杭州西溪國家濕地公園景觀格局演變

杭州西溪國家濕地公園景觀格局演變

1濕地景觀格局濕地是由水和土壤相互作用形成的特殊自然綜合體，包括自然或人工、長期或暫時的沼澤、泥炭和小于6m的水深區(qū)域。濕地和森林是世界上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一。淡濕被認為是受威脅的野生生物的最后一個結(jié)社。濕地因其巨大的水文和養(yǎng)分循環(huán)功能而被稱為“地球腎”，由于它巨大的食物網(wǎng)和多樣性生物，被認為是“生物超市”。這是自然界最生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)和最重要的棲息地之一。景觀結(jié)構(gòu)是由不同大小、形狀和組織的景觀元素組成的景觀結(jié)構(gòu)。這是各種復(fù)雜的物理、生物和社會因素相互作用的結(jié)果。濕地景觀結(jié)構(gòu)取決于濕地資源的地理分布和組成，這與濕地生態(tài)系統(tǒng)的干擾、恢復(fù)、穩(wěn)定性和生物多樣性密切相關(guān)。同時，濕地景觀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展和變化。通過分析濕地景觀結(jié)構(gòu)的時間動態(tài)過程，我們可以闡明濕地景觀變化的規(guī)律和機制。基于遙感和gis技術(shù)，國內(nèi)外對濕地景觀結(jié)構(gòu)的變化和動態(tài)機制進行了研究，但主要集中在天然沼澤、河流三角洲、湖泊、河流附近濕地和沿海濕地。濕地景觀發(fā)展的動力分析側(cè)重于自然環(huán)境因素，但對城市濕地的研究較少，對濕地變化原因的分析不夠詳細。本文借助遙感和GIS技術(shù),以西溪國家濕地為對象,分析該區(qū)1993～2003年濕地景觀格局的總體變化及單一景觀要素格局的變化,并對其變化原因進行分析,旨在揭示近10年來該地區(qū)濕地景觀格局與自然生態(tài)過程和社會經(jīng)濟活動的關(guān)系,為該地區(qū)濕地資源的合理利用及可持續(xù)發(fā)展等提供依據(jù).2研究領(lǐng)域和方法2.1景區(qū)地形及生態(tài)條件杭州的濕地集中于城市的西部和北部地區(qū),主要包括城市西部的西溪濕地和城市北部的仁和濕地和塘棲濕地,其中西溪濕地是與城市關(guān)系最密切的濕地,從行政管轄范圍,劃分為蔣村濕地、閑林濕地和五常濕地幾個大塊,西溪風(fēng)景區(qū)的內(nèi)核是:東起紫金港路綠化帶,西到繞城公路綠化帶,南到沿山河(天目山路),北到文新路延伸段,面積約11.4km2(120°0′26″～120°9′27″E,30°3′35″～30°21′28″N)(圖1).西溪濕地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,季節(jié)交替規(guī)律明顯,夏季多偏南風(fēng),冬季多偏北風(fēng).年平均氣溫為16.2℃,年平均降水量為1400mm.由于降水豐富,利于沼澤濕地的形成和發(fā)育,加上流域內(nèi)平原區(qū)地勢低平,地表徑流不暢,且廣泛分布的粘性土層阻礙地表水下滲,因而形成大面積濕地.建國以來,西溪濕地農(nóng)業(yè)開發(fā)活動非常活躍,大面積濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田和魚塘,而2000年開始的房地產(chǎn)開發(fā)熱潮則使大量濕地變成建筑用地.2.2學(xué)習(xí)方法2.2.1濕地景觀格局分析濕地景觀的源信息是1993、2001和2003年LandsatTM數(shù)字圖像,地面分辨率為30m的1∶50000數(shù)字地形圖和土地利用現(xiàn)狀圖,GPS野外調(diào)查獲取的西溪濕地景觀格局變化材料和自然基礎(chǔ)資料.數(shù)據(jù)處理平臺包括ArcView/3.2、Erdars/8.4和ArcGIS/8.3及1993～2003年杭州市統(tǒng)計年鑒.2.2.2模式系統(tǒng)分析模型參照《全國濕地資源調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》所規(guī)定的濕地分類方法,結(jié)合西溪濕地類型的實際情況和土地利用狀況,并考慮到遙感影像可分辨的最小圖斑、人工判讀的可能性等因素制定了分級分層結(jié)構(gòu)的西溪濕地分類系統(tǒng).將一級濕地分為河流濕地、湖泊濕地和人工濕地.第二級將河流濕地分為永久性河流(僅包括河床)和河流灘地(包括河漫灘、江心洲);湖泊濕地分為永久性湖泊和湖泊灘地;人工濕地分為水稻田、人工溝渠、庫塘和藕池.對于非濕地,根據(jù)研究需要將其分為在城市規(guī)劃中占很大比例的城鎮(zhèn)建設(shè)用地和其他農(nóng)用非濕地.