郎永娟? 種培芳 ?林楊杰? 胡?波? 寧建楊

蘭州新區(qū)秦王川國家濕地公園是西北重要的內(nèi)陸鹽沼濕地，生態(tài)意義重大。為揭示秦王川國家濕地公園景觀格局變化規(guī)律及為科學管理秦王川國家濕地公園提供理論依據(jù)，利用Arcgis和Fragstats軟件分析探討其2010-2019年景觀格局變化特征。研究表明：10年間河流濕地、沼澤濕地、林地和草地面積持續(xù)增大；耕地、裸地面積大幅度減少，逐漸轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型。斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）和形狀指數(shù)（LSI）逐漸增加，秦王川國家濕地公園景觀破碎化程度加深，斑塊形狀復雜；香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）先增加后減少，濕地公園內(nèi)優(yōu)勢斑塊的主導作用先降低后增強。秦王川國家濕地公園景觀格局的變化主要受社會自然因素、經(jīng)濟因素和政策因素3個驅(qū)動因素的共同影響。

秦王川國家濕地公園；景觀格局；驅(qū)動因素；蘭州新區(qū)

濕地作為人類寶貴的土地資源與森林、海洋一起并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)，因濕地具有強大的生態(tài)凈化作用，所以被稱作“地球之腎”[1]。濕地作為野生動植物的重要棲息地，保護了生物多樣性，在調(diào)節(jié)地表徑流、調(diào)蓄洪水、地下水，以及調(diào)節(jié)區(qū)域氣候的功能等方面意義重大[2-5]。然而隨著社會的快速發(fā)展，人類為了獲取最大的經(jīng)濟效益，開始對濕地進行過度的開發(fā)和利用，這使得濕地的生態(tài)效應(yīng)開始逐漸喪失和退化[6]。2013年全國第二次濕地資源調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：濕地總面積與第一次調(diào)查比較，減少了339.63萬hm2，減少率為8.82%[7]。由此可見，盡管國家近十年來一直強調(diào)對濕地的重點保護，但是濕地資源總量仍呈下降趨勢，因此，對有限的濕地資源進行保護和修復刻不容緩。2015年，中央城市工作會議提出“城市修補、生態(tài)修復”概念，全國各地陸續(xù)推進保護自然資源、修復生態(tài)環(huán)境工作[8]。越來越多的學者專家將目光提升到人類可持續(xù)發(fā)展層面，景觀生態(tài)學對于整個人類的可持續(xù)發(fā)展起到重要作用。作為景觀生態(tài)學一個重要的分支，景觀格局指的是形狀和大小相異的景觀斑塊在空間上的分布[9]。從20世紀70年代起，景觀生態(tài)學被逐漸引入到濕地研究中，濕地景觀格局的動態(tài)變化一直是濕地生態(tài)學研究的熱點[10-11]。研究城市濕地景觀格局變化對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[12]。

秦王川國家濕地公園是蘭州新區(qū)關(guān)鍵的濕地系統(tǒng)，是維持整個蘭州新區(qū)生態(tài)環(huán)境和諧的重要因素。秦王川國家濕地公園內(nèi)動植物物種豐富，這在黃土高原干旱、半干旱地區(qū)十分珍貴，保護和恢復秦王川濕地良好的生態(tài)系統(tǒng)，會給這些動植物生長、繁衍提供良好的生態(tài)環(huán)境。目前對秦王川國家濕地公園的研究相對單一，主要集中在生態(tài)恢復、景觀規(guī)劃、生態(tài)系統(tǒng)健康評價等幾個方面[13-15]。因此對秦王川國家濕地公園進行景觀格局研究與分析顯得尤為重要。尤其是秦王川國家濕地公園經(jīng)歷了人為的建設(shè)以及重新改造活動，這些人類活動難免會對濕地公園的景觀格局造成一定程度的干擾。因此選擇建設(shè)前、建設(shè)后以及景觀提升后這3個時間段對秦王川國家濕地公園的景觀格局進行分析，有助于了解濕地公園建設(shè)前后的景觀格局變化情況，從而為秦王川國家濕地公園的生態(tài)保護與可持續(xù)規(guī)劃提供參考意見。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

