港口建設(shè)對(duì)濱海濕地景觀格局的影響及其生態(tài)效應(yīng)

周 然 ，彭士濤 ，覃雪波 ，2，趙玉杰

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071；3.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191）

港口建設(shè)對(duì)濱海濕地景觀格局的影響及其生態(tài)效應(yīng)

周 然1，彭士濤1，覃雪波1，2，趙玉杰3

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071；3.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191）

對(duì)鴨綠江口濕地的土地利用狀況進(jìn)行景觀分類，利用TM影像進(jìn)行人機(jī)交互式判讀解譯，獲得了該區(qū)域現(xiàn)狀和丹東港規(guī)劃完成后景觀解譯圖，并開(kāi)展了港口建設(shè)對(duì)濕地景觀格局的影響及其生態(tài)效應(yīng)的評(píng)估。結(jié)果表明，港口建設(shè)后，濕地景觀面積幾乎沒(méi)有改變；除了建筑用地斑塊數(shù)量增加外，其他斑塊數(shù)量均減少，但變化不明顯；濕地景觀指數(shù)中，香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）增加，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（D）和蔓延度（CONTAG）下降，平均斑塊分維數(shù)（MPFD）幾乎沒(méi)有變化；這些變化表明，濕地的景觀格局并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，因而對(duì)生物多樣性影響不明顯。然而景觀的生態(tài)服務(wù)功能結(jié)果顯示，港口建設(shè)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)造成許多不可逆的影響，導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能在一定程度上退化。

港口建設(shè)；濕地；景觀格局；生態(tài)效應(yīng)

Biography：ZHOU Ran（1981-），female，engineer.

景觀格局分析是景觀生態(tài)學(xué)研究的基本內(nèi)容，量化分析景觀組分的空間分布特征，是進(jìn)一步研究景觀功能和動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)，也是探討景觀格局和生態(tài)過(guò)程相互關(guān)系的基礎(chǔ)［1-3］。景觀格局決定景觀功能，景觀功能的改變又體現(xiàn)在景觀格局的變化上；特定時(shí)期和區(qū)域的景觀格局既是具體生態(tài)過(guò)程的產(chǎn)物，也影響未來(lái)生態(tài)過(guò)程的發(fā)展變化［4-5］。港口的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)會(huì)對(duì)濱海濕地產(chǎn)生直接或間接影響。

根據(jù)規(guī)劃，丹東港位于丹東鴨綠江口濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)附近，港區(qū)規(guī)劃范圍占用丹東鴨綠江口濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)部分實(shí)驗(yàn)區(qū)。該保護(hù)區(qū)主要保護(hù)對(duì)象為濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀野生物種。本文從景觀格局角度探討港口建設(shè)對(duì)濕地的影響及其生態(tài)效應(yīng)，為丹東鴨綠江口濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的資源保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 濕地景觀分類

根據(jù)鴨綠江口濕地的土地利用狀況，將濕地景觀分為林地、草地、裸地、水體和建筑用地5個(gè)類型，建立濕地景觀分類解譯標(biāo)志，對(duì)TM影像進(jìn)行人機(jī)交互式判讀解譯，勾繪出各類濕地的分布斑塊，經(jīng)修改完善，獲得該區(qū)域現(xiàn)狀和丹東港規(guī)劃完成后的景觀解譯圖。

在本研究中，林地包括疏林地、未成林造林地、已成林的林地、林灌叢和果園，由于該區(qū)域農(nóng)田相對(duì)較少，故將農(nóng)田也劃入林地景觀；蘆葦沼澤地劃歸為草地景觀；河流水域、潮溝、坑塘、淺海水域、水產(chǎn)養(yǎng)殖塘等都?xì)w為水體景觀。此外，由于保護(hù)區(qū)中采礦地面積相對(duì)較小，為便于研究，將采礦地、灘涂景觀等劃歸到裸地景觀中。

1.2 斑塊指數(shù)

