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  • ISSN 1007-6336
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近30年鸭绿江口滨海湿地景观格局演变及其社会驱动力研究

吴婷婷 张广帅 闫吉顺 蔡悦荫 方海超 孙家文 于永海

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近30年鸭绿江口滨海湿地景观格局演变及其社会驱动力研究

    作者简介: 吴婷婷(1991-),女,山东聊城人,助理工程师,本科,主要从事海洋生态评估与管理研究,E-mail:978662898@qq.com;
    通讯作者: 张广帅,助理研究员,E-mail:zgs1989eco@outlook.com
  • 基金项目: 国家海洋环境监测中心博士启动基金项目(2019-A-03);阿拉善SEE青年学者资助项目(ST202002015);辽宁省博士科研启动基金项目(2019-BS-091)
  • 中图分类号: P901

Dynamic evolvement of landscape pattern and its driving forces in Yalujiang delta coastal wetland during the last 30 years

  • 摘要: 为揭示鸭绿江口滨海湿地景观格局动态,支撑滨海湿地资源保护利用与科学规划,本文以1990、2000、2010和2019年遥感影像为数据源,利用景观格局指数和多元回归分析,对鸭绿江口滨海湿地景观格局变化及其社会驱动力进行分析。结果表明:近30年来芦苇湿地和林地显著萎缩,动态度分别为−1.00%和−1.22%,而水库坑塘、养殖场和建设用地面积大幅增加,动态度分别为5.95%、0.83%和5.29%;与1990年相比,2019年水稻田、养殖场、水库坑塘等人工湿地和建设用地斑块数量和密度增大,芦苇湿地斑块面积和密度、破碎化指数及平均分形维数减小;根据景观多样性指数、均匀度指数等整体景观格局指数,湿地景观动态变化可以以1995年和2010年为节点分为3个阶段,景观多样性指数和均匀度指数的降低以及最大斑块面积指数和蔓延度指数的升高反映了人类活动对景观格局的深刻影响;国民生产总值和水产养殖产量等社会经济指标的提升是景观变化、天然湿地面积减少及景观斑块趋于规则化的主要关联因子。
  • 图 1  研究区概况

    Figure 1.  Location of the study area

    图 2  1990—2019年鸭绿江口滨海湿地景观组分主要特征指数

    Figure 2.  Changes in landscape pattern indices of Yalujiang delta coastal wetland at the scale of class in 1990—2019

    图 3  1990—2019年鸭绿江口滨海湿地整体景观格局指数

    Figure 3.  Changes in landscape pattern indices of Yalujiang River delta coastal wetland at the scale of landscape in 1990-2019

    图 4  不同类型湿地面积与社会环境因子的关系

    Figure 4.  Regression analyses between areas of natural or constructed wetland and social environmental factors

    表 1  1990—2019年鸭绿江口滨海湿地景观类型面积变化

    Table 1.  Areas of different landscapes of Yalujiang River delta coastal wetland in 1990—2019

    湿地类型景观类型面积/ha动态度/(%)
    1990年2000年2010年2019年1990—2000年2000—2010年2010—2019年1990—2019年
    天然湿地芦苇地4534.473423.333038.763222.18−2.45−1.120.67−1
    河流867.78979.11986.58923.401.280.08−0.710.22
    滩涂10843.478433.186373.3514074.38−2.22−2.4413.431.03
    浅海水域46677.7848277.0850026.9542315.930.340.36−1.71−0.32
    林地1228.59990.63786.15792.18−1.94−2.060.09−1.22
    总计64152.0962103.3361211.7961328.07−0.32−0.140.02−0.15
    人工湿地水稻田12932.6412805.9212994.2911879.28−0.100.15−0.95−0.28
    养殖场8175.519897.2110499.4910141.832.110.61−0.380.83
    盐田861.21845.82811.53892.89−0.18−0.411.110.13
    水库坑塘27.2737.2685.2374.343.6612.87−1.425.95
    沟渠146.61155.88155.16155.880.63−0.050.050.22
    总计22143.2423742.0924545.7023144.220.720.34−0.63−0.16
    建设用地1188.001574.911668.333010.953.260.598.945.29
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    表 2  湿地景观类型面积与社会环境因子相关性

