梁佳欣,李新舉*,高峰,許燕

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近30年南四湖濕地景觀類型變化特征

梁佳欣1,李新舉1*,高峰2,許燕2

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 濟(jì)寧市國土資源局采煤塌陷地治理中心, 山東 濟(jì)寧 272017

選取1985、2000年Landsat5 TM及2015年Landsat8 OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，以格網(wǎng)化為基礎(chǔ)，分別利用轉(zhuǎn)移矩陣和景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)對南四湖濕地近30年的景觀類型轉(zhuǎn)移狀況、生態(tài)等級變化情況進(jìn)行定量時空分析，結(jié)果表明：①近30年來南四湖自然濕地面積逐年下降，人工濕地面積逐年上升，非濕地略有增加，由1985年自然濕地為主導(dǎo)的“湖泊-蘆葦-荷田”景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?015年人工濕地主導(dǎo)的“養(yǎng)殖水面-水稻田-湖泊”結(jié)構(gòu)；②湖區(qū)主要呈現(xiàn)出大量自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)移的趨勢，轉(zhuǎn)出面積最顯著的是蘆葦，為501.88 km2，主要轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖水面、水稻田。轉(zhuǎn)入面積最大的是養(yǎng)殖水面，為305.70 km2，主要由蘆葦、荷田及湖泊轉(zhuǎn)化而來；③1985~2000、2000~2015和1985~2015年景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)值分別為-0.73、-0.40和-1.12，景觀生態(tài)等級降低，宏觀生態(tài)狀況驅(qū)差，但后15年較前15年生態(tài)轉(zhuǎn)差程度有所減緩，轉(zhuǎn)化劇烈區(qū)域分布在最容易被人為墾殖的湖區(qū)東西兩側(cè)。

南四湖濕地; 轉(zhuǎn)移矩陣; 景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度; 格網(wǎng)化; 景觀時空變化

斑塊的出現(xiàn)、持續(xù)與消失是區(qū)域景觀格局動態(tài)變化的本質(zhì)[1]，而景觀格局的改變勢必會引起生態(tài)環(huán)境狀況的變化。研究景觀類型間的遷移變化特征，可直接揭示景觀格局演變是有利于提升區(qū)域生態(tài)狀況的良性發(fā)展還是使區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的負(fù)面影響，對充分認(rèn)識景觀變化趨勢及內(nèi)在原因有十分重要的意義[2-6]。

馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣可對景觀類型遷移變化特征做出全面具體的描述。通過轉(zhuǎn)移矩陣分析景觀中各類斑塊的轉(zhuǎn)化狀況，有利于揭示研究時間段內(nèi)各景觀類型間的轉(zhuǎn)移變化規(guī)律，便于了解研究初期各景觀類型的流失去向以及研究期末各來源與構(gòu)成。陳希[2]、張華兵[7]等利用轉(zhuǎn)移矩陣分別對湘江流域和鹽城海岸濕地的景觀類型之間的轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行研究。土地覆被轉(zhuǎn)類指數(shù)由邵全琴提出，用來反映出轉(zhuǎn)類的方向，可對景觀轉(zhuǎn)類的幅度、速度以及生態(tài)等級的變化情況進(jìn)行刻畫。邵全琴[8]、吳丹[9]等利用該指數(shù)分別研究了三江源地區(qū)和長江源區(qū)土地利用類型變化特征和宏觀生態(tài)狀況。褚琳[14]對土地覆被轉(zhuǎn)類指數(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，提出景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)，對遼寧省海岸帶的生態(tài)系統(tǒng)狀況變化進(jìn)行了詳細(xì)刻畫。

本文以1985、2000和2015年的遙感影像作為數(shù)據(jù)源，在ENVI和ArcGIS的支持下，利用轉(zhuǎn)移矩陣、景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)和格網(wǎng)化等方法，從時間和空間相結(jié)合的角度定量探究近30年來南四湖濕地景觀類型轉(zhuǎn)移的方向、幅度大小以及生態(tài)等級變化情況。

