基于Landsat的黃河三角洲濕地景觀時空格局演變

盧曉寧,黃 玥,洪 佳,曾德裕,楊柳青

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基于Landsat的黃河三角洲濕地景觀時空格局演變

盧曉寧1*,黃 玥1,洪 佳2,曾德裕1,楊柳青1

(1.成都信息工程大學,四川 成都 610225；2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430072)

為全面揭示黃河三角洲濕地景觀的演變,利用1973~2016年9期Landsat衛星影像,構建黃河三角洲濕地景觀空間數據庫,分析區域濕地景觀的組成及其變化,應用景觀格局指數分析方法,研究濕地景觀格局演變的趨勢,并結合質心模型探討濕地景觀空間位置的變化.結果表明:(1)黃河三角洲咸水濕地多分布于海岸帶附近,淡水濕地多分布于河流沿岸,人工濕地多分布于距離海岸線15km以內的沿海區域以及河流沿岸.(2)黃河三角洲濕地總面積呈下降趨勢,是由蘆葦沼澤、翅堿蓬檉柳沼澤以及蘆葦檉柳沼澤為主的自然濕地向人工濕地和非濕地的轉換變化導致.(3)黃河三角洲濕地景觀整體呈破碎化的萎縮趨勢,景觀空間構型不斷朝破碎化、多樣化,形狀簡單化的人工化特征突出的方向發展.(4)1973~1985年間,受黃河由刁口河流路改道清水溝流路初期的影響,加上充沛的淡水水源,黃河三角洲濕地呈以淡水濕地的東北向擴張變化主導;1985年后,黃河處于改道清水溝流路中后期,后又改至清8汊流路,加上黃河徑流量的減少,使得區域濕地景觀整體呈咸水濕地主導的東南方向萎縮變化.

黃河三角洲；咸水濕地；淡水濕地；人工濕地；景觀格局；空間位置

濕地是地球上最為重要的生態系統類型之一[1],是水陸相互作用而形成的自然綜合體,在維護區域生態平衡和生境安全、維持生物多樣性等方面發揮著巨大作用[2].深入分析濕地演變時空特征是了解濕地生態演變規律和制定濕地保護對策的科學基礎[3].作為中國暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濕地生態系統,黃河三角洲濕地以其原始性、脆弱性和作為珍稀瀕危鳥類重要棲息地的作用在國際上備受重視[4].學者圍繞黃河三角洲濕地修復[5-6]、濕地評價[7]、濕地管理[8-9]、濕地演化機制與恢復[10]、濕地動態監測[11]、濕地生物量[12-13]、碳儲量[14]估算等方面開展大量研究.然而,宏觀把握黃河三角洲濕地景觀格局及其變化規律是前述許多工作的重要基礎和前提,同時也是開展區域尺度上濕地評價、修復效果檢驗和管理等研究的重要手段.作為近年來濕地科學和生態學研究的熱點領域[15],濕地景觀格局研究成果豐碩.不少學者基于遙感和GIS技術及景觀生態學原理,對黃河三角洲濕地開展了大量研究[3,16-17],這對深入認識黃河三角洲濕地景觀格局及其時空變化規律打下了基礎.但是,多數研究往往時間序列較短、時間步長較長,且對空間變化關注較少,難以揭示快速變化的黃河三角洲濕地景觀演變的系統性特征及其規律.故,本研究以Landsat衛星1973~2016年的9期影像為數據源,進行人工目視解譯,建立相對長時間序列的黃河三角洲濕地景觀數據庫.從景觀組成、格局特征及空間變化3方面開展研究,以期系統給出黃河三角洲近44a來濕地景觀格局及其演變特征,為黃河三角洲濕地景觀系統的保護和修復提供理論支持.

1 研究區概況

黃河三角洲(簡稱黃三角),位于渤海灣南岸和萊州灣西岸,地處117°31′~119°18′E和36°55′~38°16′N之間,是處于中緯度地區的沖積平原.黃三角是由古代三角洲、近代三角洲和現代三角洲三部分組成的聯合體[18].現代黃三角主要是指自1934年開始至今仍然在繼續形成的扇面,它的頂點為漁洼,西起挑河,南至宋春榮溝[19],陸地面積約為3×103km2.地理學上說的黃三角僅僅是指黃河在今山東的東營市、濱州市以及向下因沖積而形成的三角洲平原.考慮到研究的方便性、實用性,本研究選取了東營市除廣饒縣外的各縣、區為研究區,如圖1所示.

圖1 研究區示意

2 數據源與研究方法

2.1 數據源及數據預處理

2.1.1 數據源 9期Landsat影像數據(詳情見表1),取自美國地質調查局(USGS)網站(http: //earthexplorer.usgs.gov/)以及地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/).實地考察數據,2013年9月在研究區內采集得到71個樣點的地表覆被數據(采樣點位置如圖1所示).所有空間數據投影均為UTM投影,坐標系均為WGS84.

表1 遙感影像相關信息

2.1.2 濕地分類系統 參考國內外濕地分類標準以及黃河三角洲濕地分類系統[20-21],并結合研究區實際,建立黃河三角洲濕地景觀分類系統,如表2所示.

