尹小嵐,譚程月,柯櫻海,*,周德民

1 首都師范大學(xué)城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,北京 100048 2 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京 100048 3 首都師范大學(xué)水資源安全北京實(shí)驗(yàn)室,北京 100048

濱海鹽沼濕地位于海陸過渡區(qū)域,是具有較高草本或低灌木植被覆蓋度的一種濕地生態(tài)系統(tǒng)[1];其生產(chǎn)力高,生物多樣性豐富,是“藍(lán)碳”生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2],在應(yīng)對(duì)全球氣候變化、推動(dòng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要的作用[3]。近年來,在自然與人為因素的共同影響下,全球范圍內(nèi)的濱海鹽沼濕地正面臨面積損失和功能退化的風(fēng)險(xiǎn)[4],對(duì)鹽沼濕地的監(jiān)測、保護(hù)和修復(fù)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題[5]。黃河三角洲擁有我國暖溫帶最完整、最年輕的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng),是黃河流域生態(tài)系統(tǒng)健康的“晴雨表”,分布著大量的鹽沼濕地,具有突出的保護(hù)和科學(xué)研究價(jià)值。我國于2021年發(fā)布的《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》中,將保護(hù)修復(fù)黃河三角洲濕地作為推進(jìn)下游生態(tài)治理的重要工作[6]。近五十年來,黃河尾閭河段先后于1976年、1996年、2007年發(fā)生三次改變[7];2002年起黃河實(shí)施的調(diào)水調(diào)沙工程增加了黃河入海水沙量,補(bǔ)充了淡水資源,減輕了由于黃河斷流造成的三角洲濕地生態(tài)環(huán)境惡化[8];而孤東油田的建設(shè)和耕地、養(yǎng)殖池/鹽田的開發(fā)又改變了濕地的水文和生物連通[9]。多重影響下的黃河三角洲具有顯著的復(fù)雜性和特殊性,正確認(rèn)識(shí)黃河三角洲鹽沼濕地景觀格局演化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,對(duì)于理解濱海濕地生態(tài)過程并制定合理的保護(hù)、恢復(fù)策略,推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前,國內(nèi)外許多學(xué)者圍繞濱海濕地時(shí)空演變開展了大量工作,這些研究涉及濱海濕地的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、景觀格局、景觀演變驅(qū)動(dòng)力分析等方面。如,盧曉寧等通過分析黃河三角洲人工濕地和自然濕地斑塊數(shù)量、斑塊面積等景觀指數(shù)的變化,探究了研究區(qū)濕地的景觀破碎化趨勢[10]; Zhou等選擇斑塊數(shù)量、斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)等10個(gè)景觀指數(shù)分析了黃河三角洲濕地景觀格局變化[11]; Wei等通過轉(zhuǎn)移矩陣和重心移動(dòng)研究了2015-2021年黃河三角洲自然和人工濕地的轉(zhuǎn)化特征[12];Zhang等選取6個(gè)景觀指數(shù),分析了1980-2018年黃河三角洲自然濕地和人工濕地景觀的破碎性、連通性和多樣性等特征[13];任玲玲等基于1984-2015年7期Landsat影像,選擇破碎程度、形狀特征、多樣性、均勻性的景觀指數(shù)對(duì)黃河三角洲人工濕地景觀特征進(jìn)行分析[14]。目前,濱海濕地時(shí)空格局演變分析普遍應(yīng)用一系列景觀指數(shù)來量化各時(shí)期濕地景觀的形狀、破碎度、聚集度等,并通過各時(shí)期景觀指數(shù)值的差異來分析景觀格局演變特征;雖然能夠體現(xiàn)濕地景觀格局的整體變化趨勢,但難以反映變化的空間分布規(guī)律和過程機(jī)制[15]。另外,在研究區(qū)內(nèi),多種景觀格局變化類型往往會(huì)同時(shí)出現(xiàn),如在不同空間位置上分別出現(xiàn)了破碎、擴(kuò)張、消失等類型,而傳統(tǒng)方法僅將每種變化類型歸納為一種變化(如破碎、或擴(kuò)張)[16-17],無法全面體現(xiàn)景觀格局多種變化模式[18]。

為應(yīng)對(duì)上述不足,近年來提出了狀態(tài)與演化識(shí)別模型(State-and-Evolution Detection models,SEDMS)[18],是一種基于空間形態(tài)學(xué)規(guī)則識(shí)別景觀生態(tài)過程的方法。不同于單一景觀指數(shù),SEDMS模型利用多個(gè)景觀指數(shù)的組合設(shè)置閾值,在景觀單元(給定窗口內(nèi)的一組土地利用/覆被像素)尺度上對(duì)格局演化模式進(jìn)行更加全面的表征(如景觀破碎可以分為收縮、穿孔、切割等多種模式),可反映景觀格局多種演化模式的空間分異和過程規(guī)律,有助于深入理解自然和人類多重影響下景觀格局復(fù)雜演變機(jī)制[18]。

