近20年白洋淀濕地水文連通性及空間形態演變

張夢嫚,吳秀芹,*

1 北京林業大學水土保持學院,北京林業大學云南建水荒漠生態系統國家定位研究站,北京 100083 2 北京林業大學水土保持國家林業局重點實驗室,北京 100083

濕地生態系統是自然界具有較高生態脆弱性的一類功能單位,其水文連通性對維持整個生態系統穩定性與效益綜合性至關重要。濕地生態系統功能是由諸如收集、儲存、過濾或排放水、沉積和溶解等一系列水文過程來相互聯系累計實現的[1]。從生態水文角度看,水文連通是指物質、能量、有機物以水為媒介在水循環島各要素之間的相互轉移[2]。對濕地水文連通性進行量化,有利于確定濕地保護和恢復的優先次序,評估濕地的排水或恢復的最佳位置[3]。

為了消除人類活動對濕地生態系統造成的不利影響,越來越多的學者致力于濕地生態系統水文連通性的研究,從而找到優化恢復濕地生態系統服務功能的方法[4]。目前對連通性的理論認識已經達到了相當高的水平[5- 7],但是研究方法往往很單一,通常有地統計學連通性方法[8]、滲濾理論[9- 10]、圖論或網絡理論[11- 13]以及連通性指數等方法[14- 19]。其中連通性指數,如IIC(整體連通性指數)與PC(可能連通性指數),進一步將圖的結構與生態過程閾值、斑塊性質等要素緊密聯系[20],在研究中被廣泛應用,取得了一定的成果,但也存在指數高度概括,只能提供單一數值,缺少空間分布信息的缺陷[21]。

近年來,基于形態學的格局分析方法MSPA被成功用于分析多種景觀形態變化,表現出較強的適用性。MSPA將一系列圖像處理技術應用到柵格圖層中,從而將目標地物分為核心、橋接等不同景觀類別,通過不交叉的形態學類型,來研究不同地物的形態學機制,但主要集中于森林、綠色基礎設施以及生態網絡格局的構建與優化[22- 27],濕地中應用的還比較少[28],僅有的研究則局限在濕地斑塊破碎化等方面。

為深入探究濕地的水文連通性演變機制,本文以白洋淀 1990年、1995年、2000年、2005年、2010年及2015年六期 Landsat TM 影像為數據源,通過MSPA模型與IIC、PC指數相結合的方法,從整體和局部結構功能上對濕地水文連通性進行全方位的量化與評估,識別了其水文連通性“消退-恢復”空間形態演變過程,并對其水文連通性變化的驅動因素進行了探討,研究結果可為京津冀地區濕地保護和修復提供理論參考。

1 研究區概況

白洋淀濕地(115°45′ — 116°09′E,38°43′ — 38°45′N),大部分位于保定市安新縣、容城縣、雄縣境內,小部分位于高陽縣北部和任丘市西部。屬東部季風區暖溫帶半干旱地區(干燥度1.40),大陸性氣候特征顯著,平均氣溫7.3—12.7℃,多年平均蒸發量為1637 mm,遠大于平均降水量523 mm。四季分明,降雨集中在夏季。

白洋淀是華北地區最大的天然湖泊濕地,由太行山東麓永定河沖積扇與潴龍河沖積扇相夾持而成,為沖積平原洼地,占地31905 hm2。大清河水系的拒馬河、萍河、南北瀑河、漕河、府河、唐河、孝義河、潴龍河的洪瀝水匯入白洋淀(圖1),經調蓄后由棗林莊樞紐控制下泄[29]。白洋淀上游水庫、堤壩等水利設施截留了絕大部分地表徑流,只有大清河北支拒馬河有少量天然入淀水流。到目前很長一段時間,白洋淀水量幾乎都是靠人工調水補給來維持。淀區內有大小不等的143個淀泊和3700多條溝壕,零星分布有36個純水村,常駐農村居民達10萬人以上。河淀相連,村鎮園田鑲嵌雖造就了白洋淀濕地獨特的風景文化,但是也加劇了其生態缺水,濕地破碎化嚴重的窘境。目前隨著雄安新區的建立,白洋淀位于新區腹地必定受到多方的關注,對其生態水文連通性進行深入探究變得尤為重要。

