基于地理探测器的菜子湖群湿地景观格局变化及驱动因子分析

彭 娜,周立志

(1.安徽大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230601； 2.湿地生态保护与修复安徽省重点实验室(安徽大学),安徽 合肥 230601)

景观格局是指不同生态系统或土地覆被类型在时间与空间上的组成及配置，是生态过程在不同尺度的作用结果[1]。景观格局定量分析是研究格局与过程相互关系的基础，景观斑块的大小、形状及排列方式在一定程度上反映了人类活动的方式和强度，影响着其中物质循环、能量流动和信息传递等生态过程和形式[2-3]。探究影响和控制景观格局的因子及作用机制对于加强自然资源管理和生物多样性保护具有重要作用[4-6]。

湿地作为重要的自然景观，是指以湿地斑块、廊道以及相关的其他类型空间单元聚合而成的异质性地理区域[7]，是山水林田湖草生命共同体的主要组成部分，其景观格局变化及其驱动力研究成为景观生态学与湿地科学研究的热点[3,8]。国内外多借助景观格局指数[9-11]、转移矩阵[12-13]等进行湿地演变的特征分析。驱动因子选取包含人为和自然两方面[14]，多采用定性和定量分析相结合的分析方法。定性分析可显示破碎化与因子的变化趋势[2,15-16]；定量分析能量化因子对于景观的作用大小，包括相关性分析[10]、主成分分析[11]以及回归模型[16]等，但主观性较强，空间分析能力较弱，且无法评估因子间的交互作用影响力大小[13,17]。地理探测器作为一种新兴计量模型，解决了传统方法空间分析能力弱的问题，能准确解释因子空间异质性对景观分异性影响力的大小[17-18]，广泛应用于土地利用、区域经济、公共卫生、环境污染等领域[19-20]。

长江中下游湿地资源丰富，区域人口稠密，湿地景观受人为影响较大，是研究气候、经济和农业对湿地景观变化影响的重点区域[12]。菜子湖群湿地作为该区代表性的浅水通江湖泊，2018年以前，围网养殖、围湖造田、堤防工程导致自然湿地萎缩，景观呈现破碎化，湖泊生态功能退化。现有菜子湖群研究集中在生物多样性及其结构特征分析[21-23]，湿地景观变化及其驱动力的研究亟待加强。

本文利用菜子湖群1999年、2004年、2011年和2017年4期冬季遥感影像，提取研究区湿地空间分布信息，采用网格分析法研究景观指数和人为干扰的时空分异规律，运用地理探测器和相关性分析法分析湿地景观变化的原因，以期为加强菜子湖群湿地资源保护和管理提供科学参考。

1 研究区概况

菜子湖群湿地地处安徽省安庆市宜秀区、桐城市和铜陵市枞阳县交界处，处于117°01′E～117°09′E、30°43′N～30°58′N之间，由菜子湖、嬉子湖和白兔湖构成，统称菜子湖群[24-25]，湿地总面积达 248.73 km2(图1)。湿地周边主要以农业种植、渔业养殖为主，工业企业少。湖区降水季节分配不均，湿地景观受水位季节性变化影响较大[26]。湖水依赖地表径流和自然降水补给，西纳龙眠河、挂车河、大沙河，经长河于枞阳闸汇入长江。自1959年枞阳闸建成以后，阻断了菜子湖群与长江的自然连通，阻止了江水倒灌，为沼泽湿地大规模围垦创造了条件。

图1 研究区位置

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本文遥感影像来自地理空间数据云及美国地质勘探局网站(https://earthexplorer.usgs.gov/)，选取1999年12月10日Landsat ETM+、2004年12月7日和2011年12月11日Landsat ETM以及2017年12月19日Landsat OLI-TIRS 4期冬季枯水期遥感数据，分辨率为30 m。

使用ENVI 5.3对遥感影像进行预处理，采用 1∶10 000 地形图和土地利用数字地形图进行几何校正。借助归一化水体指数(normalized difference water index， NDWI)提取丰水期湿地边界，采用支持向量机方法获取景观分类信息。验证分类精度为90%以上，Kappa指数在0.80以上，达到研究要求。

此外，借助Google Earth软件结合实地调查提取研究区内4个研究年份的围网及围坝等人为活动分布。其中1999年耕地较少，全湖未开始围网，只统计到养殖塘及围坝数据。

