黄河流域湿地分布格局的变化分析

2022-04-21彭杨靖林乐乐

湿地科学与管理 2022年2期

彭杨靖张宇林乐乐金崑

(1 中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所，北京 100091；2 中国林业科学研究院自然保护地研究所，北京 100091；3 生物多样性保护国家林业和草原局重点实验室，北京 100091)

黄河流域是我国第二大流域，是中国重要的生态屏障密集区，也是中国经济社会发展和生态环境保护问题比较突出的典型区域。为解决黄河流域面临的保护与发展的结构性矛盾，2019年黄河流域生态保护与高质量发展上升为国家战略(武占云等, 2021)。湿地是动植物重要的栖息地，与人类的生存发展息息相关，黄河流域拥有丰富的湿地资源，对于该地区的生态环境平衡、物种的多样性保护以及社会经济发展等具有重要作用。过去30 a，在气候变化、城市化建设以及国家退耕还林还草政策等因素的影响下，黄河流域部分地区的土地覆盖状况发生了转变(黄金亭等, 2020)，了解黄河流域湿地资源的时空分布以及动态变化，将有助于湿地资源的保护与可持续利用。

景观格局是形状、大小各异的景观斑块在空间上的排列(伍业钢等, 1992)，可反映景观分布受环境要素和干扰状况综合控制的特征，是各种生态过程在不同尺度上综合作用的结果(陈利顶等, 2014)。景观元素的数量、种类、形状及分布特征具有重要的生态学意义，景观格局变化的定量分析有利于景观规划与管理、资源有效利用和环境保护(张秋菊等, 2003)。湿地景观格局动态的定量分析有助于把握区域湿地资源特征，为有效开展湿地规划、保护及管理等工作提供基础(王瑞山等, 2000; 龚明昊等, 2020)。

目前，国内外常用的景观分布格局分析方法主要包括定性描述、景观生态叠置和景观格局数量分析等(张敏等, 2016)，近年来对黄河流域的景观格局研究主要集中在对其土地覆被进行动态制图(Ji et al, 2021)，研究土地利用格局演变及驱动力(张佰发等, 2020; 付含培等, 2021; 廖慧等, 2021; Sun et al, 2021)，分析景观破碎化及其成因(梁加乐等, 2022)，评价基于景观格局变化的生态风险或生态系统服务价值(Zhang et al, 2021; 刘希朝等, 2021; 孙梦华等, 2021)，分析黄河流域河源区的土地利用变化及其影响等(陈琼等, 2020)。但对黄河流域长时间尺度的湿地分布格局变化研究较少，无法详尽得知近几十年来黄河流域的湿地分布格局变化特征。本文利用2000年、2010年和2020年3期基于遥感影像的土地覆被数据提取黄河流域的湿地分布，运用空间分析、土地覆被类型转移矩阵和景观格局指数方法分析黄河流域近20 a的景观格局变化特征，有利于进一步了解和保护黄河流域的湿地资源。

1 研究区概况

黄河流域(32°6′～41°48′ N，95°50′～119°6′ E)横跨中国东部、中部和西部，地跨青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南及山东9个省(图1)，涉及76个地区(州、盟、市)，包含青藏高原、内蒙古高原、黄土高原、华北平原、山东丘陵等多种地形(张佰发等, 2020)。黄河流域的流域面积约79.46万km2，海拔范围为0～6 255 m(付含培等, 2021)。黄河流域西部为大陆性干旱气候，中部为季风性半干旱气候，东部属海洋性半湿润气候，年均温9℃，大部分地区年降水量200～650 mm。

图1 研究区域位置示意图Fig.1 location of the study area

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

黄河流域范围边界参考“水利部黄河水利委员会”官网(http://www.yrcc.gov.cn/)所公布的黄河水系水资源图。本研究基于自然资源部发布的30 m全球地表覆盖数据集GlobeLand 30绘制黄河流域湿地分布图(Chen et al, 2014)，该数据研制所使用的分类影像主要是30 m多光谱影像，包括美国陆地资源卫星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光谱影像和中国环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像，2020版数据还使用了16 m分辨率高分一号(GF-1)多光谱影像。该数据共包括10个一级类型，分别是耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪。

在ArcGIS 10.2软件中对数据集进行拼接和裁剪得到黄河流域的土地覆被图。根据目前国际上公认的《湿地公约》对湿地的定义：湿地指不论其为天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带、静止或流动、淡水、半咸水、咸水体，包括低潮时水深不超过6 m的水域。该数据集分类系统中的湿地和水体均属于湿地的范畴，因此将其合并为一种类型进行提取并用于后续的分析研究。