    Table 2.  Correlations between the area of wetland landscapes and social environmental factors

    温度降水GDPSCOGDP1GDP3POP.DNPGR
    芦苇地 0.09 0.27 −0.81* −0.76* −0.80* −0.77* −0.64 0.96**
    河流 −0.54 0.25 0.34 0.27 0.32 0.25 0.69 −0.65
    滩涂 0.23 −0.04 −0.46 −0.46 −0.45 −0.38 0.19 0.48
    浅海水域 −0.25 0.07 0.42 0.42 0.41 0.33 −0.23 −0.43
    林地 0.12 0.17 −0.78* −0.74 −0.77* −0.76* −0.75 0.91**
    水稻田 −0.74 0.87* −0.39 −0.54 −0.46 −0.57 −0.39 0.24
    养殖场 −0.14 −0.25 0.80* 0.72 0.77* 0.73 0.66 −0.97**
    盐田 0.92** −0.58 0.45 0.62 0.52 0.56 −0.20 0.02
    水库坑塘 −0.11 −0.09 0.83* 0.72 0.80* 0.78* 0.57 −0.90**
    沟渠 −0.05 −0.60 0.50 0.49 0.51 0.51 0.52 −0.79*
    建设用地 0.60 −0.82* 0.71* 0.81* 0.76* 0.83* 0.46 −0.60
    注:*P<0.05;**P<0.01;GDP:国民生产总值;SCO水产养殖年产量;GDP1:第一产业增加值;GDP3:第三产业增加值;PDP.D:人口密度;NPGR:人口自然增长率
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-15
  • 录用日期:  2020-11-19
  • 刊出日期:  2021-10-20

近30年鸭绿江口滨海湿地景观格局演变及其社会驱动力研究

    作者简介:吴婷婷(1991-),女,山东聊城人,助理工程师,本科,主要从事海洋生态评估与管理研究,E-mail:978662898@qq.com
    通讯作者: 张广帅,助理研究员,E-mail:zgs1989eco@outlook.com
  • 1. 大连指南针海洋工程咨询有限公司,辽宁 大连 116023
  • 2. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023
  • 3. 国家环境保护海洋生态环境整治修复重点实验室,辽宁 大连 116023
基金项目: 国家海洋环境监测中心博士启动基金项目(2019-A-03);阿拉善SEE青年学者资助项目(ST202002015);辽宁省博士科研启动基金项目(2019-BS-091)

摘要: 为揭示鸭绿江口滨海湿地景观格局动态,支撑滨海湿地资源保护利用与科学规划,本文以1990、2000、2010和2019年遥感影像为数据源,利用景观格局指数和多元回归分析,对鸭绿江口滨海湿地景观格局变化及其社会驱动力进行分析。结果表明:近30年来芦苇湿地和林地显著萎缩,动态度分别为−1.00%和−1.22%,而水库坑塘、养殖场和建设用地面积大幅增加,动态度分别为5.95%、0.83%和5.29%;与1990年相比,2019年水稻田、养殖场、水库坑塘等人工湿地和建设用地斑块数量和密度增大,芦苇湿地斑块面积和密度、破碎化指数及平均分形维数减小;根据景观多样性指数、均匀度指数等整体景观格局指数,湿地景观动态变化可以以1995年和2010年为节点分为3个阶段,景观多样性指数和均匀度指数的降低以及最大斑块面积指数和蔓延度指数的升高反映了人类活动对景观格局的深刻影响;国民生产总值和水产养殖产量等社会经济指标的提升是景观变化、天然湿地面积减少及景观斑块趋于规则化的主要关联因子。

English Abstract

  • 景观格局是生态过程与地理环境及人类活动综合作用的结果[1-2]。景观格局与生态过程的相互作用衍生出多样化的景观功能,并在向人类福祉传递的过程中形成了重要的生态系统服务价值[3]。景观格局演变的驱动力研究对揭示景观变化的内在机制、预测未来发展方向和科学制定管理策略具有重要意义[4]。导致景观格局变化的驱动因子错综复杂,如气候变化、经济发展、城市化进程、人口增长、区域政策等,有些因子既是景观变化的原因[5],同时又能够对景观生态功能变化在短时间内作出反馈[6],因此,景观格局演变及其驱动力研究一直以来都是生态学和地理学的研究热点[7-8]

