草海国家级自然保护区景观格局变化与景观发展强度研究

张明明， 张黎俊， 粟海军①， 蔡静芸， 胡灿实

(1.贵州大学林学院， 贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学生物多样性与自然保护研究中心， 贵州 贵阳 550025； 3.贵州大学生命科学学院， 贵州 贵阳 550025)

景观由相互作用的斑块以一定规律组成，是大小和形状各异的景观要素在空间上的排列和组合[1]。景观格局的变化是各种生态过程在不同尺度上综合作用的结果，不仅影响景观中物质循环和能量流动，对景观功能和过程，以及区域生物多样性和某些重要生态过程也有深刻影响[2]。对某一区域景观格局的研究是揭示该区域生态状况和空间变异特征的有效手段，还可以揭示与生态过程相关的区域资源环境问题[3]。

景观格局变化主要表现为土地利用和土地覆盖变化引起的景观类型和景观格局的时空变化，驱动因素主要包括自然因素(地质、地貌、气候、水文、植被、土壤等)和人为因素(人口、经济、政策等)[4]。自然因素常在较大时空尺度上作用于景观，在大环境背景上控制景观变化[5]；而人为因素则是在较短时间尺度上影响资源动态变化的重要驱动力[6]。自然过程和人类活动的综合作用导致景观由单一、均质和连续的整体演变为复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体，即景观破碎化[7]，这种变化导致景观结构和功能的变化，影响着景观内物种丰富度、分布、种群的生存能力、抗干扰能力，以及该景观生态过程和边缘效应，甚至影响整个生态系统健康[8]。

近年来，景观格局变化和湿地景观及生态系统健康的研究引起国内外广泛重视，在科学研究和保护管理方面发挥着重要作用[9]。通常使用的研究方法有指示物种法和指标体系法2种[10]，其中，指标体系法同时考虑自然和人为活动因素，综合分析生态、社会、经济等因素对湿地生态系统的影响，受到更广泛认可和应用，景观发展强度指数(landscape development intensity index，LDI)是其中的重要方法[11]。该方法通过GIS和遥感影像数据在大尺度乃至区域水平对湿地健康状况作评价，核心思想是人类活动同土地利用相联系，对生态系统的功能、健康、整合性等产生影响，通过土地利用类型来评价人类干扰强度，揭示不同时期交错的景观分布，发现其潜在的变化规律及影响机制[12]。

基于草海国家级自然保护区1974、1992、2001和2015年4期景观数据，对不同时期景观格局特征、格局变化和发展强度等进行分析，以期揭示保护区景观格局与生态过程相互作用的机制，进而对景观变化方向、过程和效应进行模拟、预测，为研究区资源环境的合理有效利用提供重要参考。

1 研究地概况

草海国家级自然保护区地处贵州省毕节市威宁县城西南部(26°47′～26°52′ N， 104°10′～104°20′ E)，地势坦阔，南北长约40 km，东西宽约7～8 km，湖底海拔为2 170 m，最深可达5 m，平均深度大约为2 m[13](图1)。

图1 草海国家级自然保护区和草海湿地示意

草海是一个完整、典型的喀斯特高原湿地生态系统，也是云贵高原上最重要的鸟类越冬栖息地，保护区主要保护对象为完整的亚热带高原喀斯特淡水湖泊湿地生态系统以及黑颈鹤、灰鹤等珍稀鸟类和其他珍稀濒危动植物[14]。草海国家级自然保护区干湿季节分明，冬春为干季，夏秋为湿季，年均气温为10.5 ℃，年降水量约为951 mm，草海湿地水源补给以大气降水为主，地下水为辅，年汇水量约为800～900万m3[15]。草海湿地历史上发生过巨大变迁：1949年前，草海水位为2 175 m，水域面积最大可达45 km2；1958年首次实施排水造田，水面面积缩减至31 km2；1970年再次实施大规模排水工程，导致草海几乎被排干，仅存水面面积不足5 km2和部分沼泽地，草海大部分湖底被开垦或耕地，湿地景观被完全改变，湿地生态系统遭到严重破坏[16]。1980—1982年，贵州省人民政府开始恢复草海湿地，设计水位高程为2 717.7 m(丰水期约为2 172.0 m，枯水期约为2 171.2 m)，湿地水域面积恢复至约25 km2(丰水期约为26.05 km2，枯水期约为15.00 km2)，草海湿地生态系统才得以逐渐恢复[17]。

