基于Landsat的黄河三角洲湿地景观时空格局演变

卢晓宁,黄 玥,洪 佳,曾德裕,杨柳青



基于Landsat的黄河三角洲湿地景观时空格局演变

卢晓宁1*,黄 玥1,洪 佳2,曾德裕1,杨柳青1

(1.成都信息工程大学,四川 成都 610225；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

为全面揭示黄河三角洲湿地景观的演变,利用1973~2016年9期Landsat卫星影像,构建黄河三角洲湿地景观空间数据库,分析区域湿地景观的组成及其变化,应用景观格局指数分析方法,研究湿地景观格局演变的趋势,并结合质心模型探讨湿地景观空间位置的变化.结果表明:(1)黄河三角洲咸水湿地多分布于海岸带附近,淡水湿地多分布于河流沿岸,人工湿地多分布于距离海岸线15km以内的沿海区域以及河流沿岸.(2)黄河三角洲湿地总面积呈下降趋势,是由芦苇沼泽、翅碱蓬柽柳沼泽以及芦苇柽柳沼泽为主的自然湿地向人工湿地和非湿地的转换变化导致.(3)黄河三角洲湿地景观整体呈破碎化的萎缩趋势,景观空间构型不断朝破碎化、多样化,形状简单化的人工化特征突出的方向发展.(4)1973~1985年间,受黄河由刁口河流路改道清水沟流路初期的影响,加上充沛的淡水水源,黄河三角洲湿地呈以淡水湿地的东北向扩张变化主导;1985年后,黄河处于改道清水沟流路中后期,后又改至清8汊流路,加上黄河径流量的减少,使得区域湿地景观整体呈咸水湿地主导的东南方向萎缩变化.

黄河三角洲；咸水湿地；淡水湿地；人工湿地；景观格局；空间位置

湿地是地球上最为重要的生态系统类型之一[1],是水陆相互作用而形成的自然综合体,在维护区域生态平衡和生境安全、维持生物多样性等方面发挥着巨大作用[2].深入分析湿地演变时空特征是了解湿地生态演变规律和制定湿地保护对策的科学基础[3].作为中国暖温带保存最完整、最广阔和最年轻的湿地生态系统,黄河三角洲湿地以其原始性、脆弱性和作为珍稀濒危鸟类重要栖息地的作用在国际上备受重视[4].学者围绕黄河三角洲湿地修复[5-6]、湿地评价[7]、湿地管理[8-9]、湿地演化机制与恢复[10]、湿地动态监测[11]、湿地生物量[12-13]、碳储量[14]估算等方面开展大量研究.然而,宏观把握黄河三角洲湿地景观格局及其变化规律是前述许多工作的重要基础和前提,同时也是开展区域尺度上湿地评价、修复效果检验和管理等研究的重要手段.作为近年来湿地科学和生态学研究的热点领域[15],湿地景观格局研究成果丰硕.不少学者基于遥感和GIS技术及景观生态学原理,对黄河三角洲湿地开展了大量研究[3,16-17],这对深入认识黄河三角洲湿地景观格局及其时空变化规律打下了基础.但是,多数研究往往时间序列较短、时间步长较长,且对空间变化关注较少,难以揭示快速变化的黄河三角洲湿地景观演变的系统性特征及其规律.故,本研究以Landsat卫星1973~2016年的9期影像为数据源,进行人工目视解译,建立相对长时间序列的黄河三角洲湿地景观数据库.从景观组成、格局特征及空间变化3方面开展研究,以期系统给出黄河三角洲近44a来湿地景观格局及其演变特征,为黄河三角洲湿地景观系统的保护和修复提供理论支持.

1 研究区概况

黄河三角洲(简称黄三角),位于渤海湾南岸和莱州湾西岸,地处117°31′~119°18′E和36°55′~38°16′N之间,是处于中纬度地区的冲积平原.黄三角是由古代三角洲、近代三角洲和现代三角洲三部分组成的联合体[18].现代黄三角主要是指自1934年开始至今仍然在继续形成的扇面,它的顶点为渔洼,西起挑河,南至宋春荣沟[19],陆地面积约为3×103km2.地理学上说的黄三角仅仅是指黄河在今山东的东营市、滨州市以及向下因冲积而形成的三角洲平原.考虑到研究的方便性、实用性,本研究选取了东营市除广饶县外的各县、区为研究区,如图1所示.

