北京市房山區濕地景觀格局研究

龔明昊 文菀玉 張偉 趙乾龍 王嘉晨 李惠鑫 劉剛 梁國靖 王宇航*

(1 西華師范大學生命科學院，四川 南充637002；2 中國林業科學研究院濕地研究所，濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室，北京 100091；3 北京市房山區園林綠化局，北京 102401；4 中林森旅控股有限公司，北京 100129)

廣義上濕地景觀是指從微觀到宏觀不同尺度上具有空間異質性或綴塊性的濕地單元( 白軍紅等, 2005)。濕地景觀格局由大小和形狀不一的濕地斑塊在空間上排列構成，包括景觀組成單元的類型、數量、形狀以及空間的分布與配置( 都劉寧等, 2018)，是各種生態過程在不同尺度上綜合作用的結果，可反映景觀組分分布受環境要素和干擾狀況綜合控制的基本特征( 陳利頂等, 2014)，對景觀的功能和過程有著重要影響(Turner, 1989)。

濕地景觀格局研究是濕地科學乃至生態學的熱點研究領域，在濕地研究中具有重要地位( 白軍紅等, 2005)，也是進一步研究景觀功能和動態特征的重要基礎( 宮兆寧等, 2011)。濕地景觀格局分析能夠量化各濕地景觀組分的空間分布狀況，厘清景觀格局和生態過程間的相互關系，對系統剖析區域濕地資源特征，有效開展濕地規劃、保護及管理等意義重大( 王瑞山等, 2000)。

房山區位于北京市西南部，是北京市重要的生態涵養發展區，為首都西南綠色生態屏障( 苗李莉等, 2013)。然而，近年來房山區雨洪災害頻發，濕地景觀嚴重銳減，濕地生態問題日益凸顯( 張虹等, 2016)。厘清該地區濕地景觀特征不僅能夠促進當地濕地資源的保護、恢復與建設，改善濕地質量，提升濕地服務功能，還對促進京津冀一體化( 孫博等, 2016)，實現綠色廊道跨區互聯互通具有重要而深遠的影響( 呂金霞等, 2018)。

本文采用景觀指數和形態學模型分析方法分析房山區濕地景觀格局特征，認識影響該地區濕地生態系統及功能的景觀因素，以期為該地區濕地的保護、規劃與管理提供科學依據，并為城市濕地資源管理、規劃及保護提供方法借鑒和研究參考。

1 研究區概況

房山區(115°25′～116°15′ E，39°30′～39°55′ N)位于北京市西南部，華北平原與太行山山脈交界處，北鄰門頭溝區，南與河北省涿州市接壤，東部及東北部同大興區和豐臺區毗連，西鄰河北省淶水縣( 圖1)。全區總面積1 989.54 km2，東西長70 km，南北寬46.2 km，西北部為山區，東南部為平原，山區面積占全區總面積的65.7%，平原面積占全區總面積的34.3%。

2 數據與方法

2.1 濕地調查

研究區濕地資源數據來自北京市房山區濕地資源調查數據，調查方法以《全國濕地資源調查技術規程( 試行)》和《北京市濕地資源普查操作技術細則》為標準，采用以遙感(RS) 為主、地理信息系統(GIS) 和全球定位系統(GPS) 為輔的 “3S” 技術。通過遙感解譯獲取濕地型、面積、地理信息、海拔、植被類型及所屬3 級流域等信息。通過地面調查、現地訪問和收集最新資料獲取水源補給狀況、主要優勢植物種、土地所有權、保護管理狀況和受威脅因素等數據。

2.2 分析方法

2.2.1 濕地類型及面積統計依據《濕地公約》及《北京市濕地資源普查操作技術細則》統計研究區域內不同濕地類型的基本情況，計算不同濕地類型的面積和百分比，并分析研究區濕地資源的空間分布及特征，使用ArcMap 10.4 軟件進行統計。

圖1 研究區地理位置及濕地類型空間分布Fig.1 Location of the study area and spatial distribution of wetland types

