陳 爽,馬安青,李正炎

(中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院,山東青島266100)

遼河口濕地景觀格局變化特征與驅動機制分析*

陳 爽,馬安青**,李正炎

(中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院,山東青島266100)

在GIS/RS技術與景觀格局分析軟件FRAGSTATS的支持下,利用1988、1995、2001和2007年的4期TM遙感影像數據,對遼河口地區(qū)的濕地景觀格局的動態(tài)變化特征進行了定量分析。結果表明:自1988年以來,遼河口地區(qū)的濕地類型發(fā)生了重大變化,主要表現在大量的自然濕地轉化為人工濕地或人工景觀,具體表現在轉化為建筑用地、水稻田、養(yǎng)殖區(qū)。驅動力分析表明:年平均氣溫升高,降水量的減少是導致遼河口地區(qū)濕地變化的主要自然因素;人口的急劇增長,經濟開發(fā)等人類干擾是引起變化的主要驅動力。

濕地;景觀格局;景觀變化;遼河口;驅動力

濕地景觀生態(tài)系統(tǒng)是地表重要的土地覆被類型,由于其獨特的地理位置和空間分布特征及其特殊的環(huán)境功能而表現出整體性的特征[1]。濕地特別是受城市發(fā)展影響大的濕地,成為被人類利用強度最高、影響和破壞最為嚴重的自然景觀類型之一。通過對濕地景觀格局的研究可以更好地理解生態(tài)學過程,通過分析景觀格局隨時間的變化可以反映景觀生態(tài)過程,揭示景觀演替的機制和規(guī)律,進而預測景觀的變化趨勢,最終實現資源的可持續(xù)利用。隨著濕地科學研究的不斷發(fā)展,近年來濕地環(huán)境演變和景觀格局的變化研究已經成為景觀生態(tài)學的研究熱點和重要研究領域[2]。其中對于濱海濕地景觀的動態(tài)變化研究已成為國內外專家探求的熱點問題之一[3-5]。

遼寧省是中國東北地區(qū)唯一的沿海省份,沿海岸線分布有豐富的濱海濕地資源,尤其是遼河三角洲一帶,因濱海濕地分布集中,類型多樣,人為擾動強烈,近年來已成為濱海濕地景觀演變研究的熱點地區(qū)。國內學者王憲禮、肖篤寧等都曾利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術對遼河三角洲濕地的景觀格局,景觀破碎化程度以1986—1994年的景觀變化進行過較系統(tǒng)地研究,揭示了濕地景觀格局的變化程度及其與人類活動的關系[6-8];還有學者進一步就遼河三角洲濕地景觀格局對養(yǎng)分去除功能的影響進行了空間模擬,從而為進行以污染治理為核心的景觀規(guī)劃提供了理論依據[9];一些學者還通過對遼東灣濱海濕地資源近年來景觀演變的研究,分析了區(qū)域經濟發(fā)展及濕地生境自然演變對生態(tài)環(huán)境的影響[10]。徐玲玲等人對盤錦濕地近20 a的動態(tài)變化進行了研究[11],但是利用遙感和地理信息系統(tǒng)等最新技術揭示遼河口地區(qū)濕地從1980年代至2007年的長期變化過程的研究尚不多見[11-14]。進入二十一世紀以來,由于可持續(xù)發(fā)展觀和科學發(fā)展觀在當地生態(tài)環(huán)境管理和社會經濟發(fā)展方面的應用,以及遼河口地區(qū)社會經濟的加速發(fā)展,遼河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量水平較1990年代又有了不小的變化。本研究利用遙感和GIS技術,通過景觀格局分析方法,力圖揭示遼河口地區(qū)在1988—2007年近20 a間,濕地生態(tài)環(huán)境質量的演變軌跡,同時結合多年的氣象資料從溫度、降雨量等氣象因素以及人為活動的干擾等方面闡述了遼河口濕地的變化成因,使得當地政府部門能夠清楚地認識到這期間所采取的保護措施是否取得了預期的成效以及今后還需解決的問題,從而提高遼河口地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量水平,使?jié)竦刭Y源可持續(xù)利用,以達到經濟效益、社會效益、生態(tài)效益的同步發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處40°40′N～41°01′N,122°05′E～122°26′E。遼河流經海城、盤山、大石橋、大洼、營口等市縣,穿行于遼河中下游區(qū)的近海地帶,沿岸屬于濱海與堆積平原,地勢平坦,海拔在3～10 m之間,氣候屬于暖風帶季風氣候,年平均氣溫8.0℃,年均降水量620～730mm,冬季盛行東北風,夏季盛行西南風。

