灘涂圍墾對東臺海岸帶景觀格局影響研究

楊曉玲, 沈永明

(1. 南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 210046; 2. 南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 210046)

灘涂圍墾對東臺海岸帶景觀格局影響研究

楊曉玲1, 沈永明2

(1. 南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 210046; 2. 南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 210046)

借助遙感和GIS技術, 通過景觀格局指數的計算, 來分析圍墾對東臺海岸帶景觀格局的影響。研究發現, 1995～2006年間, 圍墾區海岸帶景觀破碎化程度減弱, 斑塊形狀的多樣性和復雜性程度降低,景觀格局態勢朝單一化方向發展, 景觀異質性在整體上有減弱的趨勢。然而, 在空間上景觀格局的變化又有異于整體。主要表現為：農業區破碎化程度減弱, 斑塊形狀簡單化, 景觀格局朝均衡化分布; 笆斗區破碎化程度加劇, 斑塊形狀復雜化, 優勢斑塊堿篷被耕地替代; 三倉區破碎化程度加劇, 斑塊形狀趨于復雜, 由灘地、堿篷為主的景觀格局演變成灘地、耕地、堿篷比重勢均的格局。總之, 圍墾區內自然景觀的破碎度增強, 各斑塊類型的形狀日漸復雜, 景觀空間結構趨于復雜化。

圍墾; 海岸灘涂; 景觀格局; 景觀指數

海岸灘涂是江蘇海岸最重要的自然資源之一,也是海岸濕地的重要組成部分[1]。江蘇海岸歷史上就是人類活動頻繁的地區, 灘涂圍墾則是人類利用鹽沼濕地資源最主要也是最廣泛的方式[2]。近些年, 隨著社會經濟的發展和對土地的迫切需求, 圍墾速度加快, 使鹽沼濕地面積越來越少[3], 不僅削弱了其對海岸的防御功能, 還改變了自然海岸格局, 對海岸系統產生強烈擾動, 造成新的不平衡[4], 并對海岸環境產生了一系列不可逆轉的影響[5-7]。主要表現在：對水動力環境的影響[8]、對營養物質循環的影響[9]、對潮灘生態環境演替的影響[10]、對土壤粒徑分布[11]等的影響。因此, 圍墾開發造成的環境影響研究, 是進行海岸帶生態建設最基礎的研究和前提。

景觀格局是指景觀組成單元的類型、數目以及空間分布與配置[12]。景觀格局及其變化與發展是自然、生物和社會要素長期相互作用的結果, 一切自然營力及人類活動都將引起景觀格局的變化[13-14]。因此, 對某區域景觀空間格局的研究, 是揭示該區域生態狀況及空間變異特征的有效手段, 通過定量分析景觀空間格局的特征指數, 可以從宏觀角度給出區域生態環境狀況。本文擬以東臺海岸灘涂為例, 選取1995年和2006年兩景TM影像作為數據源(空間分辨率為30 m), 從空間和時間尺度上來研究圍墾引起的海岸帶景觀格局變化的強度和方向, 旨在了解該區生態環境狀況, 為海岸帶生態建設提供重要的科學依據。

1 研究區概況

東臺市位于江蘇省中部地區, 32°33′～32°57′N,120°07′～120°53′E 之間。東臨黃海, 處于泰州、揚州、南通、鹽城四市交界處。東臺市境地形總體比較平坦, 但也微有起伏, 大部分地區在 2.6～4.6 m 之間,少數地區最高達 5.1 m, 最低為 1.4 m, 形成南高北低、東高西低的地貌。東臺屬北亞熱帶海洋性氣候,四季分明, 日照充分, 雨量充沛, 年平均降雨量1 044 mm平均氣溫15.6 ℃, 年日照2 209 h。境內屬長江中下游沖積平原, 土質偏沙, 土壤有機質含量為1.4%。東臺市擁有85 km海岸線, 灘涂資源豐富,灘涂面積10.4萬hm2, 占全省的1/5多, 另有東沙、蔣家沙等岸外輻射沙州13萬hm2多。

本文研究區范圍界定為：以三倉河、東臺河為南、北界限, 新海堤公路為西界, TM 影像所能覆蓋的陸地區域邊界為東界。但是, 與1995年TM影像相比, 2006年的海岸灘涂已經發生了明顯的變化。因此, 為了確保兩期影像研究區范圍的一致性, 本文將研究區范圍稍微擴大形成一個規則的矩形區域,南北方向在 32°5′32.33″～32°6′53.45″N 之間, 東西方向在 120°0′32.43″～120°6′54.95″E 之間, 總面積是54151.56 hm2(圖1)。

