地形因子對鹽城濱海濕地景觀分布與演變的影響

侯明行，劉紅玉，張華兵，王 聰，譚清梅

(南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

濱海濕地是指發(fā)育在海岸帶附近并且受海陸交互作用的濕地，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，廣泛分布于沿海海陸交界、淡咸水交匯地帶，是一個高度動態(tài)和復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)［1］。其在區(qū)域生態(tài)安全、人類生存環(huán)境甚至區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面都發(fā)揮著重要作用［2］。

鹽城濱海濕地屬于典型的淤泥質(zhì)海岸濕地，在自然與人為影響下其景觀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化［3］。目前，圍繞該區(qū)景觀演變研究，許多學(xué)者作了大量工作，并取得了重要研究成果。如，張華兵等從景觀尺度，揭示了鹽城保護(hù)區(qū)核心區(qū)景觀植被帶具有明顯帶狀分布特征，并不斷向海淤長，其年均向海淤長速度為105m［3］。姚成等從生態(tài)要素調(diào)查角度，揭示了水文、鹽分等土壤性狀對濕地植被演變的影響［4］。楊桂山等從潮位對濕地影響角度，揭示其變化通過影響灘面形態(tài)而使?jié)竦刂脖话l(fā)生演替［5］。張忍順等從鹽沼的形成過程揭示泥沙淤積抬升高程對互花米草擴(kuò)張的影響［6］。大量研究成果分別從宏觀和微觀尺度上揭示江蘇鹽城淤泥質(zhì)濱海濕地景觀演變特征，以及自然和生態(tài)要素影響，但是從整體空間格局與過程角度，闡釋景觀格局與各影響要素之間的關(guān)系研究比較缺乏。尤其地形因子是影響淤泥質(zhì)濱海濕地植被演變的決定性因子，其高程變化是在潮汐作用下泥沙沉積引起灘面地形高程不斷淤高的結(jié)果，而地形淤高又直接影響潮位變化和土壤性狀改變，從而進(jìn)一步影響植物定居和演替［5］。但是，針對該方面研究，大多數(shù)立足于樣帶和樣點(diǎn)的調(diào)查角度，而從地形格局角度，探討其空間分布特征與植被格局之間的關(guān)系研究尚未見報道。本文以實(shí)測地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用遙感和GIS技術(shù)，揭示鹽城濱海濕地植被分布與地形因子的響應(yīng)特征，以期為鹽城濱海濕地的保護(hù)與科學(xué)管理提供參考。

1 研究區(qū)特征

鹽城保護(hù)區(qū)，地處江蘇省中部沿海，是典型的淤泥質(zhì)濱海濕地。地理位置處于32°20'—34°37'N，119°29'—121°16'E之間，面積約為45.33×104hm2，是我國最大的海岸帶保護(hù)區(qū)。該區(qū)地處亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶，季風(fēng)氣候顯著，年平均氣溫介于13.7—14.8℃之間，年降水量為900—1100mm。地貌類型主要為海積平原。

本研究區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)的核心區(qū)，其北至新洋港，南至斗龍港，西至海堤，總面積為1.90×104hm2。核心區(qū)內(nèi)原始植被保存完整，植被類型豐富多樣。目前，保護(hù)區(qū)以中路港為界分為南北兩部分。北部主要為人工管理區(qū)，受人類活動干擾強(qiáng)烈，景觀組分單一，主要為養(yǎng)殖塘、道路等人為景觀。南部則主要為自然濕地區(qū)，受人類活動干擾較弱，基本保持了原始濕地景觀。為反映自然條件下濕地景觀演變特征與地形之間的關(guān)系，消除人為影響，選擇南部自然濕地區(qū)為本文的研究區(qū)域。研究區(qū)位置與范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置和范圍Fig.1 Location and scope of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于2002年5月初到6月底所進(jìn)行的野外地形測繪資料:1∶10000核心區(qū)等高線、1∶10000核心區(qū)高程點(diǎn);2011年9月中路港野外高程實(shí)測數(shù)據(jù)(采用1985年國家高程基準(zhǔn)面(大地水準(zhǔn)面))。2002、2011年Landsat ETM+遙感影像(多光譜30m，全色15m);利用監(jiān)督分類方法制作2002、2011年核心區(qū)景觀類型圖［7］(經(jīng)過野外調(diào)查檢驗(yàn)，遙感影像解譯判讀精度均在90%以上)。以上數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用高斯-克呂格投影的3度分帶西安1980坐標(biāo)系。

