近二十年南洞庭湖水禽棲息地變動(dòng)研究

劉師師 ，趙運(yùn)林 ，2 ，徐正剛 ，李 寬 ，陶彥妤 ，吳 良 ，何 文

（1．湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

洞庭湖是我國(guó)第2大淡水湖，具有獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件，該區(qū)1992年被聯(lián)合國(guó)教科文組織列入《國(guó)際重要濕地名錄》[1]是大量水禽的繁衍場(chǎng)所、越冬地點(diǎn)和棲息地。當(dāng)前，對(duì)于水禽棲息地變動(dòng)的研究較多。秦喜文利用層次分析法，將扎龍水禽棲息地生態(tài)脆弱性分為5個(gè)等級(jí)，為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)[2]。研究表明，有效的濕地管理可以為水禽提供替代或補(bǔ)充的棲息地和濕地，減輕損失和退化的不利影響。棲息地研究變量包括水深、水位、植被、鹽度、地形、食物種類、食物可及性、濕地面積和濕地的連通性等[3]。對(duì)洞庭湖的水禽棲息地研究表明，洞庭湖天然濕地面積減少，人工濕地面積增加，異質(zhì)性和景觀破碎化程度均增加，引起該變化的原因主要是自然和人工因素[4]。

南洞庭湖位于洞庭湖南部，通過水流連接?xùn)|洞庭湖與西洞庭湖，其土地利用類型、人類活動(dòng)強(qiáng)度、受三峽工程影響強(qiáng)度等具有自身的特點(diǎn)。同時(shí)，南洞庭湖保護(hù)區(qū)是洞庭湖4個(gè)保護(hù)區(qū)中唯一一個(gè)明確以保護(hù)水禽和濕地的保護(hù)區(qū)。因此，分析南洞庭湖水禽棲息地變動(dòng)情況，對(duì)于水禽棲息地的保護(hù)和管理至關(guān)重要。本研究采用衛(wèi)星遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)原理，對(duì)南洞庭湖關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)水禽棲息地的分布狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)其棲息地變動(dòng)原因進(jìn)行分析，為南洞庭湖水禽棲息地保護(hù)及管理決策提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南洞庭湖（112°18′45″ ～ 112°51′15″E，28°38′15″ ～ 29°01′45″ N）位于長(zhǎng)江中游最大的過水性淡水湖泊——洞庭湖的南部[5]，濕地面積1 680 km2。該地區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨量充沛，地勢(shì)平坦，保存著豐富多樣、原始完好的濕地景觀生態(tài)系統(tǒng)，在灌溉、水運(yùn)、生物、旅游等方面都具有重要作用。南洞庭湖湖州地面的平均海拔為29～33.5 m，常年水位為29～32 m。湖泊最深處洪水季節(jié)為4.2～10.03 m，枯水期為1.18～1.8 m。年平均降雨為1 300～1 400 m，年降雨天數(shù)為140～150天，年平均氣溫約為17℃，月平均溫度為29～29.5℃[6]。南洞庭湖濕地是我國(guó)南方最大的淡水濕地之一，我國(guó)的多種珍稀水禽，如白鶴Grus leucogeranus、白頭鶴Grus monacha等在此棲息或越冬。調(diào)查表明南洞庭湖冬季常見鳥類有43種，隸屬10目21科35屬，其中國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物5種[6]。1997年經(jīng)湖南省人民政府批準(zhǔn)建立省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，2002年被批準(zhǔn)加入了濕地公約《國(guó)際重要濕地名錄》。根據(jù)國(guó)際鶴類基金會(huì)主席喬治·阿其波博士從北極圈到赤道的考察情況，充分肯定南洞庭湖自然保護(hù)區(qū)濕地鳥類,認(rèn)為南洞庭湖是世界上鶴類最多、最完整的體系之一[7]。

