北京市房山區(qū)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(xué)生命科學(xué)院，四川 南充637002；2 中國林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；3 北京市房山區(qū)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(zhì)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(gòu)成，包括景觀組成單元的類型、數(shù)量、形狀以及空間的分布與配置( 都劉寧等, 2018)，是各種生態(tài)過程在不同尺度上綜合作用的結(jié)果，可反映景觀組分分布受環(huán)境要素和干擾狀況綜合控制的基本特征( 陳利頂?shù)? 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(xué)乃至生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，在濕地研究中具有重要地位( 白軍紅等, 2005)，也是進(jìn)一步研究景觀功能和動態(tài)特征的重要基礎(chǔ)( 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(tài)過程間的相互關(guān)系，對系統(tǒng)剖析區(qū)域濕地資源特征，有效開展?jié)竦匾?guī)劃、保護(hù)及管理等意義重大( 王瑞山等, 2000)。

房山區(qū)位于北京市西南部，是北京市重要的生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)，為首都西南綠色生態(tài)屏障( 苗李莉等, 2013)。然而，近年來房山區(qū)雨洪災(zāi)害頻發(fā)，濕地景觀嚴(yán)重銳減，濕地生態(tài)問題日益凸顯( 張虹等, 2016)。厘清該地區(qū)濕地景觀特征不僅能夠促進(jìn)當(dāng)?shù)貪竦刭Y源的保護(hù)、恢復(fù)與建設(shè)，改善濕地質(zhì)量，提升濕地服務(wù)功能，還對促進(jìn)京津冀一體化( 孫博等, 2016)，實(shí)現(xiàn)綠色廊道跨區(qū)互聯(lián)互通具有重要而深遠(yuǎn)的影響( 呂金霞等, 2018)。

本文采用景觀指數(shù)和形態(tài)學(xué)模型分析方法分析房山區(qū)濕地景觀格局特征，認(rèn)識影響該地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)及功能的景觀因素，以期為該地區(qū)濕地的保護(hù)、規(guī)劃與管理提供科學(xué)依據(jù)，并為城市濕地資源管理、規(guī)劃及保護(hù)提供方法借鑒和研究參考。

1 研究區(qū)概況

房山區(qū)(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(qū)，南與河北省涿州市接壤，東部及東北部同大興區(qū)和豐臺區(qū)毗連，西鄰河北省淶水縣( 圖1)。全區(qū)總面積1 989.54 km2，東西長70 km，南北寬46.2 km，西北部為山區(qū)，東南部為平原，山區(qū)面積占全區(qū)總面積的65.7%，平原面積占全區(qū)總面積的34.3%。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 濕地調(diào)查

研究區(qū)濕地資源數(shù)據(jù)來自北京市房山區(qū)濕地資源調(diào)查數(shù)據(jù)，調(diào)查方法以《全國濕地資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程( 試行)》和《北京市濕地資源普查操作技術(shù)細(xì)則》為標(biāo)準(zhǔn)，采用以遙感(RS) 為主、地理信息系統(tǒng)(GIS) 和全球定位系統(tǒng)(GPS) 為輔的 “3S” 技術(shù)。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(diào)查、現(xiàn)地訪問和收集最新資料獲取水源補(bǔ)給狀況、主要優(yōu)勢植物種、土地所有權(quán)、保護(hù)管理狀況和受威脅因素等數(shù)據(jù)。

2.2 分析方法

2.2.1 濕地類型及面積統(tǒng)計(jì)依據(jù)《濕地公約》及《北京市濕地資源普查操作技術(shù)細(xì)則》統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域內(nèi)不同濕地類型的基本情況，計(jì)算不同濕地類型的面積和百分比，并分析研究區(qū)濕地資源的空間分布及特征，使用ArcMap 10.4 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖1 研究區(qū)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(shù)的計(jì)算基于景觀生態(tài)學(xué)理論，采用景觀指數(shù)分析研究區(qū)濕地在區(qū)域景觀和類型水平上的景觀格局特征，著重關(guān)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(xiàn)有的景觀指數(shù)較多，且許多指數(shù)間相關(guān)性較高。在參考前人研究的基礎(chǔ)上，本文選取了較為常用的幾種指數(shù)來進(jìn)行分析。計(jì)算不同濕地類型對應(yīng)的斑塊數(shù)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(shù)(largest patch index, LPI) 來反映景觀異質(zhì)性及破碎化特征( 表1)。景觀指數(shù)計(jì)算在Fragstats 4.2 軟件中完成。

