近百年来鄱阳湖南部湿地景观生态格局演变

2018-09-28万智巍连丽聪贾玉连张智蒋梅鑫

生态环境学报 2018年9期

万智巍，连丽聪，贾玉连*，张智，蒋梅鑫

1. 江西师范大学地理与环境学院，江西南昌 330022；2. 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西南昌 330022

湿地景观生态格局变化对于生态系统各项功能，如系统恢复能力、生物多样性、重要野生动物栖息地保护等方面有着显著的影响（Zadnik et al.，2009；林世滔等，2017）。研究表明，随着城市化和人类干扰强度的日益增加，全球范围内的湿地景观生态格局出现了不同的变化过程（Bertrab et al.，2010），特别是在城市周边区域，各类天然湿地的消失，湿地斑块的减少以及湿地之间连通性的急剧下降，使得湿地生态功能的合理评估成为目前研究的热点之一（Zhao et al.，2016）。国内的研究同样表明，气候变化在人类社会经济发展等因素的叠加效应下，对黄河三角洲（陈琳等，2017；吴晶晶等，2018）、白洋淀（张敏等，2016）、洞庭湖（黄群等，2013）等区域的天然湿地变化起到了主导作用；同时，农业的大规模开发对东北三江平原地区的天然湿地减少也产生了重要影响（那晓东等，2009）。

为了更好地研究长时间序列下湿地景观生态格局演变及其对环境变化的响应，目前主要是通过不同时期的卫星遥感影像，提取出不同年份的湿地范围，基于景观生态格局指数的变化，量化湿地变化的生态效应和变化规律（刘征等，2013）。因此，重建较长时间序列的湿地景观格局变化对于提高未来变化趋势的预测精度和模拟的有效性具有重要意义。考虑到卫星遥感数据一般只能回溯到 20世纪 70年代左右，为了研究近百年来典型区域湿地景观格局变化规律有必要发掘新的资料来源（孔凡亭等，2013）。近年来，一批民国时期高精度的实测军事地形图资料被陆续发掘，并在历史时期土地利用重建、城市化水平、近百年湖泊演变等研究领域产生了较大影响（He et al.，2015；潘倩等，2016；张昊雁等，2016；张毅等，2010）。相关学者的研究表明，民国时期的 1∶5万地形图的误差范围在1/4000～1/1000（潘威等，2010），可以利用这批历史资料延长湿地景观生态格局演变序列，并以此为基础探讨近百年尺度下的湿地变化规律，为区域湿地格局模拟和预测提供基础边界（韩颖等，2017）。

本研究以中国最大的淡水湖——鄱阳湖为例，选取湿地分布较为集中的鄱阳湖南部作为典型区域，空间范围为 116°E～116°45′E，28°20′N～29°N（图1）。鄱阳湖作为长江中游地区重要的通江湖泊和候鸟栖息地，具有重要的生态意义。鄱阳湖属于吞吐型、季节性湖泊，水位年内变化幅度较大。高水位时则“洪水一片”，低水位时则“枯水一线”，因此其湖泊的岸线在同一年内变化极其显著。正常年份中鄱阳湖丰水期湖泊水域面积非常大，而枯水期整个鄱阳湖仅以一条狭窄的水道联系长江，丰水期为湖面的区域在枯水期就转变为洲滩湿地。因此，一般认为在鄱阳湖地区，其丰水期水面可以视为是整个鄱阳湖湿地的范围。同时，赣江、抚河、信江等河流在赣北地区由南向北汇入鄱阳湖，并形成了大面积的洲滩和湿地（游海林等，2016）。本研究利用1930年代军事地形图、1979年和2015年Landsat卫星遥感影像数据，研究近百年来3个时期鄱阳湖南部湿地面积和景观生态格局演进规律，为鄱阳湖湿地保护及区域可持续发展提供基础数据和决策依据。

1 数据与方法

1.1 军事地形图

图1 研究区域区位图Fig. 1 Location map of study area

1930年代鄱阳湖南部湿地的重建主要利用上世纪 30年代相关的军事地形图进行，主要包括1∶2.5万和1∶5万两种形制的地形图资料（陈黎等，1999）。近年来，这批军事地形图在江西师范大学（万智巍等，2018）以及台北“中央研究院”近代史研究所进行了较为完善的数字化和空间化（江伟涛，2015），其下载地址为 http：//map.rchss.sinica.edu.tw/。本研究将此套地形图中有关鄱阳湖南部的图幅在ArcGIS 10.2平台中进行数字化和空间配准（图 2）。主要流程可以分为初步配准和后期微调两个步骤：首先利用1930年代测绘的军事地形图标注的经纬度信息，在ArcGIS 10.2平台中通过Georeferencing工具中的Add control points功能将已进行扫描的 jpg.格式地图匹配到真实的地理空间中；然后利用投影变换工具将历史地图与江西省鄱阳湖地区的行政区划底图进行调整；最后利用1930年代军事地形图中的山峰以及现代遥感影像中的标志性地点进行反复微调，以确保地形图反映的水域分布的准确性。同时利用美国陆军工程署制图局（Army Map Service，US Corps of Engineers）（潘威，2011）于上世纪50年代出版的江西鄱阳湖地区航空测绘地图进行比对，提高重建结果精度和可靠性。利用ArcGIS中的Polygon工具实现1930年代鄱阳湖南部湿地的重建，最终恢复其湿地分布空间格局。

