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自然、社会两种生态系统在不同的时间和空间尺度上相互作用引起的土地利用类型的综合变化,是人类学者对土地利用/覆被变化(LUCC)的基本定义[1],它在结构和功能上影响着整个生态系统的服务功能,对维持生态系统的稳定性起着决定性作用[2]。人类社会最早涉及土地利用/覆被变化相关方面的探索可以追溯到19世纪30年代,当时针对该领域的研究相对粗糙,主要是对土地的利用类型进行勘察以及现状分析[2]。目前,国外的相关研究主要围绕对不同空间范围内土地利用/覆被变化的直接监测、时空变化、驱动力因素、环境效应以及修复模型和预测评估等方面的分析探究[3-5]。我国从20世纪60年代开始相关方面的研究,起步较国外稍晚,但随着我国现代化建设的不断推进,土地利用/覆被变化研究在城乡开发进程中发展迅速,通过结合航空航天遥感和地理信息技术建立相关模型,探究驱动土地利用/覆被变化的主要影响因子及其所带来生态环境效应等相关应用已经日趋成熟[6-7]。
近年,景观生态学发展迅速,将景观生态学融入LUCC中,从景观尺度上探究LUCC在时空变换中的结构特征、动态变化、演变规律已成为LUCC研究的热点话题,主要运用景观生态学原理[8]和数理统计分析方法[9-10]将景观和LUCC的动态变化结合起来,从景观格局和土地利用两个层面描述土地利用变化的景观动态,定量分析区域生态的敏感性、脆弱性、风险性及生态修复意见[11-12]。
在我国,已有大量研究人员对广东[13]、广西[14]、福建[15]、浙江[16]和海南[17]5个省的红树林动态变化及景观格局进行了研究。东寨港作为海南省最大的半封闭港湾式泻湖,生物资源丰富,内含我国成片面积最大的红树林保护区,分布有全国95%的红树林植物[18-19]。黄星等[20]、罗丹等[21]、王小军等[22]分别通过不同时期的遥感影像,分析了东寨港地区地表覆被的变化情况及其驱动力;辛昆等[23]结合RS、GIS和景观指数分析了东寨港地区红树林在不同时期的变化特征。加强对该地区土地利用和景观格局等生态学研究,有助于推进红树林湿地保护、海岸带修复、退塘还湿等重大生态措施的开展。基于此,本文以东寨港海岸线和保护区界线向内陆缓冲1 km的区域为研究范围,结合东寨港及其周边地区1988—2016年6个时段相近时相的遥感影像,综合土地利用/覆被变化和景观斑块指数2种方法,探究该地区红树林湿地的动态变化,以期为东寨港地区生态环境保护及城乡建设和谐发展提供参考。
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由图2可知:湿地、耕地、林地、建筑用地组成了研究区域全部覆被类型,土地利用/覆被变化从1988—2016年期间在各地类之间不断转换。研究区域内,建筑用地和湿地面积呈逐年增长趋势,耕地面积呈减小趋势。湿地系统由红树林、水域、养殖水面三大部分组成,其中,养殖水面的面积从1988年占研究区域总面积的1.60%上升到2016年的11.89%,其面积变化对湿地面积变化起到主导作用。通过土地转移矩阵(表1和表2)可知:1988—2016年间,耕地面积共减少1 865 hm2,其中,转化成养殖水面的面积为977.78 hm2(数据未列出)。由此可见,湿地的变化动态主要体现在养殖水面的变化上。
Figure 2. The dynamic change of the proportion of the landscape types in Dong zhai port mangrove wetland
年份
Year景观类型面积 Landscape type area/hm2 耕地 Arable land 红树林 Mangrove 建筑用地 Construction land 林地 Woodland 水域 Water area 养殖水面 Aquiculture area 1988 6 133 1 940 294 2 777 4 375 252 1995 6 224 1 906 354 2 421 4 357 509 2000 5 912 1 717 392 2 209 4 609 932 2005 4 023 1 905 869 2 709 4 392 1 873 2010 3 697 1 847 1 198 2 589 4 406 2 034 2016 4 268 1 907 1 481 1 865 4 375 1 875 Table 1. The dynamic change of the proportion of the landscape types in Dong zhai port mangrove wetland in 1988-2016
年份
Year面积
Area/hm21995 耕地
Arable land红树林
Mangrove建筑用地