1998年我國(guó)頒布“退田還湖”政策，南洞庭湖被列為國(guó)際重要濕地，大規(guī)模的退田還湖工程等在此開展，旨在調(diào)節(jié)江河流量、利于生態(tài)平衡。1994年三峽工程開工，主要對(duì)長(zhǎng)江流域起到防洪蓄水的作用，到2009年三峽工程正式竣工，對(duì)南洞庭湖的湖容、防洪及抗旱都起到重要作用。

1.2 研究方法

1.2.1 確定土地利用類型分類

參考東洞庭湖水禽棲息地土地利用類型分類標(biāo)準(zhǔn)[8]，結(jié)合南洞庭湖自身特點(diǎn)，將南洞庭湖土地利用類型分為水體、泥灘地、草灘地、蘆葦灘地、旱地和林地六類。結(jié)合當(dāng)?shù)囟镜膶?shí)際情況，對(duì)照遙感影像，根據(jù)各種地物的分布規(guī)律和遙感影像下各種地物的色調(diào)、紋理特征等建立水禽棲息地的分類解譯標(biāo)志。

根據(jù)趙淑清對(duì)東洞庭湖保護(hù)區(qū)各種水禽棲息地的組份描述可知[8-9]，水體水生生物豐富，草灘地和泥灘地是水禽的主要覓食和棲息場(chǎng)所。而蘆葦在冬季被大面積收割，旱地和林地水禽分布少，因此最后確定水體、草灘地、泥灘地是南洞庭湖水禽的適宜棲息地，其他3類是水禽不適宜棲息地。

1.2.2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

由于南洞庭湖的湖泊面積在豐、枯水期的差別比較大[8]，而且大多數(shù)水禽為越冬物種，所以本研究采用的遙感影像都集中在冬季。研究選取的是Landsat系列衛(wèi)星的南洞庭湖近二十年來典型年份（1989年、1999年和2013年）的冬季遙感影像（表1）。其中南洞庭湖1989年和1999年的完整區(qū)域都由兩張遙感影像組成，因此進(jìn)行拼接等圖像處理后再進(jìn)行分類解譯。2013年的遙感影像由于衛(wèi)星受損存在條帶問題，需要經(jīng)過條帶修復(fù)后進(jìn)行分類解譯。遙感影像條帶修復(fù)與幾何校正、鑲嵌等預(yù)處理利用ENVI4.8完成。

表1 南洞庭湖遙感數(shù)據(jù)來源Table 1 Remote sensing data source of southern Dongting lake

1.2.3 土地利用類型反演

結(jié)合南洞庭湖的實(shí)際情況，在分類過程中考慮地物的紋理、形狀、尺寸等空間特征[10]，勾畫各類地物的感興趣區(qū)（用RGB4,5,3三波段假彩色合成影像）。使用ENVI軟件的監(jiān)督分類的最大似然法分別對(duì)南洞庭湖1989年，1999年及2013年冬季的遙感影像進(jìn)行遙感反演。由于同一類地物的大小、分布、密度不同，會(huì)引起在光譜響應(yīng)上的差異，導(dǎo)致分類困難，因此將某一地物細(xì)分為若干子類，再利用其光譜和其他特征分類，可以提高分類精度[10]。

1.2.4 景觀指數(shù)計(jì)算

引入景觀生態(tài)學(xué)原理，選擇最大斑塊所占景觀面積比例（largest patch index，LPI）、香農(nóng)均度指數(shù)（shanmon’s evenness index, SHEI）、散步與并列指數(shù)（interspersion and juxtaposition index, IJI）、蔓延度指數(shù)（contagion index,CONTAG）和香農(nóng)多樣性指標(biāo)（shanmon’s diversity index, SHDI）5個(gè)景觀指數(shù)，對(duì)南洞庭湖目標(biāo)年份土地利用類型進(jìn)行計(jì)算。景觀指數(shù)計(jì)算利用FRAGSTATS4.2進(jìn)行。