图2 1930年代鄱阳湖地区1∶5万军事地形图示意Fig. 2 Poyang lake region military topographic map of 1∶50000 in 1930s

1.2 遥感影像

对于1970年代和2010年代的鄱阳湖南部湿地的重建可以分别利用Landsat3 MSS和Landsat7 ETM卫星遥感影像数据，下载地址为 http：//www.landcover.org/ data/landsat/。具体的选取标准为：影像分辨率高于60 m；鄱阳湖地区图像较为清晰、各类洲滩和湿地区域显示明显；湖区云量小于10%。最终，本研究选取了1979年7月2日和2015年7月31日的湖区遥感影像作为1970年代和2010年代鄱阳湖南部湿地空间分布格局基础数据，基于ENVI 5.4软件进行遥感目视解译，提取出各类水面和湿地范围。利用《江西省圩堤图集》（彭忠福，1999）数据，采用样点法验证1970s和2010s遥感影像解译数据，其解译精度分别为75.8%和81.2%。

1.3 湿地重建与分析流程

在ArcGIS 10.2平台下，基于重建的1930年代的历史时期鄱阳湖南部湿地范围和1970年代、2010年代湿地范围，在公里网格的划分基础上统计其湿地所占比率；再利用核密度空间分析方法插值获得整个研究区域的湿地比率空间分布；最后利用3个时期的湿地比率空间分布栅格图进行不同时期的变化运算，求出 1930s—1970s、1970s—2010s、1930s—2010s 3个时间段的湿地空间格局变化过程。

1.4 景观格局统计

利用Fragstats 4.2软件对3个时期的湿地空间分布栅格进行处理，得出3个时期鄱阳湖南部湿地的各类景观格局指数，主要包括：斑块总面积（TA）、斑块数（NP）、斑块密度（PD）、总边界长度（TE）、平均边界密度（ED）、最大斑块指数（LPI）、聚集度指数（AI）、景观形状指数（LSI）等（McGarigal et al.，2012；傅伯杰，2011；邬建国，2007）。

2 结果与分析

2.1 湿地形态重建

重建结果如图3所示，1930s鄱阳湖南部湖区和湿地分布较广，除研究区西南部较少有湿地和水域斑块外，其他地区都分布有大量的湿地和水域。1970s开始，研究区西部地区开始出现大规模湿地斑块减少的现象，研究区东部则出现湿地和小面积水域变为大面积水域的现象。出现这一现象的原因很可能是由于研究区东部靠近南昌等主要城市，在城市化驱动力的作用下，大量湿地和水域转化为城市建设用地；而研究区东部则可能是在人工水域建设等因素的作用下，小块水面逐渐合并成为大面积的水域。2010s重建结果显示，研究区域东部和西部的小块湿地大面积消失，鄱阳湖主湖区也被分割为几个次级区域；同时在研究区的东南部出现大量面积较小的独立水域，其原因很可能与赣抚平原水利建设以及这一区域各类水库的修建有关。从总体湿地面积的变化来看，鄱阳湖南部地区湿地面积经历了先增加后减少的变化过程，即从1930s的1386 km2增加至1970s的1655 km2，随后减少至2010s的1129 km2。总体而言，目前的湿地面积较1970s的最大值减少了约31.8%。

2.2 湿地密度重建

将研究区按照公里格网进行划分，并计算每个公里网格中的湿地面积比率，利用核密度插值方法得到了鄱阳湖南区湿地密度的空分布格局（图4）。由图4可知，研究区中部属于湿地密度较高的区域，一般比率在90%以上，这一区域也是鄱阳湖的主要湖区范围；其他湿地密度较高的区域主要分布在研究区的东部和西部，密度值在 20%～70%范围内；密度值在 10%以下的区域主要分布在研究区的东南部等区域，从地形上看这一地区主要属于丘陵地带，各类水域较少。不同时期的湿地密度变化主要体现为研究区西部密度值下降、东部密度上升，同时研究区东南部则从1930s的几乎为0演变为2010s的10%左右。

图3 1930s、1970s、2010s鄱阳湖南部湿地分布图Fig. 3 Distribution map of the wetlands in south Poyang Lake of 1930s, 1970s and 2010s

图4 1930s、1970s、2010s鄱阳湖南部湿地密度Fig. 4 Wetland density in south Poyang Lake of 1930s, 1970s and 2010s

