长江宜昌至武汉段岸线1 km近二十年土地利用及景观格局时空变化研究

易斯倚 李前正 武俊梅 徐 栋 吴振斌 周巧红

(1. 中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室, 武汉 430072; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

长江岸线指长江沿线一定范围的水域与陆域空间, 是水域与陆域的结合带[1,2], 作为支撑长江经济带发展的重要资源, 是沿江重要国民经济设施建设的载体。长江岸线的功能大致经历了原始状态-农业-港口-城市-工业-综合功能的分异与演变过程,主要包含生产、生活、生态、交通和军事等功能[3]。岸线的不合理开发利用会对防洪、供水、通航安全及河势稳定带来不利影响, 并严重影响滨水生态系统结构和功能, 导致水陆缓冲带破坏, 水体水质恶化, 水生态系统退化, 加强岸线功能合理利用与保护的需求更加迫切。作为长江经济带建设与开发的重要支撑条件, 长江岸线科学利用尤为重要。近年来, 许多学者借助3S技术和景观生态学方法等对岸线景观格局变化进行了研究, 如马荣华等[4]利用高分辨率卫星影像, 结合GIS分析技术, 分析长江岸线江苏段的资源与利用现状, 发现长江江苏段岸线资源十分有限, 存在多占少用现象, 开发利用集约程度较低, 主要用地类型为工业占地和仓储占用方面; 刘富强等[5]利用ArcGIS10.0和Fragstats对营口市南部海岸景观格局变化进行了研究, 通过景观面积(TA)、Shannon多样性指数(SHDI)和斑块密度(PD)等对研究区域进行分析, 发现营口市岸线长度变化和岸线分形维数变化与人类干扰度呈反相关;Mullick等[6]利用GIS调查研究了1977—2017年期间恒河三角洲海岸线变化, 在河口观察到大量土地沉积, 其土地面积损失了6.29 km2; Portman等[7]使用地块级数据和地理信息系统(GIS)工具研究了美国新贝德福德/费尔黑文港地区近20年滨水土地利用变化和海洋资源状况, 发现鱼类种群状况与沿海土地利用之间存在显著关系。这些研究为认识岸线景观格局变化提供了借鉴和参考, 本文结合以上的研究方法并将其应用到长江湖北段岸线资源的研究上。长江湖北段岸线总长2165.77 km, 开发利用率超过30%, 其中生产性岸线占已开发利用岸线的53.6%, 生活与旅游岸线占比45.8%, 地区农业类型多样, 兼备整个长江流域的农业类型, 在岸线利用方面具有代表性, 且区域的资源、环境压力比较突出[8], 根据湖北省经信委印发的《贯彻落实长江大保护专项行动实施方案》中提出的严禁在长江干流及主要支流岸线1 km内新建化工项目, 结合三峡工程建设前后, 宜昌上游区域土地利用类型差异较为明显, 且研究较多, 本文将研究区域定为宜昌下游枝江开始, 至武汉结束, 研究长江宜昌至武汉段岸线1 km区域土地利用及景观格局变化, 为科学合理开发利用长江岸线资源和保护生态环境提供理论依据。

1 研究区域概况

研究区域地跨东经111°45′—114°16′, 北纬29°26′—31°10′, 属于长江湖北段地区, 气候属于亚热带季风气候, 年均降水量1100—1300 mm, 主要表现出夏季高温多雨, 冬季温和湿润, 四季分明。地貌类型多样, 山地、丘陵和平原兼备, 沿江主要城市从上游到下游有枝江、松滋、荆州、石首、洪湖、赤壁、咸宁和武汉(图 1)。

图1 研究区域位置图Fig. 1 Location of the study area

2 数据与方法

2.1 遥感影像

选取2000—2019年6－9月中旬植物生长季、云覆盖率较低且成像较好的15景Landsat影像(表 1),数据来自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)。基于ENVI 5.3软件, 对影像数据进行了辐射定标、大气校正、图像裁剪和镶嵌等预处理工作。

表1 Landsat系列影像信息Tab. 1 Description of Landsat images

2.2 图像分类

分类方法和训练样本选取基于ENVI5.3软件进行, 通过Toolbox下的Support Vector Machine Classification工具来实现, 对影像数据进行监督分类。因为遥感影像识别的地物并不能完全地反映地面信息, 且影像灰度差别不大, 会导致人们区别影像困难。因此, 可以将灰度图像处理成标准假彩色图像, 近红外波段赋红色, 红色波段赋绿色, 绿色波段赋蓝色。文章为了清楚反映研究区域土地利用情况和变化, 对裁剪区进行标准假彩色合成。标准假彩色合成后进行训练样本设置,在进行训练样本选择时, 可以参照Google earth上的高分辨率影像。