图1 研究区示意

2 数据源与研究方法

2.1 数据源及数据预处理

2.1.1 数据源 9期Landsat影像数据(详情见表1),取自美国地质调查局(USGS)网站(http: //earthexplorer.usgs.gov/)以及地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/).实地考察数据,2013年9月在研究区内采集得到71个样点的地表覆被数据(采样点位置如图1所示).所有空间数据投影均为UTM投影,坐标系均为WGS84.

表1 遥感影像相关信息

2.1.2 湿地分类系统 参考国内外湿地分类标准以及黄河三角洲湿地分类系统[20-21],并结合研究区实际,建立黄河三角洲湿地景观分类系统,如表2所示.

2.1.3 数据预处理 对获取的遥感影像进行几何校正、波段组合、直方图均衡化等预处理,以提高目视解译精度.根据已建立的解译标志,并参考Google Earth影像,实现黄河三角洲湿地景观信息的目视解译.通过与实地考察的71个样点数据的精度检验分析和订正,最终分类总体精度在90%以上,满足本研究的精度需求.

2.2 湿地景观数据库构建

基于上述处理得到1973~2016年黄河三角洲湿地景观数据库,如图2所示.

表2 黄河三角洲湿地景观分类系统表

2.3 湿地景观格局演变分析方法

先从湿地景观组成的面积变化方面阐述湿地景观总体的变化特征.进而基于Fragstats4.2软件从类型(斑块数量(NP),平均斑块面积(MPS),最大斑块占景观面积比(LPI))和景观水平(斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块占景观面积比(LPI)、分维数(PAFRAC),蔓延度(CONTAG),Shannon’s多样性指数(SHDI)和信息熵(IE))计算10个景观格局指数,结合线性倾向率定量揭示黄河三角洲湿地景观格局指数的变化趋势.信息熵指数被应用于本研究中[22-25],是因为其反映了景观的空间几何排列和整体组合信息变化的剧烈程度,其值越大则景观演变的剧烈程度越大[26].其它景观格局指数的生态意义解释见Fragstats4.2使用手册[27-28].最后应用空间质心模型[29],计算各湿地景观类型以面积加权的质心,定量揭示湿地景观的空间变化,并从黄河改道及径流变化的角度揭示黄河三角洲湿地景观空间变化的原因.

3 黄河三角洲湿地景观格局的变化分析

3.1 黄河三角洲湿地景观组成及面积变化分析

3.1.1 黄河三角洲湿地景观组成现状分析 黄河三角洲湿地主要分布于环渤海的临海区域,面积较大,占研究区总面积的40%以上.2016年湿地总面积为2723.91km2,占研究区总面积的41.79%,其中自然湿地占56.67%.自然湿地中咸水湿地面积较大,占比达到53.47%,多分布于海岸线附近,随着向陆地的不断深入依次呈现出泥沙质滩涂-翅碱蓬沼泽-翅碱蓬柽柳沼泽-芦苇柽柳沼泽的显著的空间演替构型特征,潮沟湿地则以廊道的形式由沿海向内陆方向贯穿整个咸水湿地景观[30].咸水湿地中以翅碱蓬柽柳沼泽的面积最大,占咸水湿地总面积的35.07%,芦苇柽柳沼泽、翅碱蓬沼泽、泥沙质滩涂占比相当,分别占到20.10%、20.60%、19.17%.发挥显著廊道功能的潮沟面积比重较小,仅占4.16%.淡水湿地多分布于河流沿岸,并且呈现出由河流中心线向永久性河流-河漫滩-芦苇沼泽-柳林沼泽-草甸沼泽演替的空间分布格局[30].其中芦苇沼泽面积最大,占淡水湿地总面积的82.62%,是淡水湿地最主要的组成部分.永久性河流、草甸沼泽、河漫滩、柳林沼泽占淡水湿地总面积的比例依次为8.84%、5.42%、2.02%和1.03%.人工湿地中水库坑塘、虾蟹田和盐田多分布于距离海岸线15km以内的沿海区域,水田和沟渠则较多分布在河流沿岸.其中水库坑塘的面积最大,占人工湿地总面积的41.37%,其次为虾蟹田,占到34.44%,再次依次为盐田(14.22%)、水田(8.47%)、沟渠(1.50%).