Construction land林地
Woodland水域
Water area养殖水面
Aquiculture area1988 耕地 Arable land − 51.16 58.57 253.57 47.10 200.25 红树林 Mangrove 72.25 − 0.13 36.62 61.47 71.34 建筑用地 Construction land 0.59 0.00 − 0.85 2.83 0.00 林地 Woodland 574.77 55.17 2.98 − 16.24 11.43 水域 Water area 36.76 85.90 1.40 20.68 − 3.81 养殖水面 Aquiculture area 17.11 4.11 0.84 4.22 3.47 − 年份
Year面积
Area/hm22000 耕地
Arable land红树林
Mangrove建筑用地
Construction land林地
Woodland水域
Water area养殖水面
Aquiculture area1995 耕地 Arable land − 49.04 34.04 223.58 87.00 379.95 红树林 Mangrove 62.64 − 0.38 25.35 158.88 82.73 建筑用地 Construction land 1.42 0.36 − 1.05 4.22 0.00 林地 Woodland 321.09 39.80 9.52 − 43.91 67.80 水域 Water area 20.54 31.64 0.90 11.24 − 1.24 养殖水面 Aquiculture area 55.88 20.77 0.00 8.86 23.62 − 年份
Year面积
Area/hm22005 耕地
Arable land红树林
Mangrove建筑用地
Construction land林地
Woodland水域
Water area养殖水面
Aquiculture area2000 耕地 Arable land − 86.00 333.68 1 456.09 62.54 813.69 红树林 Mangrove 33.33 − 3.72 53.83 44.39 68.28 建筑用地 Construction land 17.26 0.00 − 47.14 2.02 0.81 林地 Woodland 684.65 48.18 200.04 − 17.28 129.48 水域 Water area 47.82 179.67 4.36 17.12 − 108.07 养殖水面 Aquiculture area 79.84 77.39 3.02 5.68 13.27 − 年份
Year面积
Area/hm22010 耕地
Arable land红树林
Mangrove建筑用地
Construction land林地
Woodland水域
Water area养殖水面
Aquiculture area2005 耕地 Arable land − 3.06 93.65 690.84 78.80 223.67 红树林 Mangrove 16.09 − 0.00 3.08 11.45 41.84 建筑用地 Construction land 21.25 0.00 − 12.53 0.00 0.00 林地 Woodland 531.82 0.00 261.10 − 0.00 72.03 水域 Water area 60.15 2.45 0.00 0.00 − 13.69 养殖水面 Aquiculture area 134.84 9.10 7.59 38.51 0.00 − 年份
Year面积
Area/hm22016 耕地
Arable land红树林
Mangrove建筑用地
Construction land林地
Woodland水域
Water area养殖水面
Aquiculture area2010 耕地 Arable land − 27.65 85.38 413.70 11.22 65.09 红树林 Mangrove 0.00 − 0.00 0.00 2.45 0.56 建筑用地 Construction land 0.13 0.00 − 0.34 0.00 4.17 林地 Woodland 949.33 0.04 197.98 − 0.03 0.85 水域 Water area 26.92 5.20 4.38 7.70 − 13.69 养殖水面 Aquiculture area 197.79 29.67 0.00 2.22 0.00 − Table 2. The landscape transition matrix of mangrove Wetland in Dong zhai port in 1988-2016
