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(shí)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(xué),四川 成都 610225；2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wèi)星影像,構(gòu)建黃河三角洲濕地景觀空間數(shù)據(jù)庫(kù),分析區(qū)域濕地景觀的組成及其變化,應(yīng)用景觀格局指數(shù)分析方法,研究濕地景觀格局演變的趨勢(shì),并結(jié)合質(zhì)心模型探討濕地景觀空間位置的變化.結(jié)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(nèi)的沿海區(qū)域以及河流沿岸.(2)黃河三角洲濕地總面積呈下降趨勢(shì),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(zhuǎn)換變化導(dǎo)致.(3)黃河三角洲濕地景觀整體呈破碎化的萎縮趨勢(shì),景觀空間構(gòu)型不斷朝破碎化、多樣化,形狀簡(jiǎn)單化的人工化特征突出的方向發(fā)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(kuò)張變化主導(dǎo);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(qū)域濕地景觀整體呈咸水濕地主導(dǎo)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(tài)系統(tǒng)類型之一[1],是水陸相互作用而形成的自然綜合體,在維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡和生境安全、維持生物多樣性等方面發(fā)揮著巨大作用[2].深入分析濕地演變時(shí)空特征是了解濕地生態(tài)演變規(guī)律和制定濕地保護(hù)對(duì)策的科學(xué)基礎(chǔ)[3].作為中國(guó)暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濕地生態(tài)系統(tǒng),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(guó)際上備受重視[4].學(xué)者圍繞黃河三角洲濕地修復(fù)[5-6]、濕地評(píng)價(jià)[7]、濕地管理[8-9]、濕地演化機(jī)制與恢復(fù)[10]、濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[11]、濕地生物量[12-13]、碳儲(chǔ)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(guī)律是前述許多工作的重要基礎(chǔ)和前提,同時(shí)也是開展區(qū)域尺度上濕地評(píng)價(jià)、修復(fù)效果檢驗(yàn)和管理等研究的重要手段.作為近年來濕地科學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[15],濕地景觀格局研究成果豐碩.不少學(xué)者基于遙感和GIS技術(shù)及景觀生態(tài)學(xué)原理,對(duì)黃河三角洲濕地開展了大量研究[3,16-17],這對(duì)深入認(rèn)識(shí)黃河三角洲濕地景觀格局及其時(shí)空變化規(guī)律打下了基礎(chǔ).但是,多數(shù)研究往往時(shí)間序列較短、時(shí)間步長(zhǎng)較長(zhǎng),且對(duì)空間變化關(guān)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(tǒng)性特征及其規(guī)律.故,本研究以Landsat衛(wèi)星1973~2016年的9期影像為數(shù)據(jù)源,進(jìn)行人工目視解譯,建立相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的黃河三角洲濕地景觀數(shù)據(jù)庫(kù).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(tǒng)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(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)提供理論支持.

1 研究區(qū)概況

黃河三角洲(簡(jiǎn)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(qū)的沖積平原.黃三角是由古代三角洲、近代三角洲和現(xiàn)代三角洲三部分組成的聯(lián)合體[18].現(xiàn)代黃三角主要是指自1934年開始至今仍然在繼續(xù)形成的扇面,它的頂點(diǎn)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(xué)上說的黃三角僅僅是指黃河在今山東的東營(yíng)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(shí)用性,本研究選取了東營(yíng)市除廣饒縣外的各縣、區(qū)為研究區(qū),如圖1所示.

圖1 研究區(qū)示意

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1.1 數(shù)據(jù)源 9期Landsat影像數(shù)據(jù)(詳情見表1),取自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)網(wǎng)站(http: //earthexplorer.usgs.gov/)以及地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/).實(shí)地考察數(shù)據(jù),2013年9月在研究區(qū)內(nèi)采集得到71個(gè)樣點(diǎn)的地表覆被數(shù)據(jù)(采樣點(diǎn)位置如圖1所示).所有空間數(shù)據(jù)投影均為UTM投影,坐標(biāo)系均為WGS84.

