人工管理和自然驱动下盐城海滨湿地互花米草沼泽演变及空间差异

张华兵，刘红玉，侯明行

(1. 南京师范大学地理科学学院，南京 210046； 2. 江苏省环境演变与生态建设重点实验室，南京 210046；3. 盐城师范学院城市与资源环境学院，盐城 224002)

人工管理和自然驱动下盐城海滨湿地互花米草沼泽演变及空间差异

张华兵1,2,3，刘红玉1,2,*，侯明行1,2

(1. 南京师范大学地理科学学院，南京 210046； 2. 江苏省环境演变与生态建设重点实验室，南京 210046；3. 盐城师范学院城市与资源环境学院，盐城 224002)

将盐城国家级自然保护区核心区划分为人工管理区和自然湿地区两种模式，根据2000年、2006年、2011年3个时相的ETM+影像，运用RS、GIS技术和景观生态学方法，分析不同驱动力下互花米草沼泽景观变化的差异。结果表明：(1)人工管理区，2000—2011年，互花米草沼泽面积由272hm2增加到781hm2；平均分维数呈下降的趋势，聚合度指数呈上升的趋势，表明互花米草沼泽在空间上趋于聚集，在形状上趋于规则；从互花米草沼泽增长速率看，2000—2011年，呈现先快后慢的特征。在景观空间演变上，互花米草沼泽的平均宽度从598.679m增加到1719.002m，表现出向海陆两个方向扩张的特征。(2)自然湿地区，2000—2011年互花米草沼泽面积由2023hm2增加到3974hm2；平均分维数和聚合度指数呈先上升后下降的趋势；米草沼泽增长稳定，年增长约160—180 hm2/a，单位长度岸线年增长面积约为15hm2·km-1·a-1左右；比较发现，自然湿地区互花米草沼泽的增长速度高于人工管理区的增长速度。在景观空间演变上，互花米草沼泽平均宽度从1625.586m增加到3193.317m，2000—2006年表现出向海洋单方向扩张的特征，2006—2011年表现出向海陆两个方向扩张的性质。(3)在自然条件下互花米草沼泽扩张受到气候、地貌过程、水文过程、植被类型及种间竞争的影响，表现出明显的带状特征。在人工管理下，通过建设拦水堤坝等，阻止了潮汐作用下海水的扩散能力，生态过程发生改变，致使生态系统类型向淡水湿地方向演变，抑制了互花米草沼泽的扩张，表现出一定的镶嵌格局。

互花米草沼泽；人工管理；自然条件；景观变化；盐城自然保护区

互花米草(S.alterniflora)是于1979年12月从美国引进到我国沿海地区的多年生草本植物[1]。由于互花米草具有一系列利于种群生存和扩散的机制，在我国沿海地区快速扩散，分布区跨越22个纬度，成为我国海岸盐沼中入侵最严重的外来植物，尤以江苏的面积最大[2- 9]。江苏沿海的互花米草在1983年引种，20世纪90年代形成较大面积群落，之后面积迅速扩展，成为优势盐沼植被[10]。互花米草的引种确实起到了保滩护岸的作用[11- 12]，但是互花米草入侵后，快速蔓延的特性及产生的负面效应也逐渐被生态学家所关注[6,13]。

盐城海滨湿地拥有盐城自然保护区、大丰麋鹿自然保护区两个国家级自然保护区，是我国乃至世界为数不多的典型原始海岸湿地之一，基本保持了天然的生态系统结构和功能[14]。在自然和人类活动双重作用下，海滨湿地景观变化显著。遥感技术与地理信息的结合能监测大尺度、长期的景观格局演变，揭示其时空变化规律，已广泛应用于盐城国家级自然保护区景观变化监测[15- 16]。自互花米草沼泽在江苏沿海地区快速扩张以来，其研究已经引起越来越广泛的关注，成为海滨湿地研究的热点之一。许多研究从地学的角度，利用3S技术揭示了宏观尺度互花米草沼泽变化动态[1,6,17]，也有研究从生态角度揭示其种群动态与扩张机制[3,18]。但是从景观生态角度，辨识人为管理与自然条件不同驱动机制下海滨区域互花米草沼泽演变特征与趋势的研究比较缺乏。本文选择盐城保护区核心区为研究区域，利用2000年、2006年和2011年ETM+影像，结合野外实地调查，从人工管理和自然不同驱动力的视角，揭示人工管理和自然条件两种模式下盐城海滨互花米草沼泽变化特征与规律，对盐城海滨湿地资源的合理开发利用与保护，促进区域社会经济和生态环境协调发展具有重要的现实意义。

