近20年阿哈湖国家湿地公园景观格局动态演化分析

王 立， 李 敬， 孔志红， 苏以江， 刘 懿， 陈骁强， 谢乙莹， 王 原， 金慧雨

(1.安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽 芜湖 241003；2.贵阳阿哈湖国家公园管理处，贵州 贵阳 550007；3.上海栖星生态环境咨询有限公司，上海 200433；4.曼彻斯特大学 环境发展与教育学院，英国 曼彻斯特 M13 9PL)

引 言

国家湿地公园作为湿地保护、生态恢复与湿地资源可持续利用的有机结合体[1]，近13年来发展迅速。自2005年中国第一个国家湿地公园试点——杭州西溪国家湿地公园被批准建设以来，到2016年，中国已陆续批准建设试点国家湿地公园840个，总面积约4×104km2，占国土面积的0.41%。经过13年的发展，我国国家湿地公园在31个省级行政区都有分布(不含港、澳、台地区)，湿地公园建设在国内蓬勃发展。作为一种新兴湿地保育措施的体现和生态旅游目的地,国家湿地公园在生物多样性保护方面起到重要作用，同时，具有很高的生态旅游和科普宣教等诸多价值[2]。国内学者针对国家湿地公园开展了多方面的研究。赵磊基于游客感知理论，对西溪国家湿地公园进行实例研究，通过结构方程模型研究了游客感知价值、满意与忠诚之间关系[3]。潘丽丽、尹晶萍等分别从主观心理视角与层次分析法方面对国家湿地公园的游客环境行为意愿影响因素和生态旅游资源评价进行了实例研究[4-5]。左怡琳、王松、李兵、钟军弟等针对不同国家湿地公园进行了鸟类或植被的生物多样性调查[6-9]。目前国内关于国家湿地公园的研究主要集中在生态旅游、生物多样性评价等方面，对景观尺度上的空间格局研究较少。

在快速城市化地区湿地退化问题很常见，景观结构的变化对湿地生态系统服务功能有一定的影响[10]。阿哈湖国家湿地公园紧邻贵阳市中心，以阿哈水库为核心，是贵阳城市供水的主要水源地之一，也是我国西南典型喀斯特地区的库塘湿地[11]。近20年，贵阳市城镇化率从45.0%增长到74.8%，快速城市化对其产生了重要影响，出现水体富营养化、水生高等植物生境退化、生境破碎化等问题，威胁公园湿地生态系统与阿哈水库的生态安全。

本文利用1998—2017年间三期遥感影像数据提取研究区各景观类型，综合运用RS/GIS技术和景观格局分析方法，分析阿哈湖国家湿地公园景观格局变化特征，旨在为湿地公园的保护与发展提供景观空间尺度上的科学依据。

1 研究区概况

阿哈湖国家湿地公园位于贵州省贵阳市中心城区西南部，涉及花溪、南明、云岩和观山湖四区。地理位置处于26°30′40″～26°33′55″N,106°36′59″～106°40′44″E。海拔高度约1076～1310m，总面积1218hm2。公园属于黔中亚热带湿润、温和气候区，年均温度15.3℃，四季温差不大；雨量充沛，冬季阴雨较多，多年平均降雨量1140～1200mm，年降雨日数平均为178天，雨量多集中在5月—8月。阿哈水库是城市供水和防洪为主的中型水库，入库河流有游鱼河、白岩河、蔡冲河、金钟河与烂泥沟河，均属于长江流域吴江水系南明河支流。公园内动植物资源丰富、地貌类型典型，休闲游憩体验与科普宣教价值较高。

2 研究数据与方法

2.1 数据获取及处理

根据贵阳市经济发展和生态文明建设历程，同时考虑遥感影像的质量与可获性，本文数据源采用三期Landsat卫星影像数据，分别是1998年11月7日、2007年5月8日Landsat TM影像(分辨率30m)、2017年4月1日Landsat8 OLI影像(分辨率30m)，轨道号为127/42。所得空间数据的投影参考系统都统一使用通用横轴墨卡托投影，参考椭球体为WGS-1984。景观动态分析以十年为时间尺度划分为两个研究时段，为别为1998—2007年和2007—2017年，对比分析两个时段的景观格局变化。数据预处理以ENVI软件为平台，对各期遥感影像进行几何校正、辐射定标数据处理，并利用FLASSH模块对影像进行大气校正。

