高 祥，戚雨婷，董 斌*，崔玉環(huán)，郝 瀧，趙 芳，王宏昌

1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，安徽 合肥 230036 2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013 3.山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102

引 言

升金湖是典型的長(zhǎng)江中下游自然濕地，上世紀(jì)90年代前景觀格局呈理想狀態(tài)，景觀生態(tài)系統(tǒng)多樣性豐富，為越冬候鳥(niǎo)提供極佳的生境[1]。為預(yù)防沿河地區(qū)發(fā)生洪澇等自然災(zāi)害，長(zhǎng)江中下游通江湖泊、河流大規(guī)模興建水利設(shè)施，致使河流自然連通狀態(tài)改變，升金湖水位在人為控制狀態(tài)下一年中最高值保持在警戒水位(15 m)，水位變化使升金湖景觀時(shí)空格局改變明顯[2]。景觀格局決定了物種生境的可利用度，而候鳥(niǎo)生存在很大程度上取決于生境質(zhì)量，景觀破碎化和生境面積銳減對(duì)越冬候鳥(niǎo)在此停留、繁衍等生理活動(dòng)極其不利[3-4]。因此，對(duì)越冬候鳥(niǎo)生境質(zhì)量研究一直是探討濕地保護(hù)的熱點(diǎn)和核心項(xiàng)目[2-4]。

目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者展開(kāi)不同水文時(shí)期下景觀格局和生境研究，Richer等通過(guò)研究水利設(shè)施改變河流原有自然連接狀態(tài)，導(dǎo)致水位發(fā)生改變，進(jìn)而分析不同水文時(shí)期下湖泊景觀格局對(duì)生境時(shí)空格局的影響。Wang等用景觀斑塊譜分析濕地景觀變化對(duì)丹頂鶴棲息地影響，結(jié)果表明斑塊面積對(duì)景觀破碎化程度低地區(qū)影響較大，而形狀和多樣性對(duì)高度破碎化地區(qū)影響較大[5]。目前就升金湖等通江湖泊著手研究不同水文時(shí)期景觀格局及其對(duì)生境影響相關(guān)研究較少[6-7]。而多光譜遙感可根據(jù)影像形態(tài)、結(jié)構(gòu)差異和光譜特性解譯地物，擴(kuò)大了遙感的信息量，Landsat-8(OLI)系列包含ETM+的所有波段，且新增兩個(gè)波段，具有海岸波段、藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外、全色、卷云等多波段，解譯地物能力強(qiáng)，利于景觀生態(tài)等方面的研究。本文選擇升金湖濕地保護(hù)區(qū)作為研究區(qū)域，利用多光譜遙感影像提取景觀斑塊譜和越冬候鳥(niǎo)生境面積數(shù)據(jù)，結(jié)合升金湖地區(qū)在一個(gè)完整水文時(shí)期水位數(shù)據(jù)，對(duì)升金湖越冬候鳥(niǎo)生境質(zhì)量隨時(shí)間變化特征進(jìn)行研究，為強(qiáng)化水資源合理時(shí)空分布，提升濕地生態(tài)環(huán)境和越冬候鳥(niǎo)生境質(zhì)量提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安徽升金湖自然保護(hù)區(qū)地處安徽省南部池州市內(nèi)，北緯30°15′—30°30′，東經(jīng)116°55′—117°15′之間(圖1)，水位波動(dòng)極大且具有季節(jié)性變化特點(diǎn)[8]。該區(qū)域是國(guó)際重要濕地和越冬候鳥(niǎo)重要棲息地。