1 研究区概况

研究选取盐城国家级自然保护区核心区为研究区域，其北至新洋港，南至斗龙港，西至海堤，为江苏典型的淤长型潮滩湿地，总面积为1.92×104hm2。目前，保护区以中路港为界分为南北两部(图1)。北部区域面积约0.52×104hm2。由于该保护区以保护丹顶鹤越冬生境为重点，为了给丹顶鹤等珍稀物种创造良好的人工栖息地，自1993年来在其核心区建立了一些人工湿地，并进行了芦苇沼泽恢复实验，成为典型的人工管理区域。南部区域面积约1.40×104hm2(包括养殖区0.29×104hm2)。该区受人类活动干扰比较微弱，其景观格局与演变主要受气候、地形、水文、土壤、植被等自然因素影响，成为典型的自然条件控制下的湿地区域[19- 21]。

图1 研究区位置和范围Fig.1 Location and scope of the study area

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

图2 2000—2011年人工管理区景观变化Fig.2 Landscape changes in the coastal wetlands by human activities from 2000 to 2011

研究利用区域1∶5万地形图和2000年、2006年、2011年的ETM+影像为基本数据源。ETM+影像包括了来自同一传感器的7个多光谱波段(分辨率30m)与1个B8全色波段(分辨率15m)，两种分辨率数据可以实现高精度融合[22]。为了更准确地提取信息，还采用了其他相关辅助资料，包括 1∶400000江苏省海岸土地利用图以及野外调查时53个点GPS数据。在ENVI 4.7中用FLAASH模块对ETM+影像进行大气校正；通过野外GPS定位，确定控制点，采用二次多项式变换和最邻近像元重采样的方法对原始影像进行几何纠正，RMS小于0.5个像元；运用Principal Components模块进行主成分分析，前三个主成分的累计贡献率都超过了99.5%，对前三个主成分进行彩色合成，然后对其进行HSV彩色变化并与经过增强处理全色波段进行融合；运用非监督分类和决策树分类方法，结合野外调查，对ETM+影像进行解译，提高了解译精度，达到了95% (图2和图3)。运用ArcGIS9.3对2000年、2006年和2011年的景观类型进行空间叠加分析；根据粒度效应，选择景观最佳尺度，确定栅格大小统一设置为100m×100m，并采用Fragstats3.3 进行景观指数计算。另外，由于3个时期的景观类型图都是遥感影像图为准，光滩面积在不同时间、不同潮位条件下会有所变化，因此在研究中不单独讨论光滩面积变化。为了统一研究区的面积，同时考虑到其他景观类型的完整性的基础上，以2006年图像为基准，在ArcGIS9.3软件下将2000年和2011年研究区面积进行裁剪。

图3 2000—2011年自然湿地区景观变化Fig.3 Landscape changes in the coastal wetlands by natural processes from 2000 to 2011

2.2 景观指数选择

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标，可以定量的描述和监测景观结构特征随时间的变化[23]。该研究中选取景观类型面积(CA)、景观类型面积百分比(PLAND)、聚合度指数(AI)、平均分维数(FRAC_MN)和年增长速率(A_RAT)、单位长度岸线年增长面积(A_RL)等指标来描述景观空间格局特征。