2.1.3 數據預處理 對獲取的遙感影像進行幾何校正、波段組合、直方圖均衡化等預處理,以提高目視解譯精度.根據已建立的解譯標志,并參考Google Earth影像,實現黃河三角洲濕地景觀信息的目視解譯.通過與實地考察的71個樣點數據的精度檢驗分析和訂正,最終分類總體精度在90%以上,滿足本研究的精度需求.

2.2 濕地景觀數據庫構建

基于上述處理得到1973~2016年黃河三角洲濕地景觀數據庫,如圖2所示.

表2 黃河三角洲濕地景觀分類系統表

2.3 濕地景觀格局演變分析方法

先從濕地景觀組成的面積變化方面闡述濕地景觀總體的變化特征.進而基于Fragstats4.2軟件從類型(斑塊數量(NP),平均斑塊面積(MPS),最大斑塊占景觀面積比(LPI))和景觀水平(斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊占景觀面積比(LPI)、分維數(PAFRAC),蔓延度(CONTAG),Shannon’s多樣性指數(SHDI)和信息熵(IE))計算10個景觀格局指數,結合線性傾向率定量揭示黃河三角洲濕地景觀格局指數的變化趨勢.信息熵指數被應用于本研究中[22-25],是因為其反映了景觀的空間幾何排列和整體組合信息變化的劇烈程度,其值越大則景觀演變的劇烈程度越大[26].其它景觀格局指數的生態意義解釋見Fragstats4.2使用手冊[27-28].最后應用空間質心模型[29],計算各濕地景觀類型以面積加權的質心,定量揭示濕地景觀的空間變化,并從黃河改道及徑流變化的角度揭示黃河三角洲濕地景觀空間變化的原因.

3 黃河三角洲濕地景觀格局的變化分析

3.1 黃河三角洲濕地景觀組成及面積變化分析

3.1.1 黃河三角洲濕地景觀組成現狀分析 黃河三角洲濕地主要分布于環渤海的臨海區域,面積較大,占研究區總面積的40%以上.2016年濕地總面積為2723.91km2,占研究區總面積的41.79%,其中自然濕地占56.67%.自然濕地中咸水濕地面積較大,占比達到53.47%,多分布于海岸線附近,隨著向陸地的不斷深入依次呈現出泥沙質灘涂-翅堿蓬沼澤-翅堿蓬檉柳沼澤-蘆葦檉柳沼澤的顯著的空間演替構型特征,潮溝濕地則以廊道的形式由沿海向內陸方向貫穿整個咸水濕地景觀[30].咸水濕地中以翅堿蓬檉柳沼澤的面積最大,占咸水濕地總面積的35.07%,蘆葦檉柳沼澤、翅堿蓬沼澤、泥沙質灘涂占比相當,分別占到20.10%、20.60%、19.17%.發揮顯著廊道功能的潮溝面積比重較小,僅占4.16%.淡水濕地多分布于河流沿岸,并且呈現出由河流中心線向永久性河流-河漫灘-蘆葦沼澤-柳林沼澤-草甸沼澤演替的空間分布格局[30].其中蘆葦沼澤面積最大,占淡水濕地總面積的82.62%,是淡水濕地最主要的組成部分.永久性河流、草甸沼澤、河漫灘、柳林沼澤占淡水濕地總面積的比例依次為8.84%、5.42%、2.02%和1.03%.人工濕地中水庫坑塘、蝦蟹田和鹽田多分布于距離海岸線15km以內的沿海區域,水田和溝渠則較多分布在河流沿岸.其中水庫坑塘的面積最大,占人工濕地總面積的41.37%,其次為蝦蟹田,占到34.44%,再次依次為鹽田(14.22%)、水田(8.47%)、溝渠(1.50%).

圖2 1973~2016年黃河三角洲濕地景觀

3.1.2 黃河三角洲濕地景觀面積變化分析 1)濕地總體組成的面積變化分析:44a間,黃河三角洲濕地總面積整體呈下降趨勢,年均減少約為10.64km2,44a濕地總面積共減少了342.79km2(圖3(a)),這主要是由自然濕地的面積減少所致,減少趨勢年均為37.19km2.人工濕地面積則呈顯著上升趨勢,年均增長26.55km2,體現出人類在黃河三角洲干擾活動的加劇.由于人工濕地占比小(多年平均為21.98%),不能改變黃河三角洲濕地整體的退化變化趨勢.

圖3 1973~2016年黃河三角洲濕地面積變化

2)自然濕地組成的面積變化分析:自然濕地的顯著下降,是因為其中的咸水和淡水濕地在研究期內都呈面積減少的變化趨勢(圖3(c)、(d)).咸水濕地的顯著下降(線性傾向率-25.08km2/a,圖3(c))是因為占其比重最大的翅堿蓬檉柳沼澤被大面積的(占比55.33%)開發為水庫坑塘、蝦蟹田和鹽田.此外,還有較大面積的蘆葦檉柳沼澤被開墾為旱地,呈年均減少9.13km2的變化,進一步加劇了自然濕地的面積減少.占比較小的翅堿蓬沼澤、泥沙質灘涂和潮溝的減小變化亦對咸水濕地面積的減小起到促進作用.

