 Advances in Environmental Protection 环境保护前沿, 2012, 2, 57-63 http://dx.doi.org/10.12677/aep.2012.24010 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/aep.html) Based on TM Images of the Dynamic Evolution of Spatial Pattern of the Lake Wetland Landscapes Researched in Yinchuan Plain* Xiaoyan Bu1, Tu oye Qi2, Wenbao Mi3 1Ningxia Polytechnic, Yinchuan 2School of Resource and Environmental Sciences, Ningxia University, Yinchuan 3Key Laboratory of Restoratio n and Rehabilitation of Degraded Ecosystem in North-Western China, Ministry of Education, School of Resource and Environmental Sci ences , Ningxia University, Yinchuan Email: lantian_2007@163.com Received: Nov. 14th, 2012; revised: Nov. 24th, 2012; accepted: Dec. 1st, 2012 Abstract: The regional ecological security is the basis of sustainable development, and the lake wetland in Yinchuan Plain (Ningxia, China) is of great impor tance for maintaining regional ecological security in the Yellow River Economic Zone in Ningxia and Western China. This study uses 3S technologies, i.e., remote sensing, geographic information sys- tem and global positioning system, to outline the dynamic evolution of lake wetlands in the Yinchuan Plain based on remote sensing images obtained from 1987 to 2012. The results are as follows: 1) The characteristic values, such as the landscape patch number, the total areas, average and maximum areas of the lake wetlands in Yinchuan Plain, i.e., are in a gradual increasing trend since recent 25 years; 2) The internal hierarchical structure of the lake wetlands in Yinchuan Plain is improved in some aspects, but the overall hierarchi cal structure is still fragile and unstable, for example, some characteristic indexes, such as the FD, FN and D, were obviously better in 2012 than that in 1997, but there were still some gaps compared with that in 1987; 3) The driving forces resulting in the dynamic evolution of the lake wetland landscapes in Yinchuan Plain include both the natural and artificial factors, such as the climate change, hydrological process, agricultural and ind ustrial deve lopment activ ities, i.e. , in wh ich the artificial factors are do minan t. Accord ing to the conclusions, some measures and suggestions are