基于遥感影像的辽宁双台河口湿地自然保护区及其邻近地区景观格局和生态干扰度研究

基于遥感影像的辽宁双台河口湿地自然保护区及其邻近地区景观格局和生态干扰度研究

辽宁双台子河口湿地（以下简称双台河口湿地）是中国温带地区最大、最保护的芦苇沼泽湿地。自1968年勘探油田以来，这里的景观类型发生了重大变化。土地利用模式已从单一芦苇生产转变为现代经济模式，通过各种农业活动同时实现。20世纪80年代，政府和辽河油田集团开始关注生态环境保护，并在1985年建立了双台河口湿地市自然景观生态群。1987年，该自然保护区获得省级自然保护区，1988年晋升为国家级自然保护区，并于2005年被列入世界湿地名单。地表的许多景观,因其特殊的生态、环境价值,被建成自然保护区,使其免受人为干扰,以保护其自然特征和特殊的生态服务功能.但是保护区的生态质量评价及管理的有效性一直是保护区管理者和社会各界关注的焦点.建立自然保护区之后,保护区的保护情况如何?保护区内景观有哪些变化?人为干扰程度是否减少?保护区的景观变化与周围城镇的社会经济发展是否相关?这些景观变化监测和评价的问题仅采用传统的实地调查法很难明确地回答.人类活动不断改变着地表的景观,而组成景观的各种生态系统是人类赖以生存和发展的物质基础,因此有必要监测和评价人类活动造成的景观变化,从而阻止生态系统的退化,保证生态系统为人类提供可持续的自然资源.这是景观生态学研究中一个重要的景观变化监测与评价的问题.对于景观监测和评价,学者们提出了许多景观格局指数,例如描述景观单元特征的斑块面积、数量、周长;再如描述景观异质性变化的景观多样性指数、镶嵌度、距离指数、生境破碎化指数等.随着遥感技术的发展,景观监测的数据源更加丰富,连续且大范围的景观格局监测变得更加容易.然而,解释景观格局变化所伴随的景观过程却并不容易,许多景观格局指数都因难以将格局与过程有机融合在一起而陷入困境,如何在获取景观格局指数的同时评价人类干扰的程度及其所带来的影响成为景观监测和评价研究的难点,因此,探讨景观格局分析中有效表征生态过程的理论与方法,对景观生态学的发展具有积极意义.许多关于人类活动带来景观变化的研究常常做这样的假设:一个生态系统(或一个景观斑块)的人为干扰程度越少,其生态价值越高,反之则生态价值低,即将一个生态系统的自然度(natualness)或纯度(pureness)作为衡量标准,来评价人类活动对景观的影响.基于此,Hemeroby,作为与自然度相对立的概念,被引入到景观监测与评价中来.Hemeroby最早是为了确定森林受干扰程度从而确定林种而被Jalas引入植被生态学,描述的是人类活动对一个森林生态系统的影响指数,Jalas通过计算外来树种与本地树种的比例确定林地的Hemeroby.李迈和等将其翻译成“生态干扰度”,并作为“一种评价植被天然性程度的方法”进行全面介绍.Hemeroby在植被、森林生态学中应用较深入,常用于描述不同森林类型(天然林、人工林),或作为森林背景因子进行森林动物生境、多样性等的研究.但是该指数在描述景观或土地利用类型的人为干扰程度评价方面主要沿用植被分级规则,综合考虑各种干扰因素再用于与土地利用相关的研究,在景观人为干扰度定量评价方面应用较少.就自然保护区保护目的而言,可以认为人为干扰越少其保护状态越好,将Hemeroby用于自然保护区的监测和评价极合适.因此,本文以辽宁双台河口湿地自然保护区为研究区,引入生态干扰度的概念,结合《全国土地分类》(试行),制定了生态干扰度景观类型分类表,将其应用于该区1987年4月30日、1995年6月7日、2000年6月12日、2006年10月11日等4期TM(ETM+)数据的景观类型分类,对景观单元特征指数和生态干扰度动态变化进行统计和制图分析,从而再现了1987—2006年该区景观单元和生态干扰度变化的时空规律,并分析了其社会经济原因.1研究领域和方法1.1研究领域1.1.1洋鸟类栖息地生境双台河口湿地位于辽东湾北部,距辽宁盘锦市区35km,属温带半湿润季风气候,年平均降水量650mm,年平均气温8.5℃,是我国高纬度地区面积最大的滨海芦苇沼泽区.