    鸭绿江口滨海湿地位于黄海生态区北缘,是天然的基因库和生物资源库[9],是东亚—澳大利西亚候鸟迁徙的重要停歇地,由大洋河口、鸭绿江口两大河口湿地以及沿海滩涂和浅海海域等生态系统组成。在海洋经济快速发展和沿海城市加速扩展背景下,围海养殖、城镇建设、港口开发等滨海湿地利用方式对鸭绿江口湿地生态景观产生了重要影响[10-11],造成天然湿地面积萎缩、初级生产力降低、生物栖息地灭失、生物多样性减少等问题[12-13]。索安宁、孙才志等均对鸭绿江口滨海湿地景观格局变化和空间异质性特征展开过研究,但是对景观格局变化的分析集中在2010年之前,且没有深入展开其驱动机制的研究[14-15]

    本文选择鸭绿江口滨海湿地为研究对象,综合运用景观动态分析方法研究了近30年的景观动态变化特征,并探索性地揭示了驱动其变化的社会经济因子,以期为鸭绿江口湿地的生态保护、资源利用和适宜性管理提供科学依据。

    • 研究区位于辽宁省东北部丹东市境内的鸭绿江口湿地国家级自然保护区(39°40′N-40°40′N,123°21′E-124°09′E,),沿海岸线呈带状分布(图1)。东部的鸭绿江为湿地中最大的河流,流域面积为61889 km2,年径流量多年平均值为243.96×108 m3。西部有大洋河和小洋河,其中,大洋河是湿地中第二大河流,河长202 km,流域面积6202 km2,年径流量多年平均值为21.7×108 m3。本区域属北温带湿润地区大陆性季风气候,年平均气温为6.8 ℃~8.7 ℃,年平均降水量为881.3~1087.5 mm,日照时数为2484.3 h。保护区内生态系统类型主要包括5种:芦苇沼泽、潮滩盐沼、碱蓬盐沼、河口湾、浅海海域,具有生态系统类型多样、景观结构复杂和生态过程响应敏感等特点。保护区内水稻田和海水养殖区分布广泛,保护区附近是辽宁省重要的经济发展热点区。

      图  1  研究区概况

      Figure 1.  Location of the study area

    • 本研究以覆盖研究区的1990年、2000年、2010年的Landsat 5 TM和2019年的Landsat 8 OLI遥感影像为主要数据源,空间分辨率为30 m,成像时间均在9月,1990-2010年使用R、G、B、NIR共4个波段进行彩色合成,2019年使用R、G、B、NIR、SWIR1、SWIR2共6个波段进行彩色合成,研究区边界与鸭绿江口湿地国家级自然保护区范围一致。结合滨海湿地分类体系[16]和研究区实际情况,将鸭绿江口湿地类型分为浅海水域、滩涂、芦苇湿地、河流、林地、沟渠、养殖场、水库坑塘、盐田、水稻田和建设用地,其中前5类为自然湿地,后6类除建设用地外均为人工湿地。为了提高分类精度,使用面向对象分类方法,将影像导入Ecognition影像分类软件,结合Google Earth软件上的高精度影像,以目视解译为主,阈值分类、监督分类为辅对影像进行解译,解译结果采用混淆矩阵法进行精度验证,4期遥感影像解译的Kappa系数分别为0.92、0.85、0.87和0.91。景观格局指数计算使用Fragstats 4.2软件。

      研究区气象和社会经济数据主要来源于丹东市1990-2019年统计年鉴,包括温度、降水、海水养殖产量(SCO)、国民生产总值(GDP)、第一产业增加值(GDP1)、第三产业增加值(GDP3)、人口自然增长率(NPGR)、人口出生率(Mortality)、人口死亡率(Natality)。

    • 湿地动态度(K)用来表征不同景观类型的动态变化,计算公式如下[17]