表1 遙感影像相關(guān)信息

2.1.2 濕地分類系統(tǒng) 參考國(guó)內(nèi)外濕地分類標(biāo)準(zhǔn)以及黃河三角洲濕地分類系統(tǒng)[20-21],并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際,建立黃河三角洲濕地景觀分類系統(tǒng),如表2所示.

2.1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理 對(duì)獲取的遙感影像進(jìn)行幾何校正、波段組合、直方圖均衡化等預(yù)處理,以提高目視解譯精度.根據(jù)已建立的解譯標(biāo)志,并參考Google Earth影像,實(shí)現(xiàn)黃河三角洲濕地景觀信息的目視解譯.通過與實(shí)地考察的71個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的精度檢驗(yàn)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(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

基于上述處理得到1973~2016年黃河三角洲濕地景觀數(shù)據(jù)庫(kù),如圖2所示.

表2 黃河三角洲濕地景觀分類系統(tǒng)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(jìn)而基于Fragstats4.2軟件從類型(斑塊數(shù)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(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊占景觀面積比(LPI)、分維數(shù)(PAFRAC),蔓延度(CONTAG),Shannon’s多樣性指數(shù)(SHDI)和信息熵(IE))計(jì)算10個(gè)景觀格局指數(shù),結(jié)合線性傾向率定量揭示黃河三角洲濕地景觀格局指數(shù)的變化趨勢(shì).信息熵指數(shù)被應(yīng)用于本研究中[22-25],是因?yàn)槠浞从沉司坝^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(shù)的生態(tài)意義解釋見Fragstats4.2使用手冊(cè)[27-28].最后應(yīng)用空間質(zhì)心模型[29],計(jì)算各濕地景觀類型以面積加權(quán)的質(zhì)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(xiàn)狀分析 黃河三角洲濕地主要分布于環(huán)渤海的臨海區(qū)域,面積較大,占研究區(qū)總面積的40%以上.2016年濕地總面積為2723.91km2,占研究區(qū)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(dá)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(xiàn)出泥沙質(zhì)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(gòu)型特征,潮溝濕地則以廊道的形式由沿海向內(nèi)陸方向貫穿整個(gè)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(zhì)灘涂占比相當(dāng),分別占到20.10%、20.60%、19.17%.發(fā)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(xiàn)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(kù)坑塘、蝦蟹田和鹽田多分布于距離海岸線15km以內(nèi)的沿海區(qū)域,水田和溝渠則較多分布在河流沿岸.其中水庫(kù)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(shì),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(shì)年均為37.19km2.人工濕地面積則呈顯著上升趨勢(shì),年均增長(zhǎng)26.55km2,體現(xiàn)出人類在黃河三角洲干擾活動(dòng)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(shì).

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?yàn)槠渲械南趟偷疂竦卦谘芯科趦?nèi)都呈面積減少的變化趨勢(shì)(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?yàn)檎计浔戎刈畲蟮某釅A蓬檉柳沼澤被大面積的(占比55.33%)開發(fā)為水庫(kù)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(jìn)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(zhì)灘涂和潮溝的減小變化亦對(duì)咸水濕地面積的減小起到促進(jìn)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(fā)為旱地和蝦蟹田,開墾的面積分別達(dá)到371.56和108.97km2.此外,草甸沼澤亦呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)(54.27%轉(zhuǎn)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(zhǎng),但其比重小,對(duì)淡水濕地的影響微乎其微.永久性河流呈現(xiàn)出較大的面積波動(dòng)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(dòng)未對(duì)淡水濕地面積的變化趨勢(shì)產(chǎn)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(shì)(圖3(b))與自然濕地面積的變化趨勢(shì)截然相反[32].44a間,人工濕地面積增加了980.69km2,其中水庫(kù)坑塘、蝦蟹田的貢獻(xiàn)最大,貢獻(xiàn)率分別為44.14%和41.45%.水庫(kù)坑塘面積的顯著增長(zhǎng)可由其高達(dá)13.65km2/a的線性傾向率體現(xiàn)出來(圖3(b)).這是因?yàn)?979年后,三角洲地區(qū)大面積建設(shè)平原水庫(kù),尤其是20世紀(jì)90年代后,區(qū)域平原水庫(kù)建設(shè)日新月異.截止至1994年,東營(yíng)市全市平原水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容4.31km2;截至2002年,全市共建成平原水庫(kù)658座,總設(shè)計(jì)庫(kù)容8.31km2[33].蝦蟹田自1985年后開始迅速擴(kuò)張,年均增長(zhǎng)12.85km2,與人類開挖翅堿蓬檉柳沼澤和蘆葦沼澤息息相關(guān),由二者轉(zhuǎn)化而來的面積分別占39.44%和26.56%.鹽田也呈現(xiàn)面積上升的變化趨勢(shì),線性傾向率為3.62km2/a,對(duì)人工濕地面積的增長(zhǎng)起促進(jìn)作用.44a間,水田和溝渠的面積呈減小趨勢(shì),因其占比小且減小程度輕(年均減少量?jī)H為0.4和0.24km2),其影響幾乎可忽略不計(jì).近44a來黃河三角洲人工濕地的面積擴(kuò)張變化體現(xiàn)出人類的水利建設(shè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)開發(fā)、農(nóng)業(yè)發(fā)展等干擾活動(dòng)在該區(qū)域加劇的特征[34].