淡水濕地的退化(圖3(d))是因占比最大的蘆葦沼澤被開發為旱地和蝦蟹田,開墾的面積分別達到371.56和108.97km2.此外,草甸沼澤亦呈現出下降趨勢(54.27%轉化為旱地),年均減少0.45km2,在一定程度上加劇了淡水濕地的萎縮.柳林沼澤和河漫灘面積雖略有增長,但其比重小,對淡水濕地的影響微乎其微.永久性河流呈現出較大的面積波動變化,主要是受黃河徑流的影響[31],因其面積比重亦不大,這種波動未對淡水濕地面積的變化趨勢產生顯著影響.

3)人工濕地組成的面積變化分析: 黃河三角洲人工濕地面積的變化趨勢(圖3(b))與自然濕地面積的變化趨勢截然相反[32].44a間,人工濕地面積增加了980.69km2,其中水庫坑塘、蝦蟹田的貢獻最大,貢獻率分別為44.14%和41.45%.水庫坑塘面積的顯著增長可由其高達13.65km2/a的線性傾向率體現出來(圖3(b)).這是因為1979年后,三角洲地區大面積建設平原水庫,尤其是20世紀90年代后,區域平原水庫建設日新月異.截止至1994年,東營市全市平原水庫設計庫容4.31km2;截至2002年,全市共建成平原水庫658座,總設計庫容8.31km2[33].蝦蟹田自1985年后開始迅速擴張,年均增長12.85km2,與人類開挖翅堿蓬檉柳沼澤和蘆葦沼澤息息相關,由二者轉化而來的面積分別占39.44%和26.56%.鹽田也呈現面積上升的變化趨勢,線性傾向率為3.62km2/a,對人工濕地面積的增長起促進作用.44a間,水田和溝渠的面積呈減小趨勢,因其占比小且減小程度輕(年均減少量僅為0.4和0.24km2),其影響幾乎可忽略不計.近44a來黃河三角洲人工濕地的面積擴張變化體現出人類的水利建設、水產養殖業開發、農業發展等干擾活動在該區域加劇的特征[34].

3.2 黃河三角洲濕地景觀格局指數的變化趨勢分析

在黃河三角洲濕地景觀總面積減少的背景下,濕地景觀格局也呈現出明顯的破碎化加劇的退化特征(表3).1973~2016年間,黃河三角洲濕地景觀的斑塊數量和斑塊密度均呈現出增長趨勢(線性傾向率分別為30.24塊和0.01塊/km2),最大斑塊占景觀面積比明顯下降(線性傾向率為-0.19).這說明44a間濕地優勢類型愈來愈不顯現,景觀分布趨于均勻,呈顯著的破碎化變化.蔓延度指數的極顯著下降趨勢(顯著性水平0.002)和多樣性指數的顯著增長趨勢(顯著性水平0.01)更進一步印證了區域濕地景觀破碎化加劇的特征.分維數呈現的極顯著減小變化趨勢(顯著性水平0.002),說明黃河三角洲濕地景觀表現出破碎化、均勻化、規整化加劇的特征,主要是因其受人類活動干擾越來越大所導致[27].反映濕地景觀空間幾何排列和整體組合變化程度的信息熵,在研究期內呈上升趨勢,線性傾向率為0.01,綜合地體現出濕地景觀包含的信息量持續增加,景觀的空間分布結構不斷朝破碎化的方向發展.

表3 1973~2016年景觀格局指數變化趨勢擬合

x:年份,y:各景觀格局指數.

綜上所述44a間黃河三角洲濕地景觀整體呈破碎化加強的萎縮趨勢,景觀的空間分布結構不斷朝破碎化、多樣化、形狀簡單化的人工化特征突出的方向發展.這是由于自然濕地景觀呈大斑塊萎縮,小斑塊數量增多的破碎化加劇的面積萎縮變化.表現為占咸水濕地比重最大的翅堿蓬檉柳沼澤和蘆葦檉柳沼澤,被大比重的開發為以小斑塊、形狀規整特征突出的人工濕地,主要是水庫坑塘、蝦蟹田、鹽田和旱地,兩主導咸水濕地景觀的斑塊數量增長(翅堿蓬檉柳年均增長2.12塊,蘆葦檉柳則為3.62塊,圖4(a))、平均斑塊面積下降(翅堿蓬檉柳年均減少0.23km2,蘆葦檉柳則減少0.71km2,圖4(b)),最大斑塊占景觀面積比下降(翅堿蓬檉柳的線性傾向率為-0.12,蘆葦檉柳為-0.07圖(c)).占淡水濕地比重最大的蘆葦沼澤,亦因被開發為旱地和蝦蟹田,斑塊數量增長(年均增加2.29塊,圖4(a)),平均斑塊面積和最大斑塊占景觀面積比都明顯下降(前者年均減少量為0.55km2,后者線性傾向率為-0.19,圖4(b)和圖4(c)).

