基于多光譜數據的濕地景觀格局變化對越冬候鳥生境影響

高 祥，戚雨婷，董 斌*，崔玉環，郝 瀧，趙 芳，王宏昌

1.安徽農業大學理學院，安徽 合肥 230036 2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013 3.山東省國土測繪院，山東 濟南 250102

引 言

升金湖是典型的長江中下游自然濕地，上世紀90年代前景觀格局呈理想狀態，景觀生態系統多樣性豐富，為越冬候鳥提供極佳的生境[1]。為預防沿河地區發生洪澇等自然災害，長江中下游通江湖泊、河流大規模興建水利設施，致使河流自然連通狀態改變，升金湖水位在人為控制狀態下一年中最高值保持在警戒水位(15 m)，水位變化使升金湖景觀時空格局改變明顯[2]。景觀格局決定了物種生境的可利用度，而候鳥生存在很大程度上取決于生境質量，景觀破碎化和生境面積銳減對越冬候鳥在此停留、繁衍等生理活動極其不利[3-4]。因此，對越冬候鳥生境質量研究一直是探討濕地保護的熱點和核心項目[2-4]。

目前國內外眾多學者展開不同水文時期下景觀格局和生境研究，Richer等通過研究水利設施改變河流原有自然連接狀態，導致水位發生改變，進而分析不同水文時期下湖泊景觀格局對生境時空格局的影響。Wang等用景觀斑塊譜分析濕地景觀變化對丹頂鶴棲息地影響，結果表明斑塊面積對景觀破碎化程度低地區影響較大，而形狀和多樣性對高度破碎化地區影響較大[5]。目前就升金湖等通江湖泊著手研究不同水文時期景觀格局及其對生境影響相關研究較少[6-7]。而多光譜遙感可根據影像形態、結構差異和光譜特性解譯地物，擴大了遙感的信息量，Landsat-8(OLI)系列包含ETM+的所有波段，且新增兩個波段，具有海岸波段、藍、綠、紅、近紅外、短波紅外、全色、卷云等多波段，解譯地物能力強，利于景觀生態等方面的研究。本文選擇升金湖濕地保護區作為研究區域，利用多光譜遙感影像提取景觀斑塊譜和越冬候鳥生境面積數據，結合升金湖地區在一個完整水文時期水位數據，對升金湖越冬候鳥生境質量隨時間變化特征進行研究，為強化水資源合理時空分布，提升濕地生態環境和越冬候鳥生境質量提供依據。

1 研究區概況

安徽升金湖自然保護區地處安徽省南部池州市內，北緯30°15′—30°30′，東經116°55′—117°15′之間(圖1)，水位波動極大且具有季節性變化特點[8]。該區域是國際重要濕地和越冬候鳥重要棲息地。

圖1 升金湖自然保護區位置圖Fig.1 Location of Shengjin Lake nature reserve

2 實驗部分

2.1 數據來源

為研究一個水文期內水位變化對升金湖濕地候鳥生境影響，選取最近一年內(2017年5月—2018年5月)升金湖水文數據[圖2(a)]，升金湖水位(黃湓閘閘上水位站)處于波動狀態，在2017年5月到2018年5月，月平均水位最大值為14.33 m，最小值為8.51 m，水位波動明顯。受季風影響降雨主要集中在夏季。結合已有研究成果將水文時期劃分為四個時期[圖2(b)][8-10]。其中，升金湖水位由黃湓閘水文站觀測數據獲取，數據來源為安徽省水文遙測信息網(yc.wswj.net/ahyc/)。Landsat-8(OLI)影像數據時相分別與四個水文期對應，選取能代表各水文期平均水位且質量較好的影像(表1)。根據Landsat-8(OLI)波段設置，選用5，4和3波段合成，具有地物圖像豐富鮮明、層次好等優點，可用于植被分類、水體識別；使用ENVI5.2進行幾何校正、影像融合、影像裁剪和影像增強等影像預處理。

圖2 數據選取依據(a)：升金湖水位變化特征； (b)：候鳥活動期與水文期對應圖Fig.2 Data selection basis(a)：Characteristics of water level changes；(b) Corresponding of migratory bird activities and hydrological periods