2012年8月，國務(wù)院批復設(shè)立全國第5個、西北第一個國家級新區(qū)——蘭州新區(qū)（圖1）。新區(qū)規(guī)劃范圍包括蘭州市永登縣（含秦王川濕地）以及皋蘭兩縣6鎮(zhèn)[13]。秦王川國家濕地公園處于蘭州新區(qū)南部的秦王川盆地，地理位置介于東經(jīng)103°35′38″～108°38′37″，北緯36°23′59″～36°27′56″之間，總占地面積為333.45 hm2。秦王川國家濕地公園規(guī)劃區(qū)屬內(nèi)陸鹽沼濕地，公園西側(cè)為蘭州中川機場高速公路，北側(cè)為新區(qū)城市主干道緯三路，南側(cè)緊鄰繞城快速路，東側(cè)近臨124縣道，地理位置優(yōu)越，交通便捷。秦王川地處內(nèi)陸，大陸性季風氣候明顯，特點是降水少，氣候干燥。年平均氣溫為6.9℃；年平均降水量為300～350 mm，年蒸發(fā)量為1 880 mm。

1. 研究區(qū)概況圖

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

通過地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）獲取研究區(qū)2010年、2015年、2019年共3期空間分辨率為30 m的landsat遙感數(shù)據(jù)（表1）。以《甘肅蘭州秦王川國家濕地公園總體規(guī)劃（2012-2019）》和2010年9月11日、2015年6月7日、2019年8月13日的Google Earth精度為1.92 m遙感衛(wèi)星地圖作為參考，以便得到科學準確的分類結(jié)果。之后在Arcmap10.2.2軟件的支持下進行公園斑塊分類，并通過實地踏查確定斑塊類型和邊界，提取斑塊面積等基本斑塊信息，最后通過Fragstats軟件計算景觀指數(shù)。采用ENVI5.1軟件分別對3期遙感影像進行大氣校正、幾何校正、裁剪等預(yù)處理，通過人工目視解譯的方法，得到研究區(qū)景觀類型分布圖（圖2）。本研究所用的方法概念模型如圖3所示。

2. 2010、2015、2019年秦王川國家濕地公園濕地景觀類型分類圖

3. 研究方法概念模型

表1 遙感影像數(shù)據(jù)源

1.2.2 景觀格局指數(shù)的選取與分析

景觀格局指數(shù)能夠在一定程度上反映景觀格局的變化特征，其對區(qū)域景觀生態(tài)規(guī)劃、國土空間規(guī)劃等方面具有重大意義。目前景觀格局指數(shù)可分為斑塊、類型和景觀三種類別[16]。本研究使用斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、聚合度指數(shù)（AI）、斑塊平均面積（MPS）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、連通性指數(shù)（COHENSION）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）10個指標進行計算。利用Arcgis10.2.2軟件將秦王川國家濕地公園2010、2015和2019年三個年份的景觀類型矢量圖轉(zhuǎn)換為柵格大小為1 m×1 m的Tiff格式，然后在Fragstats4.2中載入導出的柵格圖，從類型和景觀兩個水平計算所需的景觀格局指數(shù)[17]。

1.2.3 馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣作為不同景觀類型之間相互轉(zhuǎn)化數(shù)量和方向研究的主要定量方法，能夠反映景觀變化的結(jié)構(gòu)特征以及各類型之間的轉(zhuǎn)移方向[18]。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學形式為:

在表達式中，n為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)，i是轉(zhuǎn)移之前的土地利用類型，j為轉(zhuǎn)移之后的土地利用類型，S代表面積，是i地類轉(zhuǎn)換為j地類的面積。

