干旱内陆河流湿地景观破碎化对湿地损失的影响
——以黑河中游为例

贾志斌，赵锐锋,2，韦江伟

(1.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省土地利用与综合整治工程研究中心，甘肃 兰州 730070)

湿地是世界上受威胁程度最大的生态系统之一[1-2]，据估计，自1900年以来全球湿地的面积大约下降了64%～71%，并且在全球范围内湿地的损失和退化仍在继续[3]。湿地的损失和退化导致湿地的数量和质量降低[4]，从而造成湿地所提供的生态系统服务和功能的衰退和丧失[5-6]。已有许多的研究探讨了气候变化、土地利用变化和城市扩张等因素对湿地面积造成的影响[7-8]，湿地景观破碎化直接影响景观中生物多样性、能量流动、物质循环等生态特征与过程，加剧湿地的退化[9]。而关于湿地景观破碎化对湿地面积影响尚不明确，还需进一步深入研究。

景观破碎化包含着两个方面的含义，即作为过程的破碎趋势和作为景观格局的破碎状态[10-11]。近年来关于湿地景观破碎化的研究多集中于湿地景观格局的动态演变过程及影响因素分析[12-13]，很少有研究去深入的探讨湿地景观破碎化对湿地及湿地周围环境要素产生的影响[14]，由于破碎化而引起的湿地景观变化机制仍不清晰。许多湿地景观破碎化的研究都是以整个研究区或者以研究区内的行政区划为单元进行[15]，虽然这些研究能够很好的反映时间尺度上湿地景观的整体变化，但对于揭示湿地景观破碎化效应却存在着显著的缺陷。由于不同区域之间的变化状况存在差异，较大规模景观尺度的研究可能会使某些生态效应被掩盖。同时，景观破碎化过程往往伴随着复杂的景观格局特征的改变，有学者使用分维数和空间自相关指数、斑块数量、景观形状指数和连通性指数等作为度量景观破碎化状况的指标去研究景观破碎化所造成的影响[16-18]，这些研究所建立的指标体系都是从破碎化效应的某一方面出发对其进行度量，单一的景观破碎化指标无法对湿地景观格局的变化进行全面的表述，未能全面的考虑由于破碎化引起的景观格局变化。目前国内外关于湿地景观的研究多集中于滨海或三角洲等湿润地区[1]，干旱区湿地具有独特的湿地过程和景观格局，在分布上呈现出明显的不连续性且面积相对较小的特点[8]，与湿润半湿润区湿地存在显著差异使得许多研究结果难以被应用于干旱区湿地景观的规划和管理[7]，需要从多个角度对干旱区湿地景观破碎化进行全面分析。

黑河中游湿地属于典型的干旱内陆河流湿地，在过去几十年里湿地景观发生了巨大的改变。随着政府和地方对生态文明建设重视程度的增加，在黑河流域已采取了各种湿地保护与恢复工作，以湿地损失为代价的农业发展和工业建设被有效的遏制。现有研究表明，虽然在当地已开展各种保护和恢复工作[19]，但黑河中游湿地仍面临着严峻的威胁[7]。因此，确定何种类型的湿地景观格局易于发生湿地损失对于在新时代背景下防止湿地减少和保护湿地具有重要意义，也成为亟待解决的科学问题。本文以黑河中游地区为例，基于遥感影像解译数据，定量分析1975、1992、2001、2016年湿地景观的时空变化，探索湿地景观破碎化和湿地损失之间关系，以期更加全面的理解湿地损失机制，从而为湿地保护工作者更好的保护湿地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑河中游湿地位于中国西北内陆干旱区(E 98°57′～100°52′，N 38°39′～39°59′)，南邻祁连山国家级自然保护区，北靠巴丹吉林沙漠，处于河西走廊的“蜂腰”地带。行政区划上隶属于张掖市甘州区、临泽县和高台县(图1)，包括从莺落峡至正义峡之间的河段，长约185 km。气候为典型的温带大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷干燥，年蒸发量在 2 000～3 500 mm，年平均气温6～8 ℃，年均降水量104～328 mm。海拔高度在1 000～3 500 m之间，地势南高北低。研究区内湖泊、沼泽、滩涂等湿地景观星罗棋布，水资源较为丰富。黑河中游优渥的自然条件为各种动植物提供了良好的生境并有效的阻止巴丹吉林沙漠的南侵，是我国西北干旱区生态景观格局安全的关键区域与生物多样性保护的重要基地。

