胡遠(yuǎn)東

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

達(dá)良俊

(華東師范大學(xué))

許大為

(東北林業(yè)大學(xué))

繆 丹

(大慶市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院)

馬 琳 祝 寧

(東北林業(yè)大學(xué))

景觀空間格局是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列，它是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn)，又是各種生態(tài)過(guò)程在不同尺度上相互作用的結(jié)果，屬于生命組建的一種宏觀分異性狀［1－2］。景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化分析是景觀生態(tài)學(xué)的核心內(nèi)容之一，通過(guò)景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化的研究可以準(zhǔn)確把握景觀結(jié)構(gòu)和功能的變化情況［3－4］。近年來(lái)，景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化分析成為景觀生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)和重要研究領(lǐng)域［5－6］，大多集中在城市、綠地、天然森林、自然濕地等領(lǐng)域［7－10］，而針對(duì)城市濕地景觀格局變化的研究報(bào)道較少。城市濕地作為城市景觀資源和城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅具有重要社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，更具有無(wú)與倫比的美學(xué)價(jià)值。研究其景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化，對(duì)城市濕地資源的可持續(xù)利用具有重要意義。龍鳳濕地自然保護(hù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“龍鳳濕地”)作為我國(guó)目前最大的“城中濕地”，對(duì)大慶市及周邊地區(qū)生態(tài)安全的維護(hù)及生物多樣性保護(hù)具有重大的戰(zhàn)略意義，目前學(xué)術(shù)界對(duì)其已有的研究較少，且大多屬于定性分析。因此，筆者結(jié)合3S技術(shù)與景觀生態(tài)學(xué)方法，定量化研究龍鳳濕地及周邊(1 km范圍內(nèi))近30 a以來(lái)景觀格局的演化規(guī)律及特征，為進(jìn)一步探討其驅(qū)動(dòng)機(jī)制以及恢復(fù)破壞的濕地生態(tài)環(huán)境、保護(hù)生物多樣性和維持區(qū)域生態(tài)安全提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

龍鳳濕地位于黑龍江省大慶市東城區(qū)，于2003年正式成為省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，距市中心5 km，屬于典型城市濕地。地理位置為東經(jīng) 124°15'～ 125°07'，北緯 46°28'～ 46°33'，總面積6 211 hm2。龍鳳濕地是集生物多樣性保護(hù)、科學(xué)研究、宣傳教育、生態(tài)旅游等多功能于一體的綜合性自然保護(hù)區(qū)，整個(gè)濕地自然保護(hù)區(qū)對(duì)調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)貧夂蚝途S護(hù)區(qū)域生態(tài)安全具有不可替代的作用。龍鳳濕地自然保護(hù)區(qū)地勢(shì)低洼平坦，區(qū)內(nèi)泡沼相間，自然坡降小于1/1 000。地質(zhì)構(gòu)造是由第四紀(jì)河湖沖積、洪積和沉積相連續(xù)的一級(jí)階地，主要是由嫩江、烏裕爾河和雙陽(yáng)河沖積形成的平原地形。保護(hù)區(qū)地處中緯度地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季明顯，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。四季溫差較大，年平均氣溫4.5℃，年平均降水量373.4 mm，年蒸發(fā)量960.7 mm，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量。

考慮到城市化過(guò)程對(duì)龍鳳濕地保護(hù)區(qū)的影響，同時(shí)由于景觀生態(tài)格局具有強(qiáng)烈的尺度效應(yīng)，本文選取的研究區(qū)域的范圍在濕地保護(hù)區(qū)原劃定的邊界范圍基礎(chǔ)上，向外平均擴(kuò)展1 km。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與獲取

研究選取的遙感數(shù)據(jù)源為覆蓋龍鳳濕地自然保護(hù)區(qū)的1979、1989、2001、2008 年 4 期 Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，影像時(shí)相均集中于7～9月份;同時(shí)選用研究區(qū)域相近時(shí)期的濕地資源分布圖、土地利用矢量圖和柵格圖、1∶10 000地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖和行政區(qū)劃圖等資料輔助遙感信息的解譯。