put forward, which can be referred in the ecological construction and the maintenance of ecological security in Yinchuan Plain. Keywords: Lake Wetland; Landscape Pattern; Evolution; 3S Technology; Yinchuan Plain 基于 TM 影像的银川平原湖泊湿地景观空间格局 动态演化研究* 卜晓燕 1，齐拓野 2，米文宝 3 1宁夏职业技术学院，银川 2宁夏大学资源环境学院，银川 3宁夏大学资源环境学院，西北退化生态系统恢复与重建省部共建教育部重点实验室，银川 Email: lantian_2007@163.com 收稿日期：2012 年11 月14 日；修回日期：2012 年11 月24 日；录用日期：2012 年12 月1日 摘 要：区域生态安全是区域可持续发展的基础，银川平原湖泊湿地对于宁夏沿黄经济区、中国西部生态安全 的维护具有十分重要的意义。本研究应用3S 技术以及景观空间格局指数方法，利用1987、1997、2004 和2012 年四个年份的遥感影像，对 1987~2012 年25 年间银川平原湖泊湿地进行了动态演化研究。分析得出：1) 近25 年来，银川平原湖泊湿地景观斑块数量 N、总面积 A总、斑块最大面积 Amax、斑块最小面积 Amin、斑块平均面 积 A 、平均周长 L等特征整体呈增加的趋势；2) 银川平原湖泊湿地景观内部结构中，虽然部分指标特征有所改 *基金项目：宁夏自然科学基金项目(基金号：NZ12217)，宁夏高校科学研究基金重点资助项目。 Copyright © 2012 Hanspub 57  基于 TM 影像的银川平原湖泊湿地景观空间格局动态演化研究 Copyright © 2012 Hanspub 58 善，但整体仍呈脆弱化、不稳定化的变化趋势，如 2012 年FD、D、FN、D等指数特征虽都明显好于 1997 年， 但是与 1987 年状态相比仍有差距；3) 银川平原湖泊湿地景观动态演化的驱动力因子有气候和水文的自然因子 以及工业发展和农业开发活动等人为因子，其中人为因子为主要的驱动力因子。根据结论进一步提出对策及建 议，以期为银川平原生态建设和生态安全维护提供参考。 关键词：湖泊湿地；景观空间格局；演化；3S 技术；银川平原 1. 引言 湖泊湿地在经济发展中日趋重要，是干旱区人类 生存、经济社会发展不可缺失的基础。世界各国湿地 科学工作者意识到了湿地研究的重要性，因此国内外 学者对湖泊湿地在概念、形成、发育、生态过程、生 物多样性保护、生态恢复与重建、功能评价、生态系 统健康与评价、生态安全响应、景观格局变化等方面 广泛地开展了研究工作[1-7]。湖泊作为地表水的重要载 体，参与自然系统的水分循环，这在干旱地区显得格 外突出和重要，如胡汝骥，王亚俊等人分析了干旱区 湖泊的分布特征、水分循环及研究意义[8]。干旱区湖 泊湿地的研究已经成为各科学者热切关注的重点与 前沿领域。 银川平原地处我国西北干旱半干旱地区，湖泊湿 地是极其珍贵的自然资源和生态景观，是黄河中上游 重要的保水、蓄水和调水基地，是整个人工绿洲生态 系统的有机组成部分，也是全球范围内荒漠半荒漠地 区极为少见的具有生物多样性和环境保护等多功能 的重要湿地。保护银川平原湖泊湿地对宁夏沿黄经济 区以及中国西部地区的生态安全和生态建设具有重 大的战略意义。但学术界对其已有的研究较少，且多 是历史地理角度的定性分析[9,10]。因此，在宁夏 沿 黄 经济区加快发展建设的新时期，同时面临水资源长远 发展供需矛盾和生态环境保护与资源开发利用矛盾 突出的形势下，结合 3S技术与景观生态学方法，定 量化研究其景观空间格局动态演化规律及特征为区 域的长远发展和区域生态环境建设保护提供科学参 考。 2. 研究区概况 银川平原位于宁夏回族自治区北部，是宁夏境内 湖泊分布最多，最集中的区域，历史上有“七十二连 湖”之说。史前时期黄河《史记》记载，“地固泽咸 卤，不生五谷”，明确指出银川平原存在着大量湖沼 和季节性积水洼地。第四纪更新世时期，湖沼面积共 达1600 万km2[11]。 新中国成立初，银川平原仍有较大面积的湿地。 但水利事业突飞猛进，灌溉系统的逐渐完善，电排电 灌措施广泛应用，湿地面积迅速少，在20 世纪 50 年 代初期，湖泊湿地面积大约为5.40 × 104 hm2。在 20 世纪 50 年代以来，银川平原湖泊经多次大规模农田 开垦及围湖养殖，加之建成了比较完整的排水沟系， 许多浅水湖泊与积水洼地被疏干，加上气候干旱等原 因，部分湖泊逐渐退化，湿地面积、数量急剧减少， 植被减少。1958 年湖泊面积下降到约 2.40 × 104 hm2， 到1988 年降至1.60 × 104 hm2[12]。2002 年以来，为保 护湿地和湿地生物多样性，宁夏自治区政府决定对宁 夏平原湿地生态进行抢救性恢复建设。先后实施了退 田(塘)还湖蓄水、退耕还湖、疏浚清淤等工程，改造 和保护了宝湖、西湖、鸣翠湖、阅海湖和星海湖等数 十个城市湖泊，恢复了 7000 hm2湖泊水面。