圖1 研究區域位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 數據與研究方法

2.1 數據源與預處理

本文選用白洋淀濕地保護區2015年、2010年、2005年、2000年、1995年和1990年6個時期6—9月份的Landsat TM 衛星遙感數據(軌道號133/33)為主要數據源,基本無云層干擾。利用ENVI 5.1軟件,對按照研究區剪裁好的影像進行大氣校正等預處理,按照研究目的與白洋淀地類特點將研究區監督分類為水域、耕地、挺水植被與建設用地四類。為了保證研究精度,以影像為參照,對碎屑像元斑塊以及局部錯分、漏分的像元,進行手動修改,最終得到白洋淀土地利用柵格圖。利用同時期更高分辨率Google earth歷史影像進行精度驗證,6期分類圖像精度都在91%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 水文連通性評價指數

采用整體連通指數(IIC)數與可能連通指數(PC)對濕地連通性進行整體評價。根據前人研究[14]與白洋淀水體斑塊緩沖變化情況,將斑塊連通阻力距離閾值設置為500、1、2、4、8 km5個等級。為了讓PC計算結果與IIC具有可比性,將連接可能性設為0.5[30]。最后通過Conefor26軟件對IIC、PC指數進行計算。

2.2.2 基于形態學空間格局分析模型(MSPA)的景觀分類

MSPA基于數學形態學原理,依賴于腐蝕、膨脹、開啟、閉合等基本形態學操作[31],將柵格二值影像的前景像素分為7種互斥類型:核心、孤島、邊緣、穿孔、橋接、環島、分支,如圖2所示。根據不同MSPA景觀分類的定義與特征(表1),判斷其在濕地連通性方面的指示意義。

圖2 形態學空間格局分析模型分類示意圖[32] Fig.2 Example illustrating Morphological Spatial Pattern Analysis[32]

利用ArcGIS 10.2在分類好的白洋淀濕地各時期土地利用圖中提取出水域部分,作為MSPA分析的前景,其他部分作為背景。像元大小為30 m,采用8鄰域算法。考慮到濕地水域平水期與洪水期之間的緩沖范圍,故將邊緣寬度設為2個像元的大小,即60 m。

3 白洋淀濕地水文連通性時空變化分析

3.1 基于連通指數的1990—2015年水文連通性變化

距離阻力閾值為兩個斑塊之間的距離在所選范圍內有連接的臨界值,兩斑塊之間距離超過距離閾值則表示不連接,距離閾值越大計算所得的連通指數越大。研究結果表明(圖3),1990—2015年以來,各階段所選閾值下IIC都沒有超過0.1,說明研究區域內整體連通性較差。從時間變化上看,白洋淀水體PC與IIC值都表現出呈先降低后增高的變化趨勢,其中1990年水文連通性最高,其次是2015年,2005年的水體連通性最差,白洋淀水體連通性整體表現為:1990年>2015年>1995年>2000年>2010年>2005年。

表1 MSPA 的景觀類型及其含義

圖3 1990—2015 年白洋淀濕地不同閾值情況下整體連通指數和可能連通指數變化 Fig.3 IIC and PC changes of Baiyangdian Wetland from 1990 to 2015

3.2 基于MSPA的1990—2015年水文連通性變化

經過 MSPA 分析得到各時期白洋淀濕地水文連通性功能類型格局(圖4)以及面積、頻率變化統計表(表2)。

圖4 1990—2015 年白洋淀濕地MSPA類型分布圖Fig.4 MSPA types distribution maps of Baiyangdian wetland from 1990 to 2015