2.3 湿地密度演化

为了进一步定量化讨论近百年来3个时期鄱阳湖南部湿地格局变化过程，将不同时期湿地密度值的差定义为K，即利用ArcGIS的栅格运算工具求出 1970s—1930s、2010s—1930s和 2010s—1930s 3个时段的湿地变化K值,结果如图5所示，数值为1的蓝色区域即为相应时段内变为水域的区域、数值为-1的区域即为变为陆地的区域。由图5(a)可知，在1930s—1970s，研究区内很多区域转化为水域和湿地，这一时期属于湿地面积的扩展时期。1970s—2010s则属于湿地大面积减少而由湿地转化为陆地的区域则大幅度增加的时期（图 5(b)）。图 5(c)显示，在1930s—2010s，鄱阳湖南部湿地空间格局变化的总体趋势是水面减少、陆地增加，同时变化具有一定的空间差异性，即研究区域的中部和西部出现了大面积的湿地消失；湿地密度值扩大的区域主要出现在研究区的东北部和东南部的局部区域。

2.4 景观生态格局特征演变

基于Fragstats 4.2软件计算出3个时期的鄱阳湖南部湿地各项景观生态格局指数，具体结果见表1。TA（斑块总面积）数值在近百年间的变化表现为先增加后减少，与利用ArcGIS 10.2平台计算获得的湿地面积值的变化情况一致。NP（斑块数）在1930s—1970s期间呈下降趋势，说明这一时期较大面积的水域斑块呈增加趋势，尽管斑块数下降但总的湿地面积增加；NP值在1970s—2010s期间增加的主要原因则是部分区域的人工湿地斑块增加所致。PD（斑块密度）同样出现了先降低后升高的格局，特别是2010s斑块密度达到了最大值（0.376），说明这一时期尽管湿地总面积较低，但由于人工湿地的增加，斑块个数和密度也呈增加趋势。另一方面，LPI（最大斑块指数）在近百年间呈逐步下降趋势，2010s相较于1930s下降了52.8%左右，这也说明近百年来鄱阳湖南部湿地进一步呈现出破碎化的趋势。AI（聚集度指数）在1970s达到最大值，说明这一时期湿地斑块最为集中。LSI（景观形状指数）总体上呈下降趋势，说明近百年来湿地斑块的形状出现简化的趋势，这主要是由于自然水体的边界要比人工水体更为复杂。

表1 1930s、1970s、2010s鄱阳湖南部湿地景观格局指数Table 1 Wetland Landscape Pattern Index in south Poyang Lake of 1930s,1970s and 2010s

图5 1970—1930s、2010—1930s和2010—1930s 3个时段的湿地面积变化K值分布图Fig. 5 Wetland area changes of K value in three periods

3 讨论

历史地图数据可以极大地延长生态景观格局变化的时间序列，成为遥感影像数据的重要补充方式。近年来国内外很多学者开始利用具有现代测绘信息的地图资料进行历史土地利用的重建工作（Goldewijk，2001；潘威，2011）。然而，在如何合理利用历史测绘地图方面，需要特别注意进行测绘精度的验证。根据潘威等（2010）对民国时期上海地区军事地图的研究，其误差主要是由于利用小三角测量所形成，一般认为其范围在1/4000～ 1/1000之间。同时，我们之前的研究也发现江西地区1930s民国测绘军事地形图在城市面积数值方面的误差小于 10%（万智巍等，2018），因此可以利用这批历史地图进行相关研究。本研究结果也表明，1930s军事地形图在进行空间配准和标志点微调之后，可以很好地进行历史水域的重建，其结果与1950s前后的航拍地形图匹配较好。尽管如此，在利用历史地形图的时候还是要进行充分的比对，对其结果的解释也要与其他来源的资料进行验证。

近百年来是人类活动显著影响土地利用变化的时期，本研究利用历史地图信息延展得到鄱阳湖南部湿地1930s—2010s长时间变化序列，并以此揭示不同要素影响下的土地利用变化过程。相关研究表明,农业化阶段与工业化阶段的土地利用变化格局有较大差异（Celio et al.，2014），鄱阳湖地区的湿地变化也体现出不同历史阶段格局变化的差异性。在1930s—1970s的时间段内可以认为农业开发是这一地区湿地变化的主要驱动力。尽管湿地总面积处于增加状态，但是由图5(a)可以看出，在距人口较密集的鄱阳湖西岸地区湿地减少较多，这与本时间段的围湖造田活动直接相关。此外，NP（斑块数）值从383下降为318也说明大量的小块湿地转变为其他用途。这一时期湿地面积的增加则主要是由于鄱阳湖东部地区的河道、湖泊整治等水利工程的实施（彭忠福，1999）。1970s—2010s这一时间段可以认为是工业化特别是城市化发展阶段。这一时期湿地面积由1655 km2减少至1129 km2，LPI（最大斑块指数）由28.094下降为24.620说明这一时期的湿地斑块呈现进一步破碎化的趋势，大面积的湖体和湿地转换为其他用途，人类活动尤其是城市化对湿地的影响逐步加重。破碎化同样表现在湿地的斑块数在这一时期增加明显，一方面由于鄱阳湖主湖区被圩堤切割，另一方面则是在研究区东南部等非主湖区由于农业和城市化等原因出现了各类人工湿地。大量相关研究表明（梁佳欣等，2017；李莹莹等，2016），1980年代以来城市及其周边地区都呈现天然湿地减少，人工湿地增加，斑块呈破碎化分布趋势，水体间的连通度下降；且这一变化的主要驱动力是人口的增长和城市快速发展。