基于LUCC 和景觀格局變化的海南東寨港紅樹林濕地動態(tài)研究

吳庭天，丁 山，陳宗鑄＊，雷金睿，陳小花，李苑菱

(1. 海南省林業(yè)科學(xué)研究院，海南省紅樹林研究院，海南 ?？?571100；2. 國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，湖南 長沙 410014)

自然、社會兩種生態(tài)系統(tǒng)在不同的時間和空間尺度上相互作用引起的土地利用類型的綜合變化，是人類學(xué)者對土地利用/覆被變化（LUCC）的基本定義[1]，它在結(jié)構(gòu)和功能上影響著整個生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，對維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著決定性作用[2]。人類社會最早涉及土地利用/覆被變化相關(guān)方面的探索可以追溯到19 世紀(jì)30 年代，當(dāng)時針對該領(lǐng)域的研究相對粗糙，主要是對土地的利用類型進(jìn)行勘察以及現(xiàn)狀分析[2]。目前，國外的相關(guān)研究主要圍繞對不同空間范圍內(nèi)土地利用/覆被變化的直接監(jiān)測、時空變化、驅(qū)動力因素、環(huán)境效應(yīng)以及修復(fù)模型和預(yù)測評估等方面的分析探究[3-5]。我國從20 世紀(jì)60 年代開始相關(guān)方面的研究，起步較國外稍晚，但隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，土地利用/覆被變化研究在城鄉(xiāng)開發(fā)進(jìn)程中發(fā)展迅速，通過結(jié)合航空航天遙感和地理信息技術(shù)建立相關(guān)模型，探究驅(qū)動土地利用/覆被變化的主要影響因子及其所帶來生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟[6-7]。

近年，景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展迅速，將景觀生態(tài)學(xué)融入LUCC 中，從景觀尺度上探究LUCC 在時空變換中的結(jié)構(gòu)特征、動態(tài)變化、演變規(guī)律已成為LUCC 研究的熱點話題，主要運用景觀生態(tài)學(xué)原理[8]和數(shù)理統(tǒng)計分析方法[9-10]將景觀和LUCC 的動態(tài)變化結(jié)合起來，從景觀格局和土地利用兩個層面描述土地利用變化的景觀動態(tài)，定量分析區(qū)域生態(tài)的敏感性、脆弱性、風(fēng)險性及生態(tài)修復(fù)意見[11-12]。

在我國，已有大量研究人員對廣東[13]、廣西[14]、福建[15]、浙江[16]和海南[17]5 個省的紅樹林動態(tài)變化及景觀格局進(jìn)行了研究。東寨港作為海南省最大的半封閉港灣式瀉湖，生物資源豐富，內(nèi)含我國成片面積最大的紅樹林保護(hù)區(qū)，分布有全國95% 的紅樹林植物[18-19]。黃星等[20]、羅丹等[21]、王小軍等[22]分別通過不同時期的遙感影像，分析了東寨港地區(qū)地表覆被的變化情況及其驅(qū)動力；辛昆等[23]結(jié)合RS、GIS 和景觀指數(shù)分析了東寨港地區(qū)紅樹林在不同時期的變化特征。加強(qiáng)對該地區(qū)土地利用和景觀格局等生態(tài)學(xué)研究，有助于推進(jìn)紅樹林濕地保護(hù)、海岸帶修復(fù)、退塘還濕等重大生態(tài)措施的開展?；诖?，本文以東寨港海岸線和保護(hù)區(qū)界線向內(nèi)陸緩沖1 km 的區(qū)域為研究范圍，結(jié)合東寨港及其周邊地區(qū)1988—2016 年6 個時段相近時相的遙感影像，綜合土地利用/覆被變化和景觀斑塊指數(shù)2 種方法，探究該地區(qū)紅樹林濕地的動態(tài)變化，以期為東寨港地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及城鄉(xiāng)建設(shè)和諧發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)域概況