1.2.4 秦王川國家濕地公園景觀分類體系

濕地類型的劃分是景觀格局變化研究的前提，對更好地揭示景觀格局變化具有重要意義。由于濕地的地域性差異，國內(nèi)外對濕地景觀分類的原則、指標和方法等仍未統(tǒng)一，因此在實際研究中，一般是根據(jù)研究區(qū)場地衛(wèi)星影像的特點，參考相應(yīng)的濕地分類標準和解譯標志，建立適合研究區(qū)的濕地景觀分類體系[19-20]。秦王川國家濕地公園濕地類型的劃分是在對衛(wèi)星影像目視解譯的基礎(chǔ)上結(jié)合《國家濕地分類標準（GBT24708-2009）》《濕地公約》《甘肅蘭州秦王川國家濕地公園總體規(guī)劃（2012-2019）》和秦王川國家濕地公園地類現(xiàn)狀及特點，建立適合秦王川國家濕地公園的濕地分類體系（表2）。

表2 秦王川國家濕地公園濕地景觀分類體系

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地景觀總體動態(tài)分析

由表3可知10年期間濕地公園內(nèi)主要的土地利用類型由2010年的耕地變?yōu)楹恿鳚竦兀恿鳚竦氐拿娣e變?yōu)?25.05 hm2，占研究區(qū)總面積的38.08%。2010-2019年秦王川國家濕地公園發(fā)生的最大變化為耕地和裸地類型逐漸消失轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鳚竦亍⒄訚蓾竦?、林地等土地利用類型。發(fā)生變化的原因是由于2011年設(shè)立秦王川國家濕地公園后，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)戶搬遷，區(qū)域內(nèi)所有耕地全部轉(zhuǎn)化為其他土地類型，同時裸地面積急速下降。相反沼澤濕地面積和林地面積逐漸增大，沼澤濕地面積由2010年的30.66 hm2增加到2019年的61.93 hm2，占研究區(qū)總面積的18.86%；林地面積持續(xù)增加，至2019年為79.38 hm2，占研究區(qū)總面積的24.17%。而草地面積先增長后下降，至2015年增加到57.63 hm2，而到2019年下降到53.18 hm2，下降幅度為1.35%。

表3 秦王川國家濕地公園各類型景觀面積

2.2 景觀類型轉(zhuǎn)移流向分析

利用分類得出2010年、2015年、2019年3個時期的景觀利用類型圖，借助Arcgis分析工具中的Intersect工具求出兩期土地利用數(shù)據(jù)的交叉重疊部分，然后用紅、黃、藍三種顏色表示不同景觀類型減少、保留以及增加的部分，由此制作2010-2019年時間段主要土地利用類型轉(zhuǎn)移流向變化圖（圖4）。之后利用Arcgis添加字段以及字段統(tǒng)計功能，計算出各土地轉(zhuǎn)移類型的面積。最后將所得到的土地類型轉(zhuǎn)移矩陣導出至excel，利用excel數(shù)據(jù)透視表功能得到2010-2019年各景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣（表4）。

4. 景觀類型轉(zhuǎn)移流向圖

表4 秦王川國家濕地公園2010-2019年土地利用轉(zhuǎn)換矩陣 單位：hm2

從各景觀類型流出面積來看，主要流出的景觀類型為耕地和裸地，其中耕地流出面積最大，總流出面積為191.18 hm2。2015年耕地面積全部轉(zhuǎn)化為林地、河流濕地、沼澤濕地、草地等景觀類型，其中50.67 hm2耕地轉(zhuǎn)化為林地，56.52 hm2轉(zhuǎn)化為河流濕地，41.33 hm2轉(zhuǎn)化為草地以及35.80 hm2轉(zhuǎn)化為沼澤濕地。2015年耕地流出的主要原因是隨著秦王川國家濕地公園的建立以及蘭州新區(qū)生態(tài)環(huán)境保護意識的日益增長，退耕還濕成為蘭州新區(qū)生態(tài)質(zhì)量逐步轉(zhuǎn)變的重要舉措。裸地的流出面積為39.39 hm2，主要流向為林地、河流濕地以及沼澤濕地，其中流向林地的面積為11.53 hm2，流向河流濕地、沼澤濕地的面積分別為16.04 hm2、8.64 hm2。裸地大量流出證明土地得到了很好的利用，尤其是將裸地轉(zhuǎn)化為林地，這一變化證明了蘭州新區(qū)生態(tài)意識正在逐步增強。