2 研究方法

2.1 数据来源与解译

在地理信息系统和遥感技术支持下，结合草海国家级自然保护区的区域特点，确定保护区多类湿地景观类型。以1974年5月航拍1∶5万地形图、1992年8月TM数据、2001年6月Landsat ETM+数据和2015年4月Landsat 8 OLI数据等4期影像资料为基本信息源，并利用2014—2017年野外采集的大量GPS点位信息、实地景观照片库、植被类型图等作为地面控制校正点和景观分类的重要辅助资料，精度控制在0.5个像元内。数据处理主要步骤为：采用ArcGIS 10.0软件对校正后的草海区域进行处理，采用掩膜提取方法裁剪得到草海国家级自然保护区影像图[18]；采用ERDAS IMAGINE 9.2软件对4期保护区遥感原始数据进行图像融合，并基于立方卷积插值法进行图像重采样，进一步使用优化监督分类对图像进行解译和利用；采用FRAGSTATS 4.0软件分别研究区景观指数。

2.2 区域景观类型的提取

利用卫星遥感影像光谱特征，结合研究区地形地貌、水文特征和植物群落分布，并考虑黑颈鹤、灰鹤等重点水鸟越冬生境选择因素，将研究区划分为耕地、林地、荒地、滩涂、沼泽、建设用地和湖泊7种景观类型(表1)。

2.3 景观格局评价指标的选择与计算

景观评价指标值能高度浓缩景观发展的信息。通过对指标的计算分析，能有效反映景观结构组成和动态变化，将研究区景观空间变化与时间过程紧密地结合起来。笔者选取景观斑块数、斑块面积、破碎度、多样性指数、优势度和均匀度等指标[19]。

表1草海国家级自然保护区景观类型及划分依据

Table1ThelandscapetypecategoriesofCaohaiNationalNatureReserve

景观类型类型定义及分类依据耕地包括杂草地、玉米地、绿肥地、蔬菜地、耕地、农作物地等林地以乔木为主的有林地(包括天然林和人工林)荒地无或极稀疏植被用地(包括新翻耕但还未种植作物的用地类型)滩涂湖泊常水位至洪水位间的潮浸地带或仅有少量植物残茬的泥泞区域草甸型沼泽以多年生草本植物群落为主的沼泽地建设用地住宅、工厂、公路等基础设施用地湖泊湖泊明水面

(1)景观斑块数(N)

景观斑块数表示不同斑块数量的总和。

(2)斑块面积(A)

斑块面积反映某类景观要素斑块的规模大小，直接影响区域生物量及多样性。

(3)景观破碎度(C)

C=N/A。

(1)

式(1)中，N为景观总斑块数；A为景观总面积，hm2。该指标反映景观总体被各类景观斑块割裂的破碎程度。

(4)多样性指数(H)

(2)

式(2)中，Pi为斑块景观比例，m为斑块种类。多样性指数表示相应景观类型数量的多少和占总面积的比例。

(5)优势度(D0)

(3)

式(3)中，Hmax为当研究区内所有景观类型面积相等时景观多样性指数值。优势度反映景观受某种斑块的影响程度。景观的优势度指数越大，表明该景观是由越少数的景观要素所控制。

(6)均匀度指数(E)

E=H/Hmax。

(4)

均匀度指数反映各斑块类型分布的均匀程度，该指数可与优势度一起进行互相验证。

2.4 景观发展强度指数(LDI)评价方法

LDI方法通过遥感影像的相关数据分析，从宏观上对研究区受人类干扰强度进行评价，该方法将景观斑块与人为活动相关联[11]。LDI值为某一特定景观强度指数，它等于各类斑块面积占总面积的比例与该类斑块所对应的LDI系数乘积的总和。若湿地处于完全自然状态且不受任何人为影响，则该湿地LDI值为0；若湿地已经完全被人类开发，则LDI值为10。景观LDI值越大，则该景观受人为影响越大。绝大部分湿地处于两种状态之间[11]，BROWN等[20]首先开发了各种景观类型的LDI系数，按照影响程度从低到高，湖泊LDI系数为1.00，沼泽、滩涂和林地LDI系数为1.58，耕地LDI系数为4.54，荒地LDI系数为6.92，建设用地LDI系数为8.66[21]。