2.2 遙感影像預(yù)處理與信息提取

應(yīng)用ERDAS IMAGINE9.2遙感影像處理系統(tǒng)，對(duì)研究區(qū)域1979、1989、2001、2008年4個(gè)時(shí)期的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行處理，獲取相應(yīng)年份的土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)。在利用原始遙感影像監(jiān)測(cè)龍鳳濕地動(dòng)態(tài)變化之前，對(duì)原始影像進(jìn)行預(yù)處理，包括投影變換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、幾何校正、去噪、波段合成、輻射校正、直方匹配和裁剪等步驟預(yù)處理之后，對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，提高判讀性。最后結(jié)合研究區(qū)域的地形圖、航片、水文專題圖、土地利用現(xiàn)狀圖等資料以及GPS野外調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域的土地覆被信息進(jìn)行人工解譯。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用多次、多重的人機(jī)交互解譯，并對(duì)判讀精度進(jìn)行評(píng)判。本次解譯結(jié)果通過(guò)75個(gè)樣點(diǎn)與地類點(diǎn)的檢查，共有64個(gè)外業(yè)點(diǎn)與分類結(jié)果相符，相符率達(dá)到85%，與實(shí)地不符的分類根據(jù)實(shí)際調(diào)查的外業(yè)調(diào)查資料進(jìn)行人工目視糾錯(cuò)。

2.3 景觀類型分類

限于原始遙感影像的分辨率相對(duì)較低，在考慮獲取土地覆被信息的前提下，土地利用分類力求簡(jiǎn)單且滿足研究的需要。根據(jù)龍鳳濕地保護(hù)區(qū)及其周邊土地覆被特點(diǎn)，景觀的分類標(biāo)準(zhǔn)參照我國(guó)通用的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》的土地用途、利用方式、覆蓋特征等因素，將龍鳳濕地保護(hù)區(qū)景觀類型歸結(jié)為8類:沼澤地(主要生長(zhǎng)濕生植物的土地)、水體(主要是自然水域)、城市建設(shè)用地、農(nóng)田、草地、林地(包括自然林和人工林)、魚(yú)塘和裸地(包括沙地、鹽堿地和未利用土地等)。

2.4 景觀空間格局的分析方法及指數(shù)提取

根據(jù)土地利用的屬性數(shù)據(jù)獲得1979、1989、2001、2008年的土地覆被數(shù)據(jù)，并分析研究區(qū)域景觀格局的動(dòng)態(tài)變化和景觀成分的轉(zhuǎn)移過(guò)程。同時(shí)將IMG格式的文件轉(zhuǎn)換成GRID格式的數(shù)據(jù)，利用 FRAGSTATS3.3軟件計(jì)算景觀格局指數(shù)［12－13］。

景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究普遍采用景觀格局指數(shù)。景觀格局指數(shù)不但可以比較不同景觀類型之間結(jié)構(gòu)特征上的差異，而且還可以用來(lái)定量描述和監(jiān)測(cè)空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化［14－18］。考慮到自然景觀的復(fù)雜性、景觀指數(shù)本身的缺陷以及前人的研究成果，本文對(duì)龍鳳濕地保護(hù)區(qū)景觀格局進(jìn)行分析時(shí)，主要從斑塊級(jí)別、類型級(jí)別、景觀級(jí)別3個(gè)層次選取指標(biāo)來(lái)研究龍鳳濕地保護(hù)區(qū)的景觀格局特征，選取的指數(shù)包括:斑塊數(shù)量(NP)、斑塊總面積(CA)、斑塊面積比(PL，A，N，D)、斑塊密度(PD)、邊界密度(ED)、最大斑塊指數(shù)(LP，I))、景觀形狀指數(shù)(LS，I)、多樣性指數(shù)(SH，D，I)、優(yōu)勢(shì)度(DI)、面積—周長(zhǎng)比分維數(shù)(PA，F(xiàn)，D)等指數(shù)來(lái)分析研究區(qū)域景觀的空間格局及動(dòng)態(tài)變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局現(xiàn)狀

根據(jù)1979、1989、2001、2008年的遙感數(shù)據(jù)，在 GIS軟件支持下獲取了研究區(qū)域近30a以來(lái)各類型景觀斑塊組成及變化情況(表1)，以及4 個(gè)不同時(shí)期(1979、1989、2001、2008 年)的景觀斑塊類型分類圖(圖1)。