基于長時(shí)間序列Landsat系列衛(wèi)星影像,獲取1973-2020年黃河三角洲濱海區(qū)域土地利用/覆被分類數(shù)據(jù),以鹽沼濕地為主要研究對(duì)象,利用并改進(jìn)SEDMS模型進(jìn)行鹽沼濕地景觀格局演化模式識(shí)別,隨后,采用地理探測器分析鹽沼濕地格局演化模式空間分異的驅(qū)動(dòng)因素,剖析黃河改道、海岸線變遷、保護(hù)區(qū)建設(shè)、圍墾開發(fā)等自然和人類活動(dòng)因素對(duì)濱海鹽沼濕地景觀格局演化的影響。

1 研究區(qū)概況

現(xiàn)代黃河三角洲位于山東省北部沿海地區(qū),渤海灣與萊州灣之間,北起套爾河口,南至支脈溝口[19],在東部入?？谔幵O(shè)有黃河口國家級(jí)自然保護(hù)區(qū),北部設(shè)有一千二自然保護(hù)區(qū)。黃河三角洲是中國北方濱海鹽沼濕地的典型分布區(qū),擁有我國乃至世界獨(dú)一無二的河口原生濕地生態(tài)系統(tǒng)[20]。選擇黃河三角洲濱海地區(qū)為研究區(qū),總面積4623.6 km2。具體來說,選擇1973、1980、1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年的低潮位無云Landsat衛(wèi)星影像,分別通過目視解譯勾畫海岸線,將歷年海岸線疊加后選擇最偏向內(nèi)陸的海岸線,分別向海陸兩側(cè)做10 km緩沖區(qū),將緩沖區(qū)與一千二和黃河口兩個(gè)自然保護(hù)區(qū)合并,共同構(gòu)成研究區(qū)范圍(圖1)。本區(qū)四季分明,屬北溫帶亞濕潤氣候區(qū),土地資源、石油資源、黃河水沙資源、生物資源等自然資源豐富[21]。由于處于黃河與渤海交互地帶,孕育出多種濕地類型,包括濱海鹽沼濕地和淡水濕地[22]。本區(qū)鹽沼濕地的植被類型主要包括:蘆葦、鹽地堿蓬、檉柳及互花米草(2008年以后)等。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location diagram of the study area

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 1973-2020年土地利用/覆被數(shù)據(jù)

以Google Earth Engine(GEE)谷歌地球引擎云平臺(tái)、e-Cognition 9.0軟件為支撐,結(jié)合1973年至2020年30 m空間分辨率的Landsat系列衛(wèi)星影像、JRC-GSW全球地表水?dāng)?shù)據(jù)集[23]、中國多時(shí)期土地利用土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集(CNLUCC)[24]。由于覆蓋黃河三角洲的Landsat數(shù)據(jù)從1973年開始提供,因此本研究以1973年為起始年份,對(duì)1973、1980、1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年黃河三角洲濱海地區(qū)進(jìn)行土地利用/覆被分類。JRC-GSW數(shù)據(jù)集以月為時(shí)間尺度記錄了1984年以來全球地表水體的范圍,并根據(jù)水體淹沒頻率將水體分為永久性水體和季節(jié)性水體。CNLUCC是以Landsat遙感影像作為主要信息源,通過人工目視解譯構(gòu)建的國家尺度多時(shí)期(1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018、2020)土地利用/土地覆蓋專題數(shù)據(jù)庫,總體精度可達(dá)到91.2%以上[24]。本文針對(duì)研究區(qū)的景觀特點(diǎn)將土地覆蓋類型分為:濱海鹽沼濕地(后文簡稱鹽沼濕地)、水體、淡水濕地、灘涂未利用地、草地、海草、養(yǎng)殖池/鹽田、人工表面、耕地、道路堤壩,各種類型具體的定義如表1所示。

具體分類方法為:針對(duì)每一時(shí)期,首先利用Landsat系列衛(wèi)星影像計(jì)算年內(nèi)最大NDVI(NDVImax),根據(jù)NDVImax設(shè)置閾值來區(qū)分植被和非植被區(qū)域。由于鹽沼濕地中的鹽地堿蓬密度一般較低,因此參照2020年野外踏勘記錄和無人機(jī)影像解譯結(jié)果,在2020年Landsat NDVImax圖層上選擇160個(gè)低密度堿蓬樣本點(diǎn),計(jì)算得到低密度堿蓬的NDVImax均值為0.102。因此為了兼顧低密度的堿蓬,將年NDVImax≥0.1的像元確定為潛在植被生長區(qū),將NDVImax≤0的區(qū)域定為水體,0

