莫莫格濕地景觀變化及對白鶴生境的影響

徐睿澤 高健峰

(中國地質大學(北京)，信息工程學院，北京，100083)

景觀格局是指景觀的空間結構特征，它既能表現景觀異質性，又能表明各種生態過程在不同尺度上作用的結果。掌握景觀格局動態變化是了解區域生態系統現狀、建設生態文明的重要環節[1]。其中景觀格局指數是研究景觀生態學的定量化方法，是衡量景觀格局動態變化的重要指標，是評估野生動物生境好壞的關鍵因素。基于景觀格局指數分析野生動物生境一直是研究熱點，其中秦立鑫[2]通過對比不同年份的達賚湖地區蒙原羚(Procapragutturosa)生境的景觀格局指數動態變化情況，揭示人類活動對其生境的影響，從而達到保護該地區蒙原羚的目的。劉伶[3]運用景觀生態學方法分析蘇北地區丹頂鶴(Grusjaponensis)越冬種群數量及棲息地動態變化，為保護丹頂鶴提出合理對策。

同樣濕地景觀格局的動態變化對鶴類(Gruidae)的生境具有直接影響，景觀格局動態決定著自然生態的過程，其中物種的分布及其多樣性和種群的生存能力在一定程度上受到斑塊大小、形狀和連接度的影響[4-5]。作為春秋季在莫莫格國家級自然保護區中停歇的主要物種——白鶴(Grusleucogeranus)，又名西伯利亞鶴、雪鶴，是國家Ⅰ級重點保護鳥類，在世界自然保護聯盟紅皮書中被列為極危等級，其種群數量在全世界約為3 800—4 000只[6]。同時，白鶴作為鶴類中對生存環境要求最特殊的種群，它對淺水濕地有較強的依賴性，需要較大面積的生存范圍、豐富的淡水資源食物來源以及合適的植被覆蓋度。

目前關于白鶴的生態特征[7]、種群食性[8-9]、種群現狀與救護[10-11]、種群遷徙[12-13]、活動行為[14]等方面展開了較為全面的研究，但從景觀尺度對白鶴停歇地生態環境的研究較少。相關文件的實行雖然加強了對濕地的保護和恢復力度，但隨著城鎮化建設的進程，每年濕地仍然出現減少趨勢。在這樣的情況下，濕地環境的變化是否會對白鶴選擇棲息地造成以及現有濕地的生態環境是否能滿足白鶴的生存要求等問題，是相關研究人員研究的重點。而作為中途停歇地，莫莫格濕地對于白鶴的遷徙速度和繁殖起到關鍵性作用[15]。因此本文將ENVI 5.3軟件作為遙感數據的分析工具，從時空尺度快速獲取近15年莫莫格濕地的土地覆蓋動態變化；利用FRAGSTATS 4.2軟件提取類別水平和景觀水平上的景觀格局指數，分析濕地景觀格局動態變化與白鶴數量變化和地理分布之間的內在聯系，對科學改善和恢復濕地、保護白鶴生境提供參考決策。

1 研究區概況

莫莫格國家級自然保護區(45°42′25″—46°18′0″N，123°27′0″—124°4′33.7″E)隸屬于吉林省白城市鎮賚縣，地處松遼沉降帶北段，松嫩平原西部邊緣。莫莫格自然保護區是典型的濕地類型保護區，稱為“吉林西部之腎”，其中濕地面積占全區總面積的80%以上，主要分為江河湖泊水域濕地、苔草小葉章(Deyeuxiaangustifolia)濕地、蘆葦(Phragmitesaustralis)沼澤濕地以及堿蓬(Suaedaglauca)草甸濕地。同時，該濕地包含了296種鳥類，其中116種夏候鳥在此處繁殖，尤以白鶴數量居多，是中國重要候鳥的繁殖地以及遷徙候鳥的停歇地，具有重要的保護和科研價值。莫莫格濕地屬于溫帶大陸性季風氣候，具有夏熱多雨、春旱風大的特點。該濕地的水利資源豐富且主要接納和承載嫩江、洮兒河、二龍濤河汛期行洪，起到蓄洪滯洪以及凈化水質的功能，可以有效地緩解洪水對下游松花江流域的威脅，降雨主要集中在6—8月，年降雨量達391.8 mm。從地理位置角度看，莫莫格濕地生態系統穩定完整，生物多樣性日漸豐富并且瀕危物種得到很好的保護，為建立濕地生物資源物種基因庫和珍稀鳥類棲息繁衍地提供了重要保障。莫莫格濕地具有優美的自然景觀，不可忽視的生態功能和經濟功能，因此應用遙感影像分析長時序下的土地類型變化以及景觀格局動態，對于監測保護該濕地，為白鶴提供更加適宜的生存環境，避免白鶴數量的大幅度減少是十分必要的。