表1 研究區(qū)域1979、1989、2001、2008年各類型景觀斑塊組成及變化 hm2

圖1 龍鳳濕地保護(hù)區(qū)1979、1989、2001、2008年景觀斑塊類型分類

從解譯結(jié)果(圖1、表1)可以看出:沼澤地是龍鳳濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)的主要土地覆被類型，目前所占面積最大，達(dá)到4 311 hm2;林地面積相對(duì)很少，僅為29 hm2，且多數(shù)為人工林;另外，裸地面積近年來(lái)呈增加趨勢(shì)，且所占面積較大，2008年達(dá)到1 710 hm2。隨著城市化進(jìn)程的加快，龍鳳濕地及周邊區(qū)域的土地利用/土地覆被類型發(fā)生了顯著變化。近30 a來(lái)，城市建設(shè)用地面積增加1 293 hm2，而沼澤地等自然生態(tài)用地面積大幅減少，30 a間沼澤地減少2 270 hm2，這主要與圍墾養(yǎng)殖、城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和環(huán)境污染有關(guān)。1989年以后，還出現(xiàn)了魚(yú)塘這一新的斑塊類型，部分水域被分割成大大小小的圍堰作為養(yǎng)殖業(yè)基地。未來(lái)，隨著大慶“東移北擴(kuò)”城市發(fā)展戰(zhàn)略的加快實(shí)施、城市建設(shè)用地的進(jìn)一步擴(kuò)張，整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)將面臨更大的壓力和威脅。

3.2 各個(gè)景觀要素變化特征

表2主要反映龍鳳濕地保護(hù)區(qū)各個(gè)景觀斑塊類型變化特征。

表2 1979、1989、2001、2008年龍鳳濕地保護(hù)區(qū)景觀斑塊類型特征值

3.2.1 景觀斑塊特征

從表2可以看出，1979年，各景觀組分擁有斑塊數(shù)(NP)最多的為裸地，302個(gè)，其次為城市建設(shè)用地，217個(gè)，最小為水體(域)，19個(gè)，分布很不均勻，差異非常明顯。1989年，各景觀組分擁有的斑塊數(shù)分布也很不均勻，其中林地斑塊數(shù)位居第一位，為505個(gè)，其次為城市建設(shè)用地，431個(gè)，最少為魚(yú)塘(新增景觀類型)，37個(gè)，差異逐步明顯。2001年，各景觀組分擁有的斑塊數(shù)最多的為水體(域)，802個(gè)，城市建設(shè)用地仍位居第二位，斑塊數(shù)為771個(gè)，魚(yú)塘仍為斑塊數(shù)量最少(41個(gè))的景觀類型。2008年，斑塊數(shù)量最多的景觀組分為城市建設(shè)用地，其次為裸地，433個(gè)，最少的仍為魚(yú)塘，34個(gè)。

景觀斑塊密度反映景觀整體斑塊分化程度，斑塊密度越高，表明一定面積上異質(zhì)景觀要素斑塊數(shù)量多，斑塊規(guī)模小，景觀異質(zhì)性越高。當(dāng)斑塊密度按景觀要素類型分別統(tǒng)計(jì)時(shí)，通過(guò)比較分析可以說(shuō)明不同景觀要素在景觀空間結(jié)構(gòu)中的作用和特點(diǎn)。1979年，斑塊密度最大的為城市建設(shè)用地。到2001年，水體(域)的斑塊密度上升為最大，且上升幅度也很大，說(shuō)明其破碎程度增強(qiáng)，受到人類干擾程度較大，這種斑塊破碎、分散的格局，使它們的邊緣效應(yīng)也相對(duì)較強(qiáng)，具有較強(qiáng)的輻射作用。到2008年，城市建設(shè)用地的斑塊密度升為第一位，說(shuō)明大慶“東移北擴(kuò)”的城市發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施進(jìn)程不斷加快，城市道路和其它基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)及周邊的濕地、林地和草地等自然資源的“侵占”和“滲透”也逐步加快，由于濕地植被等自然資源破壞程度進(jìn)一步加快，龍鳳濕地保護(hù)區(qū)面臨的生態(tài)壓力逐步加大。

3.2.2 景觀斑塊形狀特征及形狀指數(shù)

景觀類型的邊界密度(ED)是指景觀類型周長(zhǎng)與類型面積的比例，是一個(gè)景觀類型單位面積所擁有周長(zhǎng)的度量。單位面積上的周長(zhǎng)值越大，景觀類型被邊界分割的程度越高;反之，景觀類型保存完好、連通性高。因此，該指標(biāo)在一定程度上反映了景觀類型的破碎化程度［17］。

