近30年来白洋淀湿地景观格局变化及其驱动机制

      湿地是水陆相互作用形成的独特生态系统[1]，是动植物重要的生存环境和自然界最富生物多样性的生态景观之一，与人类生存发展息息相关[2]。然而，近年来由于全球气候变化和人类活动的干扰，湿地面积正在大幅度的持续缩减。据世界经济合作与发展组织（OECD)的统计，1900年以来全球已有接近50%的湿地消失[3]，而如今，在人类活动和环境变化的双重压迫下，越来越多的湿地正面临严重的危机。湿地景观格局是指大小和形状不一的湿地景观斑块在空间上的排列，是各种生态过程在不同程度上综合作用的结果，对景观的功能和过程有着重要影响[4]。从20世纪70年代开始，景观生态学被逐渐引入到湿地研究中，湿地景观格局的动态变化就一直是湿地生态学研究的热点。湿地景观格局的变化尤其是湿地转换为农田或者干化导致的其他景观变化对湿地生态系统的能量流动、物质循环以及物种迁移等都会产生很大影响[5]。研究湿地景观格局的长时间变化特征，对湿地景观规划管理和湿地可持续发展具有重要意义[6]。

      常用的湿地景观格局演变研究方法有：定性描述法、景观生态叠置法和景观格局数量分析方法[7]，其中景观格局数量分析方法在国内外相关研究中应用较为广泛，主要包括景观格局指数和景观动态变化模型。宫兆宁等结合景观格局指数和斑块空间质心模型对北京湿地景观格局演变特征进行分析，结果表明北京湿地的聚集度和优势度指数均呈先增加后减少再小幅回升的趋势，多样性指数则相反[8]；杜清等利用景观格局指数探讨新疆喀什噶尔河流域景观格局变化特征，结果表明20a里喀什噶尔河流域耕地和水域湿地分布趋于集中，景观优势度增强，而林地和草地正好相反[9]。刘吉平[10]、李宁云[11]、刘娜[12]等也利用景观格局指数分别对三江平原、滇西北纳帕海湿地、洞庭湖的景观格局变化特征进行了研究。

      白洋淀湿地是华北平原仅存的为数极少的湖泊型湿地之一，具有缓洪滞沥、蓄水灌溉、调节局部地区气候、改善生态环境、补充地下水、保护生物多样性等多种生态功能[13]。但是近年来，在人类活动和气候变化的综合作用下白洋淀的水文条件发生变化，入淀水量显著减少，湿地生态功能逐渐减退，出现水源不足、湿地萎缩、泥沙淤积、干淀频繁、生物多样性减少等危机[14-15]。由于多年干淀和外源调水等原因，白洋淀自然景观发生了显著变化，研究其景观格局变化过程对揭示白洋淀生态环境变化规律，明晰生态环境退化的根本原因具有重要意义。尽管已有部分学者对白洋淀的景观格局动态变化进行了研究[16-20]，但时间尺度尚未涉及近十年，且大都只对3-5期数据进行分析，研究时间节点间隔大，无法详尽得知几十年来白洋淀的景观格局变化特征。因此本文借助1984-2014年间11期遥感影像数据提取研究区景观格局分布，综合运用景观格局指数方法和GIS技术分析白洋淀近30年的景观格局变化特征，并探索引起其变化的驱动力因子。

1研究区概况

白洋淀是华北平原最大的天然淀泊，属于海河流域大清河水系中游，在太行山前的永定河和滹沱河冲积扇交汇处的扇缘洼地上汇水形成。位于河北省保定市安新县境内，少部分在沧州地区，四周以堤坝为界，地理位置处于115°38′—116°07′E，38°43′—39°02′N(图1)，白洋淀湿地总面积31867.2hm2。该区域属于东部季风区暖温带半干旱地区，大陆性气候特点显著；多年平均气温7.3—12.7℃，气温年较差大；年平均降水量563.9mm，降水主要集中在6-9月份；年平均蒸发量1369mm，蒸发量远大于降水量[21]。白洋淀入淀河流有潴龙河、孝义河、唐河、府河、漕河、萍河、瀑河和白沟银河八条河流，下游出口由枣林庄闸和赵北口溢流堰控制。白洋淀植物种类繁多，生物多样性丰富，有大型水生植物47种，浮游植物406种。研究区是候鸟迁徙内陆途中的重要通道，丰富的植物资源为各类动物提供了充足的食物资源和栖息场所，具有重要的研究价值。