在研究區(qū)內(nèi)基于Google Earth高分辨率歷史影像(2000-2020年)[25]、GF-1衛(wèi)星影像(2015、2020年)、以及2020年野外踏勘記錄共計(jì)選擇4700個(gè)驗(yàn)證點(diǎn),對(duì)研究區(qū)內(nèi)2000、2005、2010、2015、2020年土地利用/覆被數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證,采用混淆矩陣評(píng)價(jià)分類精度,總體分類精度依次為:89.36%、85.59%、85.70%、85.45%、90.47%;Kappa系數(shù)為0.88、0.84、0.84、0.84、0.89。鹽沼濕地分類的用戶精度、制圖精度分別為:94.59%、84.55%、82.88%、85.37%、89.04%和82.03%、92.08%、91.09%、85.89%、89.66%;分類精度基本符合進(jìn)一步分析的要求。

2.2 研究方法

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法(Standard deviational ellipse,SDE)是一種度量地理要素空間分布的研究方法[26]。基于鹽沼濕地分布范圍建立SDE,描述鹽沼濕地的重心位置及偏移距離、偏移方向研究其空間分布的變化;根據(jù)橢圓的旋轉(zhuǎn)角度、面積定量研究鹽沼濕地分布的空間格局。利用ArcGIS進(jìn)行鹽沼濕地的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)計(jì)算和結(jié)果的可視化顯示[27]。

2.2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

本文利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[28]對(duì)鹽沼濕地與其它用地類型的凈轉(zhuǎn)化量進(jìn)行計(jì)算分析,用于衡量鹽沼濕地的動(dòng)態(tài)變化過程,研究鹽沼濕地的面積變化和類型的轉(zhuǎn)移[29]。

2.2.3狀態(tài)與演化識(shí)別模型(SEDMS)

SEDMS模型于2021年由Tian等提出[18],該模型將研究區(qū)以規(guī)則格網(wǎng)空間化,對(duì)于每個(gè)格網(wǎng),計(jì)算四個(gè)景觀指數(shù)(Landscape Index,LI),即斑塊數(shù)量(LI1)、斑塊面積(LI2)、斑塊周長(LI3)、平均斑塊分形維數(shù)(LI4)在兩個(gè)相鄰時(shí)期的變化(ΔLIi(i=1,2,3,4)),并利用基于形態(tài)規(guī)則的方法定義景觀格局演化的類型(表2),即切割(D型)、收縮(S型)和穿孔(P型)、聚合(A型)、擴(kuò)張(E型)和增加(C型),前三種為破碎[30],后三種為擴(kuò)張(圖2),Ta和Tb為兩個(gè)相鄰研究時(shí)間點(diǎn)。相比現(xiàn)有景觀格局演化識(shí)別方法,SEDMS可以更加全面地表征各種景觀變化類型,并可將變化類型進(jìn)行空間化,反映格局演化的空間分異特征[32]?？紤]到黃河三角洲鹽沼濕地變化劇烈,本研究在原有SEDMS模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),除破碎和擴(kuò)張兩種類型外,定義了新增和消失兩種景觀格局演化模式類型。景觀新增則為區(qū)域內(nèi)某類斑塊面積從0%到100%,反之則為景觀消失。具體判斷規(guī)則如表2所示。

表2 基于形態(tài)學(xué)規(guī)則的模式識(shí)別方法Table 2 Morphological rule-based pattern recognition approach

圖2 基于形態(tài)規(guī)則的模式識(shí)別方法的狀態(tài)類型判別示意圖[31]Fig.2 Sketch map of the state-type discrimination using the morphological-rule-based pattern recognition approach[31]D:切割;S:收縮;P:穿孔;A:聚合;E:擴(kuò)張;C:增加;Ta,Tb:兩個(gè)相鄰研究時(shí)間點(diǎn)

為兼顧遙感影像30 m分辨率,且能反映出鹽沼濕地格局演變的細(xì)節(jié)特性,通過對(duì)比不同尺度實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與遙感影像的真實(shí)特征,發(fā)現(xiàn)500 m格網(wǎng)比較能夠正確反映格局演化模式的類型,因此本文在研究區(qū)內(nèi)部構(gòu)建500 m×500 m的格網(wǎng),以1973-1980年為一個(gè)時(shí)間段,其后每5年為一個(gè)時(shí)間段,共9個(gè)時(shí)段,分別計(jì)算各時(shí)段的鹽沼濕地格局演化模式類型。同時(shí),統(tǒng)計(jì)每個(gè)格網(wǎng)中9個(gè)時(shí)間段不同格局演化模式類別的總數(shù),稱為格局演化頻數(shù),一定程度上可反映格局演化的復(fù)雜程度。