類型Type1990年1995年2000年2005年2010年2015年面積Area/hm2出現頻率Frequency面積Area/hm2出現頻率Frequency面積Area/hm2出現頻率Frequency面積Area/hm2出現頻率Frequency面積Area/hm2出現頻率Frequency面積Area/hm2出現頻率Frequency核心Core8974.902064402.901552399.262072092.971252577.931754122.14195孤島Islet459.4347373.29370596.631027408.39406335.00336638.10636穿孔Perforation159.533476.572132.76922.33728.71882.9529邊緣Edge2753.414661923.882681578.453561218.771761809.023372006.83346環島Loop271.19103153.1457194.6257114.8637191.4360194.6264橋接Bridge555.15120252.0557475.39105172.2936303.1077424.3490分支Branch743.391061532.82782730.63946494.53572449.86714580.67831前景Foreground13917.0024647714.6517106007.7327074524.1413595695.0617078049.652191

(1)核心濕地是前景濕地中較大的生境斑塊,在濕地連通性功能中起著生態源地的作用,其面積的減小以及破碎化通常會導致連通性的下降。邊緣濕地指核心濕地與非水體區域之間的的過渡地帶,往往具有物質和能量交換豐富的特征[21]。結果顯示(圖5),1990—2015年間,核心濕地、邊緣濕地與前景區呈現出相同的面積變化趨勢,皆在前期減少,在2005年達到最低點后反呈增加趨勢;從1990年到2015年核心區占前景比例先減小后增大,邊緣區占前景比例先增大后減小。無論從空間還是面積上,整體指示了核心濕地1990—2015年間展現出逐步破碎化后又恢復的特征,結合濕地水文連通性變化也可以看出核心濕地的變化對其的主導作用。

圖5 1990—2015 年白洋淀濕地核心及邊緣濕地面積及占比統計圖 Fig.5 Statistical charts of core and edge area and proportion in Baiyangdian wetland from 1990 to 2015

(2)分支、橋接和環島三種類型在濕地連通性功能中都起著類似廊道的作用。其中,橋接類在濕地水文景觀中多表現為大型河道、溝渠,是兩個不同核心斑塊間聯系的通道。分支類表示核心濕地與其他水文濕地類型間的連接,是核心區斑塊與其外圍水文景觀進行物種擴散和能量交流的通道[33],在濕地水文景觀中多表現為大型河道、溝渠的分支。環島類為核心類內部相連的捷徑,一定程度上有助于核心濕地內部的連通。3種類型對水文連通性的貢獻性:橋接濕地>分支濕地>環島濕地。在研究的6個時期,分支濕地明顯都占有較大的比重,其次為橋接濕地,環島濕地所占比例最小。1990—2015年間,3種濕地類型面積峰值和尾值所在年份基本一致,都呈現類似W形的變化趨勢。其中,1990—2005年間,在核心濕地持續減少的背景下,3種廊道類型經歷了下降到升高再下降的過程,且核心濕地在退化過程中部分轉化為了3種廊道濕地,但由于核心濕地的主導作用,廊道濕地的增加并沒有導致連通性的增加;而在2005—2015年間,3種廊道濕地面積與核心濕地同步增加,對水文連通性的升高起到了輔助作用(圖6)。

(3)孤島濕地為相互聯系較小的小斑塊,在濕地景觀中表現為單獨的小水洼或池塘,但是其內部物質、能量與外界交流的可能性較小。穿孔濕地為核心濕地內部的邊緣地帶,在濕地景觀中為核心濕地中間包圍水中高地的區域,在一定程度上阻礙了核心濕地內部的連通。從1990年到2015年,孤島濕地是唯一面積有所增加的類型,增加了38.89%,所占前景比例先增大后減小。過多孤島的出現,增加了斑塊個數,導致研究區域內的整體連通性的降低。穿孔濕地面積雖然減少了48%,所占前景比例變化趨勢與孤島呈相反趨勢,但穿孔類型占前景比例是最小的,最高不超過1.15%,對白洋淀濕地水文連通性影響不大(圖7)。

