武汉市湿地景观格局变化与驱动因素研究

韩腾腾，栾俊婉，邵田田，陈肖飞*

（1.河南大学 黄河文明与可持续发展研究中心暨黄河文明传承与现代文明建设河南省协同创新中心，河南 开封 475001）

湿地是陆地与水体共同作用形成的一种生态系统[1]，不仅能为许多生物提供栖息地，其在蓄洪防旱、调节气候、分解污染物等方面也能发挥重要作用[2]。近年来，由于全球气候变化和人类活动的影响，湿地生态系统在空间和类型上发生了很大变化[3]。湿地生态系统的能量流动、物质循环和物种迁移等与其景观格局密切相关[4]，因此科学认知湿地景观的演变规律，揭示湿地景观格局的变化机制[5]，对于湿地生态系统保护、科学管理与规划具有重要意义。

湿地遥感监测逐渐成为湿地研究和湿地保护动态管理的重要手段和方法[6]。Couvillion B R[7]等利用多期遥感影像和聚合指数对1985—2010年路易斯安那州滨海湿地的景观格局演变进行了定量分析；Sica Y V[8]等研究了阿根廷帕兰河下游三角洲土地利用变化对湿地退化的影响，并对湿地退化的驱动因子进行了分析；Ballanti L[9]等利用多时相遥感影像和面向对象的方法分析了尼斯夸利河三角洲湿地信息的时空变化情况。相比之下，国内学者对湿地景观的研究起步较晚，但也取得了丰富的研究成果，如邢雯[10]等采用面向对象的多尺度分割方法分析1988—2010年南京城区的湿地变化情况发现，湿地向非湿地转化；符静[11]等利用洞庭湖区遥感影像分析了三峡库区建成前后洞庭湖区湿地的动态变化情况及其原因；彭凯锋[6]等探讨了武汉城市圈湿地破坏程度及其相应的水体变化特征，并利用Logistic模型进一步揭示了湿地破坏的驱动机制。综上所述，国内外学者对湿地景观演变及其驱动因素进行了一系列研究。

鉴于此，本文利用2000年、2005年、2011年和2016年4个时期的遥感影像，采用目视解译的方法[12]提取了武汉市湿地信息；再结合土地利用动态度、马尔柯夫模型、景观指数和人类活动强度等方法，深入分析了武汉市湿地演变规律，揭示了湿地变化的动态特征；最后结合武汉市气候变化和人类活动情况，分析了武汉市湿地景观变化的驱动因素。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

武汉市地处长江中下游平原、江汉平原以东，位于113°41′～115°05′E、29°58′～31°22′N之间，东西最大横距为134 km，南北最大纵距为155 km，全境面积为8 569.15 km2，占湖北省总面积的4.6%。武汉市属于典型的亚热带季风性湿润气候区，夏季气温高、降水集中，冬季凉爽湿润，年平均气温为15.8～17.5℃，年降水量为1 150～1 450 mm。武汉市地形属于河湖冲积平原，长江及其支流汉江流经此处，河湖众多、河网密布，大江两侧分布众多大小湖泊。武汉市素有“百湖之城”的美誉，拥有丰富的湿地资源。

1.2 数据来源与处理

本文从地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）中获取武汉市2000年、2005年、2011年和2016年成像较好的Landsat TM/OLI遥感影像，为避免云层对研究区的影响以及能更好地分辨地物类型，下载影像时选择云量为零或云量相对较少且时间相近的影像，并选取植物生长茂盛季节的影像数据，以提高影像分类的精度。此外，本文通过中国数据气象网收集了武汉市2000—2016年的气象数据。本文参考《湿地公约》和相关文献[13]，将湿地划分为天然湿地（湖泊、河流和滩地）和人工湿地（库塘和水稻田）两类。

本文利用ENVI 5.1软件对获取的遥感影像进行辐射定标、直方图均衡化、影像镶嵌和研究区裁剪等预处理，以提高目视解译的精度；对TM和OLI数据分别采用4、3、2和5、4、3的波段组合方式增加水体和植被之间的影像信息差异。在解译过程中，根据影像的色调、纹理、几何特征等信息建立遥感影像相关地物的解译标志；采用最大似然法对2000年、2005年、2011年和2016年的影像进行分类处理，实现对武汉市土地利用类型的目视解译，分类精度达到85%以上。以中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）提供的中国土地利用现状遥感监测数据为验证标准，解译精度可达80%以上，满足对武汉市湿地景观研究的需求。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用动态度