以小斑塊為主的人工濕地景觀呈面積增長變化,進一步的加劇了區域濕地景觀的破碎化趨勢.主要體現為水庫坑塘和蝦蟹田的破碎化擴張變化,它們的斑塊數量、平均斑塊面積和最大斑塊占面積比都呈現出顯著的增長變化(圖4(d~f)).水庫坑塘的斑塊數年均增長10.72塊(顯著性水平為0.100),平均斑塊面積和最大斑塊占景觀面積比都達到了0.050水平上的顯著上升趨勢.蝦蟹田斑塊數增長更為顯著(顯著性水平為0.001),年均增長2.14塊,平均斑塊面積和最大斑塊占景觀面積比的線性傾向率則分別為0.13km2/a和0.07/a.

正是因以翅堿蓬檉柳沼澤和蘆葦檉柳沼澤優勢特征突出的、空間上連接成片的自然濕地景觀,被開發為小斑塊特征突出,地塊分割明顯,形狀規則的水庫坑塘、蝦蟹田、鹽田和旱地等人工濕地景觀,使得自然濕地的優勢不斷減弱,人工干擾的特征愈來愈顯現,黃河三角洲濕地景觀破碎化、均勻化、多樣化特征凸顯[35-36].

3.3 黃河三角洲濕地景觀空間位置變化分析

3.3.1 景觀水平的空間位置變化分析 由1973~ 2016年黃河三角洲濕地景觀質心位置變化圖(圖5(a))可看出,1973~1985年間,黃河三角洲濕地呈明顯的向東北方向的擴張變化,濕地景觀質心的年均遷移距離達到0.30km.該時段黃河處于刁口河流路,后改道清水溝流路的初期,且徑流量較大(利津站年均徑流為336.51億m3),海陸交互作用以海退、陸進為主,呈現出以刁口河流路的淡水濕地的東北向擴張變化為主.1985年以后,黃河進入改道清水溝流路中期,后又改至清8汊流路[31],刁口河流路的濕地因海侵作用增強而面積萎縮顯著,區域東南的清水溝和清8汊流路的濱海濕地特征越來越明顯,最終導致1985年后黃河三角洲濕地景觀整體向東南方向遷移,遷移距離為4.66km.因此,黃河三角洲濕地的空間遷移只在前期的12a由淡水濕地主導,整體上由咸水濕地主導,這是因為咸水濕地面積占比大,位于河口區域,對海陸交互作用更為敏感.淡水濕地面積小,臨近海岸部分的比重更小,限分布于河流沿岸,其受黃河改道影響的空間位置的變化幅度小(研究期內質心向東北方向的年均遷移量只有0.17km),對濕地整體空間變化的影響作用較弱.人工濕地面積雖然增長,因所占面積比重仍較小,即使其在整個時期呈顯著的北向擴張變化,年均向北遷移量為0.33km,并不能改變濕地景觀整體的東南向空間遷移特征.

圖5 1973~2016年黃河三角洲濕地景觀質心位置變化

3.3.2 類型水平的空間變化分析 1)咸水濕地景觀空間變化分析:咸水濕地在1973~1985年間呈現出向東南擴張的變化(質心遷移量為2.54km),1985年后開始向東南方向急劇萎縮(圖4(b)),質心遷移距離達到17.48km,造成這種變化的主要原因是人類的干擾活動.1973~1985年,黃河由刁口河流路改道至清水溝流路,原東北方向的刁口河流路逐漸斷流,海洋侵蝕作用加強,水陸交互作用區向清水溝流路遷移,導致蘆葦檉柳沼澤和翅堿蓬檉柳沼澤明顯向東南萎縮,兩濕地景觀類型的質心分別向東南方向遷移了9.00和2.24km.泥沙質灘涂在黃河徑流攜沙作用下于東南方向有明顯的擴張(質心遷移量為6.55km),該三種濕地類型明顯的東南方向的遷移變化最終導致了咸水濕地整體向東南遷移.1985年后,區域水產養殖業、平原水利工程的快速發展,距離海岸線較遠的翅堿蓬沼澤和蘆葦檉柳沼澤被開挖(質心年均遷移量為1.11和0.62km),使得咸水濕地整體發生東南向的急劇萎縮變化,咸水濕地質心的年平均遷移量為0.56km.潮溝在1973~2016年間亦呈現出明顯的東南向的遷移變化,其質心的遷移距離為17.06km,更加劇了研究時段內黃河三角洲咸水濕地整體呈現出的東南向位置遷移變化.

