呂金霞， 蔣衛(wèi)國,， 王文杰， 劉穎慧， 鄧越， 王曉雅

(1.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部環(huán)境遙感與數(shù)字城市北京市重點實驗室，北京 100875； 2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室，北京 100875； 3.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室， 北京 100875； 4.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

濕地是水陸相互作用形成的獨特生態(tài)系統(tǒng)，具有維持物種多樣性、調(diào)蓄洪水、保護(hù)土壤和凈化水質(zhì)等生態(tài)服務(wù)功能[1-2]。由于人口數(shù)量的增加和城市化快速發(fā)展，人類對濕地資源的過度及不合理利用，濕地面積不斷喪失，濕地生態(tài)環(huán)境面臨巨大的威脅。特別是近百年來，人類活動對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)及景觀格局的影響日益突出[3]。

作為繼深圳經(jīng)濟特區(qū)和上海浦東新區(qū)之后又一具有全國意義的新區(qū)，雄安新區(qū)內(nèi)分布有華北平原最大的湖泊濕地——白洋淀濕地，素有“華北之腎”之稱，在雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)中占據(jù)重要的地位，因此探究雄安新區(qū)濕地景觀演變與人類活動影響，對雄安新區(qū)城市發(fā)展、環(huán)境保護(hù)具有重要意義。景觀指數(shù)可以反映景觀結(jié)構(gòu)的組成、空間配置特征[4]，一些學(xué)者利用景觀指數(shù)分析雄安新區(qū)境內(nèi)白洋淀濕地景觀的演變過程。李建國等[5]、張敏等[6]和白軍紅等[7]都通過對白洋淀濕地景觀研究表明，影響濕地景觀演變的驅(qū)動力主要是人口和社會經(jīng)濟的發(fā)展。如何分析濕地景觀與人為干擾之間的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量人類活動與濕地生態(tài)系統(tǒng)之間的影響研究。Abdullah等[8]對馬來西亞雪蘭莪州土地利用景觀動態(tài)變化研究指出，人為活動在很大程度上影響自然生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展； 時玉濤等[9]通過對灤河口濕地研究發(fā)現(xiàn)，由于灤河上游修建大量蓄水工程，對河口濕地生物多樣性造成了一定的負(fù)面影響； 陳愛蓮等[10]對雙臺子濕地的研究表明，人類活動空間分布在河口和河道的生態(tài)干擾跳躍性最大，城市周圍的干擾度最大。

人為干擾強度影響著濕地生態(tài)環(huán)境的變化，以往的研究多關(guān)注濕地結(jié)構(gòu)特征，對濕地景觀空間分異規(guī)律分析較少。本文以雄安新區(qū)作為研究區(qū)域，利用移動窗口法對濕地景觀格局空間分布進(jìn)行分析，并分析不同時期人為干擾度的影響，旨在對濕地景觀格局優(yōu)化和濕地環(huán)境建設(shè)、保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

雄安新區(qū)規(guī)劃范圍涉及河北省雄縣、容城縣和安新縣及周邊部分區(qū)域，地處北京、天津和河北省腹地。本文選擇雄安三縣為主要研究區(qū)域(圖1)，行政區(qū)劃面積為1 557 km2，截止2015年，雄安三縣總?cè)丝跀?shù)為113.02萬人，其中農(nóng)業(yè)人口為72.20萬人，占總?cè)丝诘?4%[11]。該區(qū)以平原為主，海拔在0～62 m之間。研究區(qū)地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為12℃，年均降水量為550～600 mm，四季分明[12]。