即將西溪濕地具體分為永久性河流、河流灘地、永久性湖泊、湖泊灘地、水稻田、庫塘、藕池、人工溝渠、建設(shè)用地和其他非濕地9類.2.2.3景觀多樣性指數(shù)的計算方法對景觀空間格局的研究是分析景觀結(jié)構(gòu)、功能及過程的基礎(chǔ).通過景觀空間格局的分析可以把景觀的空間特征與時間過程聯(lián)系起來,以便尋找景觀的變化規(guī)律.景觀格局指數(shù)是為定量分析景觀格局而設(shè)計的反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的指標(biāo).本文主要選取了景觀破碎化指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù),計算方法如下:景觀破碎化指數(shù):Fi=(Pi-1)/Q式中,Fi為破碎指數(shù),Pi為景觀類型i的斑塊數(shù),Q為研究區(qū)所有景觀類型的平均面積.均勻度指數(shù):多樣性指數(shù):式中,Pi為i種景觀類型占總面積的比例,m為研究區(qū)中景觀類型的總數(shù),Hmax=log2m,為景觀的最大多樣性指數(shù).優(yōu)勢度指數(shù)式中,Pk為k種景觀類型占總面積的比,m是研究區(qū)域景觀類型的總數(shù),Hmax為研究區(qū)域內(nèi)各類景觀所占比例相等時的多樣性指數(shù),即最大多樣性指數(shù).優(yōu)勢度指數(shù)是研究景觀多樣性的重要指標(biāo),表示景觀多樣性對最大多樣性的偏離程度,或描述景觀由少數(shù)幾個主要景觀類型控制的程度.優(yōu)勢度指數(shù)越大,表明偏離程度越大,即組成景觀各類型所占比例差異大,或者說一種或幾種少數(shù)景觀類型占優(yōu)勢;優(yōu)勢度指數(shù)越小,表明偏離程度越小,即組成景觀各類型所占比例差異相當(dāng),或者說沒有哪種景觀類型占優(yōu)勢;優(yōu)勢度為0,表示組成景觀各類型所占比例相等,或景觀完全均質(zhì),即由一種景觀類型構(gòu)成.3結(jié)果與分析3.1濕地pee的景觀結(jié)構(gòu)3.1.1不同類型湖泊、河流的景觀類型面積變化斑塊是景觀的基本單元,景觀斑塊面積和數(shù)量的變化可以反映一個地區(qū)景觀格局的變化.西溪濕地10年的各類景觀斑塊面積變化主要表現(xiàn)為(表1):建設(shè)用地面積迅速增加,農(nóng)業(yè)用地面積(水稻田、庫塘、藕池等)有所增多,而原始湖泊、河流面積迅速減少,2001年前后景觀類型面積變化比較迅速.這一方面說明隨著時間的推移,社會經(jīng)濟活動對濕地的干擾加強,另一方面也在一定程度上說明濕地的破碎化程度加深.原因主要是圍湖成塘以及大量的建設(shè)用地使得湖泊面積下降,但濕地景觀類型斑塊數(shù)量,如庫塘和建設(shè)用地數(shù)量有所上升;城建用地面積隨著城市化進程迅速增大,原來零碎、小面積的城建用地斑塊不斷擴張、合并,建設(shè)用地斑塊數(shù)減少而面積增加,是因為近年來西溪濕地建設(shè)用地擴展的規(guī)模很大,許多區(qū)域已連成一片.由于自然生態(tài)景觀斑塊面積的減少較多,而人文類的景觀類型面積迅速擴大,整個濕地景觀更傾向于人文性.區(qū)域內(nèi)河流、湖泊和灘地景觀類型面積減少是自然生態(tài)價值降低的標(biāo)志.3.1.2景觀多樣性指數(shù)變化景觀多樣性反映了景觀組分的多少和各景觀組分所占比例的差異.一般來說,其值越大,表明景觀內(nèi)各組分所占比例越均勻.總體來說,西溪景觀的多樣性程度較高,各類景觀組分面積比例較為均衡.景觀多樣性指數(shù)由1993年的1.7854上升到2001年的1.8438和2003年2.2096,表明濕地景觀整體結(jié)構(gòu)由于人類活動的影響而變得均衡.濕地面積的迅速減少和城建用地的大量增加,導(dǎo)致了2001和2003年景觀組分的均勻度上升.景觀多樣性指數(shù)的變化較好地反映了西溪濕地景觀轉(zhuǎn)變的過程,濕地面積的迅速減少和建筑面積的快速增長是這一過程的突出特征.3.1.3景觀破碎化指數(shù)的變化從表2可以看出,2001和2003年各類濕地景觀類型的破碎化指數(shù)均高于1993年,西溪濕地整個景觀的破碎化指數(shù)從1993年的0.0036增加到2001年的0.0042和2003年0.0047,說明西溪整個景觀的破碎化程度隨時間變化不斷加深,尤其是2000年前后,受房地產(chǎn)開發(fā)熱潮的影響,各類景觀受社會經(jīng)濟活動的干擾在增強,濕地景觀的異質(zhì)性逐漸加大,斑塊之間的連通性降低.斑塊平均面積減少及斑塊破碎化會降低斑塊內(nèi)部生境抵抗外部干擾侵襲的能力,同時斑塊連通性降低不利于物種的擴散.