基于移动窗口法雄安新区湿地景观演变及其与人为干扰间的关系

2019-06-10吕金霞蒋卫国王文杰刘颖慧邓越王晓雅

自然资源遥感 2019年2期

吕金霞，蒋卫国,，王文杰，刘颖慧，邓越，王晓雅

(1.北京师范大学地理科学学部环境遥感与数字城市北京市重点实验室，北京 100875； 2.北京师范大学地理科学学部环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875； 3.北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875； 4.中国环境科学研究院，北京 100012)

0 引言

湿地是水陆相互作用形成的独特生态系统，具有维持物种多样性、调蓄洪水、保护土壤和净化水质等生态服务功能[1-2]。由于人口数量的增加和城市化快速发展，人类对湿地资源的过度及不合理利用，湿地面积不断丧失，湿地生态环境面临巨大的威胁。特别是近百年来，人类活动对区域生态系统及景观格局的影响日益突出[3]。

作为继深圳经济特区和上海浦东新区之后又一具有全国意义的新区，雄安新区内分布有华北平原最大的湖泊湿地——白洋淀湿地，素有“华北之肾”之称，在雄安新区生态环境建设中占据重要的地位，因此探究雄安新区湿地景观演变与人类活动影响，对雄安新区城市发展、环境保护具有重要意义。景观指数可以反映景观结构的组成、空间配置特征[4]，一些学者利用景观指数分析雄安新区境内白洋淀湿地景观的演变过程。李建国等[5]、张敏等[6]和白军红等[7]都通过对白洋淀湿地景观研究表明，影响湿地景观演变的驱动力主要是人口和社会经济的发展。如何分析湿地景观与人为干扰之间的关系，国内外学者开展了大量人类活动与湿地生态系统之间的影响研究。Abdullah等[8]对马来西亚雪兰莪州土地利用景观动态变化研究指出，人为活动在很大程度上影响自然生态系统的发展；时玉涛等[9]通过对滦河口湿地研究发现，由于滦河上游修建大量蓄水工程，对河口湿地生物多样性造成了一定的负面影响；陈爱莲等[10]对双台子湿地的研究表明，人类活动空间分布在河口和河道的生态干扰跳跃性最大，城市周围的干扰度最大。

人为干扰强度影响着湿地生态环境的变化，以往的研究多关注湿地结构特征，对湿地景观空间分异规律分析较少。本文以雄安新区作为研究区域，利用移动窗口法对湿地景观格局空间分布进行分析，并分析不同时期人为干扰度的影响，旨在对湿地景观格局优化和湿地环境建设、保护提供科学依据。

1 研究区概况

雄安新区规划范围涉及河北省雄县、容城县和安新县及周边部分区域，地处北京、天津和河北省腹地。本文选择雄安三县为主要研究区域(图1)，行政区划面积为1 557 km2，截止2015年，雄安三县总人口数为113.02万人，其中农业人口为72.20万人，占总人口的64%[11]。该区以平原为主，海拔在0～62 m之间。研究区地处温带大陆性季风气候区，年平均气温为12℃，年均降水量为550～600 mm，四季分明[12]。

图1 2015年雄安新区土地利用图

淡水湖白洋淀位于雄安新区东南部，2002年成立白洋淀省级自然保护区，是华北平原最大的淡水湿地，主要有8条入淀河流。白洋淀属于典型的草型浅水湖，水域辽阔，光照充足，非常利于水生植物生长。最常见的大型水生植物有挺水植物、漂游植物、沉水植物和浮游植物4种类型，芦苇是白洋淀分布面积最大、最典型的水生植物。水生动物主要有浮游动物、底栖动物和鱼类。鸟类种类众多，其中丹顶鹤、白鹤和大鸨为国家一级保护鸟类。丰富的动植物资源在维持湿地功能和生态平衡方面起到了重要作用[13]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究使用的分类数据采用中国科学院地理科学与资源研究所刘纪远团队生产的土地利用数据，空间分辨率为30 m，时相分别为20世纪80年代末(本文采用1980s表示)、1995年、2000年、2005年、2007年、2009年和2015年7期数据，数据源为Landsat卫星影像，经过几何精校正、数据解译，分类结果包括旱地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6个方面25个类型，土地利用一级类型综合评价精度达到94.3%以上，二级类型分类综合精度达91.2%以上，分类精度满足制图要求[14-15]。国内学者陆健健在《中国湿地》中按《湿地公约》的湿地定义将中国湿地分为22种类型[16]。考虑到本次研究中湿地调查工作的可行性与可操作性，依据上述文献划分的中国湿地类型，将研究区湿地分为5种土地利用类型，其中人工湿地为水库坑塘，天然湿地包括湖泊、河渠、滩地和沼泽地。