圖1 2015年雄安新區(qū)土地利用圖

淡水湖白洋淀位于雄安新區(qū)東南部，2002年成立白洋淀省級自然保護(hù)區(qū)，是華北平原最大的淡水濕地，主要有8條入淀河流。白洋淀屬于典型的草型淺水湖，水域遼闊，光照充足，非常利于水生植物生長。最常見的大型水生植物有挺水植物、漂游植物、沉水植物和浮游植物4種類型，蘆葦是白洋淀分布面積最大、最典型的水生植物。水生動物主要有浮游動物、底棲動物和魚類。鳥類種類眾多，其中丹頂鶴、白鶴和大鴇為國家一級保護(hù)鳥類。豐富的動植物資源在維持濕地功能和生態(tài)平衡方面起到了重要作用[13]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的分類數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所劉紀(jì)遠(yuǎn)團(tuán)隊生產(chǎn)的土地利用數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，時相分別為20世紀(jì)80年代末(本文采用1980s表示)、1995年、2000年、2005年、2007年、2009年和2015年7期數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源為Landsat衛(wèi)星影像，經(jīng)過幾何精校正、數(shù)據(jù)解譯，分類結(jié)果包括旱地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6個方面25個類型，土地利用一級類型綜合評價精度達(dá)到94.3%以上，二級類型分類綜合精度達(dá)91.2%以上，分類精度滿足制圖要求[14-15]。國內(nèi)學(xué)者陸健健在《中國濕地》中按《濕地公約》的濕地定義將中國濕地分為22種類型[16]?？紤]到本次研究中濕地調(diào)查工作的可行性與可操作性，依據(jù)上述文獻(xiàn)劃分的中國濕地類型，將研究區(qū)濕地分為5種土地利用類型，其中人工濕地為水庫坑塘，天然濕地包括湖泊、河渠、灘地和沼澤地。

雄安新區(qū)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于1985—2014年統(tǒng)計年鑒，主要包括總?cè)丝?、GDP、有效灌溉面積和入淀水量等。氣象數(shù)據(jù)(降雨量和氣溫)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http: //data.cma.cn/)。

2.2 景觀指數(shù)分析法

采用景觀指數(shù)分析方法可以高度濃縮景觀空間格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面的特征[4]。為了反映雄安新區(qū)濕地景觀變化特征，結(jié)合濕地區(qū)域?qū)嶋H情況，使用Fragstats4.2軟件計算研究區(qū)景觀格局指數(shù)，依據(jù)景觀指數(shù)功能不同，在景觀尺度上分別選取了斑塊面積指數(shù)、邊界形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和構(gòu)型指數(shù)4類體現(xiàn)濕地景觀的變化(表1)。其中斑塊面積指數(shù)包括斑塊個數(shù)(number of patches，NP)、斑塊密度(patch density，PD)和最大斑塊指數(shù)(largest patch index，LPI)。NP表示景觀中所有的斑塊總數(shù)，反映景觀的空間格局； PD表示單位面積上的斑塊數(shù)，是描述景觀破碎化的景觀指標(biāo)； LPI表示某一斑塊類型中的最大斑塊占據(jù)整個景觀面積的比例，有助于確定景觀的優(yōu)勢類型。邊界形狀指數(shù)包括周長面積分維數(shù)(perimeter-area fractal dimension，PAFRAC)，描述景觀斑塊的幾何形狀復(fù)雜性。香農(nóng)多樣性(Shannon’s diversity index，SHDI)反映景觀異質(zhì)性，對景觀中各斑塊類型非均衡分布情況較為敏感。構(gòu)型指數(shù)包括聚集度(aggregation index，AI)和蔓延度指數(shù)(contagion，CONTAG)，AI反映景觀中不同斑塊類型的聚集程度，CONTAG描述景觀里不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢。

表1 景觀格局指數(shù)

2.3 移動窗口法

為了反映雄安新區(qū)1980s—2015年間景觀指數(shù)的區(qū)域差異，運用移動窗口法研究了各景觀指數(shù)的區(qū)域內(nèi)差異。McDonnell等[17]已將移動窗口法應(yīng)用于城鄉(xiāng)交錯帶的景觀格局分析； 劉琦等[18]和劉吉平等[19]也分別將其應(yīng)用于瀾滄江和三江平原的景觀格局研究中。參照前人研究，利用ArcGIS10.2軟件將窗口大小設(shè)置為5 km×5 km，在整個研究區(qū)內(nèi)從左上角開始移動，計算每個網(wǎng)格內(nèi)的景觀指數(shù)，并將該值賦給窗口中心柵格。通過計算不同時期各窗口的景觀指數(shù)，得到雄安新區(qū)景觀指數(shù)空間分布。本文主要分析NP，PAFRAC，SHDI和CANTAG這4個指數(shù)在1980s，2000年和2015年的空間分異規(guī)律。

根據(jù)前人的研究成果和研究區(qū)實際情況[19-21]，對研究區(qū)內(nèi)11種景觀類型進(jìn)行人為干擾指數(shù)賦值(表2)。

表2 景觀類型人為干擾度賦值

計算各網(wǎng)格單元的人為干擾度為

(1)

