兰州秦王川国家湿地公园土地利用及湿地景观格局动态变化分析

郎永娟  种培芳  林杨杰  胡 波  宁建杨

兰州新区秦王川国家湿地公园是西北重要的内陆盐沼湿地，生态意义重大。为揭示秦王川国家湿地公园景观格局变化规律及为科学管理秦王川国家湿地公园提供理论依据，利用Arcgis和Fragstats软件分析探讨其2010-2019年景观格局变化特征。研究表明：10年间河流湿地、沼泽湿地、林地和草地面积持续增大；耕地、裸地面积大幅度减少，逐渐转化为其他土地利用类型。斑块数量（NP）、斑块密度（PD）和形状指数（LSI）逐渐增加，秦王川国家湿地公园景观破碎化程度加深，斑块形状复杂；香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）先增加后减少，湿地公园内优势斑块的主导作用先降低后增强。秦王川国家湿地公园景观格局的变化主要受社会自然因素、经济因素和政策因素3个驱动因素的共同影响。

秦王川国家湿地公园；景观格局；驱动因素；兰州新区

湿地作为人类宝贵的土地资源与森林、海洋一起并称为全球三大生态系统，因湿地具有强大的生态净化作用，所以被称作“地球之肾”[1]。湿地作为野生动植物的重要栖息地，保护了生物多样性，在调节地表径流、调蓄洪水、地下水，以及调节区域气候的功能等方面意义重大[2-5]。然而随着社会的快速发展，人类为了获取最大的经济效益，开始对湿地进行过度的开发和利用，这使得湿地的生态效应开始逐渐丧失和退化[6]。2013年全国第二次湿地资源调查数据显示：湿地总面积与第一次调查比较，减少了339.63万hm2，减少率为8.82%[7]。由此可见，尽管国家近十年来一直强调对湿地的重点保护，但是湿地资源总量仍呈下降趋势，因此，对有限的湿地资源进行保护和修复刻不容缓。2015年，中央城市工作会议提出“城市修补、生态修复”概念，全国各地陆续推进保护自然资源、修复生态环境工作[8]。越来越多的学者专家将目光提升到人类可持续发展层面，景观生态学对于整个人类的可持续发展起到重要作用。作为景观生态学一个重要的分支，景观格局指的是形状和大小相异的景观斑块在空间上的分布[9]。从20世纪70年代起，景观生态学被逐渐引入到湿地研究中，湿地景观格局的动态变化一直是湿地生态学研究的热点[10-11]。研究城市湿地景观格局变化对区域可持续发展具有重要意义[12]。

秦王川国家湿地公园是兰州新区关键的湿地系统，是维持整个兰州新区生态环境和谐的重要因素。秦王川国家湿地公园内动植物物种丰富，这在黄土高原干旱、半干旱地区十分珍贵，保护和恢复秦王川湿地良好的生态系统，会给这些动植物生长、繁衍提供良好的生态环境。目前对秦王川国家湿地公园的研究相对单一，主要集中在生态恢复、景观规划、生态系统健康评价等几个方面[13-15]。因此对秦王川国家湿地公园进行景观格局研究与分析显得尤为重要。尤其是秦王川国家湿地公园经历了人为的建设以及重新改造活动，这些人类活动难免会对湿地公园的景观格局造成一定程度的干扰。因此选择建设前、建设后以及景观提升后这3个时间段对秦王川国家湿地公园的景观格局进行分析，有助于了解湿地公园建设前后的景观格局变化情况，从而为秦王川国家湿地公园的生态保护与可持续规划提供参考意见。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

2012年8月，国务院批复设立全国第5个、西北第一个国家级新区——兰州新区（图1）。新区规划范围包括兰州市永登县（含秦王川湿地）以及皋兰两县6镇[13]。秦王川国家湿地公园处于兰州新区南部的秦王川盆地，地理位置介于东经103°35′38″～108°38′37″，北纬36°23′59″～36°27′56″之间，总占地面积为333.45 hm2。秦王川国家湿地公园规划区属内陆盐沼湿地，公园西侧为兰州中川机场高速公路，北侧为新区城市主干道纬三路，南侧紧邻绕城快速路，东侧近临124县道，地理位置优越，交通便捷。秦王川地处内陆，大陆性季风气候明显，特点是降水少，气候干燥。年平均气温为6.9℃；年平均降水量为300～350 mm，年蒸发量为1 880 mm。

