雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)土地利用與景觀格局變化研究

　　摘 要: 以雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域，以 Landsat 遙感影像為基礎(chǔ)分析 2000 年、2005 年、2010 年和 2015 年土地利用類型空間分布，通過對(duì)遙感影像解譯得出景觀演變趨勢(shì)并進(jìn)行分析. 與 2000 年相比，2015 年濕地景觀比例上升，非濕地面積占研究區(qū)總面積比例下降; 各景觀變化幅度明顯不同，其中林地、高覆蓋度草地、水庫(kù)坑塘、居民點(diǎn)和沼澤地明顯增加，灌木林及中覆蓋度草地減少; 研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)景觀類型豐富度下降，破碎化程度降低，各景觀類型發(fā)展呈不均衡化趨勢(shì); 研究區(qū)景觀優(yōu)勢(shì)度趨于穩(wěn)定，大斑塊向小斑塊分裂，斑塊離散程度和形狀復(fù)雜程度有所增加.

　　關(guān)鍵詞: 雁鳴湖自然保護(hù)區(qū); 土地利用變化; 景觀指數(shù)

　　劉家福; 申琳; 紀(jì)明秀; 祝悅; 白淑夏 吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2022-01-07

　　濕地作為自然界重要的生態(tài)系統(tǒng)，其綜合功能不可替代. 濕地科學(xué)早期發(fā)展較為緩慢，近現(xiàn)代以來(lái)發(fā)展逐漸加快. 2000 年以來(lái)，其研究領(lǐng)域擴(kuò)大，成為重點(diǎn)學(xué)科和研究領(lǐng)域. 我國(guó)自加入《濕地公約》后，積極響應(yīng)濕地保護(hù)等工作，為全球濕地保護(hù)和合理利用濕地作出了重要貢獻(xiàn)[1]. 雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)濕地類型豐富，沼澤、湖泊、河流及水庫(kù)等均屬于濕地，參照我國(guó)目前濕地調(diào)查監(jiān)測(cè)所采用的濕地分類系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際情況，科學(xué)分析研究區(qū)景觀分布[2-5]. 遙感可大面積同步觀測(cè)，數(shù)據(jù)綜合性、可比性強(qiáng)，且機(jī)械收集地物信息，能一定程度上避免對(duì)觀測(cè)地物的人為主觀干擾，運(yùn)用遙感進(jìn)行土地利用研究，不僅可以獲得較高的實(shí)用價(jià)值，還能節(jié)省人力物力，獲得較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值. 本文利用四期遙感影像數(shù)據(jù)提取研究區(qū)景觀信息，分析其景觀格局分布特征及景觀轉(zhuǎn)移的規(guī)律和驅(qū)動(dòng)力，得出研究區(qū)景觀的變化情況及演變規(guī)律，分析濕地景觀動(dòng)態(tài)變化主要影響因素[6-9]，為雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供有力支持.

　　1 研究區(qū)概況

　　雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)地處吉林和黑龍江兩省的交界，地理位置為 128°11'0″E 至 128°45'30″E，43°39'20″N 至 43°51'28″N，東西隔 45 km，南北隔 24 km. 研究區(qū)地處溫帶季風(fēng)氣候帶，年平均氣溫 4. 3 ℃，無(wú)霜期約 120 d. 保護(hù)區(qū)冬季寒冷，春秋較短，夏季氣溫較高，降水量充沛，主要集中在 7—8 月.

　　2 數(shù)據(jù)處理與研究方法 2. 1 數(shù)據(jù)獲取與處理

　　采用 Landsat-TM/ETM 遙感影像解譯，選取 2000 年、2005 年、2010 年和 2015 年四期影像數(shù)據(jù)，主要采用 eCognition 軟件自動(dòng)分類及人機(jī)結(jié)合的目視解譯方法，在季相方面控制云量在 10% 以內(nèi)，數(shù)據(jù)主要選擇 6—9 月無(wú)云圖像. 數(shù)據(jù)以 1995 年和 1996 年幾何精校正后的遙感圖像作為基礎(chǔ)，位置為兩個(gè)像元左右. 標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成方法是整景和分縣圖像采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其糾正后的圖像均保存為 Geotiff 格式，利用 ERDAS IMAGINE 軟件的 Image Geometric Correction 模塊完成數(shù)據(jù)校正中的幾何精校正.