2.2 研究方法

2.2.1 空间分析利用ArcGIS 10.2软件中的空间分析工具，提取黄河流域的土地覆被分布，识别2000年、2010年和2020年的湿地变化及其空间分布，并对各类土地覆被及其之间的转化面积进行计算。

2.2.2 土地覆被类型转移矩阵土地覆被类型转移矩阵是将土地覆被变化转移面积以矩阵的形式进行表达，作为结构分析和变化方向分析的基础，能够具体刻画出土地利用的结构特征和用地功能类型变化(杨清可等, 2018)。转移矩阵为：

式中：Snn为面积；n为土地覆被的类型数；t、t′分别为研究初期与末期的土地覆被类型。

本文使用ArcGIS 10.2软件的栅格计算器功能对2000年、2010年和2020年的土地覆被类型数据进行交叉分析，建立2000—2010年和2010—2020年两个时期的土地覆被类型转移矩阵，为使分析结果能更直观显示，利用桑基图可视化湿地转移矩阵。

2.2.3 景观格局指数景观格局指数可以定量描述景观结构特征随时间的变化过程，能够高度而准确地反映景观格局的相关信息(Mitsch et al, 2007)。本文基于Fragstats软件(McGarigal et al, 2012)在类型尺度上分别计算黄河流域2000年、2010年和2020年的湿地景观格局指数。根据不同景观指数表述的生态学含义，选取斑块所占景观面积比例(Percentage of Landscape,PLAND)、斑块数量(Number of Patches,NP)、斑块密度(Patch Density,PD)、斑块平均面积(Mean Patch,AREA_MN)、最大斑块占景观面积比例(Largest Patch Index,LPI)、景观形状指数(Landscape Shape Index,LSI)、聚集指数(Aggregation Index,AI)、分离度指数(Splitting Index,SPLIT)表示黄河流域的湿地空间布局特征。

3 结果与分析

3.1 黄河流域湿地分布格局时空演变分析

从黄河流域2000年、2010年和2020年土地覆被类型分析可知(图2)，黄河流域整体土地覆被类型以草地为主，其次是耕地和林地，整个黄河流域的土地覆被结构在2000—2020年间未发生明显变化。

黄河流域湿地面积比例较小，2000年、2010年和2020年湿地占黄河流域面积的比例分别为1.63%、1.73%和1.85%，近20 a湿地面积增加了约0.22%，湿地呈缓慢增长趋势。

对黄河流域2000—2010年、2010—2020年湿地增加以及减少的区域进行分析可知，黄河流域湿地增加的区域主要由西南部湿地周边的草地，以及北部和东南部黄河沿岸的耕地转变而来。近20 a，陕西韩城市有少量湿地转化为草地和耕地；青海省玛多县和共和县，内蒙古自治区的磴口县、杭锦旗和包头市有少量湿地转化为草地；内蒙古阿拉善左旗、杭锦旗，宁夏自治区的银川市、贺兰县和平罗县，山西永济市、平陆县，河南封丘县等有少量湿地转化为耕地。

3.2 黄河流域湿地覆被转移矩阵分析

在ArcGIS 10.2中通过空间叠加和栅格计算得到黄河流域2000—2010年、2010—2020年的土地覆被类型转移矩阵表(表1、表2)，各类土地覆被类型产生转移的面积都较少，大多数土地覆被在近20 a未发生明显变化，2000—2010年土地覆被类型变化的面积稍高于2010—2020年的土地覆被类型变化，分别为88 023.87 km2和80 555.34 km2。在土地覆被类型变化的斑块中，草地面积变化最多，其次是耕地和林地。湿地面积变化较少，其中2000—2010年高于2010—2020年的变化量，分别为2 725.14 km2和1 712.60 km2，占同时期土地覆被变化总面积的3.10%和2.13%。

表1 2000—2010年土地覆被类型转移矩阵Table 1 land cover type transfer matrix from 2000 to 2010 km2

表2 2010—2020年土地覆被类型转移矩阵 Table 2 land cover type transfer matrix from 2010 to 2020 km2

为使湿地类型土地覆被转移结果更直观，绘制桑基图示意黄河流域的湿地覆被转移，包括湿地类型转化为其他土地覆被类型和其他土地覆被类型转化为湿地(图3)。由图3可知，2000—2010年、2010—2020年湿地覆被转移中，耕地和草地主要转化为湿地，也是湿地转出的主要类型，且转入转出的比例相近，草地转化为湿地稍多于耕地，而湿地转变为耕地稍多于草地，其他类型与湿地的相互转移量远少于耕地和草地。

