徐 燁,楊 帆,顏昌宙

中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021

濕地是介于陸地和水體之間的過渡性生態(tài)系統(tǒng),具有獨(dú)特的水文、土壤、植被和生物特征,是人類重要的生存環(huán)境之一[1- 2]。城市濕地作為城市格局中主要的生態(tài)景觀,具有集蓄水調(diào)洪、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、保護(hù)生物多樣性等多重生態(tài)功能,在城市發(fā)展過程中扮演十分重要的角色[3- 4]。隨著城市化的持續(xù)推進(jìn),城市濕地的功能和效益逐步被忽略,濕地資源不斷被破壞,引發(fā)了水體污染、洪災(zāi)隱患、環(huán)境惡化等生態(tài)問題,嚴(yán)重阻礙了城市的可持續(xù)發(fā)展[5- 6]。在此背景下,如何維持和保護(hù)濕地的生態(tài)健康和可持續(xù)發(fā)展不僅成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)問題,還被提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度,以推進(jìn)區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展[7]。

雄安新區(qū)是2017年設(shè)立的國(guó)家級(jí)新區(qū),地處北京、天津和河北保定三市的腹地,新區(qū)規(guī)劃范圍包括雄縣、容城、安新三縣行政轄區(qū)(含白洋淀水域),任丘市鄚州鎮(zhèn)、茍各莊鎮(zhèn)、七間房鄉(xiāng)和高陽縣龍化鄉(xiāng);雄安新區(qū)的設(shè)立對(duì)疏解北京的非首都功能、優(yōu)化京津冀地區(qū)的城市結(jié)構(gòu)和布局具有深遠(yuǎn)的影響[8-9]。在“五位一體”的總布局下,建設(shè)雄安綠色生態(tài)宜居新城區(qū)既是生態(tài)文明建設(shè)的根本要求,也是推進(jìn)雄安新區(qū)可持續(xù)健康發(fā)展的必然選擇。濕地作為城市重要的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施,在促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展方面有著其他自然生態(tài)系統(tǒng)不可替代的重要功能[10]。在此背景下,探究雄安新區(qū)濕地景觀格局和生態(tài)健康,對(duì)建設(shè)雄安綠色生態(tài)宜居新城區(qū)具有重要的意義。

目前,圍繞雄安濕地生態(tài)系統(tǒng)展開的研究主要集中在白洋淀區(qū)域,研究?jī)?nèi)容主要涉及白洋淀濕地的景觀動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)機(jī)制、水文水資源的變化規(guī)律、水生態(tài)的現(xiàn)狀及治理、生態(tài)現(xiàn)狀辨析及生態(tài)修復(fù)措施等[8,11-17],而對(duì)城區(qū)范圍內(nèi)的濕地研究較少。濕地是調(diào)節(jié)全球生態(tài)環(huán)境的“地球之腎”,坑塘則可看作保持生態(tài)能量循環(huán)基礎(chǔ)的“腎細(xì)胞”[18- 19]。因此,基于文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察,本文擬以雄安城區(qū)濕地(坑塘和溝渠)為研究對(duì)象,基于景觀格局和雄安城區(qū)濕地的特點(diǎn),以“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”框架和景觀格局指數(shù)為基礎(chǔ),構(gòu)建區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,探究雄安城區(qū)濕地景觀格局及生態(tài)健康狀態(tài),旨在為決策者在雄安綠色宜居新城區(qū)的開發(fā)建設(shè)和管理中提供行之有效的空間指引,從而促進(jìn)新區(qū)建設(shè)過程中濕地生態(tài)健康和可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

本研究選取雄安城區(qū)(圖1)為研究對(duì)象,研究區(qū)域包括起步區(qū)、外圍的安新組團(tuán)和容城組團(tuán)(115°46′ — 116°2′ E,38°54′ — 39°5′ N)。研究區(qū)緊鄰白洋淀,總面積達(dá)302.69 km2,區(qū)域內(nèi)地形開闊,地勢(shì)較為平坦,土壤肥沃,植被覆蓋率較低,土地利用類型以耕地為主,主要栽種農(nóng)作物為小麥和玉米。研究區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,年均氣溫12.1 ℃,年均降雨量560 mm,降雨集中在7、8月。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 The location of study area