图1 研究区域Figure 1 The location of study area

1.2 数据来源及处理

本研究选取1975年、1992年和2001年的TM与2016年的ETM影像作为基础数据，利用3S技术对原始的遥感影像进行波段选择、图像校正、图像拼接、图像增强和图像裁剪等处理。根据研究区景观特征，在借鉴国内外现有湿地景观分类研究成果的基础上，黑河中游土地利用/覆被类型被划分为耕地、草地、林地、湿地、居民工矿用地和未利用地等6类土地利用/覆被类型。图像的解译和精度的检验是由之前的相关工作者完成[14]，1975年、1992年、2001年和2016年的土地利用/覆被数据的遥感影像整体解译精度分别为77.67%、77.92%、80.57%和和90.34%，能够满足大尺度研究需要。在获取土地利用/覆被数据的基础上对湿地景观变化进行分析，然后把6类土地利用/覆被类型聚合为湿地与非湿地2种类型并重新赋值以探讨湿地景观破碎化对湿地损失造成的影响，其中湿地像元的像素值赋为1，非湿地像元的像素值赋为0。

由于研究区在2001～2016年间建立了部分不受自然演变过程影响的湿地公园和自然保护区，使得一些小范围区域的湿地面积有所增加，为了防止人为干扰导致研究结果出现混淆，因此在本研究中不考虑其他的景观类型向湿地转化的部分，仅将向非湿地景观转化的部分作为湿地损失进行分析。

1.3 指标的选取

1.3.1 破碎化指标 一些研究者使用景观格局指数作为度量景观破碎化的指标分析了景观格局的空间变化[15]，结果表明景观格局指数在一定的条件下可以很好的反映由于自然或人为因素而导致的景观格局改变。因此本文基于Fragstats 4.2软件选取了一系列景观格局指数作为湿地景观破碎化指标分析了1975～2016年期间湿地景观破碎化状况与变化趋势，并探索了黑河中游湿地景观破碎化与湿地损失之间的关系。

破碎化通常会对景观格局产生四个方面的影响；景观数量的减少、孤立性的增强、斑块数目的增加以及形状复杂性的上升[11]，因此本文依据破碎化效应的4个方面选取了景观面积占比指数(PLAND)、平均斑块面积指数(MPS)、聚集度指数(AI)、与形状指数(SHAPE)来表征湿地景观的破碎化状况。湿地景观占比指数能够直接反映景观中湿地的数量以度量湿地景观的破碎化状况。通过对比图2中的a、b两幅图可以发现，在湿地面积一定的条件下聚集度较高、平均斑块面积较大和形状指数较小区域的景观破碎化的状况要明显的低于聚集度较低、平均斑块面积较小和形状指数较大的区域(a与b的聚集度指数、平均斑块面积与形状指数分别为97.46、49.14、1.40和92.18、24.75、1.73)，这一结果表明湿地景观的破碎化状况可以通过这些指标被有效的度量。

图2 破碎化程度不同两幅湿地景观图，样窗边长为1 000 mFigure 2 The two wetland landscape pictures have different degrees of fragmentation,and the side length of the sample window is 1 000 m

1.3.2 湿地损失 用来表征湿地损失的指标包括湿地损失速率与湿地损失面积，并在这2个指标的基础上纳入了湿地的年损失速率与湿地的年损失面积[20]。其公式如下：

LA=Ab=Aa

(1)

LR=(Ab-Aa)/Aa×100%

(2)

式中：LA与LR分别代表损失面积和损失速率，Aa与Ab分别为a、b前后2个时期的湿地面积。湿地损失面积表示某一区域内湿地景观在某一时间段的减少量。湿地损失速率表示在某一区域内湿地景观转化为非湿地景观的部分占原有湿地面积的比例，当某一区域包含的湿地面积全部转化为其他土地利用类型时，湿地损失速率的值为100%。

ALA=(Ab-Aa)/T×100%

(3)