2.2.2 景觀指數的計算基于景觀生態學理論，采用景觀指數分析研究區濕地在區域景觀和類型水平上的景觀格局特征，著重關注自然濕地類型( 河流濕地、蓮池、水庫濕地及稻田) 的景觀格局特征。由于現有的景觀指數較多，且許多指數間相關性較高。在參考前人研究的基礎上，本文選取了較為常用的幾種指數來進行分析。計算不同濕地類型對應的斑塊數量(number of plaques, NP)、斑塊面積(class area, CA)、平均斑塊面積(mean patch area, MPS)、邊界密度(edge density, ED) 及最大斑塊數(largest patch index, LPI) 來反映景觀異質性及破碎化特征( 表1)。景觀指數計算在Fragstats 4.2 軟件中完成。

2.2.3 形態學模型分析為進一步識別研究區濕地景觀的空間特征，采用形態空間格局分析方法(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)(Soille et al, 2009) 來分析研究區主要濕地類型( 河流、水庫及水塘、坑塘) 的空間格局。形態空間格局分析基于圖像形態特征，能夠反映空間格局和識別連通性特征。此方法根據識別的類別是否存在( 本研究中為濕地/ 非濕地) 采用二元圖像( 包括前景和背景) 作為輸入數據。前景區域被進一步劃分為不同的形態要素，來表示不同的連通結構，這些類型要素被定義為與核心及其周圍的關系，并具有生態學意義( 圖2、表2)。形態空間格局分析采用GUIDOS 軟件分析獲得(Vogt et al, 2017)。

表1 選取的景觀指數及其生態學意義Table 1 Selected landscape indices and their ecological meanings

圖2 形態空間格局分析濕地/ 非濕地空間格局示意圖Fig.2 Illustration of MSPA applied on a wetland/non-wetland image

表2 輸出的形態空間格局及意義Table 2 The output types of MSPA and their meanings

3 結果與分析

3.1 房山區濕地資源概況

房山區濕地面積5 476.90 hm2，約占全區面積的2.75%。參照《濕地公約》濕地分類系統以及中國目前濕地調查和監測所采用的濕地分類系統，房山區濕地分為自然濕地和人工濕地2 類，其中天然濕地3 375.20 hm2，約占全區濕地的61.62%，人工濕地2 101.70 hm2，約占全區濕地的38.37%。

按照《北京市濕地資源普查操作技術細則》，房山區濕地可劃分為8 種類型( 表3、圖1)。河流濕地是房山區濕地的主體，總面積3 226.60 hm2，約占全區濕地面積的58.91%，永定河、拒馬河、大石河及小清河是房山區所有河流濕地的干流，為主要河流；水庫濕地面積1 549.80 hm2，約占全區濕地面積的28.30%，主要有大寧水庫、崇青水庫、天開水庫、龍門口水庫、牛口峪水庫。房山區還有少量的水稻田，全區稻田面積為10.30 hm2，大多分布在離河流、水渠和水庫等水源較近的區域，主要在長溝鎮和大石窩鎮( 表3、圖1)。

3.2 房山區濕地景觀特征

從全區濕地景觀來看，房山區濕地最大斑塊面積1 230.71 hm2，最小斑塊面積0.12 hm2，斑塊間面積差異較大。不同濕地類型的景觀指數顯示：不同濕地類型的斑塊數間差異明顯，其中水塘、坑塘斑塊數量最多(33 個)，其次河流濕地(22 個) 和水庫濕地(15 個)( 表4)。不同濕地類型斑塊類型面積和平均斑塊面積也差異較大，河流濕地的斑塊類型面積和平均斑塊面積最大，分別為3 226.60 hm2和140.06 hm2，其后為水庫濕地，顯示出這兩種濕地類型在房山區濕地景觀中的主導地位。水塘、坑塘的斑塊類型面積較大(244.10 hm2)，但其平均斑塊面積卻較小(2.80 hm2)，說明水塘、坑塘具有較為破碎的特征。邊界密度指數指示了不同濕地類型的形狀異質性特征，其中水庫的邊界密度較小(4 817.31 m/100 hm2)，反映出其形狀較為規則，其他類型較高的邊界密度指數則體現了這些類型斑塊的不規則和破碎特征，水塘、坑塘的邊界密度最大(101 365.01 m/100 hm2)。河流濕地和水庫濕地的最大斑塊指數較高，分別為25.30% 和19.22%，而其他類型均低于1.2%，再次反映出河流濕地和水庫濕地為研究區濕地景觀的重要組分。