该湿地拥有大面积的翅碱蓬(Suaedaheteroptera)滩涂和浅海海域,是环西太平洋鸟类迁徙的中转站,为湿地生物提供了重要的栖息环境.1985年随着盘锦市的建立,该湿地被建成市级自然保护区,主要保护对象为芦苇和丹顶鹤、东方白鹳、大天鹅、黑嘴鸥等珍稀水禽;1987年被批准为省级自然保护区,1988年经国务院批准晋升为国家级自然保护区,2005年被列入《国际重要湿地名录》.双台河口湿地属滨海湿地和内陆湿地,主要湿地类型包括盐沼、滩涂、永久性浅海水域、河口水域、永久性河流、时令河和人工湿地(水稻田).自然保护区的景观和干扰度变化主要受其周围城镇人为活动的影响,监测和评价保护区的情况离不开其周边环境,因此本研究将盘锦市市区和双台河口湿地保护区绝大部分范围囊括在内,如图1所示,保护区西南部分海域(约占保护区面积的5%)由于影像数据限制未包括在内.盘锦市由兴隆台区(南)和双台子区(北)组成,两区被双台子河隔开.从河口东部到大陵河西部,生长着大片芦苇(在图1中呈现黄绿色).1.1.2油气、天然气开采在20世纪中叶前,本区人烟稀少,是辽宁历史上有名的南大荒,大部分土地仅用于芦苇生产.1964年由原地质部石油普查大队在现在自然保护区外的荣兴屯钻了第一口探井,发现了良好石油和天然气,1970年成立了辽河油田公司,开始了大规模的采油建设活动.从1970年3月正式投入开采以来,油气产量逐年上升,目前已形成年产原油1500万t、天然气17亿m3的生产能力,每年原油产量约占全国原油总产量的十分之一,在全国油气田企业中列第三位.随着石油的开采,道路交通的发展,人类活动的增加,土地利用形式逐渐复杂,由单一的苇田生产,发展成为集水稻种植、水产养殖、渔业、牧业生产等为一体的综合经济形式.1.2遥感数据使用本研究采用的数据主要是TM/ETM+遥感数据(因为ETM+的性能比TM好,有ETM+时尽量使用ETM+),同时辅以1∶5万地形图、保护区区划图、专家经验知识以及野外考察数据等地理数据.遥感数据包括3个时相Landsat5的TM或一个时相Landsat7ETM+数据各一景,具体时相和传感器类型见表1.1.3学习方法1.3.1系统几何精纠正遥感数据处理包括遥感图像预处理和解译.预处理又包括辐射校正、几何纠正、图像增强处理、波段彩色合成等.所获取的遥感影像数据已经过卫星地面站的系统定标、相对辐射校正和地理编码等处理,还需进行几何精纠正,用于景观分类和多时相动态叠加分析.几何精纠正以研究区1∶5万地形图为标准,利用ENVI软件选取控制点进行,均方误差控制在1个象元内.配准后对影像进行彩色合成、图像增强处理寻找适用于该专题的最佳波段组合并按研究区范围进行裁减,作为景观分类基础影像.研究中选用7段、4波段、1波段合成数据进行后续研究.1.3.2景观过程的构成基于生态干扰度(hemeroby)在土地利用中已有的研究,以及国内对它的运用,结合《全国土地利用分类》(试行),初步确定3种干扰型的景观:(几乎)无干扰型、半干扰型、全干扰型,在此基础上细分出30个二级景观类型;再采用问卷调查和专家判别,确定各景观类型的生态干扰度指数(hemerobyindex,简称HI),制定景观类型分类系统.HI的确定依据是人类活动频率和人类活动程度对生态系统或景观的综合影响程度.其中,人类活动包括:人工地物数量、道路网规模及等级、离城区远近距离、地物的更新状况、潜在的动植物类型、当前动植物类型、生物多样性等.人类活动频率为:一段时间内一块土地上人类活动的时间和范围所占比例;人类活动强度指:人类活动造成影响后,该土地恢复原样所需的时间和可能性,如水泥道路恢复原来的土质土地的可能性很小,则其HI高,农田相对来说弃耕几年可近似恢复原样,因而HI低.HI取介于0~1的值.