图2 1973~2016年黄河三角洲湿地景观

3.1.2 黄河三角洲湿地景观面积变化分析 1)湿地总体组成的面积变化分析:44a间,黄河三角洲湿地总面积整体呈下降趋势,年均减少约为10.64km2,44a湿地总面积共减少了342.79km2(图3(a)),这主要是由自然湿地的面积减少所致,减少趋势年均为37.19km2.人工湿地面积则呈显著上升趋势,年均增长26.55km2,体现出人类在黄河三角洲干扰活动的加剧.由于人工湿地占比小(多年平均为21.98%),不能改变黄河三角洲湿地整体的退化变化趋势.

图3 1973~2016年黄河三角洲湿地面积变化

2)自然湿地组成的面积变化分析:自然湿地的显著下降,是因为其中的咸水和淡水湿地在研究期内都呈面积减少的变化趋势(图3(c)、(d)).咸水湿地的显著下降(线性倾向率-25.08km2/a,图3(c))是因为占其比重最大的翅碱蓬柽柳沼泽被大面积的(占比55.33%)开发为水库坑塘、虾蟹田和盐田.此外,还有较大面积的芦苇柽柳沼泽被开垦为旱地,呈年均减少9.13km2的变化,进一步加剧了自然湿地的面积减少.占比较小的翅碱蓬沼泽、泥沙质滩涂和潮沟的减小变化亦对咸水湿地面积的减小起到促进作用.

淡水湿地的退化(图3(d))是因占比最大的芦苇沼泽被开发为旱地和虾蟹田,开垦的面积分别达到371.56和108.97km2.此外,草甸沼泽亦呈现出下降趋势(54.27%转化为旱地),年均减少0.45km2,在一定程度上加剧了淡水湿地的萎缩.柳林沼泽和河漫滩面积虽略有增长,但其比重小,对淡水湿地的影响微乎其微.永久性河流呈现出较大的面积波动变化,主要是受黄河径流的影响[31],因其面积比重亦不大,这种波动未对淡水湿地面积的变化趋势产生显著影响.

3)人工湿地组成的面积变化分析: 黄河三角洲人工湿地面积的变化趋势(图3(b))与自然湿地面积的变化趋势截然相反[32].44a间,人工湿地面积增加了980.69km2,其中水库坑塘、虾蟹田的贡献最大,贡献率分别为44.14%和41.45%.水库坑塘面积的显著增长可由其高达13.65km2/a的线性倾向率体现出来(图3(b)).这是因为1979年后,三角洲地区大面积建设平原水库,尤其是20世纪90年代后,区域平原水库建设日新月异.截止至1994年,东营市全市平原水库设计库容4.31km2;截至2002年,全市共建成平原水库658座,总设计库容8.31km2[33].虾蟹田自1985年后开始迅速扩张,年均增长12.85km2,与人类开挖翅碱蓬柽柳沼泽和芦苇沼泽息息相关,由二者转化而来的面积分别占39.44%和26.56%.盐田也呈现面积上升的变化趋势,线性倾向率为3.62km2/a,对人工湿地面积的增长起促进作用.44a间,水田和沟渠的面积呈减小趋势,因其占比小且减小程度轻(年均减少量仅为0.4和0.24km2),其影响几乎可忽略不计.近44a来黄河三角洲人工湿地的面积扩张变化体现出人类的水利建设、水产养殖业开发、农业发展等干扰活动在该区域加剧的特征[34].