表1 Landsat-8衛星影像時相選取Table 1 Phase selection of Landsat-8 satellite images

2.2 遙感影像分類方法比較分析

目前監督分類常用的兩種精度較高的方法為最大似然值法和支持向量機法，最大似然值法比傳統監督分類最小距離法精確度高，支持向量機法采用維度進行分類，分類精度較高。采取最大似然值法和支持向量機法進行分類，利用混淆矩陣判定其分類精度(表2)，最終結果表明，支持向量機法分類總體精度與Kappa系數均高于最大似然值法，故選用支持向量機法對影像進行分類。

表2 兩種監督分類方法對比分析Table 2 Comparative analysis of two supervised classification methods

2.3 升金湖土地利用分類

結合已有文獻，將土地利用類型劃分為水域、水田、旱地、林地、草灘地、泥灘地、蘆葦灘地和建設用地八種[4,10]。結合歸一化水體指數(NDWI)對4幅影像進行支持向量機分類并進行分類后處理(圖3)。

圖3 升金湖濕地土地利用類型分類圖Fig.3 Classification of land use types in Shengjin Lake wetland

2.4 景觀斑塊譜特征指數選取與分級

選取四個景觀斑塊指數[10-11]，分別為斑塊面積、斑塊數量、斑塊形狀指數和景觀香濃多樣性指數(SHDI)。其中，斑塊形狀指數計算模型為：

(1)

式(1)中，S為斑塊形狀指數，P為斑塊周長，A為斑塊面積(以圓為參照幾何形狀)。景觀香濃多樣性指數(SHDI)計算模型為

(2)

式(2)中，SHDI為香濃多樣性指數，i為面積占斑塊總面積比例，Z為斑塊內生態類型數，ci為斑塊內生態系統類型數。以候鳥生境最小圖斑面積(3 km2)[6]為基礎，根據等級劃分面積級別并統計相關參數，景觀斑塊譜等級劃分結果見表3。

表3 景觀斑塊面積分級Table 3 Classification of landscape patch area

3 結果與討論

3.1 濕地景觀斑塊譜特征時空變化分析

3.1.1 斑塊面積特征分析

空間上升金湖濕地景觀中E類斑塊面積最大，全年平均面積高達12 525 km2，占28.36%，大斑塊在濕地景觀中為主導地位；時間上，隨水位升高大斑塊面積波動幅度較大表現出較高的不穩定性，斑塊面積先升后降，與A類斑塊呈現彼消此長趨勢，其他四種斑塊面積波動較小且分布均勻(圖5)。豐水期(14.33 m)小斑塊面積較小，大斑塊面積較大約占37.37%；枯水期(8.99 m)中等斑塊面積達到峰值約占區域面積28.26%，大小斑塊面積占比相似分布較為合理，升金湖濕地景觀斑塊面積在一個水文期內水位升高而大面積逐漸增加，小面積逐漸萎縮過程，在退水期和枯水期表現出良好景觀格局分布。

圖5 不同水文期景觀斑塊面積變化過程Fig.5 Variation process of landscape patch areas in different hydrological periods

3.1.2 斑塊數量特征分析

將同一水文期斑塊數量根據面積級別劃分并統計匯總，空間上濕地景觀總體上破碎化嚴重，濕地景觀小斑塊數量巨大約占總體斑塊數的90%以上，大斑塊數量極少僅占總體斑塊數的1.3%～4.1%，小斑塊在濕地景觀數量上具優勢，大斑塊占據劣勢地位，前者對升金湖景觀破碎化程度起主要作用(表4)。時間上各時期斑塊總數之間有較大差異，斑塊總數隨水位升高先增后降，其中小斑塊數量變化最大，穩定性極差，易受水位波動或水草時滯影響。漲水期斑塊總數最大且小斑塊數目占優，表明升金湖濕地景觀在此時期破碎化嚴重，物種生境可用度較低?？菟诎邏K總數最少(僅6 790個)，此時期水位約維持在8.51～9.72 m，處于區域水位較低時期，此階段升金湖濕地具有良好的生態格局和生境可用度。

