趙曉東 彭 楊

(華北電力大學(xué)水利與水電工程學(xué)院，北京 102206)

白洋淀是華北平原最大、最典型的淡水淺湖型濕地，對(duì)維持華北地區(qū)生態(tài)平衡和保持生物多樣性具有不可替代的作用(張素珍等, 2007)。近年來(lái)，華北地區(qū)氣候干暖、降水減少，區(qū)域用水量不斷增加，干淀現(xiàn)象多次發(fā)生(劉春蘭等, 2007)，同時(shí)還面臨著水質(zhì)惡化和生物多樣性減少等問(wèn)題(溫志廣,2003)。因此，理清白洋淀濕地景觀特征，對(duì)改善白洋淀生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)濕地生態(tài)功能具有重要意義。

目前白洋淀濕地景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)因子已成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，學(xué)者們采用不同解譯方法和分類體系，得到不同時(shí)期的土地覆被變化和景觀格局動(dòng)態(tài)特征，并分析了降水量、水位變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及政策因素等驅(qū)動(dòng)因子的影響(朱金峰等,2019; 莊長(zhǎng)偉等, 2011; 白紅軍等, 2013; 楊苗等, 2020)。此外，在入淀水量(楊春霄, 2010)、浮游植物群落結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律(李娜等, 2020)、面臨的生態(tài)問(wèn)題等方面(高彥春等, 2009)也開展了相關(guān)研究，為我們深入認(rèn)識(shí)白洋淀濕地生態(tài)環(huán)境變化提供了參考。由于遙感影像選取時(shí)間、濕地分類系統(tǒng)和解譯方法等方面存在差異，一定程度上會(huì)造成白洋淀濕地景觀格局變化研究的不確定性，如在解譯方法上主要采用人工目視解譯和監(jiān)督分類等方法。由于濕地景觀內(nèi)部異質(zhì)較大，遙感影像一般存在光譜混淆與混合像元問(wèn)題，采用基于像元的監(jiān)督分類方法容易使結(jié)果產(chǎn)生“椒鹽效應(yīng)”。高分辨率影像解譯中常用的面向?qū)ο蠼庾g方法，由于其綜合考慮光譜、紋理、形狀等特征，也適用于中低分辨率的濕地景觀遙感分類(莫利江等，2012)。

本研究利用Landsat衛(wèi)星遙感影像分析1988—2018年白洋淀濕地景觀類型和景觀格局的變化特征，以期為白洋淀濕地景觀規(guī)劃管理、生態(tài)保護(hù)和退耕還淀工程等濕地修復(fù)工作提供空間信息支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀 (115°45′～116°08′ E，38°44′～38°59′ N)地處京津冀腹地(圖1)，位于河北省雄安新區(qū)中部，屬大清河南支水系中游。白洋淀由143個(gè)相互聯(lián)系的大小淀泊和3 700多條溝壕組成，地貌景觀以水體為主，淀底西高東低，海拔5.5～6.5 m(大沽高程)，主要有白溝引河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝義河和潴龍河8條入淀河流，且多數(shù)為季節(jié)性河流，干枯斷流的情況常年發(fā)生(賈毅, 1992)。該區(qū)域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候特征，年平均氣溫12.1 ℃，年平均降水量563.9 mm，年平均蒸發(fā)量1 369 mm，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，同時(shí)季節(jié)降水分配不均，80%的降水量集中在夏季(張趕年等,2013)。河流水源補(bǔ)給不充足，加上季風(fēng)氣候的影響，造成了白洋淀頻繁的干淀問(wèn)題。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 location of the study area

1.2 野外考察

收集白洋淀濕地歷史影像和保護(hù)規(guī)劃圖等資料，結(jié)合走訪堤壩確定白洋淀濕地范圍與邊界(圖1中紅線所示)；然后利用高分辨率的Google影像在研究區(qū)進(jìn)行樣地初選，明確濕地水體、沼澤、灘地及非濕地景觀的地表覆被和空間分布特征，建立相應(yīng)的影像解譯標(biāo)志，為后期景觀分類體系的建立和影像解譯工作奠定基礎(chǔ)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