2.3 景观空间变化指数选择

将土地利用空间变化的研究方法质心变化，引入到景观空间变化中，可以用互花米草沼泽分布质心的变化，揭示互花米草沼泽空间演变规律[24- 25]。本研究中通过对2000年、2006年和2011年3个时期互花米草沼泽分布质心的比较，揭示10多年来盐城海滨湿地互花米草沼泽在空间上的变化规律和趋势。公式为：

(1)

式中,X和Y是按面积加权的质心坐标，Xi和Yi是互花米草沼泽第i个斑块的质心坐标，Ci为互花米草沼泽第i个斑块的面积，n是互花米草沼泽的斑块总数目[26]。

3 结果分析

3.1 人工管理区互花米草沼泽时空演变特征

3.1.1 景观基本特征及变化

在表1中，从景观面积变化看，2000—2011年，人工管理区的互花米草沼泽面积增加明显，由272hm2增加到781hm2，百分比由5.194%增加到14.913%。从景观形状看，2000—2011年，平均分维数呈下降的趋势，由1.049下降到1.036，表明互花米草沼泽在形状上趋于规则；聚合度指数呈上升的趋势，由86.497上升到91.036，说明互花米草沼泽在空间上聚集程度增加。从互花米草沼泽增长速率看，2000—2011年，呈现先快后慢的特征，2000—2006年间年增面积、单位长度岸线年增长面积分别为58.167hm2/a、11.557hm2·km-1·a-1，明显高于2006—2011年间的30.019 hm2/a、5.298 hm2·km-1·a-1。

3.1.2 景观空间演变特征

运用ArcGIS9.3中的空间分析工具生成每一个斑块的质心，并得到各个斑块的平面坐标(UTM投影)，然后运用公式(1)分别计算出不同时间互花米草沼泽的景观质心。可以得出，人工管理区在2000—2006年，互花米草沼泽的景观质心向西北方向偏移了228.083m；2006—2011年，向南略偏东方向偏移了223.169m，呈现由北向南的摆动特征(图4)。

对人工管理区2000年、2006年和2011年的景观图进行叠加分析发现，互花米草沼泽的宽度在不断增加，2000—2011年互花米草沼泽平均宽度从598.679m增加到1719.002m，增加了1.871倍；其中2000—2006年，平均宽度增加了768.159m，而2006—2011年，只增加了352.164m。空间扩张上方向，人工管理区互花米草沼泽表现出向海陆两个方向扩张的性质：2000—2006年，分别向海洋、陆地方向扩张了332.355m与435.803m，以向陆扩张为主；2006—2011年，分别向海洋和陆地方向扩张了48.423m、303.742m，仍以向陆方向扩张为主。

表1 2000—2011年人工管理区和自然湿地区互花米草沼泽景观基本特征

3.2 自然湿地区互花米草沼泽时空演变特征

3.2.1 景观基本特征及变化

在表1中，从景观面积变化看，2000—2011年，自然湿地区的互花米草沼泽面积由2023hm2增加到3974hm2，面积百分比由14.421%增加到28.329%，远高于人工管理区，是由于保护区核心互花米草引种地在南部自然湿地区，虽然无法辨别基年的引种面积，但以1997年较大面积的斑块为基数，发现南部自然湿地区互花米草的比重为5.48%远高于北部人工管理区的1.55%*来源于国家海洋局908专项：《江苏滨海湿地保护与土地利用潜力评价》(JS-908-02-07)。从景观形状看，2000—2011年，平均分维数和聚合度指数变化趋势不十分明显。2000年、2006年和2011年平均分维数分别为1.031、1.049和1.030，表明互花米草沼泽形状在自然状态下变化较小。2000—2011年聚合度指数分别为89.712、94.605和94.336，表现出互花米草沼泽在空间上聚集程度略有增加。从互花米草沼泽增长速率看，自然湿地区有别于人工管理区，2000—2011年，互花米草沼泽的增长速度基本处于稳定状态。2000—2006年间年增面积、单位长度岸线年增长面积分别为163.167hm2/a、13.116hm2·km-1·a-1；2006—2011年间分别为182.364 hm2/a、14.660 hm2·km-1·a-1。用单位海岸线的互花米草沼泽增长面积比较不同区域米草沼泽的增长速度，发现2000—2011年，自然湿地区互花米草沼泽的增长速度明显高于人工管理区的增长速度。

