基于RS和GIS對龍鳳濕地自然保護區景觀格局變化特征定量分析1)

胡遠東

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

達良俊

(華東師范大學)

許大為

(東北林業大學)

繆 丹

(大慶市規劃建筑設計研究院)

馬 琳 祝 寧

(東北林業大學)

景觀空間格局是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列，它是景觀異質性的重要表現，又是各種生態過程在不同尺度上相互作用的結果，屬于生命組建的一種宏觀分異性狀［1－2］。景觀格局及其動態變化分析是景觀生態學的核心內容之一，通過景觀格局及其動態變化的研究可以準確把握景觀結構和功能的變化情況［3－4］。近年來，景觀格局及其動態變化分析成為景觀生態學的研究熱點和重要研究領域［5－6］，大多集中在城市、綠地、天然森林、自然濕地等領域［7－10］，而針對城市濕地景觀格局變化的研究報道較少。城市濕地作為城市景觀資源和城市生態系統的重要組成部分，不僅具有重要社會經濟價值和生態系統服務價值，更具有無與倫比的美學價值。研究其景觀格局及其動態變化，對城市濕地資源的可持續利用具有重要意義。龍鳳濕地自然保護區(以下簡稱“龍鳳濕地”)作為我國目前最大的“城中濕地”，對大慶市及周邊地區生態安全的維護及生物多樣性保護具有重大的戰略意義，目前學術界對其已有的研究較少，且大多屬于定性分析。因此，筆者結合3S技術與景觀生態學方法，定量化研究龍鳳濕地及周邊(1 km范圍內)近30 a以來景觀格局的演化規律及特征，為進一步探討其驅動機制以及恢復破壞的濕地生態環境、保護生物多樣性和維持區域生態安全提供科學的依據。

1 研究區域概況

龍鳳濕地位于黑龍江省大慶市東城區，于2003年正式成為省級自然保護區，距市中心5 km，屬于典型城市濕地。地理位置為東經 124°15'～ 125°07'，北緯 46°28'～ 46°33'，總面積6 211 hm2。龍鳳濕地是集生物多樣性保護、科學研究、宣傳教育、生態旅游等多功能于一體的綜合性自然保護區，整個濕地自然保護區對調節當地氣候和維護區域生態安全具有不可替代的作用。龍鳳濕地自然保護區地勢低洼平坦，區內泡沼相間，自然坡降小于1/1 000。地質構造是由第四紀河湖沖積、洪積和沉積相連續的一級階地，主要是由嫩江、烏裕爾河和雙陽河沖積形成的平原地形。保護區地處中緯度地帶，屬溫帶大陸性季風氣候區，四季明顯，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。四季溫差較大，年平均氣溫4.5℃，年平均降水量373.4 mm，年蒸發量960.7 mm，蒸發量遠大于降水量。

考慮到城市化過程對龍鳳濕地保護區的影響，同時由于景觀生態格局具有強烈的尺度效應，本文選取的研究區域的范圍在濕地保護區原劃定的邊界范圍基礎上，向外平均擴展1 km。

2 研究方法

2.1 數據來源與獲取

研究選取的遙感數據源為覆蓋龍鳳濕地自然保護區的1979、1989、2001、2008 年 4 期 Landsat衛星影像數據，影像時相均集中于7～9月份;同時選用研究區域相近時期的濕地資源分布圖、土地利用矢量圖和柵格圖、1∶10 000地形圖、土地利用現狀圖和行政區劃圖等資料輔助遙感信息的解譯。

2.2 遙感影像預處理與信息提取

應用ERDAS IMAGINE9.2遙感影像處理系統，對研究區域1979、1989、2001、2008年4個時期的衛星遙感影像進行處理，獲取相應年份的土地利用/土地覆被數據。在利用原始遙感影像監測龍鳳濕地動態變化之前，對原始影像進行預處理，包括投影變換、坐標轉換、幾何校正、去噪、波段合成、輻射校正、直方匹配和裁剪等步驟預處理之后，對影像進行增強處理，提高判讀性。最后結合研究區域的地形圖、航片、水文專題圖、土地利用現狀圖等資料以及GPS野外調查數據對研究區域的土地覆被信息進行人工解譯。為了提高數據的準確性，采用多次、多重的人機交互解譯，并對判讀精度進行評判。本次解譯結果通過75個樣點與地類點的檢查，共有64個外業點與分類結果相符，相符率達到85%，與實地不符的分類根據實際調查的外業調查資料進行人工目視糾錯。