遵循空間分辨率一致、云量稀少、季節(jié)相似、年份間隔相近原則，選取白洋淀1988年的TM影像、2000年的ETM影像和2013年、2018年的OLI影像進(jìn)行分析(表1)。

表1 衛(wèi)星遙感影像信息Table 1 information of satellite remote sensing images

1.4 解譯方法

首先將遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、影像裁剪等預(yù)處理，確立解譯標(biāo)志。采用基于樣本的面向?qū)ο蠼庾g法(鄔建國(guó)等, 2007)與目視解譯相結(jié)合的方法在ENVI5.3中對(duì)不同年份下的遙感影像進(jìn)行專題解譯。根據(jù)野外考察情況對(duì)遙感影像解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、編輯，獲取濕地專題解譯數(shù)據(jù)。在ArcGIS10.2和ENVI5.3軟件中對(duì)解譯的濕地專題數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，獲得相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)信息。

1.5 研究區(qū)景觀類型分類

根據(jù)野外考察結(jié)果并綜合考慮濕地的水文、生態(tài)及人類活動(dòng)的影響(閆欣等, 2019; Lewis et al, 1981; Pan et al, 1999)，將白洋淀區(qū)域景觀類型分為濕地和非濕地2個(gè)一級(jí)地類，其中濕地包含水體、沼澤、灘地3個(gè)二級(jí)地類，水體包含河流、湖泊和庫(kù)塘3個(gè)三級(jí)地類。非濕地包含建設(shè)用地、耕地、林地3個(gè)二級(jí)地類，一共將白洋淀區(qū)域分為河流、湖泊、庫(kù)塘、沼澤、灘地、建設(shè)用地、耕地和林地8個(gè)景觀類型。

1.6 景觀格局指數(shù)分析

采用Fragstats 4.2計(jì)算景觀格局指數(shù)，在類型水平上選取最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊密度(PD)、平均斑塊分維數(shù)(MPFD)和聚集度指數(shù)(AI)，分別表示斑塊面積、破碎程度、形狀、聚集性方面的變化特征。在景觀水平上，選取LPI、PD、MPFD、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)以及表征濕地景觀鑲嵌體特征的均勻性指數(shù)(SIEI)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(LDI)和蔓延度指數(shù)(CONTAG)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀類型變化特征

2.1.1 景觀類型分布由圖2和表2可見(jiàn)，白洋淀總面積為366.15 km2，1988—2018年白洋淀濕地類型面積共減少57.91 km2，不同時(shí)期濕地類型分布特征如下：

圖2 不同時(shí)期白洋淀濕地各景觀類型空間分布Fig.2 Spatial distribution of landscape types in Baiyangdian wetland at different times

(1) 1988年白洋淀濕地類型面積占淀區(qū)總面積的84.3%，其中湖泊面積最大(105.95 km2)，主要分布在白洋淀淀區(qū)中心、馬棚淀及馬棚淀以南部分區(qū)域。非濕地類型為57.50 km2，主要為耕地，面積為44.11 km2，集中分布在趙北口鎮(zhèn)以東及北部附近(圖2a)。

(2) 2000年濕地類型面積較1988年減少了61.94 km2，沼澤成為主要濕地類型，分布在西部藻苲淀、端村鎮(zhèn)以南以及中部光淀村附近，面積為174.37 km2。非濕地類型中，馬棚淀附近大面積的湖泊濕地轉(zhuǎn)化為耕地，耕地面積增大到79.03 km2(圖2b)。

表2 1988—2018年白洋淀濕地景觀類型面積變化Table 2 Area changes of landscape types in Baiyangdian wetland during 1988—2018

