1987～2010年南四湖湿地景观格局变化及其驱动力研究

第１１卷第４期２０１３年１２月

湿地科学

、＾，ＥＴＬＡＮＤＳＣＩＥＮＣＥ

ＶＯＬｌｌＮＯ．４Ｄｅｃ．２０１３

１９８７＂～＇２０１０年南四湖湿地

景观格局变化及其驱动力研究

许吉仁ｋ２，董霁红ｋ２

（１．中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州２２１１１６；２．江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州２２１１１６）

摘要：在遥感和地理信息系统技术支持下，选用５期南四湖湿地ＴＭ影像、气象资料和社会经济资料，利用面向对象的Ｋ临近分类方法对地物进行监督分类，利用统计方法筛选驱动因子，研究１９８７～２０１０年期间南四湖湿地景观格局演变及其驱动力。结果表明，１９８７～２０１０年，南四湖天然湿地面积（湖泊、河流、芦苇沼泽、荷田）减少；人工湿地，主要是水产养殖区和水稻田面积不断增加。南四湖湿地景观趋向破碎化，抗干扰的能力和维持自我稳定的能力下降，生物多样性减少；南四湖湿地景观格局受自然和人文驱动力的影响，人文驱动力中人口因素和经济发展水平因素对景观空间格局影响最大，影响因素重要性排序为渔业总产值、第一产业比重、总人口、非农业人口、农民人均纯收入、ＧＤＰ、人均ＧＤＰ和第二产业比重。通过湿地景观格局驱动力研究，揭示了南四湖湿地景观格局的变化特征及其与自然因素、人文因素的相互关系，可以为南四湖湿地农业结构调整、环境保护管理提供理论依据，可以为该区域土地利用格局优化提供参考。关键词：景观格局；驱动力；变化；南四湖湿地中图分类号：Ｆ３０１．２４；Ｑ１４８

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２—５９４８（２０１３）０４．４３８—０８

湿地的景观格局取决于湿地资源地理的分布和组分，与湿地生态系统抗干扰能力、恢复能力、稳定性和生物多样性有密切联系。因此，研究湿

地景观格局随时间的变化过程，可以揭示湿地景观变化的规律和机制，为实现湿地资源的可持续

地公园。南四湖作为华北地区主要的湖泊、南水

北调东线工程主要调蓄枢纽之一，既肩负着保护环境安全、提供生态系统服务的重大使命，又承载

着促进区域经济社会发展的重要功能。然而，自２０世纪８０年代以来，由于自然和人为两方面因素的影响，南四湖淤积萎缩，水质污染严重，蓄水量

利用提供理论依据ｕ捌。

南四湖（３４０２７ｔＮ＂－－－３５。２０ｔＮ，１１６。３４’Ｅ～１１７０２１’Ｅ）位于山东省西南部，是南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖四个相连的湖泊的总称，是华北地区

波动起伏，其湿地资源的过度开发利用，使南四湖

的生态系统结构受损，生物多样性降低，导致湖泊

生态功能退化，湖泊生态系统的敏感性、脆弱性趋势凸显，湿地生态、经济和社会效益显著降低口。１。

目前，以南四湖湿地为研究区，开展了有关水质、生物、环境污染和景观格局等方面的研究ｐ”，。本研究利用１９８７～２０１０年期间的５期遥感影像数

最大的淡水湖泊，典型的浅水型堰塞湖（图１）。南

四湖南北长１２６ｋｍ，东西宽５～２５ｋｍ，湖泊平均水深１．４６ｍ，南四湖的最大水面面积为１集流总面积为３

５４３

２６６ｋｍ２，

ｋｍ２。南四湖已记录的浮游植

物有４６科１１６属，有水生维管束植物１０８科５３８种；有鸟类２０５种，其中，有国家一级和二级保护鸟类大鸨（Ｏｔｉｓｔａｒｄａ）、大天鹅（Ｃｙｇｎｕｓｃｙｇｎｕｓ）、白枕鹤

（Ｇｒｕｓ

据、气象资料和社会经济资料，研究南四湖景观格局变化及其与自然、人口、经济发展等因素的关系，分析南四湖湿地景观格局演变驱动力，以期为南四湖环境保护和管理以及土地利用格局优化提