圖1 升金湖自然保護(hù)區(qū)位置圖Fig.1 Location of Shengjin Lake nature reserve

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為研究一個(gè)水文期內(nèi)水位變化對(duì)升金湖濕地候鳥(niǎo)生境影響，選取最近一年內(nèi)(2017年5月—2018年5月)升金湖水文數(shù)據(jù)[圖2(a)]，升金湖水位(黃湓閘閘上水位站)處于波動(dòng)狀態(tài)，在2017年5月到2018年5月，月平均水位最大值為14.33 m，最小值為8.51 m，水位波動(dòng)明顯。受季風(fēng)影響降雨主要集中在夏季。結(jié)合已有研究成果將水文時(shí)期劃分為四個(gè)時(shí)期[圖2(b)][8-10]。其中，升金湖水位由黃湓閘水文站觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)來(lái)源為安徽省水文遙測(cè)信息網(wǎng)(yc.wswj.net/ahyc/)。Landsat-8(OLI)影像數(shù)據(jù)時(shí)相分別與四個(gè)水文期對(duì)應(yīng)，選取能代表各水文期平均水位且質(zhì)量較好的影像(表1)。根據(jù)Landsat-8(OLI)波段設(shè)置，選用5，4和3波段合成，具有地物圖像豐富鮮明、層次好等優(yōu)點(diǎn)，可用于植被分類(lèi)、水體識(shí)別；使用ENVI5.2進(jìn)行幾何校正、影像融合、影像裁剪和影像增強(qiáng)等影像預(yù)處理。

圖2 數(shù)據(jù)選取依據(jù)(a)：升金湖水位變化特征； (b)：候鳥(niǎo)活動(dòng)期與水文期對(duì)應(yīng)圖Fig.2 Data selection basis(a)：Characteristics of water level changes；(b) Corresponding of migratory bird activities and hydrological periods

表1 Landsat-8衛(wèi)星影像時(shí)相選取Table 1 Phase selection of Landsat-8 satellite images

2.2 遙感影像分類(lèi)方法比較分析

目前監(jiān)督分類(lèi)常用的兩種精度較高的方法為最大似然值法和支持向量機(jī)法，最大似然值法比傳統(tǒng)監(jiān)督分類(lèi)最小距離法精確度高，支持向量機(jī)法采用維度進(jìn)行分類(lèi)，分類(lèi)精度較高。采取最大似然值法和支持向量機(jī)法進(jìn)行分類(lèi)，利用混淆矩陣判定其分類(lèi)精度(表2)，最終結(jié)果表明，支持向量機(jī)法分類(lèi)總體精度與Kappa系數(shù)均高于最大似然值法，故選用支持向量機(jī)法對(duì)影像進(jìn)行分類(lèi)。

表2 兩種監(jiān)督分類(lèi)方法對(duì)比分析Table 2 Comparative analysis of two supervised classification methods

2.3 升金湖土地利用分類(lèi)

結(jié)合已有文獻(xiàn)，將土地利用類(lèi)型劃分為水域、水田、旱地、林地、草灘地、泥灘地、蘆葦灘地和建設(shè)用地八種[4,10]。結(jié)合歸一化水體指數(shù)(NDWI)對(duì)4幅影像進(jìn)行支持向量機(jī)分類(lèi)并進(jìn)行分類(lèi)后處理(圖3)。

圖3 升金湖濕地土地利用類(lèi)型分類(lèi)圖Fig.3 Classification of land use types in Shengjin Lake wetland

2.4 景觀斑塊譜特征指數(shù)選取與分級(jí)

選取四個(gè)景觀斑塊指數(shù)[10-11]，分別為斑塊面積、斑塊數(shù)量、斑塊形狀指數(shù)和景觀香濃多樣性指數(shù)(SHDI)。其中，斑塊形狀指數(shù)計(jì)算模型為：

(1)

式(1)中，S為斑塊形狀指數(shù)，P為斑塊周長(zhǎng)，A為斑塊面積(以圓為參照幾何形狀)。景觀香濃多樣性指數(shù)(SHDI)計(jì)算模型為

(2)

式(2)中，SHDI為香濃多樣性指數(shù)，i為面積占斑塊總面積比例，Z為斑塊內(nèi)生態(tài)類(lèi)型數(shù)，ci為斑塊內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型數(shù)。以候鳥(niǎo)生境最小圖斑面積(3 km2)[6]為基礎(chǔ)，根據(jù)等級(jí)劃分面積級(jí)別并統(tǒng)計(jì)相關(guān)參數(shù)，景觀斑塊譜等級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 景觀斑塊面積分級(jí)Table 3 Classification of landscape patch area

