升金湖濕地景觀格局與水位關系的研究

楊 陽， 李皖彤， 周忠澤， 李春林

(安徽大學 資源與環境工程學院， 合肥 230601)

濕地是生物多樣性最為豐富的自然生態系統之一，為多種依賴濕地生存的物種提供重要的棲息地。然而，在過去100年以來，隨著人口增長和經濟發展，全球自然濕地不斷喪失和退化[1]。在此期間，中國也喪失了約50%的自然濕地，并在近二十年內呈現加速態勢[2]。濕地的喪失和退化直接威脅濕地生物的生存和繁衍[3]。

導致濕地退化的因素十分復雜，其中，水位的人為控制是造成濕地功能退化的重要因素之一[4]。在季節性消漲的湖泊濕地中，水位的升降使多種景觀要素發生變化，從而呈現不同的景觀格局，對多種濕地生物的棲息地產生重要影響，如依賴濕地生存的各種水鳥[5]。長期以來，濕地生物適應了濕地景觀的自然格局動態，而人為控制湖泊水位，顯著改變了其原有的季節性消漲規律，可能對濕地生物的棲息地產生負面影響[6]。研究水位變化與濕地景觀格局動態的相互關系，對于濕地生物多樣性，尤其是水鳥的保護具有重要意義。

升金湖是長江中下游淺水通江湖泊的典型代表，每年秋冬季，湖泊水位下降，消落帶草灘和泥灘隨之暴露，為水鳥提供了大量的食物資源。每年約有3萬～7萬只水鳥在此越冬或停歇，使其成為東亞-澳大利西亞候鳥遷徙路線上重要的越冬地和停歇地[7]。然而，近年來為追求水產養殖利益的最大化，人為控制水位改變了升金湖水位的自然消漲規律[8]，越冬水鳥的棲息地可能因此受到顯著影響。闡明水位變化與濕地景觀格局動態的相互關系可以更深入地理解升金湖水位變動對水鳥棲息地的影響。

本研究利用遙感圖像分類技術，對升金湖不同水位下湖泊濕地景觀格局進行定量化分析，分析水位與草灘、泥灘和農田等景觀斑塊面積及景觀指數的相關關系，探討水位變化對濕地景觀格局的影響。在此基礎上，探討升金湖水位的最佳管理模式，為升金湖濕地，特別是越冬水鳥棲息地的管理和保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

升金湖(116°15′～117°15′E，30°15′～30°30′N)位于安徽省長江中下游，由黃湓閘北接長江。升金湖作為通江湖泊，豐水期為6月至9月，平均水位為12.5 m(吳淞高程)；枯水期為11月至翌年4月，平均水位為8.9 m。受亞熱帶季風影響，年平均降水量為1600 mm，年均溫為16℃[9]。湖區水生植被主要有苔草(Carexspp.)構成的濕生植被、蘆葦(Phragmitesaustralis)和菰(Zizanialatifolia)構成的挺水植被、菱(Trapabispinosa)構成的浮葉植被及聚藻(Myriophyllumspicatum)和菹草(Potamogetoncrispus)構成的沉水植被[10]。依據湖盆的形狀和水流的方向，常將升金湖分為上湖、中湖和下湖。

升金湖自然保護區成立于1986年，1997年晉升為國家級自然保護區[11]。保護區面積333.3 km2，核心區面積101.5 km2。升金湖于1995年加入中國人與生物圈自然保護區網絡，2002年加入東北亞鶴類網絡保護區，2005年加入東亞-澳大利西亞涉禽保護區網絡，2015年被列為國際重要濕地。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源

本研究從美國地質勘探局(USGS, http://glovis.usgs.gov/)下載2007—2015年期間研究區域上空無云覆蓋的22幅Landsat影像(行編號39，列編號121)作為景觀分析的數據源。近十年內最高水位時的影像，即2010年8月18日的影像，只用于提取水體信息，界定本研究區域范圍，其余21幅影像用于判讀土地覆被類型。從中國資源衛星中心獲得2014年4月20日的高分影像，用于圖像分類的精度評價。從安徽省水文局網站下載同期水位，所用遙感影像對應水位變動范圍為8.20～14.56 m(吳淞高程)。

表1 本研究采用的Landsat影像與相應水位數據

注：a表示用于土地覆蓋分類；b表示用于劃定研究區域的邊界；c表示用于精度評價

1.2.2 圖像分類與精度評價

所有遙感影像都統一在WGS 84坐標系統下，使用ENVI(版本5.0、ESRI公司)對有條帶噪聲的Landsat 7 ETM+影像進行修復。通過計算界定合適閾值的歸一化水體指數(NDWI)[12]，從最高水位所對應的影像中提取最大水面邊界，作為分析范圍：

其中b2、b5分別表示Landsat 7 ETM+影像的第2、第5波段，M表示水體閾值。

將研究區域內的景觀斑塊分為水體、草灘、泥灘和農田4種類型，采用最大似然法，結合目視判讀，對Landsat影像進行監督分類[13]。使用ENVI聚合工具，對面積低于一定閾值(30 m × 30 m)的細小像元進行合并。使用高分一號影像對圖像分類結果進行精度檢驗。