社会经济、人口等数据来自《安徽统计年鉴》《铜陵市国民经济和社会发展统计公报》和《安庆市国民经济和社会发展统计公报》。

2.2 湿地景观分类

参照2017年国家土地利用分类标准，结合前人研究，考虑菜子湖湿地景观特征及研究需要，将景观分成3大类7个小类：自然湿地(湖泊、滩地、沼泽草滩)、人工湿地(河渠、养殖塘、农田)和非湿地。

2.3 景观指数选取

从4个方面选取景观指数：①破碎度指标，包括斑块数量、斑块密度；②形状指标，采用平均斑块分维数[10,27]；③聚集度指标，采用蔓延度指数[28-29]；④多样性指标，采用Shannon’s多样性指数[10-11]。各景观指数生态含义如表1所示。

表1 各景观指数生态含义

为了直观地分析菜子湖群4个时期湿地景观指数的空间变化，借助Fragstas4.4计算各时期 1 km×1 km网格(图1)景观指数，运用网格分析法研究区内景观指数时空变化规律。

(a) 1999年

(b) 2004年

(c) 2011年

(d) 2017年

2.4 人为干扰

综合前人的研究[30-31]，对区域景观和干扰类型进行人为干扰度赋值，根据不同景观或人为干扰类型的面积和干扰度指数，计算网格单元人为干扰强度，计算公式如下：

(1)

式中：HI为网格单元人为干扰强度；m为某一网格内斑块个数；Si为网格单元内第i类景观或干扰类型面积；S为网格单元的总面积；Pi为第i类景观或干扰类型的人为干扰度指数，取值范围为0～1(P湖泊=0.1、P河渠=0.35、P养殖塘=0.6、P滩地=0.5、P沼泽草滩=0.16、P农田=0.65、P非湿地=0.80、P围网=0.25、P网坝=0.48)，值越大，代表人为干扰越强。

2.5 地理探测器

地理探测器是用于探测空间分异与分异机制背后驱动力的计量模型，包括风险探测、因子探测、生态探测和交互探测4部分[32]。其核心思想基于假设：如果某个自变量X对某个因变量Y有重要影响，那么X和Y的空间分布具有相似性[17-18]。将围坝、农田、养殖塘和围网等影响因素空间分布进行网格化统计，之后对数据进行离散化处理[20]，利用因子分析和交互探测，得到各人为活动类型对斑块数量的影响力q：

(2)

3 结果与分析

3.1 湿地景观面积动态变化

1999—2017年菜子湖群湿地景观类型空间分布和面积占比如图2、图3所示。1999—2017年菜子湖群湿地自然湿地面积减少36.03 km2，人工湿地显著增加。滩地面积在2011年达到最小值，最小面积为23.15 km2，相较于1999年占比减少18.22%；沼泽草滩面积2011—2017年显著减少，由2011年的30.02%减少到2017年的15.08%；研究期间的农田及养殖塘面积持续增加，分别增加12.12 km2和20.71 km2；河渠及非湿地面积略有增加，研究期间占比分别增加了0.82%和0.48%。滩地和沼泽草滩在白兔湖、菜子湖和嬉子湖分别丧失25.74%、32.97%、23.22%，丢失景观主要发生在菜子湖的东部和北部，嬉子湖的西部和南部，以及白兔湖的整个湖滨带。

图3 1999—2017年菜子湖群湿地不同景观类型的面积占比

3.2 湿地人为活动分布情况

表2和图4显示，1999年少量养殖塘、围坝分布于湿地边缘。1999—2004年白兔湖和嬉子湖围网急剧增加，分别增加了34.47 km2和16.35 km2，养殖塘和农田明显增多。2004—2011年白兔湖中心出现围坝，景观斑块化明显，3个子湖围网总面积达到最大75.54 km2。2011—2017年嬉子湖和菜子湖围网部分拆除，白兔湖围网有少量增加。