土地利用类型分类和精度验证根据中国科学院土地资源分类系统[9]和湿地分类国家标准[10],将研究区域的土地利用与土地覆盖划分为5类: 湖泊(未被土埂围起来的开阔水体和河渠)、坑塘(封闭水体, 以土埂相间, 呈现规则状水体)、农田(筑有田埂的人为开垦地, 主要是水稻田和经济作物用地)、建筑用地和草地/林地(低草地/林地覆盖的开垦地以及林地), 得到研究区域土地利用类型分类结果, 如图 2所示, 分类结果以2000、2015和2019年为例, 其中湖泊为自然湿地, 长江中游农田是以水田为主, 主要表现为人工湿地的性质, 故将农田和坑塘归为人工湿地。对分类结果进行评价, 确定分类的精度和可靠性。本文将采取混淆矩阵来进行精度验证, 真实参考源使用感兴趣区, 经检验分类精度都在90%以上, 以2019年为例, 列出各分类精度的混淆矩阵(表 2)。

表2 2019年研究区域土地利用/土地覆被分类精度混淆矩阵Tab. 2 Confusion matrix of classification of study area in 2019

图2 研究区域分类结果Fig. 2 Classification result of the study area

2.3 各土地利用类型面积及景观指数

基于ArcGIS10.3平台建立长江宜昌至武汉段的缓冲区, 缓冲距离设置为1 km, 统计缓冲区内各地物类型面积占比。

利用ArcMap10.3把矢量图转成栅格图层, 输入到Fragstats4.2中, 研究选取景观斑块数量(NP)、形状指数(LSI)、聚集度指数(AI)三个斑块类型水平指数, 及斑块数量(NP)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)三个景观水平指数对2000—2019年研究区域景观格局进行动态分析。

3 结果与讨论

3.1 各类型土地利用面积变化状况分析

根据ArcMap10.3统计, 研究区域总面积为1.045×103km2, 湖泊、坑塘、农田、建筑用地、草地/林地面积历年变化见表 3, 长江宜昌至武汉段岸线1 km地物分类中, 农田和建筑用地占整个研究区域面积比重最大, 五年平均占比分别为70.52%和18.72%,这一结果与长江中游所处的地理位置有着很大的关系, 因为长江中游自然资源丰富, 城镇化建设和农业发展水平均较高[11]。从2000—2019年湖泊面积减少了32.47 km2, 占比减少了3.11%, 整体呈现出一个下降趋势; 坑塘面积从2000到2010持续增长,2010年以后开始下降, 到2019年坑塘的面积与2000基本持平; 农田用地面积减少了74.09 km2, 占比减少了7.09%; 草地/林地的面积增长了35.63 km2,占比增长3.41%。刘怡娜等[12]研究表明在森林草甸植被和土壤系统的作用下, 可以降低径流对土壤的侵蚀作用及减少径流中污染物的输出, 从而改善水生态功能。城镇化会使得硬质景观增加, 改变了地表下垫面性质, 失去了对污染元素的截留与吸收作用; 农田因其大面积过量使用农药、化肥和杀虫剂等, 导致水质净化功能退化。结合研究区域各类型土地利用面积的变化发现, 在长江宜昌至武汉段岸线1 km的研究区域中, 林地/草地面积的增加和农田面积的减少会减少污染物的输出, 增大对污染元素的截留和吸收能力, 从而改善水生态功能。

表3 2000—2019年各景观类型面积变化Tab. 3 Area change of various landscape types from 2000 to 2019