1 研究區(qū)概況

南四湖位于山東省西南部（34°27￠N-35°20￠N, 116°34￠E-117°21￠E)，隸屬濟(jì)寧市微山縣,自西北向東南依次由南陽、獨(dú)山、昭陽和微山4個湖泊組成。南四湖南北長126 ?km，東西寬5~25? km，平均水深1.46? m，最大水面面積為1266 ?km2，集流總面積為3543 ?km，是山東省最大的淡水湖泊和南水北調(diào)東線工程主要的調(diào)蓄樞紐。南四湖屬于溫暖帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.7 ℃，年降水量750 mm左右[10]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選取1985年6月25日和2000年5月17日Landsat5 TM遙感影像以及2015年4月25日Landsat8 OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30? m。在ENVI5.1軟件的支持下，進(jìn)行輻射校正、幾何精校正、影像裁剪和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。參考《濕地公約》和微山縣土地利用現(xiàn)狀資料，結(jié)合野外調(diào)查，將南四湖濕地分為3個一級類，10個二級類，分別為天然濕地（湖泊、河流、蘆葦及荷田）、人工濕地（水稻田、人工水渠、養(yǎng)殖水面和水庫坑塘）以及非濕地（居民點(diǎn)及建筑用地、其他用地）。采用基于樣本的面向?qū)ο蠓椒▽τ跋襁M(jìn)行監(jiān)督分類，分割、合并閾值分別設(shè)為36%和94%[11]。使用分層采樣法采集各景觀類型的樣點(diǎn)對分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，總體分類精度均在90%左右，符合精度要求。

2.2 研究方法

2.2.1 轉(zhuǎn)移矩陣模型轉(zhuǎn)移矩陣可分析景觀類型在研究初期和末期的數(shù)量情況以及研究時段內(nèi)的變化情況，探究景觀類型研究初期的流失方向和研究末期的來源構(gòu)成，在一定程度上還能指示景觀類型在未來的變化趨勢[12]。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)公式可表示為：

式中：為面積；n為景觀類型數(shù)；、分別為期初與期末的景觀類型。

2.2.2 景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)以前人[13,14]的研究作為參考，根據(jù)二級分類來構(gòu)建南四湖景觀類型生態(tài)等級分級指數(shù)（表1），該表排除了實(shí)際情況下不同景觀類型混合存在于同一區(qū)域的狀況。分級指數(shù)越接近1，生態(tài)等級越高。

表1 各景觀類型的生態(tài)等級分級指數(shù)

式中：L為景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)；為景觀類型；為區(qū)域總面積；A為第個景觀類型一次轉(zhuǎn)類的面積；D、D分別為轉(zhuǎn)化前、后的分級指數(shù)。L為負(fù)，生態(tài)等級與宏觀生態(tài)狀況轉(zhuǎn)差，且絕對值越大，轉(zhuǎn)差程度越大。反之，生態(tài)等級與宏觀生態(tài)狀況轉(zhuǎn)好，數(shù)值越大，轉(zhuǎn)好程度越大。

2.2.3 格網(wǎng)化利用網(wǎng)格作為研究單元有助于探究空間分布與分異規(guī)律，彌補(bǔ)用區(qū)域均值代替整個區(qū)域狀況的缺陷[15]。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，運(yùn)用ArcGIS創(chuàng)建1 km×1 km的網(wǎng)格，利用疊加分析和字段計(jì)算器獲取每個網(wǎng)格的景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)值，并將結(jié)果進(jìn)行空間化。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型空間分布分析

近30年南四湖濕地各景觀類型空間分布和面積情況發(fā)生了重大變化（圖1、表2），由1985年自然濕地為主導(dǎo)的“湖泊-蘆葦-荷田”景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?000年自然、人工濕地雙向主導(dǎo)的“湖泊-蘆葦-水稻田-養(yǎng)殖水面”結(jié)構(gòu)再轉(zhuǎn)化成2015年人工濕地主導(dǎo)的“養(yǎng)殖水面-水稻田-湖泊”結(jié)構(gòu)。自然濕地中，湖泊水面向湖中心萎縮，由1985年的511.84 km2減小到2015年的422.64 km2；蘆葦、荷田由西南向北不斷縮減，蘆葦由1985年的433.23 km2減小為2015年的26.66 km2，荷田則由1985年的170.61 km2減小為2015年的11.76 km2。人工濕地中，上級湖東北角和下級湖西南角的水稻田連片增加，占總面積比重由1985年的2.59%增加到2015年的8.38%；養(yǎng)殖水面沿著自然濕地減少的方向由西南、東北朝湖中心劇烈擴(kuò)張，占總面積比重由1985年的0.38%增加到2015年的43.80%。非濕地中，居民點(diǎn)及建筑用地30年間共增加了10.69 km2，與南四湖附近的人口數(shù)量增加有關(guān)。

