近30年東平湖濕地景觀格局演變研究

朱紅豆，劉曉,2，于泉洲,3，張亞茹，柴麗杰

(1.聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059;2.北京林業大學水土保持學院，北京 100083;3.聊城大學東平湖濕地研究所，山東 聊城 252059)

0 引言

被譽為“地球之腎”的濕地是水陸交錯分布的自然地物。廣義上，濕地泛指地表過濕或有積水的地區，包括水下和水面無植物生長的明水面和大型江河的主河道；狹義上，濕地是指有喜濕生物棲息活動、地表常年或季節積水及土層嚴重潛育化3個條件并存的陸地和水域之間的過渡地帶[1]。濕地作為地球上最重要的生態系統之一，不僅具有涵養水源，調節區域氣候，促進水分循環，降解污染物等功能，而且是生物多樣性的搖籃。近年來，隨著工農業的迅速發展，人口數量的大量增加和城市化進程的不斷加快，我國的濕地正面臨著多種生態災難，如區域生態環境破壞、自然景觀消失、生物多樣性減少、生態系統結構和功能喪失等[2-4]，從而嚴重影響著濕地生態系統的保護和濕地的進一步開發利用。因此，應加強濕地景觀動態變化研究，揭示濕地景觀演變規律，探明濕地景觀演變動力機制。2003年，我國第一次利用“3S”技術，對全國濕地景觀的基本類型、面積、分布等進行了全面調查，2013年，我國完成了第二次全國濕地資源調查，可見國家對濕地的重視程度。宮鵬等[5]學者以美國陸地衛星資料研究了1990和2000年前后中國濕地變化。區域尺度上，有學者研究了洪湖[6]、黃河三角洲[7-8]、南四湖[9-10]等不同區域的濕地動態變化，取得了豐厚的研究成果。

東平湖是山東省第二大淡水湖，南水北調東線的必經之地，有著極其重要的地理位置及生態服務功能，但隨著經濟的迅速發展，工業化程度加劇以及旅游開發等人為活動的影響，湖區污染逐漸加重，威脅著濕地資源的可持續利用[11-12]。因此，為了維護生物多樣性和濕地生態平衡，持續、合理、綜合地利用濕地資源，充分發揮濕地的多種功能，對東平湖濕地景觀演變的研究變得尤為重要。該文在遙感和GIS技術的支持下，結合空間分析指標，從景觀水平上分析1985—2015年的30年間東平湖濕地景觀的空間分布格局，揭示濕地景觀變化的規律和機制，為實現區域濕地景觀格局的優化、景觀生態的合理規劃以及濕地景觀生態的監測和評價提供依據。

1 研究區域概況

東平湖(老湖)位于山東省東平縣境內，西近京杭大運河，東接大汶河(東平境內稱大清河)，南連柳長河，北通黃河，總面積209km2，常年水面124.3km2，平均水深2.5m，蓄水總量40億m3[11]。東平湖所在地區屬溫帶季風型大陸性氣候，夏季高溫多雨，冬春季節多風少雨，四季分明，年均氣溫13.3℃，年均降水640.5mm。東平湖主要由大汶河注入，經調蓄后流入黃河，汶河流域的豐水期和枯水期的變化，使得東平湖區內耕地和水面交錯分布，湖區漁業和農業混合發展。東平湖濕地屬于我國北方少見的大型湖灣濕地，動植物資源豐富。近年來，東平湖憑其水資源、漁業資源及旅游資源等優勢，已發展為對游客極具吸引力的生態文化旅游地。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及處理

該研究數據源主要包括1985年、1991年、1996年、2000年、2004年、2011年、2015年7期夏季的Landsat TM/OLI遙感影像，東平湖地形及景點分布等資料。運用ENVI5.1軟件，對7期夏季遙感影像進行波段疊加，以東平湖為邊界做不規則裁剪、大氣校正、幾何校正、圖像增強等預處理。根據《全國濕地資源調查與監測技術規程》的分類原則與依據，并考慮東平湖濕地的實際情況，將東平湖濕地分為自然水面、挺水植被、浮水植被、沉水植被、草灘地、裸地、耕地和建筑用地8類。結合遙感影像的顏色、形狀、紋理及其與周邊環境的關系特征，建立東平湖濕地遙感解譯標志。根據解譯標志，運用ENVI軟件對遙感影像采用最大似然法進行監督分類，然后通過目視解譯對錯分的地物進行重分類，最后得到比較精確的濕地信息分布圖，符合分類精度標準。該文利用美國俄勒岡州立大學森林科學系開發的景觀結構分析軟件Fragstata3.4[13]，對7期東平湖景觀分類結果進行分析，并利用ArcGIS10.2軟件對東平湖景觀格局分類展示。