2.2.4地理探測器

利用地理探測器中的因子探測器[33]研究自然和人為因素對(duì)鹽沼濕地格局演化空間分異的影響程度[34]。選取的因子包括:每個(gè)格網(wǎng)中耕地、人工表面、養(yǎng)殖池/鹽田、道路堤壩、灘涂未利用地的多年累計(jì)變化量,累計(jì)變化量即格網(wǎng)內(nèi)該種用地類型各個(gè)階段發(fā)生變化(凈增加和凈減少的絕對(duì)值)的面積之和、距海距離共計(jì)6項(xiàng)指標(biāo)。通過以下公式探測各影響因子對(duì)演化頻數(shù)空間分異的解釋程度[35]:

(1)

3 結(jié)果

3.1 土地利用/覆被時(shí)空變化特征

1973-2020年黃河三角洲濱海區(qū)域的土地利用/覆被動(dòng)態(tài)變化顯著(圖3)。其中鹽沼濕地面積由1973年的507.04 km2減少到2020年的254.69 km2,總體上呈現(xiàn)減少趨勢,其中1973-1995年基本穩(wěn)定在410 km2以上,隨后迅速減少,2010年減少到190.79 km2,2010-2020年則增加了63.91 km2。灘涂未利用地減少明顯,到2020年僅為324.98 km2,平均每年減少23.43 km2。草地在2000年前占有較大面積,到2020年僅為39.96 km2。養(yǎng)殖池/鹽田增加最為顯著,截止到2020年凈增加1015.71 km2,平均每年增加21.61 km2。耕地面積由1973到2020年增加371.30 km2,是增加面積僅次于養(yǎng)殖池/鹽田的用地類型。淡水濕地由1973年的67.53 km2增加到2020年的200.99 km2。人工表面和道路堤壩呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢,分別擴(kuò)張32倍和12倍。

圖3 研究區(qū)各土地利用/覆被類型面積Fig.3 Area of each land use/cover type in the study area

空間分布上(圖4)可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)特征:①黃河口地區(qū)陸地面積增加明顯,河口區(qū)海岸線明顯向外海推移;②鹽沼濕地的分布范圍逐漸縮小,2000年以后,廣泛分布于黃河口和一千二自然保護(hù)區(qū)內(nèi)及其他沿海狹長地區(qū),黃河口地區(qū)新增大量鹽沼濕地;西北部和東南部沿海地區(qū)鹽沼濕地減少明顯。③土地開發(fā)程度逐漸提高,養(yǎng)殖池/鹽田、耕地及道路堤壩等人類活動(dòng)用地增加顯著,灘涂未利用地、鹽沼濕地、草地等自然用地減少明顯?？傊?大部分鹽沼濕地退化地區(qū)被人類的土地開發(fā)所占用,包括耕地、人工表面、養(yǎng)殖池/鹽田、道路堤壩用地的建設(shè)。

如圖5、表3中的鹽沼濕地重心和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的空間分布圖和統(tǒng)計(jì)參數(shù)所示,1973-1980年鹽沼濕地重心呈現(xiàn)由南向北偏移,年均移動(dòng)1352.02 m;1980-2005向東部偏移顯著,且偏移幅度較大,年均移動(dòng)1707.28 m;2005-2020年間則向西部偏移,移動(dòng)速度有所減緩;總體上是向東偏移的趨勢,其中1973-1980年和2000-2005年空間位移最為劇烈。不同時(shí)間鹽沼濕地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓圖代表了鹽沼濕地空間分布的方向性(圖5),總體上鹽沼濕地呈現(xiàn)東南-西北向的分布特征。鹽沼濕地分布的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積經(jīng)歷了一個(gè)“增-減-增”的變化過程,表明從蔓延空間分布的覆蓋范圍上看,2000年之前鹽沼濕地分布呈現(xiàn)逐漸分散狀態(tài),2000-2010年間,其分布較為集中,2010年后則再次出現(xiàn)小幅度分散狀態(tài)。

圖4 研究區(qū)1973-2020年土地利用/覆被分類圖Fig.4 Land use/cover classification map of the study area from 1973 to 2020

表3 1973-2020年黃河三角洲鹽沼濕地的重心和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)Table 3 Gravity center and standard deviation ellipse parameters of salt marshes in the Yellow River Delta from 1973 to 2020

