要呈现出大量自然湿地向人工湿地转移的趋势，表明水产养殖业和种植业成为南四湖区农业的主导方向，土地开发利用速度加快。转出面积最显著的是芦苇，为501.88 km2，主要转化为养殖水面、水稻田。转入面积最大的是养殖水面，为305.70 km2，主要由芦苇、荷田及湖泊转化而来；

（3）从景观类型转化强度来看，1985~2000、2000~2015和1985~2015年景观转类指数分别为-0.73、-0.40和-1.12，景观生态等级降低，宏观生态状况驱差，转化剧烈区域分布在最容易被人为垦殖的湖区东西两侧。后15年较前15年生态转差程度有所减缓，生态状况略有恢复，与态补水工程、南四湖省级保护区建立和退耕还湿的开展有关。

4.2 讨论

本文结合转移矩阵、景观类型转化强度指数和格网化等方法，从时空角度定量探究近30年来南四湖湿地景观类型转移的方向、幅度大小以及生态等级变化情况，但也存在一定的不足：①研究跨度为1985~2015年，但只对3期数据进行分析，若能缩短研究时间节点的间隔，以更多的影像为数据源，将有助于详尽分析南四湖湿地景观格局及宏观生态状况的变化过程；②由于数据获取的有限性，选用的遥感数据为邻近月份，没有剔除天气变化、水位变化对研究结果的干扰。人口增加、资源短缺和经济发展等因素加快了近30年南四湖区自然湿地向人工湿地转移的速度，降低了湖区景观生态等级。如何权衡资源掠夺性开发与南四湖区生态系统的稳定动态平衡之间的关系，并提出切实可行的管理保护意见将是下一步的研究重点。

[1] 肖笃宁,钟林生.景观分类与评价的生态原则[J].应用生态学报,1998,,9(2):217-221

[2] 陈希,王克林,祁向坤,等.湘江流域景观格局变化及生态服务价值响应[J].经济地理,2016,36(5):175-181

[3] 王根绪,郭晓寅,程国栋.黄河源区景观格局与生态功能的动态变化[J].生态学报,2002,22(10):1587-1598

[4] Townsend PA, Walsh SJ. Remote sensing of forested wetlands: application of multitemporal and multispectral satelite imagery to determine plant community composition and structure in southeastern USA[J]. Plant Ecology, 2001,157(2):129-149

[5] 徐庆红,吴波.两个时期福建省滨海湿地景观格局的比较[J].湿地科学,2014,12(6):772-776

[6] Kingsford RT, Tomas RF. Use of satellite image analysis to track wetland loss on the Murrumbidgee River floofplain in arid Australia, 1975-1998[J]. Water Science & Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2002,11(45):45-53

[7] 张华兵,刘红玉,郝敬峰.江苏省盐城海岸湿地景观时空演变特征研究[J].水土保持通报,2012,32(6)226-229

[8] 邵全琴,赵志平,刘纪远,等.近30年来三江源地区土地覆被与宏观生态变化特征[J].地理研究,2010,29(8):1439-1451

[9] 吴丹,邵全琴.近30年来长江源区土地覆被变化特征分析[J].地球信息科学学报,2014,16(1):61-69

[10] 高家骥,张雪铭,张峰,等.南四湖湖泊湿地生态环境预警研究[J].地理科学,2016,36(8):1219-1226

[11] 许吉仁,董霁红.1987-2010年那似乎是滴景观格局变化及其驱动力研究[J].湿地科学,2013,11(4):438-445

[12] 朱会义,李秀彬.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J].地理学报,2003,58(5):643-650

[13] 庄大方,刘纪远.中国土地利用程度的区域分异模型研究[J].自然资源学报,1997,12(2):10-16

[14] 褚琳,黄翀,刘庆生,等.2000-2010年辽宁省海岸带景观格局与生境质量变化研究[J].资源科学,2015,37(10):1962-1972

[15] 陈芝聪,谢小平,白毛伟.南四湖湿地景观空间格局动态演变[J].应用生态学报,2016,27(10):3316-3324

[16] 杨俊,单灵芝,席建超,等.南四湖湿地土地利用格局演变与生态效应[J].资源科学,2014,36(4):856-864

Change Features of Landscape Types in Nansi Lake Wetland over the Past 30 Years

LIANG Jia-xin1, LI Xin-ju1*, GAO Feng2, XU Yan2

1.271018,2.272017,

Transition matrix and the index of landscape type change intensity were used to the quantitative spatiotemporal analysis of the landscape type transfer and the changes of ecological grade in Nansi Lake wetland, Landsat5 TM in 1985, 2000 and Landsat8 OLI remote sensing images in 2015 as data sources and grid model as the basis. The results showed that：① In the past 30 years, the natural wetland in Nansihu Lake has decreased year by year, the artificial wetland has increased year by year, and the non-wetland has increased slightly. The Landscape structure of "Lake, Reed and Lotus" dominated by natural wetlands in 1985 was transformed into the "Aquaculture water, Rice paddy Field and Lake" structure dominated by artificial wetlands in 2015. ②There was a trend that a large number of natural wetlands were transferred to artificial wetlands in the lake area. The most significant reduced area was reed with 501.88 km2, which was mainly transformed into aquaculture surface and rice fields. The largest expanded area was aquaculture water with 305.70 km2, and it primarily came from reed, lotus fields and lake. ③The change intensity index values of landscape types in 1985/2000, 2000/2015 and 1985-2015 were -0.73/-0.40 and -1.12, respectively. The landscape ecological grade was reduced, the macro ecological condition became worse, the degree of ecological deterioration in the latter 15 years had slowed down, and the region with the greatest transformation was on the east and west sides of the lake, which was most susceptible to artificial reclamation.

Nansi Lake wetland; transition matrix; landscape type change intensity; grid model; spatio-temporal variations of landscape

S342.2

A

1000-2324(2018)03-0433-05

2017-02-22

2017-06-18

国家自然科学基金项目(41171425)

梁佳欣(1992-),女,硕士研究生,主要从事资源环境遥感、土地利用规划等研究. E-mail:jxliang201609@126.com

Author for correspondence. E-mail:lxj0911@126.com