3.2 黃河三角洲濕地景觀格局指數(shù)的變化趨勢(shì)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(xiàn)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(shù)量和斑塊密度均呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)(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(yōu)勢(shì)類型愈來愈不顯現(xiàn),景觀分布趨于均勻,呈顯著的破碎化變化.蔓延度指數(shù)的極顯著下降趨勢(shì)(顯著性水平0.002)和多樣性指數(shù)的顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(顯著性水平0.01)更進(jìn)一步印證了區(qū)域濕地景觀破碎化加劇的特征.分維數(shù)呈現(xiàn)的極顯著減小變化趨勢(shì)(顯著性水平0.002),說明黃河三角洲濕地景觀表現(xiàn)出破碎化、均勻化、規(guī)整化加劇的特征,主要是因其受人類活動(dòng)干擾越來越大所導(dǎo)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(nèi)呈上升趨勢(shì),線性傾向率為0.01,綜合地體現(xiàn)出濕地景觀包含的信息量持續(xù)增加,景觀的空間分布結(jié)構(gòu)不斷朝破碎化的方向發(fā)展.

表3 1973~2016年景觀格局指數(shù)變化趨勢(shì)擬合

x:年份,y:各景觀格局指數(shù).

綜上所述44a間黃河三角洲濕地景觀整體呈破碎化加強(qiáng)的萎縮趨勢(shì),景觀的空間分布結(jié)構(gòu)不斷朝破碎化、多樣化、形狀簡(jiǎn)單化的人工化特征突出的方向發(fā)展.這是由于自然濕地景觀呈大斑塊萎縮,小斑塊數(shù)量增多的破碎化加劇的面積萎縮變化.表現(xiàn)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(fā)為以小斑塊、形狀規(guī)整特征突出的人工濕地,主要是水庫(kù)坑塘、蝦蟹田、鹽田和旱地,兩主導(dǎo)咸水濕地景觀的斑塊數(shù)量增長(zhǎng)(翅堿蓬檉柳年均增長(zhǎng)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(fā)為旱地和蝦蟹田,斑塊數(shù)量增長(zhǎng)(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(zhǎng)變化,進(jìn)一步的加劇了區(qū)域濕地景觀的破碎化趨勢(shì).主要體現(xiàn)為水庫(kù)坑塘和蝦蟹田的破碎化擴(kuò)張變化,它們的斑塊數(shù)量、平均斑塊面積和最大斑塊占面積比都呈現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)變化(圖4(d~f)).水庫(kù)坑塘的斑塊數(shù)年均增長(zhǎng)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(dá)到了0.050水平上的顯著上升趨勢(shì).蝦蟹田斑塊數(shù)增長(zhǎng)更為顯著(顯著性水平為0.001),年均增長(zhǎng)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(yōu)勢(shì)特征突出的、空間上連接成片的自然濕地景觀,被開發(fā)為小斑塊特征突出,地塊分割明顯,形狀規(guī)則的水庫(kù)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(yōu)勢(shì)不斷減弱,人工干擾的特征愈來愈顯現(xiàn),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(zhì)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(kuò)張變化,濕地景觀質(zhì)心的年均遷移距離達(dá)到0.30km.該時(shí)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(jìn)為主,呈現(xiàn)出以刁口河流路的淡水濕地的東北向擴(kuò)張變化為主.1985年以后,黃河進(jìn)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(qiáng)而面積萎縮顯著,區(qū)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(dǎo)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(dǎo),整體上由咸水濕地主導(dǎo),這是因?yàn)橄趟疂竦孛娣e占比大,位于河口區(qū)域,對(duì)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(nèi)質(zhì)心向東北方向的年均遷移量只有0.17km),對(duì)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(zhǎng),因所占面積比重仍較小,即使其在整個(gè)時(shí)期呈顯著的北向擴(kuò)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(zhì)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(xiàn)出向東南擴(kuò)張的變化(質(zhì)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(zhì)心遷移距離達(dá)到17.48km,造成這種變化的主要原因是人類的干擾活動(dòng).