本研究于2019年6月和9月對(duì)雄安啟動(dòng)區(qū)、容城組團(tuán)、安新組團(tuán)濕地系統(tǒng)開展了野外考察與調(diào)研?？疾旆秶采w了安新縣與容城縣行政區(qū)域內(nèi)7個(gè)鎮(zhèn)94個(gè)村,獲得的資料和信息主要包括城區(qū)濕地的經(jīng)緯度、所屬濕地類型、連通性、利用情況、水質(zhì)和水生植物等。研究區(qū)濕地均為人工濕地,主要有坑塘和溝渠兩種類型?？犹潦侵溉斯ら_挖或天然形成的儲(chǔ)水洼地,包括養(yǎng)殖、種植塘及湖泊、河渠形成的支汊水體[18]。依據(jù)國(guó)家林業(yè)局發(fā)布的《全國(guó)濕地資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程(試行)》,坑塘面積達(dá)不到庫塘的規(guī)格,但考慮到其在涵養(yǎng)水源、蓄洪防旱、保持生物多樣性、補(bǔ)充地下水、控制土壤侵蝕等方面的重要功能,許多學(xué)者也將坑塘劃分為濕地一類[20- 21]。本研究參考國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的濕地分類體系[22- 23],將雄安城區(qū)水深不超過6米的坑塘納入研究范圍。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 空間數(shù)據(jù)預(yù)處理和景觀類型分類

圖2 研究區(qū)土地利用類型分布圖Fig.2 Distribution of land use type in study area

本研究的主要數(shù)據(jù)源是中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所網(wǎng)站所提供的2019年衛(wèi)星遙感影像(Landsat),分辨率為30 m。研究過程中利用ENVI 5.3軟件對(duì)獲取的影像依次進(jìn)行校正、波段合成、信息加強(qiáng)、影像裁剪等影像預(yù)處理。借助ArcGIS 10.3軟件,運(yùn)用精度較高的目視解譯分類法,提取不同地類的地物信息,建立不同的解譯標(biāo)識(shí),進(jìn)行影像分類。

參考《土地資源現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017),結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查和研究主題需要,將研究區(qū)劃分為5種景觀類型,即：水域(坑塘和溝渠)、建設(shè)用地(住宅區(qū)、商服用地和公共設(shè)施用地)、林地、耕地(旱地和水澆地)和未利用地(裸地和空閑地),得到研究區(qū)2019年土地利用類型圖(圖2)。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),草地多和林地混合分布,影像上難以區(qū)分,且面積較小,因此在解譯過程中將其統(tǒng)一劃分為林地。

2.2 景觀格局指數(shù)的選取

將解譯的遙感影像分類圖進(jìn)行柵格化處理,轉(zhuǎn)化為GRID格式,利用Fragstats 4.2軟件從不同層面上進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計(jì)算。可用于景觀格局分析的指標(biāo)種類較多,但許多指標(biāo)缺乏對(duì)研究對(duì)象的代表性,且在進(jìn)行景觀空間特征分析時(shí)會(huì)相互干擾,對(duì)分析結(jié)果造成一定的誤差[24]。因此在參考其他學(xué)者對(duì)雄安新區(qū)景觀格局的相關(guān)研究[25-27],結(jié)合本文的研究目標(biāo),在不同層次上選取對(duì)應(yīng)的特征指標(biāo),進(jìn)行雄安城區(qū)濕地景觀格局分析。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

目前對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)還沒有一套較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)[28]。本研究綜合考慮了雄安城區(qū)濕地的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)要素,借鑒前人關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的研究[29-32],運(yùn)用PSR模型,從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面篩選出11個(gè)指標(biāo)構(gòu)建雄安城區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系(表1)。