2.3 景觀類型分類

限于原始遙感影像的分辨率相對較低，在考慮獲取土地覆被信息的前提下，土地利用分類力求簡單且滿足研究的需要。根據龍鳳濕地保護區及其周邊土地覆被特點，景觀的分類標準參照我國通用的《土地利用現狀調查技術規程》的土地用途、利用方式、覆蓋特征等因素，將龍鳳濕地保護區景觀類型歸結為8類:沼澤地(主要生長濕生植物的土地)、水體(主要是自然水域)、城市建設用地、農田、草地、林地(包括自然林和人工林)、魚塘和裸地(包括沙地、鹽堿地和未利用土地等)。

2.4 景觀空間格局的分析方法及指數提取

根據土地利用的屬性數據獲得1979、1989、2001、2008年的土地覆被數據，并分析研究區域景觀格局的動態變化和景觀成分的轉移過程。同時將IMG格式的文件轉換成GRID格式的數據，利用 FRAGSTATS3.3軟件計算景觀格局指數［12－13］。

景觀格局動態變化研究普遍采用景觀格局指數。景觀格局指數不但可以比較不同景觀類型之間結構特征上的差異，而且還可以用來定量描述和監測空間結構隨時間的變化［14－18］。考慮到自然景觀的復雜性、景觀指數本身的缺陷以及前人的研究成果，本文對龍鳳濕地保護區景觀格局進行分析時，主要從斑塊級別、類型級別、景觀級別3個層次選取指標來研究龍鳳濕地保護區的景觀格局特征，選取的指數包括:斑塊數量(NP)、斑塊總面積(CA)、斑塊面積比(PL，A，N，D)、斑塊密度(PD)、邊界密度(ED)、最大斑塊指數(LP，I))、景觀形狀指數(LS，I)、多樣性指數(SH，D，I)、優勢度(DI)、面積—周長比分維數(PA，F，D)等指數來分析研究區域景觀的空間格局及動態變化特征。

3 結果與分析

3.1 景觀格局現狀

根據1979、1989、2001、2008年的遙感數據，在 GIS軟件支持下獲取了研究區域近30a以來各類型景觀斑塊組成及變化情況(表1)，以及4 個不同時期(1979、1989、2001、2008 年)的景觀斑塊類型分類圖(圖1)。

表1 研究區域1979、1989、2001、2008年各類型景觀斑塊組成及變化 hm2

圖1 龍鳳濕地保護區1979、1989、2001、2008年景觀斑塊類型分類

從解譯結果(圖1、表1)可以看出:沼澤地是龍鳳濕地保護區內的主要土地覆被類型，目前所占面積最大，達到4 311 hm2;林地面積相對很少，僅為29 hm2，且多數為人工林;另外，裸地面積近年來呈增加趨勢，且所占面積較大，2008年達到1 710 hm2。隨著城市化進程的加快，龍鳳濕地及周邊區域的土地利用/土地覆被類型發生了顯著變化。近30 a來，城市建設用地面積增加1 293 hm2，而沼澤地等自然生態用地面積大幅減少，30 a間沼澤地減少2 270 hm2，這主要與圍墾養殖、城市建設用地擴張和環境污染有關。1989年以后，還出現了魚塘這一新的斑塊類型，部分水域被分割成大大小小的圍堰作為養殖業基地。未來，隨著大慶“東移北擴”城市發展戰略的加快實施、城市建設用地的進一步擴張，整個濕地生態系統將面臨更大的壓力和威脅。

3.2 各個景觀要素變化特征

表2主要反映龍鳳濕地保護區各個景觀斑塊類型變化特征。

表2 1979、1989、2001、2008年龍鳳濕地保護區景觀斑塊類型特征值

3.2.1 景觀斑塊特征

從表2可以看出，1979年，各景觀組分擁有斑塊數(NP)最多的為裸地，302個，其次為城市建設用地，217個，最小為水體(域)，19個，分布很不均勻，差異非常明顯。1989年，各景觀組分擁有的斑塊數分布也很不均勻，其中林地斑塊數位居第一位，為505個，其次為城市建設用地，431個，最少為魚塘(新增景觀類型)，37個，差異逐步明顯。2001年，各景觀組分擁有的斑塊數最多的為水體(域)，802個，城市建設用地仍位居第二位，斑塊數為771個，魚塘仍為斑塊數量最少(41個)的景觀類型。2008年，斑塊數量最多的景觀組分為城市建設用地，其次為裸地，433個，最少的仍為魚塘，34個。