ALR=(Ab-Aa)/Aa/T×100%

(4)

式中：ALA和ALR分别代表年损失面积和年损失速率，T为a、b前后2个时期的时间间隔。湿地年损失速率与湿地年损失面积是某一特定时期的湿地损失速率与湿地损失面积与间隔时间的比率，其能反映时间尺度上湿地损失过程的剧烈程度。湿地损失速率和湿地损失面积的结合使用弥补了仅仅将湿地损失速率作为湿地损失研究的不足，强调了原有的湿地景观数量在湿地损失过程中起到的作用。

1.4 数据处理

本文选择在边长为500、750、1 000 m 3种不同的样窗大小上探究湿地景观破碎化与湿地损失之间的关系，原因在于当样窗边长小于500 m时所选取的样窗内湿地景观所占的比重要远高于非湿地景观，而当样窗边长大于1 000 m时所选取的样窗内的优势景观由湿地变为了其他的土地利用/覆被类型，为降低非湿地景观的干扰以及确保能够检测到湿地景观的变化，本文选择在这三种空间尺度上进行了分析，利用Fragstats软件的移动窗口法[21-22]获取了边长为500、750、1 000 m 3种的空间尺度上的景观破碎化指数和湿地损失指标，使用Arcgis 10.2软件在2001年的湿地景观图层内创建500个随机样点，在获取湿地损失和景观破碎化指数空间分布栅格图的基础上将指标值按不同的窗口大小提取至随机生成的样点，然后将获取的属性数据转换到Excel后输入SPSS软件进行相关分析及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 黑河中游湿地景观的时空变化

黑河中游地区的景观类型以未利用地为主(图3)，除河流湿地两侧有少量的耕地、林地、草地分布外大部分区域都为未利用地。湿地面积只占研究区面积的2.5%～3%左右，作为西北地区重要的生态廊道，其对于维护西北地区的生态安全具有重要作用。

图3 1975年、1992年、2001年、2016年不同土地利用/覆被类型空间分布Figure 3 Spatial distribution of different land use/cover types in 1975,1992,2001 and 2016

在1975～2016年期间湿地面积占研究区总面积的比例呈连续下降趋势，而耕地与居工地的变化与湿地的变化趋势正好相反(图4)。草地呈连续下降趋势，林地与未利用地总体呈下降趋势，中间略有波动。表1给出了1975～2016年期间各个时间段湿地景观与其他土地利用/覆被类型之间的转换以及湿地总面积的变化状况，在1975～2016年期间黑河中游共有13 303 hm2的湿地转换为了草地、耕地等其他土地利用/覆被类型，而向湿地发生的转换只有7 090 hm2，这表明有6 213 hm2的湿地损失。

图4 1975～2016年期间不同土地利用/覆被类型占研究区总面积的比例Figure 4 Proportion of different land use/cover types in the total area of the study area from 1975 to 2016

表2给出了1975～2016年期间4个时间段内的湿地损失面积和损失速率，由于各个时间段之间的时间间隔存在差异，因此本文也计算了黑河中游湿地年损失面积及年损失速率。黑河中游湿地损失程度最严重的时期为1975～1992年，湿地面积净损失了4 390 hm2，年损失面积达到258 hm2。在1992～2001年期间年损失面积下降到55 hm2，但在2001～2016期间又上生到了89 hm2，湿地损失速率与湿地年损失速率呈现出相同的变化趋势，这一结果表明湿地损失在这一时期经历了一个短暂的低速期然后又逐渐上升，产生这一现象的原因可能与区域的发展政策和产业结构的转变有关。

表1 不同时期湿地与其它土地利用/覆被类型之间的转换及湿地面积的变化

表2 1975～2016年期间不同时间段的湿地损失面积与损失速率

黑河中游湿地在1975～2016年期间4个时间段内的湿地景观变化如图5所示，其中红色的部分表示湿地在研究期间向非湿地景观发生转化的区域，黄色的部分表示非湿地景观向湿地景观转化的区域。在不同的时期内湿地景观发生改变的区域不同，在1975～1992年内湿地损失的区域主要在临泽县与甘州区，在1992～2001年内湿地损失集中在甘州区，而在2001～2016年期间高台县的湿地损失要明显高于临泽县与甘州区。