从理论上说,HI为0的景观表示几乎没有人为影响的景观类型(或称土地利用类型),如某个时刻的深海海域;HI为1的景观则表示完全受人为控制的景观,如某个时间的城市居民地.但就时间和空间上连续而又相互作用的生态系统而言,完全没有人为干扰或完全受人为控制的土地并不存在,人为地表景观仍与大气这个重要的自然环境因子相互作用,而远离人类活动范围的地表景观也会受到间接的人类干扰,如人类对大气的影响会影响到气候,再通过降雨或别的大气运动影响到遥远的景观,如酸雨.因此赋予城市的HI为0.99,而非1.00.赋予海域的HI值为0.01,而非0.确定HI的具体流程为:先对3组共15人进行调查,每组5人;第一组为去过该区域并参与研究的研究人员,第2组为去过该区但没有参与研究的工作人员,第3组为未去过该区域的人员.综合3组的观点和专家判别,去除及其不合理的指数,确定HI.所制定的基于生态干扰度的景观分类系统如表2.依据此分类系统,基于ArcGIS软件,先对最新时相(2006年)的数据进行人机交互解译,将解译结果叠加于临近时相(2000年)进行临近时相的景观类型解译,即修改景观发生变化的区域,从而保证边界的一致性和可对比性;以此递推,完成其他两个时相的景观类型现状调查.1.3.3生态干扰度动态变化评价景观动态变化评价一般用各种景观格局指数来评价,包括描述景观单元特征的斑块面积、数量、周长和描述景观异质性变化的景观多样性指数、镶嵌度、距离指数、生境破碎化指数等,本研究以景观斑块数量和面积这两个能体现景观单元特征的格局指数来表示.生态干扰度动态变化评价包括三大干扰型景观之间的动态变化和生态干扰度指数(HI)的动态变化.本研究采用统计法分析三大干扰型景观的面积和斑块在时间上的动态变化,对HI在空间上的动态变化则采用四则运算法进行制图分析.2结果与分析2.1斑块数量动态变化2.1.1景观单元特征4个时相的景观类型解译结果见图2.由图2可见,最明显的是,1987年河口的淤泥滩地较多,河道较宽,至1995年,河口地区养殖水体和水田明显扩张,不仅占用了高潮间淤泥裸滩地(编号107),还占用了低潮间淤泥裸滩(108),部分滩地甚至转换成旱地和水库(1995年仍在修建、2000年已经完工的三角洲水库).2.1.3景观单元变化特征对4个时相遥感数据解译所得的景观斑块数量和面积进行统计,得到4时相景观单元的总斑块数量和变化规律(表3).1987—2006年,该区总的景观斑块数量不断增加,且其增加速率逐年加大,可见景观破碎化趋势极其明显.4时相各景观类型的斑块数量动态变化见图3.由图3可见,1987—2006年,斑块数量呈明显下降趋势的景观类型为:潮沟(105)、河漫滩和江心洲(106)、农用旱地(207)、城市居民地(301)、裸地(309),其余均呈现上升趋势,其中养殖水体(204)和水稻田(205)的斑块增加最多,养殖水体在1995—2006年几乎成倍增长.总体而言,20年来该区各种景观类型的图斑数量呈现明显上升趋势,说明土地利用的细化.由图3可知,1987—2006年面积明显减少的景观类型有:永久性河流(103)、沼泽内水体(104)、高潮裸滩(107),而面积明显增加的有养殖水体(204)、农村居民地(302)、城市居民用地(301).综合图3可知,20年来养殖水体(204)不仅斑块数量增加,其面积也明显增加.永久性河流(103)的斑块数量增加,但面积则逐年减少,主要是因为这些土地逐渐被开发成养殖区.而城市居民地(301),虽然斑块数量减少,但面积却在不断增加,这体现了城市用地渐渐连片,人口的增长和城市化的推进;此外,极为典型的是芦苇湿地,其斑块数量逐年增加,且增加幅度非常明显,但其面积除了1995年显著增加之外,其他年份变化不大,可见景观破碎化趋势非常显著,这在以芦苇为保护对象的自然保护区内是非常异常的现象.