2)淡水濕地景觀空間變化分析:受黃河改道及黃河徑流量影響,疊加上人類活動的干擾作用1973~2016年間,淡水濕地整體向東萎縮,但變化程度遠小于咸水濕地(年均遷移量僅為咸水濕地的38.24%,圖5(c)).淡水濕地的向東萎縮變化,由占比最大的蘆葦沼澤的變化導致.草甸沼澤、河漫灘和柳林沼澤占比小,對淡水濕地整體的空間位置變化影響甚小.1985年前,黃河處于由刁口河流路人工改道至清水溝流路的初期,加上徑流量較大,使得永久性河流質心向東南遷移18.09km.占淡水濕地比重最大的蘆葦沼澤因沿河流的兩岸分布,更易受河流淡水水源波動的影響,其質心亦向東北遷移了3.25km,最終形成了1985年前淡水濕地東向擴張的位置變化特征,質心向東的遷移量達到4.57km. 1985年后,黃河徑流量減少[30],加之區域人口增長對糧食需求加劇,造成離內陸較近的蘆葦沼澤被開墾為耕地,而東南河口區域海侵作用的增強,又使得蘆葦沼澤被開挖為蝦蟹田,加之徑流減少對土壤的沖、洗鹽作用減弱,使得濕地因土壤中水鹽平衡被打破而退化為鹽堿地[34],這些因素的綜合作用造成該時段蘆葦沼澤呈東南向萎縮變化,其質心的東南向遷移量為0.11km.

3)人工濕地景觀空間變化分析: 1973~2016年,人工濕地呈現出先向東南遷移,后向西北遷移的變化(圖5(d)),這是由不同時期人類干擾的類型和強度不同所致.1973~1979年間,以水庫坑塘向南的萎縮變化主導(質心遷移量為15.30km),使得人工濕地質心南移4.10km.1979~1992年間,表現為人類開挖水田和水庫坑塘的東南向擴張,雖然蝦蟹田呈向內陸的西南向擴張變化(質心向西南方向移動了7.07km),因其面積比重小,不能改變該時段人工濕地的整體東南向遷移變化.1992年到2010年,區域水庫建設和水產養殖業迅猛發展,水庫坑塘和蝦蟹田向北部和東北部沿海地區的擴張變化突出,質心分別向北移動了23.91km和8.50km,同時鹽田也向北擴張(質心遷移量為11.14km),造成該時段人工濕地質心的北移變化(質心遷移量為17.56km).2010年后,水庫坑塘向西萎縮(質心向西遷移3.39km),蝦蟹田則向西北擴張(質心遷移量11.63km),兩者的共同作用使得該時段人工濕地整體向西遷移,質心向西遷移量為3.06km.整個研究時期內,溝渠和鹽田僅限于黃河沿岸,且其面積小,對人工濕地整體的空間變化的影響很小,對其不做進一步分析.

4 討論

應用人工目視解譯法,建立了精度較高的1973~ 2016年共計44a的黃河三角洲濕地景觀數據庫.該數據實現了基于Landsat數據的15種濕地景觀類型的分類,分類精度足夠高.且與同地區的現有其它研究相比,時空分辨率都幾乎是最高的.但該數據在精度上還存在一些問題,仍有較大的提升空間.本研究基于Landsat 30m空間分辨率的數據,提取了15種濕地景觀類型,其中多種濕地景觀類型實際的空間分布界限就很模糊,且很難精確確定,如翅堿蓬沼澤和翅堿蓬檉柳沼澤,蘆葦沼澤和蘆葦檉柳沼澤.本研究在TM30m空間分辨率,甚至MSS數據70m分辨率的精度上,依據影像特征和其它參考數據將它們區分并提取出來,還是具有一定的誤差,即便經驗證分類精度達到了90%以上,這一分類精度也受到采樣樣本量的限制.因此,為進一步提高本研究數據的精度,促進該數據能更好的應用于該地區的其它研究,不僅應該增加樣本的總體采樣數量,更應該著重增加那些自然邊界本身模糊不清的類別的樣本數量.此外,要得到更高精度的黃河三角洲濕地景觀分類數據,除依賴Landsat數據,更應該結合國產高分衛星一號(多光譜16m)和二號(多光譜4m)數據的高空間分辨率優勢,采用分類效率更高的面向對象的分類方法.當然這又將是一個非常費時,但又非常有必要進一步開展的工作,也是未來在該地區應該進一步開展的研究,即,如何更好地結合多源衛星影像數據,尤其是國產衛星數據,建立該地區精度(時間和空間)更高的濱海濕地景觀類型空間分布數據.

本研究所得出的黃河三角洲濕地景觀類型,包括咸水濕地沿海岸線分布,淡水濕地沿河流兩岸分布的結論,與黃河三角洲濕地景觀分布的實際狀況及盧曉寧等[30]的前期研究一致.該結論是通過目視解譯各濕地景觀類型的空間分布圖像,所得出的較為定性和主觀的結論,雖然與實際狀況也吻合.為更為準確的揭示黃河三角洲濕地景觀類型的空間分布特征,應該針對河流和海岸線進行緩沖區或距離分析,定量確定各濕地景觀類型相對淡水水源和咸水水源的空間排列次序,也能更為科學和客觀的揭示咸、淡水源對區域各濕地景觀類型的影響程度和影響范圍.這也為將來的研究提出又一個科學問題,即隨著黃河改道和海岸線的變遷,該兩大驅動力對濕地景觀的影響程度到底有多大,這一影響程度又是如何變化的.通過這一科學問題的研究,可以為黃河三角洲濕地景觀恢復的咸、淡水源補給提供更為科學的理論依據.