圖5 鹽沼濕地重心移動(dòng)軌跡及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓Fig.5 Movement track of the gravity center and standard deviation ellipse of the salt marsh

3.2 鹽沼濕地與周邊土地利用/覆被的相互轉(zhuǎn)化

1973-2020年鹽沼濕地與周邊土地利用/覆被的相互轉(zhuǎn)化如圖6所示。從各時(shí)間段來看,1973-1980年鹽沼濕地與灘涂未利用地、草地和耕地之間轉(zhuǎn)化劇烈,鹽沼濕地有少量增加;1980-1990年草地占用鹽沼濕地面積最大(75.85 km2),其次是養(yǎng)殖池/鹽田(48.33 km2),鹽沼濕地面積下降;1990-2000年鹽沼濕地轉(zhuǎn)化為灘涂未利用地的面積最高(162.45 km2),灘涂未利用地又大量轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖池/鹽田,養(yǎng)殖池/鹽田也直接占用大量鹽沼濕地(46.58 km2);2000-2010年,鹽沼濕地減少的趨勢有所放緩,主要轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖池/鹽田(57.3 km2)和淡水濕地(27.18 km2),同時(shí)大量灘涂未利用地(58.18 km2)恢復(fù)為鹽沼濕地,灘涂未利用地轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖池/鹽田依然明顯;2010-2020年鹽沼濕地以增加為主,主要由灘涂未利用地(13.32 km2)和水體(59.94 km2)轉(zhuǎn)化而來。

圖6 1973-2020年鹽沼濕地與其它土地利用/覆被類型的轉(zhuǎn)化Fig.6 Conversion between salt marshes and other land use/cover types from 1973 to 2020

總體來說,2010年之前,養(yǎng)殖池/鹽田、淡水濕地、人工表面對(duì)于鹽沼濕地主要以占用為主,2010年后則部分恢復(fù)為鹽沼濕地;草地和耕地對(duì)于鹽沼濕地的占用也比較明顯,侵占鹽沼濕地的面積逐年下降;道路堤壩直接占用鹽沼濕地面積較小;而鹽沼濕地的增加則主要來源于灘涂未利用地和水體。

3.3 鹽沼濕地景觀格局演化模式

表4中各類演化模式的格網(wǎng)數(shù)量可以體現(xiàn)鹽沼濕地的演化程度和主要格局演化模式。1995年之前,出現(xiàn)各類格局演化模式的格網(wǎng)數(shù)量都較多,表明1995年之前是鹽沼濕地景觀格局變化較為劇烈的時(shí)期,該階段出現(xiàn)消失、破碎的格網(wǎng)數(shù)量總體多于新增和擴(kuò)張的格網(wǎng)數(shù)量;其中,1980年之前以消失為主,1980-1995年以破碎為主。1995年之后,尤其是2000-2010年間,發(fā)生格局變化的格網(wǎng)數(shù)量明顯減少,表明鹽沼濕地的景觀格局在此期間趨于穩(wěn)定,此時(shí)格局演化模式由消失、破碎為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張為主;2010年后,四種格局演化模式的總體數(shù)量較為穩(wěn)定,出現(xiàn)新增、擴(kuò)張的格網(wǎng)數(shù)量明顯多于消失、破碎的格網(wǎng)數(shù)量。這表明鹽沼濕地的消失和破碎化程度逐漸減弱,逐漸向著恢復(fù)和增加的趨勢發(fā)展,現(xiàn)有的鹽沼濕地得到了較好的保護(hù)。總體而言,鹽沼濕地景觀格局演化模式可分為三個(gè)階段:1995年之前的動(dòng)蕩期、1995-2010年的過渡期,以及2010年以后的穩(wěn)定期。

表4 各時(shí)間段演化模式的格網(wǎng)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of grid number of evolution patterns in each time period

3.4 景觀格局演化頻數(shù)空間分布特征

圖7展示了每個(gè)格網(wǎng)的演化頻數(shù)空間分布,可以看出,鹽沼濕地格局演化頻數(shù)具有明顯的空間差異性,且具有一定的空間聚集特性,36%的區(qū)域出現(xiàn)了多次演化模式的改變。其中,演化頻數(shù)較高的地區(qū)主要集中在北部一千二自然保護(hù)區(qū)至黃河口保護(hù)區(qū),且偏向內(nèi)陸地區(qū),位于鹽沼濕地與人類活動(dòng)用地的交界處(圖4),相當(dāng)部分的頻數(shù)達(dá)到4次以上,說明其內(nèi)部的鹽沼濕地在48年間景觀格局變化頻繁,鹽沼濕地生境不穩(wěn)定。在黃河口和一千二保護(hù)區(qū)內(nèi),格局演化頻數(shù)呈現(xiàn)內(nèi)陸高、沿海低的特征;在保護(hù)區(qū)以外,格局演化頻數(shù)也較低,表明其鹽沼濕地的格局演化模式類型較為單一,格局演化頻數(shù)較高的區(qū)域則為鹽沼濕地生境脆弱的區(qū)域,多位于人類活動(dòng)用地(如耕地、養(yǎng)殖池/鹽田等)與鹽沼濕地分布的交界地區(qū)。