2.2 景觀分類

鹽城濱海濕地作為典型的原生濕地之一，自然植被保存完整，植被類型豐富多樣。根據(jù)區(qū)域景觀特征，考慮到影像的可分辨能力及研究需要［8］，參照Ramsar《濕地公約》中濕地的定義［9］，將研究區(qū)濕地景觀分為光灘、米草、堿蓬、蘆葦濕地4種類型。分類結(jié)果見表1。

表1 濱海濕地景觀分類系統(tǒng)Table 1 Classification system of costal wetland landscape

2.3 分布指數(shù)

為了便于說明不同景觀類型在地形因子上的分布特征，本文在結(jié)果統(tǒng)計(jì)時引入了分布指數(shù)［10-13］的概念，旨在消除高程分段與景觀類型面積差異對結(jié)果造成的影響。分布指數(shù)計(jì)算公式如下:

式中，P為分布指數(shù)，Sie為e地形區(qū)間下第i種景觀組分的面積，Si為整個研究區(qū)內(nèi)第i種景觀組分的總面積，Se表示整個區(qū)域內(nèi)第e種地形區(qū)間特定等級下的總面積，S為整個區(qū)域的面積。P值越大，說明某種景觀類型出現(xiàn)的頻率越高。

2.4 DEM 的處理

將2002年研究區(qū)域1∶10000等高線和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)在Arcgis軟件中內(nèi)插建立不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。然后將TIN數(shù)據(jù)經(jīng)柵格化，得到正方形格網(wǎng)DEM。結(jié)合本研究區(qū)整體地形平坦，高程差異較小等特征，為方便對地形開展進(jìn)一步的研究，本文采用的柵格大小為5m。

高程分級是地理信息系統(tǒng)對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分級的一種地形分析方法，其基本原則是分級的間隔數(shù)據(jù)相等［14］。分級時應(yīng)既能體現(xiàn)研究區(qū)地形特征，又能反應(yīng)自然規(guī)律為依據(jù)［15-16］。研究區(qū)高程最高為4.5m，最低為-0.1m。當(dāng)把0.1m作為分級間隔時，發(fā)現(xiàn)與景觀分類圖進(jìn)行疊加后，將會造成分類圖上產(chǎn)生較多的圖斑，使統(tǒng)計(jì)的面積過于破碎;當(dāng)把0.5m作為分級間隔時，則又會產(chǎn)生分級區(qū)域過大，無法客觀的表達(dá)地形與景觀分布的關(guān)系;相反，以0.3m作為分級間隔時，不僅能完整的展現(xiàn)地形特征，而且各景觀類型在地形上的分布規(guī)律也具有較好的區(qū)分度。因此，本文選擇0.3m作為研究區(qū)的高程間隔。研究區(qū)2002年DEM及2002、2011年景觀分類圖見圖2。

圖2 研究區(qū)DEM及景觀分類圖Fig.2 The DEM and landscape classification map of the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)地形基本特征

2002年地形數(shù)據(jù)和DEM特征分析表明，江蘇鹽城淤泥質(zhì)濱海濕地總體地形平坦，地勢起伏不大。區(qū)內(nèi)海拔最高4.5m，最低-0.1m，地形變化極為平緩，大體呈現(xiàn)出由陸向海逐步降低的趨勢。如表2所示:研究區(qū)總面積為107.84km2，其中，海拔0—2.5m的區(qū)域就占整個核心區(qū)面積的97%以上，尤以1.5—2.5m所占區(qū)域最廣，達(dá)到55%。而海拔2.5m以上的區(qū)域，所占面積較小且主要分布在研究區(qū)的西部臨近大堤和養(yǎng)殖塘的部位。因此，地形與自然景觀分布關(guān)系的研究將成為本文的重點(diǎn)。

表2 各高程區(qū)間所占面積及比例Table 2 Area and proportion of different elevation levels

3.2 高程因子影響下的景觀類型分布特征分析

以2002年景觀類型圖和同年高程分級數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助Arcgis空間疊加功能進(jìn)行分析，得到研究區(qū)不同高程級別內(nèi)各景觀類型面積分布比例，如表3所示。

表3 不同高程級別內(nèi)各景觀類型分布面積及比例Table 3 Area and proportion of landscape types in different sub-zone of elevation

