閆欣 王崢羽 牛振國 孔慶凡 陳雷

（1 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京100094；2 中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京100049；3 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 重慶 400000；4 北京國遙新天地信息技術(shù)有限公司，北京 100101）

濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著生產(chǎn)、調(diào)節(jié)、文化、支持等多種功能，我國濕地保護(hù)取得了一定成效，但由于管理制度不完善、經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力等原因，濕地自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)效果并不理想（鮑達(dá)明, 2016）。部分自然保護(hù)區(qū)的濕地生態(tài)退化嚴(yán)重，威脅保護(hù)區(qū)生物物種的生存，也使地方經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展遭受損失(臧正等,2014)。吉林省濕地資源豐富，在全國濕地生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，但從2015年開始，極端天氣和氣候事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅其濕地安全與健康，吉林省濕地生態(tài)安全評價與預(yù)警研究具有重要意義。

濕地生態(tài)安全評價方法主要有生物法和指標(biāo)體系法兩種（周靜等, 2018）。其中，PSR 模型是以環(huán)境壓力、系統(tǒng)狀態(tài)、人類響應(yīng)為核心來建立指標(biāo)體系的一種生態(tài)安全評價方法，是目前應(yīng)用最為廣泛和有效的生態(tài)安全評價方法。濕地作為一種獨(dú)特的自然景觀，也可利用景觀生態(tài)學(xué)原理進(jìn)行分析。景觀格局的分析主要采用數(shù)量研究方法，其定量分析可以從景觀指數(shù)的變化上反映出來(陳慧中, 2009)。

本文采用隨機(jī)森林算法，對吉林省18 個自然保護(hù)區(qū)2015-2017年的景觀變化進(jìn)行監(jiān)測，通過景觀格局指數(shù)與“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）模型相結(jié)合的方式，構(gòu)建了吉林省濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)安全評價體系，以尋找高生態(tài)保護(hù)價值區(qū)域、壓力顯著影響區(qū)域，并進(jìn)行濕地生態(tài)安全預(yù)警。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)收集

1.1 研究區(qū)概況

吉林省地處中國東北地區(qū)腹地，吉林省濕地總面積1.32萬km2，占全省土地面積的7%左右，面積大于1 km2的濕地有122 處。吉林省的濕地類型主要為濱海濕地、沼澤濕地、河流濕地、湖泊濕地和人工濕地5 種類型，且濕地空間分布不均勻，東部濕地以河流、沼澤濕地為主；中部以人工濕地為主；西部以沼澤化草甸、湖泊濕地為主，其中西部濕地占全省濕地面積的68.9%（圖1）。

圖 1 監(jiān)測區(qū)位置和范圍Fig.1 Location and scope ofmonitoring area

1.2 數(shù)據(jù)收集

本研究所用的濕地遙感影像數(shù)據(jù)為2015年和2017年全省30m 分辨率Landsat 影像數(shù)據(jù)，同時收集了吉林省第一次地理國情普查的精細(xì)化DEM數(shù)據(jù)、2015年吉林省第一次地理國情普查數(shù)據(jù)、2017年吉林省基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。結(jié)合吉林省2017年地形圖及濕地中國公布的濕地名錄，輔助開展?jié)竦胤秶?、地表覆蓋分類數(shù)據(jù)的提取工作。根據(jù)2015年和2017年吉林省年鑒，1992-2013年吉林省1 000m 分辨率燈光數(shù)據(jù)，利用燈光數(shù)據(jù)與GDP 之間存在的顯著正相關(guān)關(guān)系，間接獲取人口和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 濕地面積變化

采取隨機(jī)森林算法對吉林省濕地保護(hù)區(qū)進(jìn)行濕地遙感分類，結(jié)合研究區(qū)實(shí)地情況將吉林省濕地保護(hù)區(qū)劃分為種植用地、城鎮(zhèn)用地、濕地、林地、草地6 種類型。隨機(jī)森林算法具有分類精度優(yōu)、運(yùn)算速度快和算法穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在濕地分類領(lǐng)域，具有很好的分類精度與應(yīng)用潛力（Gislason et al, 2006）。