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(qiáng),水陸交互作用區(qū)向清水溝流路遷移,導(dǎo)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(zhì)心分別向東南方向遷移了9.00和2.24km.泥沙質(zhì)灘涂在黃河徑流攜沙作用下于東南方向有明顯的擴(kuò)張(質(zhì)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(dǎo)致了咸水濕地整體向東南遷移.1985年后,區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、平原水利工程的快速發(fā)展,距離海岸線較遠(yuǎn)的翅堿蓬沼澤和蘆葦檉柳沼澤被開挖(質(zhì)心年均遷移量為1.11和0.62km),使得咸水濕地整體發(fā)生東南向的急劇萎縮變化,咸水濕地質(zhì)心的年平均遷移量為0.56km.潮溝在1973~2016年間亦呈現(xiàn)出明顯的東南向的遷移變化,其質(zhì)心的遷移距離為17.06km,更加劇了研究時(shí)段內(nèi)黃河三角洲咸水濕地整體呈現(xiàn)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(dòng)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(yuǎn)小于咸水濕地(年均遷移量?jī)H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(dǎo)致.草甸沼澤、河漫灘和柳林沼澤占比小,對(duì)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(zhì)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(dòng)的影響,其質(zhì)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(kuò)張的位置變化特征,質(zhì)心向東的遷移量達(dá)到4.57km. 1985年后,黃河徑流量減少[30],加之區(qū)域人口增長(zhǎng)對(duì)糧食需求加劇,造成離內(nèi)陸較近的蘆葦沼澤被開墾為耕地,而東南河口區(qū)域海侵作用的增強(qiáng),又使得蘆葦沼澤被開挖為蝦蟹田,加之徑流減少對(duì)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(shí)段蘆葦沼澤呈東南向萎縮變化,其質(zhì)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(xiàn)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(shí)期人類干擾的類型和強(qiáng)度不同所致.1973~1979年間,以水庫(kù)坑塘向南的萎縮變化主導(dǎo)(質(zhì)心遷移量為15.30km),使得人工濕地質(zhì)心南移4.10km.1979~1992年間,表現(xiàn)為人類開挖水田和水庫(kù)坑塘的東南向擴(kuò)張,雖然蝦蟹田呈向內(nèi)陸的西南向擴(kuò)張變化(質(zhì)心向西南方向移動(dòng)了7.07km),因其面積比重小,不能改變?cè)摃r(shí)段人工濕地的整體東南向遷移變化.1992年到2010年,區(qū)域水庫(kù)建設(shè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展,水庫(kù)坑塘和蝦蟹田向北部和東北部沿海地區(qū)的擴(kuò)張變化突出,質(zhì)心分別向北移動(dòng)了23.91km和8.50km,同時(shí)鹽田也向北擴(kuò)張(質(zhì)心遷移量為11.14km),造成該時(shí)段人工濕地質(zhì)心的北移變化(質(zhì)心遷移量為17.56km).2010年后,水庫(kù)坑塘向西萎縮(質(zhì)心向西遷移3.39km),蝦蟹田則向西北擴(kuò)張(質(zhì)心遷移量11.63km),兩者的共同作用使得該時(shí)段人工濕地整體向西遷移,質(zhì)心向西遷移量為3.06km.整個(gè)研究時(shí)期內(nèi),溝渠和鹽田僅限于黃河沿岸,且其面積小,對(duì)人工濕地整體的空間變化的影響很小,對(duì)其不做進(jìn)一步分析.