1.2.3 景觀指數的計算

利用FRAGSTATS軟件計算斑塊(Class)和景觀(Landscape)兩個水平的景觀指數[14]，并分析其與水位的相關關系(表2)。斑塊水平的景觀指數用以評價斑塊形狀及其破碎化程度，景觀水平指數用以評價景觀異質性。

表2 定量描述斑塊空間格局的景觀指數

2 結果與分析

2.1 圖像分類的精度評價

總體分類精度為90%，Kappa系數為0.91，水體、泥灘和農田的分類精度達到90%以上，草灘的分類精度為86.9%(表3)。精度評價的誤差矩陣表明，本研究所采用的分類方法具有較高的精度。

表3 2014年3月22日Landsat影像分類的誤差矩陣

2.2 水位與景觀格局的相關關系

升金湖水位具有明顯的季節動態，每年4、5月份，水位開始上升，至7、8月份達最高值，最高水位可達15 m以上；10月份水位開始下降，至12月底及翌年1月，水位下降到最低點，最低水位約為8.20 m(圖1)。

圖1 升金湖2010—2015年分旬水位變化曲線

升金湖水面面積隨水位升高而增大，從最低水位8.20 m時的83.52 km2增加到最高水位14.56 m時的156.56 km2，增加87.5%。泥灘、草灘和農田面積隨水位的升高而縮小，分別從最低水位時的39.87 km2、21.88 km2、12.20 km2縮小至最高水位時的3.61 km2、3.84 km2和1.00 km2，分別縮小90.9%、82.4%及91.8%。水位每升高1 m，水面面積增加約10 km2，而泥灘、草灘和農田各減少約5.70 km2、2.70 km2和1.70 km2(圖2)。

水鳥越冬前期(10月—12月)，升金湖水位迅速下降，平均水位為10.27 m。水位下降至平均值時，水面面積由汛期最高水位14.56 m時的156.56 km2迅速減小至111.18 km2，出露的泥灘、草灘和農田斑塊面積分別為21.99 km2、15.05 km2和8.34 km2。隨水位下降，上湖東南面沿支流河汊逐漸形成狹長草灘帶，草灘和水面之間陸續出現零碎泥灘斑塊，支流河汊上游和南部湖汊出露兩片獨立的農田斑塊；下湖湖汊逐漸出現零碎泥灘斑塊，湖中心出露部分草灘斑塊；中湖水面變化較小，僅湖汊出現零星泥灘斑塊(圖2)。

圖2 升金湖水位與各種景觀斑塊面積的關系

圖3 升金湖濕地景觀指數與水位的關系Figure 3 The relationship between landscape metrics and water levels in Shengjin Lake

水鳥越冬中期(1月—2月)，升金湖水位降至最低點，平均為8.95 m，并持續保持較低水位。水位下降至平均值時，出露的泥灘、草灘和農田斑塊面積分別為29.41、18.62和10.48 km2，水面面積下降至98.06 km2。本階段最低水位可至8.2 m，此時出露的泥灘、草灘和農田斑塊面積達到最大，分別為39.87、21.88和12.20 km2，水面面積減小至83.52 km2。此時上湖水面面積不及豐水期的一半，東南部河口淤積區出現大面積泥灘和草灘，支流河汊兩側和南部湖汊兩片獨立的農田斑塊面積增大，斑塊總體平均面積較大。中湖水面變化較小，明顯小于上湖和下湖，出露的泥灘、草灘面積較小，零星分布于湖邊。中湖與下湖連接處以及下湖的中部區域出現較大面積的泥灘和草灘斑塊，但破碎化程度明顯高于上湖(圖2)。

水鳥越冬后期(3月—4月)，水位開始上升，平均為9.36 m。水位上升至平均值時，水面面積增加至102.14 km2，占最高水位面積的65.24%。泥灘、草灘和農田斑塊面積分別減少至27.11、17.51和9.82 km2。隨水位升高，泥灘面積減小最為顯著，但總體面積仍高于越冬前期。上湖東南部河口淤積區部分地勢較低的草灘和泥灘逐漸被淹沒，沿湖岸狹長分布，斑塊面積下降；中湖出露的泥灘和草灘斑塊基本被淹沒，僅部分湖汊殘留細碎的泥灘斑塊。中湖與下湖連接處以及下湖中心的草灘和泥灘斑塊逐漸被水面分割淹沒，下湖東南部部分地勢較低的細小農田斑塊也被淹沒，斑塊破碎化程度升高(圖2)。