2.2 黑河中游湿地景观破碎化分析

利用Fragstats软件在类别水平计算了研究区在各个时期的景观破碎化指数(表3)，在1975～2016年期间黑河中游湿地的平均斑块面积由163.20 hm2降到了79.16 hm2，在2001～2016年期间变化幅度最大，由138.14 hm2降至79.16 hm2，湿地景观的破碎化程度加剧。聚集度指数在1975～2016年期间也逐渐变小，由1975年的93.22降低到2016年90.62，这表明湿地景观的聚集度降低，湿地朝着更分散、破碎化程度更高的方向发展。湿地的形状指数也呈现出了下降趋势，由1975年的2.54下降到2016年的2.24，湿地景观的形状复杂性降低。平均斑块面积的减少和聚集度的降低表明湿地景观的破碎化程度加剧，而形状指数的减小则说明湿地景观的形状正在由复杂变得简单。

其他土地利用/覆被类型的景观格局指数表明除耕地与居工地外其余土地利用/覆被类的景观破碎化指数的变化趋势都与湿地相同(表3)。在1975～2016年期间，居工地的平均斑块面积增大(7.65～9.00)、聚集度指数增高(85.27～86.78)、形状指数变大(1.43～1.50)，其景观格局的变化正好与湿地景观相反。耕地的平均斑块面积与聚集度指数在研究期间呈现出先增加后减小的变化，形状指数由2.35降低到1.95。这些结果表明黑河中游湿地景观格局在某一特定驱动力的作用下朝着破碎化程度更高的方向发展，由人类活动主导的农业活动和城市建设在湿地景观演变的过程中扮演者重要的角色。

图5 1975～2016年期间各时间段内的黑河中游湿地景观变化Figure 5 Wetland landscape changes in the middle reaches of the Heihe River during 1975～2016

表3 1975～2016年期间黑河中游各土地利用/覆被类型的破碎化指数

2.3 湿地景观破碎化与湿地损失之间的关系

湿地损失与景观破碎化指数在选取的3种空间尺度上具有显著的相关性(表4)，其中湿地损失与景观占比指数、平均斑块面积和聚集度指数呈显著的正相关关系，与形状指数呈显著的负相关关系。聚集度指数与湿地损失之间的相关性随着尺度的增加逐渐降低，湿地景观占比、平均斑块面积与形状指数与湿地损失之间的相关性随着尺度的增加而增加。根据各个指标的生态学意义可知景观面积占比指数、聚集度指数和平均斑块面积指数会随着景观破碎化程度的增加而减小，形状指数会随着破碎化程度的增加而增加[22]，结果表明破碎化程度较低的湿地景观比破碎化程度较高的湿地景观在2001～2016年发生的湿地损失更多，破碎化程度较高的湿地景观在下一个时期发生损失的机率较小(表4)。

表4 2001～2016年湿地损失与湿地景观破碎化指标之间的Pearson相关系数

2001年湿地面积与湿地景观破碎化指标之间的相关分析结果显示湿地面积与平均斑块面积、聚集度指数呈显著的正相关关系，与形状指数呈显著的负相关关系，相关性随尺度的增加而减小(表5)。这一结果表明湿地景观破碎化程度越高的区域湿地面积越少，湿地景观破碎化程度的加剧会导致湿地面积减少。

表5 2001年湿地面积与湿地景观破碎化指数之间的Pearson相关系数

3 讨论

3.1 1975～2016年期间黑河中游湿地损失状况分析

本文基于土地利用/覆被数据对黑河中游湿地景观的时空变化进行了分析，研究结果表明在1975～2016年期间黑河中游湿地景观净损失了6 213 hm2，湿地损失面积、损失速率随年份增加总体上呈下降趋势。由于公众自然保护意识的提高和政府发展政策的改变使得湿地的损失速率逐渐降低[15]。在黑河中游湿地景观的转换过程中，结果与许多前人的研究结果相同，湿地向耕地的转化是造成湿地损失最主要的途径，由人类主导的农业活动的增加导致湿地景观的结构和组成发生改变，造成了湿地景观的面积迅速减少[20]。不同区域受人为干扰程度不同导致其景观开发强度存在差异[7]，人口较为密集且发展水平较高的甘州区最先发生显著的湿地景观变化，而临泽县与高台县的湿地景观变化过程则主要发生在2001～2016年期间(图5)。