為便于分析, 將研究區分為農業區、笆斗區和三倉區。農業區是1995年之前圍墾的區域, 因主要以種植業為主, 稱之為農業區; 笆斗區內主要是 1996年圍墾的笆斗墾區和2005年圍墾的笆東墾區。笆斗墾區2 800 hm2, 主要以種植業和林業為主。笆東墾區1 000 hm2主要以水產和養殖業為主; 三倉墾區包括1996～1997年圍墾的三倉片墾區以及 2004～2005年圍墾的倉東墾區。三倉墾區3 447 hm2, 以種植業和水產養殖為主。倉東墾區2400 hm2, 主要以養殖和風力發電為主。

圖1 研究區位置與分區Fig. 1 Location of the study area and its subareas

2 研究方法

2.1 圖像處理

選取 TM5(R)、TM4(G)、TM3(B)三個波段進行假彩色合成, 該組合反映較多的地物信息, 且色調的配置符合人眼主觀視覺的心理平衡。選取30個均勻分布的控制點, 采用二次多項式校正函數, 對圖像進行幾何校正, 控制點校正時的均方根誤差最大為 0.4187。然后采用不改變象元亮度值的最鄰近內插法進行重采樣, 并對圖像進行二次線性拉伸做增強處理。

2.2 圖像分類

以2006年TM影像作為底圖, 繪制出笆斗感興趣區和三倉感興趣區, 然后對影像進行掩膜處理,形成3幅大小相同的圖像, 分別為笆斗區圖、三倉區圖、農業區圖。用相同的感興趣區, 對 1995年 TM影像也做同樣的處理。結合當地的土地利用狀況, 根據遙感影像的色調、灰度、地物性狀和紋理特征等對 6幅圖像建立統一的判別標志, 將研究區土地利用類型分為9種, 分別為耕地、林地、居民地、水域、堿篷、米草、灘地、養殖地、海水, 然后采用最大似然法進行監督分類[15-16]。最后, 分別將1995年、2006年的 3個區域的分類圖像進行鑲嵌疊加, 形成兩期研究區總分類圖。

2.3 數據處理

將1995年、2006年的笆斗區分類圖、三倉區分類圖、農業區分類圖以及總分類圖在ENVI中保存為柵格格式, 然后在 ArcView3.3中去除背景, 直接導入FRAGSTATS3.3中進行計算。由于定量描述景觀格局的指數較多, 而且很多指數之間的相關性也很高, 所以同時采用多種指數(尤其是同一種景觀類型的指數)并不增加“新”的信息[17]。因此本文選取了幾種具有代表性的景觀指數。在斑塊類型尺度上選取：斑塊所占景觀面積比(P), 斑塊個數(N), 平均斑塊分維數指數(F); 在景觀類型尺度上選取：斑塊密度(D),分維數指數(F), Shannon多樣性指數(H)。

N為景觀的斑塊總數,A為景觀斑塊總面積。

m為景觀類型數量,n為i類斑塊個數,Pij是i類第j個斑塊的周長,aij為i類第j個斑塊的面積。

Pi為第i類景觀類型所占的面積比例。

3 圍墾對研究區海岸帶景觀格局的影響

3.1 圍墾對景觀破碎化的影響

通過對斑塊密度指數的計算發現(表1)：在1995～2006年間, 農業區斑塊密度指數降低, 笆斗區和三倉區斑塊密度指數增大。而斑塊密度指數能反映景觀空間結構的復雜性, 與景觀破碎化程度成正比。所以由表1可知, 11 a間農業區破碎化程度呈減小的趨勢; 而笆斗區、三倉區的破碎化程度卻明顯增大, 尤以笆斗區最為顯著。農業區破碎化程度降低,主要是因為：受人為開發活動的影響, 原來呈散狀分布的林地、居民地轉為帶狀或團聚狀分布, 致使林地和居民地的斑塊個數急劇下降(圖2), 導致農業區的斑塊密度指數下降, 破碎化程度減小。而在笆斗區和三倉區內, 原來大面積的堿篷地、米草地被圍墾成零零散散的小面積斑塊, 其斑塊個數也大幅度增加(圖2)。堿篷的斑塊個數增大幅度最大, 為59.6%;米草增大39.1%; 養殖地是新增類型, 斑塊個數是凈增長; 耕地斑塊個數也明顯增大。正是由于堿篷、米草、養殖地、耕地的斑塊個數增大, 才導致以這些景觀斑塊為主的笆斗區和三倉區的總斑塊個數增加,景觀斑塊密度增大, 破碎化程度加劇。但是就整個研究區而言, 由于林地斑塊個數驟降, 導致研究區全區斑塊個數減少, 所以斑塊密度減小, 全區景觀破碎化程度減小。