土地利用动态度是描述土地资源数量变化程度的常用方法[14]。本文利用该方法构建了研究区土地利用动态度模型，能反映武汉市不同土地利用类型面积的变化幅度与速度。

1.3.2 马尔柯夫模型

马尔柯夫模型通过转移矩阵模拟景观从一种状态向另一种状态转移的动态过程。在这个过程中，一个亚稳定系统在一系列特定的时刻间隔下由时间T的状态转换到时间T+1的状态[15]。该模型的显著优势是无需连续长时间序列数据，且直观性强。因此，本文采用马尔柯夫转移矩阵来描述不同土地利用类型在时间维度上的发展演化过程。

1.3.3 景观指数

景观指数能高度浓缩景观格局信息，反映研究区景观结构组成和空间格局，从而更加准确地分析武汉市湿地景观格局的动态变化情况[16]。本文选用斑块数量、斑块密度、最大斑块指数、蔓延度指数、香农多样性指数、香农均匀度指数和斑块面积百分比指数，利用Fragstats 4.2软件分析了武汉市湿地景观的空间异质性、破碎化程度和斑块复杂程度等特征。

1.3.4 人类活动强度计算方法

人类活动强度计算采用徐勇[17]、徐小任[18]等提出的人类活动强度测算方法，即以人类社会经济活动对陆地表层作用程度最高的土地利用类型——建设用地当量为基本计算单位，计算不同土地利用类型的建设用地当量面积，并计算面积总和，求取人类活动强度。其中，折算系数是基于不同土地利用类型下的自然覆盖是否变化，空气、热量、水和营养物质能否正常交换形成的两个层级8个特征标志和相应的特征值。以此作为计算标准，建设用地当量的最终折算系数表如参考文献[17]、[18]所示。人类活动强度计算公式为：

式中，HAIi为第i个地区的人类活动强度；SCLE-i为第i个地区建设用地当量面积；Si为第i个地区的土地总面积；SLij为第i个地区第j种土地利用类型的面积；CIij为第i个地区第j种土地利用类型的建设用地当量折算系数；n为第i个地区的土地利用类型数量。

综上所述，计算不同区域的人类活动强度，既能反映人类社会经济活动对土地资源的综合影响，又能增强不同地区人类活动强度研究成果的可比性。

2 研究结果与分析

2.1 土地利用状况与变化

2016年武汉市的湿地总面积为2 298.92 km2，占武汉市总面积的26.79%，其中天然湿地面积为1 158.03 km2，人工湿地面积为1 140.89 km2，占比分别为50.37%和49.63%。在天然湿地中，湖泊湿地面积最大，为742.38 km2，占比为64.11%；其次是河流湿地，占比为30.06%。4个时期的武汉市天然湿地面积均占湿地总面积的35.99%以上，湖泊湿地面积均占天然湿地总面积的63.54%以上，如表1所示，表明湖泊湿地在武汉市湿地中占据重要地位。

表1 4个时期武汉市各土地利用类型面积/km2

2000—2011年武汉市天然湿地总面积呈下降趋势，其中湖泊和河流湿地面积减少，滩地湿地面积增加，主要是由于湖泊河流的水量减少，部分区域转化为滩地；人工湿地面积总体呈增加趋势，湿地总面积变化不大。与2000年相比，天然湿地减少了79.47 km2，其中湖泊湿地减少了31.65 km2，河流湿地减少了75.86 km2；人工湿地增加了116.46 km2。2016年湿地总面积达到了4个时期的最大值，湖泊和河流湿地面积分别比2000年增加了231.85 km2和71.99 km2，主要原因在于2016年武汉市降雨量较大，7月第一周降下了全年44%的雨量，武汉市区域自动站65个站降雨量超过200 mm，其中27个站超过250 mm，大量降水导致沉湖出现了洪水漫堤的情况[19]。4个时期的武汉市土地利用情况如图1所示，可以看出，4个时期研究区建设用地面积持续增加，林地面积持续减少，水稻田和旱地面积先增加后减少，整体呈减少趋势。