4 討論

應(yīng)用人工目視解譯法,建立了精度較高的1973~ 2016年共計(jì)44a的黃河三角洲濕地景觀數(shù)據(jù)庫(kù).該數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了基于Landsat數(shù)據(jù)的15種濕地景觀類型的分類,分類精度足夠高.且與同地區(qū)的現(xiàn)有其它研究相比,時(shí)空分辨率都幾乎是最高的.但該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),提取了15種濕地景觀類型,其中多種濕地景觀類型實(shí)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(shù)據(jù)70m分辨率的精度上,依據(jù)影像特征和其它參考數(shù)據(jù)將它們區(qū)分并提取出來,還是具有一定的誤差,即便經(jīng)驗(yàn)證分類精度達(dá)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(jìn)一步提高本研究數(shù)據(jù)的精度,促進(jìn)該數(shù)據(jù)能更好的應(yīng)用于該地區(qū)的其它研究,不僅應(yīng)該增加樣本的總體采樣數(shù)量,更應(yīng)該著重增加那些自然邊界本身模糊不清的類別的樣本數(shù)量.此外,要得到更高精度的黃河三角洲濕地景觀分類數(shù)據(jù),除依賴Landsat數(shù)據(jù),更應(yīng)該結(jié)合國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星一號(hào)(多光譜16m)和二號(hào)(多光譜4m)數(shù)據(jù)的高空間分辨率優(yōu)勢(shì),采用分類效率更高的面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?當(dāng)然這又將是一個(gè)非常費(fèi)時(shí),但又非常有必要進(jìn)一步開展的工作,也是未來在該地區(qū)應(yīng)該進(jìn)一步開展的研究,即,如何更好地結(jié)合多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),尤其是國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù),建立該地區(qū)精度(時(shí)間和空間)更高的濱海濕地景觀類型空間分布數(shù)據(jù).

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(jié)論,與黃河三角洲濕地景觀分布的實(shí)際狀況及盧曉寧等[30]的前期研究一致.該結(jié)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(jié)論,雖然與實(shí)際狀況也吻合.為更為準(zhǔn)確的揭示黃河三角洲濕地景觀類型的空間分布特征,應(yīng)該針對(duì)河流和海岸線進(jìn)行緩沖區(qū)或距離分析,定量確定各濕地景觀類型相對(duì)淡水水源和咸水水源的空間排列次序,也能更為科學(xué)和客觀的揭示咸、淡水源對(duì)區(qū)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(gè)科學(xué)問題,即隨著黃河改道和海岸線的變遷,該兩大驅(qū)動(dòng)力對(duì)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(xué)問題的研究,可以為黃河三角洲濕地景觀恢復(fù)的咸、淡水源補(bǔ)給提供更為科學(xué)的理論依據(jù).

本研究對(duì)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(zhuǎn)換變化的角度進(jìn)行了解釋,還結(jié)合黃河改道及徑流量變化,和人類活動(dòng)的角度對(duì)原因進(jìn)行了定性的闡述,也成為本研究的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn).但是,這些原因解釋僅停留在現(xiàn)象層面,定性為主,定量不足,更未能夠從自然和人為驅(qū)動(dòng)力的更深的層面上去揭示導(dǎo)致區(qū)域濕地景觀類型面積變化的根本原因.即便在該地區(qū)已有洪佳等[37]通過構(gòu)建濕地化/人工化指數(shù),在區(qū)域和像元尺度上對(duì)黃河三角洲濕地景觀演變的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了定量的揭示.但定量研究的程度還不夠,一方面是驅(qū)動(dòng)力因子分析不夠全面,尤其這一海陸交互作用區(qū),驅(qū)動(dòng)力更為復(fù)雜.在自然因子方面,不僅應(yīng)關(guān)注陸地淡水水源的作用,且更應(yīng)突出海洋的這一咸水水源的作用,而對(duì)咸水水源作用的研究卻是當(dāng)前多數(shù)研究所欠缺的.在人為因子方面,該類地區(qū)人類活動(dòng)劇烈,如何將人類活動(dòng)科學(xué)的定量也是這類地區(qū)開展?jié)竦厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn).