本研究對黃河三角洲濕地景觀的面積變化,主要從各濕地景觀類型之間的轉換變化的角度進行了解釋,還結合黃河改道及徑流量變化,和人類活動的角度對原因進行了定性的闡述,也成為本研究的一個創新點.但是,這些原因解釋僅停留在現象層面,定性為主,定量不足,更未能夠從自然和人為驅動力的更深的層面上去揭示導致區域濕地景觀類型面積變化的根本原因.即便在該地區已有洪佳等[37]通過構建濕地化/人工化指數,在區域和像元尺度上對黃河三角洲濕地景觀演變的驅動力進行了定量的揭示.但定量研究的程度還不夠,一方面是驅動力因子分析不夠全面,尤其這一海陸交互作用區,驅動力更為復雜.在自然因子方面,不僅應關注陸地淡水水源的作用,且更應突出海洋的這一咸水水源的作用,而對咸水水源作用的研究卻是當前多數研究所欠缺的.在人為因子方面,該類地區人類活動劇烈,如何將人類活動科學的定量也是這類地區開展濕地生態環境保護研究的重點和難點.

本研究結合景觀生態學的理論,采用常規的景觀格局指數分析方法,額外引入信息熵這一指數,創新性的從重點揭示景觀格局指數演變趨勢的角度開展景觀格局演變的研究,所得出的黃河三角洲濕地景觀破碎化、人工化加劇的退化變化趨勢的結論具有重要的意義.但是,從景觀和類型層面上開展的景觀格局指數的研究,只能揭示單一景觀類型的景觀格局指數演變特征.黃河三角洲濕地這一自然綜合體,是各種濕地景觀類型的有機結合體,濕地景觀總體所呈現出的濕地景觀格局演變特征,是各濕地景觀類型之間相互作用的結果,尤其是相鄰濕地景觀類型之間有機結合的體現,因此,更應該從濕地景觀空間結構的角度,應用空間鄰接矩陣對各濕地景觀的空間鄰接關系進行研究,以便更好的分析黃河三角洲濕地景觀格局的成因.

本研究采用傳統的空間質心模型,計算和分析了黃河三角洲濕地景觀的空間位置及其變化,并從黃河改道、黃河徑流變化、海路交互作用,及人類活動變化的角度進行了定性的揭示,這是本研究相對于該地區類似其它研究具有一定創新的地方.但本研究僅從定性的層面揭示濕地空間位置變化的原因,使得結論的可信性和應用的有效性受到一定影響,這就使得未來在該地區這一方面的定量研究顯得尤為必要.此外,在人工濕地空間位置變化方面,受區域人類活動復雜、相關有效數據較少的限制,未能很好地揭示這一現象背后的原因,這使得在這一地區開展人類活動干擾作用研究更為重要.

5 結論

5.1 黃河三角洲濕地組成以咸水濕地所占比重最大,次之為淡水濕地,最次為人工濕地.咸水濕地多分布于海岸帶附近,沿海岸線向陸地延伸依次為泥沙質灘涂-翅堿蓬沼澤-翅堿蓬檉柳沼澤-蘆葦檉柳沼澤,潮溝以廊道的形式由沿海向內陸方向貫穿整個咸水濕地景觀.淡水濕地多分布于河流沿岸,并且呈現出由河流中心線向兩岸,呈永久性河流-河漫灘-蘆葦沼澤-柳林沼澤-草甸沼澤的空間分布格局.人工濕地中水庫坑塘、蝦蟹田和鹽田多分布于距離海岸線15km以內的沿海區域,水田和溝渠則較多分布在河流沿岸.這種空間分布特征,體現了海陸交互作用以及黃河水源對區域濕地景觀維持的重要性.

5.2 1973~2016年的44a間,黃河三角洲濕地呈現出自然濕地減少,人工濕地增長,總面積下降的變化趨勢,說明人類在黃河三角洲干擾活動的加劇.自然濕地的減少變化主要是由淡水的蘆葦沼澤被開發為旱地和蝦蟹田,以及咸水的翅堿蓬檉柳沼澤被開挖為水庫坑塘和蝦蟹田及鹽田,而蘆葦檉柳被開墾為旱地導致的.人工濕地的面積擴張則體現為人類的水利建設、水產養殖業開發和農業發展等干擾活動在該區域加劇的特征.

5.3 黃河三角洲濕地景觀整體呈破碎化萎縮的趨勢特征,景觀的分布結構不斷朝破碎化、多樣化,形狀簡單化的人工化特征突出的方向發展.以翅堿蓬檉柳沼澤和蘆葦檉柳沼澤為主的優勢特征突出的、空間上連接成片的自然濕地景觀,被越來越大強度的開發為小斑塊特征突出、地塊分割明顯、形狀規則化的水庫坑塘、蝦蟹田、鹽田和旱地等人工濕地景觀,區域自然濕地的優勢不斷減弱,人工干擾的特征愈來愈顯現,黃河三角洲濕地景觀破碎化、均勻化、多樣化特征凸顯.