3 結(jié)果與討論

3.1 濕地景觀斑塊譜特征時(shí)空變化分析

3.1.1 斑塊面積特征分析

空間上升金湖濕地景觀中E類(lèi)斑塊面積最大，全年平均面積高達(dá)12 525 km2，占28.36%，大斑塊在濕地景觀中為主導(dǎo)地位；時(shí)間上，隨水位升高大斑塊面積波動(dòng)幅度較大表現(xiàn)出較高的不穩(wěn)定性，斑塊面積先升后降，與A類(lèi)斑塊呈現(xiàn)彼消此長(zhǎng)趨勢(shì)，其他四種斑塊面積波動(dòng)較小且分布均勻(圖5)。豐水期(14.33 m)小斑塊面積較小，大斑塊面積較大約占37.37%；枯水期(8.99 m)中等斑塊面積達(dá)到峰值約占區(qū)域面積28.26%，大小斑塊面積占比相似分布較為合理，升金湖濕地景觀斑塊面積在一個(gè)水文期內(nèi)水位升高而大面積逐漸增加，小面積逐漸萎縮過(guò)程，在退水期和枯水期表現(xiàn)出良好景觀格局分布。

圖5 不同水文期景觀斑塊面積變化過(guò)程Fig.5 Variation process of landscape patch areas in different hydrological periods

3.1.2 斑塊數(shù)量特征分析

將同一水文期斑塊數(shù)量根據(jù)面積級(jí)別劃分并統(tǒng)計(jì)匯總，空間上濕地景觀總體上破碎化嚴(yán)重，濕地景觀小斑塊數(shù)量巨大約占總體斑塊數(shù)的90%以上，大斑塊數(shù)量極少僅占總體斑塊數(shù)的1.3%～4.1%，小斑塊在濕地景觀數(shù)量上具優(yōu)勢(shì)，大斑塊占據(jù)劣勢(shì)地位，前者對(duì)升金湖景觀破碎化程度起主要作用(表4)。時(shí)間上各時(shí)期斑塊總數(shù)之間有較大差異，斑塊總數(shù)隨水位升高先增后降，其中小斑塊數(shù)量變化最大，穩(wěn)定性極差，易受水位波動(dòng)或水草時(shí)滯影響。漲水期斑塊總數(shù)最大且小斑塊數(shù)目占優(yōu)，表明升金湖濕地景觀在此時(shí)期破碎化嚴(yán)重，物種生境可用度較低?？菟诎邏K總數(shù)最少(僅6 790個(gè))，此時(shí)期水位約維持在8.51～9.72 m，處于區(qū)域水位較低時(shí)期，此階段升金湖濕地具有良好的生態(tài)格局和生境可用度。

表4 斑塊數(shù)量特征與分級(jí)Table 4 Quantitative features and classification of patches

3.1.3 景觀斑塊指數(shù)特征分析

將同一水文時(shí)期斑塊形狀指數(shù)根據(jù)面積級(jí)別劃分并統(tǒng)計(jì)均值，空間上斑塊面積與其形狀指數(shù)變化呈正相關(guān)(圖6)，形狀指數(shù)越大，斑塊邊緣效應(yīng)越明顯且內(nèi)部異質(zhì)性越低；時(shí)間上E類(lèi)斑塊平均形狀指數(shù)波動(dòng)較大，穩(wěn)定性差且水位越高形狀指數(shù)越大，表明水位對(duì)大斑塊形狀指數(shù)影響較大。其他斑塊面積級(jí)別類(lèi)型變化較小波動(dòng)不明顯。由于水位升高水面向外延伸，水域等大斑塊形狀偏離規(guī)則形狀，高水位時(shí)期(主要為漲水期和豐水期)，E類(lèi)斑塊形狀指數(shù)最大，表明此時(shí)期大斑塊沿河流趨向成狹長(zhǎng)式分布。

圖6 景觀斑塊形狀指數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.6 Trend chart of landscape patch shape index over time