2 結(jié)果分析

2.1 南洞庭湖土地利用類型分布

1989年、1999年和2013年南洞庭湖土地利用類型分布差別較大。南洞庭湖3個(gè)目標(biāo)年份冬季土地利用類型中水體所占比例變化不大，均在22%左右。草灘地在1989年、1999年、2013年所占比例分別為17.7%、30.2%、5.3%。泥灘地在3個(gè)年份中不斷減少，2013年僅占0.2%，而蘆葦灘地和林地則不斷增加，2013年蘆葦灘地和林地甚至分別達(dá)到了51.9%、15.7%。1999年旱地所占比例最少，僅占0.6%（見圖1）。

圖1 南洞庭湖自然保護(hù)區(qū)1989年，1999年及2013年水禽棲息地分類圖像Fig. 1 Water birds habitat types of the Southern Dongting Lake in 1989, 1999 and 2013

在南洞庭湖土地利用類型分布中，水體形狀不規(guī)則，邊界清晰。泥灘地主要環(huán)繞水體分布。草灘地則主要依傍泥灘地分布，少量依附水體分布。蘆葦灘地主要呈片狀分布在水體和泥灘地一側(cè)，水體中存在部分蘆葦灘地分布。旱地集中分布在南洞庭湖東部，后轉(zhuǎn)移到西南部。林地零散分布在泥灘地中。

2.2 近二十年來南洞庭湖水禽棲息地的轉(zhuǎn)移格局

表2、表3、表4分別為南洞庭湖1989年、1999年和2013年之間南洞庭湖土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

1989年到1999年水體的保留率最高（73.9%），蘆葦灘地次之（61.3%）。草灘地保留率為45.9%，但有40.3%草灘地向蘆葦灘地轉(zhuǎn)化。泥灘地主要向水體（18.8%）、草灘地（34.4%）、蘆葦灘地（22.9%）轉(zhuǎn)化，僅有少部分轉(zhuǎn)化為旱地（0.6%）和林地（1.7%）。30.9%蘆葦灘地轉(zhuǎn)化為草灘地。旱地保留率較低（2.3%），有38.0%和44.6%分別轉(zhuǎn)化為草灘地和蘆葦灘地。林地主要向水體（38.1%）和泥灘地（27.0%）地轉(zhuǎn)化，而保留率僅有18.3%（表2）。1998年洞庭湖實(shí)行退田還湖政策，前期主要采取撤離居民點(diǎn)等措施，其生產(chǎn)活動(dòng)并沒有得到有效限制。因此，蘆葦灘地的保留率比較高，草灘地和泥灘地也大幅向蘆葦灘地轉(zhuǎn)化。在此期間，南洞庭湖水禽棲息地受到了較大破壞。

表2 南洞庭湖1989年至1999年水禽棲息地的轉(zhuǎn)移概率%Table 2 Waterfowl habit transition proportion in the southern Dongting lake from 1989 to 1999

1999年到2013年蘆葦灘地的保留率最高（80.9%），水體次之（79.0%）。草灘地的保留率僅為8.3%，大部分向蘆葦灘地（59.2%）和林地（20.7%）轉(zhuǎn)化，還有小部分轉(zhuǎn)化為旱地（8.2%）。泥灘地的保留率極低（1.5%），有40.9%和31.5%分別轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地和林地，還有17.0%轉(zhuǎn)化成了水體。旱地主要向蘆葦灘地（55.5%）和林地（11.2%）轉(zhuǎn)化，保留率為（24.1%）。林地保留率為21.5%，主要轉(zhuǎn)化為水體（69.2%），還有一小部分轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地（8.4%）（表3）。在此期間，由于退田還湖政策的持續(xù)影響，使得南洞庭湖林地大量向水體轉(zhuǎn)化，加上三峽工程的調(diào)控作用，洞庭湖的水位得到提升。但三峽工程造成的水土流失使得洞庭湖泥沙淤積加劇，南洞庭湖草灘地和泥灘地保留率低且大部分向蘆葦灘地轉(zhuǎn)化。同時(shí)，受經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)，蘆葦?shù)姆N植沒有得到遏制，反而發(fā)展得更加迅速，且旱地也有大部分轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地。