圖7 鹽沼濕地全部格局演化頻數(shù)空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of frequencies of salt marsh landscape changes

3.5 鹽沼濕地景觀格局演化空間分異歸因分析

圖8顯示了各影響因子的空間分布情況;其中,耕地、人工表面、養(yǎng)殖池/鹽田、道路堤壩和灘涂未利用地的值分別為其網(wǎng)格內(nèi)面積的多年累積變化量。表5所示,對(duì)全部格局演化頻數(shù)解釋力最強(qiáng)的因子為灘涂未利用地(q值=0.520),其次主要的因子為耕地>養(yǎng)殖池/鹽田>距海距離>人工表面>道路堤壩。對(duì)鹽沼濕地破碎頻數(shù)、新增頻數(shù)解釋力最強(qiáng)的因子從高到低排序相同,依次為:灘涂未利用地>耕地>養(yǎng)殖池/鹽田>人工表面>道路堤壩>距海距離。對(duì)鹽沼濕地消失解釋力最強(qiáng)的因子從高到低依次為:耕地>灘涂未利用地>養(yǎng)殖池/鹽田>人工表面>距海距離>道路堤壩。擴(kuò)張解釋力的因子依次為:灘涂未利用地>耕地>養(yǎng)殖池/鹽田>人工表面>距海距離>道路堤壩。

表5 格局演化頻數(shù)的影響因子q值統(tǒng)計(jì)Table 5 The q values of influencing factors of the number of evolutions

圖8 研究區(qū)影響因子空間分布Fig.8 Spatial distribution of influencing factors in the study area

總體而言,研究區(qū)內(nèi)鹽沼濕地格局的演化主要受灘涂未利用地和耕地的變化影響最為顯著,其中灘涂未利用地的面積變化對(duì)于鹽沼濕地的破碎、擴(kuò)張和新增的影響程度均較為顯著(q值>0.50),耕地對(duì)于鹽沼濕地的消失影響最為顯著(q值=0.55);人工表面和養(yǎng)殖池/鹽田的增加對(duì)于鹽沼濕地格局演化的直接作用較為有限(0.1-0.3);道路堤壩增加和距離海岸線距離對(duì)于鹽沼濕地格局演化的作用并不明顯。

4 討論

上述結(jié)果表明,近五十年來,黃河三角洲鹽沼濕地景觀格局動(dòng)態(tài)演變復(fù)雜、頻繁、時(shí)空異質(zhì)性強(qiáng),且呈現(xiàn)明顯的階段性特征。1973-1995年,鹽沼濕地的面積較大,空間分布相對(duì)分散,重心總體上向北偏東方向遷移,各類格局演化模式的格網(wǎng)數(shù)量均較多,格局演化頻繁,鹽沼濕地與灘涂未利用地、草地和耕地之間的轉(zhuǎn)化強(qiáng)烈;1995年到2010年之間,鹽沼濕地面積明顯減少,空間范圍趨向集中,重心逐漸向東部外海偏移,格局演化模式處于過渡的時(shí)期,由消失、破碎為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張為主,這一時(shí)期鹽沼濕地主要退化為灘涂未利用地或被養(yǎng)殖池/鹽田占用,養(yǎng)殖池/鹽田又大量占用灘涂未利用地,表明該時(shí)期人類開發(fā)活動(dòng)對(duì)于鹽沼濕地生境直接間接的占用十分明顯。2010年以后,鹽沼濕地的面積和分布范圍有所增加,空間范圍趨向分散,重心逐漸向西部內(nèi)陸偏移,格局演化模式相對(duì)穩(wěn)定,且以擴(kuò)張和新增為主,鹽沼濕地生境得到恢復(fù),河口處新增了大量鹽沼濕地。