式中：AD為某個網(wǎng)格單元的人為干擾度；HIi為第i類景觀類型的干擾度指數(shù)；Si為第i類景觀類型的面積；S為網(wǎng)格單元的總面積。

3 研究結(jié)果

3.1 濕地面積變化

1980s—2015年間，雄安新區(qū)濕地面積呈現(xiàn)波動變化的趨勢，濕地面積從1980s年增長到2000年并達(dá)到最大值30 445.83 hm2，增加了11.05%，2007年濕地面積達(dá)到最小值僅20 765.79 hm2，之后濕地面積有所增加。但濕地面積總體呈下降趨勢，雄安新區(qū)濕地面積從1980s的27 426.24 hm2減少到2015年的23 795.82 hm2，共減少了3 630.42 hm2，如圖2所示。濕地面積減少最劇烈的時期出現(xiàn)在2000—2007年間，同期建設(shè)用地面積呈現(xiàn)快速增長趨勢。近30 a來雄安新區(qū)建設(shè)用地面積呈現(xiàn)增加趨勢，城市生活用水和工農(nóng)業(yè)用水量增加，造成濕地水體面積的縮減，同時遠(yuǎn)離水體的部分被開墾為耕地等其他景觀類型，人類活動的增強，對濕地生態(tài)環(huán)境造成了一定的威脅。

(a) 1980s (b) 1995年 (c) 2000年 (d) 2005年

(e) 2007年 (f) 2009年 (g) 2015年

3.2 濕地景觀指數(shù)變化

1980s—2015年間雄安新區(qū)6種濕地景觀格局指數(shù)NP,PD,LPI,PAFRAC,SHDI和AI變化情況分別如圖3所示。

(a) NP和PD (b) LPI和PAFRAC (c) SHDI和AI

從圖3可知，1980s—2015年期間，雄安新區(qū)的景觀NP和PD整體呈增加趨勢，其中2015年NP達(dá)到最大值(139個)，同時2015年的PD相對于1980s增加了0.49。PD越大，斑塊越小，景觀破碎度就越高。在2007年以后兩者急劇增加，主要是人類活動強度增加，城市化速度加?。?而2009年之后，由于生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的實施和保護(hù)力度的增加，景觀破碎度有一定程度減弱。1980s—2015年間，LPI呈先減少后增加的趨勢，說明最大斑塊類型的優(yōu)勢度在整個景觀中的地位不斷下降。PAFRAC可以反映出空間實體幾何形狀的不規(guī)則性，其理論范圍值為[1.0,2.0]。當(dāng)PAFRAC=1.0時，斑塊形狀為歐幾里得正方形； 當(dāng)PAFRAC=2.0時，斑塊形狀最為復(fù)雜；PAFRAC越接近1.5，表示景觀越不穩(wěn)定。1980s—2015年間雄安新區(qū)的PAFRAC基本處于1.5附近，說明該區(qū)景觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易受人類活動的影響。這期間SHDI呈增加趨勢，說明各景觀類型所占比例趨于均衡化，景觀異質(zhì)性增加，其波動過程與AI相反。1980s的SHDI較小，說明雄安新區(qū)斑塊類型單一，景觀豐富度低，1995年之后SHDI逐漸在升高，景觀豐富度增加，2009—2015年間SHDI在減少，說明研究區(qū)內(nèi)濕地類型單一，景觀豐富度低。1980s—2015年間AI呈減少的趨勢，最大值出現(xiàn)在1980s為98.39，空間分布最均勻，最小值出現(xiàn)在2009年為95.99。

3.3 濕地景觀指數(shù)的時空分異

雄安新區(qū)濕地NP空間分布情況如圖4所示，1980s—2000年間，濕地斑塊個數(shù)在東北部有高值區(qū)，西北部一直有一低值區(qū)； 到2015年，NP分布格局由東北部向西北部逐漸增加，從中間向邊緣增加，且濕地核心區(qū)白洋淀大部分呈現(xiàn)高值區(qū)，而濕地NP值在2000—2015年期間顯著增加，說明從2000年開始濕地核心區(qū)破壞度增加，且邊緣地區(qū)濕地破損嚴(yán)重。

(a) 1980s(b) 2000年 (c) 2015年

雄安新區(qū)濕地PAFRAC空間分布情況如圖5所示，1980s雄安新區(qū)濕地核心區(qū)斑塊形狀簡單，濕地景觀穩(wěn)定； 2000—2015年間，濕地景觀從中間向邊緣區(qū)域逐漸擴展，濕地斑塊復(fù)雜，濕地景觀結(jié)構(gòu)趨于不穩(wěn)定。

