扎龙湿地景观动态研究与生态安全评价*

何文嘉，张玉红

（哈尔滨师范大学黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室）

0 引言

人类社会的可持续发展，受到生态环境的影响，生态环境系统的健康与完整情况可以根据生态安全程度来反映.区域的生态安全正是区域生态环境系统安全，生态环境系统的服务功能反映了生态系统的安全程度［1］.湿地有＂地球之肾＂的美誉，是生态环境进化的重要生态系统.维持湿地生态安全的重要特性是生态过程具有连续性、功能具有完整性、结构具有稳定性.只有足够的湿地面积、多样化的湿地类型、丰富的物种、较少的人为干扰等安全的基础才能使得湿地的功能发挥出来［2］.然而，随着工业化的发展、人类的干扰活动，使得湿地的各个方面受着不同程度的干扰，湿地的生态安全受到威胁.

景观的生态安全程度是景观内不同景观类型之间不断作用变化的结果，生态系统的安全程度在不断变化着，湿地保护和合理利用的好坏不仅关系到中国国土的生态安全，对全球的自然资源和生态保护都会产生很大的影响，而生态安全评价可以提前对生态安全情况进行预警.研究生态安全主要是对某一区域的生态安全的定量或定性的描述，主要有层次分析法、景观格局指数法等，但是利用模型评价生态安全是使用最多的，如PSR模型、灰色预测模型、BP 神经网络模型等.朱卫红等人基于PSR 模型构建图们江流域湿地的生态安全评价指标体系，并对生态安全进行预测［3］.赵杨秋等人基于BP 神经网络对工业的生态安全进行动态评价并分析障碍因子［4］.何刚等人将Lotka－Volterra 共生概念引入生态安全评价中，预测了安徽省各个城市的生态安全，并借助BP－DEMATEL模型研究了生态安全影响因素及其内在作用关系［5］.

扎龙湿地具有重要的生态价值，是中国北方同纬度地区中保留最完整、最原始的湿地生态系统，然而由于气候的变化、人类活动和各种污染等因素，湿地的生态功能受到影响，对湿地进行生态安全评价就显得尤为重要.该文正是通过景观格局指数法来构建生态安全模型，定量评价扎龙湿地的生态安全.景观格局是指在人为因素或自然因素影响下所形成的景观镶嵌体在空间内的排列，它可以表现景观的异质性，也是各种生态过程所作用的结果［6］.景观格局与生态过程息息相关，可以准确地表示出各种生态影响的空间分布及其变化特征［7］，分析景观格局的生态安全有助于提高对自然与人为干扰影响生态安全过程的认识，因此，该文利用遥感影像，对扎龙湿地近40 年间的景观动态变化进行分析，并利用景观格局指数对湿地的生态安全情况进行定量评价，为湿地提供科学的管理依据.

1 数据获取与处理

1.1 研究区概况

扎龙湿地（东经123°47′ ～124°37′，北纬46°52′～47°32′）位于黑龙江省松嫩平原西部（如图1 所示），核心区位置为黑龙江省齐齐哈尔市东南约30 km处的扎龙乡，属于典型的低位沼泽湿地.保护区由乌裕尔河下游流域一大片永久性季节性淡水沼泽地组成，湿地的周围是草地、农田和人工鱼塘.鹤类是主要保护对象，全世界有15 种鹤类，中国有9 种，扎龙就分布了6 种［8］.扎龙湿地属于温带大陆季风性气候，夏季炎热热多雨，冬季寒冷漫长［8］.降水量相对较少、降雨年际、年内变化均较大［9］.植被主要以草甸草原、草甸、沼泽和水生植被4 大类型为主，是中国北方同纬度地区中保留最完整、最原始的湿地生态系统.

图1 扎龙湿地位置示意图

1.2 数据获取与处理

研究采用的数据是1981、1990、2000、2010、2020 年的Landsat 系列数据，在数据筛选时，选取云量小于10%且没有噪声的影像；数据获取时间上，选择5 月末到9 月初植物生长季的数据，见表1.在这期间植被长势相对稳定，在进行比较时具有可比性.在ENVI5.3 中进行预处理之后，根据研究区的矢量边界裁剪遥感影像，得到扎龙湿地遥感影像图.