從表3可知:整體上，研究區(qū)各高程段內(nèi)均有植被分布，但絕大多數(shù)植被都集中分布于高程0.9—2.7m之間。其中，堿蓬和米草是該時段分布最廣泛的植被類型，分別占總面積的36.76%和21.85%。堿蓬作為濕地的先鋒物種，受競爭能力的限制，其分布范圍局限于1.5—2.1m之間，占到堿蓬總面積的75.86%;米草是研究區(qū)的外來物種，雖然具有強(qiáng)大的擴(kuò)張能力，但其擴(kuò)張趨勢更多的是向低海拔的光灘上蔓延，88.13%的米草分布在海拔1.5m以下，其分布頻率最高海拔范圍出現(xiàn)在0.9—1.5m之間，達(dá)到米草面積的67%以上，而在海拔1.5m以上區(qū)域分布面積甚少;在經(jīng)濟(jì)驅(qū)動以及人為干擾作用的影響下［17］，蘆葦?shù)母叱谭植驾^為分散，1.8—4.5m間均有分布，但在生態(tài)位的制約下，蘆葦仍然較集中分布于高海拔區(qū)段，其中2.1—2.7m是其優(yōu)勢分布區(qū)間，分布面積達(dá)6.21km2，占蘆葦總面積的68.09%。處于三大主要植被帶間的交錯帶，其海拔分布趨勢與交錯帶中主體植被的優(yōu)勢分布區(qū)間具有高度的一致性。米草-堿蓬交錯帶主要分布于研究區(qū)的東北部，分布區(qū)間為1.2—1.8m。由于米草強(qiáng)大的擴(kuò)張能力，使其在交錯帶中占據(jù)絕對比例，相應(yīng)的其優(yōu)勢分布范圍也影響著交錯帶的分布區(qū)間，1.2—1.5m的區(qū)間集中了米草-堿蓬交錯帶面積的48%以上，這與米草分布范圍具有較強(qiáng)的相似性。堿蓬-蘆葦交錯帶則主要分布于研究區(qū)的西南部，分布區(qū)間為1.8—2.4m。其中，海拔2.1—2.4m的區(qū)域集中分布了交錯帶面積的52.78%，在優(yōu)勢分布區(qū)間上，同樣呈現(xiàn)出與主體植被蘆葦?shù)膹?qiáng)烈吻合度。光灘在自然條件的限制下，主要集中分布于低海拔區(qū)段的臨海區(qū)域，分布比例在10%以上的最高臨界海拔為1.2m，而分布頻率最高值則出現(xiàn)在0—0.6m。0.9m以上區(qū)域僅占總面積的17%左右。

3.3 高程因子對景觀動態(tài)變化的影響分析

3.3.1 景觀動態(tài)變化分析

以2002、2011年兩期景觀類型圖為基礎(chǔ)，運(yùn)用Arcgis疊加分析功能，計(jì)算過去9年間鹽城濱海濕地景觀類型變化情況。研究區(qū)不同時期景觀類型面積及其所占比例見表4，9年間不同景觀類型向海和向陸方向擴(kuò)張/收縮趨勢如表5所示。

結(jié)合表4、表5以及圖2的分析結(jié)果表明，從2002至2011年的9a年間研究區(qū)景觀面積發(fā)生了顯著變化。在整體上主要表現(xiàn)為堿蓬、光灘面積持續(xù)減少，而米草、蘆葦面積大幅度增加的趨勢［18］。2002年研究區(qū)光灘面積為35.51km2，占研究區(qū)總面積的32.93%，至2011年下降為25.72 km2，僅占總面積的23.85%，下降了9個百分點(diǎn);在此期間，米草面積呈大幅度增長趨勢［19］，期間內(nèi)共計(jì)增加12.77 km2，平均每年增加1.42km2，到2011年已增長為原來的1倍。同時米草向海擴(kuò)張最大寬度為1385m，而向陸擴(kuò)張最大寬度僅為733m。這主要是由于米草的促淤作用，不斷形成新的灘涂，泥沙的淤積使水分、鹽度等營養(yǎng)元素發(fā)生新的組合，不斷形成新的適宜米草的生存環(huán)境所致;堿蓬的面積變化顯著，從2002年的36.76%驟降至2011年15.07%，共計(jì)減少23.39km2，降幅之大居各類景觀之首，9年間堿蓬向海方向上的收縮寬度最大為3408m，向陸方向上的收縮寬度也達(dá)1063m，至2011年堿蓬的分布已僅局限于較窄的寬度范圍內(nèi);2002—2011年，蘆葦面積也發(fā)生了重大變化，由最初的 9.12km2迅速增加到 26.68 km2，共計(jì)增加 17.56km2，平均每年凈增加1.95 km2，至2011 年已上升為研究區(qū)內(nèi)分布面積最廣的景觀類型。期間蘆葦景觀向海方向擴(kuò)張的最大寬度為4298m，直接擴(kuò)張面積達(dá)12.30km2，而這部分的擴(kuò)張主要是不斷侵占堿蓬的生長區(qū)域所致。向陸方向的擴(kuò)張最大寬度也達(dá)到了2221m。