2 數據獲取和預處理

本文以覆蓋白城市的Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI影像作為基礎數據，其中遙感影像數據均下載于https：//earthexplorer.usgs.gov/網站。為了準確獲得研究區景觀格局的動態變化特征，本文選取降水量變化較明顯并且植被生長較好月份的數據。經過篩選，最終選用的數據源包括2004年5月14日、2009年7月15日、2013年6月24日、2019年5月24日，4幅無云和陰影的清晰遙感影像。本文在ENVI 5.3軟件中對遙感影像進行幾何校正、彩色合成和掩膜裁剪的預處理工作。

(1)幾何校正 通過控制點法在影像上均勻選取50個易于識別的地面控制點，采用GSC_WGS_1984投影坐標系，采用多項式校正法進行幾何校正，保證校正誤差在0.5個像元之內。

(2)彩色合成 分別采用5、4、3波段和6、5、4波段組合對遙感影像進行彩色合成，合成后的影像更利于突出植被和水體特征。

(3)掩膜裁剪 將下載好的遙感影像和莫莫格濕地的矢量面文件導入ENVI 5.3軟件中，通過掩膜處理對鑲嵌的影像進行裁剪處理。

3 研究方法

3.1 土地覆蓋分類及精度評價

為了能夠有針對性地探究莫莫格地區土地類別及其變化對白鶴生境的影響，從而達到保護白鶴的目的，本文對該研究區近15年土地利用類型的變化進行分析。基于國內外學者關于濕地生態系統分類研究的成果[16-17]，同時考慮莫莫格自然保護區的植被和水文條件，結合遙感影像的同時將地形圖和土壤圖作為分類的輔助數據。運用R語言的隨機分層采樣(stratified-random-sample)技術在遙感影像上進行隨機采樣，建立以色調、形態和紋理為基礎的解譯標志，將采樣點的70%作為訓練樣本，剩余的30%作為驗證樣本。將研究區劃分為濕地和非濕地兩部分，其中濕地包括湖泊、河流、水庫、沼澤，非濕地包括草地、耕地、鹽堿地、居民地。本文采用支持向量機的分類算法對該研究區進行土地覆蓋分類，利用ENVI 5.3軟件計算混淆矩陣得到總體精度和Kappa系數，對分類結果進行精度評價。

3.2 景觀格局動態分析

人類活動和自然環境是景觀格局時空分異的主要驅動力[18]。隨著人類活動的強度增加、范圍擴大，會使景觀格局發生一定的轉變[19]，其中景觀格局破碎化是野生動物生境破碎化的內部表現[20]，也是探究白鶴適宜生境因素的重要方法之一。本文利用4期土地利用分類的結果，通過FRAGSTATS 4.3軟件計算景觀格局指數，定量分析莫莫格自然保護區的景觀格局演變特征。本文分別從類別水平(CLASS LEVEL)和景觀水平(LANDSCAPE LEVEL)兩級選取指數，從而反映不同斑塊類型的特征和斑塊間的相互關系。在類別水平上，本研究選取每類斑塊所占景觀面積比(PLAND)，斑塊密度(PD)，周長面積分維數(PAFRAC)3個指數。類別水平上選取的3個指數旨在探究莫莫格生境的景觀破碎度，景觀構造以及景觀空間的異質性程度，從而分析白鶴在該區域的適宜生境規律。在景觀水平上，本研究選取香農多樣性指數(SHDI)，蔓延指數(CONTAG)，景觀形狀指數(LSI)，最大斑塊指數(LPI)4個指數。研究在景觀水平上選取的4個指數旨在從整體上，探究莫莫格地區白鶴生境的破碎度、連通性以及不提供斑塊的聚集程度。

4 結果與分析

4.1 莫莫格自然保護區土地覆蓋變化分析

運用ArcGIS 10.2軟件對基于支持向量機分類算法的分類結果進行細碎斑塊的修正處理，最終得到4個時期莫莫格濕地的土地利用分類圖(圖2)。計算混淆矩陣后發現分類的總體精度均大于85%，分類結果均被認為滿足研究需求，能較準確地從時間尺度上明確該研究區土地覆蓋的變化情況。