遼河口地區(qū)屬于東北亞經濟圈黃金地段,經濟區(qū)位優(yōu)勢顯著,經濟社會發(fā)展水平居遼寧省前列,人類活動對環(huán)境質量的變遷影響顯著。本研究選取盤錦市和營口市地區(qū)作為研究范圍,后面的計算和分析都以此為對象。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源及處理 本次采用了1988、1995、2001和2007年4期的Landsat-TM影像,根據野外調查與地形圖,各類型遙感數據的波段統(tǒng)計特征及假彩色合成效果,利用ArcGis和ERDAS對數據經過幾何糾正,坐標轉換和增強處理后,使圖像達到最好的效果,建立解譯標志進行了目視解譯,并且借助FRASTATS軟件對研究區(qū)域進行計算獲取該區(qū)景觀空間格局的動態(tài)特征。將該區(qū)域的濕地類型圖在ArcMap里空間分析模塊下生成30 m×30 m的柵格數據,并將4個時期的柵格圖分別兩兩疊加,得到了20 a間遼河口濕地類型變化圖。

1.2.2 景觀類型劃分 以我國土地利用現狀分類系統(tǒng)為依據,結合研究區(qū)域的水文地貌特征,將研究區(qū)劃分為水稻田、蘆葦地、庫塘、養(yǎng)殖區(qū)、灘涂、翅堿蓬、建筑用地等類型。

2 結果分析

2.1 濕地景觀類型的面積變化分析

運用FRAGSTATS景觀格局分析軟件對4期的濕地類型面積進行了計算,得到如表1所示的結果。表2為近20 a遼河口不同濕地類型的面積變化值及其變化速度。為了更加方便直觀地分析各種類型面積的變化,繪制了不同濕地類型的面積比例隨時間變化圖(見圖1)和面積變化率圖(見圖2)。

表1 遼河口濕地類型面積時間變化Table1 The area of wetland types in Liaohe

表2 濕地類型面積變化值Table 2 The area changes of wetland types

圖1 不同濕地類型的面積比例隨時間變化比較圖Fig.1 The changes of area percent with time for wetland types

圖2 不同濕地類型的面積變化率比較圖Fig.2 The rate of area changes of different wetland types

遼河口地區(qū)的水稻田面積從1988—2007年間穩(wěn)步上升,并且在研究區(qū)域中占有較大的比重,在1988—1995年間增加速度非?？?隨后增速減緩。蘆葦田面積在1988年占有較大的比重33.8%,但是到1995年期間其面積急劇驟減,隨后又呈現逐漸增加的趨勢。近20 a間翅堿蓬面積在逐年減少,到2007年只占研究區(qū)總面積的很微小的一部分。灘涂面積在1988—1995年變化最明顯,以較快的速率迅速增加,2001年以后幾乎沒有變化。養(yǎng)殖區(qū)面積呈現穩(wěn)步升高的趨勢,而且變化速率由18.04%增加到46.27%,增長速度快,隨后幾年增加速度有所減緩。庫塘面積在1988—1995年間變化幅度最大,到1995年占據研究區(qū)域最大的比重,2001到2007年間所占比重有所降低。建筑用地面積在1995到2001年間以較大的變化率增加,隨后幾年變化不大。通過分析比較得到:1988—2007年庫塘面積變化最顯著,而且擴大的比例最大;翅堿蓬面積縮小的最明顯;蘆葦田面積變化最不穩(wěn)定;水稻田、養(yǎng)殖區(qū)、建筑用地和灘涂的面積則呈現逐年增加的趨勢。