表4 2002年和2011年研究區(qū)景觀類型變化統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of landscape changes in 2002 and 2011

表5 2002年與2011年相比較-景觀類型向海和向陸方向擴(kuò)張/收縮趨勢表Table 5 Compared with expansion/contraction trends of landscape types to seaward and to landward direction in 2002 and 2011

3.3.2 景觀類型在地形位上的分布

由分布指數(shù)可以看出，由于受濕地地形客觀條件的限制，各景觀類型在分布指數(shù)上的格局僅表現(xiàn)為高中、中低二段式的空間分布結(jié)構(gòu)［20］。低段區(qū)域(區(qū)間:1—4)是光灘、米草的優(yōu)勢分布區(qū)間，中段區(qū)域(區(qū)間:5—8)是米草、堿蓬的優(yōu)勢分布區(qū)間，高段區(qū)域(區(qū)間:8—10)則只分布著單一景觀類型-蘆葦。堿蓬隨區(qū)間的升高總體上呈下降趨勢，且其高程分布區(qū)間十分狹窄(4—8)，在優(yōu)勢分布區(qū)間上，由2002年的區(qū)間6下降至2011年區(qū)間5，且在分布指數(shù)上上升較快，而在其他區(qū)間上相對于2002年2011年各區(qū)段分布指數(shù)都呈下降趨勢。這樣的格局主要是受東西兩個方向上米草和蘆葦?shù)臄D占所致，使其分布更加收縮在狹窄的區(qū)間內(nèi)。蘆葦分布隨區(qū)間的上升呈增高趨勢，2002年蘆葦?shù)膬?yōu)勢分布區(qū)間為8—9，2011年則擴(kuò)展到8—10。同時2011年蘆葦在較高區(qū)間上的分布指數(shù)增長迅速，高出2002年達(dá)4個百分點(diǎn)。這說明隨著時間的推移，蘆葦雖向低海拔區(qū)間的堿蓬擴(kuò)張，但在其最適宜的高海拔區(qū)間內(nèi)的分布指數(shù)非但沒有消弱反而得到加強(qiáng)，這種變化得益于人類對經(jīng)濟(jì)效益的追求而大面積在高海拔區(qū)段開發(fā)蘆葦田的緣故。從整體上來看，米草和光灘的分布規(guī)律較為一致，都具有明顯的向低海拔區(qū)間轉(zhuǎn)移的趨勢，并且在低海拔區(qū)間上的分布指數(shù)也不斷升高。其中，米草的優(yōu)勢分布區(qū)間由4—5下降為3—4，并在區(qū)間4內(nèi)的分布指數(shù)明顯上升，顯示出強(qiáng)烈的向低海拔區(qū)間擴(kuò)張的趨勢;光灘隨區(qū)間的上升分布指數(shù)呈快速下降的趨勢，優(yōu)勢分布區(qū)間9a內(nèi)未出現(xiàn)明顯變化，但在低海拔區(qū)段的分布指數(shù)變化速率加快，在區(qū)間1內(nèi)，2002年光灘所占面積比例為42.07%，而至2011年已增長到總面積的50.34%。在米草的促淤功能［21］下，泥沙的淤積使光灘范圍不斷向海洋延伸，加之米草的擴(kuò)張作用，使光灘的分布指數(shù)不斷向低區(qū)間收縮。

圖3 不同年份各景觀類型分布指數(shù)圖Fig.3 Distribution index of landscape types in different years

3.3.3 高程變化對景觀動態(tài)的影響分析

結(jié)合兩期高程實(shí)測數(shù)據(jù)，沿中路港剖面自陸向海方向依次選取經(jīng)過蘆葦灘、堿蓬灘和米草灘的80個點(diǎn)制成中路港兩期植被高程變化圖和統(tǒng)計(jì)表，如圖4所示。