考慮到黃河三角洲鹽沼濕地景觀格局高強(qiáng)度變化的特點(diǎn),本文對(duì)原有SEDMS模型進(jìn)行了改進(jìn),在“擴(kuò)張”和“破碎”兩種大類的基礎(chǔ)上增加了“新增”和“消失”兩種變化類型。在1995年之前的每個(gè)時(shí)段內(nèi),“新增”和“消失”的格網(wǎng)數(shù)量均較多,表明該時(shí)期鹽沼濕地空間分布呈現(xiàn)劇烈變化。同時(shí),演化模式的頻數(shù),體現(xiàn)了鹽沼濕地格局演化強(qiáng)度的區(qū)域差異。結(jié)果表明,各種格局演化模式可以很好反映鹽沼濕地在各時(shí)間段演化過程的特征及在空間上格局演化的強(qiáng)度的區(qū)域差異;根據(jù)格局演化頻數(shù),發(fā)現(xiàn)鹽沼濕地格局演化頻繁的區(qū)域主要位于人類建設(shè)活動(dòng)用地和鹽沼濕地交界處,受到人類的影響較為強(qiáng)烈,使得鹽沼濕地的格局演化頻繁,表明該區(qū)域的鹽沼濕地變化劇烈,生境脆弱,因而應(yīng)該為鹽沼濕地保護(hù)和恢復(fù)工作的重點(diǎn)區(qū)域。沿海新增鹽沼濕地和保護(hù)區(qū)以外的區(qū)域由于鹽沼濕地存在時(shí)間相對(duì)較短,受到人類的直接占用而消失或?yàn)樾律}沼濕地,使得其格局演化頻數(shù)較低;而演化頻數(shù)的降低也得益于當(dāng)?shù)貪竦乇Ｗo(hù)措施的實(shí)施,使鹽沼濕地生境趨于穩(wěn)定。

地理探測器結(jié)果表明,灘涂未利用地和耕地的變化對(duì)于格局演化頻數(shù)的空間分異具有顯著影響,人工表面和養(yǎng)殖池/鹽田的增加對(duì)于鹽沼濕地格局演化頻數(shù)也有不同程度的作用。圖9梳理了1973年以來黃河下游和三角洲的主要事件。黃河在1976年、1996年、2007年發(fā)生的改道,導(dǎo)致黃河入海口的位置發(fā)生劇烈的變化,河口區(qū)新增大量灘涂,為鹽沼濕地新增和擴(kuò)張創(chuàng)造了條件;改道后老河口(刁口河、清水溝)受到侵蝕,一定程度上造成了鹽沼濕地的破碎和消失。同時(shí),由于黃河改道引起海岸線的向外推移,原本受潮汐影響的鹽沼濕地植被逐漸演替為內(nèi)陸草本植被;改道導(dǎo)致的泥沙淤積,在此過程中易沖毀或淹沒植被,又一定程度導(dǎo)致了鹽沼濕地的破碎和消失。因此,黃河改道造成的灘涂淤積和蝕退是導(dǎo)致1995年之前鹽沼濕地景觀格局演化頻繁的重要因素。另外,鹽沼濕地與上游來水來沙密切相關(guān),1975-1997年間黃河有18個(gè)年份出現(xiàn)斷流[8]。黃河斷流造成三角洲地區(qū)水資源損失巨大、水質(zhì)下降、輸送的營養(yǎng)鹽類減少,造成生態(tài)環(huán)境惡化,生境質(zhì)量的下降會(huì)造成鹽沼濕地的退化;同時(shí),黃河斷流導(dǎo)致來沙量減少、海岸蝕退,長期淹水狀態(tài)不利于鹽沼濕地植被的生長,從而導(dǎo)致鹽沼濕地向?yàn)┩课蠢玫剞D(zhuǎn)化,1995-2000年,格局演化以破碎和消失為主可能受此影響。2002年起黃河通過聯(lián)合調(diào)度萬家寨、三門峽、小浪底水庫實(shí)施的調(diào)水調(diào)沙工程,極大地增加了黃河入海水沙量,使得泥沙淤積,同時(shí)為鹽沼濕地補(bǔ)充了淡水資源,為其恢復(fù)起到了積極作用,因此2000-2005年,出現(xiàn)破碎和消失的頻數(shù)明顯減少。

圖9 黃河下游及黃河三角洲1973-2020年主要事件時(shí)間軸Fig.9 Timeline of major events in the lower Yellow River and the Yellow River Delta during 1973-2020