供参考。

ｖｉｐｉｏ）、灰鹤（Ｇ艄ｇｒｕｓ）矛Ｎ鸳鸯＠ｉｘｇａｌｅｒｉｃｕｌａ—

ｔａ）等２６种Ⅲ。目前，微山湖湿地公园为国家级湿

收稿日期：２０１３一０１．１０；修订日期：２０１３—０６－１６

基金项目：教育部长江学者和创新团队发展计划项Ｈ（ＩＲＴ０８６５）雨ｑＵ．苏高校优势学科建设工程项目（ＳＺＢＦ２０１卜６?Ｂ３５）资助。

作者简介：错Ｃ（１９９０．），男，汉族，福建省厦门人，硕士研究生，研究方向为景观生态与土地资源管理。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｒｅｎｘｕ＠１２６．ｃｏｍ

‘通讯作者：董霁红，教授。Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｏｎ西ｉｈｏｎｇ＠ｃｕｍｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据

４期

许吉仁等：１９８７～２０１０年南四湖湿地景观格局变化及其驱动力研究４３９

图ｌ南四湖湿地位置示意图

Ｆｉｇ．１

ＳｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＮａｎｓｉｈｕｗｅｔｌａｎｄｓ

１数据和方法

１．１数据

取了１９８７年９月和１９９５年１１月的影像。２０００＂～２０１０年期间，选取２００２年５月、２００６年６月和２０１０

选取１９８７年９月１９日、１９９５年１１月１２日、

２００２年５月３１日、２００６年６月１１日和２０１０年９月

年９月的遥感影像。２００２年，由于特大旱情，南四湖从徐州引水，建立了湖西、湖东大堤，因此具有典型性；２００６年和２０１０年都与上一期影像相隔四年，且气候正常，故这两年的植物长势能反映南四湖湿地植物的常态。

根据研究内容及资料的可获取性，收集了２０１０年济宁市土地利用现状图、土地详查变更资

１８日５期ＴＭ影像作为数据源（影像来源于国际科学数据服务平台ｈｔｔｐ：／／ｄａｔａｍｉｒｒｏｒ．ｃｓｄｂ．ｃｒｄ、美国地质勘探局ｈｔｔｐｓ：／／ｅａｒｔｈｅｘｐｌｏｒｅｒ．ｕｓｇｓ．ｇｏｖ／、马里兰大

学ｈｔｔｐ：／／ｇｌｃｆ．ｕｍｉａｃｓ．ｕｍｄ．ｅｄｕ／ｄａｔａ／）影像轨道行列号为Ｐ１２２Ｒ３６，影像的云量较少，图像清晰，包含６

料（数据来源于济宁市国土资源局），以及１９８６～２００６年的济宁市年降水量数据和干旱资料（数据来源于济宁市气象局）和１９８７～２０１０年济宁市微山县的社会、经济和人口资料（数据来源于济宁市

统计年鉴１。１．２景观指标选取

个波段（选择覆盖可见光和近红外的１～５、７波段），空间分辨率为３０ｍ。影像都经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，并且通过ＤＥＭ进行了地形校正，所选用的投影坐标系统为ＷＧＳ

１９８４

ＵＴＭ

Ｚｏｎｅ

５０Ｎ，利用Ｄ叮Ｖ１４．８和Ａｒｃ．

Ｇｉｓｌ０．０软件为主要工作平台，提取南四湖湿地遥感信息。

选取６个景观指标开展研究，它们是斑块数ｆＮＰ）、斑块密度（ＰＤ）、景观形状指数（ＬＳＩ）、香农景观多样性指数（ＳＨＤＩ）、香农景观优势度指数ｒＳＨＥＩ）和景观蔓延度指数（ＣＯＮＴＡＧ）。１．３景观信息提取及分析方法

根据《全国湿地资源调查与监测技术规程》，并考虑南四湖湿地的实际情况，将研究区分为天

然湿地［湖泊和河流（因研究区河流的面积很小，所

通过查询相关资料，由于南四湖湿地在２０世纪８０年代和９０年代受到的人为干扰较小，景观整体变化不大，故仅在２０世纪８０年代和９０年代各选取一幅典型遥感影像进行分析。在２０年代８０年