(a) 1999年

(b) 2004年

(c) 2011年

(d) 2017年

表2 菜子湖群湿地围网及围坝数量

3.3 湿地景观指数时空变化

景观指数时间变化规律如图5所示。白兔湖、菜子湖和嬉子湖均表现破碎程度加剧，景观格局向着多样化和均匀化方向发展。1999—2017年3个子湖区斑块密度增大，单位面积湿地景观斑块数量变多，区域景观破碎化；平均斑块分维数变小，景观形状愈发规则，湿地受人为干扰变大；蔓延度指数减小，景观聚集度下降，景观连通性变差；Shannon’s多样性指数增大，湿地土地利用趋于丰富，景观类型均衡化。

斑块数量空间分布如图6所示，白兔湖、菜子湖和嬉子湖斑块数量分布格局均呈现从核心水域向湿地边缘增大趋势，且湿地湖滨带部分呈现高值区。高值区分布在白兔湖北部、菜子湖东南部和嬉子湖西部和南部，低值区分布在湖泊中部。研究期间，斑块数量在38～57和58～79区间范围面积增大。

3.4 人为干扰强度时空分异

从时间上看(表3)，研究期间菜子湖群湿地整体干扰等级由低干扰和较低干扰向高干扰和较高干扰转移，中等和较高干扰网格数明显增加。1999年研究区以低干扰为主，占网格总数的53.09%。1999—2017年低干扰和较低干扰网格数占比分别减少了32.41%和14.20%；中等干扰网格数占比较1999年增加了23.15%；高干扰网格数占比由0增加到8.33%。1999年、2004年、2011年、2017年平均人为干扰强度分别为0.19、0.24、0.27、0.29，干扰强度总体呈上升的趋势。

从空间分布上看(图7)，1999—2017年湿地人为干扰强度从外部向内部逐渐减弱，干扰范围从外围向中间逐渐扩散。菜子湖较低人为干扰区域分布在湖中心、常年水位较深的区域，中等和较高干扰区域分布在菜子湖东南角。嬉子湖高人为干扰区域分布在湖区的西部和南部。白兔湖中等、较高和高干扰网格数增加最为明显，少量较低干扰网格集中分布在白兔湖北部，该区域有一片受人为干扰小的完整沼泽草滩。

(a) 斑块密度

(b) 平均斑块分维数

(c) 蔓延度指数

(d) Shannon’s多样性指数

(a) 1999年

(b) 2004年

(c) 2011年

(d) 2017年

表3 各干扰等级网格数占网格总数的比例

3.5 湿地景观格局变化驱动力分析

3.5.1人为活动对斑块数量影响力分析

由表4可见，2004—2011年农田及与围坝对斑块数量影响力均显著上升，q值分别增大10.11%和9.41%，表明农田及围坝对研究区景观格局时空分异的作用逐渐增大，养殖塘对斑块数量的影响力略有下降，但仍处于较高水平。2011年围坝的q值最大，表明该因素相对其他因素对研究区斑块数量时空分异的影响力更大，影响在该时期最为显著。2011—2017年农田的q值继续呈现上升趋势，并在2017年达到最大，表明农田对研究区景观格局时空分异的作用越来越突出。

交互作用探测结果(表5)显示，任何两种人为活动因子对斑块数量空间分异的交互作用都大于单个驱动因子的作用。围坝与农田的交互作用影响最强，与围网的交互作用次之，且围坝与农田发生交互作用时对景观破碎化空间分异的影响增加显著，说明人类复杂多样的活动对湿地景观破碎化的空间分异起到重要作用。

(a) 1999年

(b) 2004年

(c) 2011年

(d) 2017年

表4 地理探测器因子探测结果

表5 2017年地理探测器交互作用探测结果

表6 景观指数与社会经济因子的相关性分析

3.5.2景观指数与社会经济因子相关性

对湿地景观指数与社会经济因子相关性分析结果如表6所示。斑块密度和Shannon’s多样性指数与产业产值、国内生产总值(GDP)、人口数量、水产产量和产值等经济因子呈正相关，说明随着产业经济水平的提高，斑块密度随着人口数量、水产产量和产值的增加而增加。平均斑块分维数和蔓延度指数与产业产值、GDP及人口数量等均呈负相关，说明随着工业及旅游业等经济发展，景观的邻近度与连通性逐渐减弱。