3.2 黄河三角洲湿地景观格局指数的变化趋势分析

在黄河三角洲湿地景观总面积减少的背景下,湿地景观格局也呈现出明显的破碎化加剧的退化特征(表3).1973~2016年间,黄河三角洲湿地景观的斑块数量和斑块密度均呈现出增长趋势(线性倾向率分别为30.24块和0.01块/km2),最大斑块占景观面积比明显下降(线性倾向率为-0.19).这说明44a间湿地优势类型愈来愈不显现,景观分布趋于均匀,呈显著的破碎化变化.蔓延度指数的极显著下降趋势(显著性水平0.002)和多样性指数的显著增长趋势(显著性水平0.01)更进一步印证了区域湿地景观破碎化加剧的特征.分维数呈现的极显著减小变化趋势(显著性水平0.002),说明黄河三角洲湿地景观表现出破碎化、均匀化、规整化加剧的特征,主要是因其受人类活动干扰越来越大所导致[27].反映湿地景观空间几何排列和整体组合变化程度的信息熵,在研究期内呈上升趋势,线性倾向率为0.01,综合地体现出湿地景观包含的信息量持续增加,景观的空间分布结构不断朝破碎化的方向发展.

表3 1973~2016年景观格局指数变化趋势拟合

x:年份,y:各景观格局指数.

综上所述44a间黄河三角洲湿地景观整体呈破碎化加强的萎缩趋势,景观的空间分布结构不断朝破碎化、多样化、形状简单化的人工化特征突出的方向发展.这是由于自然湿地景观呈大斑块萎缩,小斑块数量增多的破碎化加剧的面积萎缩变化.表现为占咸水湿地比重最大的翅碱蓬柽柳沼泽和芦苇柽柳沼泽,被大比重的开发为以小斑块、形状规整特征突出的人工湿地,主要是水库坑塘、虾蟹田、盐田和旱地,两主导咸水湿地景观的斑块数量增长(翅碱蓬柽柳年均增长2.12块,芦苇柽柳则为3.62块,图4(a))、平均斑块面积下降(翅碱蓬柽柳年均减少0.23km2,芦苇柽柳则减少0.71km2,图4(b)),最大斑块占景观面积比下降(翅碱蓬柽柳的线性倾向率为-0.12,芦苇柽柳为-0.07图(c)).占淡水湿地比重最大的芦苇沼泽,亦因被开发为旱地和虾蟹田,斑块数量增长(年均增加2.29块,图4(a)),平均斑块面积和最大斑块占景观面积比都明显下降(前者年均减少量为0.55km2,后者线性倾向率为-0.19,图4(b)和图4(c)).

以小斑块为主的人工湿地景观呈面积增长变化,进一步的加剧了区域湿地景观的破碎化趋势.主要体现为水库坑塘和虾蟹田的破碎化扩张变化,它们的斑块数量、平均斑块面积和最大斑块占面积比都呈现出显著的增长变化(图4(d~f)).水库坑塘的斑块数年均增长10.72块(显著性水平为0.100),平均斑块面积和最大斑块占景观面积比都达到了0.050水平上的显著上升趋势.虾蟹田斑块数增长更为显著(显著性水平为0.001),年均增长2.14块,平均斑块面积和最大斑块占景观面积比的线性倾向率则分别为0.13km2/a和0.07/a.

正是因以翅碱蓬柽柳沼泽和芦苇柽柳沼泽优势特征突出的、空间上连接成片的自然湿地景观,被开发为小斑块特征突出,地块分割明显,形状规则的水库坑塘、虾蟹田、盐田和旱地等人工湿地景观,使得自然湿地的优势不断减弱,人工干扰的特征愈来愈显现,黄河三角洲湿地景观破碎化、均匀化、多样化特征凸显[35-36].