2研究资料与研究方法

2.1数据源与预处理

为了准确的揭示研究区景观格局动态演变特征，每隔2-4a选取一景遥感影像，且尽量选择降水量变化明显的年份；为了便于水生植物的识别，遥感影像时相选择在水生植物的生长期（6-9月份）内；另外考虑到遥感影像的质量和易获取性，最终选取1984年8月16日、1988年9月28日、1992年9月7日、1994年9月13日、1998年7月22日、2000年9月13日、2004年9月8日2006年6月26日、2009年9月22日、2011年6月8日的的LandsatTM影像以及2014年9月18日高分一号影像。其中LandsatTM影像分辨率为30m，高分一号卫星影像分辨率为16m。为了减少分辨率对景观格局指数计算的影响，本文将各时期的遥感影像分辨率统一重采样为30m。

图像预处理主要包括几何校正及影像裁剪。以2014年9月4日LandsatOLI为基准影像，对研究所使用的影像进行几何校正，总误差控制在0.5个像元内；最后利用白洋淀边界对影像进行裁剪。所有的空间数据的投影参考系统都统一使用通用横轴墨卡托投影，参考椭球体为WGS84。

2.2景观类型分类信息提取

湿地水生植物主要包括沉水植物、浮水植物和挺水植物，研究区中比较典型的沉水植物有狐尾藻、金鱼藻、马来眼子菜、篦齿眼子菜等；浮水植物主要有满江红、浮萍等；挺水植物主要有芦革、香蒲和莲。经野外调查发现，研究区中浮水植物的种类和数量较少，因其也生长于水中，与沉水植物混杂在一起，出现同谱异物现象，从影像上难以区分，因此将浮水植物归入沉水植物一并提取；另外参考《土地利用现状分类》，结合影像数据特征，最终确定将研究区划分为纯水体、挺水植物、沉水植物、林地、居民点、农田和裸土地7种景观类型。

在确定了湿地景观格局分类体系之后，结合实地调查、GoogleEarth软件等，利用eCognition8.7对研究区11期影像进行面向对象分类。在分类过程中，影像分割是基于可调整的色彩和形状的同质或异质标准来进行的，不同空间分辨率的影像分割尺度参数不同[22-23]。分割完成后，根据遥感图像分类的要求，检测和提取目标地物的光谱、形状、大小、结构、纹理、布局等特征，设置相应的分类阈值，构建分类决策树。对于高空间分辨率的卫星影像，面向对象方法能够获得较高的分类精度，然而对于中等分辨率的Landsat系列卫星影像，其分类效果有限。因此，研究采用人机交互的目视解译方式，结合2000年全国土地利用分类图对面向对象分类结果进行编辑、修改，手动将面向对象分类错分、漏分的对象赋予正确的属性，并生成最终的景观格局分布图。

2.3景观格局指数的选取

在众多景观格局的分析方法中，景观指数的应用最为广泛。景观格局指数能够高度浓缩景观空间格局信息，反映其结构组成和空间配置等方面的特征24。使用Fragstats3.4计算研究区景观格局指数，在类型水平上选择平均斑块面积（MeanPatchSize，MPS)、最大斑块指数（LargestPatchIndex，LPI)、面积加权平均斑块分维数（Area~weightedMeanPatchFractalDimension，AWMPFD)和聚集度指数（PatchCohesionIndex，COHESION)，在景观水平上选择斑块个数（NumberofPatches，NP)、景观形状指数（LandscapeShapeIndex，LSI)、香农多样性指数（Shannon'sDiversityIndex，SHDI)和聚集度指数（Contagion，CONTAG)，这些指数的概念、计算方法及生态学意义参见文献[24]。