本研究結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的理論,采用常規(guī)的景觀格局指數(shù)分析方法,額外引入信息熵這一指數(shù),創(chuàng)新性的從重點(diǎn)揭示景觀格局指數(shù)演變趨勢(shì)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(shì)的結(jié)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(shù)的研究,只能揭示單一景觀類型的景觀格局指數(shù)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(jī)結(jié)合體,濕地景觀總體所呈現(xiàn)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(jié)果,尤其是相鄰濕地景觀類型之間有機(jī)結(jié)合的體現(xiàn),因此,更應(yīng)該從濕地景觀空間結(jié)構(gòu)的角度,應(yīng)用空間鄰接矩陣對(duì)各濕地景觀的空間鄰接關(guān)系進(jìn)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(tǒng)的空間質(zhì)心模型,計(jì)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(dòng)變化的角度進(jìn)行了定性的揭示,這是本研究相對(duì)于該地區(qū)類似其它研究具有一定創(chuàng)新的地方.但本研究?jī)H從定性的層面揭示濕地空間位置變化的原因,使得結(jié)論的可信性和應(yīng)用的有效性受到一定影響,這就使得未來在該地區(qū)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(qū)域人類活動(dòng)復(fù)雜、相關(guān)有效數(shù)據(jù)較少的限制,未能很好地揭示這一現(xiàn)象背后的原因,這使得在這一地區(qū)開展人類活動(dòng)干擾作用研究更為重要.

5 結(jié)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(zhì)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(nèi)陸方向貫穿整個(gè)咸水濕地景觀.淡水濕地多分布于河流沿岸,并且呈現(xiàn)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(kù)坑塘、蝦蟹田和鹽田多分布于距離海岸線15km以內(nèi)的沿海區(qū)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(xiàn)了海陸交互作用以及黃河水源對(duì)區(qū)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(xiàn)出自然濕地減少,人工濕地增長(zhǎng),總面積下降的變化趨勢(shì),說明人類在黃河三角洲干擾活動(dòng)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(fā)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(kù)坑塘和蝦蟹田及鹽田,而蘆葦檉柳被開墾為旱地導(dǎo)致的.人工濕地的面積擴(kuò)張則體現(xiàn)為人類的水利建設(shè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)開發(fā)和農(nóng)業(yè)發(fā)展等干擾活動(dòng)在該區(qū)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(shì)特征,景觀的分布結(jié)構(gòu)不斷朝破碎化、多樣化,形狀簡(jiǎn)單化的人工化特征突出的方向發(fā)展.以翅堿蓬檉柳沼澤和蘆葦檉柳沼澤為主的優(yōu)勢(shì)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(qiáng)度的開發(fā)為小斑塊特征突出、地塊分割明顯、形狀規(guī)則化的水庫(kù)坑塘、蝦蟹田、鹽田和旱地等人工濕地景觀,區(qū)域自然濕地的優(yōu)勢(shì)不斷減弱,人工干擾的特征愈來愈顯現(xiàn),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(yīng),使得該區(qū)域東北部以海退、陸進(jìn)作用為主,濱海濕地景觀呈現(xiàn)出以永久性河流和蘆葦沼澤為主導(dǎo)的淡水濕地的東北向擴(kuò)張變化.1985年后,黃河經(jīng)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(qū)的海侵作用增強(qiáng),呈現(xiàn)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(duì)區(qū)域濕地整體空間位置變化的影響作用較弱.

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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(huán)境遙感及水文小波分析方面研究.發(fā)表論文40余篇.

2018-04-11

四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(17ZA0075);四川省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2017SZ0169);成都市科技局科技惠民項(xiàng)目(2016-HM01- 00392-SF);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41401103,41471305,41505012)

* 責(zé)任作者, 副教授, lxn@cuit.edu.cn