3.3 黄河三角洲湿地景观空间位置变化分析

3.3.1 景观水平的空间位置变化分析 由1973~ 2016年黄河三角洲湿地景观质心位置变化图(图5(a))可看出,1973~1985年间,黄河三角洲湿地呈明显的向东北方向的扩张变化,湿地景观质心的年均迁移距离达到0.30km.该时段黄河处于刁口河流路,后改道清水沟流路的初期,且径流量较大(利津站年均径流为336.51亿m3),海陆交互作用以海退、陆进为主,呈现出以刁口河流路的淡水湿地的东北向扩张变化为主.1985年以后,黄河进入改道清水沟流路中期,后又改至清8汊流路[31],刁口河流路的湿地因海侵作用增强而面积萎缩显著,区域东南的清水沟和清8汊流路的滨海湿地特征越来越明显,最终导致1985年后黄河三角洲湿地景观整体向东南方向迁移,迁移距离为4.66km.因此,黄河三角洲湿地的空间迁移只在前期的12a由淡水湿地主导,整体上由咸水湿地主导,这是因为咸水湿地面积占比大,位于河口区域,对海陆交互作用更为敏感.淡水湿地面积小,临近海岸部分的比重更小,限分布于河流沿岸,其受黄河改道影响的空间位置的变化幅度小(研究期内质心向东北方向的年均迁移量只有0.17km),对湿地整体空间变化的影响作用较弱.人工湿地面积虽然增长,因所占面积比重仍较小,即使其在整个时期呈显著的北向扩张变化,年均向北迁移量为0.33km,并不能改变湿地景观整体的东南向空间迁移特征.

图5 1973~2016年黄河三角洲湿地景观质心位置变化

3.3.2 类型水平的空间变化分析 1)咸水湿地景观空间变化分析:咸水湿地在1973~1985年间呈现出向东南扩张的变化(质心迁移量为2.54km),1985年后开始向东南方向急剧萎缩(图4(b)),质心迁移距离达到17.48km,造成这种变化的主要原因是人类的干扰活动.1973~1985年,黄河由刁口河流路改道至清水沟流路,原东北方向的刁口河流路逐渐断流,海洋侵蚀作用加强,水陆交互作用区向清水沟流路迁移,导致芦苇柽柳沼泽和翅碱蓬柽柳沼泽明显向东南萎缩,两湿地景观类型的质心分别向东南方向迁移了9.00和2.24km.泥沙质滩涂在黄河径流携沙作用下于东南方向有明显的扩张(质心迁移量为6.55km),该三种湿地类型明显的东南方向的迁移变化最终导致了咸水湿地整体向东南迁移.1985年后,区域水产养殖业、平原水利工程的快速发展,距离海岸线较远的翅碱蓬沼泽和芦苇柽柳沼泽被开挖(质心年均迁移量为1.11和0.62km),使得咸水湿地整体发生东南向的急剧萎缩变化,咸水湿地质心的年平均迁移量为0.56km.潮沟在1973~2016年间亦呈现出明显的东南向的迁移变化,其质心的迁移距离为17.06km,更加剧了研究时段内黄河三角洲咸水湿地整体呈现出的东南向位置迁移变化.

2)淡水湿地景观空间变化分析:受黄河改道及黄河径流量影响,叠加上人类活动的干扰作用1973~2016年间,淡水湿地整体向东萎缩,但变化程度远小于咸水湿地(年均迁移量仅为咸水湿地的38.24%,图5(c)).淡水湿地的向东萎缩变化,由占比最大的芦苇沼泽的变化导致.草甸沼泽、河漫滩和柳林沼泽占比小,对淡水湿地整体的空间位置变化影响甚小.1985年前,黄河处于由刁口河流路人工改道至清水沟流路的初期,加上径流量较大,使得永久性河流质心向东南迁移18.09km.占淡水湿地比重最大的芦苇沼泽因沿河流的两岸分布,更易受河流淡水水源波动的影响,其质心亦向东北迁移了3.25km,最终形成了1985年前淡水湿地东向扩张的位置变化特征,质心向东的迁移量达到4.57km. 1985年后,黄河径流量减少[30],加之区域人口增长对粮食需求加剧,造成离内陆较近的芦苇沼泽被开垦为耕地,而东南河口区域海侵作用的增强,又使得芦苇沼泽被开挖为虾蟹田,加之径流减少对土壤的冲、洗盐作用减弱,使得湿地因土壤中水盐平衡被打破而退化为盐碱地[34],这些因素的综合作用造成该时段芦苇沼泽呈东南向萎缩变化,其质心的东南向迁移量为0.11km.