表4 斑塊數量特征與分級Table 4 Quantitative features and classification of patches

3.1.3 景觀斑塊指數特征分析

將同一水文時期斑塊形狀指數根據面積級別劃分并統計均值，空間上斑塊面積與其形狀指數變化呈正相關(圖6)，形狀指數越大，斑塊邊緣效應越明顯且內部異質性越低；時間上E類斑塊平均形狀指數波動較大，穩定性差且水位越高形狀指數越大，表明水位對大斑塊形狀指數影響較大。其他斑塊面積級別類型變化較小波動不明顯。由于水位升高水面向外延伸，水域等大斑塊形狀偏離規則形狀，高水位時期(主要為漲水期和豐水期)，E類斑塊形狀指數最大，表明此時期大斑塊沿河流趨向成狹長式分布。

圖6 景觀斑塊形狀指數隨時間變化趨勢圖Fig.6 Trend chart of landscape patch shape index over time

3.1.4 景觀香濃多樣性指數分析

由統計知四個水文期SHDI指數分別為1.754 2(漲水期)、1.571 7(豐水期)、1.762 3(退水期)、1.790 1(枯水期)。升金湖整體上景觀SHDI指數隨水位升高略有降低，豐水期景觀破碎化嚴重且生態系統多樣性較低。由于越冬候鳥生境是由草灘地、泥灘地、蘆葦灘地三種景觀構成的復合體[6]，通過保護景觀多樣性可實現生物多樣性保護，景觀多樣性較低對越冬候鳥生境質量有不利影響。

3.2 不同水文期越冬候鳥生境面積動態分析

升金湖濕地保護區鶴類種群數量中白頭鶴較多，屬雜食性動物，但以植物性食物為主。蘆葦灘地土壤養分含量較高，且植物種類較多，高大禾本植物提供良好的隱秘環境，是越冬候鳥三種棲息地中最佳棲息地種類。退水期和枯水期是越冬候鳥主要到訪時期。退水期鶴類生境面積比較均勻，隨水位下降，蘆葦灘地面積逐漸上升，此時期候鳥生存條件較為理想?？菟谏趁娣e最大(越冬候鳥末期)(圖7)蘆葦灘地面積占比急速減少，此時越冬候鳥棲息地主要為泥灘地與草灘地，可基本滿足候鳥生活需求。草灘地生境面積占主導地位(51.21%)，面積波動較大且與水位呈負相關關系，最低值41.51%，低于區域平均水平。三種類型面積此消彼長并長期處于平衡狀態。高水位條件下主要生境為草灘地占比為68.01%，生境類型單一且生境面積出現萎縮(僅1 335.95 km2)，小于最大生境面積的三分之一。

圖7 不同水文時期升金湖生境面積變化Fig.7 Changes of habitat areas in Shengjin Lake in different hydrological periods

4 結 論

(1)一個水文周期內，升金湖濕地景觀格局在空間上小斑塊數量巨大且結構分散，大斑塊數量較少但面積占優，邊緣效應明顯，景觀破碎化嚴重，斑塊內部異質性較差；時間上，隨水位升高大斑塊面積增加，小斑塊面積持續萎縮且數量持續升高，景觀格局趨于單一化且破碎化嚴重；大斑塊形狀指數升高，景觀邊緣效應顯著，內部結構異質性降低，景觀香濃多樣性指數減小，生態多樣性趨于簡單化。越冬候鳥生境總面積波動較大且與水位呈負相關關系。越冬候鳥初期(退水期)，升金湖濕地景觀破碎化嚴重，內部異質性較低，候鳥生境面積總體較??；隨水位降低生境面積逐漸增加，到越冬候鳥末期達到峰值。

(2)近年來，為增加漁業養殖利益最大化，周圍魚塘眾多，越冬候鳥期水位仍較高，水生植物生長受到抑制，從而影響鶴類棲息地環境，景觀斑塊內部異質性較高且生態系統多樣性偏低，不能為越冬候鳥提供理想的棲息場所。通過控水閘對升金湖水位進行合理調控，能極大程度上改變濕地景觀格局，進而提高生境可利用度。