從整體破碎化指數(shù)可以看出,景觀的破碎化程度隨時間推移有所增加,破碎化程度上升較大.2001年前后各類景觀組分的破碎化指數(shù)均有顯著變化,這與2001年起杭州市大規(guī)模的土地開發(fā)、房地產(chǎn)活動密切相關(guān).農(nóng)業(yè)用地形態(tài)日趨破碎,不利于農(nóng)業(yè)的集約化經(jīng)營,也直接減弱了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域環(huán)境的調(diào)節(jié)功能.濕地受高速公路的切割,景觀連續(xù)性被人為隔離,自然植被破碎化程度上升,威脅到水源保護和野生動物的棲息環(huán)境和連接通道.3.1.4案例5:德國大力推進濕地各類型的均勻度分析,重點在于均勻度與優(yōu)勢度優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)都可描述景觀由少數(shù)幾個主要景觀類型控制的程度,兩者之間可以互相驗證.1993年整個景觀的優(yōu)勢度較低,其值為0.4754,而均勻度指數(shù)為0.6845,說明該年濕地景觀各類型所占的比例差異不大.均勻度與優(yōu)勢度均為描述景觀由少數(shù)幾個主要景觀類型控制的程度,這兩個指數(shù)可彼此進行驗證,2001年整個景觀的優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度分別為0.8765和0.8084,相對于1993年分別增加了0.4011和0.1239,說明西溪濕地在近十年的變化中,少數(shù)景觀類型控制程度加大,而均勻度有所上升.3.1.5景觀類型轉(zhuǎn)化馬爾科夫過程是一個特殊的隨機運動過程.一個運動系統(tǒng)在T+1時刻的狀態(tài)和T時刻的狀態(tài)有關(guān),而和以前的狀態(tài)無關(guān).這一點可用于濕地景觀格局變化預(yù)測.采用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣模型對西溪濕地10年景觀類型的轉(zhuǎn)移情況進行分析,由1993年西溪濕地景觀類型所占百分比,求出各濕地景觀類型的轉(zhuǎn)化情況,進而得到1993～2003年各個濕地景觀利用類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣(表3).景觀類型轉(zhuǎn)化的趨勢為:總體上轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的濕地類型較多,其中轉(zhuǎn)化率最大的是由庫塘和灘地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地.說明近10年來,西溪濕地周邊的房地產(chǎn)開發(fā)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)擴張的速度很快,建設(shè)占用了較多濕地,包括庫塘、河流、湖泊和灘地.另外,西溪濕地地處杭州市區(qū),隨著城區(qū)人民生活不斷提高,對菜類、魚類需求加大,部分濕地被用于農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等種養(yǎng)殖業(yè)的開發(fā),濕地附近地區(qū)的村民開始圍湖造田、圍湖造魚塘等,也造成河流、湖泊面積大量減少.灘地也有向其他景觀類型轉(zhuǎn)移的趨勢,向藕池、水稻田和建設(shè)用地等的轉(zhuǎn)移概率較大,說明人們在加大湖泊、河流開發(fā)的過程中,對于灘地的開發(fā)利用在逐漸增加.3.2耗型社會經(jīng)濟增長模式下的濕地景觀演化在各種自然因素影響濕地景觀的同時,人為因素的影響是最明顯而又復(fù)雜的.在資源消耗型社會經(jīng)濟增長模式下,人類社會經(jīng)濟活動是影響區(qū)域水資源、土地資源利用的最活躍的因子,濕地景觀的變化明顯受到人口因子、土地資源利用政策和經(jīng)濟政策因子的驅(qū)動,就研究區(qū)來講,房地產(chǎn)開發(fā)、人口增長和農(nóng)田開發(fā)建設(shè)對濕地景觀的演化最為突出.3.2.1自然氣溫和年降水量的變化以西溪濕地附近的氣象站觀測數(shù)據(jù)為依據(jù),分析1993～2003年間的年平均氣溫和年降水量的變化趨勢.從圖2可以看出,西溪濕地的年平均氣溫和降水量變化趨勢基本一致,從1999年開始,雖然有時升高,有時降低,但總的變化不大.