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鹤类Gruidae是国际重点野生保护动物,世界上的鹤类仅15种,其中11种在世界自然保护联盟(IUCN)物种红色名录中列为濒临灭绝物种[1]。湿地土地利用变化直接或间接影响湿地生态系统结构和功能,对越冬鹤类栖息地产生影响。保持湿地生物多样性,保护湿地水禽,促使众多学者对湿地水禽及栖息地开展研究。SU等[2]定性研究了沙丘鹤Crus canadensis生境选择的影响因素。FAIRBAIRN等[3]研究了依阿华州湿地水禽数量与自然湿地面积之间的关系。冯晓东[4]认为,土地利用变化会对物种多样性产生影响。各种研究[5-11]表明,人类活动、水坝及河流改道、农业开发对土地利用结构产生直接影响,从而影响鹤类。目前,学者对于湿地土地利用变化对水鸟的数量、种群影响研究较为细致,但针对湿地土地利用变化对越冬鹤类栖息地的影响研究还比较少。鉴于此,本研究选取升金湖湿地1986-2015年8期TM影像,结合实地调查,运用土地利用综合指数模型,分析人类活动对土地利用变化的综合效应;利用土地利用转换率法,分析区域中各类景观类型的转化状况,揭示越冬鹤类栖息地转移比率。
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土地利用类型数据为升金湖湿地1986年、1990年、1995年、2000年、2004年、2008年、2011年和2015年8期同时相的TM遥感影像,同时参考升金湖鸟类数据[15],借鉴《东至县统计年鉴》《池州市统计年鉴》等资料,分析湿地内越冬期土地利用类型变化,反映其对越冬鹤类栖息地影响。
8期TM遥感影像成像时间为各年的12月或1月,其中1986和1990年为Landsat-4卫星数据,1995年、2000年、2004年、2008年和2011年为Landsat-5数据,2015年为Landsat-8数据,波段空间分辨率均为30 m。
实地调查鹤类栖息地选择的影响因素,结合《湿地公约》分类系统和《全国湿地资源调查与监测技术规程》,同时根据升金湖保护区湿地土地利用类型的实际情况,将升金湖湿地土地利用类型划分为水域、泥滩地、草滩地、芦苇Phragmites australis滩地、林地、旱地、水田、建设用地等8类(表 1)。采用二元多项式几何校正对遥感影像进行预处理,利用ERDAS软件进行遥感影像的初步规则裁剪,然后将图像在Arc GIS中对升金湖保护区的行政边界进行精准裁剪,获得升金湖湿地8期遥感影像分布图(图 2)。
土地利用突型 1986年 1990年 1995年 2000年 2004年 2008年 2011年 2015年 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 水域 5 356.21 16.07 6 493.95 19.48 7 797.78 23.39 8 454.53 25.36 7 216.65 21.65 8 592.26 24.77 9 202.16 27.60 5 946.17 17.83 水田 1 519.02 4.56 3 610.35 10.83 2 896.74 8.69 2 915.50 8.74 3 547.62 10.64 3 525.23 10.57 2 003.85 6.01 3 186.00 9.56 林地 6 163.64 18.49 6 615.63 19.84 4 085.10 12.25 5 688.74 17.06 2 231.37 6.69 3 338.37 10.01 4 286.52 12.86 3 089.88 9.27 芦苇滩地 3 310.70 9.93 1 299.24 3.90 1 163.79 3.49 1 958.40 5.87 1 213.47 3.64 1 073.97 3.22 1 753.53 5.26 415.08 1.24 旱地 10 195.74 30.58 10 002.70 30.00 12 863.79 38.58 7 836.79 23.51 5 506.92 16.52 5 932.40 17.79 5 875.92 17.62 4 782.90 14.35 泥滩地 2 668.95 8.01 2 184.06 6.55 1 008.99 3.03 699.55 2.10 5 102.91 15.31 1 990.89 5.97 2 075.58 6.23 6 