2.2 景观类型分类信息提取

根据阿哈湖国家湿地公园总体规划土地利用类型划分，结合全国土地利用分类系统标准，将研究区划分为湿地、林地、旱地和建设用地4种景观类型。在ENVI软件中使用最大似然法对研究区进行监督分类，然后，结合实地调查、谷歌高清历史影像等，对分类结果进行验证、修正，最终得到1998、2007、2017年的研究区景观类型分类图，经验证统计各景观类型解译精度在85%以上，满足精度要求。

2.3研究方法

2.3.1 景观格局指数 景观格局指数能够高度浓缩景观空间格局信息，以反映景观结构组成和空间配置等特征[12]。利用GIS与Fragstas软件计算阿哈湖国家湿地公园各相关景观格局指数。根据本文研究内容选取的景观格局指数有:斑块平均面积(Mean Patch Size,MPS)、斑块个数(Number of Patches,NP)、景观形状指数(Landscape Shape Index,LSI)、聚集度指数(Contiguity Index)、香农多样性指数(Shannon’s Diversity Index,SHDI)、香农均匀度指数(Shannon’s Evenness Index,SEI)[13-14]。

2.3.2 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵方法反映了研究区研究时段内各种地类结构特征转化趋势与转移方向等转移过程变化信息。转移矩阵通用公式如下：

(1)

其中：S代表特定土地类型的面积；n代表土地类型数量；x、y分别代表特定地类转移前后的编号；Sxy表示特定时段内第x类土地类型转化成第y类的面积。第x行表示第y类土地类型转移成其他土地类型的面积信息，第y列表示特定时段末期第y类土地类型面积。[15]

2.3.3土地利用动态度 本研究采用单一土地利用动态度分析研究区特定时段不同土地类型转变的速度。其公式表达如下：

(2)

式(2)中：I表示特定土地类型在研究时段内的年际变化程度，Um、Un分别表示该地类在研究时段初始面积和期末面积，t表示研究时段(单位：年)[16]。

3 结果与分析

3.1 阿哈湖国家湿地公园景观类型组分变化分析

阿哈湖国家湿地公园各景观类型面积在1998—2017年变化明显，由表1可知：建设用地面积持续增长，研究期间由35.62hm2增长到116.71hm2，尤其在近10年中，建设用地增加57.8hm2，增长了98.11%；湿地面积呈下降趋势，从1998年的377.12hm2下降到2017年的357.98hm2，下降了5.08%，下降幅度较小；林地与旱地面积呈现波动变化，其中旱地面积先增加后减少，总体呈减少趋势，林地面积小幅波动，下降过后略有回升。林地和湿地一直是公园主要景观类型，其面积占研究区总面积比例分别达到45.87%～48.40%，29.82%～31.4%，其次为旱地，建设用地面积占比最小。

表1 研究区不同景观类型面积统计表Table 1 Area of different landscape elements in study area from 1998 to 2017

由表2可知，近20年来，建设用地土地利用动态度最高，年均变化幅度最大，达到11.98%，湿地、林地和旱地土地利用动态度均为负值，年均变化率较小。表明建设用地面积持续高幅度增长，而其他类型用地面积总体持续低幅度下降。建设用地主要集中在公园东北部的合理利用区，合理利用区土地变化幅度最大(图2)。

表2 土地利用动态度统计表Table 2 Dynamic degree of landuse in study area from 1998 to 2017

由表3可知，近20年来，林地总转化量最大，其次依次为旱地和湿地，建设用地总转化量较小，且旱地、林地和建设用地之间相互转化明显。1998—2007年，林地发生转移面积最大，主要转为湿地和旱地，其分别占林地面积缩减总量的38.04%、35.43%，建设用地总转化面积最小，主要转化为林地和旱地。2007—2017年，旱地发生转移面积最大，且主要转化为林地，占旱地总转化量的65.6%，林地总转化面积仅次于旱地，且主要转化为建设用地，占林地缩减面积的65.96%，建设用地面积增长迅速。

表3 研究区各时段景观类型面积转移矩阵Table 3 The area transfer matrix of landscape types in the study area during 1998—2017