3.6 讨论

1999—2017年菜子湖群自然湿地面积持续减少，人工湿地面积增加，湿地景观破碎度增加，人为干扰增强。菜子湖群湿地景观格局改变的主要原因涉及经济、农渔业、人口及管理等多方面，其中经济发展是影响菜子湖群湿地景观变化的主要因素。1999年以前，当地经济发展水平较为落后，农渔业发展处于较低水平，湖泊湿地开发程度低，滩地及草滩景观斑块呈大块片状分布且占比均匀，湖泊景观具有良好的连通性，湿地受人为干扰少，破碎程度较低。2004—2011年围网养殖业兴起并迅速扩张，破坏了湖泊的天然连通性，导致湿地生境破碎化，湖泊斑块数量增大，湖滨和水面破碎加剧[33]。产业结构不合理、经济增长过度依赖农渔业，倒逼渔业过度开发[11,34]。同时，人口增加导致粮食需求持续扩大，造成研究期间农田面积持续上涨[34]。为了满足新增农田灌溉需求开设沟渠，导致滩地及草滩进一步破碎化[5]。另一方面，围坝、建闸为湿地的开垦创造了条件，菜子湖群现有5 000亩(1亩=0.066 7 hm2)以上圩田近10个，如练潭圩、大幸福圩等[35]，是安庆市重要的粮食基地。研究区圩田筑坝、多次加高加固，改变了湿地水文条件和湿地景观组成。嬉子湖南端建有堤坝，导致其枯水季湖泊蓄水无法排出，涨落区水位无法回落，维持 1 m 水深[36]，滩地及草滩无法季节性裸露，致使其水面景观占比远远高于菜子湖与白兔湖，自然湿地景观占比减少，均匀度降低。人为活动面积和强度是影响湿地景观破碎化的关键因素[12]，湿地外围人口分布集中区域，如白兔湖北部双兴村、先让村，菜子湖石会村、公元村、新桥村，以及嬉子湖许咀村、练潭村等地，滩地、湖汊围坝和圩田现象尤为突出，景观破碎程度和人为干扰强度均处于较高水平[31]。跨行政区管理是菜子湖群湿地景观破碎化的重要原因，菜子湖群分跨3个不同的行政管理区域，其管理权责不明，开发模式混乱，2004年以来分割承包经营对湿地破碎程度造成严重影响[22]。除了人为因素的影响，降雨及径流等水文因素对湿地景观产生一定影响[2]，数据显示，近20年来，长江中下游流域降水量增加，年均温度下降，导致湿地湖泊水域面积增加[12]。

建议嬉子湖区在黄盆村、玉咀村一带实行滩地及草滩重建工程，提高嬉子湖整体生境质量，优化湿地景观的配比，恢复其景观连通性。拆除嬉子湖与菜子湖交界处围坝，恢复嬉子湖与菜子湖枯水季水文连通性，重建鱼类洄游通道。改善湖泊水文条件，恢复白兔湖先让村等地被围垦湖汊、滩地和浅水区，同时种植芦苇和菰等挺水植被。对于中等强度人为干扰的核心水域，通过拆除围网，减少或禁止蟹苗投放及草食性鱼类养殖，有效缓解湖泊水面破碎化问题。对全湖水域开展苦草、马来眼子菜等沉水植被恢复工程，为游禽提供丰富的食物资源，缓解湖泊水体富营养化问题。5 000亩以下分布在涨落区的农田，建议退耕还湿；5 000亩以上大型圩田保留其基本农田，合理降低农田景观占比。对于景观连通性较好、人为干扰强度低的区域，如白兔湖北部及中部，加强管理巡护，禁止放牧、捕鱼和养殖等行为，避免人为干扰。

4 结 语

近20年来，菜子湖群湿地景观类型发生了较大变化。滩地及沼泽草滩等自然湿地萎缩，养殖塘和农田等人工湿地面积扩张，而非湿地景观整体变化不大。湿地景观异质性增加，连通性下降，破碎度上升，人为活动面积及干扰强度均增大。人为干扰、农渔业扩张及跨区域管理等是导致菜子湖群湿地景观破碎化的主要原因。为了确保湿地生态的可持续发展，应开展景观重建，植被恢复工程；通过拆除围坝、围网等手段改善湿地水文状况；建立跨县区湖泊管理机制，统一规划；调整产业结构，发展替代产业，缓解经济发展和人口增长对湿地的压力。