　　2. 2 研究方法

　　從景觀類型角度定量分析土地利用變化，以生態(tài)學(xué)的角度進(jìn)行分析與研究. 景觀格局指數(shù)可以反映景觀格局變化特點(diǎn)，由于指數(shù)繁多，選擇時(shí)需結(jié)合研究區(qū)自然環(huán)境狀況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況，簡(jiǎn)潔、高效地選取符合研究區(qū)實(shí)情的景觀格局指數(shù). 為充分體現(xiàn)景觀的生態(tài)意義，本文選取多樣性指數(shù)( SHDI) 、均勻度數(shù)( SHEI) 、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)( COHESION) 、連接度數(shù)( CONNECT) 、蔓延度( CONTAG) 、聚合度( AI) 、斑塊密度( PD) 、分離度( DIVISION) ，這幾種景觀格局指數(shù)對(duì)景觀格局進(jìn)行定量分析[10].

　　3 結(jié)果與分析 3. 1 雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)土地利用變化

　　利用 ArcGIS 對(duì)研究區(qū)遙感影像解譯，得到圖 2，由解譯結(jié)果( 圖 2) 分析計(jì)算得到表 1.由解譯結(jié)果( 圖 2 和表 1) 分析，2000—2005 年研究區(qū)旱地面積同比增加 0. 371 km2 ，林地面積下降到 279. 194 km2 ，灌木林面積減少至 27. 412 km2 ，中覆蓋度草地面積減少至 12. 795 km2 ，居民點(diǎn)面積為 3. 956 km2 ; 濕地面積為 52. 849 km2 ，其中沼澤占比最大，其次為河渠、湖泊，面積分別為 24. 545 km2 、 7. 023 km2 和 6. 599 km2 ; 水庫(kù)坑塘面積為 4. 715 km2 ，較 2000 年增大 0. 012 km2 ，水田面積 1. 590 km2 ，較 2000 年減少 0. 123 km2 .2010 年，研究區(qū)面積為531. 343 km2 ，非濕地面積較2005 年減少3. 724 km2 ，較 2000 年減少 3. 569 km2 ，其中林地面積最大為 295. 046 km2 ，較 2005 年增長(zhǎng)了 15. 852 km2 ，旱地面積較 2005 年減少了 6. 70 km2 ，中度覆蓋草地由 2005 年的 12. 795 km2 ，減少至 0. 613 km2 ，新增高覆蓋度草地 19. 176 km2 ，居民點(diǎn)比 2005 年面積擴(kuò)大了 2. 388 km2 ; 濕地面積較 2005 年增加了 4. 399 km2 ，占研究區(qū)面積的 10. 69% ; 非人工濕地中，沼澤面積最大為 27. 077 km2 ，占研究區(qū)的 5. 13% ，較 2005 年增加了 2. 532 km2 ，其次是河渠較 2005 年增大 1. 368 km2 ，灘地較 2005 年減少了 0. 416 km2 ，湖泊較 2005 年減少了 4. 237 km2 ; 人工濕地中水田較 2005 年減少了 0. 103 km2 ，水庫(kù)坑塘較 2005 年增長(zhǎng)了 4. 537 km2 .