表3 南洞庭湖1999年至2013年水禽棲息地的轉(zhuǎn)移概率Table 3 Waterfowl habit transition proportion in the southern Dongting lake from 1999 to 2013

綜合而言，1989年到2013年，蘆葦灘地的保留率最高（78.9%），水體次之（74.7%）。草灘地保留率為8.7%，分別有63.1%、10.1%和14.0%轉(zhuǎn)化成了蘆葦灘地、旱地和林地。泥灘地保留率僅為0.6%，大部分轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地（45.5%）、林地（26.7%）和水體（18.2%）。旱地主要轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地（82.0%）和林地（10.1%），保留率僅為（4.2%）。林地大部分轉(zhuǎn)化為水體（66.3%），保留率為21.6%（表4）。在此期間，草灘地和泥灘地保留率極低，且蘆葦灘地?cái)D占草灘地和泥灘地而不斷擴(kuò)大。

表4 南洞庭湖1989年至2013年水禽棲息地的轉(zhuǎn)移概率Table 4 Waterfowl habit transition proportion in the southern Dongting lake from 1989 to 2013

2.3 近二十年水禽棲息地的相關(guān)景觀變化

從1989年到2013年，最大斑塊所占景觀面積比例（LPI）值增加，說明景觀中的優(yōu)勢(shì)種和內(nèi)部種的豐度增加，也反映人類活動(dòng)減少[11]。香農(nóng)均度指數(shù)（ SHEI）值不斷減小，可以反映出南洞庭的優(yōu)勢(shì)度增高，景觀僅受到少數(shù)幾種優(yōu)勢(shì)斑塊類型支配。到2013年，香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）為0.7100，說明雖然南洞庭景觀中具有一定的優(yōu)勢(shì)類型，但多樣性仍然較高、景觀類型豐富[12]。香農(nóng)多樣性指標(biāo)（SHDI）值減小，說明南洞庭土地利用類型減少，破碎化程度降低。而蔓延度指數(shù)（CONTAG）值持續(xù)增加，說明景觀中的某種優(yōu)勢(shì)拼塊類型形成了良好的連接性，并且其破碎化程度降低[13]。而散布與并列指數(shù)（IJI）從整體上來說并無很大波動(dòng)，說明各斑塊的鄰接類型趨向穩(wěn)定發(fā)展[14]（見表5）。

表5 南洞庭湖保護(hù)區(qū)1989至2013年總體景觀指數(shù)狀況Table 5 Landscape indices for the southern Dongting lake in 1989, 1999 and 2013

2.4 水禽適宜棲息地轉(zhuǎn)移情況

若某地在1989年到1999年從不適宜棲息地轉(zhuǎn)化為適宜棲息地，則視這種變化為適宜地的增加類；若某地在1989年到1999年從適宜棲息地轉(zhuǎn)化為不適宜棲息地，則視這種變化為適宜地的減少類；若適宜地未發(fā)生轉(zhuǎn)化，則是適宜地不變類；若不適宜地未發(fā)生改轉(zhuǎn)化，則歸為其他類。

1989年到1999年，有49.0%的不適宜棲息地轉(zhuǎn)化為適宜棲息地，有15.8%的棲息地從適宜棲息地轉(zhuǎn)化為不適宜棲息地，說明在1989年到1999年間，南洞庭湖的水禽適宜棲息地有所增長(zhǎng)。這可能是政府實(shí)行“退田還湖”政策的原因，使得水田、林地等轉(zhuǎn)化為水體等適宜棲息地。而在1999年到2013年，適宜地的增加類只有24.3%，但是卻有39.0%的適宜地減少類。適宜地減少類主要是指蘆葦灘地這類濕地類型，其增長(zhǎng)的主要原因是蘆葦具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，因此被大面積種植，并且大量泥沙淤積導(dǎo)致河床淤高，從而使草灘地演變?yōu)樘J葦灘地。總體而言，1989年到2013年，適宜棲息地轉(zhuǎn)化為不適宜棲息地的比率為40.6%，這類轉(zhuǎn)化幾乎遍布整個(gè)南洞庭湖，多發(fā)生在草灘地、泥灘地和旱地（見圖2）。雖然政府頒發(fā)了一系列綜合治理政策和保護(hù)措施，但蘆葦灘地的大量增長(zhǎng)使得南洞庭湖湖的適宜棲息地明顯減少。