從圖4可知，濱海濕地由于泥沙淤積處于不斷淤漲狀態(tài)，2002—2011年區(qū)域高程呈增加趨勢。從整體上來看，蘆葦灘和堿蓬灘抬升幅度較小，年均增高速率分布為0.7cm/a和1.9cm/a。東部米草灘則發(fā)生了較為明顯的變化，其年均增高速率為5.1cm/a。這主要是由于受潮位不同作用的結(jié)果。高潮位的蘆葦灘由于處于年潮淹沒帶，潮侵頻率少而使沉積作用減弱;另外由于蘆葦灘遠(yuǎn)離海洋，一定程度上保證了蘆葦?shù)牡姝h(huán)境，致使其不斷向海方向擴(kuò)張。作為濕地先鋒物種的堿蓬群落，由于其生態(tài)位無法達(dá)到潮侵頻率超過20%的潮灘，只有月潮淹沒帶影響，泥沙沉積作用強(qiáng)于蘆葦灘，致使其地表高程有一定程度的增高，但是由于其物種競爭能力低而不斷被蘆葦和米草侵占。相比之下，米草群落由于位于日潮淹沒帶的低潮位，加上其根系發(fā)達(dá)，植株密度大［22］，攔截泥沙能力強(qiáng)，致使地表高程迅速增加，從而導(dǎo)致米草能夠快速定居和向兩側(cè)擴(kuò)張。因此，通過對比兩期的高程斷面發(fā)現(xiàn):大量的泥沙淤積增加了灘面高程，促進(jìn)了鹽沼植被的生長，而這些鹽沼植被的生長與擴(kuò)展又為高程抬升創(chuàng)造了條件。這一結(jié)論與以往的研究具有一致性［23］。

圖4 中路港剖面植被高程變化圖Fig.4 Elevation changes of Zhonglugang profiie

4 結(jié)論

景觀分布隨地形梯度的變化在一定程度上反映了所處的地形條件，同時也可以揭示地形因子對景觀演變的影響程度［24］。本文運(yùn)用GIS技術(shù)并結(jié)合分布指數(shù)，分析了2002年和2011年鹽城濱海濕地植被分布與演變對地形因子的響應(yīng)特征?？梢园l(fā)現(xiàn):

(1)鹽城淤泥質(zhì)濱海濕地，總體地形變化平緩，大體呈現(xiàn)出由陸向海逐步降低的趨勢。海拔0—2.5m的區(qū)域占整個核心區(qū)面積的97%以上，并且囊括了研究區(qū)內(nèi)絕大部分的米草、堿蓬、蘆葦?shù)茸匀痪坝^。

(2)研究區(qū)位于保護(hù)區(qū)內(nèi)，原始植被保存完整，植被類型豐富多樣。米草、堿蓬、蘆葦?shù)茸匀痪坝^自陸向海呈帶狀分布。從地形分布特征來看，米草帶主要分布于0.9—1.5m，堿蓬帶主要分布于1.5—2.1m，而蘆葦帶則主要分布于2.1—2.7m。處于三大主要植被帶間的交錯帶，其海拔分布趨勢與交錯帶中主體植被的優(yōu)勢分布區(qū)間具有高度的一致性。

(3)從植被演替來看，研究區(qū)景觀演替呈現(xiàn)出:光灘-米草;堿蓬-米草和堿蓬-蘆葦?shù)难葑兏窬郑?5］。整體上表現(xiàn)為堿蓬、光灘面積持續(xù)減少，而米草、蘆葦面積大幅度增加的趨勢。9a蘆葦面積增加了3倍，堿蓬面積變化劇烈，由2002年的36.76%驟降至2011年15.07%，同期，米草面積則增加了50%之多。

(4)植被帶對地形變化的響應(yīng)上，主要表現(xiàn)為米草灘地表快速淤高，致使其優(yōu)勢分布區(qū)間顯示出強(qiáng)烈的向低海拔擴(kuò)張的趨勢;同時，正是向海一側(cè)的地形不斷淤高，導(dǎo)致堿蓬和蘆葦灘受海水潮侵影響越來越弱，其結(jié)果使得適合淡水環(huán)境的蘆葦帶不斷擴(kuò)大，堿蓬不斷萎縮。向海一側(cè)地形的快速增高是引導(dǎo)區(qū)域植被帶景觀演變的重要原因。

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