3.2 研究区域土地利用类型的空间特征

研究区域内土地利用类型具有明显的空间特征(图 2), 从上游枝江到下游武汉, 用地类型以农田为主, 建筑用地分布区域主要集中在武汉、洪湖和荆州3个城市, 建设用地面积变化较为明显的是洪湖地区, 以靠近洪湖湿地国家级自然保护区的长江1 km岸线区域来展开说明。2000—2015年靠近洪湖湿地的岸线区域建设用地面积增加, 林地/草地面积增加, 农田面积有所减少。查阅相关资料发现,已实施的《洪湖市城市总体规划》(1995年)和《洪湖市城市总体规划》(2001—2020年)显示, 洪湖市城市发展定位最初为“鄂中地区重要的工业和旅游城市”, 除瞿家湾镇被赋予旅游工贸职能外, 剩下的乡镇被规划为集贸工业、公交商贸和工业商贸型城镇等, 足以可见当时工业产业在洪湖市的重要地位, 同样也使得研究区域在2000—2015年建筑用地面积有所增加。2000年经湖北省人民政府批准, 洪湖湿地自然保护区晋升为省级自然保护区, 到2003年正式启动了“洪湖湿地保护与恢复示范工程”, 采取的退耕还湖和退耕还林等手段, 使得研究区域在2000—2015年间的林地/草地面积有所增加。2015—2019年靠近洪湖湿地的岸线区域建设用地面积减少, 坑塘面积有所增加。根据近期颁布的《洪湖市城市整体规划》(2012—2030年)则将洪湖市城市定位调整至“文化旅游生态城市”, 在一定程度上促进了原有工业用地向其他类型用地的转换[12]。2014年6月, 洪湖湿地国家级自然保护区管理局组织力量配合洪湖市进行围网整治工作, 规定红线, 任何单位和个人不得超过红线范围从事养殖生产, 而在此研究区域内增加的坑塘面积多为水产养殖面积, 这意味着从洪湖湿地保护区迁移了部分水产养殖到洪湖市段的长江岸线区域, 而养殖污水的大量排放不仅仅会引起水体氨氮污染有加重的趋势, 也会使得水体中藻类及其他微生物大量繁殖,形成富营养化污染, 严重时会引起水中溶解氧的大量消耗, 对长江的直接污染风险增加。总体而言,从2000—2019年来看, 长江洪湖段岸线1 km区域开发利用率较高, 且农田-建筑用地转化较为剧烈。根据上述湿地的划分, 湖泊、坑塘和农田均属于湿地, 坑塘和农田属于人工湿地, 湿地总面积占比均在70%以上, 人工湿地占研究区域面积比为68.63%,占湿地总面积的92.87%, 2000—2019年人工湿地面积下降了9.18%, 表明研究区域湿地用地面积较大,且人类活动强度大, 对土地利用的干扰较为明显。

表4所示的2000—2015年和2015—2019年土地利用转移矩阵可以直观看出研究区域各类用地在这2个时间段的转入转出的详细数据情况。建筑用地在2个时期主要转出依次为农田、坑塘、湖泊及草地/林地, 其中在2000—2019年转出农田面积较大, 达到了179.1 km2。转入建筑用地依次为农田、坑塘、草地/林地和湖泊。农田主要转出为建筑用地, 转出的草地/林地2015—2019年这个时间段比2000—2015年增加了17.47 km2。由于湖泊、坑塘和草地/林地面积基数较小, 故其转入和转出变化相对而言较小。

表4 研究区2000—2019年土地利用转移矩阵(面积, km2)Tab. 4 The transfer matrix of the study area from 2000 to 2019

3.3 景观格局指数分析

基于斑块类型水平的指数分析斑块类型层级的景观格局指数直接反映了不同土地利用类型的景观生态状况(表 5)。由图 3可以看出, 农田的NP和LSI值整体呈现上升的趋势, AI值呈现下降的趋势, 且其斑块水平上各值的变化幅度较为平缓,表明从2000—2019年, 农田这一类地物的破碎度和离散程度增加, 形状趋于不规则化; 建筑用地景观格局指数的变化趋势与农田相似, 但变化幅度更加剧烈, 其破碎化和离散程度也更加剧烈; 湖泊的NP、LSI和AI值变化均不明显, 说明了2000—2019年湖泊在空间分布上, 其斑块密度和形状等变化均不明显; 坑塘从2015年开始破碎化程度有所减缓,在2005年以后其离散程度减弱; 在这5种地物类型中, 变化最为剧烈的为草地/林地, NP值整体呈现集中增加的趋势, LSI和AI值在2000—2005年下降, 在20005—2019年上升, 说明草地/林地破碎化程度一直在加重, 2000—2005年形状不规则减弱, 离散程度增加, 2005—2019年形状不规则情况加剧, 离散程度减缓。总体而言, 建设用地的破碎化程度增加程度和形状不规则程度最为剧烈, 表明人类活动对其干扰最为强烈; 农田的聚集程度最高, 在研究区域范围内其结构最为紧凑; 草地/林地破碎化程度增加且形状不规则情况加重, 这就意味着研究区域草地/林地大面积斑块破碎, 小面积的斑块增加, 会使得景观中各生态系统之间的功能联系断裂或者连接性减少, 阻碍种群间的基因交流, 同样也会改变物种生存的生物地理环境, 减少生物物种多样性。由于草地/林地2005—2019年结构紧凑, 在空间布局上呈现出小斑块且相互聚合的状态, 会使得整个草地/林地这类地物对某些干扰的蔓延如虫灾和火灾等的抑制作用减弱。