3.3 房山區濕地景觀連通特征

基于形態學空間分析模型，將研究區主要的濕地劃分為7 種空間形態類型。發現核心類型約占研究區的64.46%，主要位于研究區的永定河、大石河和拒馬河及其周邊水庫( 圖1、圖3)，反映出這3條河流濕地在研究區濕地中的重要地位，而研究區的其他河流所包含的核心類型面積較少，且多被截斷分布。研究區域島形態學類型面積約占9.19%，僅次于核心和邊緣類型，反映出研究區內有較多破碎化且面積較小的濕地景觀。濕地景觀間連通的形態學空間類型( 橋、環及分支) 面積均不足6%，說明濕地類型間的連通性較低。然而，分支的面積(5.84%)要高于橋和環的面積，反映出研究區部分區域的連通性還有較大提升潛力( 表5)。

表3 房山區主要濕地類型、面積及分布Table 3 Major wetland type, area and distribution within Fangshan district

表4 不同濕地類型對應的景觀指數Table 4 Landscape indices for different wetland types

圖3 房山區主要濕地的形態空間格局Fig.3 Spatial pattern of MSPA types on Fangshang district

表5 不同濕地空間格局類型的比例Table 5 Area proportion for different wetland spatial pattern types

4 討論

研究發現，房山區濕地資源總量偏低、類型簡單、空間布局不合理，濕地斑塊間異質性較高、面積差異較大，受威脅因素多樣及治理難度大。房山區濕地面積占比(2.75%) 低于北京市濕地平均水平( 占比3.1% )( 陳海燕等, 2011)。房山區濕地類型較為簡單，河流和水庫比例較大，其它類型比例較少。房山區現有濕地主要分布在中東部及南部地區，西部地區、特別是西北部地區濕地分布偏少，布局極不協調。除拒馬河、大石河幾條大干流和崇青水庫為較大的濕地斑塊外，其余濕地面積都較小，濕地的景觀異質性較高；同時，濕地斑塊較為破碎，同類型濕地之間和不同類型濕地之間的連通性都較低，生態服務功能較為薄弱。房山區濕地能夠提供的生態系統服務水平低于同樣位于北京市外圍的密云區、門頭溝區及平谷區( 苗李莉等, 2013)，特別是在生境維持方面( 張彪等, 2007)。合理布局房山區濕地資源，增加濕地面積，提升濕地生態系統結構的完整性和生態過程的連續性，增強濕地生態系統的服務功能( 張志明等, 2013)。建成由保護區、保護小區、濕地公園和水源地保護區組成的濕地保護體系，形成布局合理、功能突出、特色多樣的濕地保護網絡，確保區域生態安全和生態功能提升( 高士武, 2008)。

綜合使用景觀指數與形態學方法為濕地景觀格局研究提供了新思路。景觀指數是景觀格局分析最為普遍且常用的方法，但景觀指數較多，不同景觀指數間具有較大相關性，使得景觀指數在選取過程中可能會具有較大的主觀性( 鄔建國, 2007; Vogtet al, 2007)，也往往缺乏空間特征的顯示與表征。形態空間格局分析方法能夠展示空間情況，并與研究背景相結合(Vogt et al, 2009; Riitters et al, 2007)，為景觀格局特征的分析提供了1 種簡潔且直觀的方式。景觀指數和形態學方法的結果能夠相互佐證，從數量和空間分布兩方面闡明濕地景觀格局的特征。