雄安新区的社会经济数据来源于1985—2014年统计年鉴，主要包括总人口、GDP、有效灌溉面积和入淀水量等。气象数据(降雨量和气温)来源于中国气象科学数据共享网(http: //data.cma.cn/)。

2.2 景观指数分析法

采用景观指数分析方法可以高度浓缩景观空间格局信息，反映其结构组成和空间配置等方面的特征[4]。为了反映雄安新区湿地景观变化特征，结合湿地区域实际情况，使用Fragstats4.2软件计算研究区景观格局指数，依据景观指数功能不同，在景观尺度上分别选取了斑块面积指数、边界形状指数、香农多样性指数和构型指数4类体现湿地景观的变化(表1)。其中斑块面积指数包括斑块个数(number of patches，NP)、斑块密度(patch density，PD)和最大斑块指数(largest patch index，LPI)。NP表示景观中所有的斑块总数，反映景观的空间格局； PD表示单位面积上的斑块数，是描述景观破碎化的景观指标； LPI表示某一斑块类型中的最大斑块占据整个景观面积的比例，有助于确定景观的优势类型。边界形状指数包括周长面积分维数(perimeter-area fractal dimension，PAFRAC)，描述景观斑块的几何形状复杂性。香农多样性(Shannon’s diversity index，SHDI)反映景观异质性，对景观中各斑块类型非均衡分布情况较为敏感。构型指数包括聚集度(aggregation index，AI)和蔓延度指数(contagion，CONTAG)，AI反映景观中不同斑块类型的聚集程度，CONTAG描述景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势。

表1 景观格局指数

2.3 移动窗口法

为了反映雄安新区1980s—2015年间景观指数的区域差异，运用移动窗口法研究了各景观指数的区域内差异。McDonnell等[17]已将移动窗口法应用于城乡交错带的景观格局分析；刘琦等[18]和刘吉平等[19]也分别将其应用于澜沧江和三江平原的景观格局研究中。参照前人研究，利用ArcGIS10.2软件将窗口大小设置为5 km×5 km，在整个研究区内从左上角开始移动，计算每个网格内的景观指数，并将该值赋给窗口中心栅格。通过计算不同时期各窗口的景观指数，得到雄安新区景观指数空间分布。本文主要分析NP，PAFRAC，SHDI和CANTAG这4个指数在1980s，2000年和2015年的空间分异规律。

根据前人的研究成果和研究区实际情况[19-21]，对研究区内11种景观类型进行人为干扰指数赋值(表2)。

表2 景观类型人为干扰度赋值

计算各网格单元的人为干扰度为

(1)

式中：AD为某个网格单元的人为干扰度；HIi为第i类景观类型的干扰度指数；Si为第i类景观类型的面积；S为网格单元的总面积。

3 研究结果

3.1 湿地面积变化

1980s—2015年间，雄安新区湿地面积呈现波动变化的趋势，湿地面积从1980s年增长到2000年并达到最大值30 445.83 hm2，增加了11.05%，2007年湿地面积达到最小值仅20 765.79 hm2，之后湿地面积有所增加。但湿地面积总体呈下降趋势，雄安新区湿地面积从1980s的27 426.24 hm2减少到2015年的23 795.82 hm2，共减少了3 630.42 hm2，如图2所示。湿地面积减少最剧烈的时期出现在2000—2007年间，同期建设用地面积呈现快速增长趋势。近30 a来雄安新区建设用地面积呈现增加趋势，城市生活用水和工农业用水量增加，造成湿地水体面积的缩减，同时远离水体的部分被开垦为耕地等其他景观类型，人类活动的增强，对湿地生态环境造成了一定的威胁。