1. 研究区概况图

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及处理

通过地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）获取研究区2010年、2015年、2019年共3期空间分辨率为30 m的landsat遥感数据（表1）。以《甘肃兰州秦王川国家湿地公园总体规划（2012-2019）》和2010年9月11日、2015年6月7日、2019年8月13日的Google Earth精度为1.92 m遥感卫星地图作为参考，以便得到科学准确的分类结果。之后在Arcmap10.2.2软件的支持下进行公园斑块分类，并通过实地踏查确定斑块类型和边界，提取斑块面积等基本斑块信息，最后通过Fragstats软件计算景观指数。采用ENVI5.1软件分别对3期遥感影像进行大气校正、几何校正、裁剪等预处理，通过人工目视解译的方法，得到研究区景观类型分布图（图2）。本研究所用的方法概念模型如图3所示。

2. 2010、2015、2019年秦王川国家湿地公园湿地景观类型分类图

3. 研究方法概念模型

表1 遥感影像数据源

1.2.2 景观格局指数的选取与分析

景观格局指数能够在一定程度上反映景观格局的变化特征，其对区域景观生态规划、国土空间规划等方面具有重大意义。目前景观格局指数可分为斑块、类型和景观三种类别[16]。本研究使用斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、聚合度指数（AI）、斑块平均面积（MPS）、蔓延度指数（CONTAG）、连通性指数（COHENSION）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）10个指标进行计算。利用Arcgis10.2.2软件将秦王川国家湿地公园2010、2015和2019年三个年份的景观类型矢量图转换为栅格大小为1 m×1 m的Tiff格式，然后在Fragstats4.2中载入导出的栅格图，从类型和景观两个水平计算所需的景观格局指数[17]。

1.2.3 马尔柯夫转移矩阵

转移矩阵作为不同景观类型之间相互转化数量和方向研究的主要定量方法，能够反映景观变化的结构特征以及各类型之间的转移方向[18]。转移矩阵的数学形式为:

在表达式中，n为转移前后的土地利用类型数，i是转移之前的土地利用类型，j为转移之后的土地利用类型，S代表面积，是i地类转换为j地类的面积。

1.2.4 秦王川国家湿地公园景观分类体系

湿地类型的划分是景观格局变化研究的前提，对更好地揭示景观格局变化具有重要意义。由于湿地的地域性差异，国内外对湿地景观分类的原则、指标和方法等仍未统一，因此在实际研究中，一般是根据研究区场地卫星影像的特点，参考相应的湿地分类标准和解译标志，建立适合研究区的湿地景观分类体系[19-20]。秦王川国家湿地公园湿地类型的划分是在对卫星影像目视解译的基础上结合《国家湿地分类标准（GBT24708-2009）》《湿地公约》《甘肃兰州秦王川国家湿地公园总体规划（2012-2019）》和秦王川国家湿地公园地类现状及特点，建立适合秦王川国家湿地公园的湿地分类体系（表2）。

表2 秦王川国家湿地公园湿地景观分类体系

2 结果与分析

2.1 湿地景观总体动态分析

由表3可知10年期间湿地公园内主要的土地利用类型由2010年的耕地变为河流湿地，河流湿地的面积变为125.05 hm2，占研究区总面积的38.08%。2010-2019年秦王川国家湿地公园发生的最大变化为耕地和裸地类型逐渐消失转变为河流湿地、沼泽湿地、林地等土地利用类型。发生变化的原因是由于2011年设立秦王川国家湿地公园后，研究区内农户搬迁，区域内所有耕地全部转化为其他土地类型，同时裸地面积急速下降。相反沼泽湿地面积和林地面积逐渐增大，沼泽湿地面积由2010年的30.66 hm2增加到2019年的61.93 hm2，占研究区总面积的18.86%；林地面积持续增加，至2019年为79.38 hm2，占研究区总面积的24.17%。而草地面积先增长后下降，至2015年增加到57.63 hm2，而到2019年下降到53.18 hm2，下降幅度为1.35%。