　　2015 年，研究區(qū)的面積為 527. 799 km2 ，非濕地面積為 471. 391 km2 ，其中林地較 2010 年減少了 3. 560 km2 ，旱地面積較 2010 年增加 0. 001 km2 ，高覆蓋度草地較 2010 年增加了 0. 008 km2 ，灌木林增加了 0. 014 km2 ，中覆蓋草地較 2010 年減少了 0. 002 km2 ，居民點(diǎn)面積較 2010 年相比變化不大; 濕地景觀中，河渠減少最多，較 2010 年減少 0. 013 km2 ，其次為湖泊、水田和沼澤，分別減少 0. 006 km2 、0. 004 km2 和 0. 001 km2 ，灘地較 2010 年增加 0. 012 km2 ，水庫(kù)坑塘較 2010 年增加 0. 009 km2 .

　　3. 2 景觀格局指數(shù)分析

　　基于景觀水平的景觀格局指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表 2

　　1) 景觀多樣性: 研究期間保護(hù)區(qū) SHDI 與 SHEI 變化一致，均呈減小趨勢(shì)，SHPI 由 2000 年 1. 356 8 降至 2015 年的 1. 324 4，SHEI 由 2000 年 0. 565 8 降至 2015 年的 0. 533 4. 以 5 年為一階段，分三個(gè)時(shí)段，SHPI 分別減少 0. 001 6、0. 030 9 和增加 0. 000 1，SHEI 分別減少 0. 020 4、0. 012 4 和 0，二者下降趨勢(shì)均減緩. 這表明，破碎化程度隨其豐富度的下降而降低，各景觀類型呈現(xiàn)顯著的不均衡趨勢(shì).

　　( 2) 景觀連通性: 研究期間斑塊聚力指數(shù) COHESION 一直保持在99% 以上，保護(hù)區(qū)各斑塊內(nèi)部非常凝聚. 景觀類型間研究指數(shù) CONNECT 2000 年、2005 年、2010 年和 2015 年分別為 70. 05% 、69. 63% 、 48. 21% 和 49. 37% ，連通性指數(shù)不斷下降，但下降趨勢(shì)減緩.

　　( 3) 景觀聚集度: 研究期間，景觀蔓延度指數(shù) CONTAG 不斷上升，從 2000 年的 68. 14% 上升至 70. 13% ，但增幅不大，這表明，景觀中優(yōu)勢(shì)斑塊類型的鏈接性上升，景觀細(xì)化程度下降. 研究時(shí)段內(nèi)聚合度指數(shù) AI 總體變大，由 2000 年的 96. 94% 降至 2005 年的 96. 92% ，此后不斷增長(zhǎng)，2015 年增長(zhǎng)至 97. 26% . 研究表明，該時(shí)間段內(nèi)，破碎化在一定程度上得到改變，凝聚狀況也在不斷增加.

　　( 4) 景觀破碎度: 分析因子主要采用斑塊密度( PD) 和景觀分離度指數(shù)( DIVISION) 進(jìn)行深度研究. 2000—2015 年期間 PD 先升后降，2015 年 PD 高于 2000 年. 可以看出研究區(qū)景觀斑塊數(shù)上升，景觀整體破碎化加強(qiáng). 2000—2015 年，DIVISION 小幅增大并趨于穩(wěn)定，表明研究區(qū)景觀整體破碎化略有加強(qiáng)，斑塊的細(xì)化程度亦小幅增加.

　　4 景觀格局變化特征驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析 4. 1 自然因素 4. 1. 1 氣溫變化

　　氣溫升高對(duì)世界濕地的面積和質(zhì)量有著重要的決定作用，經(jīng)研究氣溫越高濕地面積越小，反之，低氣溫有利于濕地的發(fā)育. 氣溫升高，水面蒸發(fā)量和植物蒸騰量亦會(huì)升高，土壤吸收熱量增多，土壤水蒸發(fā)加劇，濕地環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞. 綜合分析，氣溫是制約濕地發(fā)育的最基本因素，研究期間研究區(qū)氣溫波狀上升 1. 8 ℃，從 2000 年平均氣溫 3. 3 ℃ 升至 2015 年平均氣溫 5. 1 ℃，如圖 3 所示. 氣溫的升高使飽和水汽壓升高，蒸發(fā)量增加，濕地水量和濕地補(bǔ)給水量均減少，進(jìn)而濕地面積減小，質(zhì)量下降. 氣溫升高會(huì)引起濕地水文特征改變，濕地水位下降，調(diào)節(jié)徑流能力減弱. 濕地的能量平衡受土壤溫度影響，土壤氣溫升高會(huì)使?jié)竦匮雌诳s短，枯水期時(shí)間增長(zhǎng)，水位下降，進(jìn)而導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)失衡[11].

