近20年東洞庭湖冬季水禽棲息地變化研究

陶彥妤 趙運(yùn)林 徐正剛 劉師師 吳良 李寬(湖南城市學(xué)院，益陽 413000)

近20年東洞庭湖冬季水禽棲息地變化研究

陶彥妤 趙運(yùn)林 徐正剛 劉師師 吳良 李寬(湖南城市學(xué)院，益陽 413000)

水禽一直是洞庭湖生物保護(hù)的一個(gè)重點(diǎn)，在棲息地生活的水禽的生存繁衍極大依賴于濕地(Desgranges et al, 2006)，棲息地的改變最終會(huì)影響生物多樣性(Wilson,1999)。濕地是生物多樣性的重要發(fā)源地之一，對維護(hù)生態(tài)平衡、保護(hù)生物多樣性具有特殊的意義(Mitsch et al,2000)。洞庭湖是我國第二大湖泊，其獨(dú)特的自然環(huán)境條件，為多種珍稀動(dòng)物，尤其是濕地水禽提供了重要的棲息地。洞庭湖是我國最早被列入重要水禽生境名錄的七處濕地保護(hù)區(qū)之一(謝永宏等, 2007)。水禽的分布和數(shù)量與濕地生境有密切的聯(lián)系，棲息地的分布格局和質(zhì)量都對賴以生存的水禽產(chǎn)生極大的影響(趙淑清等, 2003)。當(dāng)前，實(shí)地監(jiān)測濕地動(dòng)態(tài)變化的方法耗時(shí)、耗力，精確度也不能完全達(dá)到要求，不作為調(diào)查水禽棲息地分布的首選方法。通過遙感技術(shù)來迅速獲得任意時(shí)間段內(nèi)的大范圍圖像，多種GIS相關(guān)的軟件能夠幫助人們從各個(gè)方面分析棲息地的分布和變化(牛振國等, 2009；余莉等, 2010)。本研究利用衛(wèi)星遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的空間分析功能來對1989年、2000年、2013年的東洞庭湖保護(hù)區(qū)水禽棲息地的分布狀況和變動(dòng)進(jìn)行研究，了解棲息地變化對越冬水禽的可能影響，為東洞庭湖棲息地保護(hù)及珍稀水禽保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

東洞庭湖位于長江中游荊江江段南側(cè)，介于北緯28°59″至29°38″，東經(jīng)112°43″至113°15″之間，全區(qū)總面積19萬hm2。由于洞庭湖承納湘、資、沅、澧四水，吞吐長江，因此水位變化特征不但受到自身流域降雨徑流功能強(qiáng)弱的影響，而且還與長江的水情息息相關(guān)(王旭等, 2012)。每年4月開始，四水流域進(jìn)入汛期，洞庭湖水位因之上漲，7-8月達(dá)到最高峰，9月開始下降，進(jìn)入平水期，12月到翌年3月為枯水期，水位達(dá)年內(nèi)最低值。東洞庭湖自然保護(hù)區(qū)記錄到魚類12目23科114種，鳥類13目50科306種，其中國家Ⅰ級保護(hù)的有白鶴、白頭鶴、白鸛、黑鸛、大鴇、中華秋沙鴨，白尾海雕7種，Ⅱ級保護(hù)的有小天鵝、鴛鴦、白枕鶴、灰鶴、小白額雁等37種(鐘福生等, 2007)。洞庭湖作為長江中下游地區(qū)僅存的兩個(gè)自然通江湖泊之一，在調(diào)節(jié)長江洪水徑流、保護(hù)物種基因或生物多樣性方面發(fā)揮著極其重要的作用(竇鴻身，1991)。

1.2 數(shù)據(jù)來源退田還湖和三峽工程是近20年對洞庭湖水禽棲息地影響最為劇烈的人類活動(dòng)。1995年、1996年和1998年的洪水促使國家1998年出臺(tái)了洞庭湖退田還湖方案，并得到了良好的實(shí)施。2002年三峽正式開始高水位蓄水，研究考慮該工程實(shí)施的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和工程效果的滯后作用，選取1989年、2000年和2013年的遙感影像作為研究時(shí)間截面。1989年的遙感影像來自于landsat5，2000年和2013年的遙感影像均來自于landesat7，2013年的遙感影像因?yàn)樾l(wèi)星受損而出現(xiàn)了條帶問題，經(jīng)過條帶修復(fù)后進(jìn)行分類解譯。洞庭湖在平、枯水期差別比較大(趙淑清等，2003)，而且大多數(shù)水禽為越冬物種，本研究采用的遙感影像都集中在2月左右（TM1989-02，ETM2000-02，ETM2013-01）。