表3 秦王川国家湿地公园各类型景观面积

2.2 景观类型转移流向分析

利用分类得出2010年、2015年、2019年3个时期的景观利用类型图，借助Arcgis分析工具中的Intersect工具求出两期土地利用数据的交叉重叠部分，然后用红、黄、蓝三种颜色表示不同景观类型减少、保留以及增加的部分，由此制作2010-2019年时间段主要土地利用类型转移流向变化图（图4）。之后利用Arcgis添加字段以及字段统计功能，计算出各土地转移类型的面积。最后将所得到的土地类型转移矩阵导出至excel，利用excel数据透视表功能得到2010-2019年各景观类型转移矩阵（表4）。

4. 景观类型转移流向图

表4 秦王川国家湿地公园2010-2019年土地利用转换矩阵 单位：hm2

从各景观类型流出面积来看，主要流出的景观类型为耕地和裸地，其中耕地流出面积最大，总流出面积为191.18 hm2。2015年耕地面积全部转化为林地、河流湿地、沼泽湿地、草地等景观类型，其中50.67 hm2耕地转化为林地，56.52 hm2转化为河流湿地，41.33 hm2转化为草地以及35.80 hm2转化为沼泽湿地。2015年耕地流出的主要原因是随着秦王川国家湿地公园的建立以及兰州新区生态环境保护意识的日益增长，退耕还湿成为兰州新区生态质量逐步转变的重要举措。裸地的流出面积为39.39 hm2，主要流向为林地、河流湿地以及沼泽湿地，其中流向林地的面积为11.53 hm2，流向河流湿地、沼泽湿地的面积分别为16.04 hm2、8.64 hm2。裸地大量流出证明土地得到了很好的利用，尤其是将裸地转化为林地，这一变化证明了兰州新区生态意识正在逐步增强。

2010-2019年间流入河流湿地的面积最大，流入面积为105.9 hm2。在所有景观类型中，耕地是各景观类型的主要流入源，其中由耕地流入河流湿地的面积为56.52 hm2，流入沼泽湿地的面积有35.80 hm2。而10年间河流湿地和沼泽湿地之间也发生了相互的转化，有23.12 hm2的河流湿地转化为沼泽湿地。发生转变的原因是由于湿地生态系统的多样性逐年增大，使得一些水生植物快速繁殖生长。2010-2019年间流入林地的面积75.20 hm2，有50.67 hm2的耕地流入林地，11.53 hm2的裸地流入林地；流入草地的总面积为47.09 hm2，其中有41.33 hm2的耕地、2.19 hm2的河流湿地以及2.42 hm2的裸地流入草地。

2.3 秦王川国家湿地公园景观格局演变分析

2.3.1 景观水平上景观格局变化

通过表5可得，2010-2015年受湿地公园规划建设的影响，在此期间湿地公园NP值、PD值显著增长，研究区的景观破碎持续增大，这说明人类活动对于秦王川国家湿地公园产生了重要影响；2015-2019年公园已投入使用，此时秦王川国家湿地公园总体NP值、PD值虽然有所增加，但是变化趋势降低。2010-2015年期间LPI值呈减少趋势，2015-2019年基本变化稳定，这证明秦王川国家湿地公园内景观优势度持续降低后有轻微的增长。LSI值持续增长证明研究区景观的不规则性逐年增加。CONTAG值基本呈逐年减少的趋势，由2010年的66.5636减少到2015年的58.3408，虽然在2015-2019年有缓慢增长，但是增幅不大，该变化说明2010-2015年秦王川湿地景观的连接度呈现逐年下降的趋势，景观破碎度不断增大，2015-2019年景观连接度缓慢上升，景观破碎情况有所缓解。2010-2015年间SHDI值和SHEI值逐渐增加，湿地公园景观破碎化加强，秦王川公园湿地景观类型逐渐丰富，受某种优势斑块支配的景观格局发生了变化；2015-2019年SHDI值和SHEI值有下降趋势，研究区景观多样性减少，景观分布均匀性下降。在景观结构方面，2010-2019年COHENSION值呈现持续降低降的趋势，由2010年的99.9632减少到了2019年的99.9520，表明河流斑块间的景观连通性较差，这也符合前文所指出的在整个研究时期内由于河流斑块的破碎化程度不断加剧，从而导致景观的连通性变弱。

