银川平原沙湖湿地景观多样性变化特征
Characteristics of Landscape Diversity of Shahu Wetland in Yinchuan Plain
DOI: 10.12677/IJE.2022.112015, PDF, HTML, XML, 下载: 33  浏览: 442 
作者: 吴成丹, 刘曼红*:东北林业大学,黑龙江 哈尔滨;翟 昊:宁夏林业和草原局,宁夏 银川;马 杰, 李 媛:北京中林国际有限公司,北京
关键词: 湖泊湿地景观多样性沙湖Lake Wetland Landscape Diversity Shahu Lake
摘要: 为了研究宁夏银川平原沙湖湿地景观多样性的变化,在RS和GIS技术的支持下,从景观格局的角度分析了沙湖2015~2020年的景观分布格局。结果表明,2015,2020年沙湖湿地总体面积没有发生较大变化,边界和面积基本保持完整,水面和水量基本保持稳定,区域内植物变化较为明显。自然裸地面积减少,农耕地、人工设施面积减少;沙湖湿地景观破碎化程度降低,景观类型之间分离程度增加,景观类型的多样性和均质性有所增加,湖泊水面优势度下降。
Abstract: In order to study the changes in landscape diversity of Shahu wetland in Yinchuan Plain, the landscape distribution pattern of Shahu from 2015 to 2020 was analyzed from the perspective of landscape pattern with the support of RS and GIS technology. The results showed that the overall area of Shahu wetland has not changed greatly from 2015 to 2020, the boundary and area remained basically complete, the water surface and water volume remained basically stable, and the plant changes in the region were obvious. The area of natural bare land decreased, and the area of agricultural land and artificial facilities decreased. The fragmentation degree of Shahu wetland landscape decreased, the separation degree between landscape types increased, the diversity and homogeneity of landscape types increased, and the dominance of lake water surface decreased.
文章引用:吴成丹, 翟昊, 马杰, 李媛, 刘曼红. 银川平原沙湖湿地景观多样性变化特征[J]. 世界生态学, 2022, 11(2): 109-119. https://doi.org/10.12677/IJE.2022.112015

1. 引言

景观多样性变化已成为景观生态学家讨论的热门话题 [1]。并且对景观多样性的研究在土地利用规划、景观评价与设计、野生动植物保护和自然保护区建设等方面有着重要意义 [2] [3]。傅伯杰认为,景观多样性研究可按斑块、类型和格局进行,斑块的数量、大小和斑块形状,景观类型的性质、多少和比例以及景观类型的空间分布、斑块与斑块之间的空间关联性和功能联系性是景观多样性研究考虑的主要要素,景观多样性对于物质迁移、能量交换、生产力水平、物种分布、扩散和动物觅食有重要影响 [4]。

目前关于景观格局动态变化的研究多集中于东部平原湖泊湿地和南方湖泊湿地。如谭志强等通过决策树分类及高斯回归的方法定量评估了三峡工程运行前后,鄱阳湖和洞庭湖湿地景观格局的演变特征及其差异性 [5];朱红豆等通过选取景观多样性、景观优势度、景观均匀度、景观破碎度等指标在景观水平上分析研究了近30年来东平湖湿地景观格局的动态变化特征 [6];郭玉静等通过划定湖泊湿地湖滨带缓冲区域,运用秩相关分析和冗余分析研究湖滨带景观格局变化对普者黑岩溶湖泊湿地水质的影响 [7]。温玉玲等采用土地利用转移矩阵、景观格局指数等方法探究了鄱阳湖环湖区近30年来土地利用与景观格局变化特征 [8]。朱颖等对4个时期太湖流域湿地景观格局动态变化进行研究,并分析“退田还湖”工程实施前后湿地ESV变化规律,探讨工程对湿地生态效益的影响 [9]。马国强等通过监督分类和目视解译相结合的方式,将遥感影像解译,对景观指数定量分析并对驱动力进行探讨,分析研究了2012~2019年云南异龙湖景观格局时空变化及驱动因素 [10]。但对于西北干旱半干旱湖泊湿地景观格局变化的研究还不多见,且只侧重于对景观格局几何特征的简单分析和描述 [11] [12]。因此本文对宁夏沙湖湿地2015~2020年景观格局演变进行研究,旨在为将来湖泊景观监测、保护管理对策和过程评估方法等提供参考。