2.2 濕地景觀類型的轉換特征分析

濕地景觀在數量上的變化反映了其演變的基本特征,而濕地景觀各要素尤其是主要景觀類型的轉化過程更能表現濕地景觀演變的方向、速度和空間差異,并且易于從中分析引起這種演變的驅動因子。本文利用ArcGIS中GRID模塊的空間分析功能分別將1988,1995,2001,2007年的遼河口濕地景觀類型圖兩兩進行疊加計算及統(tǒng)計整理,得到濕地類型之間的轉移矩陣表(見表3～5)。

表3 1988和1995年濕地類型轉移矩陣Table 3 The transfer matrix of wetland types in 1988 and 1995

表4 1995和2001年濕地類型轉移矩陣Table 4 The transfer matrix of wetland types in 1995 and 2001

表5 2001和2007年濕地類型轉移矩陣Table 5 The transfer matrix of wetland types in 2001 and 2007

分析濕地類型面積轉移矩陣表3～5得到1988—2007年遼河口地區(qū)濕地類型轉化的總體情況:建筑用地的增加部分主要來自水稻田、蘆葦田和灘涂的轉化,其減少的部分較少;養(yǎng)殖區(qū)的增加主要來自水稻田的轉化,而同時養(yǎng)殖區(qū)中也有大部分轉化為水稻田;水稻田的增加主要來自養(yǎng)殖區(qū)和蘆葦田的轉化;蘆葦田的增加主要由水稻田、灘涂和養(yǎng)殖區(qū)的轉化。

總的來說,該地區(qū)的濕地類型變化主要表現在自然濕地大量轉化為人工景觀或人工濕地,具體表現在轉化為建筑用地、水稻田、養(yǎng)殖區(qū)。其中轉化為養(yǎng)殖區(qū)的部位主要分布在鄰近河流、海岸一帶;轉為水稻田和建筑用地的部位主要在城鎮(zhèn)或農村居民地等人口密集地區(qū)和靠近養(yǎng)殖的區(qū)域;濕地退化為灘涂的部位主要集中在沿海,河流一帶。由此可見,人類活動對遼河口地區(qū)濕地演變起著關鍵的作用。

3 濕地景觀變化的驅動機制分析

遼河口的濕地景觀格局變化的驅動因素主要包括自然因素和人為活動。自然因素主要有氣候、地質、地貌、水文、植被、土壤等;人為活動主要表現在人口、經濟、政策等方面。自然因素常常在較大的時空尺度上作用于景觀,在大的環(huán)境背景上控制著濕地景觀的變化,而人為活動因素則是在較短的時間尺度上影響濕地的動態(tài)變化的主要驅動力。下面結合盤錦和營口地區(qū)的近20 a來的氣候變化特征和人類活動狀況對遼河口的濕地景觀變化的驅動機制進行分析。

3.1 自然因素驅動力分析

濕地景觀是流域中特殊的景觀類型,水是維系其生態(tài)結構功能和景觀空間特征的支點,是濕地景觀內部及景觀相互間物質流、能量流和信息流的主要載體,因此流域水環(huán)境是促使?jié)竦鼐坝^形成和演變的直接動力因素[15]。其中氣候因素對濕地景觀的變化影響重大。

大氣降水是濕地主要的補給水源,降水量的多少直接影響濕地的面積。選取盤錦和營口地區(qū)的1990—2008年的年均降水量分別進行了統(tǒng)計分析,得到圖3、圖4。

圖3 1990—2008年盤錦地區(qū)年降雨量變化Fig.3 Annual precipition of Panjin area from 1990 to 2008

圖4 1990—2008年營口地區(qū)年降雨量變化Fig.4 Annual precipition of Yingkou area from 1990 to 2008