3)人工湿地景观空间变化分析: 1973~2016年,人工湿地呈现出先向东南迁移,后向西北迁移的变化(图5(d)),这是由不同时期人类干扰的类型和强度不同所致.1973~1979年间,以水库坑塘向南的萎缩变化主导(质心迁移量为15.30km),使得人工湿地质心南移4.10km.1979~1992年间,表现为人类开挖水田和水库坑塘的东南向扩张,虽然虾蟹田呈向内陆的西南向扩张变化(质心向西南方向移动了7.07km),因其面积比重小,不能改变该时段人工湿地的整体东南向迁移变化.1992年到2010年,区域水库建设和水产养殖业迅猛发展,水库坑塘和虾蟹田向北部和东北部沿海地区的扩张变化突出,质心分别向北移动了23.91km和8.50km,同时盐田也向北扩张(质心迁移量为11.14km),造成该时段人工湿地质心的北移变化(质心迁移量为17.56km).2010年后,水库坑塘向西萎缩(质心向西迁移3.39km),虾蟹田则向西北扩张(质心迁移量11.63km),两者的共同作用使得该时段人工湿地整体向西迁移,质心向西迁移量为3.06km.整个研究时期内,沟渠和盐田仅限于黄河沿岸,且其面积小,对人工湿地整体的空间变化的影响很小,对其不做进一步分析.

4 讨论

应用人工目视解译法,建立了精度较高的1973~ 2016年共计44a的黄河三角洲湿地景观数据库.该数据实现了基于Landsat数据的15种湿地景观类型的分类,分类精度足够高.且与同地区的现有其它研究相比,时空分辨率都几乎是最高的.但该数据在精度上还存在一些问题,仍有较大的提升空间.本研究基于Landsat 30m空间分辨率的数据,提取了15种湿地景观类型,其中多种湿地景观类型实际的空间分布界限就很模糊,且很难精确确定,如翅碱蓬沼泽和翅碱蓬柽柳沼泽,芦苇沼泽和芦苇柽柳沼泽.本研究在TM30m空间分辨率,甚至MSS数据70m分辨率的精度上,依据影像特征和其它参考数据将它们区分并提取出来,还是具有一定的误差,即便经验证分类精度达到了90%以上,这一分类精度也受到采样样本量的限制.因此,为进一步提高本研究数据的精度,促进该数据能更好的应用于该地区的其它研究,不仅应该增加样本的总体采样数量,更应该着重增加那些自然边界本身模糊不清的类别的样本数量.此外,要得到更高精度的黄河三角洲湿地景观分类数据,除依赖Landsat数据,更应该结合国产高分卫星一号(多光谱16m)和二号(多光谱4m)数据的高空间分辨率优势,采用分类效率更高的面向对象的分类方法.当然这又将是一个非常费时,但又非常有必要进一步开展的工作,也是未来在该地区应该进一步开展的研究,即,如何更好地结合多源卫星影像数据,尤其是国产卫星数据,建立该地区精度(时间和空间)更高的滨海湿地景观类型空间分布数据.

本研究所得出的黄河三角洲湿地景观类型,包括咸水湿地沿海岸线分布,淡水湿地沿河流两岸分布的结论,与黄河三角洲湿地景观分布的实际状况及卢晓宁等[30]的前期研究一致.该结论是通过目视解译各湿地景观类型的空间分布图像,所得出的较为定性和主观的结论,虽然与实际状况也吻合.为更为准确的揭示黄河三角洲湿地景观类型的空间分布特征,应该针对河流和海岸线进行缓冲区或距离分析,定量确定各湿地景观类型相对淡水水源和咸水水源的空间排列次序,也能更为科学和客观的揭示咸、淡水源对区域各湿地景观类型的影响程度和影响范围.这也为将来的研究提出又一个科学问题,即随着黄河改道和海岸线的变迁,该两大驱动力对湿地景观的影响程度到底有多大,这一影响程度又是如何变化的.通过这一科学问题的研究,可以为黄河三角洲湿地景观恢复的咸、淡水源补给提供更为科学的理论依据.