圖6 白洋淀濕地廊道類面積變化Fig.6 Area of corridor class in Baiyangdian wetland

圖7 白洋淀濕地孤島和穿孔濕地占比統計圖Fig.7 Statistics of islet and perforation in Baiyangdian wetland

3.3 水文連通性“消退-恢復”空間形態演變

根據連通性指數與MSPA模型的白洋淀水文連通性評價結果,將1990—2015年白洋淀濕地的水文連通性空間形態演變分為消退與恢復兩個階段。

水文連通性消退階段(1990—2005年):①MSPA各類型面積逐漸減少,首先表現為細小斑塊消退,隨后較大核心斑塊分裂為小型核心斑塊或分支、孤島等類型后繼續消退;②消退與分裂的主要類型為核心濕地,形態上有向破碎化、細長化轉變的趨勢;③在細小核心斑塊消退的同時也伴隨著分支、橋接、環島、孤島的等類型的減少,在核心濕地斑塊分裂期,以上類型又會有所增加;④在核心濕地面積減小的過程中,邊緣濕地占前景比例持續增加,反映了核心斑塊的不規則化趨勢;⑤穿孔個數與面積和核心濕地面積成正比。

水文連通性恢復階段(2005—2015年):①核心區面積逐漸增大,個數逐漸增多,占前景比例也逐漸增加,形態由細長狀向飽和型發展;②環島逐漸被飽和起來的核心斑塊所吞并,分支濕地逐漸向橋接濕地轉變;③孤島面積和個數在恢復前期減少,后期增加;④穿孔和邊緣濕地面積逐漸增加,前者占前景比例逐漸增大,后者占前景比例逐漸減少。

4 白洋淀濕地水文連通性變化的驅動因素

4.1 上游水利工程截水導致水儲量減少

核心濕地面積在決定白洋淀濕地水文連通性優劣中起主要作用,然而白洋淀濕地上游多條主要補給河流上修建了眾多大中型水利設施,攔截大部分來水。其中有6座大型水庫和8個中型水庫,控制流域面積10302.9 km2,水庫總庫容達 34.86億m3。除了水庫之外,還引水建渠調走了大量水源用于灌區灌溉和城鎮生產生活用水[29]。據有關資料顯示,除個別年份汛期外,九條河幾乎沒有生態水流入白洋淀。核心濕地面積發生大幅減小和增加的地區主要在白洋淀濕地的邊緣部分,其中北部、西部以及西南等白洋淀上游來水地區尤其突出。為解決白洋淀濕地資源性缺水這一長期棘手的問題,1988年后多次對白洋淀濕地進行生態補水,主要是利用上游的西大洋、王快、安各莊等水庫進行調水,同時也有引岳濟淀、引黃濟淀等工程。而水是控制濕地植被和土壤形成和發展的關鍵因素,特別是在干旱環境中[34]。可以看到進行補水后的白洋淀濕地連通性以及相應的生態功能有所恢復。

4.2 土地利用的變化加劇濕地面積萎縮

土地利用變化與社會經濟發展密切相關,人類對土地資源的改造利用對濕地生態系統的各個方面都產生了重要影響[35]。根據Landsat TM影像解譯結果(表3),從1990年到2015年白洋淀濕地新增建設用地面積1488.99 hm2,增長了一倍還要多,其中水體區域轉為建設用地409.11 hm2,沼澤地轉為建設用地1100.28 hm2,增加的建設用地主要來源于農村居民點的擴張;濕地土壤肥沃,具有最大的耕種潛力。耕地面積在研究期增長了5523.47 hm2,增長面積是原來的2.5倍,水體區域與沼澤地分別向耕地轉移土地2864.22 hm2和3566.61 hm2。同時根據實地調研結果,發現白洋淀濕地內存在著大量填湖造地修建住宅的行為,還有道路的修建加劇了濕地的破碎化,從而使連通性下降。

