近20 年来海口市湿地景观生态安全格局变化及其成因分析

杨烜涵 付 晖 程恩起 秦煜姬

（海南大学林学院，海南 海口 570228）

随着湿地保护、恢复和管理等工作的推进，湿地生态安全格局评价逐渐成为湿地研究的热点，而评价模型的构建是湿地生态系统研究的重要环节。景观生态安全格局的研究对象多着眼于整个湿地生态系统（何建华等,2020;雷金睿等,2020b），少数学者研究了湖泊（陈昆仑等,2019）、河流（潘竟虎等,2015）、沼泽（刘吉平等,2009）等湿地。在空间尺度层面，大尺度湿地长时序动态变化检测通常采用MODIS/NOAA/FY 等低空间高时间分辨率遥感数据，如鄱阳湖流域（谷娟等,2018）、洞庭湖流域（张猛等,2017）；在中尺度湿地长时序动态变化检测通常采用Landsat/HJ/CEBERS/哨兵等中空间分辨率遥感数据，如白洋淀湿地（朱金峰等,2020）；在小尺度湿地研究中通常采用SPOT/IKONOS/QB 等高空间分辨率遥感数据，如江苏盐城滨海湿地（任武阳等,2019）。在评价模型选取方面，多运用压力—状态—响应模型（PSR）（雷金睿等,2020a;廖柳文等,2016;徐浩田等,2017）、最小累积阻力模型（MCR）（房媛,2011;潘竟虎等,2015）、利用景观格局指数构建生态安全格局模型等（陈昆仑等,2019）。

不少学者以海南省红树林湿地为研究对象（曾祥云,2015;孙永光等,2013），且多集中于东寨港地区（孙永光等,2013;李儒等,2017）；此外，还有学者对海南岛湿地（雷金睿等,2020a;雷金睿等,2020b）、海口市湿地公园（雷金睿等,2019）、海口市羊山地区乡村聚落林地湿地（陈楚琳等,2020）、南丽湖湿地（李云哲等,2018）、儋州湾海岸带（薛永倩等,2018）进行研究。综上，针对海口市湿地景观生态安全格局的研究较少，因此，在全面系统地认识海口湿地系统演化过程的基础上，研究海口市湿地生态安全格局演变，为优化湿地景观生态安全格局提供科学依据，为其它地区制定湿地管理政策提供借鉴。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

海口市(110°08′—110°43′E，19°32′—20°06′N)地处海南岛北部，总面积3 119 km2，其中陆域面积2 289 km2。地势平缓，气候温暖湿润，雨量充沛，年日照时间长，辐射能量大。根据全国第二次湿地资源调查结果显示，海口市分布有近海与海岸湿地、河流湿地、湖泊湿地、人工湿地4 类17型的湿地类型，无沼泽湿地。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 数据来源数据来自Landsat 影像（2000、2010、2018 年）、SPOT 影像（全色2.5 m 与多光谱10 m 融合，2010）、谷歌历史影像（2000、2010、2018年），其中，Landsat影像选取区域时考虑云量低、气象状况良好、时间统一（6—7 月）（http://www.gscloud.cn/）。海口市土地利用现状图（2013 年）、海口市地形图和自然、社会经济相关数据资料。

1.2.2 数据处理利用ENVI 软件对Landsat 影像进行数据预处理，并使用监督分类方法提取海口市不同时期的土地覆被数据。针对海口市海岸滩涂以上陆域边界范围内的湿地，将海口市湿地划分为自然湿地（红树林、河流、潟湖、湖泊）和人工湿地（水库、坑塘、水产养殖场）2 个类型，并提取面积大于1 hm2、河床宽度大于10 m 的河流作为研究对象。结合谷歌历史影像和实地调研对分类结果进行修正，得出三期湿地类型分布图（图1）。

图1 2000 年、2010 年和2018 年海口市湿地类型分布图Fig.1 Distribution map of wetland types in Haikou City in 2000,2010 and 2018

1.3 景观格局分析方法

1.3.1 景观格局指数景观指数是高度浓缩景观格局信息的定量指标，反映景观结构特征和空间格局变化（雷金睿,2019）。从景观水平和斑块水平选取各景观格局指数（陈楚琳等,2020;李云哲等,2018）（表1）。

表1 景观格局指数及其学术含义Table 1 Landscape pattern index and its academic meaning

表 2 海口市湿地景观结构Table 2 Wetland structure in Haikou City

1.3.2 景观生态安全模型参考已有研究（陈昆仑等,2019），基于海口湿地资源特征，选取PD、FRAC_MN、CONNECT和PLAND等景观格局指数建立景观生态安全度的评价模型。采用层次分析法确定选取指数的权重：PD为0.4、平均斑块分维数F为0.4、连接度C为0.2。

类型水平上的景观生态安全评价模型：

景观水平上的景观生态安全评价模型：

式中：ESi为各湿地类型的景观生态安全度；PDi为i 类湿地斑块密度；Fi为i 类湿地的平均斑块分维数；Ci为i 类湿地的连接度；PLi为i 类湿地斑块所占景观面积比例；i=1，…，7。ES为景观水平上的湿地生态安全度，PL为湿地占海口市陆域面积的比例。