本研究对黄河三角洲湿地景观的面积变化,主要从各湿地景观类型之间的转换变化的角度进行了解释,还结合黄河改道及径流量变化,和人类活动的角度对原因进行了定性的阐述,也成为本研究的一个创新点.但是,这些原因解释仅停留在现象层面,定性为主,定量不足,更未能够从自然和人为驱动力的更深的层面上去揭示导致区域湿地景观类型面积变化的根本原因.即便在该地区已有洪佳等[37]通过构建湿地化/人工化指数,在区域和像元尺度上对黄河三角洲湿地景观演变的驱动力进行了定量的揭示.但定量研究的程度还不够,一方面是驱动力因子分析不够全面,尤其这一海陆交互作用区,驱动力更为复杂.在自然因子方面,不仅应关注陆地淡水水源的作用,且更应突出海洋的这一咸水水源的作用,而对咸水水源作用的研究却是当前多数研究所欠缺的.在人为因子方面,该类地区人类活动剧烈,如何将人类活动科学的定量也是这类地区开展湿地生态环境保护研究的重点和难点.

本研究结合景观生态学的理论,采用常规的景观格局指数分析方法,额外引入信息熵这一指数,创新性的从重点揭示景观格局指数演变趋势的角度开展景观格局演变的研究,所得出的黄河三角洲湿地景观破碎化、人工化加剧的退化变化趋势的结论具有重要的意义.但是,从景观和类型层面上开展的景观格局指数的研究,只能揭示单一景观类型的景观格局指数演变特征.黄河三角洲湿地这一自然综合体,是各种湿地景观类型的有机结合体,湿地景观总体所呈现出的湿地景观格局演变特征,是各湿地景观类型之间相互作用的结果,尤其是相邻湿地景观类型之间有机结合的体现,因此,更应该从湿地景观空间结构的角度,应用空间邻接矩阵对各湿地景观的空间邻接关系进行研究,以便更好的分析黄河三角洲湿地景观格局的成因.

本研究采用传统的空间质心模型,计算和分析了黄河三角洲湿地景观的空间位置及其变化,并从黄河改道、黄河径流变化、海路交互作用,及人类活动变化的角度进行了定性的揭示,这是本研究相对于该地区类似其它研究具有一定创新的地方.但本研究仅从定性的层面揭示湿地空间位置变化的原因,使得结论的可信性和应用的有效性受到一定影响,这就使得未来在该地区这一方面的定量研究显得尤为必要.此外,在人工湿地空间位置变化方面,受区域人类活动复杂、相关有效数据较少的限制,未能很好地揭示这一现象背后的原因,这使得在这一地区开展人类活动干扰作用研究更为重要.

5 结论

5.1 黄河三角洲湿地组成以咸水湿地所占比重最大,次之为淡水湿地,最次为人工湿地.咸水湿地多分布于海岸带附近,沿海岸线向陆地延伸依次为泥沙质滩涂-翅碱蓬沼泽-翅碱蓬柽柳沼泽-芦苇柽柳沼泽,潮沟以廊道的形式由沿海向内陆方向贯穿整个咸水湿地景观.淡水湿地多分布于河流沿岸,并且呈现出由河流中心线向两岸,呈永久性河流-河漫滩-芦苇沼泽-柳林沼泽-草甸沼泽的空间分布格局.人工湿地中水库坑塘、虾蟹田和盐田多分布于距离海岸线15km以内的沿海区域,水田和沟渠则较多分布在河流沿岸.这种空间分布特征,体现了海陆交互作用以及黄河水源对区域湿地景观维持的重要性.

5.2 1973~2016年的44a间,黄河三角洲湿地呈现出自然湿地减少,人工湿地增长,总面积下降的变化趋势,说明人类在黄河三角洲干扰活动的加剧.自然湿地的减少变化主要是由淡水的芦苇沼泽被开发为旱地和虾蟹田,以及咸水的翅碱蓬柽柳沼泽被开挖为水库坑塘和虾蟹田及盐田,而芦苇柽柳被开垦为旱地导致的.人工湿地的面积扩张则体现为人类的水利建设、水产养殖业开发和农业发展等干扰活动在该区域加剧的特征.