      式中:WaWb分别是a时刻、b时刻某种湿地景观类型的调查面积;T是调查时段;K值则为当T的时段设定为n年时,某种湿地景观类型的n年变化率。

    • 选择景观类型和景观水平两个尺度上的景观格局指数来描述鸭绿江口湿地景观格局特征。在景观类型尺度上选择斑块数量(NP)、斑块密度(patch density)、破碎化指数(Fragmentation index)和面积加权平均分形维数(the average fractal dimension)4个指数;在景观水平上选择斑块密度(patch density)、最大斑块面积指数(largest patch index,LPI)、面积加权平均分形维数、蔓延度指数(contagion index,CONTAG)、香农多样性指数(Shannon diversity index,SHDI)、香农均一度指数(Shannon evenness index,SHEI)、聚合度指数(Cohesion Index,COHESION)和散布与并列指数(Interspersion Juxtaposition Index,IJI)。各指数的具体描述和计算方法参见文献[18]。

    • 本研究采用Pearson相关分析和多元回归分析对近30年来鸭绿江口湿地景观格局演变的驱动力进行研究。使用SPSS 20.0进行多元统计分析,使用Origin 8.0进行制图。

    • 1990-2019年,鸭绿江口湿地景观时空分布及变化如表1所示。近30年来,景观类型正在由天然湿地向人工湿地以及建设用地转变。与1990年相比,天然湿地类型中,2019年滩涂和浅海累计面积占比从65.75%降至64.45%,芦苇湿地面积占比从5.18%降至3.68%,林地面积占比从1.40%降至0.91%;人工湿地类型中,养殖场面积占比从9.35%升至11.59%,盐田面积占比从0.98%升至1.02%,水库坑塘面积占比从0.03%升至0.08%,沟渠面积占比从0.17%升至0.18%;建设用地面积占比从1.36%升至3.44%。从总动态度来看,水库坑塘变化幅度最大,其次为建设用地,然后是林地和芦苇湿地。总体上天然湿地的动态度为−0.15%,而人工湿地的动态度为0.16%。

      湿地类型景观类型面积/ha动态度/(%)
      1990年2000年2010年2019年1990—2000年2000—2010年2010—2019年1990—2019年
      天然湿地芦苇地4534.473423.333038.763222.18−2.45−1.120.67−1
      河流867.78979.11986.58923.401.280.08−0.710.22
      滩涂10843.478433.186373.3514074.38−2.22−2.4413.431.03
      浅海水域46677.7848277.0850026.9542315.930.340.36−1.71−0.32
      林地1228.59990.63786.15792.18−1.94−2.060.09−1.22
      总计64152.0962103.3361211.7961328.07−0.32−0.140.02−0.15
      人工湿地水稻田12932.6412805.9212994.2911879.28−0.100.15−0.95−0.28
      养殖场8175.519897.2110499.4910141.832.110.61−0.380.83
      盐田861.21845.82811.53892.89−0.18−0.411.110.13
      水库坑塘27.2737.2685.2374.343.6612.87−1.425.95
      沟渠146.61155.88155.16155.880.63−0.050.050.22
      总计22143.2423742.0924545.7023144.220.720.34−0.63−0.16
      建设用地1188.001574.911668.333010.953.260.598.945.29

      表 1  1990—2019年鸭绿江口滨海湿地景观类型面积变化

      Table 1.  Areas of different landscapes of Yalujiang River delta coastal wetland in 1990—2019

      1990-2000年滩涂和浅海海域面积累计降幅为1.34%,2000-2010年降幅减缓为0.55%,2010-2019年继续降至0.08%。芦苇湿地在1990-2000年降幅最大,为24.50%,2000-2010年面积减少了11.23%,2010-2019年面积增加了6.04%。林地在1990-2000年面积减少了19.37%,在2000-2010年面积减少了20.64%,2010-2019年面积增加了0.77%。水库坑塘在1990-2000年面积增加了36.63%,2000-2010年面积增加了2.29倍,而在2010-2019年面积减少了12.78%。养殖场在1990-2000年面积增加了21.06%,在2000-2010年面积增加了6.09%,2010-2019年面积减少了3.41%。建设用地近30年来面积持续增大,1990-2000年面积增加了32.57%,2000-2010年面积增加了5.93%,2010-2019年面积增加了80.48%。研究表明,人工建设、围垦养殖和开垦种植等人为活动是天然湿地面积萎缩的主要原因[19-20]