2010-2019年間流入河流濕地的面積最大，流入面積為105.9 hm2。在所有景觀類型中，耕地是各景觀類型的主要流入源，其中由耕地流入河流濕地的面積為56.52 hm2，流入沼澤濕地的面積有35.80 hm2。而10年間河流濕地和沼澤濕地之間也發(fā)生了相互的轉(zhuǎn)化，有23.12 hm2的河流濕地轉(zhuǎn)化為沼澤濕地。發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因是由于濕地生態(tài)系統(tǒng)的多樣性逐年增大，使得一些水生植物快速繁殖生長。2010-2019年間流入林地的面積75.20 hm2，有50.67 hm2的耕地流入林地，11.53 hm2的裸地流入林地；流入草地的總面積為47.09 hm2，其中有41.33 hm2的耕地、2.19 hm2的河流濕地以及2.42 hm2的裸地流入草地。

2.3 秦王川國家濕地公園景觀格局演變分析

2.3.1 景觀水平上景觀格局變化

通過表5可得，2010-2015年受濕地公園規(guī)劃建設(shè)的影響，在此期間濕地公園NP值、PD值顯著增長，研究區(qū)的景觀破碎持續(xù)增大，這說明人類活動對于秦王川國家濕地公園產(chǎn)生了重要影響；2015-2019年公園已投入使用，此時秦王川國家濕地公園總體NP值、PD值雖然有所增加，但是變化趨勢降低。2010-2015年期間LPI值呈減少趨勢，2015-2019年基本變化穩(wěn)定，這證明秦王川國家濕地公園內(nèi)景觀優(yōu)勢度持續(xù)降低后有輕微的增長。LSI值持續(xù)增長證明研究區(qū)景觀的不規(guī)則性逐年增加。CONTAG值基本呈逐年減少的趨勢，由2010年的66.5636減少到2015年的58.3408，雖然在2015-2019年有緩慢增長，但是增幅不大，該變化說明2010-2015年秦王川濕地景觀的連接度呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，景觀破碎度不斷增大，2015-2019年景觀連接度緩慢上升，景觀破碎情況有所緩解。2010-2015年間SHDI值和SHEI值逐漸增加，濕地公園景觀破碎化加強，秦王川公園濕地景觀類型逐漸豐富，受某種優(yōu)勢斑塊支配的景觀格局發(fā)生了變化；2015-2019年SHDI值和SHEI值有下降趨勢，研究區(qū)景觀多樣性減少，景觀分布均勻性下降。在景觀結(jié)構(gòu)方面，2010-2019年COHENSION值呈現(xiàn)持續(xù)降低降的趨勢，由2010年的99.9632減少到了2019年的99.9520，表明河流斑塊間的景觀連通性較差，這也符合前文所指出的在整個研究時期內(nèi)由于河流斑塊的破碎化程度不斷加劇，從而導致景觀的連通性變?nèi)酢?/p>

表5 景觀水平上景觀格局變化

2.3.2 斑塊類型上景觀格局變化

由圖5可知，2010-2019年河流濕地的斑塊數(shù)量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢；沼澤濕地的斑塊數(shù)量先增大后減少，但基本保持不變；耕地和裸地由于秦王川國家濕地公園的建設(shè)，在2015年耕地斑塊全部消失，裸地斑塊數(shù)持續(xù)減少，至2019年裸地斑塊基本消失；2010-2019年期間草地和林地的斑塊數(shù)逐漸增大，建筑用地斑塊數(shù)量變化基本穩(wěn)定。斑塊數(shù)量的變化直接導致斑塊密度發(fā)生改變（圖6）。通過分析2010-2019年斑塊數(shù)和斑塊密度數(shù)值的變化規(guī)律可知，秦王川國家濕地公園整體景觀破碎化程度在2010-2015年最為明顯，2015-2019年景觀破碎化程度雖然存在但是不太強烈。各景觀類型中河流濕地景觀、沼澤濕地以及林地的景觀破碎化程度較高，所以在今后濕地公園景觀生態(tài)規(guī)劃上要著重考慮這幾個景觀類型的生態(tài)修復。