3.2 阿哈湖国家湿地公园景观格局变化特征

3.2.1 景观水平上景观格局变化特征 由表4可知，阿哈湖国家湿地公园在研究时段内景观水平上各种景观格局指数变化明显。公园斑块个数从1998年的48个增加到2017年的78个，持续增加趋势明显；斑块平均面积指数和聚集度指数持续下降，表明阿哈湖国家湿地公园整体呈现破碎化趋势；香农多样性指数表示景观中斑块类型的不均衡分布以反映景观异质性；而景观优势度与香浓均匀度指数有关，一般香浓均匀度增高，景观优势度降低。1998—2017年，研究区香农多样性指数从1.12增长到1.22，香农均匀度指数分别0.81增长到0.88，其中该两种指数在2007—2017年增加幅度明显；表明公园景观多样性与异质性增高，而景观优势度降低。

表4 研究区景观水平上的景观格局指数变化Table 4 The change of landscape pattern index on the scale of landscape in the study area

3.2.2 类型水平上景观格局变化特征 图3显示了在斑块类型水平上各时期景观格局指数的变化趋势。聚集度指数用来度量景观中不同斑块类型的聚集程度，值越大反映同一景观类型斑块聚集度越高。在研究时段内，湿地聚集度最大，其次是林地，且湿地变化较小，走势平稳，林地呈现明显下降趋势，说明湿地和林地空间分布集中，连通性高，破碎化程度低。旱地聚集度相对较小，呈现先下降后小幅上升态势，总体趋于下降，表明旱地空间分布离散，破碎化程度高，连通性低于林地和湿地。建设用地聚集度最低，总体呈显著上升趋势，表明建设用地空间分布逐渐聚集，连通性增强。

景观形状指数通过计算区域内某斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量形状复杂程度，能够体现不同斑块类型的边缘情况，反映不同范围内的生态情况，其变化对景观生态系统的结构和功能有着重要影响。从景观形状指数图中可以看出，林地的景观形状指数最大，其次是旱地、湿地和建设用地。其中，林地、湿地和建设用地呈现持续上升的趋势，而旱地呈现先上升后下降的态势，下降趋势明显，最低值降到6.5，低于其他三种景观类型，表明林地、湿地和建设用地的形状愈加复杂，边缘效应增强。旱地在2007—2017年间形状愈发变得规则，边缘效应降低。

4 结论与讨论

湿地是具有独特的生态结构和功能并且蕴涵丰富生物多样性的重要自然资源，湿地公园是湿地保护管理的一种重要形式，了解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基础[17]。本文综合考虑研究区总体规划与《全国土地利用分类》，运用遥感技术，从景观格局角度出发，分析1998—2017年阿哈湖国家湿地公园景观类型动态变化趋势与景观格局演变特征，结果表明：

(1)1998—2017年，阿哈湖国家湿地公园景观类型组分发生了明显变化。建设用地面积显著增加，土地利用变化幅度最大，且集中在公园合理利用区；林地和湿地一直是公园主要景观类型，其中以林地面积最大，且面积变化呈现先减少后增加的趋势，增加幅度较小，总体呈下降趋势。

(2)1998—2017年，林地总转化量最大，其次依次为旱地和湿地，建设用地总转化量较小，且旱地、林地和建设用地之间相互转化明显，建设用地在2007—2017年间面积增长迅速。

(3)1998—2017年，阿哈湖国家湿地公园景观类型在景观水平上，斑块个数、香农多样性与香农均匀度指数呈现持续增加的上升趋势，斑块平均面积和聚集度指数则持续下降。说明阿哈湖国家湿地公园景观多样性与异质性增高，而景观优势度降低，整体呈现破碎化趋势。在类型水平上，湿地聚集度最大，其次是林地，旱地聚集度相对较小，呈现先下降后小幅上升态势，总体趋于下降趋势，建设用地聚集度最低，总体呈显著上升趋势，空间分布逐渐聚集，连通性增强。林地的景观形状指数最大，其次是旱地、湿地和建设用地，其中，林地、湿地和建设用地呈现持续上升的趋势，而旱地呈现先上升后下降的态势，表明林地、湿地和建设用地的形状愈加复杂，边缘效应增强，旱地在2007—2017年间形状愈发变得规则，边缘效应降低。

阿哈湖国家湿地公园特殊的地理位置，决定了其景观结构会受到人口增长、城市用地扩张、产业发展等人为干扰因素的驱动，并对湿地生态系统的功能和价值产生进一步影响。后期将进一步开展哈湖国家湿地公园景观格局演变的驱动力以及对生态服务功能影响的量化评价。