（1）斑塊類型的面積（CA）：

式中：aij為某一類型斑塊面積。

（2）斑塊所占景觀面積比例（PLAND）

式中：Pi為第i類斑塊的面積占總景觀面積的比例；aij為第i類型斑塊的面積；A為景觀總面積。

（3）斑塊數(shù) NP（Number of Patches）

式中：ni表示景觀中第i類斑塊的總個(gè)數(shù)。

（4）最大斑塊指數(shù)LPI（Largest Patch Index）：斑塊類型中最大斑塊的面積與總景觀面積的百分比。

式中：aij為某個(gè)斑塊面積；A為景觀總面積。

（5）平均斑塊面積 MPS（Mean Patch Size）

式中：Xij表示第i類斑塊的面積。

（6）面積加權(quán)平均形狀指數(shù)LSI（Landscape Shape Index）：是斑塊周長(zhǎng)與相同面積圓形斑塊周長(zhǎng)之比。數(shù)越接近1，說(shuō)明該斑塊的形狀越接近圓形，指數(shù)數(shù)值越大，說(shuō)明斑塊形狀越復(fù)雜。

式中：E為景觀中所有斑塊邊界的總長(zhǎng)度，m；A為景觀總面積，m2。

1.3 景觀指數(shù)

（1）Shannon多樣性指數(shù)（SHDI）：反映景觀的多少和各景觀要素所占比例的變化。

（2）Shannon均勻度指數(shù)（SHEI）

式中：m為斑塊類型數(shù)目；Pi是斑塊類型i占景觀面積的百分比。

（3）景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D（Landscape Dominance Index）：表示景觀多樣性對(duì)最大多樣性的偏離程度。

式中：SHDImax是多樣性指數(shù)的最大值；m是景觀中斑塊類型的總數(shù)；Pk是斑塊類型k在景觀中出現(xiàn)的概率。

（4）蔓延度指數(shù)CONTAG（Contagion index）：景觀中不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延伸趨勢(shì)。

式中：Pi是景觀類型i占景觀面積的比例；m是景觀中斑塊類型的數(shù)目；gik是斑塊類型i與斑塊類型k之間所有鄰接的格網(wǎng)數(shù)目（包括景觀i中所有鄰接的格網(wǎng)數(shù)目）。

（5）平均斑塊分維數(shù)MPFD（Mean Patch Fractal Dimension）：測(cè)定景觀和斑塊周邊形狀的復(fù)雜程度。

式中：Pij表示斑塊 ij的周長(zhǎng)，m；aij表示斑塊 ij的面積，m2。

1.4 生態(tài)效應(yīng)

本研究用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（V）來(lái)表示港口建設(shè)對(duì)濕地的生態(tài)效應(yīng)，其公式如下

式中：i為景觀類型的數(shù)量；Ai為景觀類型的面積；Ei為單位面積上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

2 結(jié)果

2.1 濕地景觀面積變化

港口建設(shè)前后鴨綠江口濕地不同景觀類型面積見(jiàn)表1。丹東港規(guī)劃完成后，濕地景觀總面積幾乎沒(méi)有變化。然而，由于港口的建設(shè)，建筑用地面積由原來(lái)的10 445.29 hm2增長(zhǎng)到17 915.2 hm2，增幅71.5%；灘涂裸地、水體、草地等自然濕地面積下降，降幅分別為9.18%、7.93%、6.38%；林地的面積變化不大，略微增長(zhǎng)（0.47%）。

2.2 濕地斑塊變化

建港后，除了裸地斑塊數(shù)量增加外，其他4種斑塊均減少；從最大斑塊所占景觀面積比例指數(shù)（LPI）來(lái)看，除了建筑用地斑塊數(shù)的顯著增加外，其他類型的斑塊數(shù)降低，但變化不明顯（表2）；平均斑塊面積（MPS）變化與LPI變化相似；所有類型斑塊的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)（LSI）均降低，其中以建筑用地降幅最大，達(dá)到19%（表2）。

2.3 濕地景觀變化

建港后，鴨綠江口濕地景觀指數(shù)中，多樣性指數(shù)（SHDI）和均勻度指數(shù)（SHEI）增加，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（D）和蔓延度（CONTAG）下降，而平均斑塊分維數(shù)（MPFD）幾乎沒(méi)有變化（圖1）。