图3 黄河流域2000—2020年湿地覆被转移示意图Fig.3 schematic diagram of wetland cover transfer in the Yellow river Basin from 2000 to 2020

3.3 黄河流域湿地景观格局指数分析

使用Fragstats软件分别计算了黄河流域2000年、2010年和2020年的湿地景观指数(表3)。景观破碎化导致斑块面积减少以及斑块数量增加，2000—2020年，黄河流域湿地景观斑块所占景观面积比例(PLAND)呈增加趋势，斑块数量(NP)和斑块密度(PD)呈减小趋势，斑块平均面积(AREA_MN)和最大斑块占景观面积比例(LPI)呈增加趋势，说明黄河流域的湿地分布从2000年至2020年其破碎化程度有所降低。2000—2020年，聚集指数(AI)均较高，且呈上升趋势，分离度指数(SPLIT)显著降低，因此黄河流域的湿地分布较为聚集并且在近20 a聚集程度呈增加趋势。景观形状指数(LSI)的结果可反映斑块形状的复杂程度，其值越大，表明斑块形状越复杂，受到的干扰越小，2000—2010年黄河流域湿地的景观形状指数显著降低，2010—2020年稍有增加，该结果显示黄河流域湿地2000—2010年受到的干扰增加，2010—2020年受到的干扰呈减少趋势。

表3 黄河流域2000年、2010年、2020年湿地景观格局指数Table 3 Wetland landscape pattern index in the Yellow river basin in 2000, 2010 and 2020

综上可知，黄河流域的湿地分布较为聚集，2000—2020年湿地分布的聚集程度进一步增加且破碎化程度有所降低，湿地斑块所受干扰增加。2010—2020年，湿地斑块所受干扰呈减少趋势。

4 讨论

黄河流域的湿地主要分布在黄河流域的西部，该区域以草地和湿地为主，而中部和东部湿地面积较小，具有较大面积的耕地和人造地表，湿地分布整体呈现出西多东少的特征，这与黄河流域城市群经济空间格局的“西冷东热”特征具有明显的一致性(Wang et al，2021)。这种特征决定了黄河流域上游和中下游区域在功能上的差别，上游区域的青海、甘肃、宁夏、内蒙古承担着黄河流域主要的生态保护功能；中下游的陕西、山西、山东、河南承担着最主要的经济发展和粮食生产功能(张佰发等, 2020)，根据不同区域的特征进行统筹规划和发展才能保障黄河流域所承担的国家粮食安全和生态安全的重任。

研究发现，与湿地间进行相互转化面积最多的覆被类型是草地和耕地，湿地增加的区域主要由分布在黄河流域西部的草地以及北部和东南部黄河沿岸的耕地转化而来；湿地减少的区域主要由分布在黄河流域北部和东南部的少量湿地转化为耕地和草地。随着人口规模的增加和经济的发展，城乡建设用地的扩张大多以牺牲耕地为代价，而耕地的需求以牺牲部分湿地和草地为代价，黄河流域的湿地保护不只关系到湿地生态系统，也与周边的草地和耕地的保护与利用方式密切相关。黄河流域的草地生态系统本身非常脆弱，耕地是转化为人造地表最主要的土地覆被类型，而近20 a草地和耕地面积有较明显的下降，优化黄河流域景观格局结构，提高对湿地周边草地与耕地的关注，并开展“山水林田湖草”整体保护规划，有利于黄河流域湿地资源的保护。

当前，许多国家采取了面积不减少的湿地保护目标来遏制湿地的丧失趋势，我国的各项湿地恢复项目对黄河流域的湿地保护与恢复做出了巨大贡献。根据本研究的分析结果，黄河流域的湿地面积呈缓慢增加趋势，其他的相关研究显示出黄河流域自实施退耕还林和生态修复等工程以来，流域的植被覆盖空间格局整体向好(付含培等, 2021; 张乐艺等, 2021)，但相关研究认为，当前湿地总面积的增加不能反映出不同湿地类别之间的变化，其隐藏了最脆弱的湿地类型(如沼泽)的减少，并忽略了湿地组成和相应的生态功能变化以及这些变化所产生的影响(Xu, 2019)。因此，黄河流域湿地总面积的增加并不意味着其湿地质量的改善，仅保持了湿地面积不损失，今后还需更加关注湿地质量和生态系统功能的提升，以及不同湿地类型间的转化和影响。