東 寨 港 位 于 海 南 島 東 北 部 （ 19°51 ′56 ″～20°02′22″ N，110°31′26″～110°39′20″ E），地跨海口和文昌兩市，整體呈漏斗狀深入內(nèi)陸15 km，形成半封閉港灣式瀉湖。內(nèi)含東寨港國家級自然保護(hù)區(qū)和清瀾港省級自然保護(hù)區(qū)（部分）2 個紅樹林保護(hù)區(qū)，其中，東寨港國家級自然保護(hù)區(qū)是我國成立最早的紅樹林濕地保護(hù)區(qū)。該地區(qū)年均氣溫23.3～23.8℃，年均降水量1 676.4 mm，典型的熱帶季風(fēng)海洋氣候為紅樹林的生長提供了良好的生存環(huán)境，其內(nèi)共有紅樹植物種類17 科33 種，包括真紅樹植物9 科22 種，半紅樹植物8 科11 種，植物結(jié)構(gòu)組成帶有明顯的東方群系特征。20 世紀(jì)80 年代圍墾養(yǎng)殖和圍墾造陸在海南大力推行，對海南省沿海岸帶植被和土地利用產(chǎn)生了巨大影響[24-26]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究所使用遙感數(shù)據(jù)均來自中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心（地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn/），主要包括研究區(qū)域1988、1995、2000、2005、2010、2016 年6 個不同時期相近時相的遙感影像數(shù)據(jù)，分辨率為30 m。數(shù)據(jù)與處理中首先用ENVI5.3 對遙感影像進(jìn)行大氣校正和幾何校正，將誤差控制在0.5 個像元內(nèi)；其次，選擇能良好表現(xiàn)紅樹林濕地信息的波段組合運用監(jiān)督分類進(jìn)行地物提取；第三，在GIS 軟件中結(jié)合實地調(diào)查驗證數(shù)據(jù)對分類結(jié)果進(jìn)行修正，使最終總體分類精度超過90%。

2.2 分類方法

參照《中國濕地調(diào)查大綱》以及《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中濕地和土地利用現(xiàn)狀的分類標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)合前人研究成果[24,27]的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)實需求將研究區(qū)域景觀斑塊分為6 個類型，分別為養(yǎng)殖水面（人工開挖或天然形成用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水面）、水域（陸地及海洋水域，溝渠、水工建筑物等用地）、建筑用地（人工建設(shè)用地）、紅樹林（沿海生長紅樹植物的林地）、林地（生長喬木、竹類、灌木的土地，包括種植園）、耕地（指種植農(nóng)作物的土地，包括熟地，新開發(fā)、復(fù)墾、整理地、輪歇地、休耕地等），最終分類的結(jié)果見圖1。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

參照國內(nèi)外在景觀生態(tài)上的研究成果及方法，本文選取斑塊數(shù)量（NP）、斑塊面積（CA）、平均斑塊面積（MPS）、斑塊密度（PD）、斑塊平均形狀破碎化指數(shù)（FS1）、面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)（FS2）和蔓延度指數(shù)（CONTAG）等7 項生態(tài)景觀指標(biāo)[24,28-29]，對地類變化形成的生態(tài)景觀變化進(jìn)行分析；同時運用SPSS 軟件對地類面積變化和景觀指數(shù)變化進(jìn)行相關(guān)性分析，揭示景觀動態(tài)對地類變化的響應(yīng)。各生態(tài)景觀指標(biāo)的公式如下：

斑塊面積（CA）：

圖1 分類結(jié)果圖Fig. 1 Classification result chart

面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)（FS2）：

蔓延度（CONTAG）：

上述公式中：aij代表第i類景觀所有斑塊面積之和,Ai表示同類型斑塊面積之和，Ni為該類型景觀斑塊數(shù)量；ni為第i類景觀要素總面積，A為全部景觀類型的面積之和；FS1和FS2是2 個景觀類型斑塊形狀破碎化指數(shù)，MSI表示斑塊平均形狀指數(shù)，MSI≥1，MSI越大表示斑塊形狀越偏離正方形；SI(i) 表示景觀斑塊i的形狀指數(shù)，P(i) 代表斑塊i的周長；A(i) 代表斑塊i的面積；ASI表示面積加權(quán)的景觀斑塊平均形狀指數(shù)，ASI越大代表斑塊形狀越不規(guī)則；蔓延度(CONTAG) 值越小斑塊聚集度越低，破碎化越大；gik是景觀類型i和k之間的節(jié)點數(shù)，Pi是景觀類型i占研究區(qū)總面積的比重；m代表景觀類型數(shù)目。