1.3 水禽適宜棲息地變化的判定

本研究將洞庭湖土地利用類型分為深水區(qū)、淺水區(qū)、泥灘地、草灘地、蘆葦灘地、林地、旱地和建成區(qū)8類，深水區(qū)、淺水區(qū)、泥灘地和草灘地歸為水禽適宜棲息地，將蘆葦灘地、旱地、建成區(qū)、林地歸為不適宜棲息地。若某地在1989年間為不適宜棲息地，在2000年轉(zhuǎn)化為適宜棲息地，則視這種變化為適宜地的增加類；在1989年為適宜棲息地，到了2000年轉(zhuǎn)化為不適宜棲息地，則視這種變化為適宜地的減少類；若這10年左右，適宜地未發(fā)生改變，則是適宜地不變類；若這10年左右，不適宜地未發(fā)生改變，則歸為其他類。

2 遙感解譯

2.1 水禽棲息地分類解譯標(biāo)志的建立

各類棲息地都有不同的水禽分布特點(diǎn)，參照方精云(趙淑清等，2003)對洞庭湖濕地的分類方法，并通過實(shí)地調(diào)查當(dāng)?shù)?月和2月的實(shí)際情況，根據(jù)各種地物的分布規(guī)律和遙感影像下各種地物的色調(diào)、紋理和大致特征，建立水禽棲息地的分類解譯標(biāo)志。

2.2 水禽主要棲息地

東洞庭湖的泥灘地和淺水區(qū)水生生物豐富，是鶴類、鷺類、鸛類、鴨類、鷸類和鵜鶘等越冬水禽的主要覓食和棲息場所，大約全區(qū)近43%的鳥類棲息于此。在東洞庭湖的草灘地和水田區(qū)有鴻雁、白額雁、灰鶴等鳥類在此覓食(鐘福生等，2007)。林地為部分保護(hù)區(qū)中繁殖鳥類的棲息地，但因?yàn)樵跂|洞庭湖區(qū)域的林地范圍太小，故不算做水禽主要棲息地。由于本次研究采用的是1月和2月的遙感影像，冬天的洞庭湖蘆葦都已經(jīng)收割，故分布水禽少。旱地和建成區(qū)不適合水禽棲息，因此水禽分布極少(趙淑清等，2003)。故本次研究水禽棲息地變化的對象主要是泥灘地、草灘地、深水區(qū)及淺水區(qū)。

2.3 水禽棲息地遙感反演

結(jié)合目視解譯和實(shí)地踏查，勾畫各類地物的感興趣區(qū)。使用ENVI軟件下的監(jiān)督分類方法分別對1989年、2000年及2013年2月左右的影像進(jìn)行大氣校正、幾何校正等預(yù)處理(Janssen et al, 1994；鄧書斌,2010)，影像合成方式為RGB4,5,3三波段假彩色合成。通過監(jiān)督分類中的最大似然法將研究區(qū)棲息地類型分為深水區(qū)、淺水區(qū)、泥灘地、草灘地、蘆葦灘地、林地、旱地和建成區(qū)8類。

2.4 景觀指數(shù)計(jì)算

利用景觀分析軟件FRAGSTATS4.2對研究區(qū)不同年份棲息地景觀格局進(jìn)行分析。本文通過計(jì)算最大斑塊所占景觀面積比例（largest patch index）、蔓延度指數(shù)（contagion index）、散布與并列指數(shù)（interspersion and juxtaposition index）、香農(nóng)多樣性指標(biāo)（shanmon’s diversity index）、香農(nóng)均度指數(shù)（shanmon’s evenness index）對研究區(qū)變化格局進(jìn)行分析。

（1）最大斑塊所占面積比例

（2）蔓延度指數(shù)

（3）散布與并列指數(shù)

（4）香農(nóng)多樣性指標(biāo)

（5）香農(nóng)均度指數(shù)

注：aij—最大斑塊面積的平方；A—景觀面積；Pi—類型斑塊所占的面積百分比；gik—i類型斑塊和k類型斑塊毗鄰的數(shù)目；m—景觀中的斑塊類型總數(shù)目；eik—景觀中i斑塊與k斑塊的邊緣總長；m—景觀中斑塊總數(shù)量；E—景觀總長度。