建設用地和耕地的擴張也導致了用水量的急劇增加,人們的生產生活用水主要是依賴大規模抽取地下水,農業也主要采取大水漫灌的方式。這種無節制的地下水抽取模式加之氣候干旱等因素,使地下水埋深持續增長,滲流情況異常嚴重。下墊面的變化導致蓄水能力下降,這樣使一般降水難以形成有效的地表徑流,也降低了水庫補水的效率,使濕地各斑塊難以構建有效的連通性。

表3 1990—2015年白洋淀濕地土地轉移矩陣/hm2

4.3 氣候變化對濕地連通性的影響

候變化對白洋淀濕地連通性的影響具有長期性、緩慢的特征。濕地系統特別容易受到氣候和水供應變化的影響,特別是在干旱地區,這種變化威脅著濕地的持續存在[32]。1990—2015年,年平均氣溫整體呈先上升后下降的趨勢,年降水量則先減小后增加,在1999年最低僅為292.95 mm(圖8)。溫度升高使蒸發量增加,降水量的降低更加劇整個流域來水減少,氣候變化通常影響濕地的景觀格局,包括對濕地水文連通性的影響。

圖8 1990—2015年白洋淀年降水量及溫度變化 Fig.8 Annual precipitation and temperature variation in Baiyangdian wetland from 1990 to 2015

5 結論和討論

本文通過數學形態學方法和連通性指數的結合,揭示了景觀和像元水平的濕地水文連通性變化的過程,并總結了白洋淀濕地水文連通性的空間形態演變機制及驅動因素。

(1)基于連通性指數,白洋淀濕地水文連通性以2005年為節點,在1990—2015年間呈現先降低后升高的趨勢。

(2)基于MSPA模型,將白洋淀濕地空間形態分為核心、孤島、邊緣、穿孔、橋接、環島、分支7種類型,依據各個類型綜合變化特征,將白洋淀濕地水文連通性空間形態演變分為消退期與恢復期兩個階段。其中消退期主要表現為核心斑塊逐步分裂為分支、環島、橋接、孤島等細碎斑塊,然后逐漸消退的過程;恢復期各類型主要表現為核心濕地面積逐漸增加,分支向橋接轉變的過程。核心濕地的變化對白洋淀濕地水文連通性變化起主導作用。

(3)白洋淀濕地水文連通性變化的主要因素有:上游眾多水利工程攔截大部分來水,導致上游補給水量大大減少;建設用地、耕地面積的擴張加劇濕地面積萎縮;下墊面的變化導致滲流現象嚴重;降水量的減少以及溫度的升高導致流域來水減少以及蒸發量的增加。

根據MSPA分類原理與現有的研究成果[26- 28],像元大小對MSPA景觀分類結果有顯著影響,像元過大會導致部分核心區域被分類為其他類型。本文基于30 m分辨率的landsat影像,將白洋淀水體區域分為7種形態類型,綜各種類型的時空變化,主要從整體上對白洋淀濕地的水文連通性進行了評價,但對個別小區域的連通性功能尚沒有談及。例如孤島濕地相當于生態網絡中的“生態跳島”,可為水鳥等物種提供暫時的棲息地,在生態功能可以起著生態媒介的作用[27],但是在基于MSPA模型與連通性指數的連通性分析中往往會忽略孤島濕地這一連通作用,而強調由于其造成的斑塊個數的增多致使的整體連通性的降低。故在今后的研究中可同過多種尺度對比研究,需深入研究不同尺度對連通性變化及空間形態演變機制的影響。并且與濕地類型的生態服務功能相結合,在基于生態服務價值的基礎上,對各景觀形態類型建立更加全面的連通性功能評估體系。

根據濕地形態學演變機制,濕地的保護應避免濕地破碎化尤其是保證核心濕地的完整性。退化濕地修復過程中,應盡量減少孤島濕地的存在或通過廊道濕地的修復與打造將其并入核心濕地。此外,應減少人為活動對濕地造成的破壞,避免白洋淀濕地水域以及沼澤地被其他用地代替,尤其是白洋淀邊緣地區耕地的擴張和中部各個農村居民點建設用地對濕地的蠶食。