2. 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1. 研究区域概况

银川平原位于宁夏回族自治区,是在新生代断陷盆地基础上发育起来的冲洪积平原,是“一带一路”和生态安全屏障的重要节点之一。它属于中温带典型的大陆性气候,是宁夏湖泊和湿地分布最集中的地区 [13]。沙湖是宁夏平原上典型的湿地湖泊,在区域经济和社会发展中发挥着重要的生态作用。

沙湖位处1999年建立的宁夏石嘴山市平罗县西南部沙湖自然保护区内,地理坐标为106˚19'6''E~ 106˚24'10''E,38˚45'17''N~38˚49'42''N,面积1494 hm2,海拔1020 m,沙湖是封闭型城市湖泊,常年无自然生态基流补水,无输出水道;由于蒸发量大,每年都需要通过从黄河人工补水维持水位,多年沉积;同时,还受旅游开发与周边农业、工业活动的影响,水质逐渐恶化。为改善沙湖水质,截至2020年,已实施了多项综合治理措施,如:建立绿化隔离沟、氧化塘,河底清淤,抽排受污染水、补黄河水,退渔、退耕还湿等 [14]。

2.2. 数据来源

本研究主要数据源包括影像数据有2008、2009年丰水期的CBERS卫星CCD相机数据,部分SPOT5和LandsatTM数据,2015年夏季、2016年夏季高分1号数据,2017年高分2号数据,2018、2019年资源3号卫星数据中截取沙湖影像,影像均为正射影像,层次丰富、纹理清晰、色调均匀、反差适中,云量≤10%,分辨率20~1米,其中2015年以后的影像数据分辨率≥2.5 m,并进行几何精校正、波段组合、图像增强和图像镶嵌预处理,通过DEM进行地形校正,统一转换为大地2000坐标,1985国家基准高程(如图1)。为了可保持研究一致性和延续性,将湖泊湿地按类型、斑块分类,类型根据生态特征分为10个,调用沙湖“国土三调”数据与宁夏湿地产权确权数据进行套嵌,然后将相关地类从新归类,并用Arcgis10.8软件勾图,用frastats4.2软件计算景观指数。2020年6~9月,分景观类别同一地点实地拍摄景观、地物,实地拍摄使用大疆无人机,建立解译标志,采取分组2次不同人员分别判读、互相验证的方法,减少随机误差,沙湖湿地景观综合正判率达到90%以上。景观格局分类如表1,分为湖泊水面、沉水植被、浮水植被、挺水植被、湖滨草地、灌木林地、乔木林地、自然裸地、农耕地和人工设施十种类型。

Figure 1. Remote sensing images of Shahu in recent ten years

图1. 近十年沙湖遥感影像

Table 1. List of Shahu wetland landscape types

表1. 沙湖湿地景观类型一览表

2.3. 研究方法

近年来,许多学者致力于景观生态系统空间特征的测量和指标体系的建立,产生了许多景观格局评价指标 [15] [16]。本文通过景观斑块密度(PD)、平均斑块分维数(FRAC_MN)、分离度指数(SPLIT)、景观多样性指数(SHDI)、景观均匀度指数(SHI)和景观优势度指数(D)分析景观格局演变特征。

2.3.1. 确定沙湖湿地景观边界

以2016、2017年宁夏湿地产权确权试点数据中的湖泊湿地斑块的边界为基准,以2010年全国第二次湿地资源调查—宁夏区调查中划定的湖泊湿地斑块的边界为补充,确定沙湖的边界数据。

2.3.2. 明确沙湖湿地景观组分

明确各类型景观格局分类和要素斑块组成,将沙湖湿地景观分为10类。

2.3.3. 勾画景观组分

结合实地调查,使用Arcgis10.8在2015、2020年影像图上勾绘景观组分,并分别计算面积。

2.3.4. 计算景观指数

运用fragstata4.2软件计算2015年和2020年景观指数。

1) 景观的斑块密度(PD)

景观斑块密度(PD)是指一个景观类型中不同斑块数量的个体分布分离度 [17]。计算公式如下:

PD = i = 1 m n i / A (1)

PD为斑块密度,n为斑块的总个数,i为斑块类型,A为景观的总面积。

2) 平均斑块分维数(FRAC_MN)