表1 雄安城區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

壓力指標(biāo)：濕地生態(tài)健康的壓力主要來源于系統(tǒng)自身和外界人為干擾。經(jīng)過實(shí)地調(diào)查,雄安城區(qū)濕地生態(tài)健康主要受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響,如城市化建設(shè)、污水排放、大規(guī)模農(nóng)耕等,進(jìn)而嚴(yán)重威脅濕地生態(tài)健康。另外,研究區(qū)濕地生態(tài)健康還受到氣候因子的影響。因此,選取開發(fā)系數(shù)、人口密度、降雨和氣溫4個(gè)指標(biāo)來反映研究區(qū)濕地所面臨的壓力。具體計(jì)算如下：

開發(fā)系數(shù)=城鎮(zhèn)面積/研究區(qū)總面積

(1)

其中城鎮(zhèn)面積來源于ArcGIS的面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

人口密度=研究區(qū)人口數(shù)/研究區(qū)總面積

(2)

其中人口數(shù)據(jù)來自于2018年保定市統(tǒng)計(jì)年鑒,主要包括容城縣和安新縣的總?cè)丝凇?/p>

氣象數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)周邊的氣象站(容城、徐水、安新、雄縣),包括2018年降雨及氣溫的月平均數(shù)據(jù)和年平均數(shù)據(jù)。

狀態(tài)指標(biāo)：狀態(tài)指標(biāo)可以反映出自然環(huán)境的現(xiàn)狀和生態(tài)系統(tǒng)的狀況,包括環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、彈性、活力等[33]。本文選取了景觀多樣性指數(shù)、平均斑塊面積、均勻度指數(shù)、水文調(diào)節(jié)指數(shù)、植被覆蓋率、水體污染6個(gè)指標(biāo)。其中景觀多樣性指數(shù)(Landscape Diversity Index, LDI)、平均斑塊面積(Mean Patch Size, MPS)和均勻度指數(shù)(Shannon′s Evenness Index, SHEI)通過Fragstats 4.2軟件求得,具體計(jì)算公式如下：

(3)

式中,Pi表示第i類景觀類型所占面積比例;m為景觀類型數(shù)目。

(4)

式中,Si表示第i類景觀類型的總面積;Ni為第i類景觀類型的斑塊數(shù)目。

(5)

式中,Pi表示第i類景觀類型所占面積比例;m為景觀類型數(shù)目。

水文調(diào)節(jié)指數(shù)=(坑塘面積+溝渠面積)/研究區(qū)總面積

(6)

式中,坑塘和溝渠面積來源于ArcGIS的面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

植被覆蓋率=林地面積/研究區(qū)總面積

(7)

式中,林地面積來源于ArcGIS的面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

水體污染指數(shù)：本研究采集研究區(qū)各濕地的水樣,于中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了檢測(cè)與分析,主要檢測(cè)指標(biāo)有氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、金屬陽離子等,綜合分析本研究將總氮濃度作為城區(qū)濕地污染指數(shù)。

響應(yīng)指標(biāo)：響應(yīng)指標(biāo)是指生態(tài)系統(tǒng)在人類活動(dòng)影響下的自身反應(yīng),本文選取了斑塊破碎化指數(shù)(Fragmentation Index of Patch, FN)作為響應(yīng)指標(biāo),該指標(biāo)通過Fragstats 4.2軟件求得,計(jì)算公式如下：

(8)

式中,∑Ni為研究區(qū)景觀斑塊總數(shù)或某景觀要素斑塊類型的斑塊總數(shù);∑Ai為研究區(qū)總面積或某景觀斑塊類型的面積。

2.4 單因子評(píng)價(jià)

對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),由于研究對(duì)象和評(píng)價(jià)尺度的不同,涉及多種不同類型、不同數(shù)量級(jí)、不同量綱的指標(biāo),不利于統(tǒng)一分析和評(píng)價(jià)。為消除量綱等差異帶來的影響,需要對(duì)所有評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為無量綱的數(shù)值,從而完成數(shù)據(jù)間的計(jì)算。參照張猛[34]在洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中對(duì)模型參數(shù)的處理,本文采用極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,把評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化到0和1之間[34]。

(9)

(10)

當(dāng)單項(xiàng)指標(biāo)量值增加方向與生態(tài)健康增加方向相同時(shí)采用公式(9)進(jìn)行評(píng)價(jià),反之采用公式(10)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.5 指標(biāo)權(quán)重的確立