景觀斑塊密度反映景觀整體斑塊分化程度，斑塊密度越高，表明一定面積上異質景觀要素斑塊數量多，斑塊規模小，景觀異質性越高。當斑塊密度按景觀要素類型分別統計時，通過比較分析可以說明不同景觀要素在景觀空間結構中的作用和特點。1979年，斑塊密度最大的為城市建設用地。到2001年，水體(域)的斑塊密度上升為最大，且上升幅度也很大，說明其破碎程度增強，受到人類干擾程度較大，這種斑塊破碎、分散的格局，使它們的邊緣效應也相對較強，具有較強的輻射作用。到2008年，城市建設用地的斑塊密度升為第一位，說明大慶“東移北擴”的城市發展戰略的實施進程不斷加快，城市道路和其它基礎設施的建設對保護區內及周邊的濕地、林地和草地等自然資源的“侵占”和“滲透”也逐步加快，由于濕地植被等自然資源破壞程度進一步加快，龍鳳濕地保護區面臨的生態壓力逐步加大。

3.2.2 景觀斑塊形狀特征及形狀指數

景觀類型的邊界密度(ED)是指景觀類型周長與類型面積的比例，是一個景觀類型單位面積所擁有周長的度量。單位面積上的周長值越大，景觀類型被邊界分割的程度越高;反之，景觀類型保存完好、連通性高。因此，該指標在一定程度上反映了景觀類型的破碎化程度［17］。

從表3可以看出:1979年和2001年邊界密度最高者為裸地，1989年和2008年邊界密度最高者為城市建設用地。根據4個時期的邊界密度變化特征，可認為城市建設用地和裸地對整個景觀格局變化的影響程度最高。

景觀形狀指數(LS，I)反映景觀斑塊的復雜程度，指數數值越大，斑塊形狀越復雜。從解譯結果來看，1979、1989、2001、2008年4個不同時期的形狀指數最大的景觀類型依次為裸地、林地、水體、城市建設用地。另外，從不同時期的排序來看，各景觀類型形狀指數均有升高，說明大部分景觀類型均趨于復雜化。

3.3 景觀動態變化總體特征

選取斑塊總數、多樣性指數、優勢度和面積—周長比分維數等指數，對研究區域1979、1989、2001和2008年各時期的景觀格局進行定量分析，具體結果見表3。

表3 1979、1989、2001、2008年研究區域景觀格局總體特征值

3.3.1 斑塊總數變化特征

從整個研究區域斑塊總數的變化來看，近30 a來，斑塊總數整體呈上升趨勢(由1979年的938個增加到2008年的2 341個)，造成了研究區域景觀的破碎化程度不斷加劇。這主要與研究區域內人為干擾活動(污水不達標排放、地下水過度開采、發展養殖和旅游開發)不斷增強相關。但2001年以后斑塊數目有下降的趨勢，這與近年來當地政府建立濕地保護區、加強保護區管護以及實施水系整理、土地治理和植被恢復等生態工程有關。

3.3.2 景觀多樣性特征

景觀類型多樣性常用多樣性指數(SH，D，I)和優勢度(DI)來測定。由表3可以看出，1979、1989、2001、2008年4個不同時期的景觀多樣性指數依次呈上升趨勢，但變化幅度不大。景觀多樣性的增加是由于土地利用越來越豐富所致。由于景觀多樣性的增加，龍鳳濕地保護區的景觀優勢度從1979年的0.85減少到2008年的0.38，這意味著研究區域景觀多樣性增加，優勢度減小。景觀類型趨于多樣性、均勻性發展，主要是由于人類活動干擾程度的增加，導致了景觀破碎化程度加劇，使景觀穩定性降低。