585.48 19.75 草滩地 2 983.78 8.95 1 950.03 5.85 2 243.16 6.73 4 118.58 12.35 6 223.41 18.67 5 872.68 17.61 5 531.85 16.59 5 825.07 17.47 建设用地 1 141.96 3.43 1 184.04 3.55 1 280.65 3.84 1 667.90 5.00 2 297.65 6.89 3 014.20 9.04 2 610.59 7.83 3 509.42 10.53 Table 1. Land-use area satistics of Shengiin Lake Wetland
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根据土地利用类型分类,并结合土地利用类型分级表[16],得到表 2。土地利用综合指数模型计算公式为:
地级 土地利用类型 分级指数 未利用地级 泥滩地、芦苇滩地 1 林、草、水用地级 林地、草滩地、水域 2 农业用地级 耕地、水田 3 城镇聚落用地级 建设用地 4 Table 2. Land use type classification
式(1)中:L为研究区土地利用程度综合指数;Ai为研究区第i类土地利用类型的分级指数;Ci为研究区第i类土地利用类型占整个研究区的面积百分比;n为土地利用程度的分类种数。
土地利用程度变化计算公式为:
式(2)中:Ia,Ib分别为研究区a时期和b时期的土地利用程度综合指数;Cia,Cib分别为a时期和b时期第i类土地的土地利用面积。当ΔIb-a>0时,表明该地区土地利用处于发展期,当ΔIb-a<0时,表明该区域土地利用处于衰退期。
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在土地利用变化研究中,转移矩阵法用以分析区域中各种地类的转化状况。本研究通过Arc GIS对处理好的升金湖影像分布图进行空间分析,利用组分转移率(Tij)来分析土地利用的动态变化。其计算公式为:
式(3)中:Aji为第j种组分向第i种组分转移的面积,ATi为比较初始年份该组分的总面积,n为地类数量[17]。
2.1. 数据来源及预处理
2.2. 土地利用程度变化
2.3. 土地利用转化率
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从表 3可以看出:1986-2015年升金湖湿地的土地利用程度综合指数介于220~260,说明升金湖保护区的土地利用以第2等级的林地、草滩地、水域为主。1990年土地利用程度由1986年的224.05增为237.49,增加了13.43,1995年又在1990年的基础上增加了10.95,表明升金湖土地利用在发展利用状态中(表 3和表 4)。同时,升金湖林地、草地面积减少,旱地面积大幅增加,说明这一时期人类对林地的毁林开垦、开荒活动,引起了土地利用程度的加大,草滩地面积减小;受自然因素影响,泥滩地、芦苇滩地面积萎缩,栖息地面积减小(表 1)。
年份 土地利用综合指数 1986 224.05 1990 237.49 1995 248.44 2000 234.28 2004 222.00 2008 237.28 2011 227.81 2015 223.96 Table 3. Comprehensive index of land use degree
年份 土地利用程度变化 1986-1990 13.43 1990-1995 10.95 1995-2000 -14.15 2000-2004 -12.29 2004-2008 15.26 2008-2011 -9.45 2011-2015 -3.85 1986-2015 -0.10 Table 4. Degree of land use change
1995-2000年、2000-2004年土地利用变化分别为-14.15和-12.29,土地利用程度降低,这2个时间段内旱地的面积大量减少,从1995年占整个保护区的38.58%减少到2004年的16.52%,土地利用活动减少。由于人类利用程度的降低,草滩地、芦苇滩地、泥滩地面积持续增加。
2004-2008年土地利用综合指数由222.00增加到2008年的237.28,在这时间段内建设用地面积所占比例越来越高,其他地类面积变化比例不大;2008-2011年、2011-2015年土地利用程度变化分别为-9.45和-3.85,土地利用程度降低,耕地面积总体减少,泥滩地面积大幅度增加,栖息地总面积增加。