由表1可知:1988—2016年期间,养殖水面面积增长1 623 hm2,其主要来自耕地和林地的转化(表2);2000年以后,城镇建设和旅游业的发展使得大面积的林地和耕地转化为建筑用地,建筑用地面积比例从2.49%上升到9.39%(图2),面积从392 hm2增长到1 481 hm2,同时期的耕地和林地面积大幅降低;从景观斑块间的相互转化关系看,养殖水面和建筑用地面积快速增长,与之相对应的是耕地面积的快速减少。而其它红树林、水域等景观类型,在研究区间内整体面积上未有大的变化,但景观类型间的转换仍旧活跃。
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统计分析各时期景观破碎化指数,揭示斑块景观格局的动态变化。结果(图3)显示:1988—2016年间,平均斑块面积和斑块平均形状破碎化指数均呈现下降趋势,斑块数量和面积加权平均形状破碎化指数呈增长趋势,其中,平均斑块面积从37.2 hm2降到26.6 hm2,缩减幅度达28.5%,斑块平均形状破碎化指数从0.63下降到0.26;斑块数量由424个增长至593个,增幅为39.86%,面积加权斑块平均形状破碎化指数则保持高位微增长,由1988年的0.91到2016年的0.92。
斑块空间水平指数分析结果(图3)显示:在近30年期间,东寨港地区斑块密度从1988年的0.03个·hm−2增长到2016年的0.04个·hm−2;最大斑块面积由4 182 hm2上升到4 311.5 hm2。从斑块空间连通性分析可知:研究区域的蔓延度由1988年的82.2%到2016年83.4%,表明研究区域内斑块之间始终存在较高的连通性。
结合景观地类面积变化和景观指数的变化可知:1988—2016年间,耕地、养殖水面、建筑用地的面积变化对景观格局的变化有着积极的响应,斑块数量、斑块密度、平均斑块面积以及面积加权平均形状破碎化等指数状态,都表现出东寨港红树林湿地景观破碎化程度正在进一步加大;另一方面,大面积斑块作为整个区域的主要支撑结构,在空间上保持着良好的连续性,分布逐渐趋向于稳定,因而,虽然研究区域内地类间的转变仍较活跃,但整体景观破碎化的趋势正在逐渐减弱。
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区域景观结构的完整性很大程度上决定于该地区是否完成对土地的合理利用,不合理的土地利用会导致生物多样性降低、斑块破碎化和生境的退化。在SSPS软件上进行土地利用/覆被变化与景观指数的相关性分析,结果(表3)显示:耕地、养殖水面和建筑用地三大类型的面积变化与大部分景观指数存在显著或极显著相关性,而这三种地类的面积变化大都以人为因素为主导,其中,耕地与斑块数量、面积加权平均形状破碎化指数呈极显著负相关,与蔓延度呈显著负相关,与平均斑块面积呈极显著正相关;建筑用地分别与斑块数量、面积加权平均形状破碎化指数呈显著正相关,与平均斑块面积呈显著负相关;养殖水面则与斑块数量、面积加权平均形状破碎化指数呈极显著正相关,与蔓延度呈显著正相关,与平均斑块面积呈极显著负相关。从分析结果看,耕地面积的减少,建筑用地和养殖水面面积的增加是景观破碎化加大的直接因素。
景观指数
Landscape index耕地
Arable land红树林
Mangrove建筑用地
Construction land林地
Woodland水域
Water area养殖水面
Aquiculture斑块数量
Number of plaques−0.970** 0.104 0.850* −0.112 −0.218 0.971** 平均斑块面积
Mean patch area0.966** −0.084 −0.855* 0.135 0.217 −0.975** 斑块平均形状破碎化指数
Mean shape fragmentation index0.736 −0.255 −0.799 0.426 0.342 −0.792 面积加权平均形状破碎化指数
Area-weighted mean shape fragmentation index−0.965** 0.073 0.847* −0.046 −0.129 0.930** 蔓延度
Contagion index−0.844* −0.192 0.549 0.16 0.06 0.852* 注:*和**分别代表显著水平0.05和0.01。
Note: * and ** represent significant levels of 0.05 and 0.01, respectively.Table 3. The correlation coefficient between landscape fragmentation index and landscape type area change in Dong zhai port mangrove wetland