3.2.2 景观空间演变特征

通过景观质心计算得出，自然湿地区在2000—2006年，互花米草沼泽的景观质心向东北方向偏移了342.196m；2006—2011年，向西北方向偏移了339.077m，呈向北摆动特征(图5)。

通过对自然湿地区2000年、2006年和2011年的景观图进行叠加分析发现，互花米草沼泽的宽度在不断增加，2000—2011年互花米草沼泽平均宽度从1625.586m增加到3193.317m，增加了近1倍，其中2000—2006年，平均宽度增加了786.678m， 2006—2011年，增加了781.053m。空间扩张方向来看，自然湿地区互花米草沼泽在2000—2006年表现出向海洋单方向扩张的特征，扩张了920.067m；2006—2011年表现出向海陆两个方向扩张的性质，分别向海洋和陆地方向扩张了268.386m与512.666m，以向陆方向扩张为主。

图4 2000—2011年人工管理区互花米草沼泽景观质心变化Fig.4 Landscape centroid changes of Spartina alterniflora marsh by human activities from 2000 to 2011

图5 2000—2011年自然湿地区互花米草沼泽景观质心变化Fig.5 Landscape centroid changes of Spartina alterniflora marsh by natural processes from 2000 to 2011

4 讨论

4.1 人工管理对互花米草沼泽演变的影响

图6 2000—2011年人工管理区芦苇沼泽景观质心变化Fig.6 Landscape centroid changes of Reed marsh by human activities from 2000 to 2011

在人工管理区主要的人类活动包括芦苇种植、人工养殖和修建堤坝，由表2可以看出，从2000年至2011年，新增养殖池面积就达到了其总面积的10.999%，而2006—2011年，新增人工芦苇沼泽面积达到了14.149%，由此可见该区域受人为管理作用显著。在人为管理下，海滨湿地景观带状格局被打破，整体景观空间格局向镶嵌格局转变，即大面积的芦苇沼泽中镶嵌着养殖池、碱蓬沼泽；芦苇沼泽与米草沼泽镶嵌着碱蓬沼泽。在人工管理方式中，最主要的方式是修建拦水堤坝，通过堤坝的建设致使景观变得破碎，更重要的是改变了水文过程，导致生态过程发生变化，致使景观演变发生改变。拦水堤坝一方面可以阻止潮汐作用下海水入侵；另一方面可以储存淡水，致使生态系统类型逐渐向淡水湿地方向演变。根据2011年4—5月对盐城自然保护区湿地土壤和地表水盐度的监测，可以看出(表3)：人工管理区土壤水分明显高于自然湿地区；米草沼泽的土壤盐度高于自然湿地区，主要由于人工管理区互花米草沼泽发育在新洋港河口受到侵蚀作用影响，互花米草沼泽发育的宽度较窄，受海水的影响要大于自然湿地区；碱蓬沼泽和芦苇沼泽的土壤盐度低于自然湿地区。在人工影响下，芦苇沼泽的土壤盐度降低，而且通过对自然湿地区芦苇沼泽带潮沟和人工管理区芦苇沼泽地表水的盐度监测，发现前者的盐度高达1.090%，而后者只有0.230%，在人为管理下更有利于淡水芦苇沼泽的发育，使之有能力与互花米草沼泽的竞争生存空间。通过景观质心计算，可以发现人工管理区芦苇沼泽的景观质心变化与互花米草沼泽景观质心变化是相对的，在2000—2006年，芦苇沼泽向东南方向偏移了429.720m，2006—2011年，向北略偏西方向偏移了199.246m，呈向北摆动特征(图6)。另外，碱蓬沼泽的土壤水分的增加和盐度的降低，致使碱蓬沼泽发育的适宜性条件下降，而互花米草是广生态幅物种，生境有利于互花米草沼泽的发育，所以人工管理区景观格局变化实质上就是碱蓬沼泽不断萎缩，芦苇和互花米草沼泽不断扩张的过程。同时，拦水堤坝有效的发挥了廊道阻碍作用，阻挡互花米草向陆地方向的扩张，因而在2006—2011年，互花米草沼泽向陆扩张受到了堤坝的阻碍，开始向南扩张，导致景观质心发生向南偏移。

