衡水湖景观面积演变过程分析

2023-11-06刘修水

水科学与工程技术 2023年5期

刘修水

（河北昊禹工程技术咨询有限公司，天津 300250）

湿地、森林与海洋并称为三大生态系统，其特点为独特性和多元性，具有调节当地生态环境、带动周边经济社会发展的作用。其中，湿地是服务功能最复杂且综合性最强的生态系统。在20 世纪大量的湿地被改造成农田，同时水资源的过度开发利用以及环境污染加剧，也导致湿地生态系统多样性被严重破坏。因此，需要采取措施，将需要进行特殊保护及管理的地区划分为自然保护区进行统一管理。这也逐渐成为重要课题研究方向。景观格局演变过程研究通过景观格局斑块来分析区域发展的变化规律，其成果对水文过程和生态多样性等多方面的研究均起到重要作用，并逐渐成为全球生态学的研究热点。

1 概况

衡水湖湿地位于河北省衡水市境内，与滏阳河相连，面积18787 km2，海拔最低点为17 m 左右。衡水湖湿地属暖温带大陆季风气候，四季分明，雨热同季。其独特的地理位置和气候条件孕育了草甸、沼泽、滩涂、水域等多种不同类型的湿地生境，具有生物多样性、物种稀缺性、生态脆弱性和湿地生态系统。2000 年7 月，被批准为河北省衡水湖湿地和鸟类省级自然保护区，成为华北平原上唯一保持沼泽、水域、滩涂、草甸和森林等完整湿地生态系统的自然保护区。2003 年6 月被国务院批准晋升为国家级自然保护区。2004 年被水利部批准为国家水利风景区。本文对衡水湖3 个不同时期的景观格局进行对比分析研究，以促进衡水湖湿地的可持续发展。

2 衡水湖景观面积变化特征

2.1 衡水湖引黄前各景观类型面积变化

以衡水湖1984，1989，1994 的土地利用分布为基础，对3 年的面积信息进行提取，利用ENVI15.3及GIS 进行转移阵面积计算，分析在引黄前衡水湖自然保护区的年际动态变化。

1985 年后，衡水湖引黄前的水体才开始退耕还湖蓄水供给周围农工业，作为重要的景观基质发展但并不稳定，面积呈现先上升后下降的趋势。农田与未利用地在3 年中的变化较大，农田作为主要景观面积占比一直居高，但在1994 年最低时达到62.99 km2，较1984 年、1989 年相比下降到28.64%，而未利用地1984、1994 年较高，并在1994 年达到了70.91 km2，占比为各景观类型中最大，占到32.24%，成为主要景观基质。说明衡水西湖区域干涸但盐碱化程度较高，未能大量种植作物。居民点用地随着城镇化的不断加深一直处于增长状态，从1984 年的15.26 km2、1989 年的16.96 km2到1994 年的17.81 km2，占比逐渐增加。林地面积则处于逐年下降的趋势，1994 年下降到最低25.4 km2，可见在引黄前衡水湖国家级自然保护区的各景观类型面积波动较为明显，如表1。

表1 1984—1994 景观类型面积变化

根据10 年间的面积流转情况，在1984—1989 年间农田主要转换为6.84 km2未利用地及3.92 km2的林地。

未利用地总面积为55.23 km2，由于1984 年衡水湖湖区处于干涸的状态，仅有冀州小湖留存部分水体，因此1984—1989 年有21.51 km2的未利用地转换为水体，占总面积的38.95%，23.32%的未利用地转换为农田、居民点及林地。

（1）林地大部分转换为8.19 km2的农田、6.7 km2的水体及5.88 km2的未利用地，由于衡水湖围湖造田，水量的不足导致未利用地及林地向水体流转较多。

（2）农田1989—1994 年这5 年间转变由92.36km2下降了62.99 km2，且有30.87 km2的农田转换为未利用地，占1989 年农田面积的33.42%，说明湖区周围土地流转仍较大。

（3）未利用地的转换面积则变化减小，主要转换为4.54 km2的林地及少量农田、居民点，说明5 年间未利用地一直保持在原有的基础上，转换量不大。

（4）芦苇等水生植物还未大量种植，由于水量不稳定，因此造成沼泽等湖区浅水区面积较小，有6.56 km2的水体转换为了沼泽。

由于农田面积多为干涸后的湖区，受土地盐碱化及前期围湖造田的影响较大，湖区水量也在1985年卫运河引水后开始上涨但水量不稳定，1994 年仍有干涸情况，沼泽等天然湿地在蓄水后面积才逐渐增长。因此1984 —1994 年这10 年间变化的未利用地是转换最频繁的，其中农田、水体、林地的流转面积较大，影响景观湿地格局稳定的因素较多。