3 結(jié)果與分析

3.1 東洞庭湖水禽棲息地類型分布

使用ENVI下的精度分析功能對研究區(qū)水禽棲息地的遙感解譯結(jié)果精度進(jìn)行評價(jià)，1989年、2000年及2013年東洞庭湖保護(hù)區(qū)中各類型棲息地的總體遙感解譯精度均達(dá)到了94%以上,基本能滿足本次研究和使用者的需求(Janssen et al,1994)。

1989年、2000年和2013年東洞庭湖水禽棲息地分類及分布情況如圖1。1989年，2000年、2013年中深水區(qū)所占比例分別為13.9%、13.6%、9.9%；淺水區(qū)所占比例分別為12.9%、11.4%、7.8%；泥灘地所占比例分別為5.0%、6.1%、11.5%；草灘地所占比例為16.8%、26.3%、15.0%。蘆葦灘地面積均占最大比重，1989年為28.1%，2000年為30.8%，2013年為34.2%。除蘆葦灘地外，2013年水體面積達(dá)到最大值，深水區(qū)占全區(qū)的13.8%，淺水區(qū)占全區(qū)的12.9%。1989年泥灘地面積最大，占全區(qū)的11.5%。

3.2 近20年來東洞庭湖水禽棲息地的轉(zhuǎn)移格局

轉(zhuǎn)移矩陣可表明各棲息地類型在一定時(shí)間段的轉(zhuǎn)移率和保留率。由表1可以看出，1989-2000年深水區(qū)的保留率最高，為88.12%，有1.32%的深水區(qū)轉(zhuǎn)化為泥灘地。淺水區(qū)轉(zhuǎn)化為深水區(qū)的概率為41.19%，這應(yīng)該與該年的降水有關(guān)。泥灘地的保留率僅為37.87%，33.88%的泥灘地轉(zhuǎn)化為淺水區(qū)，由于泥灘地和淺水區(qū)都是越冬水禽良好的繁殖地和棲息地，故此變化應(yīng)該引起相關(guān)部門重視。泥灘地、旱地和林地分別有8.4%、28.44%、32.23%轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地，另外依次有4.09%、14.96%、51.67%轉(zhuǎn)化為草灘地?？梢钥闯鋈斯竦赜兴鶞p少，自然濕地有所增加，但自然濕地的增加主要集中在蘆葦灘地和草灘地這類直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大的地類，水體面積小幅增長，泥灘地并沒有明顯增加。

由表2可以看出，2000-2013年15.06%的淺水區(qū)轉(zhuǎn)化為泥灘地，3.62%的淺水區(qū)轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地，9.4%的轉(zhuǎn)化為草灘地，14.73%的轉(zhuǎn)化為旱地。淺水區(qū)為水禽適宜棲息地，為水禽提供了豐富的食物和棲息環(huán)境，這一變化顯然不利于水禽的繁殖。2000-2013年50.20%的草灘地轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地，草灘地的保留率僅為28.03%，這一變化的原因是因?yàn)樘J葦?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值上升，使得蘆葦灘地的面積增長，為當(dāng)?shù)厝藥砀嗟慕?jīng)濟(jì)利益，但冬季是蘆葦?shù)氖崭钇?，故大面積的蘆葦被收割以及草灘地這一水禽適宜棲息地的面積減少必定會(huì)對洞庭湖水禽的棲息繁殖造成較大影響。

表1 東洞庭湖1989-2000年水禽棲息地的轉(zhuǎn)移概率 %

表2 東洞庭湖2000-2013年水禽棲息地的轉(zhuǎn)移概率 %

圖1 東洞庭湖自然保護(hù)區(qū)1989年、2000年及2013年水禽棲息地分類圖

由表3可以看出，1989-2013年洞庭湖的大體變化，由于觀測期間可能受到當(dāng)年降水量的影響，故我們將深水區(qū)、淺水區(qū)以及泥灘地合并來觀測洞庭湖水域面積的增減情況，可以看出深水區(qū)、淺水區(qū)、泥灘地三類中泥灘地的保留率最低，僅為24.01%，淺水區(qū)和泥灘地是越冬水禽主要的棲息地，此變化如果不加以制止，可能導(dǎo)致未來洞庭湖越冬水禽的減少。蘆葦灘地和草灘地之間存在相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，蘆葦灘地的14.74%轉(zhuǎn)化為草灘地，草灘地的48.27%轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地，總體來看，蘆葦灘地面積增長，草灘地面積減少。