图1 4个时期武汉市土地利用情况

2.2 土地利用动态度和状态转移矩阵

4个时期研究区的天然湿地面积分别为803.42 km2、730.42 km2、723.95 km2和1 158.03 km2；人工湿地面积分别为1 054.48 km2、1 299.27 km2、1 170.94 km2和1 140.89 km2，如表2所示，可以看出，虽然武汉市的天然湿地面积前期有所减少，但后期快速增加，而人工湿地面积在波动后整体呈增加趋势。2000—2005年天然湿地的整体土地利用动态度为-54.52%，其中滩地的土地利用动态度为4.71%，湖泊和河流的土地利用动态度分别为-15.48%和-130.28%，表明滩地面积增加、部分湖泊与河流转移为其他土地利用类型；2005—2011年天然湿地的整体土地利用动态度为-6.20%，其中湖泊的土地利用动态度为-26.01%，表明大量湖泊转移为其他土地利用类型，同时河流持续减少；2011—2016年天然湿地的整体土地利用动态度为359.76%，湖泊、河流和滩地的土地利用动态度分别为330.15%、442.93%和304.41%，表明该时期天然湿地面积不断增加，主要是由于这一时期武汉市的降雨量偏大，大部分湖泊和河流处于饱和状态。2000—2005年人工湿地的整体土地利用动态度为139.29%，主要源于水稻田和库塘面积的增加；2005—2011年和2011—2016年人工湿地的整体土地利用动态度分别为-69.14%和-15.4%，人工湿地面积整体上呈减少趋势。武汉市各土地利用类型面积转移矩阵如表3所示，可以看出，与2000年相比，2016年天然湿地面积的增加主要是由于武汉市政府的退田还湖政策；人工湿地面积的减少主要原因是大量的水稻田转移为湖泊和建设用地，建设用地大部分由水稻田和旱地转移而来。

表2 武汉市各土地利用类型土地利用动态度/%

表3 2000—2016年武汉市各土地利用类型面积转移矩阵/km2

2.3 各时期研究区湿地的景观格局特征

景观格局指数能在更大的空间尺度上反映区域的整体景观特征，从而更好地分析武汉市景观格局的演变特征。经过计算得到4个时期研究区的景观格局指数如表4所示，可以看出，武汉市的斑块数量和斑块密度持续增加，最大斑块指数和蔓延度指数波动减小，香农多样性指数和香农均匀度指数波动增加，说明随着经济的发展，武汉市的景观破碎化程度不断加剧，反映了人类活动（水库和居民用地的扩张）对武汉市景观格局的显著影响。

表4 4个时期武汉市的景观格局指数

武汉市各土地利用类型的斑块数量、斑块密度、最大斑块指数和斑块面积百分比指数如图2所示，可以看出，2000—2011年湖泊、河流的斑块数量和斑块密度持续减少，2011—2016年有所上升，但整体呈减少趋势，其最大斑块指数波动增加，说明随着经济的发展，人类对湖泊、河流的高度利用，使其面积波动变化，受人类影响显著；滩地的斑块数量和斑块密度持续增加，最大斑块指数波动增加，表明虽然4个时期滩地面积不断增加，但受人类活动影响严重，景观破碎化程度增加；2000—2016年库塘的斑块数量和斑块密度波动增加，最大斑块指数波动增加，表明随着人们对养殖鱼类需求的增加，库塘面积急剧增加，且更加分散，景观破碎化明显；水稻田的斑块数量和斑块密度波动增加，最大斑块指数先增加，2016年又减少，整体呈缩小趋势，说明人类活动对其影响显著。湖泊、河流、滩地和库塘的斑块面积占比在2000—2011年小幅波动，但2016年快速增加，整体呈增加趋势，表明除了人类活动，自然降水对湿地的影响也十分显著，降水量增加，则水域面积增加；水稻田的斑块面积占比波动减少。

图2 4个时期武汉市各土地利用类型的斑块属性

2.4 驱动因素

2.4.1 气候因素

气候条件对湿地景观的影响主要表现在气温和降水两个方面。由图3可知，相较于2000年，2005年武汉市的年均气温升高而年均降水量减少，导致2005年的湖泊和河流湿地面积减少，天然湿地面积减少；虽然2011年武汉市年均气温是研究时段内的最低值，但其降水量在1 000 mm以下，且2005—2011年武汉市的年均降水量相对较低，导致武汉市湖泊和河流湿地面积继续减少；2016年武汉市遭遇强降水，年均降水量达到研究时段内的最高值，同时年均气温下降，使得武汉市湖泊和河流湿地面积增加，天然湿地面积显著增加。由2000—2016年武汉市气温和降水数据可知（图3～5），武汉市的年均气温呈逐年下降趋势，而年均降水量呈逐年上升趋势；较低的气温减少了地面蒸发，而较高的降水量增加了该地区的蓄水量，导致武汉市的气候趋于寒冷潮湿，在自然因素的影响下，武汉市的湿地面积呈增加趋势；同时，湿地面积的增加促进了温度的下降，由于湿地调节温度的“冷湿效应”增强，温度下降与湿地面积增加的效果相互促进。因此，气候的冷湿趋势是武汉市湿地景观格局发生变化的主要原因之一。