3.2 湿地景观破碎化对湿地损失的影响

在1975～2016年期间湿地景观的聚集度降低、平均斑块面积减小，总体来看湿地景观朝着破碎化程度更高的方向发展(表3)。从湿地景观破碎化指标随着年份的变化趋势来看，2001～2016年期间湿地景观格局指数的变化幅度最大，并且在此期间湿地景观向非湿地景观的转化的面积最多。这一结果表明在这一时期黑河中游湿地景观发生了剧烈的改变，为探究在保护与开发并行的时代背景下湿地景观破碎化与湿地损失间的关系，合理的保护和开发湿地，所以本文选择这一时期去探索二者之间的关系。尺度的选择一直是景观破碎化研究的重点内容[10]，许多的空间关系会随着尺度的改变而发生变化[12]。较短的时间尺度可能无法有效的捕捉到由于破碎化而导致的湿地景观变化，不同空间尺度的景观破碎化效应研究的结果也存在差异[20]。由于时间尺度上数据的匮乏以及破碎化影响的滞后效应，因此本文在空间尺度上探究黑河中游湿地景观破碎化与湿地损失之间的关系。与以往研究不同的是本文从不同的方面选取了多个度量湿地景观破碎化的指标研究景观破碎化对湿地损失的影响，由于这些指标是对不同景观格局特征的描述，因此本文没有像以往研究单纯专注于景观异质性的探讨，利用信息熵或半变异函数的方法对黑河中游湿地景观破碎化效应研究的适宜尺度进行确定，而是在前人的研究基础上选取了适宜的空间尺度进行湿地景观破碎化研究[21-23]。

相关分析结果表明湿地景观破碎化过程会直接导致湿地面积减少(表5)，而景观破碎化导致的景观格局变化会在一定程度上抑制下一个时期的湿地损失(表4)。一些研究者基于景观破碎化理论将景观破碎化过程归纳为穿孔、分割、缩小和消失等四种主要的空间变化[23]，其中穿孔、缩小和消失等过程会直接导致景观数量的减少，并且当湿地景观被人类建筑或道路分割时也会直接造成湿地面积的减少，这与本研究一致。本研究通过对比同一时期不同破碎化状况的湿地景观，发现破碎化程度与湿地面积之间呈显著的正相关关系，防止湿地景观破碎化会有效的保护湿地面积损失。破碎化程度较低的湿地景观比破碎化程度较高的湿地景观更易于发生湿地损失(表4)，这一结果出现的原因可能包括以下2个主要的方面：第一，破碎化程度较低区域一般具有更多的湿地数量，当受自然或人为因素影响时具有较多湿地面积的景观比拥有较少湿地面积的景观具有更大的损失潜力；第二，黑河中游湿地属于典型的河流湿地，而湿地面积较少的区域一般为河渠或水库，这些区域与其它类型的湿地景观相比具有较强的稳定性，一般很难在短时期内被转化为非湿地景观[14]，因此黑河中游的湿地损失更多的出现在破碎化程度较低的区域。本文的研究结果对黑河中游湿地保护策略的制定具有重要的意义，可以为优先保护区域的选择提供参考。

4 结论

本文基于土地利用/覆被数据研究了1975～2016年期间黑河中游湿地景观的变化及破碎化，并探讨了湿地景观破碎化对湿地损失的影响。结果表明在1975～2016年期间由于农业用地的增加使得湿地面积大量减少，湿地景观的破碎化程度加剧。相关分析的结果表明湿地景观破碎化程度的加剧会导致湿地面积的减少，黑河中游湿地景观的变化受原有湿地景观格局的影响，对于具有不同的景观格局的湿地其发生损失的机率存在差异，破碎程度较低的湿地景观比破碎化程度较高的湿地景观更易于发生湿地损失。湿地景观破碎化与湿地损失间关系的探索研究能够为湿地保护工作提供有效的建议，更好的防止和降低湿地损失。