3 结果与讨论

3.1 草海国家级自然保护区景观格局变化

不同类型景观格局变化和面积变化见图2和表2。在景观斑块面积变化方面：1992年之后，耕地面积从1992年的3 331.36 hm2减少到2015年的471.69 hm2，呈递减趋势；与之对应的是荒地面积逐年递增，同时建设用地面积从1974年的423.00 hm2增加到2015年的1 097.10 hm2。在沼泽景观斑块的演变过程中，呈现出特殊的变化：1974年草海水域面积仅剩约251.28 hm2，而沼泽面积则出现历史峰值，为2 540.52 hm2；而1992—2001年，草海沼泽面积骤减至最低值，这是因为远离水源的沼泽逐渐被开发为农田，近水沼泽区域在1982年草海恢复蓄水之后被湖泊淹没，故2001年沼泽面积最低，为324.58 hm2。经过长时间演化，新的沼泽形成，至2015年沼泽面积在一定程度上得以恢复。湖泊面积在1974年仅存251.28 hm2，经历了1950和1970年代2次大规模人工排水，使湖泊面积降到1949年以来最低点；随着草海国家级自然保护区的建立和一系列退耕还湿政策的实施，草海湖面得到逐步恢复，其高峰值是1992年的1 939.08 hm2，2001和2015年分别为1 561.63和1 653.12 hm2，草海的湖泊得以恢复并逐渐地趋于稳定。

图2 草海国家级自然保护区4期景观格局

表2草海国家级自然保护区4期各景观类型面积

Table2TheareaofdifferentlandscapepatchesofCaohaiNationalNatureReservein1974,1992,2001and2015

年份面积/hm2荒地湖泊林地建设用地滩涂耕地沼泽19741 931.40251.281 376.28423.00375.482 055.602 540.5219922 281.931 939.08849.61580.84338.223 331.36586.2820012 957.321 561.633 070.63623.89372.34996.96324.5820153 408.121 653.121 260.361 097.10255.15471.691 695.78

3.2 草海国家级自然保护区景观指数变化

选取保护区景观多样性指数、优势度、均匀度和破碎度4个指标进行分析(表3)。4个时期草海国家级自然保护区景观多样性指数在2001年最低，2015年最高。其中，1974—1992年，草海国家级自然保护区的多样性指数呈递减趋势且变化较小；而2001—2015年景观多样性指数由0.72增至0.76，变化幅度相对较大，集中体现在建筑用地持续增长和沼泽面积发生变化，这一方面反映该时期湿地明显恢复，另一方面反映随社会发展人为建设和城镇扩张空前加剧[16]。

表3草海国家级自然保护区4期景观指数变化

Table3ThechangingoflandscapeindexofCaohaiNationalNatureReservein1974,1992,2001and2015

年份景观多样性优势度均匀度/%景观破碎度19740.740.1186.970.0619920.730.1286.510.1420010.720.1385.080.2120150.760.0989.340.16

景观优势度和均匀度是相对应的，景观优势度越大，均匀度就越小，且能够相互验证[22]。其中，保护区1974年景观优势度较小，均匀度较大；该时期保护区景观主要受耕地、林地、荒地和沼泽4种类型控制，景观类型分布较均匀。1992年，草海经过长期蓄水，湖泊得以恢复，耕地、荒地和湖泊成为优势景观类型。2001年，耕地面积大幅减少，林地面积大幅增加，林地和荒地景观占主导地位，在4期中景观优势度最高，均匀度最低。2015年景观格局优势度为4期中最小，多样性最大，这是因为沼泽面积增加，建设用地面积倍增，控制湿地的景观要素变多，各景观格局分布更加均匀，主要控制因素变成荒地、林地、沼泽、建设用地和湖泊5种类型(表3)。

草海国家级自然保护区景观破碎化指数从1974年的0.06增加到2001年的0.21。在1974年草海湿地湖水大规模排干之后，周边开垦大面积农田，而水域周边形成大面积沼泽，建设用地较少，各景观斑块连接度较高，因此破碎度最低。1992年草海国家级自然保护区各斑块由于互相分割、镶嵌，其中，湖泊、耕地、林地、建设用地和荒地斑块数都有所增加，景观开始呈现破碎化。2001年，林地、荒地、建设用地和道路斑块数持续增加，使各景观斑块间连接度大大降低，破碎化程度更加严重，因此景观破碎化指数最高。

3.3 草海国家级自然保护区景观发展强度分析

各类景观变化及LDI值见图3。1974、1992、2001和2015年4期LDI值分别为3.77、4.11、3.83和4.27，说明草海湿地属于农业湿地且处于中等健康水平[20]。1974年LDI值最低，说明该时期草海湿地在大规模排水工程和围湖造田行动影响下，虽然水域遭到严重破坏，但整个区域的景观斑块依然完整，湖边耕地尚未完全开发，林地破坏较轻，尚未受到城镇化扩张的影响，土地利用比较单一。1992年LDI值较高，反映草海国家级自然保护区在1970和1980年代围湖造田活动、土地承包运动使湖面周围土地转化为耕地，致使耕地面积剧增，荒地增多，人为干扰开始呈现多样化，加上林地、沼泽大面积消失，草海国家级自然保护区受人为干扰较强烈。2001年LDI值较1992年更低，湿地受到人为活动的影响在一定程度上呈现降低趋势，反映草海湿地在1992年成为国家级保护区后实施的一系列退耕还湿、退耕还林政策取得一定效果。2015年LDI值最高，已接近城镇型湿地，反映草海完善了大量基础设施，尤其是城镇的无序扩张和道路的大规模修建，人为干扰强度加深，草海湿地受到人为干扰影响最强烈。