代，只能获取到１９８７年的影像；而１９９５年南四湖

地区降水量处于正常水平，且气候正常，故分别选

万方数据

４４０

湿地科学１１卷

以将河流和湖泊归为一类）、芦苇沼泽（Ｐｈｒａｇｍｉｔｅｓａｕｓｔｒａｌｉｓ）幂Ｈ荷田］、人工湿地（稻田、沟渠、水库坑塘和水产养殖区）和其他用地（非湿地）。

利用ＥＮＶＩＦＸ软件，采用基于样本的面向对象的监督分类方法，选取不同地物的训练样本，计

图像中的绿色植被有很好的指示作用，通过计算研究区内的ＮＤＶＩ可对相应的植被增强；主成分波段占整幅图像的大部分信息，拥有丰富的信息量；

ＴＭ４波段（近红外波段）对水体有很强的吸收，同

土壤和植被易于区分，可确定水体的位置和轮廓。

分别对１９８７年、１９９５年、２００２年、２００６年和２０１０年影像的分类结果进行精度验证，为了保证面积较小的类别有足够的样点数，用分层采样方法采集样点，一幅图像每一类型最少采集３０个样

算地物的空间、光谱和纹理属性，利用Ｋ临近分类

方法对地物进行监督分类。

影像分割：使用了ＥＮＶＩＦＸ基于边缘的分割算法，该算法可以根据影像邻近像素亮度、纹理、

颜色等对影像进行分割，产生多尺度分割结果。实际操作过程中，阈值设置过高将会导致地物边

界难以被划出，也就失去地物边界的特征。分割

点。精度评价结果表明，影像分类精度较高，１９８７年、１９９５年、２００６年和２０１０年分类总体精度都在

９４％以上，２００２年分类总体精度为８６．２１％，各类别

效果的好坏可通过预览影像功能查看，经过多次

试验，将分割阈值设置为３６％，可以较好地分割出边缘特征。

合并分块：初步分割后得到的对象相对比较

精度也多在８０％以上（表１），符合精度要求。

用ＥＮＶＩ４．８软件，提取１９８７－－２０１０年期问５期南四湖湿地景观信息；用ＡｒｃＧＩＳ软件制图；利用ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ景观格局分析软件，对研究区的景观格局特征进行分析。