分维数是指利用分形理论测量单个斑块的形状复杂度,平均斑块分维数是所有斑块分形维数的算术平均值 [18]。计算公式如下:

F R A C _ M N = i = 1 m j = 1 n 2 ln ( 0.25 P i j ln a i j ) / N (2)

FRAC_MN为平均斑块分维数,Pij为斑块ij的周长,aij为斑块ij的面积,N为景观中斑块的总数量,m为景观类型数量,n为某类景观类型的斑块数。一般分维数指标处于1~2,越靠近1,斑块的形状越简单,越靠近2,斑块的程度越复杂。

3) 分离度指数(SPLIT)

景观分离度指某一景观类型中不同斑块数个体分布的分离度 [19]。计算公式如下:

F i = D i / S i , D i = 1 / 2 n / A , S i = A i / A (3)

D为斑块的分离度,Si为景观类型的面积指数,Ai为斑块类型i的面积,A为景观的总面积,i为斑块类型,n为斑块的总个数。

4) 景观多样性指数(SHDI)

景观多样性指数是指景观元素或生态系统在结构、功能以及随时间变化方面的多样性,它反映了绿地景观类型的丰富度和复杂度 [20]。计算公式如下:

H = i = 1 m P i ln P i (4)

H为多样性指数;Pi为景观类型i所占面积比例;m为景观类型数量;

5) 景观均度指数(SHEI)

景观均匀度指数(SHEI)反映的是景观中的各斑块在面积分布上的均匀程度,通常用多样性指数与它的最大值之比来表示 [21],计算公式如下:

E = ( H / H max ) 100 % (5)

E为景观均匀度指数, H max = log ( m ) ,Hmax为最大多样性指数。

6) 景观优势度指数(D)

景观优势度指数(D)表示景观多样性对最大景观多样性指数的偏离程度,或描述景观由少数几个斑块类型控制的程度,它与多样性指数相反,是多样性指数的最大值与实际计算值之差 [22],其值越大,表明该区域斑块的种类与面积比差异越大。计算公式如下:

D = H max + i = 1 m ( P i × ln P i ) (6)

D为景观优势度指数,Hmax为最大多样性指数,Pi为景观类型i所占面积比例。

3. 结果与分析

3.1. 沙湖湿地的景观特征

2015年,2020年沙湖湿地均分布有上述10个景观类型,分别有斑块632个,415个,如图2。2015年、2020年沙湖湿地各景观类型的斑块数量、面积,斑块数量变化、景观类型面积变化如表2

Figure 2. Distribution of wetland patches in Shahu in 2015 and 2020

图2. 2015年、2020年沙湖湿地斑块分布图

Table 2. The statistics of landscape types, patches and areas of Shahu in 2015 and 2020

表2. 2015年、2020年沙湖湿地景观类型斑块、面积统计

与2015年对比,湖泊水面、沉水植被、挺水植被、乔木林地、农耕地、人工设施的斑块数量减少,湖滨草地、自然裸地斑块数量增加,浮水植被和灌木林地的斑块数量没有变化。湖泊水面、浮水植被、挺水植被、乔木林地、自然裸地的斑块面积减少,沉水植被、湖滨草地、灌木林地、农耕地和人工设施的斑块面积增加。

计算10个景观类型的斑块密度(PD)、平均斑块分维数(FRAC_MN)、分离度指数(SPLIT),如表3

Table 3. Statistics of PD, FRAC_MN and SPLIT of each landscape types in Shahu in 2015 and 2020

表3. 沙湖湿地2015、2020年各景观类型的斑块密度、平均斑块分维数、分离度指数统计

与2015年对比,湖泊水面、沉水植被、挺水植被、乔木林地、农耕地、人工设施的斑块密度减少,湖滨草地、自然裸地的斑块密度增加,浮水植被和灌木林地的斑块密度没有变化。湖泊水面、挺水植被、湖滨草地、乔木林地、农耕地的平均斑块分维数下降,浮水植被、自然裸地、人工设施的平均斑块分维数增加。沉水植被、挺水植被、湖滨草地、灌木林地、农耕地、人工设施的分离度指数下降,湖泊水面、浮水植被、乔木林地、自然裸地的分离度指数上升。