表1 扎龙湿地影像数据列表

对预处理后的遥感影像进行监督分类，参照“国家资源与环境遥感宏观调查与动态研究”土地分类系统，结合扎龙湿地的研究现状及实际情况，将扎龙湿地的土地覆盖类型分为7 类［9］.以突出湿生景观和旱生景观为目的，将7 种土地覆盖类型合并为4 种景观类型，分别为明水、有地表水湿地、无地表水湿地、旱地4 大类.将1981、1990、2000、2020、2020 年五期影像的分类数据作为基础数据，进行后期的分析操作.

2 研究方法

2.1 景观格局分析

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标［10］.总体上分为斑块水平指数、斑块类型水平指数以及景观尺度指数［11－12］.在分类数据的基础上，利用景观格局指数，从斑块类型和景观两种尺度上进行景观格局的分析.该文的目的在于把握景观的破碎化程度和景观的多样性，所以利用斑块个数、最大斑块指数、分离度指数、香农多样性等指数，分析景观的破碎化程度和和景观的丰富度.

2.2 景观生态安全分析

该文通过景观格局指数来构建评价模型，定量评价扎龙湿地的生态安全程度.从景观格局入手研究研究区域生态安全水平，常用的指标有景观优势度、损失度、干扰度以及分离度指数等不同指标［13－14］.考虑研究区的特点，结合景观格局分析在景观破碎后程度和景观丰富度两大方面的结果，选取景观干扰度、景观损失度、景观脆弱度作为衡量不同景观类型受干扰的程度，通过这些指标来进行评价模型的构建［6］，选取2 ×2 km为评价单元，评价扎龙湿地近40 年的生态安全情况.

（1）景观损失度指数Ri

受干扰之后的景观类型可以用景观损失度描述，主要是通过景观干扰度脆弱度来反映，其公式为：

式中，ESi为景观类型安全度，ES为景观安全度，n为景观类型个数.

3 研究结果与分析

3.1 湿地景观格局分析

景观生态安全度与景观内各景观类型的面积有关，公式如下：

3.1.1 湿地景观类型的面积变化

扎龙湿地1981 ～2020年景观面积变化如表2、图2所示.在研究时段的40多年间明水面积有所减少，从6.76%减少至5.01%；旱地面积有所增加，有地表水湿地和无地表水湿地的面积都有所减少，所占比例分别由35.14%、28.23%减至23.18%和23.75%.

图2 扎龙湿地1981 ～2020 年景观面积（km2）

计算1981 ～ 2000、2000 ～ 2020、2000 ～2020 年扎龙湿地景观类型的变化面积和变化比例，结果见表2.

表2 扎龙湿地景观类型的变化面积及比例 km2

由表2 显示，1981 ～2000 年扎龙湿地的无地表水湿地和旱地的面积有所增加，所增加的面积分别为21.53 和273.17km2，对应的变化比例分别为3.39%和40.66%；明水和有地表水湿地面积有所减少，减少的面积分别为32. 41 和265.72 km2，对应的变化比例分别为－21.33%和－33.62%.2000 ～2020 年，明水面积减少了6.97 km2，变化比例为－5.83%；旱地面积增加了135.75 km2，变化比例为14.36%；有地表水湿地和无地表水湿地面积均有所减少，减少的面积分别为3.47 和122.47 km2，对应的变化比例分别为－0.66%和－18.66%.从1981 ～2020 年来看，明水、有地表水湿地、无地表水湿地的面积均有所减少，减少的面积分别为39.38、269.19、100.94 km2，对应的变化比例分别为－25.92%、－34.06%、－15.90%；旱地的面积有所增加，增加了408.92 km2，变化比例为60.86%.