3 結(jié)果與分析

3.1 東寨港紅樹林濕地土地利用覆被變化

由圖2 可知：濕地、耕地、林地、建筑用地組成了研究區(qū)域全部覆被類型，土地利用/覆被變化從1988—2016 年期間在各地類之間不斷轉(zhuǎn)換。研究區(qū)域內(nèi)，建筑用地和濕地面積呈逐年增長趨勢，耕地面積呈減小趨勢。濕地系統(tǒng)由紅樹林、水域、養(yǎng)殖水面三大部分組成，其中，養(yǎng)殖水面的面積從1988 年占研究區(qū)域總面積的1.60% 上升到2016 年的11.89%，其面積變化對濕地面積變化起到主導(dǎo)作用。通過土地轉(zhuǎn)移矩陣（表1 和表2）可知：1988—2016 年間，耕地面積共減少1 865 hm2，其中，轉(zhuǎn)化成養(yǎng)殖水面的面積為977.78 hm2（數(shù)據(jù)未列出）。由此可見，濕地的變化動態(tài)主要體現(xiàn)在養(yǎng)殖水面的變化上。

圖2 東寨港紅樹林濕地各景觀類型面積動態(tài)變化圖Fig. 2 The dynamic change of the proportion of the landscape types in Dong zhai port mangrove wetland

表1 1988－2016 年東寨港紅樹林濕地各景觀類型面積動態(tài)變化屬性表 Table 1 The dynamic change of the proportion of the landscape types in Dong zhai port mangrove wetland in 1988－2016

由表1 可知：1988—2016 年期間，養(yǎng)殖水面面積增長1 623 hm2，其主要來自耕地和林地的轉(zhuǎn)化（表2）；2000 年以后，城鎮(zhèn)建設(shè)和旅游業(yè)的發(fā)展使得大面積的林地和耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地，建筑用地面積比例從2.49% 上升到9.39%（圖2），面積從392 hm2增長到1 481 hm2，同時期的耕地和林地面積大幅降低；從景觀斑塊間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系看，養(yǎng)殖水面和建筑用地面積快速增長，與之相對應(yīng)的是耕地面積的快速減少。而其它紅樹林、水域等景觀類型，在研究區(qū)間內(nèi)整體面積上未有大的變化，但景觀類型間的轉(zhuǎn)換仍舊活躍。

3.2 東寨港紅樹林濕地景觀破碎化分析

統(tǒng)計分析各時期景觀破碎化指數(shù)，揭示斑塊景觀格局的動態(tài)變化。結(jié)果（圖3）顯示：1988—2016 年間，平均斑塊面積和斑塊平均形狀破碎化指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，斑塊數(shù)量和面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)呈增長趨勢，其中，平均斑塊面積從37.2 hm2降到26.6 hm2，縮減幅度達(dá)28.5%，斑塊平均形狀破碎化指數(shù)從0.63 下降到0.26；斑塊數(shù)量由424 個增長至593 個，增幅為39.86%，面積加權(quán)斑塊平均形狀破碎化指數(shù)則保持高位微增長，由1988 年的0.91 到2016 年的0.92。

斑塊空間水平指數(shù)分析結(jié)果（圖3）顯示：在近30 年期間，東寨港地區(qū)斑塊密度從1988 年的0.03 個 ·hm－2增長到2016 年的0.04 個 ·hm－2；最大斑塊面積由4 182 hm2上升到4 311.5 hm2。從斑塊空間連通性分析可知：研究區(qū)域的蔓延度由1988 年的82.2% 到2016 年83.4%，表明研究區(qū)域內(nèi)斑塊之間始終存在較高的連通性。

結(jié)合景觀地類面積變化和景觀指數(shù)的變化可知:1988—2016 年間，耕地、養(yǎng)殖水面、建筑用地的面積變化對景觀格局的變化有著積極的響應(yīng)，斑塊數(shù)量、斑塊密度、平均斑塊面積以及面積加權(quán)平均形狀破碎化等指數(shù)狀態(tài)，都表現(xiàn)出東寨港紅樹林濕地景觀破碎化程度正在進(jìn)一步加大；另一方面，大面積斑塊作為整個區(qū)域的主要支撐結(jié)構(gòu)，在空間上保持著良好的連續(xù)性，分布逐漸趨向于穩(wěn)定，因而，雖然研究區(qū)域內(nèi)地類間的轉(zhuǎn)變?nèi)暂^活躍，但整體景觀破碎化的趨勢正在逐漸減弱。

表2 1988－2016 年東寨港紅樹林濕地景觀轉(zhuǎn)移矩陣 Table 2 The landscape transition matrix of mangrove Wetland in Dong zhai port in 1988－2016

圖3 東寨港紅樹林濕地景觀指數(shù)變化Fig. 3 The landscape index change in Dong zhai port mangrove wetland

3.3 景觀類型變化對景觀破碎化指數(shù)的響應(yīng)