計算研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)（NDVI）值并估算初級生產(chǎn)力。

式中：NIR 表示近紅外波段，R 表示紅外波段。

獲得濕地分類結(jié)果后進(jìn)行面積統(tǒng)計，結(jié)合研究區(qū)兩期的濕地面積，以濕地退化指數(shù)反映濕地面積的退化程度（式2）。退化指數(shù)為正值表示濕地減少，退化指數(shù)為負(fù)值表示濕地有所增加，其數(shù)值為增加或減少的比例。

2.2 景觀指數(shù)選取

運(yùn)用景觀指數(shù)方法對濕地景觀格局進(jìn)行研究，可以較好地把握景觀的功能與過程（鄭彩紅, 2006）。本文結(jié)合Fragstats 4.2 軟件，選取平均斑塊面積、最大斑塊指數(shù)、斑塊數(shù)量、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)、斑塊密度、面積加權(quán)平均分維指數(shù)、蔓延度指數(shù)、散布與并列指數(shù)，計算吉林省濕地保護(hù)區(qū)的景觀變化情況。

2.3 PSR 模型構(gòu)建

運(yùn)用PSR 模型分析提取具有高生態(tài)保護(hù)價值區(qū)域、壓力顯著影響區(qū)域進(jìn)行濕地健康評估。指標(biāo)選取以科學(xué)性、系統(tǒng)性、代表性和易操作性為原則，選取10 個指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)安全評價（表1）。利用單因子評價法對濕地生態(tài)安全各指標(biāo)水平進(jìn)行評估，再將評估結(jié)果乘以對應(yīng)權(quán)重得到綜合得分，權(quán)重通過專家問卷打分獲得。濕地生態(tài)系統(tǒng)整體的脅迫程度/生態(tài)安全度可以分為以下5 個等級：安全(0.8 ≤I ＜1.0)、相對安全(0.6 ≤I ＜0.8)、中度脅迫(0.4 ≤I ＜0.6)、預(yù)警(0.2 ≤I ＜0.4)、嚴(yán)重預(yù)警(0 ≤I ＜0.2)。

表1 吉林省濕地生態(tài)安全PSR 評價指標(biāo)Table 1 PSR evaluation indicators of ecological security assessment in Jilin Province

表2 吉林省濕地自然保護(hù)區(qū)面積Table 2 Area of wetland nature reserve in Jilin Province

PSR 評價指標(biāo)包括：人口密度指數(shù)為研究區(qū)人口數(shù)除以研究區(qū)的面積；人類干擾指數(shù)指城鎮(zhèn)建設(shè)用地所占研究區(qū)面積的比值；景觀多樣性指數(shù)、平均斑塊面積、彈性度、均勻度和斑塊破碎度指數(shù)可由景觀指數(shù)計算獲得；水文調(diào)節(jié)指數(shù)表示為河流、灘地面積之和占濕地總面積的比例；選用研究區(qū)內(nèi)的NDVI 平均值作為衡量初級生產(chǎn)力的主要指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地面積變化分析

濕地分類精度均在80%以上，具有較好的精度。基于2015年和2017年濕地遙感監(jiān)測結(jié)果，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，得到18 個濕地自然保護(hù)區(qū)、濕地公園面積15 395.7 km2。從表2 可以看出，松花江三湖保護(hù)區(qū)面積最大，為9 202.27 km2，榆樹老干江國家濕地公園和東遼鴜鷺湖國家濕地公園面積最小，不足10 km2。濕地面積最大的為吉林莫莫格自然保護(hù)區(qū)，為358 km2。白城市、松原市的濕地數(shù)量占吉林省濕地數(shù)量的一半以上。總體來看，濕地保護(hù)區(qū)濕地面積變化幅度不大，18 個保護(hù)區(qū)中共有8 個保護(hù)區(qū)的濕地面積發(fā)生了少量減少的現(xiàn)象。圓池濕地保護(hù)區(qū)退化程度最高，由于其濕地面積較小，退化幅度變化較大，退化指數(shù)高達(dá)90.53%。相反，雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)面積增加了近5%。