層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一種將復(fù)雜系統(tǒng)的思維過程通過層次化、數(shù)量化的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單化,定量分析指標(biāo)權(quán)重的方法。本文運(yùn)用yaahp層次分析軟件,根據(jù)各指標(biāo)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康影響程度的差異構(gòu)建判決矩陣,最終確立濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系指標(biāo)層和準(zhǔn)則層的權(quán)重[7,29-31]。

層次分析法是一個(gè)較為成熟的給指標(biāo)權(quán)重賦值的方法,大量研究用其來確定指標(biāo)的權(quán)重[30,34],其主要步驟如下：

首先,將評(píng)價(jià)因子分類組合,構(gòu)成一種包含目標(biāo)層(Objective Layer, O)、準(zhǔn)則層(Principle Layer, P)和指標(biāo)層(Quota Layer, Q)在內(nèi)的層次結(jié)構(gòu)模型。其次,將同一層級(jí)下元素的重要程度進(jìn)行兩兩比較分析,構(gòu)建判決矩陣。矩陣形式如下：

(11)

最后,構(gòu)建的矩陣還需檢驗(yàn)矩陣一致性CR,若CR<0.1,表示判決矩陣滿足一致性,否則需要調(diào)整判決矩陣初始取值[33]。其中：

(12)

(13)

式中,RI為隨機(jī)一致比例;λmax為判斷矩陣的最大特征根;n為矩陣階數(shù);CI為一致性指標(biāo)。

2.6 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算所得到的各指標(biāo)的權(quán)重和單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)值,通過加權(quán)求和綜合評(píng)價(jià)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康,其表達(dá)式為：

(14)

式中,E為研究區(qū)濕地的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù),其值越大表示濕地生態(tài)系統(tǒng)越健康。n為指標(biāo)個(gè)數(shù),Si為單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)值,Ai為指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

2.7 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考前人有關(guān)濕地健康評(píng)斷標(biāo)準(zhǔn)的研究?jī)?nèi)容[27,35-37],并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際特征,本文建立了雄安城區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。采用連續(xù)的實(shí)數(shù)區(qū)間[0,1]表示濕地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí),其值越接近1,表示濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)越佳,反之濕地生態(tài)健康狀態(tài)越差。將濕地生態(tài)健康分為5級(jí),作為評(píng)定研究區(qū)濕地生態(tài)健康的判斷依據(jù)。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算所得的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)即可得到濕地生態(tài)健康的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表2 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 類型水平上景觀格局特征

為了直觀有效地反映研究區(qū)景觀的總體結(jié)構(gòu)特征,并對(duì)不同類型景觀的分布規(guī)律加以剖析,表3列出了研究區(qū)不同景觀類型的基礎(chǔ)信息。

表3 不同斑塊類型基本特征

斑塊面積(Total Class Area, CA)指數(shù)和斑塊面積百分比(Percentage of landscape, PLAND)均是表征景觀中不同斑塊類型組成的指標(biāo),斑塊百分比還是確定區(qū)域中景觀優(yōu)勢(shì)度的重要依據(jù)。根據(jù)表3,我們不難發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的主要景觀是耕地和建設(shè)用地,是優(yōu)勢(shì)的土地利用類型。研究區(qū)耕地面積最大,面積占比達(dá)71.49%;其次是建設(shè)用地,面積占比22.57%;林地(0.71%)、未利用地(3.73%)和水域(1.49%)面積較小,面積占比均未超過5%。最大斑塊指數(shù)(Largest Patch Index, LPI)是指某種斑塊類型的最大斑塊占景觀總面積的百分比,也是優(yōu)勢(shì)度的一種度量方法[16]。各景觀類型的最大斑塊面積(LPI)的數(shù)值大小順序與斑塊面積百分比一致,即：耕地>建設(shè)用地>未利用地>水域>林地。斑塊數(shù)量(Number of Patch, NP)分析結(jié)果表明研究區(qū)中建設(shè)用地的斑塊數(shù)量為311個(gè),林地為142個(gè),未利用地為313個(gè),耕地為17個(gè),水域?yàn)?94個(gè)。結(jié)合CA、PLAND和LPI這三項(xiàng)指標(biāo),我們不難發(fā)現(xiàn)研究區(qū)中耕地和建設(shè)用地在環(huán)境中占主導(dǎo)地位,且耕地在保持研究區(qū)斑塊整體性方面發(fā)揮主要的作用,建設(shè)用地起到了一定的輔助作用。