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升金湖湿地鹤类栖息地中草滩地保留率最高,达34.44%(表 5)。在转变为草滩地的地类中林地转移率最高,达26.37%;芦苇滩地转移率较高,达23.22%。芦苇滩地与草滩地交错分布(图 2),因此,转变为草滩地较高,为23.22%。草滩地转变为旱地较高,达20.98%。可见,鹤类栖息地向农业生产用地转化趋势明显。
项目 2015年转移率/% 水域 泥滩地 草滩地 芦苇滩地 水田 旱地 林地 建设用地 水域 73.39 21.37 0.46 0.17 3.27 0.45 0.02 0.87 泥滩地 31.79 17.26 6.05 3.00 27.75 9.80 1.00 3.40 草滩地 7.84 5.08 34.44 5.59 8.42 20.98 11.44 6.22 1986年 芦苇滩地 6.51 5.62 23.22 15.36 11.14 18.16 14.51 5.48 水田 28.96 22.23 5.75 2.53 21.75 10.45 1.23 7.61 旱地 4.88 1.28 19.78 4.81 11.97 39.48 5.76 6.87 林地 2.75 4.92 26.37 2.86 7.82 19.75 29.55 5.98 建设用地 1.75 7.45 6.96 1.61 0.54 3.16 4.37 74.16 Table 5. Transfer probability of land-use in Shengjin Lake Wetland in 1986-2015
泥滩地保留率为17.26%,由于临近湖区,枯水期水位较低,水域转变为泥滩地,为21.37%;丰水期湖水淹没部分区域,泥滩地转变为水域,为31.79%。泥滩地转变为水田概率最高,达27.75%,这与泥滩地土壤养分高和取水便捷有关。芦苇滩地保留率最低,仅为15.36%。因为芦苇滩地受水位影响显著,丰水期和降雨较多年份,水位上涨,芦苇滩地面积减少;枯水期和降雨较少年份,湖水退去,芦苇滩地转变为草滩地,为23.22%。受人口增加和城镇化影响,1986-2015年有18.16%的芦苇滩地转变为旱地。
升金湖湿地8种土地利用类型中保留率最高的是建设用地74.16%和水域73.39%。因为建设用地开发强度大,很难转变为其他非建设用地类型;同时,随着城镇化的发展,建设用地面积不断扩张。水域面积受季节降水量和上游来水量影响较大,年际间变化较小,且保护区内生态保护较好,人类占用水域开发建设较少。
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1986-2015年升金湖湿地越冬鹤类栖息地中草滩地面积总体呈增加趋势(图 3)。其中,1995-2004年间增长最快,2004-2015年间面积基本保持不变;泥滩地面积受水位等因素影响趋势起伏较大,但面积总体呈扩大趋势;芦苇滩地面积呈持续下降趋势,趋向于向草滩地和旱地转化。栖息地面积1986-1995年持续减少,1995-2015年总体持续增加,越冬鹤类栖息地总面积在1986-2015年呈曲折上升的趋势。
近30 a的观测及统计表明:鹤类数量变化急剧,由顶峰时期近1 200只,下降到如今不足百只。而2011-2015年升金湖湿地水域面积缩小近3 300 hm2。其他年间,越冬鹤类数量与栖息地面积增减趋势同样较为一致,说明栖息地面积的增减很大程度上影响了升金湖越冬鹤类种群和数量。
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对升金湖湿地8种土地利用类型面积统计发现,泥滩地面积从1986年到2015年是波动增加的(表 1)。同时,由于升金湖上湖区地势较高以及河流汇入,因此泥滩地主要集中在此;根据1986-2015年8期影像可以判断,草滩地主要集中于升金湖东南方向,即上湖区,东北方向下湖区历年都有零散分布(图 2);芦苇滩地30 a间面积变化不大,主要分布在下湖区,其他地方亦有零散分布。综上所述,1986-2015年升金湖湿地鹤类栖息地分布较为集中,泥滩地和草滩地主要聚集于上湖区,芦苇滩地主要聚集于下湖区,这些空间分布特征也符合2008-2009年冬季水鸟调查报告以及实地调查的结果,越冬水鸟主要分布于上湖区,下湖区和沿岸有少量分布。