區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)的完整性很大程度上決定于該地區(qū)是否完成對土地的合理利用，不合理的土地利用會導(dǎo)致生物多樣性降低、斑塊破碎化和生境的退化。在SSPS 軟件上進(jìn)行土地利用/覆被變化與景觀指數(shù)的相關(guān)性分析，結(jié)果（表3）顯示：耕地、養(yǎng)殖水面和建筑用地三大類型的面積變化與大部分景觀指數(shù)存在顯著或極顯著相關(guān)性，而這三種地類的面積變化大都以人為因素為主導(dǎo)，其中，耕地與斑塊數(shù)量、面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與蔓延度呈顯著負(fù)相關(guān)，與平均斑塊面積呈極顯著正相關(guān)；建筑用地分別與斑塊數(shù)量、面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)呈顯著正相關(guān)，與平均斑塊面積呈顯著負(fù)相關(guān)；養(yǎng)殖水面則與斑塊數(shù)量、面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與蔓延度呈顯著正相關(guān)，與平均斑塊面積呈極顯著負(fù)相關(guān)。從分析結(jié)果看，耕地面積的減少，建筑用地和養(yǎng)殖水面面積的增加是景觀破碎化加大的直接因素。

表3 東寨港紅樹林濕地景觀破碎化指數(shù)與景觀類型面積變化之間的相關(guān)系數(shù) Table 3 The correlation coefficient between landscape fragmentation index and landscape type area change in Dong zhai port mangrove wetland

4 討論

從土地利用/覆被變化看，1988—2016 年近30 年間，東寨港及周邊地區(qū)土地利用發(fā)生了巨大變化，主要表現(xiàn)在(1) 養(yǎng)殖水面的面積占比從1988年的1.6% 上升到2016 年的11.89%，總面積增長1 623 hm2；(2) 建筑用地面積占比由1.86% 上升到9.39%，總面積增長1 187 hm2；(3) 林地面積占比由1988 年的17.61% 下降到2016 年的11.83%，總面積減少912 hm2；(4) 耕地的面積由38.89% 下降到2016 年的27.06%，總面積減少1 865 hm2，其中，養(yǎng)殖水面的面積增長主要來自耕地的轉(zhuǎn)化，建筑用地面積的增長則主要來自林地和耕地轉(zhuǎn)化；其余地類，在整個研究區(qū)間內(nèi)雖整體面積上未有大的變化，但景觀類型間的轉(zhuǎn)換仍是活躍的。

從景觀生態(tài)學(xué)的角度看，斑塊密度上升，數(shù)量的增加、平均斑塊面積下降、面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)的高位穩(wěn)定等景觀指標(biāo)狀態(tài)都表明東寨港地區(qū)在1988—2016 年期間景觀斑塊間分離、破碎化程度正在逐漸加大，這與韓淑梅[17]、辛昆等[23]對東寨港地區(qū)紅樹林衰減和破碎化加劇的景觀變化分析結(jié)果以及甄佳寧等[30]對清瀾港紅樹林遙感監(jiān)測得到的斑塊密度增大、分離度升高、聚集度和連接度不斷減小的分析結(jié)果保持一致；其原因主要來自兩個方法面，一是毀林曬鹽、發(fā)展種植業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，自20 世紀(jì)50 年代中期起，東寨港地區(qū)開始?xì)Я纸}場；到70 年代初開始圍海造農(nóng)田，盡管進(jìn)入80 年代后，毀林造鹽田和農(nóng)田事件逐漸減少，但廢棄鹽田以及無法種植的農(nóng)田，多數(shù)在90 年代中期又改為養(yǎng)殖塘[31]，景觀破碎化持續(xù)發(fā)生。二是2000 年后養(yǎng)殖業(yè)、地產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)的飛速發(fā)展引起的建設(shè)用地和養(yǎng)殖塘面積快速增長，加大了林地、耕地以及建設(shè)用地等景觀類型本身的破碎化程度[20]，這在福建和廣西等地區(qū)的相關(guān)紅樹林的研究中也得到了論證[32-33]。景觀破碎化指數(shù)與各景觀類型面積變化的相關(guān)性分析結(jié)果也表明，耕地面積的減少，建筑用地和養(yǎng)殖水面面積的增加直接導(dǎo)致了景觀破碎化的加重。