据统计[7]， 近年来，银川市恢复湿地近2000 hm2，吴忠市恢复湿 地近 1333.33 hm2，石嘴山市恢复湿地近 2666.67 hm2。 2008 年5月，宁夏平原与成都平原、苏北平原等一道 被中国国家地理杂志评选为“十大新天府”。 银川平原湖泊湿地对调节水量、局部小气候及绿 洲结构、功能和发展趋向，保障绿洲的稳定发展和良 性循环具有重要的影响和互动效应。与其它地区湖群 相比，其演变特点与生态效应均具有自己的独特性 质，如干旱蒸发量大造成水质咸化和土壤盐渍化、地 面沉降与黄河水沙淤积相互抵消效应、依托黄河及其 灌溉排水体系而形成和消长，成为全国湖泊湿地中独 具特色的典型湖泊湿地景观群[13]。 3. 景观要素信息获取及研究方法 本研究数据采用研究区 1987 年6月、1997 年6 月、2004 年8月和 2012年7月四个同是丰水期时段  基于 TM 影像的银川平原湖泊湿地景观空间格局动态演化研究 的Landsat-TM 真彩色(1、2、3波段)遥感影像图(分辨 率都为 28 m × 28 m)，(银川平原湖泊湿地的水源主要 来自于黄河，选择这四期影像大致均在丰水期可以保 证其可比性)。参考有关研究成果[5,6,14-17]，使用遥感数 字图像处理软件 ENVI4.2 对其进行预处理，包括几何 纠正、镶嵌、融合及增强处理，对宁夏政区图进行剪 切，得到银川平原的 TM 真彩色影像(如图 1~4所示)； 结合银川平原地形图以及其它水文、湿地专题图等资 料以及 GPS 野外调查数据，采用Mapinfo 进行人机交 互解译；将判读选取的目标斑块导入 Arcview3 .2GIS 软件中数字化，同时建立空间数据库；应用 Arcview3.2 软件的 SpatialAnalyst(空间分析)模块以及数据库的 Statistics(统计)功能进行空间分析、统计及专题化、可 视化，并结合电子表格 Excel 的数学计算功能进行分 析；导出银川平原湖泊湿地资源分布图(如图 5~8 所 示)；以及各不同时期的湖泊湿地相关数据(如表 1~3 所示)。 Figure 1. In 19 8 7 J u n e map processing satellite images 图1. 1987年6月处理卫星影像图 Figure 2. In 19 9 7 J u n e map processing satellite images 图2. 1997年6月处理卫星影像图 Figure 3. In 2 0 0 4 Au gust map processing satellite images 图3. 2004年8月处理卫星影像图 Figure 4. In 20 1 2 J u l y map processing satellite images 图4. 2012年7月处理卫星影像图 Figure 5. I n 198 7 lake wetland distribution map in Yinchuan plain 图5. 1987年银川平原湖泊湿地分布图 Copyright © 2012 Hanspub 59  基于 TM 影像的银川平原湖泊湿地景观空间格局动态演化研究 Copyright © 2012 Hanspub 60 Figure 8. I n 201 2 lake wetland distribution map in Yinchuan plain 图8. 2012年银川平原湖泊湿地分布图 Figure 6. I n 199 7 lake wetland distribution map in Yinchuan plain 图6. 1997年银川平原湖泊湿地分布图 Table 1. The index of the landscape module feature of the lake wetland in Yinchuan plain 表1. 银川平原湖泊湿地景观单元特征指数 年份 斑块数 N(个) 斑块总面 积A总 (hm2) 斑块最大面 积Amax (hm2) 斑块最小面积 Amin (hm2) 斑块平均 面积 A (hm2) 斑块平 均周长 L (m) 1987 年37022407.992664.57 0.21 60.56 3671.74 1997 年24314938.931176.75 0.84 61.48 3842.21 2004 年20920828.942800.18 2.13 99.66 4368.86 2012 年43226663.603169.00 0.02 62.72 3548.42 Table 2. The statistics of the classification plaque percentage of the lake wetland in Yinchuan plain 表2. 银川平原湖泊湿地斑块面积按等级划分的斑块数百分比统计 年份 1 hm2以下 (%) 1 hm2~10 hm2 (%) 10 hm2~100 hm2 (%) 100 hm2以上 (%) 1987年0.54 17.30 69.19 12.97 1997年0.41 27.98 60.49 11.12 2004年0.96 21.53 61.24 16.27 2012年2.08 31.71 52.78 13.43 Figure 7. I n 200 4 lake wetland distribution map in Yinchuan plain 图7. 