3.1.2 湿地景观类型的转移分析由表3 ～6得：1981 ～2000年共有1169.20 km2的景观面积未发生变化，其中旱地居于首位，为576.12 km2，占总未发生变化的49.27%.扎龙湿地明水的转出面积为88.69 km2，转入面积为56.38 km2，转出面积大于转入面积，主要转为了旱地.有地表水湿地的转出面积为501.11 km2，转入面积为235.97 km2；无地表水湿地和旱地的转入面积均大于转出面积，无地表水湿地的转出面积为392.65 km2，转入面积为415.15 km2，旱地的转出面积为92.04 km2，转入面积为367.99 km2.

表3 1981 ～2000 年扎龙湿地景观类型面积转移矩阵 km2

2000 ～2020 年间，共有的1324.03 km2的景观面积未发生变化，旱地未发生变化的面积最多，占未发生变化的58.51%.明水的转入面积为47.93 km2，转出面积为56.65 km2；有地表水湿地的转入面积为275. 44 km2，转出面积为278.96 km2，转入面积小于转出面积；无地表水湿地的转出面积大于转入面积，主要转为了有地表水湿地和旱地；旱地的转入面积大于转出面积，主要由无地表水湿地转入.

1981 ～2020 年，共有1061.24 km2的景观面积未发生改变，旱地仍占最多，为49.27%；除旱地的转入面积大于转出面积外，其余景观均是转入面积小于转出面积；明水主要由有地表水转入，大部分明水转为了旱地；大面积的有地表水湿地转为了无地表水湿地和旱地，大部分无地表水湿地转为了有地表水湿地和旱地；旱地主要由有地表水湿地和无地表水湿地转入.从景观的转换上来看，湿生景观在逐渐退化，旱生景观有逐年上升的趋势.

表4 2000 ～2020 年扎龙湿地景观类型面积转移矩阵 km2

表5 1981 ～2020 年扎龙湿地景观类型面积转移矩阵 km2

表6 各景观类型转入、转出面积 km2

3.2 湿地景观空间格局分析

3.2.1 景观破碎化分析

最大斑块指数、斑块个数和景观分离度指数的综合分析，可以反映景观的破碎化程度［17］.图3 是通过移动窗格法计算得到的三种指数分布图.扎龙湿地1981 ～2020 年景观破碎化分布如图3 所示.最大斑块指数LPI 和斑块个数NP 在呈现出相反的趋势，呈负相关.景观分离度指数DIVISION与斑块个数NP的分布趋势相近，并且更能体现出扎龙湿地的景观破碎程度.扎龙湿地在1981－2000 年间，LPI指数逐渐减小，NP指数增加，景观破碎化程度明显.但在2010 年，LPI指数相对上升，说明景观破碎化的程度相对减弱.从1981 ～2020 年整体来看，LPI指数有先减小后增加的趋势，NP指数有先增加后减小的趋势，说明在这40 年间，扎龙湿地景观在逐步破碎化之后有趋向整合的趋势.

图3 扎龙湿地1981 ～2020 年景观破碎化空间分布图

3.2.2 景观多样性分析

从扎龙湿地1981 ～2020 年景观尺度的指数变化（见表7）情况可以看出，斑块的结合度指数COHESION 在1981 ～2010 年逐渐增大，到了2020 年又略有所下降，反映出景观的连接度先增加后下降的趋势，但总体来看，景观的连接度几乎没变.香农多样性指数SHDI 和香农均匀度指数SHEI可以反映景观中景观类型的丰富程度以及景观组成的均匀度，1981 ～2020 年间，香农多样性指数逐渐下降，下降了0.09，表明研究区内景观类型不断减少；同时，香农均匀度指数也呈现逐年下降的趋势，表面区域内总体景观分布的不均衡状态.