2.2 衡水湖引黄初期各景观类型面积变化

2.2.1 衡水湖景观面积变化情况

根据表2 分析1994—2009 年的景观面积变化情况得出，1994 年开始施行引黄入冀后农田的面积呈现持续增加趋势，从62.99 km2增长到82.12 km2，最后2004 年达到114.50 km2，总体占比在2004 年达到52.05%。由于农田利用率变高，未利用地的面积逐渐减小，到2004 年仅剩余7.66 km2的面积，占比最低，仅占总面积的3.48%。水体则处于上下波动状态，在1999 年下降到23.02 km2，到2004 年达到了32.13 km2。即使引黄调水，水量在10 年间的变化中仍存在着波动，但引黄的措施使衡水湖杜绝干涸的现象，芦苇沼泽在引黄初期的10 年中稳步上升，从11.47 km2上升到15.47 km2，再升到19.04 km2，占比达到8.65%，为鸟类生境及其他生物的栖息地提供了良好的保证。

表2 1994—2009 年景观类型面积变化单位：km2

2.2.2 衡水湖生态好转情况

衡水湖在2000 年正式开始建立衡水湖湿地及鸟类自然保护区，随着经济社会发展，居民点的面积从17.81 km2增加到19.29 km2最后扩到22.39 km2。随着农田及居民点的扩张，林地也在发生变化，1999 年林地减少到22.88 km2，到2004 年增加到24.27 km2，由此可见，实施退耕还林政策取得一定成效，作为鸟类除芦苇沼泽外的重要栖息地，林地的恢复更增加了衡水湖的生态活力。

2.2.3 衡水湖景观面积转换情况

1994—1999 年面积流转最明显的是未利用地与农田，共计26.99 km2，占流转面积的64%。

（1）农田的增加大多来自未利用地与林地的转换，流转到未利用地7.62 km2及林地5.55 km2。

（2）林地的转换主要集中于农田与未利用地，其4.52 km2转换为农田，9.65 km2转换为未利用地。

（3）由于1994 年衡水湖水量不足，造成大量的土地裸露，因此未利用地在这5 年中大多流转到7.9 km2的水体中，说明引黄前期水量仍不稳定，各类型转换较为频繁。

2.2.4 未利用地、林地转换情况

在1999—2004 年这5 年变化中未利用地、林地的转换主要表现在10.76 km2的林地及30.68 km2的未利用地转换为农田；未利用地的转换不仅集中于农田，还有6.56 km2的土地转换为水体及7.13 km2的土地转换为林地，仅有4.36 km2的未利用地没有变化，占1999 年未利用地总面积的7.6%，其余类型的相互转换占比较小。说明5 年中大多为未利用地转出，景观格局正逐步稳定。

2.2.5 林地与农田转换情况

根据表3 分析得出，种植结构的改变及1996 年撤地建市进行退耕还林，加大林地的种植的作用下，未利用地与农田、林地的相互转换为最主要的部分，水体在1994—1999 年间变化较为频繁，因此引黄初期各类型变化不稳定。1999 年后成立鸟类自然保护区景观格局逐渐稳定，以芦苇为代表的水生植物进行大量种植，各类型之间的相互转换面积减小。

表3 1994—2009 年各景观类型面积转移矩阵

2.3 衡水湖近年来各景观类型面积变化

近年来，从2009 年开始农田面积处于下降趋势，景观面积从116.14 km2下降到106.01 km2，但农田仍是景观的基础基质。水体呈现上升趋势，从32.12 km2上升到35.9 km2，并在2019 年面积达最大值，这与生态补水的方式从冬季补水变化为不定期补水有关，因此夏季水量稳步增加。在近10 年城镇化发展的背景下，由于滨湖新区的建立及十二五规划的实施，从21.3 km2增长到33.54 km2，并在2019年达到最大值35.71 km2，占比达16.24%，与水体占比持平。由于水量的增加及对芦苇为代表的水生植物的收割造成面积的缩小，芦苇沼泽从2009 年的16.83 km2下降到2014 年的13.3 km2，再下降到2019年的12.83 km2。林地在10 年中处于下降的趋势，与居民点的增加呈负相关性，从29.69 km2下降到21.18 km2。尽管林地、农田及芦苇沼泽都能作为鸟类的栖息地，但由于在近年发展中居民点占主导地位，造成鸟类生境在下降，如表4。

表4 2009—2019 年景观类型面积变化

2009—2014 年以来农田主要转换为林地11.56 km2、未利用5.51 km2及居民点4.72 km2。林地的转移面积也较多，主要转换为农田及居民点，转换为农田7.76 km2，占总转换面积的41.7%，转换为居民点6.733 km2，占总转换面积的36.2%。居民点面积处于增长的趋势且在这5 年中保持18.95 km2的面积，仅有2.35 km2流转到其他类型中。其余景观类型共有14.51 km2的面积流向居民点，变化较小。

