辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化及驱动机制

2022-03-10曹晨晨苏芳莉李海福

生态学报 2022年2期

曹晨晨,苏芳莉,2,3,*,李海福,2,3,魏超,2,3,孙迪,2,3

1 沈阳农业大学水利学院,沈阳 110000 2 辽宁双台河口湿地生态系统国家定位观测研究站,盘锦 124000 3 辽宁省水土流失防控与生态修复重点实验室,沈阳 110000

景观的破碎化主要表现为斑块数量增加而面积缩小,斑块形状趋于不规则,斑块内部生境面积缩小,廊道被截断以及斑块彼此隔离[1],直接影响着景观中生物多样性、能量流动、物质循环等生态特征与过程[2],进而影响物种分布[3-5]。气候变化[6]和人类生产活动[7]等共同作用导致湿地景观破碎化,加剧湿地退化,严重影响了湿地提供生物多样性保护和生态系统服务功能的维持[8]。湿地退化与湿地景观破碎密切相关[9—11],探讨景观破碎的驱动机制可为湿地保护与景观修复提供科学依据[12]。

辽河口盐地碱蓬湿地是著名的红海滩景观,在改良滩涂盐碱地、消减污染物和固碳增汇等方面都发挥着重要的作用[13—17]。该区域也是全球最大的黑嘴鸥栖息地,在保护区域生态安全及维系生物多样性方面发挥着不可替代的生态作用。盐地碱蓬湿地广泛分布于辽河口潮间带[18—19],地处陆地和海洋交汇区域,其景观完整受到气候变化、海平面上升及人类活动等多重作用,驱动机制复杂[20]。

基于遥感和GIS手段结合景观生态学等方法对湿地景观展开研究,有利于从宏观角度明确湿地景观格局及其变化规律[21—23],但常存在时间序列较短、时间步长较长,难以揭示快速变化的湿地景观演变特征及规律等问题。本研究以Landsat卫星1985—2019年间共27期影像为数据源,通过主成分分析和相关分析研究其驱动机制,可在较长时间段序列内、较精准揭示辽河口盐地碱蓬湿地景观格局及其演变规律。

1 研究区概况

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the study area

辽河口湿地属于滨海湿地,位于我国渤海辽东湾北部顶端(图1),辽河入海口处(121°30′—122°00′E,40°50′—41°20′N)。属温带半湿润季风气候,年平均降雨量650 mm,年平均温度8.5 ℃。1988年,双台子河口(现更名为辽河口)被列入国家级自然保护区,总面积8万 hm2,距海较近的裸滩区域没有植物生长,过渡带为盐地碱蓬湿地和距海较远的区域为内陆芦苇湿地,是一个以保护丹顶鹤、黑嘴鸥等珍稀水禽及滨海湿地生态系统为主的野生动物类型自然保护区。其中盐地碱蓬湿地分布于潮间带,介于芦苇湿地与潮滩之间,呈红紫色的不规则斑块。

2 数据来源及研究方法

2.1 遥感影像数据

本研究使用的Landsat系列遥感数据来源于美国地质勘探局USG网站(https://glovis.usgs.gov/ app)。

为能够更加全面且真实的探究辽河口盐地碱蓬湿地时空动态的变化特征及规律,根据辽河口区域开发建设节点以及遥感影像的质量,选取1985年和1988年(防潮大堤修建前)、1989年(防潮大堤修建)、1992—1997年(防潮大堤修建后)、1999—2004年(农田开垦及水产养殖建设期)、2005—2007年和2009—2014年(湿地相关法律法规逐步完善)、2015年、2017年和2019年(近5年湿地状况)共计27期的遥感影像为数据源,云层低于10%,时相为9—10月份,质量较好,条带号为120/032,卫星影像的误差小于一个像素(空间分辨率为30 m)。

遥感影像在获取过程中,大气对阳光和来自目标的辐射会产生吸收和散射,图像可能存在一定程度的失真。使用ENVI软件的FLAASH模块(大气校正模块)进行大气校正部分的工作。再对所有的Landsat图像在同一投影坐标系统中(UTM投影,WGS84参考系统)进行了测量和几何校正,使得所有影像的配准误差均在一个像素内(小于30 m)。通过ArcGIS平台的掩膜提取工具,将遥感影像裁剪至辽河口国家湿地自然保护区形状。目视解译完成后根据Google Earth当前和历史影像资料和实地考察数据,采用总体精度指标对盐地碱蓬湿地的目视解译精度进行验证,其总体精度为85.62%。