2.4 濕地景觀服務(wù)功能

借鑒謝高地等制定的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表和Costanza等估算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)［6-7］，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為9類服務(wù)功能，同時(shí)將村鎮(zhèn)建設(shè)用地、養(yǎng)殖區(qū)的服務(wù)價(jià)值視作0，近似的估算林地、草地、灘涂裸地、水體的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可知，港口規(guī)劃實(shí)施對(duì)所有自然景觀的生態(tài)服務(wù)價(jià)值會(huì)造成一定損失，其中裸地減少最明顯，林地最小，表明港口建設(shè)導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能一定程度上的退化。

表1 港口建設(shè)前后鴨綠江口濕地景觀面積變化Tab.1 Variation of wetland area before and after port project

表2 建港前后鴨綠江口濕地保護(hù)區(qū)斑塊變化Tab.2 Variation of patch in wetland before and after port project

3 討論

3.1 港口建設(shè)對(duì)濕地景觀的影響

圖1 建港前后鴨綠江口濕地保護(hù)區(qū)景觀格局變化Fig.1 Landscape-level metrics change before and after port project

港口建設(shè)是人類對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)烈干預(yù)，可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中物種數(shù)量的減少、抗干擾能力下降、動(dòng)植物物種滅絕等。島嶼生物地理學(xué)的理論認(rèn)為，物種數(shù)量與面積大小呈正比［8］，因?yàn)榉植紖^(qū)域大可以降低種間競(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)度，增加區(qū)域物種出現(xiàn)頻率和單種個(gè)體數(shù)［9］。從表1可見(jiàn)，港口建設(shè)前后鴨綠江口濕地景觀面積變化不大，因此，其對(duì)濕地的物種種類和數(shù)量影響較小。但從表1也可以看出，灘涂裸地、水體、草地的自然濕地面積均下降，這些自然濕地都是適宜動(dòng)植物棲息的理想生境，它們面積的減少，勢(shì)必降低物種數(shù)量。然而濕地面積的改變對(duì)物種多樣性影響并不明顯，這是由于：一是面積減少有限，灘涂裸地、水體、草地等自然濕地面積降幅分別為9.18%、7.93%、6.38%，不足以對(duì)物種分布產(chǎn)生強(qiáng)烈影響；二是鴨綠江口濕地以鳥(niǎo)類為主要保護(hù)物種，由于鳥(niǎo)類屬于大家域物種，較小部分的生境減少并不影響其行為；三是盡管這些被占用的面積在本研究中被劃分為自然濕地，實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，這些地方多是人為干擾嚴(yán)重的地方，如礦地，分布于此的動(dòng)植物非常少。

根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)中斑塊的定義，將四周有道路、溝渠、林帶、較寬的田坎等廊道或明顯邊界所包圍的地塊稱作為一個(gè)斑塊［10］。從表2可見(jiàn)，海洋紅港區(qū)建成后，鴨綠江口濱海濕地斑塊總數(shù)由建港前的3 922減少為3 661，其中建筑用地斑塊數(shù)減少最多，減少了166塊，其次為草地、水體和林地。建筑用地斑塊減少是因?yàn)槿祟愰_(kāi)發(fā)建設(shè)港口使建筑用地的斑塊更完整、聯(lián)片，導(dǎo)致斑塊數(shù)大量減少。裸地斑塊數(shù)有所增加，說(shuō)明人類干擾加強(qiáng)，同時(shí)也表明，濕地生境破碎化加劇。生境破碎化是生物多樣性降低的主因，對(duì)鳥(niǎo)類、爬行動(dòng)物與小型哺乳動(dòng)物的生存造成影響［11-12］。然而，從最大斑塊所占景觀面積比例指數(shù)（LPI）來(lái)看，港口建成后的裸地最大斑塊占整個(gè)景觀面積的比例仍最高（34.14%），表明濕地仍保留有大面積連續(xù)分布灘涂等裸地斑塊。大斑塊對(duì)所有物種的生存都有利，能滿足大多數(shù)物種對(duì)棲息地的最低面積要求［13］。此外，從面積加權(quán)平均形狀指數(shù)（LSI）來(lái)看，港口建成后，裸地（包括灘涂）和水體作為濕地最重要的自然景觀，其LSI減少幅度非常低，可以預(yù)見(jiàn)，港口建設(shè)對(duì)濕地的生物多樣性影響不明顯。因此，從斑塊水平上看，港口建成后對(duì)濕地的生物多樣性影響并不明顯。