2014—2019 年以来，农田的转换类型仍集中于居民点、林地及未利用地，转换为林地7.21 km2、未利用地5.54 km2及居民点3.16 km2。林地约11.11 km2的面积转换为农田、4.04 km2转换为居民点，分别占转换总面积的64.1%及23.3%。芦苇沼泽在近5 年中的波动也较为剧烈，4.24 km2转换为水体，占其转换总面积的79.1%。水体流转到其他类型的面积较小，总面积处于增长的趋势，说明芦苇沼泽的减小引起水量的增加。2014 年中未利用地共有8.08 km2的面积流转到其他类型中，且主要集中在农田及林地。

景观面积流转主要源于沿湖农田的盐渍化、休耕政策及农田种植结构的改变，人口生产总值持续增长，致使农田与林地被占据开发。由于挺水植物吸收磷等物质，因此近年来通过收割的方式以达到净化水质造成芦苇沼泽面积的减少，且随着生态补水从冬季补水逐渐变为不定期补水，水量变大导致浅水区沼泽面积逐渐减少。

3 衡水湖单一动态变化幅度

利用单一动态度分析衡水湖各景观类型1984—2019 年变化幅度，定量研究各时期景观类型变化的剧烈程度。

3.1 衡水湖引黄前面积变化

1984—1989 年10 年间变化度最大的景观类型为水体，以年平均23.06%的速度增长，变化程度最为剧烈。居民点以年平均2.23%的速度在增加，未利用地及林地变化幅度最明显的是未利用地以年平均8.22%的速度减少而林地以4.22%的速度减少。农田的变化幅度最小以年平均0.22%的幅度增加，其他土地的变化不明显，由于水体的干涸1984—1989 年芦苇沼泽没有变化。

1981—1994 年变化幅度波动最大的景观类型为未利用地与芦苇沼泽，分别以年平均23.6%与年平均36.23%的速度在增加。减少速度较为明显的景观类型为农田及水体，分别以年平均6.36%及年平均6.55%的速度下降，与1984—1989 年相比农田与水体均出现下降趋势，其余类型变化幅度较小。

3.2 衡水湖引黄初期面积变化幅度分析

（1）衡水湖在1994—1999 年期间变化幅度最大的景观类型为芦苇沼泽，农田与水体的变化幅度相当。未利用地以年平均3.89%的幅度减少，居民点及林地的变化幅度较小，分别以年平均1.66%的幅度增加及年平均1.98%的幅度减少。

（2）1999—2004 年的变化中，除了未利用地以外的景观类型都处于增长的趋势。未利用地以年平均17.32%的速度减少，农田与水体的变化幅度相差较少分别以年平均7.89%及年平均7.91%的速度增长，居民点以年平均3.21%的速度增长，芦苇沼泽以年平均4.62%的速度增长，林地的增长幅度最小保持年平均1.22%的速度在增长，这5 年整体变化程度比1994—1999 年要剧烈。

（3）2004—2009 年的整体变化幅度最小，农田、水体及居民点变化幅度不大，仅未利用地的变化最为明显，而芦苇沼泽面积在减小，林地面积在增加。对比15 年的变化说明1999 年以后对于衡水湖湿地的治理效果最为明显，1999—2004 年的变化较为剧烈，而2004—2009 年的变化幅度变得较为缓慢，倾向于稳定的状态，没有某一景观类型的突变，均处于稳步上升或者减少的过程。

3.3 衡水湖近年来面积变化幅度分析

2009—2014 年中居民点及未利用地的变化幅度最大，芦苇沼泽变化较为剧烈，与引黄前期天然湿地快速增长的状态形成对比，其余类型中农田、水体及林地的变化较为缓和。在2014—2019 年中整体的变化较为缓慢，变化速度最大的类型为林地及未利用地，但仅保持年平均3.46%及3.26%的幅度减少，其次变化幅度较小的还有水体及居民点，其余两个类型的变化微乎其微，整体各类型变化程度较小没有明显的峰值。

4 衡水湖综合动态变化幅度分析

通过综合动态度分析该研究区域不同时间段(引黄前，引黄初期以及近年来) 的整体变化剧烈程度，得出1984—2019 年将近35 年的景观类型变化幅度整体呈现下降趋势。

引黄前变化较为剧烈，1984 年以年平均2.89%的速度变化，到1989—1994 年开始上升以年平均4.24%的速度变化，该段时间周围土地流转变化较大。引黄初期景观类型的上下波动最为强烈，1999—2004 年保持4.50%的速度，该时间段生态快速发展，未利用地面积大量转出景观逐渐稳定，2004—2009年间变动最缓和，以年平均0.65%的速度在变化，峰值只差3.85%。近年来的景观类型变化幅度有了明显的下降，说明近年的景观类型没有明显变化、开始趋向于稳定，但仍有突变，究其原因由于城镇化加强，以及自然保护区功能区区域的改变。