    • 在斑块数量上(图1),芦苇湿地从1990年的70个降为2019年的13个,而水稻田和养殖场的斑块数量均在近30年来显著增多,建设用地斑块数量在1990-2010年显著增多,2010-2019年略有降低。斑块密度的变化趋势与斑块数量基本一致,总体表现为建设用地最高,盐田最低。由于东港地区水产养殖布局经过了“局部聚集”“离散分布”和“规模聚集”三个阶段,因此,养殖场的平均分形维数从1990年的1.16升至2010年的1.18,后又在2019年恢复至1.16;而水库坑塘从1990年的1.07升至2000年的1.10,后在2019年恢复至1.07。破碎化指数和平均分形维数的变化趋势一致(图2),与1990年相比,明显升高的景观类型有水稻田、林地和沟渠,明显降低的有芦苇,其余景观类型变化不显著,主要是因为大片水稻田和林地被用作交通、基础设施等城乡建设用地,从而增加了其曲折程度和边界长度,而沟渠的变化则是由于水利设施的兴建与发展[21]

      图  2  1990—2019年鸭绿江口滨海湿地景观组分主要特征指数

      Figure 2.  Changes in landscape pattern indices of Yalujiang delta coastal wetland at the scale of class in 1990—2019

    • 景观水平上的格局变化如图3所示,1995年之前,随着人类活动对天然湿地开发利用方式的多样化发展,景观多样性水平逐渐升高,各景观类型所占比例趋于均衡,景观多样性指数和均一度指数在1995年达到最大值。而1995-2010年,尤其是进入21世纪以来,中国沿海区域经济进入新一轮的快速增长,工业化和城市化发展驱动了沿海地区剧烈的土地利用变化和围填海进程,根据丹东市和东港市城市总体规划(2002-2020),大面积的芦苇湿地等天然滩涂被规划为城市建设用地和大东港港区用地[22],加之规模化围海养殖的兴起,芦苇等天然湿地景观斑块数量和面积迅速减少,景观类型趋向于单一化和形状规则化。2010年,国家通过了利用中央分成海域使用金支持开展海洋生态修复项目的决定,2016年国家财政开始支持“蓝色海湾”整治行动,2017年修订的《中华人民共和国海洋环境保护法》明确表示要对被破坏的海洋生态系统进行整治和修复,国家层面在滨海湿地生态保护上的这些政策与行动转变[23],促进了“退围还海”等海洋生态保护修复项目的开展,人类活动对滨海湿地的干扰程度降低,天然湿地面积以及湿地景观多样性水平得到恢复。

      图  3  1990—2019年鸭绿江口滨海湿地整体景观格局指数

      Figure 3.  Changes in landscape pattern indices of Yalujiang River delta coastal wetland at the scale of landscape in 1990-2019

    • 不同类型湿地景观面积与自然社会环境因子的相关分析(表2)表明,气候环境因子中,温度仅与盐田面积呈极显著正相关关系(P<0.01),而降水仅与水稻田面积呈显著正相关关系(P<0.05)。社会经济因子中,国民生产总值、第一产业增加值和第三产业增加值与芦苇湿地面积、林地面积呈显著负相关关系(P<0.05),而与水库坑塘和建设用地面积呈显著正相关关系(P<0.05);国民生产总值和第一产业增加值还与养殖场面积呈显著正相关关系(P<0.05);人口自然增长率与芦苇湿地面积、林地面积呈极显著正相关关系(P<0.01),而与养殖场和水库坑塘面积呈极显著负相关关系(P<0.01),与沟渠面积呈显著负相关关系(P<0.05);水产养殖产量与芦苇湿地面积呈显著负相关关系(P<0.05),与建设用地面积呈显著正相关关系(P<0.05)。