5.3 黄河三角洲湿地景观整体呈破碎化萎缩的趋势特征,景观的分布结构不断朝破碎化、多样化,形状简单化的人工化特征突出的方向发展.以翅碱蓬柽柳沼泽和芦苇柽柳沼泽为主的优势特征突出的、空间上连接成片的自然湿地景观,被越来越大强度的开发为小斑块特征突出、地块分割明显、形状规则化的水库坑塘、虾蟹田、盐田和旱地等人工湿地景观,区域自然湿地的优势不断减弱,人工干扰的特征愈来愈显现,黄河三角洲湿地景观破碎化、均匀化、多样化特征凸显.

5.4 1973~1985年间黄河三角洲湿地,因黄河处于刁口河流路,后改道清水沟流路的初期,黄河充足的水源供应,使得该区域东北部以海退、陆进作用为主,滨海湿地景观呈现出以永久性河流和芦苇沼泽为主导的淡水湿地的东北向扩张变化.1985年后,黄河经由清水沟流路改至清8汊流路,加上黄河淡水水源的减少,水陆交互作用区的海侵作用增强,呈现出以翅碱蓬沼泽和芦苇柽柳沼泽因人工开挖的东南向萎缩变化.人工湿地的空间迁移特征,因其面积比重较小,对区域湿地整体空间位置变化的影响作用较弱.

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Spatial and temporal variations in wetland landscape patterns in the Yellow River Delta based on Landsat images.

LU Xiao-ning1*, HUANG Yue1, Hong Jia2, ZENG De-yu1, YANG Liu-qing1

(1.Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China；2.State key Laboratory of Information Engineering in Surveying, mapping Remote Sensing of Wuhan University, Wuhan 430072, China)., 2018,38(11)：4314~4324

A spatial database of wetland landscape was constructed by using Landsat images from 1973 to 2016 to reveal the evolution of the wetland landscape in the Yellow River Delta. In this study, the composition,spatial and temporal variations in wetland landscapes were analyzed. Besides, the evolution trend of wetland landscape pattern was also discussed based on landscape pattern index. Moreover, combining with the centroid model, the spatial location variations in wetland landscapes were analyzed. The results showed that salt marshes in the Yellow River Delta are mostly located around the coastal belts, and the freshwater wetlands are mainly distributed on both banks of the Yellow River, while the artificial wetlands are mostly distributed around the coastal areas within 15km away from the coastline and the Yellow River banks. Over the whole study period, the total area of wetlands in the Yellow River Delta showed a descending tendency. Because large area of natural wetlands which were dominantly covered by reed, suaeda heteroptera-Ttamarisk and reed-Ttamarisk, were converted into artificial wetlands and non-wetlands. The wetland landscapes of the Yellow River Delta showed a trend of area shrinking and fragmentation. The spatial configuration of wetland landscapes was fragmented, diversified, and shape was simplified, which was characterized of artificial wetland landscapes. As affected by the Yellow River changing from Diaokou to Qingshuigou, and its sufficient water supply, wetlands in the Yellow River Delta mainly expanded to the northeast direction which was dominated by freshwater wetlands during the period from 1973~1985. After 1985, the Yellow River changed from Qingshuigou to Qingbacha, besides, the runoff of the Yellow River was cut down. The wetland degradation occurred in the southeast of the Yellow River Delta. That spatial location variations in the Yellow River Delta was mostly controlled by the salt marshes in the whole period.

Yellow River Delta；salted wetland；freshwater wetland；artificial wetland；landscape pattern；spatial location

X37

A

1000-6923(2018)11-4314-11

卢晓宁(1980-),女,山东青岛人,副教授,博士,主要从事资源环境遥感及水文小波分析方面研究.发表论文40余篇.

2018-04-11

四川省教育厅自然科学重点项目(17ZA0075);四川省科技厅重点项目(2017SZ0169);成都市科技局科技惠民项目(2016-HM01- 00392-SF);国家自然科学基金资助项目(41401103,41471305,41505012)

* 责任作者, 副教授, lxn@cuit.edu.cn