為了進(jìn)一步分析研究區(qū)濕地景觀的分布特征,本研究選取了斑塊密度(Patch Density, PD)、平均斑塊面積(Mean Patch Size, MPS)、聚合度(Aggregation Index, AI)和景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index, LSI)這4個(gè)具有一定代表性,且獨(dú)立性較好的景觀格局指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析[34]。這些指標(biāo)可以直觀表征研究區(qū)的破碎化程度,很好地反映人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的干擾。

斑塊密度可以反映景觀破碎化程度,PD值越大,景觀的破碎化程度越高。從表4中可以看出,水域、未利用地、建設(shè)用地、林地和耕地的PD值分別為0.975、1.031、0.666、0.471和0.056。耕地的斑塊密度最小,破碎化程度最低;未利用地的PD值最大,破碎化程度最高。通過LPI和NP值進(jìn)一步驗(yàn)證,耕地的破碎度最低,集聚性最高,未利用地和水域的破碎度相對(duì)處于較高程度。平均斑塊面積在一定程度上揭示了景觀的破碎化程度,MPS值越大,景觀的破碎度越低[11,34]。5種斑塊的MPS值從大到小依次為耕地>建設(shè)用地>未利用地>水域>林地,表明了耕地的低破碎度以及其他斑塊類型對(duì)應(yīng)的破碎度。聚合度指數(shù)(AI)是根據(jù)同種斑塊類型的公共邊界長(zhǎng)度來表征同種斑塊的聚合程度,值越大反映同一斑塊類型的聚集程度越高,破碎度越低[27]。表4說明了耕地和建設(shè)用地較高的聚合度,林地和未利用地的聚合度相對(duì)較低。結(jié)合MPS和AI分析,建設(shè)用地的破碎度高于耕地,聚合度小于耕地;未利用地、水域和林地主要呈現(xiàn)小斑塊分布,破碎化程度高,聚合度低。景觀形狀指數(shù)(LSI)是反映斑塊形狀特征的指標(biāo),其值越大,表示該景觀類型形狀越復(fù)雜,景觀的異質(zhì)性越大。表4結(jié)果顯示未利用地的LSI指數(shù)相對(duì)較高,其次為水域和建設(shè)用地,耕地和林地的LSI指數(shù)相對(duì)較低,說明耕地、林地的景觀斑塊形狀較為規(guī)則,異質(zhì)性更小,相對(duì)來說破碎度更低。

表4 不同斑塊類型破碎度指數(shù)

連通性對(duì)景觀的生態(tài)過程有重要的影響,是另一種反映景觀分布特征的指標(biāo)。本文采用平均鄰近指數(shù)(Mean Proximity Index, PROXIM_MN)、最小鄰近距離(Mean Euclidean Nearest-Neighbor Index, ENN_MN)和連接度指數(shù)(Connectivity Index, CONNECT)來反映景觀的連通性。最小鄰近距離(ENN_MN)用來度量同類型斑塊間的最大距離。平均鄰近指數(shù)(PROXIM_MN)反映了同類型斑塊之間的鄰近程度,其值越小,表示景觀的連接性越差。耕地在最小鄰近距離和平均鄰近指數(shù)都具有最值,說明耕地有著最佳的連通狀態(tài)。表5可見,耕地、林地、建設(shè)用地、未利用地和水域的CONNECT值分別為13.791、1.458、1.503、0.807和0.792。五種土地利用方式中,耕地的連接度遙遙領(lǐng)先,說明耕地在研究區(qū)內(nèi)連接程度最高,且斑塊被分割得很少,呈集中連片分布,是核心優(yōu)勢(shì)景觀。水域在平均鄰近指數(shù)和連接度指數(shù)上具有最小值,最小鄰近距離僅次于林地;林地的最小鄰近距離最大,平均鄰近指數(shù)略大于水域。結(jié)合土地利用類型分布圖看,林地和水域景觀分布破碎且連接度較差。建設(shè)用地斑塊面積較大,但被道路、耕地等分隔,產(chǎn)生破碎化,連接度處于中等狀態(tài)。