表5 景观水平上景观格局变化

2.3.2 斑块类型上景观格局变化

由图5可知，2010-2019年河流湿地的斑块数量呈现逐年上升的趋势；沼泽湿地的斑块数量先增大后减少，但基本保持不变；耕地和裸地由于秦王川国家湿地公园的建设，在2015年耕地斑块全部消失，裸地斑块数持续减少，至2019年裸地斑块基本消失；2010-2019年期间草地和林地的斑块数逐渐增大，建筑用地斑块数量变化基本稳定。斑块数量的变化直接导致斑块密度发生改变（图6）。通过分析2010-2019年斑块数和斑块密度数值的变化规律可知，秦王川国家湿地公园整体景观破碎化程度在2010-2015年最为明显，2015-2019年景观破碎化程度虽然存在但是不太强烈。各景观类型中河流湿地景观、沼泽湿地以及林地的景观破碎化程度较高，所以在今后湿地公园景观生态规划上要着重考虑这几个景观类型的生态修复。

5. 秦王川国家湿地公园2010-2019年斑块指数（NP）变化图

6. 秦王川国家湿地公园2010-2019年斑块密度指数（PD）变化图

由图7可知，2010-2019年河流湿地的LPI值先减小后增大；沼泽湿地的LPI值呈持续增长状态；林地作为逐渐发展起来的优势景观类型，其LPI值一直增加至2019年的13.36%；草地的LPI值先增大后减小；其他的景观类型LPI值变化不太明显。LSI值能够反映景观的形状变化，其数值越大则证明景观的形状越复杂（图8）。河流湿地的LSI值变化明显，由2010年的10.19%增长到2015年的11.45%，至2019年变化开始平缓；沼泽湿地、草地的LSI值先急速上升后开始下降；林地的LSI值呈增长趋势，2019年LSI值为11.71%；裸地的LSI值呈继续减少的趋势，至2019年裸地景观消失。

7. 秦王川国家湿地公园2010-2019年最大斑块指数（LPI）变化图

8. 秦王川国家湿地公园2010-2019年景观形状指数（LSI）变化图

由图9可知各景观类型的AI值基本接近，都在98上下浮动，基本无明显变化，AI值能够表示斑块类型的团聚性或延展性，这也说明研究区2010-2019年期间各景观类型的聚合度以及延展度变化不大。从MPS的生态意义可知，MPS值的变化能反馈更丰富的景观生态信息，它是反映景观异质性的关键（图10）。2010-2019年河流湿地的MPS值基本呈上升趋势；沼泽湿地MPS值整体低于河流湿地，说明在湿地景观类型中沼泽湿地的景观破碎化相比河流湿地较高；林地与草地的MPS值基本呈先增加后减少的趋势，证明林地和草地的破碎化程度先减小后增大。

9. 秦王川国家湿地公园2010-2019年聚集度指数（AI）变化图

10. 秦王川国家湿地公园2010-2019年斑块平均面积指数（MPS）变化图

3 秦王川国家湿地公园湿地变化的驱动因素

分析研究景观格局变化的驱动机制，可以更加清楚地发现景观格局与驱动因素之间的作用关系，从而可以在一定程度上避免一些因素对于景观格局的破碎化影响[21]。一般导致景观格局发生变化的因子主要是自然和社会两个因素。自然因素对景观的影响是长时间作用形成的，而社会因素可以在短时间改变区域的整体景观结构。