它表明芦苇湿地仍受到严重的人为干扰.2.2生态干扰的动态变化2.2.1干扰型景观面积、斑块数量变化将景观类型解译结果按照三大干扰类型进行统计,得到4时相三大干扰型景观之间的转化情况(图4).从图4可知,研究区20年来无干扰的景观面积逐年减少,不断转化为全干扰和半干扰型景观块.全干扰型景观的总面积和斑块数量在各时相间变化均呈增长趋势,但增长速率极低,而无干扰型景观面积虽有减少,但其斑块数量却呈逐年显著增加趋势.半干扰型景观是变化较频繁的类型,其斑块数量增加显著,但其总面积(尤其是在2000—2006年间)几乎没发生变化,说明该区农用地、耕地不断细化,也反映了路网的增加.2.2.2干扰平稳程度对4个时相干扰度指数进行四则运算并分级制图,用于评价1987—2006年人为干扰的总程度和人为干扰平稳程度在空间上的变化特征.当一个景观在所有时相所受的人为干扰都较多时,其平均的HI高,人为干扰的总程度就高,反之则人为干扰的总程度低.当一个景观相邻时相的干扰度指数变化较大时,如:从无干扰型变成全干扰型,则干扰度指数之差大,说明该区人为干扰强烈,景观类型发生过大幅转变,人为干扰不平稳,存在跳跃性干扰,反之,人为干扰平稳,以此评价人类干扰的平稳程度.干扰的总程度用4个时相的干扰度总和的平均值(使其值仍介于0~1)来表示,结果见图5a.干扰平稳程度则是将相邻两个时相的干扰度相减,取绝对值求和平均,再分级制图,结果见图5b.依图5a所示,干扰的总程度从黑色到白色由轻到重逐级加深,黑色区域主要为双台河口自然保护区和河流、水库等地区,受人为干扰程度总体较轻;农田、耕地等半干扰型景观则属于灰色区域,人为干扰的总程度一直不低,但也不会太高.在保护区内的河口附近亦出现了人为干扰偏高的灰色区域.而白色则多为人类住宅区,生态环境完全受人为控制,生态功能脆弱.如图5b所示,从黑色到白色干扰平稳程度由轻到重逐级加深,黑色区域为干扰度平稳区,无异常干扰情况出现,盘锦市主要城区、大部分耕地以及保护区的核心区和缓冲区大部分区域都属于该类型.白色区域则是景观类型跳跃性变化的区域,双台河口两岸和保护区核心区的西边地区属于该类型.这些区域由于发生过重大土地利用变化,如水库的修建、鱼塘的兴起、围海造田或“退耕还苇”政策的实施,人为干扰呈跳跃性,体现了特定时段的特殊土地利用情况或者特殊的政策.综合干扰的总程度和平稳程度,可见保护区河口东边、西边以及双台子河的河道上出现了干扰的总程度不高但干扰极为不平稳的现象.其原因是由于早期普通的监测方法很难对保护区内部做全面监测,而人口的增长又对粮食和渔业有很大需求,因此在河口保护区的苇地和滩涂被大规模地改造成养殖水面,另外一些苇田被水田、旱地占据,这些现象在1987—1995年尤为明显(图2).但在2000年之后,随着对保护区的重视增加,加之,该区力争建设国际级自然保护区,于2003年开始全面实施“退耕还苇”和河道育苇政策,并对渔业进行了整顿和限制,使保护区内的养殖水面和部分耕地得以还原成苇田或滩涂.可以说,人类对景观的影响可以在干扰的总程度和平稳程度相结合下一一体现出来,从而反映出当地自然保护区的保护情况及其影响因素.3生态干扰度与景观过程的总程度本研究结合生态干扰度和《全国土地分类》(试行),将适宜的遥感图像处理技术应用于双台河口湿地景观和生态干扰度的动态变化评价,能够较好地、定量化地监测和评价景观格局的变化.其中景观类型面积和斑块数量等景观特征单元指数能够定量地反映景观类型之间的变化,而干扰度指数分析则可以记录人类活动痕迹.研究结果表明,从1987—2006年近20年来,该区虽然建立了自然保护区,但景观的斑块破碎化趋势明显;从干扰角度看,20年来无干扰类型斑块面积逐年减少,不断转化为全干扰和半干扰型斑块.生态干扰度指数的空间分布总规律则是:河口和河道的生态干扰度跳跃性最大,而城市周围干扰的总程度最高.这反映了城市化进程的推进、农业尤其是渔业的不断发展以及人为政策的实施.景观格局变化