(a) 1980s(b) 2000年 (c) 2015年

雄安新區(qū)SHDI空間分布情況如圖6所示，1980s—2000年間，中部和東部SHDI呈增加趨勢，SHDI的增加表明各景觀類型在景觀中呈均衡化趨勢，作為優(yōu)勢物種的濕地類型對整個景觀的控制作用減弱，景觀異質(zhì)性增加，和景觀指數(shù)在景觀水平的結(jié)果一致。2015年有所減緩，濕地邊緣區(qū)SHDI增加，景觀破碎化程度增加。

(a) 1980s(b) 2000年 (c) 2015年

雄安新區(qū)濕地CONTAG空間分布情況如圖7所示，從1980s—2015年間，濕地CONTAG下降，說明濕地景觀連接度降低，景觀破碎化嚴(yán)重。2000—2015年間，CONTAG從中部向北部逐漸減小。2015年CONTAG在西北部出現(xiàn)低值區(qū)，該區(qū)域在2015年濕地面積增加，濕地景觀連接度有所改善。

(a) 1980s(b) 2000年 (c) 2015年

3.4 濕地景觀格局變化與人為干擾的關(guān)系

雄安新區(qū)人為干擾度的空間分布情況如圖8，人為干擾較強的地區(qū)位于研究區(qū)的北部，人為干擾度從外部向內(nèi)部減弱。1980s—2000年間，研究區(qū)中部地區(qū)略有減弱，2015年人為干擾度略有增強。不同時期人為干擾度的變化也不盡相同，1980s—2000年間，人為干擾度在半干擾區(qū)的范圍最大，全干擾區(qū)的面積在減??； 2000—2015年間，人為干擾度的最高值在減小，無干擾區(qū)域逐漸增加，整體處于半干擾和無干擾程度，說明在新時期下人類對濕地的開發(fā)已由高強度破壞式開發(fā)向低強度可持續(xù)利用階段發(fā)展。

(a) 1980s(b) 2000年 (c) 2015年

整個區(qū)域內(nèi)SHDI和CONTAG從中部向北部減少，景觀破碎化嚴(yán)重，連接度降低； 研究區(qū)北部呈現(xiàn)高人為干擾度，說明在人類活動影響下濕地景觀破碎度增加，連接度變差。由中部向北部區(qū)域，濕地的NP和PAFRAC呈增加趨勢，同時在該區(qū)域人為干擾度也呈逐漸增強的趨勢。濕地景觀受到人類活動的影響，趨于不穩(wěn)定的狀態(tài)。人類干擾度的空間分布與濕地景觀指數(shù)的變化特征相符，在一定程度上影響濕地景觀的結(jié)構(gòu)和分布。

人為干擾度的時間變化呈現(xiàn)先減小后增加再減小的趨勢，2000—2005年間人為干擾度變化最為明顯，呈上升趨勢(圖9)。2000年以后，研究區(qū)內(nèi)白洋淀基本無天然入淀徑流，城市人口和用水量的增加，導(dǎo)致了濕地水域面積的變化。建設(shè)用地在2000年以后呈現(xiàn)快速增長趨勢，建設(shè)用地面積2005年達(dá)到19 618.47 hm2，比1980s增長了54.36%，且人為干擾度在2005年達(dá)到最大值。同時，農(nóng)業(yè)用水量也占總用水量的78.8%。白洋淀旅游業(yè)快速發(fā)展，游客數(shù)量不斷增加，旅游區(qū)內(nèi)開發(fā)建設(shè)造成居民用地面積增加。人類活動是流域景觀變化的重要驅(qū)動力，造成濕地面積減少，景觀破碎度增加，對濕地生態(tài)環(huán)境造成了巨大的影響。2005年以后，研究區(qū)內(nèi)濕地的人為干擾度呈減小趨勢，隨著對濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度的增強，人類活動呈下降趨勢，濕地轉(zhuǎn)向低強度可持續(xù)發(fā)展階段。