表2 人工管理区和自然湿地区人工干扰对比/hm2

表3 人工管理区和自然湿地区土壤水分和盐度特征比较/%

4.2 自然条件对互花米草沼泽演变的影响

在自然湿地区，由于其受人为活动影响薄弱，至2011年人工养殖和堤坝面积约占其总面积的2.762%，主要受自然条件影响。地貌过程、水文过程的空间梯度变化致使湿地景观格局表现为南北延伸、从陆地向海洋的东西方向更替平行带状格局。自然湿地区互花米草沼泽演变主要受气候、地貌条件、水文特征和植被的影响，在这些因素的共同作用下，互花米草沼泽扩张迅速。首先，盐城沿海属于暖温带向北亚热带过渡的季风气候，在气候上与互花米草原产地美国的东海岸基本相近，非常适合互花米草盐沼的扩张[3]。其次，地貌过程影响着水文过程，进而影响土壤的理化性质，尤其是土壤水分和盐度直接影响植被的发育演替。保护区核心区地貌过程，在新洋港附近表现为滩面继续淤高，高潮线附近不断淤长，但速度逐渐变慢，低潮线附近开始侵蚀并有加快趋势；在斗龙港附近表现出很强的淤长能力，平均低潮线和平均高潮线均快速向海移动[27]。互花米草沼泽分布于潮间带上部，上边缘至平均高潮位，下边缘至平均潮位，潮侵频率在20%—80%之间，地貌过程为互花米草发育提供了广阔的空间和环境条件[1]，形成了光滩-互花米草沼泽的演变格局。由于互花米草具有很强的促淤功能，致使互花米草沼泽带高程增加，导致了潮水穿过其到达碱蓬带的频率急剧减少，致使碱蓬沼泽发育所需要的水分和盐度条件受到限制，促进了互花米草沼泽向碱蓬下边缘扩张。第三，互花米草具有极强的耐淤埋、耐风浪的广生态幅特征，能够在海滨潮间带大部分区域生长[28]，所以互花米草沼泽扩张最为迅速，导致了海岸湿地先锋群落由碱蓬变为互花米草。同时，互花米草具有有性与无性两种繁殖方式，有性繁殖对不同环境的适应方面具有一定的优越性，而无性繁殖产生的后代，其遗传组成总是与母体相同；而碱蓬主要靠种子传播扩展，植株矮小，在潮侵频率超过20%的潮滩生存机率较小。所以在互花米草沼泽上边缘，在其和碱蓬的竞争中，能够迅速的占据生长空间，进行资源的吸收、利用，从而占据更有利的生境[28- 30]，形成了碱蓬沼泽-互花米草沼泽的演变格局[31]。

5 结论

对人工管理和自然条件不同模式下海滨湿地互花米草沼泽时空变化进行比较研究，是正确认识海滨湿地景观过程、科学合理的利用海滨湿地资源的重要依据之一。文章以盐城自然保护区核心区为例，将核心区分为人工管理区和自然湿地区，探讨不同驱动模式下，互花米草沼泽景观格局演变特征与规律，得出：2000—2011年，人工管理区的米草沼泽，面积百分比由5.19%增加到14.91%；增长速率呈现先快后慢的特征；空间上表现出向海陆两个方向扩张，分别向海洋、陆地方向扩张了380.777m与739.545m；景观质心呈现先向西北、后向南偏东方向移动的特征。自然湿地区的米草沼泽，面积百分比由14.4212%增加到28.3291%；增长速率处于相对稳定状态；在2000—2006年表现出向海洋单方向扩张的特征，2006—2011年表现出向海陆两个方向扩张的性质，累计向海洋、陆地方向扩张了1188.454m与379.277m；景观质心呈现先向东北、后向西北方向移动特征。