從各時(shí)期的土地利用/覆被分布來看,人類生產(chǎn)開發(fā)活動(dòng)始終貫穿著整個(gè)研究時(shí)期,對(duì)鹽沼濕地的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及景觀格局產(chǎn)生重要影響。研究期間耕地凈增加674.9 km2,耕地墾殖必然要進(jìn)行濕地排干改造,直接導(dǎo)致濕地干化[36];養(yǎng)殖池/鹽田凈增加1015.71 km2,占用了大量灘涂,進(jìn)而擠壓適宜鹽沼濕地生長的空間,水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)廢水的排放直接污染近岸環(huán)境,間接影響鹽沼濕地生境。此外,黃河三角洲擁有重要的石油生產(chǎn)基地,孤東油田于1986年開始建設(shè),占用了部分鹽沼濕地,大量廢棄物的排放也導(dǎo)致環(huán)境惡化,對(duì)鹽沼濕地產(chǎn)生不利影響;道路堤壩建設(shè)阻隔了鹽沼濕地的水文連通,雖然占地面積較為有限,但是弱化了海洋和陸地的水文循環(huán)。2005年之后,由于國家對(duì)濕地保護(hù)的重視程度加強(qiáng),各項(xiàng)濕地保護(hù)制度的建立和完善、濕地保護(hù)政策的實(shí)施,使得黃河三角洲地區(qū)鹽沼濕地得到有效的恢復(fù)[37]。2010年《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》[38]實(shí)施,強(qiáng)調(diào)了“要加強(qiáng)海洋生態(tài)修復(fù)與治理,大力實(shí)施濱海濕地、檉柳林等典型生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與修復(fù)工程”; 2011年設(shè)立了黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)[39],將維護(hù)黃河下游流域生態(tài)平衡作為指導(dǎo)原則之一,將黃河三角洲保護(hù)區(qū)等重點(diǎn)濕地保護(hù)區(qū)列為禁止開發(fā)區(qū)域。隨著國家對(duì)黃河三角洲地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度的加強(qiáng),對(duì)于鹽沼濕地的恢復(fù)起到了較為顯著的作用,鹽沼濕地景觀格局的消失和破碎明顯減少,新增和擴(kuò)張明顯增加,生境得到恢復(fù)。另外,互花米草在1989年在黃河三角洲地區(qū)出現(xiàn)[40],2011年迅速擴(kuò)張,到2020年已經(jīng)遍布黃河口潮間帶地區(qū),新增的鹽沼濕地也一定程度上來源于河口地區(qū)互花米草的擴(kuò)張。

5 結(jié)論

基于Landsat系列衛(wèi)星影像,對(duì)1973-2020年10個(gè)時(shí)期的黃河三角洲濱海區(qū)域進(jìn)行了土地利用/覆被的精細(xì)制圖;在此基礎(chǔ)上分析了鹽沼濕地的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征、鹽沼濕地與鄰近土地利用/覆被類型的轉(zhuǎn)移情況;改進(jìn)了SEDMS模型,將各時(shí)段鹽沼濕地景觀格局演化模式分為擴(kuò)張、新增、破碎、消失四種類型;結(jié)合地理探測器,重點(diǎn)剖析了長時(shí)序鹽沼濕地景觀格局演化模式空間分異的驅(qū)動(dòng)因素,主要結(jié)論如下:

(1)鹽沼濕地面積總體呈減少趨勢,由1973年的507.04 km2下降到2020年的254.69 km2;1995年以前較為穩(wěn)定,1995-2010年減少明顯,隨后有所增加;空間重心總體向東遷移,分布范圍呈現(xiàn)分散-集中-分散的演變特征。新增鹽沼濕地主要由灘涂未利用地和水體轉(zhuǎn)化而來,草地、養(yǎng)殖池/鹽田和耕地則為占用鹽沼濕地的主要類型。

(2)鹽沼濕地景觀格局演變模式呈現(xiàn)三個(gè)明顯的階段:1995年以前的動(dòng)蕩期,1995-2010年的過渡期,以及2010-2020年的穩(wěn)定期。1973-1995年,呈現(xiàn)破碎、消失、擴(kuò)張、新增格局演化模式的格網(wǎng)數(shù)量都較多,其中主要以消失和破碎為主導(dǎo);1995-2010年,格局演化模式逐漸由消失和破碎為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張為主導(dǎo);2010年后為穩(wěn)定期,格局發(fā)生變化的區(qū)域較少,總體以新增和擴(kuò)張為主。格局演化頻繁的區(qū)域,主要位于兩大保護(hù)區(qū)內(nèi)與人工用地類型的交界地區(qū)。

(3)灘涂未利用地的分布和面積變化以及耕地的開發(fā)對(duì)于鹽沼濕地的格局演化直接作用較為顯著;人工表面、養(yǎng)殖池/鹽田和道路堤壩的建設(shè)一定程度上導(dǎo)致了鹽沼濕地的破碎和消失;2005年之后一系列的保護(hù)政策的實(shí)施與鹽沼濕地的新增和擴(kuò)張?jiān)跁r(shí)間上較為吻合,表明人類的干預(yù)對(duì)于鹽沼濕地生境恢復(fù)起到了一定的作用;互花米草的入侵也直接導(dǎo)致了鹽沼濕地的新增和擴(kuò)張。