圖9 1980s—2015年雄安新區(qū)人為干擾度變化

4 討論

4.1 氣候因素

濕地景觀的變化與分布受到氣候因素的影響(圖10)。1985—2015年間，雄安新區(qū)年均降雨量呈下降趨勢，2000年以前雄安新區(qū)降雨量較多，對濕地水域的補充作用較強，因此2000年濕地達(dá)到最大面積，且濕地斑塊的破碎度和景觀結(jié)構(gòu)均處于較好的狀態(tài)，2000年隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人為干擾增強，對濕地面積產(chǎn)生了一定的影響。年均氣溫呈上升趨勢，氣溫升高促進(jìn)了濕地的蒸散發(fā)作用，對濕地景觀格局也有一定的影響。

圖10 1985—2015年雄安新區(qū)年均降雨量和氣溫變化

4.2 人為干擾因素

濕地景觀的變化與分布除受到氣候因素的影響，同時受到社會經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)發(fā)展和保護(hù)政策等人為干擾的影響(圖11)。1985—2015年間，雄安新區(qū)人口數(shù)量和GDP總量持續(xù)增長，社會經(jīng)濟的發(fā)展促進(jìn)建設(shè)用地面積的增長，2000年以前建設(shè)用地面積增長較慢，在此階段濕地類型中灘地面積略有增加，2000年以后建設(shè)用地面積呈現(xiàn)快速增長趨勢，快速的城市發(fā)展也增加了生活用水及工業(yè)用水量，對濕地面積造成威脅。在此階段雄安新區(qū)有效灌溉面積也呈增加趨勢，2000年以后有效灌溉面積總量有所減少但仍呈增加趨勢，而由于水資源總量在減少，持續(xù)增加的用水量也會影響濕地面積與水位的變化。1985—2015年間受到流域引水調(diào)水政策的影響，白洋淀濕地面積得以維持較穩(wěn)定的狀態(tài)。因此在多種人為因素的共同推動下，雄安新區(qū)濕地周圍區(qū)域人為干擾度呈增加趨勢。隨著雄安新區(qū)的建立，城區(qū)建設(shè)需要注意濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)，而白洋淀區(qū)近些年濕地面積的維持主要靠入淀河流的天然補水，不能從根本上解決濕地環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。在之后的建設(shè)中，需要有效遏制入淀河流上游的用水量，使入淀水量增加，恢復(fù)濕地的發(fā)展。同時注意在城市化建設(shè)中人類干擾對濕地連通性等景觀結(jié)構(gòu)的影響，減少水域面積的破碎，保護(hù)生物的多樣性。

(a) 總?cè)丝跀?shù)和GDP(b) 有效灌溉面積和入淀水量

5 結(jié)論

1)1980s—2015年間雄安新區(qū)濕地景觀時空格局發(fā)生了較大的變化。從時間上看，濕地面積整體呈現(xiàn)減少的趨勢，濕地破碎化程度逐漸增加，斑塊形狀變得復(fù)雜，連接度減?。?從空間分布格局看，在1980s，濕地景觀斑塊數(shù)較少，濕地破碎化較小，斑塊形狀簡單，濕地景觀穩(wěn)定。2000年以后濕地景觀斑塊個數(shù)增加，中部和東北部濕地破碎化逐漸增加，從中部濕地核心區(qū)向邊緣破碎化逐漸增加。香農(nóng)多樣性指數(shù)和蔓延度指數(shù)在2015年有所改善。

2)1980s—2015年間雄安新區(qū)人為干擾度整體呈現(xiàn)減少的趨勢，1980s—2000年間人為干擾強度減弱，2000—2015年間人為干擾度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢； 從空間分布看，1980s—2000年間人為干擾度在西南部和中部有所減弱。2015年，隨著濕地保護(hù)政策的推行，濕地開發(fā)轉(zhuǎn)向低強度可持續(xù)發(fā)展階段，中部人為干擾度減弱。周邊區(qū)域受建設(shè)用地擴張的影響，人為干擾度增強。中部濕地核心區(qū)人為干擾度的變化與濕地分布具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

采用移動窗口景觀指數(shù)法，通過遙感監(jiān)測提取的土地利用數(shù)據(jù)，利用5 km×5 km大小的窗口，對雄安新區(qū)景觀格局和人為干擾度進(jìn)行分析，揭示了濕地景觀格局與人類活動的干擾具有較好的對應(yīng)關(guān)系。在今后雄安新區(qū)建設(shè)中，需要重點加強對濕地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)工作，強化區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建，在保證城市發(fā)展的基礎(chǔ)上，將雄安新區(qū)建設(shè)成為自然環(huán)境與現(xiàn)代化交相輝映的新型經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。