表1 各區斑塊密度指數Tab. 1 Density indexes in different study areas during the period of 1995-2006

圖2 全區各斑塊類型斑塊個數Fig. 2 Patch number of different patch type in the study areas

景觀破碎化不但會縮小某一類生境的總面積和每一斑塊的面積, 還會影響到種群的大小和滅絕的速度[18]。若將堿篷、米草這些與生物多樣性有密切聯系的景觀歸為自然景觀, 那么, 自然景觀破碎度的增強, 會導致其平均斑塊面積的減小, 將嚴重威脅該區域的生態系統。

3.2 圍墾對景觀斑塊形狀的影響

各區平均斑塊分維數的計算結果顯示(表2)：1995～2006年間, 除農業區平均斑塊分維數呈下降趨勢外, 笆斗區、三倉區平均斑塊分維數都呈上升趨勢。這是因為, 11 a間, 農業區內各景觀斑塊在人類開發利用活動干擾下變得日漸規則, 所以各類型斑塊的平均斑塊分維數減小[19](圖3), 只有林地略有增大。但由于農業區是以耕地、居民地、水域為主, 林地的斑塊個數又急劇下降, 所以整個農業區景觀平均斑塊分維數降低。這期間, 笆斗區和三倉區的堿篷地、灘地、米草地這些自然景觀被大面積圍墾, 而被圍墾后的堿篷地、灘地、米草地變得零零散散。圍堤還切斷了潮盆近岸部分的潮溝系統, 改變了潮盆的局地水沙環境[20],潮流的任意沖刷使笆斗區、三倉區景觀斑塊形狀各異。因此這些自然景觀平均斑塊分維數增大, 斑塊形狀趨于復雜(圖3)。所以, 笆斗區、三倉區景觀平均斑塊分維數增大。而就整個研究區而言, 人工景觀斑塊所占比例大于自然景觀斑塊, 而且圍墾后的新增斑塊養殖地也都是規則形狀, 所以研究區景觀平均分維數降低, 景觀斑塊的自相似性增強, 景觀異質性降低, 斑塊整體形狀的多樣性和復雜性程度也就降低。

表2 各區平均斑塊分維數Tab. 2 Mean patch fractal indexes of different study areas in the period of 1995-2006

圖3 研究區各斑塊類型平均斑塊分維數Fig. 3 Mean patch fractal indexes of different patch types in the study areas

因此, 雖然整個研究區的景觀斑塊形狀趨于規則化, 但是自然景觀斑塊的形狀卻變得日漸復雜,而太過復雜的景觀邊界很可能會影響原海岸帶生態系統能量、養分和生物的流動與擴散。

3.3 圍墾對景觀斑塊分布格局的影響

表3顯示：1995～2006年間, 農業區、笆斗區、三倉區景觀多樣性指數都明顯增大, 而全區景觀多樣性指數卻略有下降。

1995～2006年間, 農業區景觀多樣性指數增大的主要原因是：農業區優勢斑塊耕地所占比例降低,而稀有斑塊所占比例增大, 出現景觀斑塊均衡分布的情況(圖4)。農業區的景觀類型主要有耕地、林地、居民地、水域。1995年耕地面積占該區景觀總面積的79.4%, 是整個景觀的主導斑塊類型; 林地、居民地、水域分別只占17.2%, 1.9%和1.5%, 都屬于稀有類型。2006年, 人們對土地利用的形式沒有發生改變, 只是優勢斑塊耕地所占比重下降到74.9%, 而稀有斑塊林地、居民地、水域各自所占比重卻略有增加, 出現景觀斑塊均衡分布的情況, 所以農業區景觀多樣性指數增大。