3期數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，國家在實(shí)行退田還湖的政策后，自然濕地面積有所增加，但增加的主要是蘆葦灘地這類可帶來經(jīng)濟(jì)價(jià)值且易于生長的濕地類型，泥灘地等水禽適宜棲息地面積并沒有出現(xiàn)明顯增長。水體面積稍有增長，原因是三峽工程的建成擴(kuò)大了洞庭湖的湖面面積(李海彬 2008)，在一定程度上控制了洞庭湖的蓄水量，使得枯水期水位增加，豐水期水位降低。

3.3 水禽適宜棲息地轉(zhuǎn)移情況

圖2(a)中，適宜棲息地增加的比率為21.9%，減少的比率為8.7%，不變的比率為35.6%，其他的比率為33.8%，即1989-2000年，洞庭湖水禽適宜棲息地還是保存的比較好，出現(xiàn)了棲息地較大幅度的增長，這與當(dāng)時(shí)的“退田還湖”的政策有關(guān)，將水田等耕地還原為泥灘地，為水禽的棲息繁衍創(chuàng)造了空間。

圖2(b)中，適宜棲息地增加比率為12.2%，減少比率為21.0%，不變的比率為36.5%，其他的比率為30.4%，說明在2000-2013年，水禽棲息地稍有減少，這是由于蘆葦灘地面積增加，主要原因是泥沙淤積造成三角洲不斷發(fā)育，并受水流影響逐漸淤高，使適合濕地發(fā)育高程的灘地面積增加。雖然蘆葦灘地能夠容納多種水禽，但冬季是蘆葦收割期，大量蘆葦被收割，不利于水禽在此過冬，所以水禽適宜棲息地總體來看呈減少趨勢。減少的適宜棲息地主要是水體和泥灘地，由于氣候變化，導(dǎo)致洞庭湖流域面積變窄，人類活動(dòng)加劇，影響了洞庭湖的蓄水能力，使適宜棲息地面積減少。

圖2（c）中，適宜棲息地增加比率為19.1%，減少比率為14.7%，不變比率為29.5%，其他比率為36.6%，1989-2013年水禽適宜棲息地總體來看稍有增長，這可能與國家采取的一系列濕地保護(hù)政策有關(guān)。

表3 東洞庭湖1989-2013年水禽棲息地的轉(zhuǎn)移概率 %

4 近20年水禽棲息地的相關(guān)景觀變化

景觀空間格局分析作為景觀生態(tài)學(xué)研究的重要組成部分(Bojie，1995)，是研究景觀格局與生態(tài)過程相互作用的基本方法。從表4可以看出，1989-2013年最大斑塊所占景觀面積比例逐漸增長，近20年政府限制了東洞庭湖保護(hù)區(qū)的人類活動(dòng)，進(jìn)行了一系列的保護(hù)措施，使得斑塊面積增長。研究區(qū)蔓延度指數(shù)稍有增長，說明在東洞庭湖保護(hù)區(qū)內(nèi)斑塊的團(tuán)聚程度上升，人類活動(dòng)減弱的現(xiàn)象；區(qū)域內(nèi)散布與并列指數(shù)稍高，說明各斑塊類型的相鄰度較高，研究區(qū)均為濕地的原因，使得散布與并列指數(shù)沒有很大的波動(dòng)。從香農(nóng)多樣性指標(biāo)及香農(nóng)均度指數(shù)可以看出，東洞庭湖保護(hù)區(qū)的各拼塊類型分布均勻，多樣性高。1989-2013年香農(nóng)多樣性指標(biāo)及均度指數(shù)有所下降，即破碎化程度降低，優(yōu)勢度升高，說明水禽棲息地聚集度升高，有利于水禽在此的生存及繁衍。

5 結(jié)論與討論

東洞庭湖是整個(gè)洞庭湖中面積最廣，資源最多，也是越冬水禽種類和數(shù)量最多的一個(gè)保護(hù)區(qū)，研究東洞庭湖的水禽棲息地保護(hù)具有重要意義。由遙感解譯可知，從1989年到2013年水體面積小幅增長，這與近年來政府對洞庭湖的保護(hù)措施有直接關(guān)系，更重要的原因是三峽大壩的建成，增加了洞庭湖枯水期的蓄水量。湖區(qū)自然濕地面積有所增長，這與退田還湖政策(張光貴,2003；李麗平等, 2012)以及三峽大壩的建成(李海彬，2008)有關(guān)。在自然濕地中蘆葦灘地面積增長較大，草灘地和泥灘地面積減少，這是因?yàn)槟嗌秤俜e使適合濕地發(fā)育高程的灘地面積增加，而蘆葦灘地正是屬于這類灘地。