5. 秦王川國家濕地公園2010-2019年斑塊指數(shù)（NP）變化圖

6. 秦王川國家濕地公園2010-2019年斑塊密度指數(shù)（PD）變化圖

由圖7可知，2010-2019年河流濕地的LPI值先減小后增大；沼澤濕地的LPI值呈持續(xù)增長狀態(tài)；林地作為逐漸發(fā)展起來的優(yōu)勢景觀類型，其LPI值一直增加至2019年的13.36%；草地的LPI值先增大后減?。黄渌木坝^類型LPI值變化不太明顯。LSI值能夠反映景觀的形狀變化，其數(shù)值越大則證明景觀的形狀越復雜（圖8）。河流濕地的LSI值變化明顯，由2010年的10.19%增長到2015年的11.45%，至2019年變化開始平緩；沼澤濕地、草地的LSI值先急速上升后開始下降；林地的LSI值呈增長趨勢，2019年LSI值為11.71%；裸地的LSI值呈繼續(xù)減少的趨勢，至2019年裸地景觀消失。

7. 秦王川國家濕地公園2010-2019年最大斑塊指數(shù)（LPI）變化圖

8. 秦王川國家濕地公園2010-2019年景觀形狀指數(shù)（LSI）變化圖

由圖9可知各景觀類型的AI值基本接近，都在98上下浮動，基本無明顯變化，AI值能夠表示斑塊類型的團聚性或延展性，這也說明研究區(qū)2010-2019年期間各景觀類型的聚合度以及延展度變化不大。從MPS的生態(tài)意義可知，MPS值的變化能反饋更豐富的景觀生態(tài)信息，它是反映景觀異質(zhì)性的關(guān)鍵（圖10）。2010-2019年河流濕地的MPS值基本呈上升趨勢；沼澤濕地MPS值整體低于河流濕地，說明在濕地景觀類型中沼澤濕地的景觀破碎化相比河流濕地較高；林地與草地的MPS值基本呈先增加后減少的趨勢，證明林地和草地的破碎化程度先減小后增大。

9. 秦王川國家濕地公園2010-2019年聚集度指數(shù)（AI）變化圖

10. 秦王川國家濕地公園2010-2019年斑塊平均面積指數(shù)（MPS）變化圖

3 秦王川國家濕地公園濕地變化的驅(qū)動因素

分析研究景觀格局變化的驅(qū)動機制，可以更加清楚地發(fā)現(xiàn)景觀格局與驅(qū)動因素之間的作用關(guān)系，從而可以在一定程度上避免一些因素對于景觀格局的破碎化影響[21]。一般導致景觀格局發(fā)生變化的因子主要是自然和社會兩個因素。自然因素對景觀的影響是長時間作用形成的，而社會因素可以在短時間改變區(qū)域的整體景觀結(jié)構(gòu)。

3.1 自然驅(qū)動因素

自然因素在一定程度影響著秦王川國家濕地公園的景觀格局。景觀格局是在氣候、地貌、土壤等自然因素所建立的模板上發(fā)展起來的。如氣候因素對景觀格局驅(qū)動力極為重要，即使沒有強烈的人類干預(yù)，現(xiàn)在的氣候變化也會導致動植物群落和整個生物群落的分布發(fā)生巨大變化。自20世紀70年代開始蘭州新區(qū)的年平均氣溫總體呈現(xiàn)出上升態(tài)勢，2010-2019年期間蘭州新區(qū)最高溫度增溫幅度在0.2℃～3.2℃之間。濕地公園所處的環(huán)境極為干旱，長年以來秦王川國家濕地公園的降水量遠低于蒸發(fā)量，可以預(yù)測未來秦王川國家濕地公園的水域面積會出現(xiàn)減少的趨勢，所以人為的引水措施極其重要。地形、海拔、坡向和坡度都會影響氣溫以及景觀內(nèi)可用水分。秦王川國家濕地公園地勢較低，因此除了降水，這一地理特征還為秦王川國家濕地公園提供了充足的地下水補給。