2.3 水位與景觀指數的相關關系

在斑塊尺度上，泥灘和草灘的MPAI、LPI和AWMSI指數均隨水位升高而減小，草灘的PAFRAC指數隨水位升高而增大，泥灘的PAFRAC指數沒有明顯的規律性；農田的LPI指數和AWMSI指數同樣隨水位升高而減小，MPAI指數、PAFRAC指數沒有明顯的規律性；水體的MPAI指數和LPI指數均隨水位升高而增大，且遠大于其他3種生境，AWMSI指數也一直維持在較高的水平上，PAFRAC指數沒有明顯的規律性，但其均值小于其他3類斑塊(圖3-a、b、c、d)。景觀尺度上的CONTAG指數隨水位的升高而增大，二者具有顯著的線性關系(圖3-e)；SHDI指數和SHEI指數隨水位升高而減小，景觀異質性下降(圖3-f)。

3 討論

升金湖水位的季節變化對濕地景觀格局產生了顯著的影響。每年秋冬季，水位開始下降，泥灘和草灘等景觀斑塊逐漸暴露，濕地景觀的異質性增加，為多種越冬水鳥提供重要的覓食地。水位的高低直接決定了各種景觀斑塊的暴露程度，從而影響各種水鳥對濕地生境的利用，并對水鳥群落結構和空間分布產生影響[15]。因此，濕地水位的管理是水鳥及其棲息地保護的關鍵[16]。

升金湖濕地景觀格局隨水位的變化具有空間差異。由于上湖承接上游泥沙的淤積，地勢較高，水位降低時，暴露的泥灘和草灘面積較大，為越冬水鳥提供了大量的覓食場所。多年水鳥種群調查的結果表明，此區域水鳥的數量和物種多樣性均高于其它區域[17]。隨水位下降，下湖也出現了較多的泥灘和草灘，但破碎化程度較高。然而，在整個秋冬季，中湖的水域面積均較大，草灘和泥灘僅沿湖零星分布，水鳥的種類和數量也為全湖最低[17]。

升金湖濕地景觀格局隨水位而變化，斑塊形狀的復雜性也不斷變化。隨著水位上升，水面逐漸擴展至各個湖汊，并迅速延展到整個湖區，水體斑塊漸趨完整，但同時，草灘、泥灘等斑塊類型隨水位升高逐漸破碎化。每年秋冬季，隨著水位下降，草灘、泥灘逐漸暴露，濕地景觀多樣性因此增加，為多種遷徙和越冬水鳥提供重要的覓食地。

消落帶受湖泊水位變化的影響最為顯著，隨水位的下降，泥灘和草灘逐漸暴露，為多種水鳥提供良好的覓食場所。其中，泥灘是涉禽的重要棲息地，為多種鶴類和鸻鷸類提供豐富的食物資源[18]；由于長江中下游特殊的氣候條件，水位下降后，消落帶的濕生草本植物開始生長[19]，形成大面積的草灘，吸引了大量的越冬雁類在此覓食[20]。位于水陸交界區域的淺水區也是多種涉禽的重要覓食地，然而，在遙感影像中，深水和淺水很難區分，因此，本研究未識別淺水區域。

升金湖是東亞-澳大利西亞候鳥遷徙路線上水鳥的重要越冬地和停歇地，每年冬季，數以萬計的水鳥在此越冬和停歇[17]。保持升金湖自然水位的季節消漲規律，使其秋冬季水位較低，暴露消落帶的泥灘和草灘等棲息地斑塊，是為在此越冬的水鳥提供充足食物來源和休息場所的基礎。然而，近些年來，為追求漁業養殖利益的最大化，升金湖的水位受到人為控制[21]，自然水文過程發生改變，特別是在越冬前期，升金湖水位雖然已開始回落，但為保證養殖魚類的繼續生長，其水位依然較高，暴露出的泥灘、草灘等生境較少，濕生草本植物錯過秋季生長期[19]，不能為雁類及涉禽等越冬水鳥提供充足的適宜棲息地。棲息地的多樣性和異質性也較低，難似同時滿足多種越冬水鳥對棲息地的不同需求。此外，由于密集的水產養殖，濕地植被退化嚴重，底棲生物多樣性也因此下降，水位下降后暴露的泥灘和淺水區域為水鳥提供的食物資源十分有限[22]。

4 結論和建議

升金湖濕地景觀格局隨水位的變化而發生顯著改變，每年秋冬季，隨水位的下降，泥灘和草灘等濕地景觀斑塊逐漸暴露，為在此越冬或停歇的大量水鳥提供重要的棲息地。然而，如果秋冬季水位較高，湖底不能暴露，為水鳥提供的棲息地就非常有限。因此，建議在水鳥越冬期有計劃地對升金湖水位實施分步調控，使其水位從9月底開始逐步下降，漸次暴露各種棲息地斑塊，以滿足分批抵達的遷徙水鳥對不同棲息地類型的需求。同時，降低水產養殖的密度，恢復水生植被和底棲生物的多樣性，為在此越冬的水鳥提供豐富的食物資源。

致謝：安徽大學資源與環境工程學院王杰和吳鵬海老師在遙感解譯方面給予指導，并在論文完成進程中給予多次幫助，在此表示衷心的感謝。