從表3可以看出:1979年和2001年邊界密度最高者為裸地，1989年和2008年邊界密度最高者為城市建設(shè)用地。根據(jù)4個(gè)時(shí)期的邊界密度變化特征，可認(rèn)為城市建設(shè)用地和裸地對(duì)整個(gè)景觀格局變化的影響程度最高。

景觀形狀指數(shù)(LS，I)反映景觀斑塊的復(fù)雜程度，指數(shù)數(shù)值越大，斑塊形狀越復(fù)雜。從解譯結(jié)果來(lái)看，1979、1989、2001、2008年4個(gè)不同時(shí)期的形狀指數(shù)最大的景觀類型依次為裸地、林地、水體、城市建設(shè)用地。另外，從不同時(shí)期的排序來(lái)看，各景觀類型形狀指數(shù)均有升高，說(shuō)明大部分景觀類型均趨于復(fù)雜化。

3.3 景觀動(dòng)態(tài)變化總體特征

選取斑塊總數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度和面積—周長(zhǎng)比分維數(shù)等指數(shù)，對(duì)研究區(qū)域1979、1989、2001和2008年各時(shí)期的景觀格局進(jìn)行定量分析，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 1979、1989、2001、2008年研究區(qū)域景觀格局總體特征值

3.3.1 斑塊總數(shù)變化特征

從整個(gè)研究區(qū)域斑塊總數(shù)的變化來(lái)看，近30 a來(lái)，斑塊總數(shù)整體呈上升趨勢(shì)(由1979年的938個(gè)增加到2008年的2 341個(gè))，造成了研究區(qū)域景觀的破碎化程度不斷加劇。這主要與研究區(qū)域內(nèi)人為干擾活動(dòng)(污水不達(dá)標(biāo)排放、地下水過(guò)度開(kāi)采、發(fā)展養(yǎng)殖和旅游開(kāi)發(fā))不斷增強(qiáng)相關(guān)。但2001年以后斑塊數(shù)目有下降的趨勢(shì)，這與近年來(lái)當(dāng)?shù)卣竦乇Ｗo(hù)區(qū)、加強(qiáng)保護(hù)區(qū)管護(hù)以及實(shí)施水系整理、土地治理和植被恢復(fù)等生態(tài)工程有關(guān)。

3.3.2 景觀多樣性特征

景觀類型多樣性常用多樣性指數(shù)(SH，D，I)和優(yōu)勢(shì)度(DI)來(lái)測(cè)定。由表3可以看出，1979、1989、2001、2008年4個(gè)不同時(shí)期的景觀多樣性指數(shù)依次呈上升趨勢(shì)，但變化幅度不大。景觀多樣性的增加是由于土地利用越來(lái)越豐富所致。由于景觀多樣性的增加，龍鳳濕地保護(hù)區(qū)的景觀優(yōu)勢(shì)度從1979年的0.85減少到2008年的0.38，這意味著研究區(qū)域景觀多樣性增加，優(yōu)勢(shì)度減小。景觀類型趨于多樣性、均勻性發(fā)展，主要是由于人類活動(dòng)干擾程度的增加，導(dǎo)致了景觀破碎化程度加劇，使景觀穩(wěn)定性降低。

3.3.3 景觀形狀特征

面積—周長(zhǎng)比分維數(shù)(PA，F(xiàn)，D)主要是定量描述景觀類型的復(fù)雜程度，其中周長(zhǎng)—面積比分維數(shù)值越大，景觀形狀越復(fù)雜。由表3可以看出，1979、1989、2001、2008年4個(gè)不同時(shí)期的PA，F(xiàn)，D值都很接近，但基本處于上升趨勢(shì)，景觀形狀也逐步趨于復(fù)雜。

3.4 不同時(shí)段景觀轉(zhuǎn)移過(guò)程及貢獻(xiàn)面積

在GIS技術(shù)的支持下，對(duì)研究區(qū)域不同時(shí)段(1979—1989、1989—2001、2001—2008年)的土地利用/土地覆被變化圖進(jìn)行疊加，得到了龍鳳濕地保護(hù)區(qū)4個(gè)不同時(shí)期之間不同景觀組分的轉(zhuǎn)移過(guò)程及貢獻(xiàn)面積(表4、表5、表6)。