图3 草海国家级自然保护区4期各类型景观变化及景观发展强度指数(LDI)

3.4 草海国家级自然保护区景观变化驱动力分析

3.4.1自然驱动因素

自1954—2007年54 a间草海日照时数呈现减少趋势，同期总云量、雾日都呈现微弱的减少趋势[23]。同时，草海位于贵州省西北部，雨季一般从5月中下旬开始，加上来自云南高原的偏西气候下沉作用，降水较少[24]。在1954—2007年54 a间草海年平均相对湿度为97.5%，且降水日数亦在此期间呈现减少趋势[23]。降水的减少对草海湖区蓄水量和水面面积有较大影响，对湖区周围干旱生境和景观斑块的产生和变化产生一定影响。

草海上游植被的减少使水源涵养功能减弱，暴雨季节大量泥沙夹杂着植物残体随地表径流形成的湖床淤积，致使东部河床上升，大量挺水植物群落在浅水区形成，进一步对地表径流起到拦截、沉降作用，促进湖床堆积[25]，对湖区草甸型沼泽和滩涂等景观斑块的产生及年际变化影响极大。草海国家级自然保护区总面积为96 km2，水土流失面积为31.44 km2，占保护区总面积的32.8%，坡度大于 25°的坡耕地以及河流淤积是草海流域水土流失的主要缘由[26]。

由于草海上游植被破坏，水源涵养功能丧失，无法提供充足的清洁水源维系草海水质的稳定，周围城镇生活污水、工业废水等未经有效净化处理就流入湖区，造成水体严重富营养化，不仅对草海周边景观格局产生重要影响，更对草海湿地生态系统的健康造成极大破坏[25]。

3.4.2人为驱动因素

草海国家级自然保护区所处的草海镇是威宁县城行政中心，区内包括银龙、西海、鸭子塘、东山等14个行政村89个村民组，全草海流域总人口185 922人，其中农业人口153 205人，占流域总人口的82.40%[27]。由于草海位于人口密集的城镇，湿地的保护管理与周边社区的发展一直存在较大冲突，其湿地景观格局变化在不同历史时期受到政策变动和社会经济发展的极大影响。1970年大规模排水后，湖底淤泥尚未干涸，保存大量水分，形成大面积沼泽；1992—2001年，远离水源的沼泽逐渐被开发为农田，近水沼泽区域在1982年恢复蓄水之后被湖泊淹没，沼泽面积骤减。随着草海国家级自然保护区的建立和一系列退耕还湿政策的实施，草海湖面得到逐步恢复[16]。人为驱动因素成为近半个世纪以来草海国家级自然保护区景观格局变化的主要影响因素。从早期的围湖造田到近年来逐步实施的退耕还湿、退耕还林政策直接影响着草海周边人为活动的广度和深度[28]。而建筑用地规模的逐年扩张反映草海周边人类活动对草海的影响正在逐步加深。同时，草海湖滨农田权属不清、农民过度依赖草海自然资源造成的无序开发和过度利用、草海周边水土流失严重、工农业及城镇化的污染物对草海水体造成的严重污染等问题使草海湿地的保护和管理面临着越来越严峻的形势[29]。

4 结论与建议

景观格局变化是自然驱动因素和人为驱动因素综合作用的结果。草海主要景观类型湖泊、沼泽、滩涂、林地、耕地、荒地和建设用地在不断地发生变化，而水因子是草海景观格局最核心的元素，水域面积的消长决定着湖泊、沼泽和滩涂的分布和范围，影响区域水生态环境和生物多样性。作为水鸟的重要越冬地，草海国家级自然保护区的景观格局变动对越冬水鸟种群的生存具有极其重要的影响，滩涂和沼泽的消减会造成黑颈鹤、灰鹤等重要水鸟栖息地的丧失。草海国家级自然保护区管理部门应加强对水域范围和水体周边耕地的控制和管理，合理布局农林、放牧和渔业用地；在提升水位的同时，应做好重点水鸟的夜宿地变化趋势的监控和研究，注意保育适于鹤类生存的沼泽和滩涂。另外，需要加强对周围建筑用地、工业用地的管理，充分结合生态红线的区域划定，严格控制城市的无序扩张，规范和统筹草海湿地景观的合理配置，同时做好污水净化处理、排放管理等工作，保证草海湿地生态环境的健康发展。