通過分析土地利用類型的變化，可以了解該研究區的土地利用結構和土地覆蓋變化的總趨勢，也是衡量白鶴生境的重要因素。通過表1可以看出在時間尺度上該地區土地利用類型的變化特點。總體上看，2004—2019年，該地區的濕地總面積呈增長趨勢，從500.4 km2增長到628.4 km2。根據研究發現，水資源面積的變化是影響白鶴聚集的關鍵性因素。由表1，莫莫格地區的河流因不同年份和月份的水量不同，呈現一定幅度的波動，水庫的面積總體上呈現增長態勢，湖泊的面積從2009年開始呈現大幅度增長，沼澤濕地在2004年的面積為260.3 km2，2019年為382 km2，增加的幅度達到46.8%。根據統計數據也可以發現沼澤和水資源面積的增長，吸引著遷徙的白鶴群在此地區聚集。非濕地的總面積總體呈遞減趨勢，其中草地面積大幅度減少，主要是由于不合理的人類活動導致草地的質量下降。但近些年關于保護區政策的不斷改進，退耕還草的意識深入民心，對于生態環境的保護起到指導作用，同時鹽堿地面積的穩步下降也體現了該研究區水土保持良好。由此可見在自然因素和相關政策的調整下，莫莫格濕地的生態環境愈發適宜白鶴棲息。作為中途休憩地，該地區的生境能夠為白鶴遷徙和繁殖中所需的食物補充和能量累積提供必要保障。

表1 2004—2019年莫莫格自然保護區土地利用面積Tab.1 Land use area of Momoge Nature Reserve，2004-2019

4.2 莫莫格自然保護區景觀格局指數變化分析

4.2.1 類別水平的指數變化

類別水平的景觀格局指數用于分析研究區內每種斑塊類型的景觀特征。從PD 指數(圖3)看耕地、草地、鹽堿地有較大幅度的波動但總體呈減少趨勢，而居民地呈現增加趨勢，從6.11個/km2增加到9.89個/km2，河流、水庫、湖泊和沼澤的波動較穩定但總體呈增加趨勢。可見濕地PD指數的增加說明濕地的破碎度緩慢增加，而濕地破碎度的增加會導致白鶴的棲息地碎片化，從而導致整個區域內白鶴棲息地面積的緩慢減少。而非濕地的PD值除居民地外均稍有減少說明其破碎度變化不明顯。從PAFRAC指數(圖3)看耕地、鹽堿地和居民地總體呈增加趨勢，且數值更接近于2，表明非濕地斑塊的形狀趨于復雜化，而河流、水庫、湖泊和沼澤均呈現降低趨勢且數值更接近于1，說明濕地斑塊的形狀趨于簡單化。這也從側面反映出白鶴棲息地的破碎度在緩慢增加，這也是該研究區近幾年白鶴種群在數量上并未出現大幅上升的原因之一。從PLAND指數(圖3)看耕地、草地和鹽堿地總體呈現下降趨勢，說明非濕地的面積占整個研究區面積的比例減少，而河流和水庫的數值略減少，但湖泊和沼澤的數值大幅度增加，說明濕地的面積占整個研究區面積的比例增加，進一步說明濕地面積呈增加態勢。也從側面驗證了4.1中整體濕地面積的增加對該研究區的生境趨于適宜白鶴停歇起到促進作用。

4.2.2 景觀水平的指數變化

景觀水平的景觀格局指數用于分析整個研究區的景觀特征，景觀破碎化格局的分析有助于了解濕地發展階段的景觀格局演變規律。LPI(圖4)呈現先增加后減小的趨勢，在2009年達到最高8.44%，總體上LPI僅減少了0.22%，可以看出LPI值較為穩定，從而說明整個區域在近幾年呈現較為穩定的生態狀況，是十分有利于白鶴在此地的棲息和繁殖。LSI(圖4)總體呈現降低趨勢，2013年最低為172.53，其數值總體減少3.31，減幅為1.9%，LSI的減少說明景觀系統的斑塊形狀趨于簡單。CONTAG(圖4)總體呈現小幅度的增長，在2019年增長到峰值34.42，該指數的增長說明了該研究區景觀系統的斑塊聚集程度高，連通性好。尤其對于濕地斑塊，聚集度越高就更能為白鶴種群提供廣闊且集聚的生存環境。SHDI(圖4)總體先減后增加，并在2004年和2019年數值相等，在未來會有繼續增長的趨勢。由以上指標的變化情況可以看出，近15年莫莫格自然保護區總體呈景觀破碎度增加，斑塊形狀趨于簡單，不同斑塊間連通性好的趨勢。同時結合遙感影像可以發現，莫莫格自然保護區的濕地主要集中在區域的東部和西南部，兩個區域濕地中水資源的范圍在不斷擴大，為白鶴在此地棲息提供了良好的生態環境。