作為紅樹林濕地最重要的組成部分，東寨港的紅樹林群落在整個研究區(qū)間內(nèi)總面積未出現(xiàn)大的變化，紅樹林與其它地類間的互動，主要表現(xiàn)在跟耕地、養(yǎng)殖水面和水域三個類型之間的面積轉(zhuǎn)換；其中，2000 年出現(xiàn)低谷期，總面積相對1995 年減少189 hm2，主要發(fā)生在紅樹林向水域、養(yǎng)殖水面和耕地轉(zhuǎn)移上；20 世紀(jì)90 年代，海南省大力發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)造成了很大的傷害，伴隨著養(yǎng)殖水面面積的爆炸式增長，大量的灘涂被開挖成池塘， 紅樹林濕地面積急劇下降[34]； 到1999 年東寨港保護(hù)區(qū)制定并實施相關(guān)管理辦法，開始在宜林灘涂和紅樹林殘疏林地等適宜恢復(fù)區(qū)進(jìn)行人工補(bǔ)植紅樹林，擴(kuò)大和恢復(fù)紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)，到2005 年紅樹林面積已恢復(fù)至1995 年水平。因此，盡管因為圍墾養(yǎng)殖與圍墾造農(nóng)田、鹽田對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)造成一定程度的破壞，但后期對宜林地的人工繁育措施，使紅樹林面積得到恢復(fù)[22]。2012 年東寨港地區(qū)爆發(fā)團(tuán)水虱，至2015 年仍未得到有效遏制，紅樹林大面積死亡[35]；而2014 年，臺風(fēng) “威馬遜” 的侵襲又加劇了該地區(qū)紅樹林的退化[22, 36]，但得益于近年來海南省對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)實施限養(yǎng)、禁養(yǎng)、關(guān)閉、拆除等大力環(huán)保整治手段以及退塘還濕工作的有效推進(jìn)，使得東寨港地區(qū)紅樹林面積在2005 年至2016 年期間未產(chǎn)生大的波動。另外，從我國各省近幾十年紅樹林的動態(tài)分布看，紅樹林分布重心轉(zhuǎn)移明顯，軌跡方向基本與海岸潮間帶走向一致，大多指向受到良好波浪掩護(hù)的港灣或河口灣內(nèi)[37]，這更凸顯了東寨港地區(qū)紅樹林保護(hù)區(qū)工作的重要性。

我國的紅樹林主要分布在海南、廣西、廣東、浙江、福建5 個省份的沿海地區(qū)，南至海南三亞，北以浙江溫嶺市為界，南北紅樹林分布區(qū)在氣候上有較大差異，但綜合前人的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，影響紅樹林群落的穩(wěn)定性及生態(tài)脆弱性的脅迫因子主要來自二個方面：陸地（圍海造田、圍墾養(yǎng)殖、人造林、旅游）和海洋（海平面上升、病蟲害、臺風(fēng)）[20,35,38]；近年隨著國家對紅樹林濕地發(fā)展的高度重視，海南省相繼出臺了多項法律法規(guī)，紅樹林濕地的破壞勢頭得以控制，同時嚴(yán)厲退塘還林政策也使紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)得到了一定程度的恢復(fù)；雖然斑塊破碎化仍然不可避免，但區(qū)域優(yōu)勢斑塊逐漸明顯，連接程度良好，土地利用結(jié)構(gòu)正趨向穩(wěn)定健康?；诒狙芯拷Y(jié)果，建議東寨港地區(qū)在紅樹林濕地保護(hù)和保育工作方面可以加大退塘還濕以及退耕還林工作力度，減少養(yǎng)殖水面和耕地對紅樹林濕地的侵蝕；在生物多樣性保護(hù)方面，應(yīng)合理規(guī)劃布局城鄉(xiāng)建設(shè)紅線，減少建筑用地及農(nóng)業(yè)用地對生境破碎化的影響。

5 結(jié)論

（1）1988—2016 年間，研究區(qū)域養(yǎng)殖水面和建筑面積大幅增長，林地和耕地面積減少，紅樹林面積動態(tài)穩(wěn)定。

（2）斑塊密度和數(shù)量的上升、平均斑塊面積的下降、面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)的高位穩(wěn)定等景觀指標(biāo)狀態(tài)都表明，東寨港地區(qū)在研究區(qū)間內(nèi)景觀斑塊間分離、破碎化程度正在逐漸加大。

（3）耕地面積的減少，建筑用地和養(yǎng)殖水面面積的增加是景觀破碎化加重的主要原因。

（4）紅樹林的面積變化在整個研究區(qū)間內(nèi)總面積未出現(xiàn)明顯波動，與其它地類間的互動主要表現(xiàn)在與耕地、養(yǎng)殖水面和水域之間的轉(zhuǎn)換。