分别计算沙湖湿地景观的斑块密度(PD)、平均斑块分维数(FRAC_MN)、分离度指数(SPLIT)、景观多样性指数(SHDI)、景观均度指数(SHEI)、景观优势度指数(D),如表4

Table 4. Indice list of PD, FRAC_MN, SPLIT, SHDI, SHEI, D of Shahu in 2015 and 2020

表4. 2015、2020年沙湖景观斑块密度、分维数、分离度、多样性、均匀度、优势度指数一览

3.2. 沙湖湿地的景观格局变化特征

与2015年相比,沙湖湿地的优势斑块没有发生变化,依然是湖泊水面,面积占比分别为73.88%和71.82%,保证了湖泊湿地基本特征。从景观层面上,PD减少了34.34%,即单位面积上斑块数量减少了1/3强,表明生态修复后景观破碎化程度降低;景观层面上FRAC_MN减少了0.27%,类型层面上人工设施的FRAC_MN中的增加了3.39%,反映了生态修复后人类活动略有减少,这与人工设施斑块数量减少契合,沙湖作为自然保护区在绿盾行动中拆除了一些人工设施,同时增加了道路、桥梁的设施,导致面积增加。SPLIT增加了11.42%,表明景观类型之间分离程度有所增加,主要由于挺水植被斑块数量减少所致;SHDI指数增加了5.91%,SHEI指数增加了5.89%,优势度指数降低了4.41%,表明沙湖景观类型的多样性和匀质性有所增加,优势度下降,主要是由于生态修复后湖滨草地增加了70.92%,灌木林地增加了5.68%,自然裸地降低了14.92%,作为优势景观的湖泊水面略有降低。

4. 讨论

通过对比发现,2015年,2020年沙湖景观的各项指数都发生了较大变化,斑块密度降低,说明景观破碎化程度降低;平均斑块分维数升高,分维数一般在1~2之间,指标越接近2表示人类活动干扰强度越低;分离度升高,分离度越高表明景观破碎化越严重,对湖泊湿地健康呈逆向作用;多样性指数升高,多样性指数越高,说明该区域各种景观要素面积比接近,景观异质性较高 [23],对于湖泊湿地健康呈正向作用;沙湖的优势景观依然是湖泊水面,优势景观为湖泊水面则可表征湖泊特征,可为正向指标,若不是湖泊水面则应为逆向指标 [24]。

湿地景观多样性变化是自然因素和人为因素共同作用的结果,自然因素是在较大的时空尺度上作用于景观格局,引起大面积的景观发生变化。人为因素则是景观格局变化的直接驱动力 [6]。沙湖是封闭型湖泊,常年无自然生态基流补水,无输出水道;由于蒸发量大,每年都需要通过从黄河人工补水维持水位,多年沉积,湖泊地势升高,影响了湿地植被的生长,从而影响了湿地景观多样性。人为因素主要是2017年以后,对中央环保督查指出的沙湖自然保护区内的人类活动点位进行了整治清理;2018年以后,国家出台了《湿地保护修复制度方案》,制定了河湖长制,实施了黄河河道“清四乱”措施。影响了沙湖湿地的景观多样性。

景观多样性变化研究时间尺度不同结果不同,如东平湖湿地和鄱阳湖环湖区湿地近30年来景观格局的动态变化特征,由于土地利用不同带来的景观多样性变化非常显著,本文仅对近5年来沙湖景观格局的变化进行研究,研究的时间尺度显然很小 [6] [8]。与鄱阳湖景观格局变化研究对比 [5],沙湖位于西北干旱半干旱区,属于温带大陆性气候,是城市内陆湖泊,易受城市活动的干扰;沙湖面积小,也易对其进行生态修复。

5. 结论

本文从景观格局的角度出发,主要研究沙湖湿地景观尺度、景观特征、景观格局变化这3项内容,分析比较了2015年,2020年沙湖湿地景观多样性变化。2015,2020年沙湖湿地总体面积没有发生较大变化,边界和面积基本保持完整,水面和水量基本保持稳定,区域内植物变化较为明显,自然裸地面积减少,农耕地、人工设施面积减少。2015,2020年沙湖湿地景观破碎化程度降低,景观类型之间分离程度增加,景观类型的多样性和均质性有所增加,优势度下降。通过实施多项综合治理修复措施,短时间影响了沙湖湿地的景观多样性。

NOTES

*通讯作者。

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