圖 1 1985~2015年南四湖濕地景觀類型空間分布圖

表 2 1985~2015年南四湖濕地景觀類型面積變化情況

3.2 景觀類型轉(zhuǎn)移情況分析

分析轉(zhuǎn)移矩陣可知（表3、表4），1985~2000年養(yǎng)殖水面增加最多（311.76 km2），主要由自然濕地中的蘆葦、湖泊及荷田轉(zhuǎn)化而來。減少最多的是蘆葦與荷田（274.38 km2、136.32 km2），蘆葦主要轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖水面、水稻田和其他用地，荷田主要轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖水面。表明這一時段南四湖區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大調(diào)整，不再是單一的種植業(yè)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅速得到發(fā)展[16]。2000~2015年，養(yǎng)殖水面持續(xù)增長（272.94 km2），主要由蘆葦、荷田、湖泊、水稻田和其他用地轉(zhuǎn)入。湖泊也有所增加（81.94 km2），2002年開展生態(tài)補(bǔ)水工程后，水域面積增加，蘆葦、荷田等挺水植物退化并轉(zhuǎn)為湖泊。蘆葦、湖泊及荷田減少最為顯著（227.50 km2、70.90 km2和32.35 km2）。人口增加帶來的資源需求量增長和水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步刺激了當(dāng)?shù)鼐用駥^(qū)的開發(fā)。

1985~2015年絕大部分景觀都發(fā)生了轉(zhuǎn)變(圖2)，轉(zhuǎn)出面積最顯著的是蘆葦，其次是湖泊及荷田。轉(zhuǎn)入面積最大的是養(yǎng)殖水面，其次為水稻田、湖泊和其他用地。湖區(qū)呈現(xiàn)出大量自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)移的趨勢，表明1985~2015年間水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)成為南四湖區(qū)農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)方向，土地開發(fā)利用速度加快，現(xiàn)代化進(jìn)程不斷推進(jìn)。

表3 1985~2000年南四湖濕地景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣（km2）

表4 2000~2015年南四湖濕地景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣（km2）

圖2 1985~2015年南四湖濕地景觀類型轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入面積

3.3 景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度分析

1985~2000年景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)為-0.73，整體生態(tài)級別降低，宏觀生態(tài)狀況變差。L在-3.00~-1.76的低值區(qū)主要分布在南陽湖西北部、昭陽湖中部和南部及微山湖西部和南部（圖3）。該時段湖區(qū)周邊人口數(shù)量的增加引起資源需求量增長，再加上受持續(xù)干旱和降雨量波動的影響，湖區(qū)水位下降，湖泊水面轉(zhuǎn)化成向陸地過渡的沼澤，為人類開發(fā)提供了有利條件，導(dǎo)致湖岸處的蘆葦、荷田被開墾成水稻田和養(yǎng)殖水面。2000~2015年景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)為-0.40，仍朝著低生態(tài)級別發(fā)展。L在-3.00~-1.63的低值區(qū)出現(xiàn)于南陽湖和獨(dú)山湖的西部、昭陽湖東部及微山湖北部和西部。水產(chǎn)養(yǎng)殖和糧食種植為當(dāng)?shù)鼐用駧砹丝捎^收益，驅(qū)動人們進(jìn)一步擴(kuò)大農(nóng)業(yè)規(guī)模。城鎮(zhèn)化發(fā)展加快，也導(dǎo)致更多自然濕地向人工濕地、非濕地轉(zhuǎn)移。

近30年景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)為-1.12，L為-4.00~-1.53的低值區(qū)占研究區(qū)的45.19%，表明南四湖總體生態(tài)等級降低，宏觀生態(tài)狀況驅(qū)差。L低值區(qū)分布在湖區(qū)東西兩側(cè)，最低值出現(xiàn)在南陽湖和微山湖。從時間上看，1985~2000年景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)的絕對值小于2000~2015年，表明前15年為轉(zhuǎn)化高峰期，大量水陸交界處較高生態(tài)級別的景觀類型被人為開發(fā)成較低生態(tài)級別的景觀類型。后15年轉(zhuǎn)化強(qiáng)度減緩，生態(tài)狀況略有恢復(fù)，與態(tài)補(bǔ)水工程、南四湖省級保護(hù)區(qū)建立和退耕還濕的開展有關(guān)。從空間上看，后15年L低值區(qū)向湖心擴(kuò)張，人為干擾由湖岸向湖心轉(zhuǎn)移，對自然開發(fā)力度加劇。

圖3 南四湖濕地不同時段景觀生態(tài)等級轉(zhuǎn)化強(qiáng)度空間分布圖

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）從景觀類型空間分布來看，近30年來，南四湖自然濕地面積逐年下降，人工濕地面積逐年上升，非濕地略有增加，由1985年自然濕地為主導(dǎo)的“湖泊-蘆葦-荷田”景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?015年人工濕地主導(dǎo)的“養(yǎng)殖水面-水稻田-湖泊”結(jié)構(gòu)，反映出人為干擾對南四湖景觀格局的影響；