2004年银川平原湖泊湿地分布图 Table 3. The index of the landscape heterogeneity of the lake wetland in Yinchuan plain 年份 平均形状指数 表3. 银川平原湖泊湿地景观格局异质性指数 多样性指数 H 优势度指数 D(%) 分维数指数 FD 景观均匀度指数(E) 斑块破碎化指数 FN FS M SI 1987 年 1.33 0.93 0.51 1.098 0.6695 0.0 100 0.2500 1997 年 1.38 1.13 0.33 0.822 0.8159 0.0104 0.2800 2004 年 1.24 1.16 0.45 0.996 0.8359 0.0086 0.2732 2012 年 1.20 1.05 0.34 1.042 0.7586 0.0072 0.2611  基于 TM 影像的银川平原湖泊湿地景观空间格局动态演化研究 湿地 演化特征 景观空间结构的度量指标 景观生态学是研究景观优化利用的原理和途径 的交 描述 4.2. 景观单元特征变化分析 从表 1可以看出，研究区湖泊湿地景观的斑块数 呈现 单元特征指数的变化情况反映了银川平原湖泊湿地 0 hm2~ 100 hm2两个等级的湿 地斑 呈增加趋势；湖泊湿地资源经历了一个由衰减 到恢 4.3. 均形状指数 4. 湖泊 景观 4.1. 叉学科，注重研究景观空间结构与生态过程的相 互作用，强调空间异质性，景观格局研究是其基础核 心研究领域之一[15]。湖泊湿地景观格局取决于湖泊湿 地资源的地理分布和组分，与湖泊湿地生态系统抗干 扰能力、恢复能力、稳定性、生物多样性有着密切的 关系[16]，是各种生态在不同尺度上综合作用的结果。 景观生态学本身有一套较成熟的景观结构测定、 和统计的指标体系，这些指标在景观生态学中都 有明确的定义，被用来指征景观空间结构与生态过程 之间的定量关系。景观格局指数在总体上包括两个方 面，即景观单元特征指数和景观异质性指数。景观单 元特征指数描述景观生态系统中景观斑块面积、周长 和斑块数等特征，景观异质性指数描述景观划分类型 或等级之间的构成等整个景观结构型特征，包括多样 性指数、分维度指数、均匀度指数等指数。景观格局 指数有斑块数(N)、斑块总面积(A总)、斑块最大面积 (Amax)、斑块最小面积(Amin )、斑块平均面积(A)、斑块 平均周长(L)、及景观斑块平均形状指标(MSI)、多样 性指数(H)、优势度指数(D)、分维数指数(FN)、破碎 化指数(FS)等[17]。本研究根据“3S”处理的数据信息 并运用相应的景观格局指数计算方法，得出银川平原 湖泊湿地景观空间格局指数动态变化特征，如表 1~3 所示。 增加的趋势。1987~2012 年间斑块数量增加了 62 个，增加幅度为 16.76%。但是这种上升对应的并不是 绝对新斑块的增加，而是原先内部已有斑块破碎造成 的。斑块总面积 1987~1997 年十年间湖泊湿地面积急 剧减少，退化明显，减幅达33.33%。1997~2004 年， 斑块面积增加了 5890.01 hm2，增幅达 28.28%；2012 年湖泊湿地面积增加到26663.60 hm2，比2004 年增加 了5834.66 hm2，增幅达 28.01%。斑块的平均面积呈 递增规律，由1987年的近 60.56 hm2降至 2012年的 62.7 2 hm2。就内部来看，最大斑块面积增加幅度明显； 斑块的平均周长先增加后减少。研究区湖泊湿地景观 就景观斑块自身面积、周长等特征来看，湖泊湿地资 源衰减趋势有所扭转。 从表 2的斑块等级变化可以看处，研究区内面积 分别为 1 hm 2~10 hm2和1 块占了绝大多数比重，而小于 1 hm2和大于 100 hm2两个等级的湿地斑块比重较小，大致符合正态分 布。 总体来说，1987~2012 年间，银川平原湖泊湿地 的面积 复的过程，目前湿地资源衰减趋势有所扭转，恢 复效果明显，湖泊湿地生态系统趋向良好方向发展。 景观异质性变化分析 从表 3可以看出，研究区平 M SI 1997 高，2012 年数值最低，根据年数值最 M SI 的指示意 义可 维数 湿地破碎化程度增大，许多湖泊湿地景观被 分割 5. 湿地演化的驱动力分析 子一般可分为两类： 因子和人为驱动因子，自然驱动因子常在较 以得出1997 年银川平原湖泊湿地景观边界最复 杂，2012 年的边界最规则化。斑块的分 有小幅减 小，FD 值在1987 年最高，1997 年最低，根据其指示 意义显示，1987 年有效面积最大，也越稳定；1997 年有效面积最小，稳定性越差；2012 年稳定性和有效 面积有所恢复，但是仍不及 1987 年。多样性指数在 近25 年内有所增大，1987年到 2012 年多样性指数增 加了 13.31%。在四个不同时期，多样性指数呈现波动 变化，整体上呈较微弱的递增趋势，反映了景观各类 型或等级所占面积比例差异减小，景观结构趋于复 杂。斑块优势度指数整体上呈现下降的趋势，其变化 与多样性的变化呈现负相关。