3.2 社會驅(qū)動因素

（1）經(jīng)濟發(fā)展。人口遷移統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，蘭州新區(qū)自2012年成立以來，GDP增長近5倍，經(jīng)濟增速始終保持在兩位數(shù)，地區(qū)生產(chǎn)總值從2011年的39.04億元增長到2017年的176.33億元，年均增速28.6%。蘭州新區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展促使秦王川國家濕地公園的成立。濕地公園的建設(shè)使得原本存在的耕地類型慢慢消失，公園內(nèi)所有裸地在開發(fā)改造過程中逐漸被其他景觀類型替代。

（2）政策因素。政策因素可以在一定時間內(nèi)改變某研究區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)。1995年國家實施“大秦引水”工程政策使得蘭州新區(qū)多年以來的缺水問題得以解決，在一定程度上改變了新區(qū)的水域景觀，也為秦王川濕地提供了大量的水資源。除此之外蘭州新區(qū)實施“退耕還濕”政策使得濕地面積逐漸擴大，生態(tài)環(huán)境明顯改善。秦王川國家濕地公園于2011年正式成立，經(jīng)長達6年的規(guī)劃建設(shè)于2017年底開始投入使用，并于2018年得以提升改造。秦王川國家濕地公園的建設(shè)與提升改造項目很大程度上影響了秦王川國家濕地公園的景觀格局。

4 結(jié)論與討論

研究土地利用變化能夠揭示區(qū)域不同時段不同土地利用類型的變化規(guī)律，從一個層面可以間接地反映該地區(qū)的景觀格局。同時分析土地利用與驅(qū)動力的相關(guān)關(guān)系，可以預(yù)測區(qū)域土地利用的未來發(fā)展趨勢，有利于規(guī)劃部門依據(jù)變化規(guī)律制定一系列措施及策略來保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進土地可持續(xù)利用。

研究發(fā)現(xiàn)，2010-2019年間，耕地與裸地面積急速下降，河流濕地和沼澤濕地代替耕地成為秦王川國家濕地公園的主要土地利用類型；林地、草地面積逐年增加。2015-2019年秦王川國家濕地公園濕地的景觀破碎化程度雖然相比于2010-2015年期間破碎度降低，但整體仍然呈現(xiàn)增加趨勢，且斑塊之間的連接度下降，斑塊形狀復雜化程度加深，景觀格局的復雜性增高。10年間濕地景觀多樣性不斷增大，且能夠均勻分布。分析引起景觀格局變化的驅(qū)動因素，耕地景觀脆弱化主要受蘭州新區(qū)“退耕還濕”政策的實施使得人口遷移導致棄耕的影響。人類活動對秦王川國家濕地公園景觀格局變化有很大的影響，如2015年，由于公園的開發(fā)建設(shè)，秦王川國家濕地公園整體景觀格局破碎化嚴重，2018年改造項目的進行讓原本破碎的景觀有所好轉(zhuǎn)，如水系疏浚、淺灘地形塑造等生態(tài)工程的實施，濕地斑塊的連通性不斷增加，濕地植被景觀整體性不斷提高。這些人為措施在一定程度上增加了濕地斑塊的面積。

文章梳理和分析了土地利用、景觀格局變化對秦王川國家濕地公園土地景觀類型的影響，研究結(jié)果能夠?qū)μm州新區(qū)未來的土地合理利用、景觀格局優(yōu)化以及城市生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供一定參考。