总体精度OA的计算公式为

式中,OA是总体精度,表示所有像元分类的正确性,N为样点总数,akk表示k行k列上的值。

2.2 水文数据

本研究使用的水文数据来《辽宁省水文统计年鉴》1985—2017年的数据,由于辽河口盐地碱蓬湿地主要受河海交互作用影响,因此选取辽河入海口前最后一个水文站——六间房水文站数据,指标选取了表征上游降雨和径流输沙过程的降雨量、径流量及输沙量。

2.3 景观破碎化指数

本研究选取斑块密度(PD)作为描述景观破碎度的指标,PD值越大代表景观破碎化程度越高。

式中,Ni为景观中第i类景观要素的总面积,A为景观总面积。

具体景观指数分析计算在FRAGSTATS 4.2软件中完成。

2.4 潮汐作用指标

辽河口盐地碱蓬湿地位于海洋与陆地之间的过渡地带,其临近海洋的一侧为平均宽度约为4 km的潮间带,潮汐经过宽阔的潮滩经潮沟作用于盐地碱蓬湿地。其独特的地理位置,使得波浪和潮汐作用极其复杂。前期研究中已明确了海岸线的变迁和潮滩区的淤积侵蚀速率与潮汐运动相关[24—25],可表征潮汐作用。

2.5 湿地景观破碎化驱动机制分析

根据相关文献[26—28]及辽河口盐地碱蓬湿地实际情况,选取道路、水库、田地、养殖、油井、降雨量、径流量、输沙量净岸线运动和淤积侵蚀速率因子。通过主成分分析进行指标的降维确定主要指标,通过灰色关联度分析各驱动因素对湿地景观破碎化的影响权重,采用相关分析法分析各驱动因素对于湿地景观破碎化的影响。

3 结果与分析

3.1 辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化特征

图2 1985—2019年盐地碱蓬湿地PD值变化Fig.2 Changes in PD value of Suaeda salsa wetland from 1985 to 2019

斑块密度(PD)作为描述景观破碎度的重要指标,PD值越大代表景观破碎化程度越高。由图2可见,1985—1988年盐地碱蓬湿地表现出显著的聚集性,PD值由1985年的4.68减少为1988年的1.06,减少了77.35%；1989—1995年盐地碱蓬湿地破碎化特征初现,PD值由1989年的1.12增加为1995年的3.33,增加了197.32%；1996年盐地碱蓬湿地破碎化程度得到一定程度减缓,PD值由1995年的3.33减少为1996年的1.55,减少了53.45%；1997—2003年盐地碱蓬湿地破碎化程度波动加剧,PD值由1997年的1.88增加为2003年的5.90,增加了213.83%；2004—2014年盐地碱蓬湿地破碎化程度波动减缓,由2005年的5.90减少为2014年的2.74,减少了53.56%；2015年至今,盐地碱蓬湿地破碎化加剧,PD值由2014年的2.74增加为2019年的7.89,增加了187.96%。

1985—2019年辽河口盐地碱蓬湿地的PD值总体上呈上升趋势,说明近35年来辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎程度存在阶段性波动但从长时间序列上看仍长期处于破碎化状态,其中,2003年和2017年辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化极为严重。

3.2 辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化驱动机制分析

3.2.1指标选取与评价

湿地景观破碎化主要受人为因素和自然因素的影响,其中油田开采、海产养殖等围填海人为开发工程是造成湿地景观破碎化的主要驱动因子[29]。在辽河口区域内,主要的围填海工程包括道路修建、水库修建、农田开发、水产养殖和油田开发；盐地碱蓬湿地由于其处于海陆交汇处的特殊分布位置,主要的自然因素包括气候因素、内陆河流作用因素以及海洋波浪潮汐作用因素[6]。

本研究选取表征景观破碎化程度的指标斑块密度(PD)作为因变量Y,选取与湿地景观破碎化显著相关的驱动因子道路(X1)、水库(X2)、农田(X3)、养殖(X4)、油井(X5)、降雨量(X6)、径流量(X7)、输沙量(X8)、净岸线运动NSM(X9)、淤积侵蚀速率(X10)作为自变量,进行主成分分析。

自变量相关系数矩阵显示(表1),影响景观破碎化的10个自变量中存在着不同程度的相关性,表明各自变量包含信息存在重叠,运用主成分分析是必要的。对自变量进行KMO统计量检验和Bartlett球形检验显示：KMO统计量达到0.525,Bartlett′s球形检验显著性水平小于0.01,适合进行主成分分析。

3.2.2主成分分析

主成分分析结果显示(表2),第1主成分的特征值为3.931,第2主成分的特征值为2.031,第3主成分的特征值为1.557,累积贡献率为75.187%,说明3个主成分已能代表原始驱动因子来反映辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化的具体情况。