      温度降水GDPSCOGDP1GDP3POP.DNPGR
      芦苇地 0.09 0.27 −0.81* −0.76* −0.80* −0.77* −0.64 0.96**
      河流 −0.54 0.25 0.34 0.27 0.32 0.25 0.69 −0.65
      滩涂 0.23 −0.04 −0.46 −0.46 −0.45 −0.38 0.19 0.48
      浅海水域 −0.25 0.07 0.42 0.42 0.41 0.33 −0.23 −0.43
      林地 0.12 0.17 −0.78* −0.74 −0.77* −0.76* −0.75 0.91**
      水稻田 −0.74 0.87* −0.39 −0.54 −0.46 −0.57 −0.39 0.24
      养殖场 −0.14 −0.25 0.80* 0.72 0.77* 0.73 0.66 −0.97**
      盐田 0.92** −0.58 0.45 0.62 0.52 0.56 −0.20 0.02
      水库坑塘 −0.11 −0.09 0.83* 0.72 0.80* 0.78* 0.57 −0.90**
      沟渠 −0.05 −0.60 0.50 0.49 0.51 0.51 0.52 −0.79*
      建设用地 0.60 −0.82* 0.71* 0.81* 0.76* 0.83* 0.46 −0.60
      注:*P<0.05;**P<0.01;GDP:国民生产总值;SCO水产养殖年产量;GDP1:第一产业增加值;GDP3:第三产业增加值;PDP.D:人口密度;NPGR:人口自然增长率

      表 2  湿地景观类型面积与社会环境因子相关性

      Table 2.  Correlations between the area of wetland landscapes and social environmental factors

      社会经济环境因子之间及其与天然湿地面积和人工湿地面积的关系如图4所示,天然湿地面积与人口出生率(R2=0.96)、人口自然增长率(R2=0.94)相关性最强,其次与国民生产总值(R2=0.72)、第一产业增加值(R2=0.71)、第三产业增加值(R2=0.67)和水产养殖产量(R2=0.65)具有显著相关关系。随着社会经济发展水平的提高,人类对自然资源的需求量越来越大,填海造地、围海养殖等开发利用活动在满足区域社会经济发展需求的同时也挤占了大量的天然生态空间,使景观结构趋于单一,人类社会经济活动干扰是导致天然湿地面积减小的主要驱动因子[7,24]。本文中人口自然增长率与天然湿地面积呈极显著的正相关关系,与李娜娜等对四川内陆湿地的研究结果一致[25],可能是因为随着社会经济发展水平的提高,对滨海湿地的保护投入增加,自然湿地面积得到恢复,而社会经济水平的增长也是人口自然增长率上升的主要原因。

      图  4  不同类型湿地面积与社会环境因子的关系

      Figure 4.  Regression analyses between areas of natural or constructed wetland and social environmental factors

    • (1)近30年来,天然湿地的动态度为−0.15%,人工湿地的动态度为0.16%,建设用地的动态度为5.29%,总体上呈湿地景观向建设用地转化的趋势。2019年芦苇湿地面积比1990年减少了28.94%,滩涂和浅海海域面积累计减少了1.9%,而水库坑塘面积增加了2.73倍,养殖场面积增加了1.24倍,建设用地面积增加了2.53倍。

      (2)近30年来,养殖场、水库坑塘、建设用地斑块面积和密度增大,芦苇湿地斑块面积、密度和分形维数减小,林地斑块面积减小,分形维数增大,破碎化程度加剧,水稻田破碎化程度和分形维数增大,沟渠分形维数增大。

      (3)根据大斑块面积指数、平均分形维数、蔓延度指数、多样性指数和均匀度指数等整体景观格局指数,近30年来鸭绿江口滨海湿地的景观格局变化以1995年和2010年为节点可分为3个阶段。随着人类活动干扰强度增大,景观多样性指数和均匀度指数降低,蔓延度指数和最大斑块面积指数升高。

      (4)社会经济发展水平的提高是湿地景观格局变化的最主要驱动力,表现为GDP、第一产业增加值、第三产业增加值和水产养殖产量与不同景观类型面积之间的显著相关关系。

参考文献 (25)

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