图3 不同的地物类型斑块水平指数年际变化图Fig. 3 Inter-annual changes of different ground objects in landscape class level

基于景观水平的指数分析景观层级的景观格局指数分析可以从全局的角度对于研究区的景观生态水平进行分析(表 5)。由表 6可知, 2000—2019年研究区域景观斑块数量持续增加, 说明长江宜昌至武汉段岸线1 km范围土地利用破碎化程度在不断加深。2000—2010年研究区的CONTAG值均在60%以上, 相对较高, 表明研究区域存在连通度极高的优势斑块类型, 2015年该值有所下降, 2015、2019年与2010年相比, CONTAG值下降了11.24%左右, 表明2015年以后研究区域内的斑块破碎化现象加剧, 原本优势的斑块类型破裂, 空间优势大大降低。并且随着蔓延度的减少, 研究区域各斑块相互离散程度增大, 污染物削减效应的优势斑块作用越微弱, 越不利于对污染物的固定和截留, 对水生生态系统的稳定越不利。2000—2019年, SHDI值整体呈现出增长的趋势, 说明近20年研究区域中各景观斑块复杂度增加, 优势差距逐渐缩小, 刘怡娜等[12]研究表明香农多样性的值越高, 就意味着斑块景观形状越复杂, 就越不利于污染物和扩散的控制。但与我国其他流域相比, 如黄河流域和太湖流域, 在2000—2010年, 黄河流域的CONTAG值为34.78—34.32, SHDI值为1.48—1.49[18], 太湖流域在1985—2015年CONTAG值为59.28—51.51, SHDI值为1.07—1.29[19], 可以发现长江宜昌至武汉段岸线1 km区域的破碎化等现象虽在近20年加剧, 但研究区域斑块的整体性、连通性及空间优势相对黄河和太湖流域还是处于一个较高的水平。

表5 景观格局指数表Tab. 5 Landscape pattern index table

表6 研究区域2000—2019年景观层级景观格局指数Tab. 6 Landscape pattern index in study area from 2000 to 2019

4 结论

(1)2000—2019年, 长江宜昌至武汉段岸线土地利用主要以农田和建筑用地为主, 变化的明显特点是农田面积萎缩, 建筑用地和草地/林地面积扩张,其中农田-建筑用地的转化较为剧烈。研究区域湿地资源丰富, 人工湿地占总湿地面积比达到92.78%,其面积在近20年下降了9.18%, 表明研究区域生态用地面积较大, 且人类活动强度大, 对土地利用的干扰较为明显。(2)从斑块类型水平上看, 建设用地的破碎化程度增加程度和形状不规则程度最为剧烈, 表明人类活动对其干扰最为强烈; 农田的聚集程度最高, 在研究区域范围内其结构最为紧凑; 草地/林地破碎化程度增加且形状不规则情况加重,这就意味着研究区域草地/林地大面积斑块破碎,小面积的斑块增加其斑块趋向破碎化和形状不规则化, 这会阻碍种群间的基因交流, 改变物种生存的生物地理环境, 减少生物物种多样性, 由于草地/林地2005—2019年结构紧凑, 在空间布局上呈现出小斑块且相互聚合的状态, 会使得整个草地/林地这类地物对某些干扰的蔓延如虫灾和火灾等的抑制作用减弱。(3)在景观类型层级, 景观斑块数量和SHDI值整体呈现出增长的趋势, 2015、2019年与2010年相比, CONTAG值下降了11.24%左右, 整个研究区域景观的破碎化现象加剧, 区域原本优势的斑块类型破裂, 优势度差距逐渐缩小, 且空间的连通性降低, 空间优势减弱。而蔓延度值的减少和香农多样性值的增加, 不利于对污染物的固定和截留以及对污染物和扩散的控制, 这会对水生生态系统的稳定造成一定的影响。