(3) 2013年濕地類型面積較2000年進(jìn)一步減少8.51 km2，沼澤和灘地成為主要濕地類型，面積分別為92.66 km2和81.60 km2。非濕地類型中，由于西部藻苲淀附近大面積的開墾農(nóng)耕以及馬棚淀附近耕地的擴(kuò)張，耕地面積增加到89.73 km2，形成了馬棚淀、趙北口鎮(zhèn)以東和藻苲淀三片集中分布的耕地景觀特征(圖2c)。

(4) 2018年白洋淀濕地類型面積較2013年增加12.54 km2，主要分布在中部和北部地區(qū)，灘地成為最大的濕地類型，面積為122.42 km2。非濕地類型仍以耕地為主，由于藻苲淀的部分耕地轉(zhuǎn)化為灘地和庫(kù)塘，耕地面積較2013年略有下降(圖2d)。

2.1.2 景觀類型轉(zhuǎn)變利用ENVI 5.3軟件對(duì)分類后的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到1988—2018年白洋淀濕地景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣(表3)和動(dòng)態(tài)圖(圖3)，定量分析白洋淀濕地景觀類型動(dòng)態(tài)變化特征。

表3 1988—2018年白洋淀濕地各景觀要素面積變化轉(zhuǎn)移矩陣 km2Table 3 Matrix of area transformation of landscape types in Baiyangdian wetland during 1988—2018 km2

由表3可見(jiàn)，1988—2018年白洋淀淀區(qū)濕地與非濕地之間轉(zhuǎn)換較為明顯，有73.42 km2濕地轉(zhuǎn)換為非濕地，主要是湖泊、灘地和沼澤向耕地轉(zhuǎn)換了57.25 km2，分布在南部馬棚淀和西部藻苲淀的邊緣區(qū)域(圖3)；非濕地轉(zhuǎn)換為濕地的面積為15.50 km2，分別有12.92 km2的耕地、1.69 km2的建設(shè)用地和0.89 km2的林地轉(zhuǎn)換為濕地，主要分布在淀區(qū)東部地區(qū)(圖3)；濕地面積凈減少57.92 km2。不同濕地類型之間相互轉(zhuǎn)換是淀區(qū)景觀類型轉(zhuǎn)移的主要形式，共轉(zhuǎn)化150.48 km2，其中轉(zhuǎn)化為灘地的面積最大，為69.36 km2，以沼澤向?yàn)┑氐霓D(zhuǎn)化為主，主要分布在淀區(qū)中部、北部燒車淀以及西部藻苲淀區(qū)域(圖3)

圖3 1988—2018年白洋淀濕地景觀類型動(dòng)態(tài)Fig.3 spatial pattern of landscape type changes of Baiyangdian wetland during 1988—2018

2.2 景觀格局變化

2.2.1 景觀水平上的格局變化由表4可見(jiàn)，白洋淀濕地系統(tǒng)的斑塊個(gè)數(shù)(NP)從1988年的1 784個(gè)增加到2013年的2 779個(gè)，至2018年又減至2 582個(gè) ；同時(shí)斑塊密度(PD)也表現(xiàn)出與NP相似的變化趨勢(shì)，這表明白洋淀濕地系統(tǒng)的景觀破碎化程度呈先增加后減小的趨勢(shì)。最大斑塊指數(shù)(LPI)在1988年和2000年對(duì)應(yīng)的是沼澤類型，2013年和2018年對(duì)應(yīng)的是耕地類型，說(shuō)明沼澤是1988年和2000年最占優(yōu)勢(shì)的景觀類型，之后在2013年和2018年變?yōu)楦?。平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)和平均斑塊分維數(shù)(MPFD)變化趨勢(shì)一致，均從1988年開始減少至2013年后開始增加，先稍變規(guī)則后又稍變復(fù)雜，這也印證了景觀破碎化程度的先增加后減小的變化趨勢(shì)。均勻性指數(shù)(SIEI)和多樣性指數(shù)(SHDI)變化趨勢(shì)一致，整體上略有增加，最大值都出現(xiàn)在2013年，表明2013年景觀豐富度最大，各景觀類型所占比例最均衡。優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(LDI)與多樣性指數(shù)(SHDI)變化趨勢(shì)相反，整體上呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明區(qū)域中占優(yōu)勢(shì)的景觀類型支配景觀鑲嵌體的作用減小。蔓延度指數(shù)(CONTAG)整體上呈減小趨勢(shì)，表明景觀中占優(yōu)勢(shì)的斑塊類型的連通性減弱，小斑塊比例增加。