(e) 2007年 (f) 2009年 (g) 2015年

3.2 湿地景观指数变化

1980s—2015年间雄安新区6种湿地景观格局指数NP,PD,LPI,PAFRAC,SHDI和AI变化情况分别如图3所示。

(a) NP和PD (b) LPI和PAFRAC (c) SHDI和AI

从图3可知，1980s—2015年期间，雄安新区的景观NP和PD整体呈增加趋势，其中2015年NP达到最大值(139个)，同时2015年的PD相对于1980s增加了0.49。PD越大，斑块越小，景观破碎度就越高。在2007年以后两者急剧增加，主要是人类活动强度增加，城市化速度加剧；而2009年之后，由于生态环境保护政策的实施和保护力度的增加，景观破碎度有一定程度减弱。1980s—2015年间，LPI呈先减少后增加的趋势，说明最大斑块类型的优势度在整个景观中的地位不断下降。PAFRAC可以反映出空间实体几何形状的不规则性，其理论范围值为[1.0,2.0]。当PAFRAC=1.0时，斑块形状为欧几里得正方形；当PAFRAC=2.0时，斑块形状最为复杂；PAFRAC越接近1.5，表示景观越不稳定。1980s—2015年间雄安新区的PAFRAC基本处于1.5附近，说明该区景观结构不稳定，易受人类活动的影响。这期间SHDI呈增加趋势，说明各景观类型所占比例趋于均衡化，景观异质性增加，其波动过程与AI相反。1980s的SHDI较小，说明雄安新区斑块类型单一，景观丰富度低，1995年之后SHDI逐渐在升高，景观丰富度增加，2009—2015年间SHDI在减少，说明研究区内湿地类型单一，景观丰富度低。1980s—2015年间AI呈减少的趋势，最大值出现在1980s为98.39，空间分布最均匀，最小值出现在2009年为95.99。

3.3 湿地景观指数的时空分异

雄安新区湿地NP空间分布情况如图4所示，1980s—2000年间，湿地斑块个数在东北部有高值区，西北部一直有一低值区；到2015年，NP分布格局由东北部向西北部逐渐增加，从中间向边缘增加，且湿地核心区白洋淀大部分呈现高值区，而湿地NP值在2000—2015年期间显著增加，说明从2000年开始湿地核心区破坏度增加，且边缘地区湿地破损严重。

雄安新区湿地PAFRAC空间分布情况如图5所示，1980s雄安新区湿地核心区斑块形状简单，湿地景观稳定； 2000—2015年间，湿地景观从中间向边缘区域逐渐扩展，湿地斑块复杂，湿地景观结构趋于不稳定。

雄安新区SHDI空间分布情况如图6所示，1980s—2000年间，中部和东部SHDI呈增加趋势，SHDI的增加表明各景观类型在景观中呈均衡化趋势，作为优势物种的湿地类型对整个景观的控制作用减弱，景观异质性增加，和景观指数在景观水平的结果一致。2015年有所减缓，湿地边缘区SHDI增加，景观破碎化程度增加。

雄安新区湿地CONTAG空间分布情况如图7所示，从1980s—2015年间，湿地CONTAG下降，说明湿地景观连接度降低，景观破碎化严重。2000—2015年间，CONTAG从中部向北部逐渐减小。2015年CONTAG在西北部出现低值区，该区域在2015年湿地面积增加，湿地景观连接度有所改善。

3.4 湿地景观格局变化与人为干扰的关系

雄安新区人为干扰度的空间分布情况如图8，人为干扰较强的地区位于研究区的北部，人为干扰度从外部向内部减弱。1980s—2000年间，研究区中部地区略有减弱，2015年人为干扰度略有增强。不同时期人为干扰度的变化也不尽相同，1980s—2000年间，人为干扰度在半干扰区的范围最大，全干扰区的面积在减小； 2000—2015年间，人为干扰度的最高值在减小，无干扰区域逐渐增加，整体处于半干扰和无干扰程度，说明在新时期下人类对湿地的开发已由高强度破坏式开发向低强度可持续利用阶段发展。

整个区域内SHDI和CONTAG从中部向北部减少，景观破碎化严重，连接度降低；研究区北部呈现高人为干扰度，说明在人类活动影响下湿地景观破碎度增加，连接度变差。由中部向北部区域，湿地的NP和PAFRAC呈增加趋势，同时在该区域人为干扰度也呈逐渐增强的趋势。湿地景观受到人类活动的影响，趋于不稳定的状态。人类干扰度的空间分布与湿地景观指数的变化特征相符，在一定程度上影响湿地景观的结构和分布。