圖2 水禽適宜生存地在1989年～1999年（a）、1999年～2013年（b）、1989年～2013（c）年間的轉(zhuǎn)變Fig. 2 Waterfowl suitable habitat for survival changes in 1989 ～ 1999 (a), 1999～ 2013 (b), in 1989 ～ 2013 (c)

3 結(jié)論與討論

從南洞庭湖土地利用類型分布情況和南洞庭湖的水禽棲息地轉(zhuǎn)移情況分析，南洞庭湖的水體面積呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，整體上來說水體面積有所增加。1989年到1999年，南洞庭湖水體面積的減少可能與以下原因有關(guān)：一是自然原因，氣候變暖導(dǎo)致水體蒸發(fā)加劇，來自長(zhǎng)江和“四水”的泥沙淤積使得水體面積減少；二是人為原因，圍湖造田、導(dǎo)致水體面積減少[15]。這與石軍南[16]等對(duì)洞庭湖水面面積的分析結(jié)果有一定的出入，在他對(duì)洞庭湖濕地的研究中表明洞庭湖水體面積減少。這種可能是由于石軍南等學(xué)者的研究時(shí)間跨度為1989年到2008年，而空間跨度是整個(gè)洞庭湖。1998年，政府采取了退田還湖[17]政策，增加了洞庭湖的蓄水量，也使得濕地面積增長(zhǎng)。但是，增長(zhǎng)的濕地類型主要是蘆葦灘地，與石軍南等學(xué)者的觀點(diǎn)——洞庭湖地區(qū)自然濕地面積減少，而人工濕地面積增加的結(jié)果一致。蘆葦灘地的迅速增長(zhǎng)一方面是蘆葦?shù)慕?jīng)濟(jì)效應(yīng)。蘆葦是一類經(jīng)濟(jì)效益較高的作物，因此被當(dāng)?shù)鼐用翊罅糠N植。另一方面是泥沙的淤積作用。三峽大壩[18]的建成，使得洲灘面積增加，但也引起了水土流失，導(dǎo)致洞庭湖泥沙淤積加劇。泥沙的逐漸淤積會(huì)導(dǎo)致河床湖底不斷阻塞淤高，從而使草灘地演變?yōu)樘J葦灘地，而蘆葦灘地阻滯泥沙，使得泥沙進(jìn)一步淤積，這樣形成了一個(gè)循環(huán)[8]。泥沙淤積過程又加快了草洲擠占泥灘地的速度[19]，因此也就能解釋為什么草灘地和泥灘地都逐漸減少而蘆葦灘地迅速增長(zhǎng)的現(xiàn)象。另外，草灘地的保留率只有8.29%，這是草灘地轉(zhuǎn)化為蘆葦灘地后，水體和泥灘地轉(zhuǎn)化為草灘地的速度相對(duì)較慢而引起的[8]。南洞庭湖適宜棲息地減少主要?dú)w結(jié)為草灘地和泥灘地的減少。

雖然退田還湖等政策已初顯成效，但南洞庭湖蘆葦種植等活動(dòng)沒有得到有效遏制，甚至有不斷加強(qiáng)的趨勢(shì)。因此，保護(hù)南洞庭湖生態(tài)環(huán)境，關(guān)鍵在于解決泥沙淤積問題，控制蘆葦?shù)拇蠓鲩L(zhǎng)，恢復(fù)草灘地和泥灘地。為了加強(qiáng)南洞庭湖水禽棲息地保護(hù)，一方面要加強(qiáng)退田還湖政策的實(shí)施管理，盡快復(fù)還濕地生態(tài)系統(tǒng)，另一方面要恢復(fù)長(zhǎng)江與四水中上游植被，控制水土流失，控制泥沙量[20-22]。

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