3.1 自然驱动因素

自然因素在一定程度影响着秦王川国家湿地公园的景观格局。景观格局是在气候、地貌、土壤等自然因素所建立的模板上发展起来的。如气候因素对景观格局驱动力极为重要，即使没有强烈的人类干预，现在的气候变化也会导致动植物群落和整个生物群落的分布发生巨大变化。自20世纪70年代开始兰州新区的年平均气温总体呈现出上升态势，2010-2019年期间兰州新区最高温度增温幅度在0.2℃～3.2℃之间。湿地公园所处的环境极为干旱，长年以来秦王川国家湿地公园的降水量远低于蒸发量，可以预测未来秦王川国家湿地公园的水域面积会出现减少的趋势，所以人为的引水措施极其重要。地形、海拔、坡向和坡度都会影响气温以及景观内可用水分。秦王川国家湿地公园地势较低，因此除了降水，这一地理特征还为秦王川国家湿地公园提供了充足的地下水补给。

3.2 社会驱动因素

（1）经济发展。人口迁移统计数据显示，兰州新区自2012年成立以来，GDP增长近5倍，经济增速始终保持在两位数，地区生产总值从2011年的39.04亿元增长到2017年的176.33亿元，年均增速28.6%。兰州新区经济的快速发展促使秦王川国家湿地公园的成立。湿地公园的建设使得原本存在的耕地类型慢慢消失，公园内所有裸地在开发改造过程中逐渐被其他景观类型替代。

（2）政策因素。政策因素可以在一定时间内改变某研究区的土地利用结构。1995年国家实施“大秦引水”工程政策使得兰州新区多年以来的缺水问题得以解决，在一定程度上改变了新区的水域景观，也为秦王川湿地提供了大量的水资源。除此之外兰州新区实施“退耕还湿”政策使得湿地面积逐渐扩大，生态环境明显改善。秦王川国家湿地公园于2011年正式成立，经长达6年的规划建设于2017年底开始投入使用，并于2018年得以提升改造。秦王川国家湿地公园的建设与提升改造项目很大程度上影响了秦王川国家湿地公园的景观格局。

4 结论与讨论

研究土地利用变化能够揭示区域不同时段不同土地利用类型的变化规律，从一个层面可以间接地反映该地区的景观格局。同时分析土地利用与驱动力的相关关系，可以预测区域土地利用的未来发展趋势，有利于规划部门依据变化规律制定一系列措施及策略来保护区域生态环境，促进土地可持续利用。

研究发现，2010-2019年间，耕地与裸地面积急速下降，河流湿地和沼泽湿地代替耕地成为秦王川国家湿地公园的主要土地利用类型；林地、草地面积逐年增加。2015-2019年秦王川国家湿地公园湿地的景观破碎化程度虽然相比于2010-2015年期间破碎度降低，但整体仍然呈现增加趋势，且斑块之间的连接度下降，斑块形状复杂化程度加深，景观格局的复杂性增高。10年间湿地景观多样性不断增大，且能够均匀分布。分析引起景观格局变化的驱动因素，耕地景观脆弱化主要受兰州新区“退耕还湿”政策的实施使得人口迁移导致弃耕的影响。人类活动对秦王川国家湿地公园景观格局变化有很大的影响，如2015年，由于公园的开发建设，秦王川国家湿地公园整体景观格局破碎化严重，2018年改造项目的进行让原本破碎的景观有所好转，如水系疏浚、浅滩地形塑造等生态工程的实施，湿地斑块的连通性不断增加，湿地植被景观整体性不断提高。这些人为措施在一定程度上增加了湿地斑块的面积。

文章梳理和分析了土地利用、景观格局变化对秦王川国家湿地公园土地景观类型的影响，研究结果能够对兰州新区未来的土地合理利用、景观格局优化以及城市生态建设和可持续发展提供一定参考。