2.2 研究方法

近年來，許多學者在景觀生態系統空間特征的量度及其指標體系的建立方面做出的努力，產生了許多景觀格局評價指標[14-15]。定量的描述景觀格局特征是分析景觀結構、功能及過程的基礎，而景觀指數是反映景觀格局的結構組成和空間配置的定量指標[16]。該文對景觀格局演變特征的分析采用了景觀多樣性指數、優勢度、均勻度、破碎度指數。

2.2.1 景觀多樣性指數

景觀多樣性指數(SHDI)反映斑塊類型的多樣性，常用來揭示景觀結構的復雜程度，斑塊類型的齊全程度或多樣化狀況[4]。通常采用Shannon多樣性指數計算，計算公式為：

(1)

式中：H—景觀多樣性指數；Pk—斑塊k的景觀比例；n—斑塊的種類。

當景觀中只有一種類型的斑塊時，SHDI=0，當斑塊類型增加或者各類斑塊所占比例趨于相近時，SHDI也相應增大。

2.2.2 景觀優勢度指數

景觀優勢度指數(D)表示景觀多樣性對最大景觀多樣性指數的偏離程度，或描述景觀由少數幾個斑塊類型控制的程度，它與多樣性指數相反，是多樣性指數的最大值與實際計算值之差[17]，其值越大，表明該區域斑塊的種類與面積比差異越大。計算公式(2)：

(2)

式中：Do—優勢度指數；Hmax—多樣性指數的最大值；Pk—斑塊k的景觀比例；n—斑塊的種類。

它的值與偏離程度成正比，值越大則表示偏離程度越大，當其值為0時，表示景觀完全均質。

2.2.3 景觀均勻度指數

景觀均勻度指數(SHEI)反映的是景觀中的各斑塊在面積分布上的均勻程度，通常用多樣性指數與它的最大值之比來表示[18]，計算公式(3)：

(3)

式中：E—均勻度指數；Hmax—多樣性指數的最大值；Pk—斑塊k的景觀比例；n—斑塊的種類。

2.2.4 景觀破碎度指數

景觀破碎度是景觀異質性的重要表征，它表示景觀被分割的破碎程度，不僅反映了景觀空間結構的復雜性，也在一定程度上反映了人類對景觀的干擾程度[19]，計算公式(4):

Ck=Nk/Ak

(4)

式中：Ck—景觀k的破碎度；Nk—景觀k的斑塊數；Ak—景觀k的總面積。

3 結果與分析

3.1 濕地景觀格局動態變化分析

東平湖濕地景觀的變化反映在不同濕地類型之間轉換的變化上，通過分析各類型景觀面積的變化情況，可以了解濕地類型變化的總體態勢和濕地結構的變化。由表1、圖1分析可得：1985—2015年間，東平湖濕地各類型面積變化較大。其中，裸地面積逐漸減少，由1985年的15.01km2減少到2011年的2.15km2，2011—2015年裸地面積沒有明顯變化。

研究時段內，建筑用地面積是逐年增加的，由1985年的3.07km2增加到2015年的6.74km2，近30年，面積增加了3.68km2，增加面積比1985年原有面積還要大，可見建筑力度之大。

表1 1985—2015年各類型濕地景觀面積統計(km2)

濕地類型中自然水面的面積波動增加，自然水面面積1985年為72.32km2，1991年為89.59km2，到2011年已經達到115.97km2，這是由于降水年際變化和南水北調東線工程的影響，降水的變化和南水北調工程調蓄使得湖泊水位發生一定變化，湖泊水面面積存在一定波動。同時湖泊面積還受到以菹草群落為主的沉水植被群落的影響，沉水植被群落的盛衰，影響了自然水面的顯露。1996年自然水面的減少，就是由于當年沉水植被群落生長茂盛，侵占了大量的湖面。