１．４景观格局变化驱动力的分析方法

零碎，通过合并可将较小的影像对象合成较大的

多边形对象，改善对地物界限的描绘，解决分割过

度的问题。ＥＮＶＩＦＸ利用了Ｆｕｌｌ

Ｌａｍｂｄａ－Ｓｃｈｅｄ—

采用相关分析法，利用ＳＰＳＳ软件，筛选驱动

南四湖湿地景观格局变化的因子，分析驱动因子之间的关系。用主成分分析方法，对驱动因子进行解释和描述，探讨南四湖湿地景观空问格局驱动力。

ｕｌｅ算法，分割过程中多边形对象不断增长的异质性最小，可实现整幅影像在给定分割阈值的情况

下所有影像对象的平均异质性最小。经试验将合

并阈值设为９４％，可得到良好的合并效果。

计算属性：通过计算对象的空间属性、光谱属

性、纹理属性、色度、亮度、饱和度（ＨＩＳ）币Ｈ波段比率，确定最终分割对象，这些参数能够在监督分类或者基于规则分类时定义分类类别。ＨＩＳ设置波

段时选择了ＮＤＶＩ、主成分和ＴＭ４波段，ＮＤＶＩ对

２结果与分析

２．１南四湖湿地各景观类型面积、分布及其变化

南四湖湿地的总面积为１

２０８．２１ｋｍ２。

１９８７～２０１０年期间，总体上，研究区天然湿地面积

表ｌ遥感影像分类精度评价

Ｔａｂｌｅ１

Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ

１９８７焦

项目

生产者精度（％）

湖泊和河流芦苇沼泽荷田

稻田

９９．９９９３．９７９９．３３７５．６９９．５ｌ１００７０．１８９４．３ｌ

９６．４７Ｏ．９５

１９９５年生产者精度（％）

１００９４．９６１００１００９９．６ｌＯＯ７３．９２９２．７３

９７．９６０．９７

２００２年生产者精度（％）

１００９９．８７５．７７０．１７９３．４２７８．４９９２．９５７７．０３

８６－２ｌ０．９２

２００６住生产者精度（％）

９７．８４８６．５４７６．１２９０．４８７４．８７１００９４．８８８５．６６

９４．４２０．９１

２０１０证生产者精度（％）

９７．９４９９．０８７５．３２９８．２３９８．４５１００９５．１５１００

９６．５８０．９５

用户精度（％）

９９．９５９９．４９８３．７２９９．６６９９．３９９８．９４７ｌ，ｌｌ８３．４５

用户精度（％）

９９．６ｌ９８．１６９４．１２９１－２９６４．８１００９７．４６９９．６８

用户精度（％）

９６．１５６６．９６８３。６３９５．４ｌ１００１００９９．６４９６．２

用户精度（％）

９９．７５５６．８４９０．７８８６＿３５１００９９．５ｌ９３．４９２．６９

用户精度（％）

９７．０３９３．８７８１．９７９７．０５８８．７３１００９６．３７９９．０５

沟渠水库坑塘水产养殖区其他用地总体精度（％）Ｋａｐｐａ系数

万方数据

４期许吉仁等：１９８７～２０１０年南四湖湿地景观格局变化及其驱动力研究４４１在减少（表２１，人工湿地面积在增加，其他用地面２．２南四湖湿地景观指数变化

积的变化幅度相对较小；天然湿地中，芦苇沼泽面从表４可以看出，１９８７～２０１０年期间，总体积的减少幅度最大；人工湿地中，水产养殖区面积上，研究区的斑块数、斑块密度和景观形状指数在的增加幅度最大。增加，说明南四湖湿地景观的异质性和破碎度在

由表３可知，有２３９．０５ｋｍ２的芦苇沼泽转变为增强，斑块形状变得越来越复杂；研究区的蔓延度水产养殖区，占１９８７年芦苇沼泽面积的５５．２０％；指数在减小，这主要是因为研究区的斑块破碎化有７７．８２ｋｍ２的芦苇沼泽转变为稻田，占１９８７年芦程度增大，使得整个景观的连通度减小。这些景苇沼泽面积的１７．９７％；有１５５．７３ｋｍ２的荷田转化观指数的变化表明，研究区景观的异质性增强，单为水产养殖区，占１９８７年荷田面积的５５．８４％；另一组分对景观的控制作用增强，人类对景观的管外，有９２．４３ｋｍ２的荷田转变为湖泊水面，占１９８７理程度加强”６１。一方面，增加了地区的经济效益，年荷田面积的３３，１５％。另一方面，降低了该地区生物生境的多样性，造成

图２显示，从２００２年开始，南四湖湿地大面积一些物种种群数量减少甚至消失，由此降低了研的芦苇沼泽和荷田转变为水产养殖区和稻田；由究区景观抗干扰的能力和维持自我稳定的能力。于湖水水质的变化以及人类经济活动的原因，湖１９８７～２０１０年期间，南四湖湿地景观的香农中央的大片荷田转变为湖泊水面和水产养殖区；多样性指数和香农优势度指数基本在１．４８和０．７１到２０１０年，南四湖湿地的主要湿地类型水产养殖附近波动ｆ见表３），都是先增大后减小。２００２年之区、湖泊水面、稻田和芦苇沼泽，稻田主要分布在前，人类活动对研究区的干扰强度相对较小，之湖泊的西北部和西南部的过渡带，仅有小面积的后，由于注重经济效益，人类活动对南四湖湿地的芦苇沼泽在湖泊中部二级坝附近分布。干扰强度加大，其景观多样性和均匀性逐渐降低。

表２５个时期南四湖湿地各景观类型面积

Ｔａｂｌｅ２ＴｈｅａｒｅａｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｌａｎｄｓｃａｐｅｔｙｐｅｓｉｎＮａｎｓｉｈｕｗｅｔｌａｎｄｓｆｏｒ５ｐｅｒｉｏｄｓ