2.2.3 形態(tài)學(xué)模型分析為進(jìn)一步識別研究區(qū)濕地景觀的空間特征，采用形態(tài)空間格局分析方法(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)(Soille et al, 2009) 來分析研究區(qū)主要濕地類型( 河流、水庫及水塘、坑塘) 的空間格局。形態(tài)空間格局分析基于圖像形態(tài)特征，能夠反映空間格局和識別連通性特征。此方法根據(jù)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(shù)據(jù)。前景區(qū)域被進(jìn)一步劃分為不同的形態(tài)要素，來表示不同的連通結(jié)構(gòu)，這些類型要素被定義為與核心及其周圍的關(guān)系，并具有生態(tài)學(xué)意義( 圖2、表2)。形態(tài)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(shù)及其生態(tài)學(xué)意義Table 1 Selected landscape indices and their ecological meanings

圖2 形態(tài)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(tài)空間格局及意義Table 2 The output types of MSPA and their meanings

3 結(jié)果與分析

3.1 房山區(qū)濕地資源概況

房山區(qū)濕地面積5 476.90 hm2，約占全區(qū)面積的2.75%。參照《濕地公約》濕地分類系統(tǒng)以及中國目前濕地調(diào)查和監(jiān)測所采用的濕地分類系統(tǒng)，房山區(qū)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(qū)濕地的61.62%，人工濕地2 101.70 hm2，約占全區(qū)濕地的38.37%。

按照《北京市濕地資源普查操作技術(shù)細(xì)則》，房山區(qū)濕地可劃分為8 種類型( 表3、圖1)。河流濕地是房山區(qū)濕地的主體，總面積3 226.60 hm2，約占全區(qū)濕地面積的58.91%，永定河、拒馬河、大石河及小清河是房山區(qū)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(qū)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(qū)還有少量的水稻田，全區(qū)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(qū)域，主要在長溝鎮(zhèn)和大石窩鎮(zhèn)( 表3、圖1)。

3.2 房山區(qū)濕地景觀特征

從全區(qū)濕地景觀來看，房山區(qū)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(shù)顯示：不同濕地類型的斑塊數(shù)間差異明顯，其中水塘、坑塘斑塊數(shù)量最多(33 個(gè))，其次河流濕地(22 個(gè)) 和水庫濕地(15 個(gè))( 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(qū)濕地景觀中的主導(dǎo)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(shù)指示了不同濕地類型的形狀異質(zhì)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(guī)則，其他類型較高的邊界密度指數(shù)則體現(xiàn)了這些類型斑塊的不規(guī)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(shù)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(qū)濕地景觀的重要組分。

3.3 房山區(qū)濕地景觀連通特征

基于形態(tài)學(xué)空間分析模型，將研究區(qū)主要的濕地劃分為7 種空間形態(tài)類型。發(fā)現(xiàn)核心類型約占研究區(qū)的64.46%，主要位于研究區(qū)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(qū)濕地中的重要地位，而研究區(qū)的其他河流所包含的核心類型面積較少，且多被截?cái)喾植肌Ｑ芯繀^(qū)域島形態(tài)學(xué)類型面積約占9.19%，僅次于核心和邊緣類型，反映出研究區(qū)內(nèi)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(tài)學(xué)空間類型( 橋、環(huán)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(huán)的面積，反映出研究區(qū)部分區(qū)域的連通性還有較大提升潛力( 表5)。

表3 房山區(qū)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(yīng)的景觀指數(shù)Table 4 Landscape indices for different wetland types

圖3 房山區(qū)主要濕地的形態(tài)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(fā)現(xiàn)，房山區(qū)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(zhì)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(qū)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(qū)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(qū)現(xiàn)有濕地主要分布在中東部及南部地區(qū)，西部地區(qū)、特別是西北部地區(qū)濕地分布偏少，布局極不協(xié)調(diào)。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(zhì)性較高；同時(shí)，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(tài)服務(wù)功能較為薄弱。房山區(qū)濕地能夠提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平低于同樣位于北京市外圍的密云區(qū)、門頭溝區(qū)及平谷區(qū)( 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(qū)濕地資源，增加濕地面積，提升濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和生態(tài)過程的連續(xù)性，增強(qiáng)濕地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能( 張志明等, 2013)。建成由保護(hù)區(qū)、保護(hù)小區(qū)、濕地公園和水源地保護(hù)區(qū)組成的濕地保護(hù)體系，形成布局合理、功能突出、特色多樣的濕地保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，確保區(qū)域生態(tài)安全和生態(tài)功能提升( 高士武, 2008)。

綜合使用景觀指數(shù)與形態(tài)學(xué)方法為濕地景觀格局研究提供了新思路。景觀指數(shù)是景觀格局分析最為普遍且常用的方法，但景觀指數(shù)較多，不同景觀指數(shù)間具有較大相關(guān)性，使得景觀指數(shù)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(tài)空間格局分析方法能夠展示空間情況，并與研究背景相結(jié)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(shù)和形態(tài)學(xué)方法的結(jié)果能夠相互佐證，從數(shù)量和空間分布兩方面闡明濕地景觀格局的特征。