图3 2000—2016年武汉市年均降水量和年均气温

2.4.2 人类活动

人类活动强度用于表示人类经济社会活动对一定地域自然综合体的作用和影响程度[17]。本文选取建设用地作为人类活动强度计算的主要因素，2016年武汉市建设用地面积占武汉市总面积的16.75%，其中武汉市中心城区建设用地面积占比最大，为5.12%。通过计算得到武汉市4个时期的建设用地当量面积和人类活动强度，如图6所示，可以看出，2000—2016年武汉市建设用地当量面积逐渐增加，由1 690.32 km2增加到2 543.83 km2，17 a间年均增长量为50.21 km2，以2011年为界，前期年均增长量为30.02 km2，后期为82.21 km2；2000年人类活动强度为19.74%，2016年人类活动强度为29.69%，17 a间增长了9.95个百分点，前期年均增长幅度为0.35个百分点，后期为0.96个百分点；武汉市建设用地当量面积和人类活动强度在前期增长相对缓慢，但由于人们的保护意识相对薄弱，对湿地资源进行开发利用，2000—2011年天然湿地面积逐渐减少，湖泊湿地面积减少了31.65 km2，河流湿地面积减少了75.86 km2，而人工湿地面积整体呈增加趋势；2011年以后建设用地当量面积和人类活动强度增长速度加快，但2011年武汉市自然资源和规划局制定了《武汉市总体规划2010—2020年》和《武汉市土地利用总体规划》，保护和修复了武汉市独特的湿地资源，武汉市湿地得到恢复，天然湿地面积增加。

图4 2000—2016年武汉市年均降水量和趋势线

图5 2000—2016年武汉市年均气温和趋势线

图6 2000—2016年武汉市建设用地当量面积和人类活动强度变化

武汉市各时期各地区建设用地人为干扰度如表5所示，可以看出，武汉市各地区单元人类活动强度变化差异显著，中心城区和东西湖区增长幅度较大，与2000年相比，2016年的增长幅度分别达到14.31%和19.62%，其他地区相对较小，但总体增长幅度较大；2000—2011年由于人类活动影响，中心城区湖泊湿地面积由76.95 km2减少至60.45 km2，河流湿地面积由97.47 km2减少至80.51 km2，人工湿地面积增加；2011年以后武汉市在开发利用的过程中注重湿地资源保护和修复，中心城区湖泊和河流湿地面积增加，增幅最小的新洲区，也达到了5.46%，其余地区增幅均超过了9.14%。各地区单元之间人类活动强度差异明显，总体差异呈上升趋势。武汉市各地区人类活动强度不断增大，说明由于经济的发展和人口的不断增加，武汉市各地区受人类活动的影响较大。

表5 武汉市各时期各地区建设用地人为干扰度/%

3 结语

1）武汉市4个时期天然湿地面积先减后增，2000—2011年武汉市天然湿地面积减少，其中湖泊湿地面积由510.53 km2减少至478.88 km2，河流湿地面积由276.14 km2减少至200.28 km2，滩地湿地面积不断增加；2011—2016年天然湿地面积增加至1 158.03 km2，湖泊湿地和河流湿地分别增加了263.5 km2和147.85 km2，滩地湿地面积由2000年的16.75 km2增加至2016年的67.52 km2；人工湿地面积先增后减，其中库塘湿地面积持续增加，由2000年的69.37 km2增加至2016年的212.76 km2，水稻田湿地面积波动变化，整体上面积减少。

2）随着城市的发展和用地面积的增加，武汉市的斑块数量显著增加，景观破碎化程度加剧；最大斑块指数在2005年达到峰值，随后不断减少，武汉市的优势斑块数量减少；香农均匀度指数波动增加，武汉市整体景观类型向多样化发展。天然湿地景观破碎度先增后减，土地利用不规则化明显，库塘湿地面积急剧增加，分散化明显，景观破碎化加剧。

3）武汉市气候条件变冷趋湿，湿地“冷湿效应”增强，为湿地保护和修复增加了强有力的自然因素。建设用地当量面积逐年增加，2011—2016年增加幅度最大，2016年达到2 543.83 km2，同时，人类活动强度也大幅增加，年均增长幅度为0.59个百分点；武汉市中心城区和东西湖区人类活动强度增幅最大，各地区单元人类活动差异明显，但人类活动强度均在增加，武汉市的经济增长、人口增加导致用地扩张、人类活动影响增大。湿地是城市的重要自然资源，武汉市应制定湿地保护与恢复规划，构建武汉市湿地发展的生态保护圈，充分利用湿地资源。