表4 1979—1989年研究區(qū)域景觀轉(zhuǎn)移過(guò)程及貢獻(xiàn)面積 hm2

表5 1989年—2001年研究區(qū)域景觀轉(zhuǎn)移過(guò)程及貢獻(xiàn)面積hm2

表6 2001—2008年研究區(qū)域景觀轉(zhuǎn)移過(guò)程及貢獻(xiàn)面積 hm2

從單一土地覆被物的轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)看，近30 a來(lái)沼澤地向城市建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的貢獻(xiàn)率最大，表明城市化過(guò)程是造成沼澤地萎縮、濕地植被減少、濕地功能退化的主要原因，同時(shí)，城市建設(shè)用地的開(kāi)發(fā)和建設(shè)，也相應(yīng)地使污染物排放量增加，加速了濕地萎縮和退化。從景觀變化的結(jié)果來(lái)看，近30 a來(lái)龍鳳濕地保護(hù)區(qū)及周邊區(qū)域的土地利用方式變化顯著，城市建設(shè)用地大幅增加，沼澤地、林地等自然資源類型逐年減少，濕地生態(tài)安全面臨嚴(yán)重威脅。

4 結(jié)論與討論

景觀格局演變研究表明，自1979年以來(lái)，研究區(qū)域的主要斑塊類型，即體現(xiàn)龍鳳濕地主要生境特點(diǎn)的沼澤濕地的斑塊面積不斷減少，斑塊數(shù)量大幅度增加，生境破碎化嚴(yán)重;而作為人為干擾活動(dòng)的主要形式——城市擴(kuò)張過(guò)程，造成了城市建設(shè)用地斑塊面積和數(shù)量急劇增加;另外，對(duì)整個(gè)景觀格局變化影響程度較高的斑塊類型——裸地，其斑塊面積仍然較大，斑塊數(shù)量也呈增加趨勢(shì)。

研究區(qū)域1979、1989、2001、2008年4個(gè)不同時(shí)期土地利用/土地覆被的變化，導(dǎo)致龍鳳濕地整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降、生境破碎化嚴(yán)重。尤其從沼澤地、城市建設(shè)用地和裸地等單一土地覆被物的變化結(jié)果和轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)看，城市建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張，是造成研究區(qū)域沼澤地面積減少和整體景觀破碎化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

另外，環(huán)境污染也是導(dǎo)致龍鳳濕地保護(hù)區(qū)格局變化不可忽視的因素:工業(yè)廢水、生活廢水、農(nóng)藥、化肥及石油類等污染物大量排入濕地，據(jù)目前調(diào)查分析，目前龍鳳濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)的水質(zhì)屬于劣 V 類［18］，部分指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)［18－19］，長(zhǎng)期的排污導(dǎo)致濕地生物多樣性減少、濕地面積銳減、生態(tài)功能嚴(yán)重退化。

龍鳳濕地自然保護(hù)區(qū)地處大慶市東城區(qū)，隨著大慶城市“東移北擴(kuò)”發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整，東部城市的急劇擴(kuò)張導(dǎo)致龍鳳濕地保護(hù)區(qū)呈“孤島”形式鑲嵌在快速城市化區(qū)域中。因此，有關(guān)部門(mén)應(yīng)該切實(shí)加強(qiáng)龍鳳濕地資源的保護(hù)、加快受損濕地的生態(tài)恢復(fù)、嚴(yán)格控制各類污染物的排放。

以遙感影像作為基本信息源，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，利用不同時(shí)期遙感影像的比較，研究景觀空間格局及其動(dòng)態(tài)變化特征，可以快速地獲取景觀動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)信息，為濕地資源的科學(xué)管理、保護(hù)與可持續(xù)利用提供了科學(xué)輔助決策支持，并已經(jīng)成為景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中一種比較有效的研究方法［4，20－21］。但值得注意的是，針對(duì)同一研究區(qū)域進(jìn)行景觀格局及動(dòng)態(tài)變化分析時(shí)，應(yīng)盡量選用分辨率相同、拍攝時(shí)段比較接近的遙感影像，以有利于提高遙感影像解譯判讀的準(zhǔn)確性和研究結(jié)果的精確性。本文在研究過(guò)程中，就遇到了類似問(wèn)題，所利用的4期遙感影像分別為MSS、TM、ETM和ETM+影像，4期分辨率也不完全相同，研究結(jié)果必然存在一定的誤差，但不影響到龍鳳濕地保護(hù)區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)變化的總體趨勢(shì)。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像的分辨率在不斷提高，如何消除或降低由于影像拍攝時(shí)段不同或分辨率不同造成的研究結(jié)果誤差，也是未來(lái)需要進(jìn)一步深入研究和探討的問(wèn)題。

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