斑块破碎化指数 FN 显 示1997 年破碎化程度最大，2012年的破碎程度有所 减轻。 综上分析，随着人类干扰活动的逐渐增强，银川 平原湖泊 为斑块面积较小的湖泊湿地景观，造成景观类型 多样性和破碎度指数增加，优势度指数下降。在四个 不同时期，湖泊湿地景观的多样性指数呈现增大，反 映了景观各类型所占的面积比例差异减小，景观结构 趋于复杂。 湖泊湿地景观变化的驱动因 自然驱动 Copyright © 2012 Hanspub 61  基于 TM 影像的银川平原湖泊湿地景观空间格局动态演化研究 大的 ，两者在不同的时空 尺度 观斑块的动态变化看，银川平原湖泊湿地 数量 N、总面积 A总、斑块最大面积 A 斑块 时空尺度上作用于景观，它可以引起较大范围的 景观变化，主要包括：气候、水文、地质、土壤、植 被等，一般表现在较大的时空尺度上。人为驱动因子 包括：法规、政策、制度、技术发展水平、文化、观 念意识等，推动景观过程和景观格局的变化；化肥工 业、科技进步、人口增加、工业发展等影响着湖泊湿 地景观的结构的变化。人为因子对景观结构和功能的 影响越来越大，越来越关键。 近二十年来银川平原湖泊湿地动态变化是自然 因素和人为因素共同作用的结果 上相互作用，不仅造成了湖泊湿地景观格局的现 状，同时也在一定的范围内引起湖泊湿地景观格局和 功能的变化。气候转暖趋干为湖泊湿地退化提供可能 性；人类强烈破坏性生产活动，如围湖造田等，使湖 泊湿地生态系统物质和能量的输入与输出、生态系统 景观结构发生了极大变化，已超出它本身的调节能 力，其实质是湖泊湿地生态系统的紊乱和功能的减 弱，这使自然因素变化形成的一种可能性变为现实。 因而人为因素是湖泊湿地演化的触发因素，起主导作 用。因此，研究区湖泊湿地演化的主要因素可归结为 “少、多、差”三方面。“少”主要指黄河上游水量 逐年减少，水源面临不足，从 2000 年后，宁夏取用 黄河水量逐步减少，地下水位也出现了较为快速的下 降；“多”指许多湖泊湿地被改造成农田，创地增多； “差”指大量未经处理的工业废水、生活污水、及农田 退水排入黄河，造成黄河水质下降，从而也影响到植 被和鸟类资源的不稳定。除此之外，节水政策和科学 技术也不同程度地影响着湖泊湿地的动态演化。 6. 结论与讨论 6.1. 结论 1) 从景 景观斑块 max、 最小面积 Amin 、斑块平均面积 A 、平均周长 L等 特征整体呈增加的趋势；但平均斑块面积增加幅度很 小，整体上景观呈现破碎化的趋势。 2) 在景观内部结构中，虽然部分指标特征有所改 善，但整体仍呈脆弱化、不稳定化的变化趋势，如 20 年F 发展和农业开 发活 衰减到恢复的过程，目前衰减趋势有所扭转， 恢复 6.2. 讨论 分析了银川平原湖泊湿地景观空间 动态演化特征，由于数据来源于 1987、1997、 2004 泊湿地的调查与监测，对其采 取积 [1] A. Crowe. Quebec 2000: Millennium wetland event program MacKay, 2000: 1-256. tment wetlands. Chelsea: Lewis . 银川市湖泊湿地景观空间格局动 湿地景观动态变化及驱动机制研究 泽湿地景观 俊等. 论中国干旱区湖泊研究的重要 [9] 全小虎, 宋春玲. 宁夏湿地生态旅游可持续开发[J]. 湿地科 12 格 D、D、FN、D等指数特征虽都明显好于 1997 年， 但是与 1987 年状态相比仍有差距。 3) 银川平原湖泊湿地景观动态演化的驱动力因 子有气候和水文的自然因子以及工业 动等人为因子，其中人为因子为主要的驱动力因 子。 4) 研究结果表明银川平原湖泊湿地资源经历了 一个由 效果明显，湖泊湿地生态系统趋向良好的发展方 向。 文中定量化 格局 、2012 年四个年份的遥感数据，相关的数据资料 不具有连续性，所以对其湖泊湿地空间格局动态演化 特征分析还不够全面深入透彻。但是由于 3S 技术强 大的时空定位、分析功能以及景观空间格局指数准确 的时空格局特征计算功能，研究结果仍具有一定的科 学性，对银川平原区域生态建设以及生态安全维护等 方面具有参考意义。 今后，银川平原要建立完善的湿地检测体系，加 强面积处于中等等级湖 极保护与恢复措施，使数量、面积、优势度指数 等达到稳定状态；以最小干预为原则，减少诸如形状 边界人工化、规则化以及隐性不稳定现象的存在；建 立湿地生态系统补偿机制，以确保银川平原湖泊湿地 资源科学合理开发利用，实现湖泊湿地资源的社会、 经济和生态效益的协调统一。 参考文献 (References) with abstracts. Quebec: Elizabeth [2] R. H. Kadlee, R. L. Knight. Trea Publishers, 1996: 1-124. [3] 朱建国, 李应中. 中国湿地研究现状综述[J]. 中国农业资源 与区划, 2009, 2: 21-24. [4] 湿地国际——中国项目办. 湿地经济评价[M]. 北京: 中国林 业出版社, 1999: 20-22. [5] 渠晓毅, 刘晓鹏, 邵宁平 态演化分析[J]. 干旱区研究, 2008, 12(3): 27-32. 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