因此,濕地景觀演變受自然環(huán)境的影響較小,是景觀演變的非主要驅(qū)動因子.3.2.2景觀面積持續(xù)擴大,景觀格局改變,文化景觀建設(shè)用地規(guī)模持續(xù)增加近10年來,西溪景區(qū)濕地減少為主的景觀格局變化深受國家宏觀政策的影響.1992年以來,隨著國家改革開放步伐的進一步加快,杭州市經(jīng)濟發(fā)展也進入了快車道,尤其是2000年前后的房地產(chǎn)熱潮,使得西溪濕地出現(xiàn)了前所未有的開發(fā)建設(shè)熱潮,快速的城市開發(fā)和建設(shè)改變著西溪的景觀格局,各種經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和房地產(chǎn)開發(fā)占用了大量的農(nóng)田,湖泊水域和農(nóng)田景觀面積迅速減少,景觀破碎度增大,建設(shè)用地平均斑塊面積持續(xù)增加,呈現(xiàn)了蔓延擴張的態(tài)勢.3.2.3土地公開產(chǎn)出的道路分析杭州市近10年經(jīng)濟發(fā)展情況可以看出,杭州市從1993～2003年人口上升了60多萬,且經(jīng)濟快速發(fā)展導(dǎo)致流動人口大量增加,而人民生活水平的提高也提高了對住房質(zhì)量的要求并加速了房地產(chǎn)開發(fā)的進程,使城市用地面積大幅度擴展,尤其是1998年國家取消福利性分房政策之后,杭州開始了大規(guī)模的房地產(chǎn)開發(fā).1999年杭州市區(qū)合計出讓土地7.9×104m2,2000年開始,走過公開出讓土地的初期摸索之后,杭州正式走上了土地公開出讓的道路.2000～2003年,杭州市公開出讓土地的宗數(shù)和面積迅速放大,2000年為32.3×104m2,是上年的4倍;2001年為63.6×104m2,再度翻番;2002年為88.3×104m2;2003年為320.9×104m2,創(chuàng)下了杭州經(jīng)營性土地公開出讓面積最多的紀(jì)錄.位于城西的杭州市文教生活區(qū)的建立導(dǎo)致了城市的擴張,帶動了相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)業(yè)、商業(yè)、餐飲和娛樂等服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展,直接影響到西溪濕地的生態(tài)環(huán)境.從20世紀(jì)90年代開始,隨著杭州西部文教生活區(qū)的成功開發(fā),緊鄰杭州西部入城口的西溪風(fēng)景區(qū)成為了房地產(chǎn)開發(fā)的熱門首選.由居住功能帶入的一些其他諸如道路等基礎(chǔ)設(shè)施、商業(yè)等公共服務(wù)設(shè)施的開發(fā)不僅改變了原始的生態(tài)景觀特色,而且可能對生態(tài)環(huán)境造成很大影響.耕地的大量流失是經(jīng)濟快速發(fā)展地區(qū)面臨的一個普遍問題,經(jīng)濟發(fā)展與結(jié)構(gòu)變化是耕地數(shù)量變化的最主要驅(qū)動力之一.景觀格局所有變化均在濕地景觀基質(zhì)的基礎(chǔ)上發(fā)生,水田減少是西溪景觀格局變化的最主要表現(xiàn).房地產(chǎn)、交通和水利等各類基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)切割了農(nóng)田景觀,增大了農(nóng)田景觀的邊界密度,降低了濕地景觀的連通性.3.2.4宏觀社會經(jīng)濟發(fā)展的影響杭州市近10年經(jīng)濟發(fā)展非常迅猛,國民經(jīng)濟得到了長足的發(fā)展,國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)從1993年的4.84×1011元上升到2003年的2.91×1012元,增長了5倍.景觀各類組分面積比例以及整體多樣性的演變主要受宏觀社會經(jīng)濟發(fā)展的影響.在政策驅(qū)動下的經(jīng)濟高速增長和快速城鎮(zhèn)化過程是景觀整體格局變化的根本原因.可見,耕地向城市建設(shè)用地的大規(guī)模轉(zhuǎn)化主要受到由內(nèi)向外(從城市到鄉(xiāng)村)和由外向內(nèi)(從鄉(xiāng)村到城市)兩種作用力的共同推動,前者主要表現(xiàn)為“城市郊區(qū)化”,即在外來投資、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和外來人口逐漸增多的驅(qū)動下,第二、第三產(chǎn)業(yè)用地迅速向外擴展,占用農(nóng)業(yè)用地;后者主要表現(xiàn)為“郊區(qū)城市化”,即由于鄉(xiāng)村富裕程度的提高和鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)的發(fā)展,城市化水平提高,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)、居住用地的需求使大量湖泊和農(nóng)業(yè)用地