研究区内互花米草沼泽是在地貌、水文、土壤、植被等自然条件以及人为作用的双重驱动下不断向海陆两个方向扩张。互花米草沼泽的迅速扩张改变了海滨湿地原有的景观格局，改变了海滨湿地景观演变的序列，致使海滨湿地景观向米草沼泽单一景观转变。如何科学合理的利用海滨米草沼泽资源，维护海滨湿地生物多样性，有待进一步研究。

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SpatiotemporalcharacteristicsofSpartinaalternifloramarshchangeinthecoastalwetlandsofYanchengcausedbynaturalprocessesandhumanactivities

ZHANG Huabing1, 2, 3, LIU Hongyu1, 2, HOU Minghang1, 2

1CollegeofGeography,NanjingNormalUniversity,Nanjing214006,China2KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandEcologyConstructioninJiangsuProvince,Nanjing214006,China3CollegeofUrbanandResourceEnvironment，YanchengTeachersUniversity，Yancheng224002,China

As Landscape changes have been the most significant feature of the coastal wetland, we focused on the core area of Yancheng Nature Reserve in the research. Basing on the type of landscape change, we divided this area into two parts: change in the northern area which was characterized as from human activities, and that in the southern area characterized as from natural causes. Using remote sensing digitized data from 2000, 2006 and 2011, and applying GIS techniques and methods of landscape ecology, we analyzed the differences between the temporal and spatial changes in landscape pattern caused by natural and artificial reasons. The result showed us that from the following three aspects. Firstly, in the District by human activities, from the year 2000 to 2011, the area ofS.alternifloramarsh increased from 272hm2to 781hm2; the average dimension tended to decline while the polymerization index showed an increasing tendency, which means theS.alternifloramarsh tended to gather in space and to be regular in pattern form; the growth rate ofS.alternifloramarsh first appeared quick and then slow. In terms of spatial landscape evolution, theS.alternifloramarsh extended in both seaside and landside, with its width increasing from 598.679m to 1719.002m. Secondly, in the District by natural processes, from 2000 to 2011, on one hand, the area ofS.alternifloramarsh increased from 20230hm2to 39740hm2. On the other hand, the average dimension and polymerization index appeared a decline trend after initial ascent. And thus, the growth rate ofS.alternifloramarsh was stable at the speed of 160—180 hm2/a annually while the coastline increased 15hm2·km-1·a-1per unit length annually. By comparison, during 2000 to 2011, the growth rate ofS.alternifloramarsh in natural wetland district was higher than that in the manual management district. In terms of spatial landscape evolution, the width ofS.alternifloramarsh increased from 1625.586m to 3193.317m, as it extended to seaside direction from 2000 to 2006 while in both seaside and landside directions from 2006 to 2011. Thirdly, by natural processes, the expansion ofS.alternifloramarsh was influenced by the climate, geomorphic processes, hydrological processes, vegetation pattern and competition between species, as a result, it appeared strong zonal characteristic. By human activities, the ecological process changed as the expansion power of seawater was affected，with the dam being blocked .Consequently, the ecological system evolved towards the freshwater wetland and furthermore it restrained the expansion ofS.alternifloramarsh, which present inlay pattern to a certain degree.

S.alternifloramarsh；natural processes； human activities；landscape change；Yancheng Nature Reserve

国家自然科学基金项目(41071119)；江苏省高校自然科学研究重大项目(10KJA170029)

2012- 05- 05;

2012- 10- 26

*通讯作者Corresponding author.E-mail: liuhongyu@njnu.edu.cn

10.5846/stxb201205050649

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