　　4. 1. 2 降水變化

　　濕地水文特征深受補(bǔ)給水源影響，大部分地區(qū)濕地補(bǔ)給水源以降水為主，因而降水多的年份濕地面積呈擴(kuò)大趨勢(shì)，降水少的年份濕地面積減少，降水量的多少直接影響著濕地的面積變化. 保護(hù)區(qū)濕地徑流主要來(lái)自大氣降水和地下水，地下水補(bǔ)給相對(duì)比較穩(wěn)定，因此大氣降水對(duì)保護(hù)區(qū)濕地面積變化影響更明顯. 且研究區(qū)位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水集中在夏季，且年際、季節(jié)變化大，濕地補(bǔ)給水源的變化明顯地影響和改變濕地面積. 2000—2015 年，研究區(qū)降水量呈減少趨勢(shì)，如圖 4 所示[12-13].

　　4. 1. 3 植被變化

　　研究區(qū)內(nèi)除濕地景觀外，森林對(duì)保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境同樣起到重要維持作用. 森林與濕地不是獨(dú)立存在的，二者間物質(zhì)與能量的交換共同維持著保護(hù)區(qū)的生態(tài)平衡. 森林繁茂，樹冠密集，截留降水增多，高森林覆蓋率可以增加下滲，復(fù)雜的森林系統(tǒng)具有發(fā)達(dá)的根系，可以較好的固定土壤，減輕水土流失，因此森林同樣具有保護(hù)濕地的重要作用. 經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求日益膨脹，不合理的人為活動(dòng)使保護(hù)區(qū)內(nèi)植物群落演替加快，天然林的毀壞導(dǎo)致植被結(jié)構(gòu)變化，樹冠密度的下降致使植被截留水分能力下降，根系密度改變使土壤下滲能力減弱. 加強(qiáng)植被的保護(hù)，可提高植被對(duì)水文的調(diào)節(jié)作用，利于保護(hù)濕地系統(tǒng)，對(duì)濕地的面積和質(zhì)量變化有著重要的影響.

　　4. 2 人為因素 4. 2. 1 耕地變化

　　耕地的變化不僅僅是耕地?cái)?shù)量的增長(zhǎng)或減少，更多的體現(xiàn)在耕地質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，對(duì)比上次土地普查，敦化市耕地結(jié)果明顯發(fā)生改變. 當(dāng)?shù)刂小⒏弋a(chǎn)田面積不斷擴(kuò)大，低產(chǎn)田面積大幅降低，耕地質(zhì)量得到較大提升，政府根據(jù)實(shí)際情況評(píng)估土地，宜耕土地制定合理的耕作方式，不適宜的土地退耕還林還草，恢復(fù)其自然演替. 耕地質(zhì)量的轉(zhuǎn)化實(shí)際是土壤質(zhì)量的上升，土壤結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定有利于改善耕作區(qū)的水文狀況，對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境平衡的維持具有深遠(yuǎn)影響[14].