2 结果与分析

2.1 海口市湿地景观结构变化特征

2000—2010 年海口市湿地总面积增加2 287 hm2，2010—2018 年 锐 减3 903.5 hm2。2000—2018 年，海口市湿地面积共减少1 616.5 hm2，减少了10.4%（表2）。2000—2018 年海口市湿地的斑块数量(NP)以每年约16 个的速率增长，总计增加了293 个。

自然湿地和人工湿地面积均呈下降趋势。2000—2010年海口市自然湿地总面积基本保持不变，人工湿地总面积增加2 292.2 hm2；2010—2018 年自然湿地减少235.4 hm2，人工湿地减少3 668.1 hm2。2000-2018 年人工湿地共减少1 375.9 hm2，减少19.6%。

不同类型湿地在面积和结构上的变化趋势不同。自然湿地面积变化平缓，红树林、河流和湖泊略有减少，潟湖则逐渐增加。人工湿地中，水库面积变化小，坑塘和水产养殖场受人工干预较大，面积变化较大。随着水产养殖业的发展，2000—2010 年坑塘和水产养殖场面积大幅增加，但受到湿地相关保护政策的影响，2010—2018 年坑塘和水产养殖场大量减少。自然湿地的PLAND总体上变化平稳，人工湿地中坑塘和水产养殖场的PLAND变化较大。自然湿地的NP变化平稳，人工湿地的NP激增，与湿地整体斑块数量变化趋势一致。

2.2 海口市湿地景观指数变化特征

2.2.1 景观水平2000—2018 年海口市湿地周长面积分维数不断增加，表明海口市湿地的几何形状趋于复杂化，景观生态安全指数提高。2000—2010 年海口市湿地斑块密度有所增加，增幅为19.95%，2010—2018 年 斑块密度（PD）增长迅速，增幅为63.34%，表明近20 年来，海口的湿地景观趋于破碎。2000—2010 年海口市湿地的连接度（CONNECT）急剧下降，斑块的连通性减弱，空间结构趋于破碎化。2010—2018 年海口市湿地的连接度有所好转，聚集程度有所增加，空间结构逐渐紧凑。2000—2018 年海口市湿地最大斑块指数（LPI）呈先下降趋势，后逐渐上升，2018 年达到峰值22.888。总体上，LPI增加了3.292%，表明海口市湿地系统的斑块优势度得到了增强。香农多样性指数呈先增加后减少的趋势，是因为2000—2010年增加了大量水产养殖场和坑塘，使各湿地类型的比重相当，而2010—2018 年伴随着人工湿地类型的调整，自然湿地比重升高，各景观类型的均衡性略有降低（表3）。

表3 2000—2018 年海口市湿地在景观水平上的指数变化Table 3 The index changes of the wetland in Haikou City from 2000 to 2018 at the landscape level

2.2.2 类型水平

1）形状指数 在类型尺度上，自然湿地中红树林、河流和湖泊的平均斑块分维数（FRAC_MN）呈先上升后下降的趋势，潟湖呈先下降后上升的趋势，但2018 年各类型的FRAC_MN均高于2000 年；2000—2010 年水库和水产养殖场的FRAC_MN呈上升趋势，2010—2018 年呈下降趋势，坑塘则逐年下降（图2）。随着城市化进程加快，近20 年来红树林、河流、湖泊、水库、坑塘和水产养殖的湿地形状趋于简单化，而潟湖多由填海形成，整体湿地形状则趋于复杂，在海口西海岸和海甸岛区域尤为明显。

图2 2000-2018 年海口市湿地在类型水平上的指数变化Fig.2 The index change of the wetland in Haikou City from 2000 to 2018 at the type level

2）破碎度 不同类型湿地的破碎化程度各异。人工湿地的斑块密度（PD）高于自然湿地，特别是坑塘和水产养殖场的破碎化程度较高。湖泊、潟湖、红树林湿地的PD变化不大，2000—2010 年河流和水库的PD呈下降趋势，2010—2018 年逐渐回升，2010—2018年水产养殖场的PD大幅度增加，2000—2018年坑塘的PD逐年增大（图2）。城市化进程加速导致坑塘和水产养殖场无规则地分布于城市中，使其破碎度急剧增大，在近些年发展迅速的秀英区和美兰区尤为显著。

3）聚集度 从图2 可看出，自然湿地中的红树林、河流、潟湖的景观聚集度高，景观连通性好。湖泊的聚集度指数(COHESION)较低，是因为其仅有2～3 个斑块，扩展趋势有限。人工湿地的聚集度变化较大，其中，2000—2010 年水库的破碎化减弱，景观连通性升高，但在2010—2018 年聚集度略有降低。坑塘的COHESION在所有湿地类型中为最低值，且逐年下降，2018 年达最低，湿地零散分布，连通性差。坑塘更易受人为因素干扰，连接度的急剧下降也是城市快速发展带来的必然结果。2000—2010 年水产养殖场聚集度变化较小，景观连通性较好。但在2010—2018年，水产养殖场的斑块面积下降、斑块数量增多，聚集度下降幅度较大，景观趋于破碎，连通性下降。