（2）從景觀類型轉(zhuǎn)移情況來看，近30年各景觀類型都發(fā)生了轉(zhuǎn)移，湖區(qū)主要呈現(xiàn)出大量自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)移的趨勢，表明水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)成為南四湖區(qū)農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)方向，土地開發(fā)利用速度加快。轉(zhuǎn)出面積最顯著的是蘆葦，為501.88 km2，主要轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖水面、水稻田。轉(zhuǎn)入面積最大的是養(yǎng)殖水面，為305.70 km2，主要由蘆葦、荷田及湖泊轉(zhuǎn)化而來；

（3）從景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度來看，1985~2000、2000~2015和1985~2015年景觀轉(zhuǎn)類指數(shù)分別為-0.73、-0.40和-1.12，景觀生態(tài)等級降低，宏觀生態(tài)狀況驅(qū)差，轉(zhuǎn)化劇烈區(qū)域分布在最容易被人為墾殖的湖區(qū)東西兩側(cè)。后15年較前15年生態(tài)轉(zhuǎn)差程度有所減緩，生態(tài)狀況略有恢復(fù)，與態(tài)補(bǔ)水工程、南四湖省級保護(hù)區(qū)建立和退耕還濕的開展有關(guān)。

4.2 討論

本文結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣、景觀類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度指數(shù)和格網(wǎng)化等方法，從時空角度定量探究近30年來南四湖濕地景觀類型轉(zhuǎn)移的方向、幅度大小以及生態(tài)等級變化情況，但也存在一定的不足：①研究跨度為1985~2015年，但只對3期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若能縮短研究時間節(jié)點(diǎn)的間隔，以更多的影像為數(shù)據(jù)源，將有助于詳盡分析南四湖濕地景觀格局及宏觀生態(tài)狀況的變化過程；②由于數(shù)據(jù)獲取的有限性，選用的遙感數(shù)據(jù)為鄰近月份，沒有剔除天氣變化、水位變化對研究結(jié)果的干擾。人口增加、資源短缺和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素加快了近30年南四湖區(qū)自然濕地向人工濕地轉(zhuǎn)移的速度，降低了湖區(qū)景觀生態(tài)等級。如何權(quán)衡資源掠奪性開發(fā)與南四湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定動態(tài)平衡之間的關(guān)系，并提出切實(shí)可行的管理保護(hù)意見將是下一步的研究重點(diǎn)。

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Change Features of Landscape Types in Nansi Lake Wetland over the Past 30 Years

LIANG Jia-xin1, LI Xin-ju1*, GAO Feng2, XU Yan2

1.271018,2.272017,

Transition matrix and the index of landscape type change intensity were used to the quantitative spatiotemporal analysis of the landscape type transfer and the changes of ecological grade in Nansi Lake wetland, Landsat5 TM in 1985, 2000 and Landsat8 OLI remote sensing images in 2015 as data sources and grid model as the basis. The results showed that：① In the past 30 years, the natural wetland in Nansihu Lake has decreased year by year, the artificial wetland has increased year by year, and the non-wetland has increased slightly. The Landscape structure of "Lake, Reed and Lotus" dominated by natural wetlands in 1985 was transformed into the "Aquaculture water, Rice paddy Field and Lake" structure dominated by artificial wetlands in 2015. ②There was a trend that a large number of natural wetlands were transferred to artificial wetlands in the lake area. The most significant reduced area was reed with 501.88 km2, which was mainly transformed into aquaculture surface and rice fields. The largest expanded area was aquaculture water with 305.70 km2, and it primarily came from reed, lotus fields and lake. ③The change intensity index values of landscape types in 1985/2000, 2000/2015 and 1985-2015 were -0.73/-0.40 and -1.12, respectively. The landscape ecological grade was reduced, the macro ecological condition became worse, the degree of ecological deterioration in the latter 15 years had slowed down, and the region with the greatest transformation was on the east and west sides of the lake, which was most susceptible to artificial reclamation.

Nansi Lake wetland; transition matrix; landscape type change intensity; grid model; spatio-temporal variations of landscape

S342.2

A

1000-2324(2018)03-0433-05

2017-02-22

2017-06-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171425)

梁佳欣(1992-),女,碩士研究生,主要從事資源環(huán)境遙感、土地利用規(guī)劃等研究. E-mail:jxliang201609@126.com

Author for correspondence. E-mail:lxj0911@126.com