3.2 景觀格局指數(shù)變化

計算了18 個濕地保護(hù)區(qū)的景觀指數(shù)，對比了保護(hù)區(qū)年際間景觀格局指數(shù)變化，也比較了不同保護(hù)區(qū)的景觀格局指數(shù)。

以長春北湖為例，該保護(hù)區(qū)從2015年至2017年斑塊數(shù)量增加了10%左右，斑塊平均面積減小，斑塊密度增加，可看出其破碎化程度增加,反映了人為干擾程度的增加（表3）。蔓延度指數(shù)與景觀中的優(yōu)勢斑塊類型與濕地是否形成了很好的連接有關(guān)，散布與并列指數(shù)計算了各個斑塊類型間的總體散布與并列狀況，能夠量度斑塊間的連接性和分布格局。長春北湖這兩個指數(shù)均不同程度的降低，表明該景觀的連通度降低，斑塊間的相鄰程度減小。

在18 個濕地自然保護(hù)區(qū)中，長春北湖的平均斑塊密度最高（51.48 個/100hm2）、平均斑塊面積最低（1.95hm2），而月亮湖濕地的平均斑塊密度最低（4.99 個/100hm2）、平均斑塊面積最大（20.04hm2）、最大斑塊指數(shù)最高（95.38%），扶余洪泛濕地省級保護(hù)區(qū)最大斑塊指數(shù)最低（7.36%）。 雁鳴湖國家自然保護(hù)區(qū)的斑塊形狀最為復(fù)雜，表現(xiàn)為最高的形狀指數(shù)（15.32%）與分維指數(shù)（1.30%）；月亮湖濕地的斑塊形狀最為簡單，其形狀指數(shù)與分維指數(shù)分別為3.16%和1.13%；長春北湖的散布與并列指數(shù)最高（87.74%）、蔓延度指數(shù)最低（42.27%）。由此可以看出，月亮湖濕地的破碎化程度在加重，但它的斑塊分布與連接狀態(tài)仍然要優(yōu)于其他保護(hù)區(qū)。

表3 2015年、2017年長春北湖國家濕地公園景觀格局指數(shù)Table 3 Landscape pattern index of North Lake National Wetland Nature Park in 2015 and 2017

表4 吉林省濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)安全綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of ecological security of wetland nature reserve in Jilin Province

景觀破碎化將會導(dǎo)致生物棲息地喪失，嚴(yán)重影響保護(hù)區(qū)的生物多樣性（趙文武等, 2014）。18 個濕地中破碎化程度加劇的有長春北湖濕地公園、牛心套保濕地公園、園池濕地保護(hù)區(qū)、梅河口磨盤湖濕地公園及月亮湖濕地，這5 個濕地的生態(tài)安全問題值得管理部門關(guān)注。

3.3 PSR 指標(biāo)變化

根據(jù)上述綜合評價方法對吉林省18 個濕地自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行綜合評價（表4），結(jié)果顯示月亮湖濕地的綜合評價結(jié)果最低（0.42），吉林雁鳴湖自然保護(hù)區(qū)、吉林圓池濕地保護(hù)區(qū)、長春北湖濕地公園的PSR 值處于0.5～0.6 之間，以上4 個濕地達(dá)到中度脅迫狀態(tài)，其余14 個濕地處于相對安全狀態(tài)，其值處于0.6～0.7 之間。

4 結(jié)論

通過景觀格局指數(shù)與PSR 模型對吉林省18 個濕地自然保護(hù)區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行生態(tài)安全評價。結(jié)果表明：多數(shù)濕地保護(hù)區(qū)情況較好，但部分濕地保護(hù)區(qū)生態(tài)安全狀況堪憂，如月亮湖濕地的生態(tài)安全問題最為嚴(yán)重；長春北湖濕地公園、吉林園池濕地和吉林雁鳴湖處于生態(tài)安全預(yù)警狀態(tài)。牛心套保濕地公園和梅河口磨盤湖濕地公園的生態(tài)安全達(dá)標(biāo)，但濕地破碎化現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，需要引起濕地管理部門的關(guān)注，建議加強(qiáng)管理和開展定期監(jiān)測。