圖1 1985—2015年東平湖濕地景觀變化

草灘地面積的變化不是太明顯，呈波動趨勢變化，以蘆葦為主的挺水植物群落面積的變化規律與草灘地相似，可能其中有著某種聯系。以荷田為主的浮水植物群落和以菹草群落為主的沉水植被面積變化起伏較大，并且沒有明顯的規律性。耕地1985—1996年間的變化不大，1996—2000年間卻減少了不少，從1996年的4.941km2減少到2000年的2.98km2，而2000—2015年間耕地面積開始逐漸增加，到2015年耕地面積達到了6.33km2?？偟膩碚f，東平湖各濕地類型面積的變化較大。

分析圖2可知，東平湖北部出湖口處，1985年主要為裸地，1985—2000年間逐漸發展為蘆葦沼澤和湖泊水面，2000—2015年間逐步演化為蘆葦沼澤、草灘地、建筑用地和湖泊水面；東部大汶河入湖口附近，1985年以大片裸地、耕地為主，1985—2000年不少裸地發展為耕地和建筑用地，2000—2015年間景觀類型變化較大，部分耕地逐漸變為建筑用地，裸地逐漸被蘆葦沼澤、草灘地、耕地所代替。2011—2015年河流兩岸裸地明顯被開墾為耕地。研究時段內，湖泊水面不斷增加，湖邊以蘆葦為主的挺水植物生長茂盛，草灘地逐年向陸地蔓延。菹草群落一直都是東平湖中主要沉水植被，其變化起伏較大?？偟膩碚f，各種濕地類型發生轉移和維持的狀況不同，近30年來，東平湖濕地各景觀類型之間轉換發生較大變化，但各景觀分布位置較穩定。

3.2 濕地景觀指數變化分析

3.2.1 濕地景觀多樣性分析

1985年和2015年東平湖濕地景觀鑲嵌體景觀類型多樣性計算結果見表2，濕地景觀多樣性指數變化如圖3所示。1985年為1.48，1991年降為1.37，1996年上升為1.68，達到研究時段內的最大值，景觀的均勻度也達到了最大值0.81，這說明景觀各類斑塊所占比例比較均衡，多樣性比較好。1996—2011年間景觀的多樣性指數持續下降，2011年景觀多樣性指數為1.01，2011—2015年間多樣性指數有所回升。從1996—2011年，景觀多樣性下降說明各景觀類型所占比例差異增大，景觀多樣性降低。2011—2015年，多樣性指數的上升說明各景觀類型所占比例差異減小，景觀多樣性增加。

圖2 1985—2015年東平湖濕地景觀演變圖譜

表2 1985—2015年東平湖濕地景觀指數

由表2、圖3可知，景觀均勻度隨多樣性的變化而變化，1996—2011年景觀的均勻度也呈持續減小趨勢，從0.81降到0.51，各景觀類型面積分布逐漸不均勻，2015年景觀均勻度指數為0.65，比2011年各景觀類型分布趨于均勻。優勢度指數1985年為0.29，1996年達到最小為0.19，1996—2011年優勢度指數逐漸增大，2011年為0.49，達到研究時段內的最大值，從優勢度指數的意義來看，優勢度指數越高，表明組成景觀的各類型所占比例的差異越大，該地區景觀被某一種或幾種濕地類型所控制，2015年優勢度為0.35，比2011年有所下降，說明濕地各類型的景觀所占比例的差異減小，可能由于人們對景觀的規劃?？傮w上來說，東平湖濕地各景觀類型分布還比較均勻，但均勻度有下降趨勢，趨于出現優勢景觀，景觀多樣性整體呈下降趨勢，值得人們加強重視。

3.2.2 濕地景觀破碎度分析

東平湖濕地景觀破碎化主要表現為斑塊數量增加，斑塊形狀趨于不規則，以及斑塊彼此隔離。景觀破碎化會對生存于其中的物種造成一系列的影響，因此，景觀破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一[16]。由于研究的東平湖濕地總面積沒有改變，采用濕地景觀的總斑塊的變化研究景觀的破碎度。斑塊數(NP)的值大，破碎度高，斑塊數的值小，破碎度低。