表3 不同時(shí)期生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值Tab.3 Ecosystem services of wetland before and after port project 104元/a

景觀水平上的格局指數(shù)變化趨勢(shì)表明，港區(qū)建成后，鴨綠江口濱海濕地的景觀多樣性指數(shù)（SHDI）和均勻度指數(shù)（SHEI）均有一定程度的上升，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（D）有所下降（圖3），說(shuō)明該地區(qū)景觀異質(zhì)性有所提高，景觀分布也更為均勻，人類的干擾程度相對(duì)較低。蔓延度（CONTAG）是描述景觀中不同類型成分聚集程度的指標(biāo)，取值在0～100。蔓延度高說(shuō)明景觀中的優(yōu)勢(shì)斑塊類型形成良好的拼接，由大型緊湊斑塊組成，反之表明景觀破碎化程度高［13］。港口建設(shè)前鴨綠江口濕地的蔓延度為62.12，說(shuō)明該區(qū)景觀在空間構(gòu)型上灘涂濕地具有一定的連通性，港口建設(shè)后為60.28，表明景觀連通性略微降低，對(duì)物種的遷移、繁殖和生存產(chǎn)生一定影響，但由于降幅較小，因此影響并不明顯，加之港口建設(shè)中設(shè)計(jì)了動(dòng)物遷移廊道，有效減弱了蔓延度降低對(duì)物種的影響。從平均斑塊分維數(shù)（MPFD）也可以看出，港口建設(shè)前后幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，表明對(duì)物種的分布產(chǎn)生影響較小。由此可見(jiàn)，從景觀水平看，港口建設(shè)對(duì)濕地的生物多樣性影響也較小。

3.2 港口建設(shè)對(duì)濕地的生態(tài)效應(yīng)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用。它不僅為人類提供食品、醫(yī)藥及其他生產(chǎn)生活原料，還創(chuàng)造與維持地球生態(tài)系統(tǒng)，形成了人類生存所必需的環(huán)境條件，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的內(nèi)涵可以包括有機(jī)質(zhì)的合成與生產(chǎn)、生物多樣性的產(chǎn)生與維持、調(diào)節(jié)氣候、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)貯存與循環(huán)、土壤肥力的更新與維持、環(huán)境凈化與有害有毒物質(zhì)的降解、有害生物的控制、減輕自然災(zāi)害等許多方面。海洋紅港規(guī)劃的實(shí)施將造成灘涂裸地、水體面積的下降，對(duì)灘涂裸地、水體生態(tài)系統(tǒng)造成一定損失，林地、草地面積也有所下降，其對(duì)應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值也相應(yīng)減少（表3）。因此，丹東港港口規(guī)劃實(shí)施的開(kāi)發(fā)給當(dāng)?shù)貛?lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能一定程度的衰退，對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)造成了許多不可逆的影響。

［1］劉吉平，呂憲國(guó)，楊青，等.三江平原東北部濕地生態(tài)安全格局設(shè)計(jì)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（3）：1 083-1 090.

LIU J P，LV X G，YANG Q，et al.Wetland landscape ecological security patterns analysis and plan in Northeast of Sanjiang Plain［J］.Acta Ecologica，2009，29（3）：1 083-1 090.

［2］肖寒.海南島景觀空間結(jié)構(gòu)分析［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，21（1）：20-27.

XIAO H.Analysis of landscape spatial structure in Hainan Island［J］.Acta Ecologica，2001，21（1）：20-27.

［3］黃妮，劉殿偉，王宗明，等.基于水文與土地覆蓋的三江平原濕地恢復(fù)［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（3）：509-515.