分析圖3、圖4可以看到:1990—2008年期間盤錦和營口地區(qū)的年降雨量變化顯著,盤錦地區(qū)1990—2008年年平均降雨量為613 mm,營口地區(qū)的年均降雨量為614 mm,2個地區(qū)的年降雨量總體上出現遞減的趨勢。其中盤錦地區(qū)年降雨量的極小值變化不大,但是年降雨量的極大值呈現遞減的趨勢,尤其在1998年前后這種變化趨勢更為明顯,1998年以前的降雨量極大值出現在1991年和1994年,降雨量值分別為854、858 mm。1998—2008年期間出現的降雨量極大值接近于19 a來的年均降雨量水平,分別為1998年的692 mm,2005年的634 mm和2008年的639 mm。營口地區(qū)年降雨量的極大值也出現遞減的趨勢,在2001年前后變化趨勢顯著,2001年以前的極大值出現在1990、1994、1996年,降雨量分別為924、880、842 mm;而2001—2008年期間的極大值出現在2001、2005和2008年,年降雨量分別為677、666、607mm,都接近于年均降雨量水平。

除了降水的影響外,氣溫的變化也是影響濕地景觀變化的重要因素。溫度不僅影響植被的種類、生長狀況和生物量,還影響地表蒸發(fā)和水面蒸發(fā)的過程和強度。選取盤錦和營口地區(qū)1990—2008年的年均氣溫資料分別進行了統(tǒng)計分析,得到圖5、圖6。

圖5 1990—2008年盤錦地區(qū)年均溫度變化Fig.5 Annual mean temperature of Panjin area from 1990 to 2008

圖6 1990—2008年營口地區(qū)年均溫度變化Fig.6 Annual mean temperature of Yingkou area from 1990 to 2008

分析圖5、6可以看到:1990—2008年期間盤錦和營口地區(qū)的年平均氣溫總體上有升高的趨勢,平均每年分別以0.016℃和0.013℃的速率逐年增加。盤錦地區(qū)1990—2001年的年平均氣溫為9.386℃,2002—2008年的年平均氣溫為9.626℃。營口地區(qū)1990—2001年的年平均氣溫為9.943℃,2002—2008年的年平均氣溫為10.293℃。溫度的升高,蒸發(fā)面的飽和水汽壓加大,飽和差增大,加速了蒸發(fā)過程。

綜合以上所述,遼河口地區(qū)的總體的氣候變化趨勢是降水量減少,氣溫升高。降水量的減少會降低上游河流徑流對濕地水量的補給,降低土壤含水量,加劇干旱程度,最終導致蘆葦沼澤的退化。氣溫的升高會加大地表的蒸發(fā)能力,影響濕地面積。總之,就自然因素而言,全球變暖大的背景下導致的氣溫升高,同時遼河口地區(qū)的降雨量減少,是導致濕地面積出現萎縮和退化的主要自然因素。

3.2 人為因素驅動力分析

隨著人類社會發(fā)展到一定的程度,造成了資源的長期過度消耗,人口的急劇增長導致了沉重的經濟壓力,進而造成了巨大的生態(tài)壓力。人類活動的干擾對濕地的影響越來越深刻。本文主要從以下幾個方面來分析一下影響遼河口地區(qū)濕地變化的人為驅動因子。(1)人口急劇增長。選取盤錦和營口地區(qū)作為遼河口地區(qū)的研究范圍,此地區(qū)的總人口數量從1988年的303.2萬增長到2007年的360.7萬。為了應對人口增長的壓力,就會采取相關措施提高單位面積糧食產量,擴大耕地面積。同時由于人口的增長帶來了大量的生活污水導致濕地水資源的污染,加快了自然濕地的退化速度。