由表3可知,在第一主成分在输沙量和径流量上的因子荷载量较大,分别为0.889、和0.856；第二主成分在淤积侵蚀速率、净岸线运动、水产养殖、水库修建和油井开发上的因子荷载量较大,分别为0.736、0.633、0.569、0.504和0.436；第三主成分明显与海岸线淤积侵蚀级水产养殖相关,显然未能与第二主成分区分开来,需进一步进行因子分析,使结果进一步优化,使提取信息含义更加清晰。

表1 自变量相关系数矩阵

表2 主成分特征值和贡献率

表3 主成分荷载矩阵

3.2.3因子分析

为更好的将盐地碱蓬湿地演变驱动因子与主成分之间的线性关系表现出来,选取第1主成分、第2主成分和第3主成分作为新的变量,建立单个主成分综合得分线性方程,其系数为主成分特征值所对应的特征向量,由各因子在主成分上的载荷与特征值计算得出,得到式(1)、式(2)和式(3)。

F1=-0.448X1-0.431X2-0.314X3+0.380X4+0.304X5+0.343X6+0.210X7+0.285X8+0.182X9-0.033X10

(1)

F2=0.018X1+0.167X2+0.255X3+0.242X4+0.354X5+0.080X6+0.399X7-0.306X8-0.444X9-0.516X10

(2)

F3=0.126X1+0.225X2+0.364X3+0.188X4+0.207X5-0.068X6+0.492X7-0.061X8+0.478X9+0.481X10

(3)

得到各驱动因子与主成分的线性方程后,进一步建立辽河口盐地碱蓬湿地演变驱动因子综合得分模型,见式(4),该式的系数即为第 1主成分F1、第2主成分F2和第3主成分F3各自所对应的方差贡献率与累积贡献率之比。

Y=0.198F1+1.425F2+1.256F3=-0.203X1-0.133X2-0.019X3+0.303X4+0.297X5+0.186X6+0.320X7+

0.053X8+0.075X9-0.056X10

(4)

式中,各系数分别为各驱动因子在综合得分中的权重,系数越大则说明该因子在综合得分中占据的重要性越大,通过该式可进一步确定,辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化的主要驱动因子为水产养殖(0.320)、道路修建(0.303)、水库修建(0.297)、年输沙量(0.203)、农田开发(0.186)以及年径流量(0.133)。

3.2.4湿地景观破碎化驱动力分析

通过主成分分析确定水产养殖、道路修建、水库修建、年输沙量、农田开发和年径流量为导致湿地景观破碎化的主要驱动力,因此,选择以上因子为比较数列,通过灰色关联度和相关性分析探究其驱动机制。

通过灰色关联度分析(表4)可知,道路修建是影响盐地碱蓬湿地景观破碎化的主要驱动因子,其次是水产养殖、年径流量和农田开发。

表4 灰色关联矩阵

(1) 人为因素对湿地景观破碎化的驱动

图3 景观破碎度与道路修建的关系Fig.3 The relationship between landscape fragmentation and road construction*表示显著相关(P<0.05)

人类活动对辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化的影响主要体现在农田开发、道路修建和水产养殖方面。1985—2019年期间辽河口区域道路修建、水产养殖和农田开发面积逐年递增且趋于稳定,与盐地碱蓬湿地景观破碎化增强的趋势呈指数相关(图3—图5),R2分别为0.340、0.281和0.460。

道路修建直接破坏了辽河口区域河网水系及盐地碱蓬湿地斑块之间的连通性,不利于盐地碱蓬湿地斑块之间物质、能量的传递,导致湿地自净能力和纳污能力的减弱,造成盐地碱蓬湿地景观破碎化加剧。1985—2019年间辽河口区域道路修建面积呈对数增长(图3,P<0.05),2003年出现阶段性的面积峰值967.36 hm2,并于2017年达到最大值1045.43 hm2。

水产养殖通过土地占用的形式直接侵占盐地碱蓬的生长空间,此外水产养殖行业日常生产的污染物通过海水交换形式被带到潮间带区域,造成水质污染[30],导致盐地碱蓬湿地景观破碎化加剧。1985—2019年间辽河口区域水产养殖面积呈对数增长(图4,P<0.05),并于2017年达到水产养殖面积最大值9244.73 hm2,同年辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化剧烈,PD值高达6.07。

农田开发通过长时间的种稻灌溉,降低土壤盐分含量,改变土壤盐分组成[31],导致辽河口区域土壤脱盐,土壤盐分过低不利于盐地碱蓬生长,造成盐地碱蓬湿地景观破碎化加剧。1985—2019年间辽河口区域农田开发面积呈对数增长(图5,P<0.05),并于2003年达到农田开发面积最大值5479 hm2,同年辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化剧烈,PD值高达5.90。