3.2 景觀水平上景觀格局特征

由表3、表4和表5可知研究區(qū)不同景觀類型的面積、破碎度及連接度等狀況,為了在整體水平上對(duì)研究區(qū)景觀格局進(jìn)行更全面和更準(zhǔn)確的解析,本研究取了斑塊密度(PD)、聚合度指數(shù)(AI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon′s Diversity Index, SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)和蔓延度指數(shù)(Contagion Index, CONTAG)對(duì)研究區(qū)整體景觀格局進(jìn)行剖析。

表5 不同斑塊類型連通性指數(shù)

聚合度指數(shù)和蔓延度指數(shù)均是表征景觀構(gòu)型的指數(shù),AI反映斑塊的聚集程度,CONTAG則描述斑塊的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì),二者的取值范圍均在0到100之間[27]。表6顯示,研究區(qū)AI值為95.482,CONTAG值達(dá)68.767,這表明研究區(qū)景觀聚合度比較高,景觀連接度處于中等水平。SHEI是反映景觀中優(yōu)勢(shì)斑塊及其分布狀態(tài)的指標(biāo),取值范圍為0-1。SHEI值越接近于1,說明景觀中沒有明顯優(yōu)勢(shì)斑塊,且各斑塊均勻分布[38]。研究區(qū)SHEI值為0.495,表明景觀中存在優(yōu)勢(shì)斑塊類型。研究區(qū)景觀以耕地為主,景觀破碎度較高,連通性并不顯著。呂金霞等[27]對(duì)雄安新區(qū)的景觀格局進(jìn)行了研究,分析結(jié)果表明2015年雄安新區(qū)的PD值、SHDI值和AI值分別為0.59、0.6和96.75。由表6可知,研究區(qū)PD值為3.199,SHDI值為0.797,顯著高于2015年雄安新區(qū)的斑塊密度和多樣性指數(shù),這說明與2015年相比,研究區(qū)斑塊密度增加,多樣性增加,表明研究區(qū)景觀破碎度增加,景觀異質(zhì)性增加,各斑塊類型在景觀中呈現(xiàn)均衡化的趨勢(shì)。

表6 研究區(qū)景觀格局特征指數(shù)

3.3 濕地空間結(jié)構(gòu)分析

圖3 研究區(qū)濕地分布圖Fig.3 Distribution of wetland in study area

已有研究表明坑塘和溝渠在節(jié)水、防洪和生態(tài)效益上具有重大的意義,并呼吁在今后的城市發(fā)展建設(shè)中將坑塘和溝渠納入完善的管理體系中,使之因地制宜發(fā)揮其功能[19,39]。因此,對(duì)雄安城區(qū)坑塘和溝渠進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析,有助于深入剖析城區(qū)濕地的生態(tài)現(xiàn)狀。

GIS分析結(jié)果表明研究區(qū)濕地總面積3.65 km2,主要有溝渠和坑塘兩種類型,其中溝渠2.30 km2,坑塘1.35 km2。根據(jù)野外調(diào)研,溝渠均為人工挖掘,根據(jù)其功能分為道路排水渠、污水廠排污渠和耕地灌溉溝渠。溝渠系統(tǒng)在研究區(qū)呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),沿道路、耕地分布。研究區(qū)坑塘共計(jì)135個(gè),坑塘主要因農(nóng)村建房、采集磚坯、灌溉等人工開挖而成,緊鄰村鎮(zhèn)分布。