(2)經濟迅速發(fā)展。近年來隨著人口數量的急劇增長,大量的自然濕地在人類活動的干擾下被逐漸開墾為經濟效益較大的人工濕地或人工景觀,主要表現在以水田開發(fā)、水產養(yǎng)殖為主的農業(yè)開發(fā)活動,以蘆葦造紙、油氣開發(fā)為主的工業(yè)開發(fā)活動和交通、城鎮(zhèn)居民點等城鎮(zhèn)化建設。近現代人類的經濟活動及區(qū)域開發(fā)歷史作為一種人類外在的脅迫因子疊加于自然因子之上,加快了濕地環(huán)境演變的進程,并使之逐漸偏離原來的自然演化軌跡。

(3)工程建設。為了有效供給農業(yè)用水,修建了各種水利設施,造成的后果是濕地景觀的生態(tài)用水被截留,引起濕地植被的整體退化,生態(tài)功能嚴重受損,水生生物多樣性下降,生物生產力降低。

4 結論

(1)遼河口濕地景觀類型面積隨時間的變化特征主要表現在1988—2007年庫塘面積變化最顯著,而且擴大的比例最大;翅堿蓬面積縮小的最明顯;蘆葦田面積變化最不穩(wěn)定;水稻田、養(yǎng)殖區(qū)、建筑用地和灘涂的面積則呈現逐年增加的趨勢。濕地景觀類型的空間變化特征主要表現在自然濕地大量轉化為人工景觀或人工濕地,具體表現在轉化為建筑用地、水稻田、養(yǎng)殖區(qū),人類活動對濕地的干擾強度增強。

(2)人口的急劇增長,區(qū)域經濟綜合開發(fā)等人為活動是影響遼河口地區(qū)濕地景觀變化的主要驅動力。另外,遼河口地區(qū)的“暖干化”趨勢即氣溫升高,降雨量減少,是導致此地區(qū)自然濕地退化的重要原因。

隨著人口增加,科學技術,社會經濟等的全面發(fā)展勢必會對整個遼河口的變化產生更加深刻的影響,因此保護遼河口濕地景觀勢在必行。制定濕地開發(fā)管理的統(tǒng)一法規(guī),使油氣開采,農業(yè)開發(fā)等經濟活動與濕地保護之間協(xié)調發(fā)展;利用3S技術與計算機技術相結合,建立濕地數據庫,便于正確指導濕地資源的可持續(xù)開發(fā)利用;合理開發(fā)濕地資源,使資源的開發(fā)強度不超過濕地生境更新及恢復的速度;適當地退耕,重建河岸植被帶,以維持濕地的總量平衡。

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Landscape Pattern Changes and Its Driving Mechanism of the Wetland In Liaohe

CHEN Shuang,MA An-Qing,LI Zheng-Yan
(College of Environmental Science and Engineerning,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

By using the technology of GIS/RS and FRAGSTATS,the processess of wetland changes in Liaohe in the year of 1988,1995,2001 and 2007 are analyzed,the characteristics of wetland quantity change and wetland landscape pattern’s dynamics and driving forces are also discussed.The historic data sets are derived from 1988,1995,2001 and 2007 Landsat TM images after supervised classification and visual interpretion.The results indicated that since the year of 1988,the wetland types in Liaohe had changed.The changes of wetland types mainly reflected in a large number of natural wetland into artificial wetland or artificial landscape,which specifically reflected in building land,rice fields and aquculture area.Driving factor analyses showed that the main natural factor was the decrease of precipition meanwhile increase of average air temperature.Main human disturbance factors included the sharp increase of population,economic development activities which were the main driving forces in Liaohe.

wetland;landscape pattern;landscape change;Liaohe;driving forces

X87;X171.1

A

1672-5174(2011)03-081-07

遼河河口區(qū)大型濕地生態(tài)修復關鍵技術與示范研究項目(2008ZX07208-009);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07526-001-02)資助

2010-04-21;

2010-09-03

陳 爽(1986-),女,碩士生,研究方向為GIS與RS在環(huán)境工程中的應用。E-mail:chenshuang191@126.com

**通訊作者:E-mail:maanqing538@yahoo.com.cn

責任編輯 龐 旻