2.3 海口市景观生态安全格局分析

2.3.1 海口市湿地系统景观生态安全度总体来看，2000—2018 年海口市湿地系统景观生态安全度（ES）呈平稳上升的趋势，从2000 年的0.121 上升至2018 年的0.165，表明海口市的湿地生态安全逐步提升，近年来海口市湿地保护效果显著（表4）。

表4 2000-2018 年海口市湿地系统景观生态安全度Table 4 The ecological security of the wetland system landscape in Haikou City from 2000 to 2018

2.3.2 不同湿地类型的景观生态安全格局采用ArcGIS 软件绘制2000—2018 年海口市不同湿地类型景观生态安全格局（图3），采用自然断点法将景观生态安全度划分为5 个等级（表5）。

图3 2000 年、2010 年、2018 年海口市湿地景观生态安全格局演变Fig.3 The evolution of the ecological security pattern of the wetland landscape in Haikou City in 2000,2010,and 2018

表5 景观生态安全度等级划分Table 5 Classification of landscape ecological security degree

表 6 Pearson 相关性分析Table 6 Pearson correlation analysis

从表4 可看出，2000—2018 年海口潟湖、湖泊、坑塘、水产养殖场的景观生态安全度（ES）呈先上升后下降的趋势，河流和水库的景观生态安全度先略有下降后增加，红树林的ES 大幅度下降后略有提升。

各类湿地的景观生态安全度（ES）与湿地类型所占景观面积比例（PLAND）呈正相关，PLAND值越大，ES越高。2010 年和2018 年潟湖的ES最高，是安全度最高的湿地类型。湖泊的规模最小，ES一直处于最低水平的Ⅰ级。2010—2018 年，湖泊被侵占和自然萎缩严重，ES呈降低趋势。

各类湿地类型的ES与湿地的空间分布有着密切的联系。大规模的红树林和潟湖位于东寨港自然保护区内，人类活动干预较小，ES较高。河流在空间上的变化较小，安全等级较高。2010 年左右，随着城市建设的蓬勃发展，河流被建设用地蚕食较为严重，ES降低。随着海口市政府对河流保护的力度加强，水产养殖场还水于河，河流的ES有所升高。湖泊、水库、坑塘和水产养殖场多分布于人类活动强度较大的地区，ES则更低。

3 讨论

选取平均气温、年降水量、蒸发量3 个主要因子分析气候变化对湿地的影响。通过对自然驱动力与湿地面积的皮尔逊相关性分析得出，年降水量、平均气温与湿地面积呈正相关（表6）。海口市年降水量的变化趋势与湿地总面积变化趋势一致，表明降水量对湿地面积有较大影响，因此，根据降水量对湿地水资源进行合理补给显得尤为重要。蒸发量与湿地面积呈负相关，因获取研究区蒸发量数据的不连续，选取了与Landsat 影像时间一致的海口2000 年、2010 年、2018 年6—7 月累计蒸发量进行分析。2000 年、2010 年、2018 年的6—7 月累计蒸发量不断上升，佐证了研究区湿地面积减少的原因。

海口市政府针对湿地保护修复的相关政策措施对湿地景观格局的演变起正向的驱动作用。近20 年来，尤其是2010 年以来，海口市施行多项保护政策，如《海口市人民政府湿地保护修复制度工作实施方案》等，并成立海口市湿地保护修复工作领导小组。在一系列保护修复措施和政策影响下，2000—2018年海口市湿地景观生态安全度不断增加，坑塘、水产养殖场等人工湿地斑块占景观面积比例显著降低，具备水资源集输和城市防洪等重要服务功能的水库面积增加，红树林、潟湖、河流等自然湿地面积均有所增加，海口市湿地景观生态安全格局向着良好态势发展。此外，《海南省红树林保护规定》《关于加强东寨港红树林湿地保护管理的决定》等专项保护政策，也对红树林湿地的景观生态安全格局产生了正面的推动作用。2000—2010 年海口市红树林湿地的生态安全度由0.433 降到0.208，2018 年回升到0.222，红树林湿地景观生态安全格局有所改善。随着海南自由贸易港和“一带一路”的蓬勃发展，海口作为国际性的综合交通枢纽逐渐被世界关注。2018 年，海口成为全球首批“国际湿地城市”,全世界对海口湿地给予了极高的评价。湿地保护和利用作为海口的重要生态优势，有助于为海口打造一张更为美丽的世界名片。

4 结论

本文运用遥感和地理信息技术，对海口市的湿地景观生态安全格局进行综合评价。结果表明：1）2000—2018 年海口湿地的总面积呈先增加后减少的趋势，湿地总面积减少1 616.5 hm2，其中，自然湿地减少240.6 hm2，人工湿地减少1 375.9 hm2。2）海口湿地系统景观生态安全度呈增加趋势，总体上自然湿地安全度较高，人工湿地安全度较低。3）湿地生态安全格局演变驱动因素的研究表明，自然驱动因素中的年降水量、平均气温与湿地面积呈正相关。政府出台的湿地保护修复政策对湿地景观格局的优化发挥重要的正向驱动作用。