表7 扎龙湿地1981 ～2020 年景观类型尺度指数变化

3.2.3 景观类型指数分析

根据景观类型指数折线图，由图4 可知，斑块个数在反映景观异质性的同时，也与景观的破碎度有一定的关系，斑块个数数值的大小与景观的破碎度呈正相关.有地表水湿地和无地表水的斑块个数比其他景观类型高，说明有地表水湿地和无地表水湿地的景观破碎度较高.旱地所占的斑块面积最大，而斑块数量不是最大，说明其组成斑块较大且其中存在着大量的优势斑块，即存在着面积较大的完整旱地.有地表水湿地的平均斑块大小有先减小后增大的趋势，说明在这40 年间，有地表水湿地的斑块在不断变小的同时又有增大的趋势.明水的散布并列指数有有所增加，表明与其接壤的景观类型丰富度有所增加，相邻的景观类型有增大的趋势.

图4 扎龙湿地1981 ～2020 年景观类型指数图

3.3 景观生态安全分析

通过对景观格局指数的计算和分析，发现扎龙湿地近40 年来景观的破碎化程度增加，景观多样性有逐步减少的趋势，造成了生态系统的损失度增大，干扰性增加，脆弱程度增大，导致生态安全收到威胁，因此，有必要从这几个方面对湿地的生态安全进行评价.划分评价单元后，依据指数的计算将单元中心点赋值，利用ArcGIS 插值得到研究区内整体的生态安全分布情况，再用自然断点法将研究区的生态安全分为5 个等级，由低到高递减，1 级为高生态安全，2 级为较高生态安全，3 级为中等生态安全，4 级为较低生态安全，5 级为低生态安全.最终得到1981 ～2020 年扎龙湿地的生态安全分布图，如图5 所示.

图5 扎龙湿地1981 ～2020 年生态安全水平分布图

通过分析1981 ～2020 年扎龙湿地的生态安全分布图可以看出，高生态安全区和较高生态安全区分布在靠中部的位置，低生态安全区一般零星分布在研究区的外围.从景观生态安全的整体分布来看，扎龙湿地中部地区的生态安全程度要高于北部和南部地区.

由表8 可知，1981 ～2020 年间，高生态安全区域和较高生态安全区域的面积呈现逐年下降的趋势；相反，低生态安全区域和较低生态安全区域呈现出逐年上升的趋势，其中，较低生态安全区域的面积增长最为明显，面积比重有逐渐上升的趋势.在湿地管理方面，应努力保持中部地区的生态安全状况不变，即高生态安全和较高生态安全区域的面积在不变的基础上逐渐提高；应大力加强湿地外围区域的较低和低生态安全区域的保护工作.

表8 扎龙湿地1981 ～2020 年生态安全等级面积 km2

4 结论

该文以扎龙湿地为研究对象，基于1981、1990、2000、2020、2020 年五期遥感影像，在分析景观动态变化的基础上，采用景观生态安全评价模型，对扎龙湿地的景观生态安全进行定量评价，得出近40 年扎龙湿地的生态安全情况.主要研究结论如下.

（1）1981 ～2020 年间，明水、有地表水湿地和无地表水湿地的面积有所减少，旱地的面积呈增加的趋势.有地表水湿地减少的最多，研究期内共减少269.19 km2，减幅为34.06%.在景观类型的面积转出中，转出的面积由多到少分别为有地表水湿地、无地表水湿地、旱地和明水；在景观类型的面积转入中，转入面积由多到少为旱地、无地表水湿地、有地表水湿地和明水.

（2）湿地景观在逐步破碎化后有趋于整合的趋势；香农多样性指数及香农均匀度指数不断减少，表明研究区内景观多样性不断减小，景观分布趋于不均衡分布的状态.

（3）从扎龙湿地1981 ～2020 年的生态安全分布来看，研究区中部地区的安全程度要远远大于其北部和南部地区；1981 ～2020 年，高生态安全区域占比由21.64%降至14.86%，较高生态安全区域占比由22.95%降至17.85%，中等生态安全区域占比几乎不变，较低生态安全区域占比由22.84%增至30.77%，低生态安全区域占比由7.49%增至10.07%.研究区内的生态安全有逐步降低的趋势.

对景观格局的演变结果进行准确的定位和把握，在此基础上定量分析扎龙湿地的生态安全特征，可为研究区的湿地资源开发和管理提供有用的信息，为人类的活动干扰提供预警，为湿地的科学管护提供依据.