3结果与分析

3.1白洋淀湿地景观类型组分变化分析

表1为1984-2014年白洋淀各景观类型的面积变化，可以看出，30年来挺水植物一直是白洋淀最主要的景观类型，其面积占研究区总面积比例达到37%-61%，其次为农田、沉水植物、纯水体等；挺水植物和沉水植物呈减少趋势，农田和居民点呈持续快速增长趋势，纯水体为“增加—减少—再增加”的趋势，林地和裸土地变化幅度不大，选取典型年份的景观格局制图可以直观看出（图2)。从1984年到2014年，白洋淀湿地面积（即挺水植物+沉水植物+纯水体）波动较大，1988年达到最大值27020.15hm2，比1984年增加了28.37%，到1992年小幅度减少后持续增加到1998年的26162.93hm2；1998年之后湿地面积大幅度缩减，到2004年仅19935.23hm2，之后湿地面积小幅度波动，直到近两年才有所增加（图3)。湿地面积总体呈下降趋势，由1998年前的平均25008hm2下降到1998年后的平均21573hm2。在研究时段内景观格局变化最明显的时期是1984-1988年和2000-2004年，这主要是由于1984年和2004年白洋淀处于干淀时期，纯水体面积大量缩减，挺水植物和沉水植物向着纯水体退缩的方向扩展，而远离水体的挺水植物又被大量开垦为耕地。

      将研究时段按不同年代划分为1984-1989年、1990-1999年、2000-2009年、2010-2014年4个时间段，求取各时段内景观类型平均面积作为该时段的景观类型面积，由图4可以看出，白洋淀湿地面积在20世纪90年代最大，之后不断缩减。挺水植物和沉水植物都呈现出减少的趋势，纯水体前3个时段不断减少，到第四个时段才有所回升。在湿地面积持续缩减的同时，农田和居民点面积不断扩张，尤其是进入到21世纪之后，扩张速度尤为迅速。林地和裸土地面积较少，变化不明显。

      由图3可知，1998年前湿地面积远大于1998年之后，因此将研究时段分为1984-1998年和1998-2014年两个时段分析景观格局的转移方向。由表2可知，1984-2014年期间，湿地景观类型（挺水植物、沉水植物、纯水体）的缩减面积主要转换为农田和居民点，并在1998-2014年期间转换面积最大，分别达到3705.05hm2和1017.79hm2。除转换为农田和居民点外，湿地景观类型之间的相互转换也较为激烈，其中挺水植物向沉水植物和纯水体的过渡最为明显，转换面积分别为2013.37hm2和3688.59hm2。另外，753.89hm2的沉水植物转换为挺水植物（185.35hm2)和纯水体(568.54hm2)；155.85hm2的纯水体转换为挺水植物（102.77hm2)和沉水植物(53.08hm2)。同时，1984-2014年期间，大量的农田转换为挺水植物（1130.90hm2)、沉水植物(220.21hm2)和纯水体(575.54hm2)。挺水植物、沉水植物、纯水体和农田之间的相互转换与湿地水位变化密切相关，说明白洋淀湿地景观格局的变化强烈依赖于水资源的空间配置。

 

3.2白洋淀湿地景观格局变化特征分析

3.2.1类型水平上景观格局变化特征

图5显示了在斑块类型水平上各时期景观格局指数的变化趋势。平均斑块面积（MPS)在一定程度上揭示了景观的破碎化程度。从图5中可以看出农田的MPS最大，其次为挺水植物。1994年农田的MPS达到最低值315.66hm2，之后持续波动增长，到2009年增加到1586.36hm2，为多年最高值。挺水植物MPS最大值为1984年的691.08hm2，到1989年迅速降低到77.67hm2，之后缓慢增长到2004年达到一个小峰值，为309.42hm2，随后逐年降低。纯水体的最大值出现在1989年，最小值在2004年。纯水体、沉水植物、裸土地、居民点和林地的MPS较小，景观斑块破碎且分布零散。