由圖3可知,研究區(qū)濕地分布極不均勻。南部鄰近白洋淀區(qū)域濕地分布多,北部?jī)?nèi)陸地區(qū)分布較少,這可能與區(qū)域的高程和地下水位有關(guān)[15]。華北平原干旱少雨,地下水資源是該區(qū)域生產(chǎn)、生活用水的主要來源,地下水超負(fù)荷開采導(dǎo)致其水位顯著下降[40],部分坑塘和溝渠出現(xiàn)季節(jié)性干涸現(xiàn)象,尤其是研究區(qū)北部,這一現(xiàn)象尤為普遍。此外,白軍紅等[41]研究也表明白洋淀上游經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、水利設(shè)施的建設(shè)加之大面積開墾耕作,改變了水資源的時(shí)空分布,造成上游徑流量減少。

通過圖3只能宏觀地描述濕地的分布狀況,為此本研究借助景觀格局指數(shù)進(jìn)一步詳細(xì)分析濕地的空間結(jié)構(gòu)。根據(jù)表7可知,溝渠的PLAND值為63.046,坑塘為36.954,且溝渠的LPI值也大于坑塘,表明溝渠在研究區(qū)濕地景觀中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。從斑塊密度看,溝渠的PD值為102.307,遠(yuǎn)大于坑塘(37.028),說明溝渠的完整性要明顯優(yōu)于坑塘。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查和遙感影像可知,溝渠間多有連接,形成一個(gè)較完整的溝渠網(wǎng)絡(luò)體系;坑塘多獨(dú)立分布,這與景觀格局的分析結(jié)果一致。從聚合度指數(shù)看,坑塘和溝渠的AI值分別為66.804、38.893,AI的取值范圍在0到100之間[27],表明坑塘的聚集程度顯著高于溝渠。溝渠的聚集程度低,在研究區(qū)中分布間隔較大;坑塘受村鎮(zhèn)分布的影響,分布較為密集。

表7 不同濕地類型景觀格局特征指數(shù)

3.4 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)

本研究運(yùn)用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型對(duì)雄安城區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得出濕地的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為0.262(表8),根據(jù)雄安城區(qū)濕地健康評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知,當(dāng)前研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)處于不健康狀態(tài)。

如表8所示,研究區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境面臨的主要壓力為人為因素(開發(fā)系數(shù)、人口密度)和自然因素(降雨、氣溫),其中人為因素對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)造成的威脅較大。Song等[41]也在其研究中指出,白洋淀上游受到強(qiáng)烈的人為活動(dòng)作用,水位下降,甚至部分池塘等干枯、消失。近30年來,雄安新區(qū)人口持續(xù)增長(zhǎng),社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷推進(jìn)[27]。伴隨人口的增加,人們對(duì)水資源的需求也在不斷增長(zhǎng),地下水過度開采,地下水補(bǔ)給能力減弱,影響濕地的蓄水量,濕地面積萎縮[41-43]。 居民地面積擴(kuò)張和耕地開墾等不合理的土地開發(fā)改變了原有的下墊面條件,如水土保持措施、植被覆蓋、地表供水能力等[44],致使?jié)竦胤篮檎{(diào)蓄、凈化水質(zhì)、維持生物多樣性等生態(tài)功能發(fā)生不同程度的弱化[39]。濕地周邊污染源增加,且缺乏一定的防護(hù)管理措施,水質(zhì)惡化,進(jìn)而影響濕地的生態(tài)環(huán)境[45]。

表8 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

頻繁的人為干擾不是影響研究區(qū)濕地生態(tài)健康的唯一原因,氣候因子在其中也占有相當(dāng)比重。研究區(qū)濕地屬于半干旱型濕地,濕地景觀對(duì)水位的依賴性很強(qiáng)[16]。鳳蔚等[40]通過分析雄安新區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的水位、降雨和北太平洋指數(shù)的周期性變化,證實(shí)了雄安新區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)變化與區(qū)域降雨呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性。降雨是研究區(qū)水體主要的補(bǔ)給方式,對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境有著制約作用[25]。1990年以來,華北地區(qū)氣候趨向于暖干,降雨量持續(xù)減少,徑流量急劇減少,地下水位明顯下降[11,14]。地下水位的下降,對(duì)植被、土壤等產(chǎn)生一系列影響,從而改變?cè)械纳鷳B(tài)環(huán)境狀態(tài),使得濕地面積萎縮,地表景觀格局發(fā)生變化[45]。雖然有研究表明氣溫與白洋淀區(qū)域水位的相關(guān)性不顯著[43],但濕地小環(huán)境氣溫的升高會(huì)增加蒸發(fā)量,對(duì)濕地景觀格局造成一定的影響[16,46]。