表3 各區多樣性指數Tab. 3 Diversity indexes of different study areas in the period of 1995-2006

圖4 各區域不同景觀斑塊所占景觀面積比Fig. 4 Proportions of different patch types in the landscape in different regions

1995～2006年間, 笆斗區景觀多樣性指數也呈增大趨勢, 這是因為：與 1995年相比, 2006年笆斗區不僅景觀類型數目增加, 而且也出現景觀斑塊均衡分布的情況, 并且優勢斑塊堿篷被耕地所替代(圖4)。笆斗區景觀類型較多, 圍墾后, 土地利用形式發生改變, 新增一類養殖地。1995年笆斗區景觀優勢斑塊是堿篷、灘地、米草, 分別占景觀總面積的40.4%, 32.4%和 15.4%, 其他類型均小于 5%。2006年, 堿篷、灘地、米草所占比例分別下降到 6.8%,6.1%, 10.8%, 而其他稀有類型卻都有增加, 尤以耕地增加幅度最大, 已占到景觀總面積的32.8%, 取代堿篷成為優勢斑塊。因此, 11 a后, 笆斗區景觀斑塊整體上呈均衡化分布, 景觀多樣性指數增大, 此時耕地已經占據絕對優勢地位。

表3顯示, 11 a間, 三倉區景觀類型多樣性指數增大幅度最大, 為82.3%。一方面是由于該區斑塊類型數目增加; 另一方面是因為該區由灘地、堿篷為主的景觀格局演變成灘地、耕地、堿篷比重勢均的格局(圖4)。三倉區景觀類型與笆斗區一樣, 也新增一類養殖地。1995年景觀主導類型斑塊是灘地和堿篷,所占比重分別是67.9%, 26.2%。2006年景觀主導類型斑塊為灘地、耕地、堿篷, 所占比重分別是36.6%,29%, 12.8%。此時耕地雖還沒有占到絕對優勢地位,但其面積的急劇增加以及堿篷和灘地面積的減少使得景觀各組分的比例發生了變化, 景觀斑塊逐漸向均衡化發展, 景觀多樣性指數增大。

研究區全區的景觀多樣性指數與各區有所不同,是呈下降趨勢的(表3)。這是因為：就研究區整體而言, 耕地是優勢斑塊, 堿篷、米草是稀有斑塊, 圍墾導致堿篷、米草的面積減少, 削弱了稀有斑塊的貢獻率, 而優勢斑塊的比例卻相對增大。1995年, 耕地占景觀總面積的53.3%, 屬于優勢斑塊, 稀有斑塊類型以堿篷、米草、居民地為主(圖4)。2006年, 盡管研究區景觀斑塊類型增加, 但是圍墾減小了堿篷、米草的面積, 卻使得耕地、林地、居民地的面積相對增加,致使耕地成了占景觀總面積 60%的絕對優勢斑塊,景觀斑塊朝單一化方向發展, 景觀類型多樣性指數減小。

因此, 農業區、笆斗區、三倉區的景觀格局均朝均衡化方向發展, 景觀類型多樣性指數增大。并且,隨著圍墾活動的加劇, 笆斗區、三倉區的優勢斑塊灘地、堿篷正逐漸被耕地取代。但就整個研究區而言,景觀類型多樣性指數減小, 景觀異質化程度降低,景觀格局態勢朝單一化方向發展。由圍墾引起的適合于動植物生存的自然景觀面積的逐漸減少, 將直接導致海岸帶生物多樣性的降低。

4 海岸帶景觀格局變化驅動力分析

景觀格局變化的根本原因在于外界的干擾, 這種干擾有人為因素和自然因素。東臺海岸帶景觀格局的形成主要是以人為因素為主, 自然因素為輔綜合影響造成的。在人口增長和經濟壓力的驅動下, 再加上政府政策的導向, 江蘇興起了以增加耕地面積為主要目的圍海造田運動, 并且逐漸發展成熟。圍墾對海岸帶景觀格局的影響除了人為因素的直接作用外, 還有圍墾引起的自然因素的變化。

農業區已屬于圍墾成熟區, 耕地為主導斑塊,林地, 居民地和水域屬稀有斑塊。在人為因素的影響下, 耕地所占比重下降, 稀有斑塊所占比重略微增加, 各斑塊形狀均趨于規則, 較為分散的林地、居民地也逐漸呈團狀或帶狀分布, 而自然因素影響相對較小。因此農業區景觀格局分布呈均衡化, 景觀破碎化程度減弱, 斑塊形狀簡單化。