表4 東洞庭湖保護(hù)區(qū)1989至2013年總體景觀指數(shù)狀況

由于一系列保護(hù)措施和自然條件的改變，使東洞庭湖在近20年最大斑塊所占景觀面積比例與蔓延度指數(shù)逐年升高，1989-2000年香農(nóng)均度指數(shù)有所下降，可以認(rèn)為東洞庭湖近20年濕地破碎化程度降低，團(tuán)聚度增高，種類優(yōu)勢度增高，有利于處于不同斑塊上的群落進(jìn)行信息交流，有利于水禽優(yōu)勢種的繁衍；并且破碎化程度降低使景觀對外界干擾的阻抗能力和恢復(fù)力將增強(qiáng)，有助于保護(hù)東洞庭湖的棲息地環(huán)境的穩(wěn)定性。

1989-2013東洞庭湖林地保留率一直較低，2000-2013年處于最高峰，僅為13.62%，這一變化應(yīng)引起林業(yè)部門的重視。濕地蘆葦灘地面積一直呈增長狀態(tài)，泥沙淤積是造成此現(xiàn)象的主要原因(趙淑清等, 2002)，三峽大壩的建成，將對洞庭湖起到凈化作用(李海彬，2008)，也就是減少泥沙的淤積，故蘆葦灘地面積不斷增長的現(xiàn)象有望在日后得到改善。淺水區(qū)、泥灘地和草灘地是水禽的適宜棲息地和主要棲息地，所以目前的變化趨勢不利于洞庭湖的越冬水禽生存和繁殖，照此發(fā)展可能造成來年洞庭湖越冬的水禽數(shù)量減少，不利于生物多樣性的保護(hù)。洞庭湖當(dāng)?shù)毓芾聿块T應(yīng)對此給予足夠重視，可采取人工干預(yù)或其他方法來合理地增長洞庭湖水禽的適宜棲息地。

圖2 水禽適宜生存地在1989-2000年（a）、2000-2013年(b)、1989-2013(c)年間的轉(zhuǎn)變

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Changes in Winter Habitat for Waterfowl in Eastern Dongting Lake Nature Reserve Nearly Two Decades

TAO Yan-Yu ZHAO Yun-Lin XU Zheng-Gang LIU Shi-Shi WU Liang LI Kuan (Hunan City University,Yiyang 413000 )

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)和GIS空間分析功能對1989年、2000年、2013年東洞庭湖的水禽棲息地變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：1989-2013年水體面積有小幅增長，泥灘地保留率僅24.01%，蘆葦灘地和草灘地之間存在相互轉(zhuǎn)化；20年間自然濕地增加明顯，其中草灘地演變?yōu)樘J葦灘地的變化最為突出。1989-2013年適宜棲息地增長率為12.2%，減少率為21.0%，總體呈退化趨勢。分析了近20年東洞庭湖濕地變化的原因以及對濕地水禽帶來的影響，為東洞庭湖濕地水禽生境保護(hù)提供依據(jù)。

東洞庭湖；水禽棲息地；濕地；變動(dòng)；遙感

The impact of human activities on the natural environment and wetlands will ultimately affect the distribution of waterfowl, and it even affects the entire ecosystem. In this paper, satellite remote sensing and GIS spatial analysis was integrated to detect the changes of Eastern Dongting Lake waterfowl habitat in 1989, 2000, 2013. The results showed that water area increased slightly during the period. At the same time, mudflats retaining rate was only 24.01% and there were inter-transform between grass beaches and marsh reeds. There was evident increase of natural wetland during the past 20 years, most significantly the transition of grass beaches to marsh reeds. The annual growth rate of habitat area was 12.2%, and the annual decrease rate was 21.0% during 1989 to 2013, indicating an overall trend of degradation. The analysis of changes and underlying reasons of wetlands in Eastern Dongting Lake in the past 20 years help us to understand the impact on waterfowl habitat of the wetland.

Eastern Dongting lake; waterfowl habitat; wetland; change; remote sensing

10.3969/j.issn.1673-3290.2015.02.12

2014-08-06

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研基金資助項(xiàng)目(201304310)、湖南省大學(xué)生研究性創(chuàng)新性項(xiàng)目資助

陶彥妤（1991- ），女，本科生，研究方向遙感科學(xué)與地理信息系統(tǒng)。E-mail： 527656370@qq.com

徐正剛，碩士，助教，助理工程師，研究方向?yàn)轼B類生態(tài)學(xué)。E-mail：rssq198677@163.com