2.2.2 景觀類型水平上的格局變化1988—2018年期間沼澤、湖泊、灘地和耕地的最大斑塊指數(shù)(LPI)明顯大于其他類型，是淀區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型。其中沼澤和湖泊的LPI大幅減小，表明大面積集中分布的沼澤和湖泊濕地景觀已基本消失(圖4a)。除沼澤和林地外，其他6種景觀的斑塊密度(PD)均增大，呈破碎化趨勢(shì)(圖4b)。2018年的河流、2013年的沼澤以及1988年和2013年湖泊的平均斑塊分維數(shù)(MPFD)明顯大于其他類型，景觀形狀相對(duì)復(fù)雜；河流和建設(shè)用地的MPFD持續(xù)增長(zhǎng)，景觀形狀趨于復(fù)雜；耕地和庫(kù)塘的MPFD持續(xù)減小，景觀形狀趨于規(guī)則；林地的MPFD在這4年里一直保持最低，是形狀最規(guī)則的景觀類型(圖4c)。沼澤、湖泊和耕地各年的聚集度指數(shù)(AI)均在90以上，斑塊連接程度較好，破碎化程度較低；建設(shè)用地的AI值呈增加趨勢(shì)；林地的AI值變化劇烈(圖4d)。

表4 1988—2018年白洋淀濕地景觀水平上景觀格局指數(shù)Table 4 landscape level indices of Baiyangdian wetland at the scale of landscape from 1988 to 2018

圖4 1988—2018年白洋淀濕地類型水平上景觀格局指數(shù)變化Fig.4 Changes in landscape pattern indices of Baiyangdian wetland at the scale of type from 1988 to 2018

3 結(jié)論

(1) 1988—2018年，沼澤向?yàn)┑睾透?、湖泊向沼澤、灘地和耕地發(fā)生大面積轉(zhuǎn)換，濕地景觀面積占比下降了15.8%，灘地替代湖泊成為面積最大的濕地類型，反映了白洋淀干淀現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，濕地生態(tài)受到較大程度破壞。耕地景觀面積增加最多，占比從12%增加到25%，馬棚淀、藻苲淀等區(qū)域農(nóng)田開墾是景觀變化的重要因素，是白洋淀退耕還淀工程的重點(diǎn)區(qū)域。

(2)耕地的最大斑塊指數(shù)持續(xù)增加，沼澤和湖泊的最大斑塊指數(shù)大幅減小，大面積集中分布的沼澤和湖泊景觀消失。除沼澤和林地外，其他6種景觀類型的破碎化程度增加；河流和建設(shè)用地的景觀形狀復(fù)雜性增加，耕地和庫(kù)塘的景觀形狀逐漸趨于簡(jiǎn)單；沼澤、灘地和耕地的聚集度走勢(shì)平穩(wěn)，建設(shè)用地的聚集度呈增加趨勢(shì)。1988—2018年淀區(qū)景觀破碎化程度和多樣性呈增加趨勢(shì)，景觀形狀變化微弱，各景觀類型面積趨于均衡，優(yōu)勢(shì)景觀類型的連通性減弱，對(duì)整個(gè)景觀鑲嵌體的控制作用減小，景觀異質(zhì)性增加。