東平湖濕地景觀總斑塊數1985年為1231，1991年為919，從1991到2000年斑塊數持續增加，斑塊數從919增加到1300，說明東平湖濕地景觀的破碎化程度持續增大，濕地景觀整體比較破碎。但2000—2011年，景觀斑塊數目減少，破碎程度降低，這是由于南水北調調蓄導致湖泊水位上升，使得自然水面在濕地景觀中占主導地位，導致斑塊數目降低。2011—2015年斑塊數目從681～1266，斑塊數增加，濕地景觀破碎的趨勢在延續。

圖3 1985—2015年東平湖景觀指數變化

3.3 濕地景觀演變驅動力分析

一般而言，自然驅動力和人為驅動力是濕地景觀格局動態變化的主要驅動因素[20]。自然驅動因子常常是在較大的時空尺度上作用于景觀格局，引起大面積的景觀發生變化。人文驅動因子則是景觀格局變化的直接驅動力。

東平湖屬于溫帶季風大陸性氣候，降水季節變化明顯，湖泊水面隨降水量的增加而增大。研究時段內來自流域上游的泥沙不斷在此淤積，湖泊地勢逐漸被抬高，水位較低的區域出現了蘆葦等水生植物，泥沙的不斷增加，草本植物侵入，湖泊河流沿岸地區演變為草灘地。當湖泊水位上升時，水生植物增加，草本植物會有所減少。所以，湖泊水位變化也引導著濕地植被發生變化，從而導致整個濕地類型發生變化。

人類活動主要為水工建設、土地開發整理和污染物排放。近年來，隨著人口增加、經濟快速發展東平湖區工業和生活垃圾污染日趨嚴重，東平湖濕地生態環境受到威脅，濕地景觀類型結構簡單化。東平湖自被確定為黃河自然滯洪區后，開始進行大量的防洪蓄水工程建設，加上道路設施、大壩等的修建，占用了不少濕地，破壞了濕地的完整性，使濕地景觀趨向破碎化。南水北調東線工程實施后，東平湖蓄水量增加，致使湖泊水位明顯上升，湖泊面積逐漸擴大。2004—2011年間，受調蓄使水位上升的影響，自然水面面積擴大，浮水植物和挺水植物面積減少，沉水植物面積反而有所增加，生物的多樣性減小，生物種群結構趨于單一化。

3.4 不確定性分析

由于遙感數據分辨率限制，該文只將東平湖濕地分成了8種景觀類別。另外研究樣本的選取，具有一定主觀性，可能造成分類結果及產生的數據與實際景觀的分布情況有所偏差。為減少誤差對研究的影響，研究參考了許多學者對東平湖影像解譯的標準，收集了東平湖歷年的自然人文資料，對東平湖有較清晰的了解，分類結果總體上符合東平湖景觀變化情況。并且作為該區域景觀格局分布宏觀參考，揭示東平湖濕地景觀格局演變規律及發展趨勢毋庸置疑具有重要意義，也為東平湖濕地景觀優化和生態環境保護提供有力的科學依據。

4 結論

該文基于遙感和GIS研究了1985—2015年東平湖濕地的景觀動態變化和景觀指數變化特征，并對景觀演變的驅動力進行了分析，主要結論如下：

(1)近30年來，東平湖濕地類型發生了較大的變化，大量的裸地被耕地和建筑用地取代，湖泊河流沿岸以蘆葦為主的挺水植物群落和草灘地逐漸向陸地內部演變，自然水面面積在波動增加，菹草群落則是湖泊沉水植被中的優勢物種。

(2)1985—2015年間，東平湖濕地總體景觀多樣性呈下降趨勢，優勢物種逐漸明顯，景觀破碎度波動增加。其中，1996—2011年間濕地景觀多樣性持續下降，優勢度逐漸增加，斑塊數先增后減，降低了東平湖的生物物種的多樣性，造成一些物種數量的減少甚至消失；2011—2015年，濕地景觀多樣性有回升趨勢，景觀均勻度增加，優勢度減小，而景觀破碎度有增加趨勢。

(3)東平湖濕地演化的過程中，受到自然方面和人為方面演化驅動力的共同作用。前期東平湖濕地演化受氣候等自然因素影響為主，后期濕地的演化主要受水工建設、土地開發等人為因素影響。東平湖在南水北調工程東線中的調蓄作用是影響后期湖泊自然水面增大的主要因素。