　　4. 2. 2 居民點(diǎn)變化

　　2000—2015 年農(nóng)村居民點(diǎn)面積不斷擴(kuò)大，研究期間農(nóng)村居民點(diǎn)由 3. 970 km2 ，擴(kuò)大到 6. 343 km2 ，擴(kuò)大了 45% ，占研究區(qū)比例顯著上升; 2005—2010 年，灘地、水庫(kù)坑塘和沼澤地向農(nóng)村居民點(diǎn)分別轉(zhuǎn)移 3. 06% 、2. 58% 和 1. 25% ; 2010—2015 年，灘地、沼澤和水庫(kù)坑塘分別向農(nóng)村居民點(diǎn)轉(zhuǎn)入，同時(shí)濕地景觀不斷向農(nóng)村居民點(diǎn)轉(zhuǎn)換，但濕地各景觀類型向居民點(diǎn)轉(zhuǎn)入的強(qiáng)度不同. 濕地景觀向居民點(diǎn)的轉(zhuǎn)入會(huì)導(dǎo)致濕地面積的減少，居民點(diǎn)的擴(kuò)大，人為活動(dòng)的增強(qiáng)會(huì)對(duì)各類濕地景觀的面積和質(zhì)量產(chǎn)生直接或間接的影響[15-16].

　　4. 2. 3 旅游業(yè)

　　雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)地理位置優(yōu)越，交通便利，附近旅游資源眾多，景觀集群狀況好，與周圍景區(qū)互補(bǔ)性強(qiáng)，作為生態(tài)體驗(yàn)游的目的地，對(duì)周圍城市客源吸引力大. 為推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)?shù)卣e極發(fā)展生態(tài)旅游，旅游業(yè)的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)要盡可能少的破壞自然景觀，減少對(duì)自然環(huán)境的干擾. 旅游業(yè)的繁榮吸引大量游客，游客的數(shù)量與自然環(huán)境承載力相適應(yīng)，超過自然承載力會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞. 為推進(jìn)旅游業(yè)可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)?shù)卣雠_(tái)了相應(yīng)的法令法規(guī)，對(duì)景區(qū)內(nèi)的服務(wù)個(gè)體進(jìn)行審查，減少不利于景區(qū)良性發(fā)展的企業(yè)，在提高旅游服務(wù)能力的同時(shí)，更加注重旅游服務(wù)的環(huán)保. 為推進(jìn)生態(tài)旅游的建設(shè)，設(shè)立相關(guān)管理部門，加強(qiáng)對(duì)景區(qū)的管理和保護(hù)，對(duì)破壞濕地、毀壞植被、捕殺動(dòng)物等行為進(jìn)行嚴(yán)格的管理和處罰. 生態(tài)旅游的開發(fā)提高了人們對(duì)濕地景觀的重視，有利于濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù). 研究期間保護(hù)區(qū)濕地景觀面積有所增大，質(zhì)量有所提升[17].

　　5 結(jié)論

　　通過對(duì)雁鳴湖保護(hù)區(qū)四期遙感影像解譯，得出景觀演變趨勢(shì)并進(jìn)行分析. 結(jié)果發(fā)現(xiàn): 與 2000 年相比，2015 年濕地景觀比例上升，非濕地面積占比下降，但各景觀變化幅度明顯不同. 基于景觀指數(shù)分析得出: 研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)景觀類型豐富度下降，破碎化程度降低，研究區(qū)景觀優(yōu)勢(shì)度趨于穩(wěn)定，大斑塊不斷分裂成小斑塊，斑塊離散程度和形狀復(fù)雜程度有所增加. 保護(hù)區(qū)濕地面積較大，質(zhì)量高，類型多樣，在景觀類型上，本文分為 12 個(gè)二級(jí)分類，對(duì)濕地景觀的解譯為: 河渠、湖泊、水庫(kù)坑塘、灘地、沼澤和水田.在后續(xù)研究中可將濕地類型進(jìn)一步細(xì)化為: 灌叢沼澤、森林沼澤和草本沼澤等，濕地景觀類型的細(xì)化可以更加具體地反映研究區(qū)域的濕地系統(tǒng)組成和演化. 本文研究區(qū)面積狹小，數(shù)據(jù)選取 30 m 分辨率，精度仍存在一定誤差，在后續(xù)研究中，可選更高分辨率遙感影像進(jìn)行解譯，提高對(duì)地物的辨識(shí)水平，減小解譯誤差，從而減小后續(xù)驅(qū)動(dòng)力分析誤差.