人为干扰度的时间变化呈现先减小后增加再减小的趋势，2000—2005年间人为干扰度变化最为明显，呈上升趋势(图9)。2000年以后，研究区内白洋淀基本无天然入淀径流，城市人口和用水量的增加，导致了湿地水域面积的变化。建设用地在2000年以后呈现快速增长趋势，建设用地面积2005年达到19 618.47 hm2，比1980s增长了54.36%，且人为干扰度在2005年达到最大值。同时，农业用水量也占总用水量的78.8%。白洋淀旅游业快速发展，游客数量不断增加，旅游区内开发建设造成居民用地面积增加。人类活动是流域景观变化的重要驱动力，造成湿地面积减少，景观破碎度增加，对湿地生态环境造成了巨大的影响。2005年以后，研究区内湿地的人为干扰度呈减小趋势，随着对湿地生态环境保护力度的增强，人类活动呈下降趋势，湿地转向低强度可持续发展阶段。

图9 1980s—2015年雄安新区人为干扰度变化

4 讨论

4.1 气候因素

湿地景观的变化与分布受到气候因素的影响(图10)。1985—2015年间，雄安新区年均降雨量呈下降趋势，2000年以前雄安新区降雨量较多，对湿地水域的补充作用较强，因此2000年湿地达到最大面积，且湿地斑块的破碎度和景观结构均处于较好的状态，2000年随着社会经济的快速发展，人为干扰增强，对湿地面积产生了一定的影响。年均气温呈上升趋势，气温升高促进了湿地的蒸散发作用，对湿地景观格局也有一定的影响。

图10 1985—2015年雄安新区年均降雨量和气温变化

4.2 人为干扰因素

湿地景观的变化与分布除受到气候因素的影响，同时受到社会经济、农业发展和保护政策等人为干扰的影响(图11)。1985—2015年间，雄安新区人口数量和GDP总量持续增长，社会经济的发展促进建设用地面积的增长，2000年以前建设用地面积增长较慢，在此阶段湿地类型中滩地面积略有增加，2000年以后建设用地面积呈现快速增长趋势，快速的城市发展也增加了生活用水及工业用水量，对湿地面积造成威胁。在此阶段雄安新区有效灌溉面积也呈增加趋势，2000年以后有效灌溉面积总量有所减少但仍呈增加趋势，而由于水资源总量在减少，持续增加的用水量也会影响湿地面积与水位的变化。1985—2015年间受到流域引水调水政策的影响，白洋淀湿地面积得以维持较稳定的状态。因此在多种人为因素的共同推动下，雄安新区湿地周围区域人为干扰度呈增加趋势。随着雄安新区的建立，城区建设需要注意湿地生态环境保护，而白洋淀区近些年湿地面积的维持主要靠入淀河流的天然补水，不能从根本上解决湿地环境可持续发展。在之后的建设中，需要有效遏制入淀河流上游的用水量，使入淀水量增加，恢复湿地的发展。同时注意在城市化建设中人类干扰对湿地连通性等景观结构的影响，减少水域面积的破碎，保护生物的多样性。

(a) 总人口数和GDP(b) 有效灌溉面积和入淀水量

5 结论

1)1980s—2015年间雄安新区湿地景观时空格局发生了较大的变化。从时间上看，湿地面积整体呈现减少的趋势，湿地破碎化程度逐渐增加，斑块形状变得复杂，连接度减小；从空间分布格局看，在1980s，湿地景观斑块数较少，湿地破碎化较小，斑块形状简单，湿地景观稳定。2000年以后湿地景观斑块个数增加，中部和东北部湿地破碎化逐渐增加，从中部湿地核心区向边缘破碎化逐渐增加。香农多样性指数和蔓延度指数在2015年有所改善。

2)1980s—2015年间雄安新区人为干扰度整体呈现减少的趋势，1980s—2000年间人为干扰强度减弱，2000—2015年间人为干扰度呈现先增加后减少的趋势；从空间分布看，1980s—2000年间人为干扰度在西南部和中部有所减弱。2015年，随着湿地保护政策的推行，湿地开发转向低强度可持续发展阶段，中部人为干扰度减弱。周边区域受建设用地扩张的影响，人为干扰度增强。中部湿地核心区人为干扰度的变化与湿地分布具有良好的对应关系。

采用移动窗口景观指数法，通过遥感监测提取的土地利用数据，利用5 km×5 km大小的窗口，对雄安新区景观格局和人为干扰度进行分析，揭示了湿地景观格局与人类活动的干扰具有较好的对应关系。在今后雄安新区建设中，需要重点加强对湿地生态环境的保护与修复工作，强化区域生态安全格局的构建，在保证城市发展的基础上，将雄安新区建设成为自然环境与现代化交相辉映的新型经济开发区。