在人為因素的作用下, 笆斗區和三倉區的圍墾程度日漸加劇, 原本以自然景觀為主的景觀格局變成人文景觀、自然景觀比重勢均的景觀格局。圍墾還改變了潮灘的水沙環境、物質循環等自然環境因素。而自然因素的影響, 又比人為因素更無規則化、無趨勢化, 所以笆斗區、三倉區景觀格局的破碎程度和復雜程度較農業區高。因此, 在人為因素和自然因素相互影響下, 景觀斑塊個數增多, 破碎化程度加劇, 形狀趨于復雜化。

5 結論

1995～2006年間, 東臺海岸帶景觀格局發生了顯著的變化, 經分析得出：(1)整個研究區以人工景觀為主, 在人為因素的干擾下, 各人工景觀的平均斑塊分維數降低, 斑塊形狀趨于規則, 景觀格局異質性降低。而林地斑塊個數的急劇下降導致研究區景觀斑塊密度下降, 破碎化程度減弱。農業區全部為人工景觀, 景觀格局變化趨勢與全區一致。但是笆斗區、三倉區以自然景觀為主, 圍墾直接導致堿篷、灘地、米草斑塊面積的減少。在人為因素和自然因素共同作用下, 斑塊形狀復雜多樣, 平均斑塊面積大幅度減小, 以致景觀空間結構趨于復雜, 破碎化程度增強。(2)在整個研究區內, 耕地占據著絕對的優勢地位。11 a間, 耕地面積沒有減少反而增加, 稀有斑塊灘地、堿篷、米草的面積減少, 導致景觀類型多樣性指數下降, 景觀異質化程度降低, 整體格局態勢朝單一化方向發展。但在空間上, 農業區、笆斗區、三倉區的景觀類型多樣性指數卻增大, 景觀斑塊均呈均衡化分布。農業區以耕地為主; 笆斗區耕地取代堿篷成為優勢斑塊; 三倉區由灘地、堿篷為主的景觀格局演變成灘地、耕地、堿篷比重勢均的格局。

可見, 圍墾對海岸帶景觀格局的影響會受到尺度的限制, 尺度太大, 人為因素影響占主導地位, 會忽略圍墾對景觀格局的影響。因此, 在研究圍墾對海岸帶景觀格局的影響時, 需要選取合適的研究尺度,這樣才能客觀地了解圍墾引起的景觀格局的變化,從而合理規劃海岸帶的景觀格局, 以減少其對海岸帶生態環境的影響, 實現海岸帶資源利用的可持續發展。

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Impact of coast beach reclamation on Dongtai coastal landscape pattern

YANG Xiao-Ling1, SHEN Yong-Ming2
(1. College of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China;2. School of Geographic Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China)

Jan., 26, 2010

reclamation; coast beach; landscape pattern; pattern index

Remote sensing and GIS technology were used for analyzing the impact of reclamation on Dongtai coastal landscape pattern by calculating landscape pattern indexes. It was found that coastal landscape fragmentation decreased, the diversity and complexity of patch shape reduced, the distribution of landscape pattern trended to be simple, and the whole heterogeneity of landscape in study area had a weakening trend during the period of 1995 to 2006. However, the changes in landscape pattern were different from the whole in spatial view. In agriculture study area, the degree of landscape fragmentation reduced, patch shape became simplistic,landscape pattern evenly distributed; in Badou study area, the degree of landscape fragmentation increased,patch shape became complicated, the dominant path alkali canopy had been replaced by farmland; in Sancang area, landscape fragmentation increased, path shape became more complicated, the beaches, alkali canopy dominated landscape pattern evolved into beaches, farmland and alkali canopy evenly distributed pattern. In a word, the fragmentation of natural landscape enhanced in the reclamation areas, the shape of various types of patches became complex, and the landscape spatial structure trend to more complicated.

P748 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3096(2012)01-0094-06

2010-01-26;

2011-06-15

國家自然科學基金項目(40401059); 江蘇省“青藍工程”資助

楊曉玲(1986-), 女, 山西朔州人, 碩士, 手機：18735136223, E-mail：yangxiaoling263@126.com; 沈永明, 通信作者,E-mail：yongmsh@163.com

劉珊珊)