3.3.3 景觀形狀特征

面積—周長比分維數(PA，F，D)主要是定量描述景觀類型的復雜程度，其中周長—面積比分維數值越大，景觀形狀越復雜。由表3可以看出，1979、1989、2001、2008年4個不同時期的PA，F，D值都很接近，但基本處于上升趨勢，景觀形狀也逐步趨于復雜。

3.4 不同時段景觀轉移過程及貢獻面積

在GIS技術的支持下，對研究區域不同時段(1979—1989、1989—2001、2001—2008年)的土地利用/土地覆被變化圖進行疊加，得到了龍鳳濕地保護區4個不同時期之間不同景觀組分的轉移過程及貢獻面積(表4、表5、表6)。

表4 1979—1989年研究區域景觀轉移過程及貢獻面積 hm2

表5 1989年—2001年研究區域景觀轉移過程及貢獻面積hm2

表6 2001—2008年研究區域景觀轉移過程及貢獻面積 hm2

從單一土地覆被物的轉移過程來看，近30 a來沼澤地向城市建設用地轉移的貢獻率最大，表明城市化過程是造成沼澤地萎縮、濕地植被減少、濕地功能退化的主要原因，同時，城市建設用地的開發和建設，也相應地使污染物排放量增加，加速了濕地萎縮和退化。從景觀變化的結果來看，近30 a來龍鳳濕地保護區及周邊區域的土地利用方式變化顯著，城市建設用地大幅增加，沼澤地、林地等自然資源類型逐年減少，濕地生態安全面臨嚴重威脅。

4 結論與討論

景觀格局演變研究表明，自1979年以來，研究區域的主要斑塊類型，即體現龍鳳濕地主要生境特點的沼澤濕地的斑塊面積不斷減少，斑塊數量大幅度增加，生境破碎化嚴重;而作為人為干擾活動的主要形式——城市擴張過程，造成了城市建設用地斑塊面積和數量急劇增加;另外，對整個景觀格局變化影響程度較高的斑塊類型——裸地，其斑塊面積仍然較大，斑塊數量也呈增加趨勢。

研究區域1979、1989、2001、2008年4個不同時期土地利用/土地覆被的變化，導致龍鳳濕地整體生態環境質量下降、生境破碎化嚴重。尤其從沼澤地、城市建設用地和裸地等單一土地覆被物的變化結果和轉移過程來看，城市建設用地的不斷擴張，是造成研究區域沼澤地面積減少和整體景觀破碎化的主要驅動因素。

另外，環境污染也是導致龍鳳濕地保護區格局變化不可忽視的因素:工業廢水、生活廢水、農藥、化肥及石油類等污染物大量排入濕地，據目前調查分析，目前龍鳳濕地保護區內的水質屬于劣 V 類［18］，部分指標嚴重超標［18－19］，長期的排污導致濕地生物多樣性減少、濕地面積銳減、生態功能嚴重退化。

龍鳳濕地自然保護區地處大慶市東城區，隨著大慶城市“東移北擴”發展戰略的調整，東部城市的急劇擴張導致龍鳳濕地保護區呈“孤島”形式鑲嵌在快速城市化區域中。因此，有關部門應該切實加強龍鳳濕地資源的保護、加快受損濕地的生態恢復、嚴格控制各類污染物的排放。

以遙感影像作為基本信息源，運用地理信息系統技術，利用不同時期遙感影像的比較，研究景觀空間格局及其動態變化特征，可以快速地獲取景觀動態變化的相關信息，為濕地資源的科學管理、保護與可持續利用提供了科學輔助決策支持，并已經成為景觀生態學領域中一種比較有效的研究方法［4，20－21］。但值得注意的是，針對同一研究區域進行景觀格局及動態變化分析時，應盡量選用分辨率相同、拍攝時段比較接近的遙感影像，以有利于提高遙感影像解譯判讀的準確性和研究結果的精確性。本文在研究過程中，就遇到了類似問題，所利用的4期遙感影像分別為MSS、TM、ETM和ETM+影像，4期分辨率也不完全相同，研究結果必然存在一定的誤差，但不影響到龍鳳濕地保護區景觀格局動態變化的總體趨勢。隨著遙感技術的發展，遙感影像的分辨率在不斷提高，如何消除或降低由于影像拍攝時段不同或分辨率不同造成的研究結果誤差，也是未來需要進一步深入研究和探討的問題。

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