從狀態(tài)系統(tǒng)看,制約濕地生態(tài)健康的主要因素有水文調(diào)節(jié)指數(shù)、植被覆蓋率和水體污染。研究區(qū)景觀異質(zhì)性增加,斑塊破碎化現(xiàn)象嚴(yán)重;植被覆蓋率低,生物多樣性降低,水體受污染程度嚴(yán)重,濕地生態(tài)系統(tǒng)健康面臨威脅。從響應(yīng)系統(tǒng)看,研究區(qū)整體的破碎化程度較高,尤其是坑塘和溝渠之間連通性較差,無法發(fā)揮其調(diào)控水源、防洪調(diào)蓄、凈化水質(zhì)等功能,濕地資源遭到嚴(yán)重破壞,濕地當(dāng)前的保護(hù)和管理水平較低。

從以上評(píng)價(jià)結(jié)果可知,目前雄安城區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不容樂觀。因此,需要降低雄安城區(qū)濕地生態(tài)健康的壓力和威脅,采取對(duì)應(yīng)的措施使其向有利于穩(wěn)定的方向發(fā)展。結(jié)合景觀格局分析和生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果,提出以下建議：(1)貫通坑塘、溝渠及河流,增加景觀連通性,優(yōu)化水資源配置,充分發(fā)揮其在經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和景觀上的重大價(jià)值;(2)改變農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),改變農(nóng)業(yè)灌溉方式,提高水資源利用率,減少水資源的過度開采;(3)限制周邊企業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、人類生活等源頭污染物的排放,利用濕地植被構(gòu)建濕地污水處理系統(tǒng),提高濕地自身的水質(zhì)凈化功能;(4)增大濕地植被覆蓋面積,調(diào)整景觀構(gòu)型,增強(qiáng)景觀格局的異質(zhì)性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

作為繼深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)和上海浦東新區(qū)之后設(shè)立的雄安新區(qū),具有承載優(yōu)化京津冀城市布局、疏解北京非首都功能等重任。在此背景下,本文以雄安城區(qū)(起步區(qū)、容城組團(tuán)和安新組團(tuán))為研究對(duì)象,基于景觀格局和雄安城區(qū)濕地的特點(diǎn),以“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型為主線,探討雄安城區(qū)濕地的生態(tài)系統(tǒng)健康和景觀格局特征,給未來的城市發(fā)展建設(shè)和濕地生態(tài)恢復(fù)提供正確的指引。研究結(jié)果如下：

(1)耕地和建設(shè)用地是研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀,受人類活動(dòng)的影響,二者斑塊形狀較規(guī)則。耕地完整性最高,連接度最好;其次為建設(shè)用地。水域、未利用地和林地占地面積較小,破碎化程度高,連接度較差;水域和未利用地的聚合度比林地低。研究區(qū)整體聚合度較高,非優(yōu)勢(shì)景觀破碎度較高,連通性和均勻度不顯著。

(2)溝渠為研究區(qū)主要濕地類型,濕地分布集中在南部淀區(qū)旁,北部?jī)?nèi)陸區(qū)分布較少。溝渠在區(qū)域中優(yōu)勢(shì)度高,整體性和連通性都優(yōu)于坑塘,但聚集度低;坑塘破碎度高,連通性差,但分布較溝渠密集。

(3)本文通過綜合評(píng)價(jià)計(jì)算出研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為0.262。受頻繁的人為活動(dòng)和多變的氣候影響,濕地生態(tài)系統(tǒng)處于不健康狀態(tài)。濕地植被覆蓋率低,水體污染嚴(yán)重,連通性較差,景觀破碎化嚴(yán)重,生態(tài)功能退化。未來需加強(qiáng)管理和保護(hù)工作,減少濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的壓力和生態(tài)威脅,推進(jìn)濕地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。