HUANG N，LIU D W，WANG Z M，et al.Wetland restoration in Sanjiang Plain based on hydrology and land cover［J］.Chinese Journal of Ecology，2009，28（3）：509-515.

［4］王輝，袁宏波，徐向宏，等.黃河源區(qū)沙化草地區(qū)域景觀特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17（9）：1 665-1 670.

WANG H，YUAN H B，XU X H，et al.Landscape structure of desertification grassland in source region of Yellow River［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2006，17（9）：1 665-1 670.

［5］劉紅玉，李兆富，李曉民.小三江平原濕地東方白鸛（Ciconia boyciana）生境喪失的生態(tài)后果［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27（7）：2 678-2 683.

LIU H Y，LI Z F，LI X M.Ecological effects on Oriental White Stork（Ciconia boyciana）with habitat loss in sub-Sanjiang Plain，China［J］.Acta Ecologica，2007，27（7）：2 678-2 683.

［6］Costanza R，d′Arge R，Groot R D，et al.The value of the world′s ecosystem services and natural capital［J］.Ecological Economics，1998，25：3-15.

［7］ 謝高地，魯春霞，肖玉，等.青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估［J］.山地學(xué)報(bào)，2003，21（1）：50-55.

XIE G D，LU C X，XIAO Y，et al.The Economic Evaluation of Grassland Ecosystem Services in Qinghai-Tibet Plateau［J］.Journal of Mountain Research，2003，21（1）：50-55.

［8］鄔建國(guó).島嶼生物地理學(xué)理論模型與應(yīng)用［J］.生態(tài)學(xué)雜志，1989，8（6）：34-39.

WU J G.The Theory of Island Biogeography：Model and Application［J］.Chinese Journal of Ecology，1989，8（6）：34-39.

［9］黃正一，孫振華，虞快.上海鳥(niǎo)類資源及其生境［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1993.

［10］Forman R T T.Land mosaics：the ecology of landscape and regions［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1995.

［11］朱明，濮勵(lì)杰，李建龍.遙感影像空間分辨率及粒度變化對(duì)城市景觀格局分析的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：2 753-2 763.

ZHU M，PU L J，LI J L.Effects of varied remote sensor spatial resolution and grain size on urban landscape pattern analysis［J］.Acta Ecologica，2008，28（6）：2 753-2 763.

［12］Opdam P，Steingrover E，Van Rooij S.Ecological networks：A spatial concept for multi-actor planning of sustainable landscapes［J］.Landscape and Urban Planning，2006，75（3-4）：322-332.

［13］劉勇，吳次芳，岳文澤，等.土地整理項(xiàng)目區(qū)的景觀格局及其生態(tài)效應(yīng)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（5）：2 261-2 269.

LIU Y，WU C F，YUE W Z，et al.Evaluation of ecological effect and landscape pattern in land consolidation project［J］.Acta Ecologica，2008，28（5）：2 261-2 269.

Landscape pattern and ecological effect in project of port

ZHOU Ran1，PENG Shi-tao1，QIN Xue-bo1，2，ZHAO Yu-jie3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering，Ministry of Transport，Tianjin300456，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin300071，China；3.Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture，Tianjin300191，China）

Based on the land use，the remote sensing image interpretation map of Yalvjiang wetland landscape before and after Dandong port project was obtained by human-machine interactive interpreting with TM image.The landscape pattern and ecological effect in project of Dandong port were evaluated.Results show that after the port project，the area of wetland will be constant，and the patch number of different landscapes will decrease except the constructed lands.Based on the landscape metrics，SHDIandSHEIwill increase，whileDandCONTANGwill decrease，andMPFDwill be constant before and after port project.These results suggest that there are not significant variations on the landscape pattern of wetland by the impact of port project.However，the results of the ecosystem services of wetland will be declined for the impact of the port project.

port construction；wetland；landscape pattern；ecological effect

X 171.4

A

1005-8443（2012）03-0245-06

2011-12-31；

2012-03-05

海洋公益性行業(yè)科研重大專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（200805080）

周然（1981-），女，湖北省荊州市人，工程師，主要從事交通環(huán)保研究工作。