5.4 1973~1985年間黃河三角洲濕地,因黃河處于刁口河流路,后改道清水溝流路的初期,黃河充足的水源供應,使得該區域東北部以海退、陸進作用為主,濱海濕地景觀呈現出以永久性河流和蘆葦沼澤為主導的淡水濕地的東北向擴張變化.1985年后,黃河經由清水溝流路改至清8汊流路,加上黃河淡水水源的減少,水陸交互作用區的海侵作用增強,呈現出以翅堿蓬沼澤和蘆葦檉柳沼澤因人工開挖的東南向萎縮變化.人工濕地的空間遷移特征,因其面積比重較小,對區域濕地整體空間位置變化的影響作用較弱.

[1] 侯 鵬,申文明,王 橋,等.基于水文平衡的濕地退化驅動因子定量研究[J]. 生態學報, 2014,34(3):660-666.

[2] 劉紅玉,李玉鳳,曹 曉,等.我國濕地景觀研究現狀、存在的問題與發展方向[J]. 地理學報, 2009,64(11):1394-1401.

[3] 郭篤發.黃河三角洲濱海濕地土地覆被和景觀格局的變化[J]. 生態學雜志, 2005,24(8):907-912.

[4] 孫志高,牟曉杰,陳小兵,等.黃河三角洲濕地保護與恢復的現狀、問題與建議[J]. 濕地科學, 2011,9(2):107-115.

[5] 管 博,于君寶,陸兆華,等.黃河三角洲重度退化濱海濕地鹽地堿蓬的生態修復效果[J]. 生態學報, 2011,31(17):4835-4840.

[6] 劉淑民,姚慶禎,劉月良,等.黃河口濕地表層沉積物中重金屬的分布特征及其影響因素[J]. 中國環境科學, 2012,32(9):1625-1631.

[7] 宋曉龍,李曉文,白軍紅,等.黃河三角洲國家級自然保護區生態敏感性評價[J]. 生態學報, 2009,29(9):4836-4846.

[8] 崔保山,劉興土.黃河三角洲濕地生態特征變化及可持續性管理對策[J]. 地理科學, 2001,14(3):250-256.

[9] 牟曉杰,孫志高,劉興土.黃河口典型潮灘濕地土壤凈氮礦化與硝化作用[J]. 中國環境科學, 2015,35(5):1466-1473.

[10] 李勝男,王根緒,鄧 偉,等.水沙變化對黃河三角洲濕地景觀格局演變的影響[J]. 水科學進展, 2009,20(3):325-331.

[11] 孫曉宇,蘇奮振,呂婷婷,等.黃河三角洲濕地資源時空變化分析[J]. 資源科學, 2011,33(12):2277-2284.

[12] 王 君,范延輝,吳 濤,等.耐鹽解烴菌的分離鑒定及其對石油污染鹽堿土壤生物修復[J]. 生態學雜志, 2013,32(12):3330-3335.

[13] 傅 新,劉高煥,黃 翀,等.濕地翅堿蓬生物量遙感估算模型[J]. 生態學報, 2012,32(17):5355-5362.

[14] 張緒良,張朝暉,除宗軍,等.黃河三角洲濱海濕地植被的碳儲量和固碳能力[J]. 安全與環境學報, 2012,12(6):145-149.

[15] 莊長偉,歐陽志云,徐衛華,等.近33年白洋淀景觀動態變化[J]. 生態學報, 2011,31(3):839-848.

[16] 王海梅,李政海,韓國棟,等.黃河三角洲土地利用及景觀格局的動態分析[J]. 水土保持通報, 2007,27(1):81-85.

[17] 王永麗,于君寶,董洪芳,等.黃河三角洲濱海濕地的景觀格局空間演變分析[J]. 地理科學, 2012,32(6):717-724.

[18] 楊 偉.現代黃河三角洲海岸線變遷及灘涂演化[J]. 海洋地質前沿, 2012,(7):17-23.

[19] 陳 建,王世巖,毛戰坡,等.1976~2008年黃河三角洲濕地變化的遙感監測[J]. 地理科學進展, 2011,30(5):585-592.

[20] 鄧 偉,白軍紅,胡金明,等.黃淮海濕地系統分類體系構建[J]. 地球科學進展, 2010,25(10):1023-1030.

[21] 肖篤寧,胡遠滿,李秀珍.環渤海三角洲濕地的景觀生態學研究[M]. 科學出版社, 2001:2-4.

[22] 張 麗,趙丹丹,劉吉平,等.近30年吉林市景觀格局變化及氣候效應[J]. 吉林大學學報(地球科學版), 2015,45(1):265-272.

[23] 吳 莉,侯西勇,徐新良,等.山東沿海地區土地利用和景觀格局變化[J]. 農業工程學報, 2013,29(5):207-216.

[24] Wang X, Ning L, Yu J, et al. Changes of urban wetland landscape pattern and impacts of urbanization on wetland in Wuhan City [J]. 中國地理科學:英文版, 2008,18(1):47-53.