图4 景观破碎度与水产养殖的关系Fig.4 The relationship between landscape fragmentation and aquaculture*表示显著相关(P<0.05)

图5 景观破碎度与农田开发的关系Fig.5 The relationship between landscape fragmentation and farmland development*表示显著相关(P<0.05)

近35年间,辽河口盐地碱蓬湿地向退化方向发展,具体表现为湿地面积萎缩,湿地景观破碎化加剧。2003年后,围填海工程面积趋于稳定,人为开发活动对盐地碱蓬湿地景观破碎化的影响趋于稳定,但是湿地景观破碎化随农田开发、道路修建和水产养殖面积的增大而增大的整体趋势是明确的。

(2)水文过程对湿地景观破碎化的驱动

水文过程对辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化的影响主要体现在径流方面。1985—2019年间,六间房水文站年径流量与盐地碱蓬湿地景观破碎化呈负相关,其线性拟合优度为0.775(P<0.01)(图6),湿地景观破碎化随径流量增大而减小。

由图7可见,1985—2019年35年的径流量距平百分率发现辽河枯水年与盐地碱蓬湿地景观破碎化严重年份重合,丰水年时期的盐地碱蓬长势明显好于枯水年时期的盐地碱蓬的情况,且盐地碱蓬湿地景观破碎化的年际变化趋势与辽河干流的年径流量变化趋势大致相同。

图6 景观破碎度与径流量的关系Fig.6 The relationship between landscape fragmentation and runoff **表示极显著相关(P<0.01)

图7 1985—2019年辽河口区域年径流量距百分比率Fig.7 Percentage rate of annual runoff distance in Liaohe Estuary from 1985 to 2019

1998年上游流向海水的水沙骤减,年径流量分别减少了24.95 (108/m3),其原因是大洼三角洲平原水库修建完成后开始对上游的淡水进行储蓄,改变了辽河口区域的水文条件,打破了原有的湿地生态系统平衡,对盐地碱蓬的生长造成了巨大的影响,导致盐地碱蓬湿地景观破碎化加剧,盐地碱蓬湿地斑块密度(PD)由1988年的1.058增长为1998年的2.49。

4 讨论

(1)解译1985—2019年间27期Landsat数据,可较准确揭示辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化特征,较好的解决了以往研究中存在的时间序列较短、时间步长较大的问题[28,32],黄河三角洲的相关研究[33]表明,进一步增加总体样品数量,可较好的揭示景观格局演变规律。故建议利用超过20年的数据进行景观破碎特征研究。

(2)1985—2019年间,辽河口盐地碱蓬湿地滨海湿地呈退化趋势,具体表现为湿地面积萎缩,湿地景观破碎化加剧。1988年为盐地碱蓬湿地景观完整性最佳的年份,湿地面积大且景观聚集性高,此时的辽河口区域原始生态系统保存较好；自1990年始,辽河口区域进入经济发展的新阶段,由盘锦市统计年鉴显示1990年的第一、二、三产业产值相比1985年分别增长144.87%、83.61%、340.32%,农田开发、水产养殖、油气开采、旅游服务等各项产业快速发展的同时,也为生态系统带来了巨大的压力,大量人为扰动占地涌入辽河口区域,导致1990—2003年间盐地碱蓬湿地一直处于破碎化持续加剧的状态；粗狂无序的开发利用模式所导致的生态环境问题逐渐被人们所察觉,2004年国务院办公厅发布了《关于加强湿地保护管理的通知》,各地方积极响应出台一系列湿地保护与修复政策,辽河口盐地碱蓬湿地破碎化趋势也得到缓解；2015年至今,由于淡水资源的匮乏,径流量减少,盐导致地碱蓬湿景观破碎化再度加剧。

(3)导致辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化加剧的人为驱动因素为道路、农田和养殖,其中,道路修建直接破坏了辽河口区域河网水系及盐地碱蓬湿地斑块之间的连通性,降低了湿地的污染自净能力；农田围垦和围海养殖在造成盐地碱蓬湿地原位生境被替代的同时,其日常产生的的污染物通过海水交换形式导致近岸水质与底泥环境污染加剧,生态环境遭到严重破坏,盐地碱蓬湿地景观破碎化加剧[30]。

(4)导致辽河口盐地碱蓬湿地景观破碎化加剧的水文驱动因素为年径流量,盐地碱蓬湿地因其独特的地理位置,区域水分盐度由河水和海水的彼消此长决定,上游径流量的减少引起海水倒灌,加剧了盐地碱蓬湿地的景观破碎化程度。