4.3 景觀格局動態變化對白鶴生境的影響

莫莫格濕地是白鶴遷徙途中重要的棲息地，為白鶴提供豐富的食物來源。其中濕地面積和景觀格局的動態變化很大程度上影響著生境的變化，同時也影響著白鶴種群數量的多少。其中景觀格局的動態變化是通過改變白鶴種群的結構和活動分布從而影響白鶴種群數量。因此，掌握濕地景觀的演變過程，才能為現有濕地的保護和被破壞濕地的恢復提供理論依據，進而滿足白鶴對生境的需求條件。基于上述景觀格局動態變化的分析可以發現，濕地景觀間連通性在逐年增加，同時水庫和湖泊面積占比的逐年增加，為該區域植物生長帶來充足的水分和營養物質，提高了該區域的植被覆蓋度，同時也保證了白鶴種群的充足食物來源。通過實地調查發現，白鶴在停歇時更喜歡選擇范圍大且距離間隔遠的濕地駐足，挺水植物帶及軟泥區是白鶴的主要生境，而該研究區濕地破碎度的逐年增加，導致莫莫格保護區斑塊間空間異質性的增強，也嚴重制約著白鶴種群在棲息地的空間分布格局。可見，作為白鶴遷徙途中的驛站，莫莫格濕地景觀格局上的逐年優化為大批白鶴提供廣闊的空間和充足的食物。

5 討論

白鶴是喜歡在沼澤中活動的濕地鳥類，該種群對于棲息地的選擇具有高度不變性和依賴性，因此一旦該種群遷徙過程中用于補充能量的停歇處的生態系統遭到破壞，會對整個白鶴種群的數量造成極大的威脅。因此通過提高白鶴生境來保證種群順利遷徙和維持種群數量是十分迫切的工作。根據調查發現，在莫莫格自然保護區休憩的白鶴數量從最初的幾百只逐年增加至如今的上千只，其中在2008年白鶴種群的數量為2 148只，也是該研究區春季遷徙首次突破2 000只，這與濕地生態環境質量的提高息息相關。基于上述研究發現，在土地覆蓋動態變化方面，該地區濕地的面積在逐年增加，大面積食物充足的濕地吸引著越來越多的白鶴在此駐足。當地相關部門實施引水保濕、退耕還草等一系列的措施同樣為擴大白鶴棲息地面積，改善棲息地環境提供保障。在景觀格局指數變化方面，該地區濕地形狀趨于簡單化，不同類型的斑塊間高度聚集、連通性好，高濕地破碎化程度的增加與居民地面積的擴大存在一定的正相關性。根據本文對保護區土地格局時空變化的分析中發現，未來幾年內該研究區的濕地面積可能會呈現緩慢的增長趨勢，景觀破碎化的程度會趨于平穩甚至出現緩慢下降的趨勢。

根據衛星跟蹤數據可知，夜間的遷徙行為在白鶴群體中是常見的，大于80%的跟蹤個體均存在此行為。其中，SC07號個體曾經歷了32 h的遷徙，遷徙距離為1 299 km。而這種遷徙現象所耗費的能量是需要白鶴在遷徙中消耗較長時間去補充的[21]。而莫莫格保護區正是白鶴需要補充能量的重要地區，因此該研究區的生境對于白鶴具有重要意義。現在的莫莫格自然保護區擁有強大的生態潛力，保護區內資源豐富，如果濕地遭到破壞會直接影響生態的持續發展，造成恢復緩慢甚至難以恢復的局面。因此通過遙感和GIS的手段獲取有關研究區生態變化的數據，對于監測和預測保護區環境變化提供重要依據，保證可持續發展戰略的有效實施。根據調查發現，當地人們以捕魚為生，春季時大量的漁網作業會導致對白鶴的誤傷，因此在保證當地經濟發展需求的同時，更應該加強科普宣教，使保護生態環境、保護白鶴的意識深入人心。

其他研究者通過研究白鶴生境發現，白鶴是最依賴淺水濕地(水深小于30 cm)生存的鶴類[22]，因此通過分析研究區降水量數據和水泡深度的年際變化情況，能更深入地了解水資源的變化對于白鶴生境的影響，是本文后續探究的方向。莫莫格國家級自然保護區周邊有2個非保護體系下的白鶴遷徙休歇地，由此更提醒濕地保護人員加強對莫莫格濕地周邊環境的保護，劃定更大范圍的保護區面積，為承載更多白鶴做準備。