表３５个时期南四湖湿地景观类型面积（％）转移矩阵

Ｔａｂｌｅ３Ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｍａｒｘｏｆｔｈｅａｒｅａｓ（％）ｏｆｌａｎｄｓｃａｐｅｔｙｐｅｓｉｎＮａｎｓｉｈｕｗｅｔｌａｎｄｓｆｏｒ５ｐｅｒｉｏｄｓ

万方数据

４４２

湿

１９９ｆ，年

地科学

Ｎ

１

１卷

＾

图倒

湖泊和河流芦苇沼泽苻田稻田。沟集

水库坑塘水产养殖区其他用地

图２

Ｆｉｇ．２

５个时期南四湖湿地景观类型分布图

ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐｏｆｌａｎｄｓｃａｐｅｔｙｐｅｓｉｎＮａｎｓｉｈｕｗｅｔｌａｎｄｓｆｏｒ５ｐｅｒｉｏｄｓ

表４

Ｔａｂｌｅ４

５个时期南四湖湿地的６个景观指标

ＳｉｘｌａｎｄｓｃａｐｅｉｎｄｉｃｅｓｉｎＮａｎｓｉｈｕｗｅｔｌａｎｄｓｆｏｒ５ｐｅｒｉｏｄｓ

２．３南四湖湿地景观格局变化的驱动力２－３．１自然驱动力

１９８６～２００６年间，南四湖湿地所在区域的干

２．３．２人为驱动力

由上述分析可知，１９９５年之后，南四湖湿地景观格局最大的变化是大面积天然湿地转变为人工湿地（见表３），人类活动是南四湖湿地景观变化的主要原因。以研究区人工湿地面积作为因变量，以１９９５年、２００２年、２００６年和２０１０年济宁市微山县社会经济状况资料作为选取自变量的基础数据，用相关分析法筛选出以下１１个白变量（表６）：戈。（总人口，万人）、石：（非农业人口，万人）、勋（国内生产总值，亿元）、戈。（人均国内生产总值，元）、石，（第一产业比重，％）、Ｘ６（第二产业比重，％）、Ｘ７（第三产业比重，％）、ｚ。（渔业总产值，亿元）、ｚ。（农民人均纯收入，元）、‰（职工人均工资，元）和轧（农民纯收入占职工人均工资比率，％）。

对济宁市微山县社会经济状况自变量进行主

旱灾害频发，济宁市有１２年的旱灾受灾面积超过

１００万亩（表５），其中１９８６年、１９８７年、１９８８年、１９８９年和２００２年的受灾面积超过５００万亩。水资源短缺一方面持续恶化南四湖湿地的生态系统，另一方面也严重影响区域的工农业发展和渔业生产。芦苇、荷藕等植物的分布和成长与水深密切相关，由于１９８６～１９８９年期间的持续干旱，导致芦苇、荷藕生长缓慢，同时由于水位下降，加速了芦苇沼泽和荷田的退化，使得芦苇、荷藕等植物更便

于被收割。因此，南四湖湿地区降水量不足、水位下降等自然环境条件变化，是１９９５年之前，南四湖

天然湿地面积减少的主要因素。

表５

Ｔａｂｌｅ５

１９８６～２００６年间济宁市旱灾受灾面积

Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｔａｂｌｅｏｆｎｅａｒｌｙｔｈｒｅｅｄｅｃａｄｅｓｏｆｄｒｏｕｇｈｔ，ＪｉｎｉｎｇＣｉｔｙ

年份年降水量（ｍｍ）旱灾受灾面积（万亩）

６２３．６０６１０．００７５５．００５１８．００４７２．５３１０８．４２

年份年降水量（ｍｍ）旱灾受灾面积（万甫）

３４９．０６２１３．１７２６４．０４１４４．０８７００．００１１３．１６

１９８６年４１０．７１９８７年１９８８年１９８９年１９９２年

５４７．４３６８．９５４２．０５６２．７

１９９７年４３３．３１９９９年２０００年

５４０．３７５８．４

２００１年８９９．７２００２年

５６３．５７０１．２

１９９６年４５０．３２００３年

万方数据