3.1.4 景觀香濃多樣性指數(shù)分析

由統(tǒng)計(jì)知四個(gè)水文期SHDI指數(shù)分別為1.754 2(漲水期)、1.571 7(豐水期)、1.762 3(退水期)、1.790 1(枯水期)。升金湖整體上景觀SHDI指數(shù)隨水位升高略有降低，豐水期景觀破碎化嚴(yán)重且生態(tài)系統(tǒng)多樣性較低。由于越冬候鳥(niǎo)生境是由草灘地、泥灘地、蘆葦灘地三種景觀構(gòu)成的復(fù)合體[6]，通過(guò)保護(hù)景觀多樣性可實(shí)現(xiàn)生物多樣性保護(hù)，景觀多樣性較低對(duì)越冬候鳥(niǎo)生境質(zhì)量有不利影響。

3.2 不同水文期越冬候鳥(niǎo)生境面積動(dòng)態(tài)分析

升金湖濕地保護(hù)區(qū)鶴類(lèi)種群數(shù)量中白頭鶴較多，屬雜食性動(dòng)物，但以植物性食物為主。蘆葦灘地土壤養(yǎng)分含量較高，且植物種類(lèi)較多，高大禾本植物提供良好的隱秘環(huán)境，是越冬候鳥(niǎo)三種棲息地中最佳棲息地種類(lèi)。退水期和枯水期是越冬候鳥(niǎo)主要到訪(fǎng)時(shí)期。退水期鶴類(lèi)生境面積比較均勻，隨水位下降，蘆葦灘地面積逐漸上升，此時(shí)期候鳥(niǎo)生存條件較為理想?？菟谏趁娣e最大(越冬候鳥(niǎo)末期)(圖7)蘆葦灘地面積占比急速減少，此時(shí)越冬候鳥(niǎo)棲息地主要為泥灘地與草灘地，可基本滿(mǎn)足候鳥(niǎo)生活需求。草灘地生境面積占主導(dǎo)地位(51.21%)，面積波動(dòng)較大且與水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，最低值41.51%，低于區(qū)域平均水平。三種類(lèi)型面積此消彼長(zhǎng)并長(zhǎng)期處于平衡狀態(tài)。高水位條件下主要生境為草灘地占比為68.01%，生境類(lèi)型單一且生境面積出現(xiàn)萎縮(僅1 335.95 km2)，小于最大生境面積的三分之一。

圖7 不同水文時(shí)期升金湖生境面積變化Fig.7 Changes of habitat areas in Shengjin Lake in different hydrological periods

4 結(jié) 論

(1)一個(gè)水文周期內(nèi)，升金湖濕地景觀格局在空間上小斑塊數(shù)量巨大且結(jié)構(gòu)分散，大斑塊數(shù)量較少但面積占優(yōu)，邊緣效應(yīng)明顯，景觀破碎化嚴(yán)重，斑塊內(nèi)部異質(zhì)性較差；時(shí)間上，隨水位升高大斑塊面積增加，小斑塊面積持續(xù)萎縮且數(shù)量持續(xù)升高，景觀格局趨于單一化且破碎化嚴(yán)重；大斑塊形狀指數(shù)升高，景觀邊緣效應(yīng)顯著，內(nèi)部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性降低，景觀香濃多樣性指數(shù)減小，生態(tài)多樣性趨于簡(jiǎn)單化。越冬候鳥(niǎo)生境總面積波動(dòng)較大且與水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。越冬候鳥(niǎo)初期(退水期)，升金湖濕地景觀破碎化嚴(yán)重，內(nèi)部異質(zhì)性較低，候鳥(niǎo)生境面積總體較??；隨水位降低生境面積逐漸增加，到越冬候鳥(niǎo)末期達(dá)到峰值。

(2)近年來(lái)，為增加漁業(yè)養(yǎng)殖利益最大化，周?chē)~(yú)塘眾多，越冬候鳥(niǎo)期水位仍較高，水生植物生長(zhǎng)受到抑制，從而影響鶴類(lèi)棲息地環(huán)境，景觀斑塊內(nèi)部異質(zhì)性較高且生態(tài)系統(tǒng)多樣性偏低，不能為越冬候鳥(niǎo)提供理想的棲息場(chǎng)所。通過(guò)控水閘對(duì)升金湖水位進(jìn)行合理調(diào)控，能極大程度上改變濕地景觀格局，進(jìn)而提高生境可利用度。