[25] HUANG, Junhong, Denghua, et al. Changes of wetland landscape patterns in Dadu River catchment from 1985 to 2000, China [J]. Frontiers of Earth Science, 2012,6(3):237-249.

[26] 賈科利,張俊華,常慶瑞.基于信息熵與分形理論的土地利用景觀格局變化研究——以陜北農牧交錯帶為例[J]. 干旱地區農業研究, 2009,27(5):235-239.

[27] 鄭新奇,付梅臣.景觀格局空間分析技術及其應用[M]. 科學出版社, 2010:97-139.

[28] 傅伯杰.景觀生態學原理及應用.第2版[M]. 科學出版社, 2011: 87-91.

[29] 白軍紅,歐陽華,崔保山,等.近40年來若爾蓋高原高寒濕地景觀格局變化[J]. 生態學報, 2008,28(5):2245-2252.

[30] 盧曉寧,張靜怡,洪 佳,等.基于遙感影像的黃河三角洲濕地景觀演變及驅動因素分析[J]. 農業工程學報, 2016,32(S1):214-223.

[31] 王苗苗,盧曉寧,孫志高,等.1979~2013年黃河三角洲岸線變遷的時空異質性研究[J]. 海洋湖沼通報, 2015,(3):185-192.

[32] 韓 美,張 翠,路 廣,等.黃河三角洲人類活動強度的濕地景觀格局梯度響應[J]. 農業工程學報, 2017,33(6):265-274.

[33] 東營市史志辦.東營市水利志第十三篇.第三章廣饒縣水利[EB/OL]. http://www.dongying.gov.cn/html/2006/9－25/ 06092502262438194.htm, 2015-11-23.

[34] 李勝男,王根緒,鄧 偉,等.水沙變化對黃河三角洲濕地景觀格局演變的影響[J]. 水科學進展, 2009,20(3):325-331.

[35] Rebelo L M, Finlayson C M, Nagabhatla N. Remote sensing and GIS for wetland inventory, mapping and change analysis [J]. Journal of Environmental Management, 2009,90(7):2144-2153.

[36] Lee S Y, Rjk D, Young R A, et al. Impact of urbanization on coastal wetland structure and function [J]. Austral Ecology, 2006,31(2):149– 163.

[37] 洪 佳,盧曉寧,王玲玲.1973—2013年黃河三角洲濕地景觀演變驅動力[J]. 生態學報, 2016,36(4):924-935.

Spatial and temporal variations in wetland landscape patterns in the Yellow River Delta based on Landsat images.

LU Xiao-ning1*, HUANG Yue1, Hong Jia2, ZENG De-yu1, YANG Liu-qing1

(1.Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China；2.State key Laboratory of Information Engineering in Surveying, mapping Remote Sensing of Wuhan University, Wuhan 430072, China)., 2018,38(11)：4314~4324

A spatial database of wetland landscape was constructed by using Landsat images from 1973 to 2016 to reveal the evolution of the wetland landscape in the Yellow River Delta. In this study, the composition,spatial and temporal variations in wetland landscapes were analyzed. Besides, the evolution trend of wetland landscape pattern was also discussed based on landscape pattern index. Moreover, combining with the centroid model, the spatial location variations in wetland landscapes were analyzed. The results showed that salt marshes in the Yellow River Delta are mostly located around the coastal belts, and the freshwater wetlands are mainly distributed on both banks of the Yellow River, while the artificial wetlands are mostly distributed around the coastal areas within 15km away from the coastline and the Yellow River banks. Over the whole study period, the total area of wetlands in the Yellow River Delta showed a descending tendency. Because large area of natural wetlands which were dominantly covered by reed, suaeda heteroptera-Ttamarisk and reed-Ttamarisk, were converted into artificial wetlands and non-wetlands. The wetland landscapes of the Yellow River Delta showed a trend of area shrinking and fragmentation. The spatial configuration of wetland landscapes was fragmented, diversified, and shape was simplified, which was characterized of artificial wetland landscapes. As affected by the Yellow River changing from Diaokou to Qingshuigou, and its sufficient water supply, wetlands in the Yellow River Delta mainly expanded to the northeast direction which was dominated by freshwater wetlands during the period from 1973~1985. After 1985, the Yellow River changed from Qingshuigou to Qingbacha, besides, the runoff of the Yellow River was cut down. The wetland degradation occurred in the southeast of the Yellow River Delta. That spatial location variations in the Yellow River Delta was mostly controlled by the salt marshes in the whole period.

Yellow River Delta；salted wetland；freshwater wetland；artificial wetland；landscape pattern；spatial location

X37

A

1000-6923(2018)11-4314-11

盧曉寧(1980-),女,山東青島人,副教授,博士,主要從事資源環境遙感及水文小波分析方面研究.發表論文40余篇.

2018-04-11

四川省教育廳自然科學重點項目(17ZA0075);四川省科技廳重點項目(2017SZ0169);成都市科技局科技惠民項目(2016-HM01- 00392-SF);國家自然科學基金資助項目(41401103,41471305,41505012)

* 責任作者, 副教授, lxn@cuit.edu.cn