基于移动窗口法雄安新区湿地景观演变及其与人为干扰间的关系

图1 2015年雄安新区土地利用图

Fig.1 Land use map of the Xiong’an New Area in 2015

淡水湖白洋淀位于雄安新区东南部,2002年成立白洋淀省级自然保护区,是华北平原最大的淡水湿地,主要有8条入淀河流。白洋淀属于典型的草型浅水湖,水域辽阔,光照充足,非常利于水生植物生长。最常见的大型水生植物有挺水植物、漂游植物、沉水植物和浮游植物4种类型,芦苇是白洋淀分布面积最大、最典型的水生植物。水生动物主要有浮游动物、底栖动物和鱼类。鸟类种类众多,其中丹顶鹤、白鹤和大鸨为国家一级保护鸟类。丰富的动植物资源在维持湿地功能和生态平衡方面起到了重要作用^[13]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究使用的分类数据采用中国科学院地理科学与资源研究所刘纪远团队生产的土地利用数据,空间分辨率为30 m,时相分别为20世纪80年代末(本文采用1980s表示)、1995年、2000年、2005年、2007年、2009年和2015年7期数据,数据源为Landsat卫星影像,经过几何精校正、数据解译,分类结果包括旱地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地等6个方面25个类型,土地利用一级类型综合评价精度达到94.3%以上,二级类型分类综合精度达91.2%以上,分类精度满足制图要求^[14,15]。国内学者陆健健在《中国湿地》中按《湿地公约》的湿地定义将中国湿地分为22种类型^[16]。考虑到本次研究中湿地调查工作的可行性与可操作性,依据上述文献划分的中国湿地类型,将研究区湿地分为5种土地利用类型,其中人工湿地为水库坑塘,天然湿地包括湖泊、河渠、滩地和沼泽地。

雄安新区的社会经济数据来源于1985—2014年统计年鉴,主要包括总人口、GDP、有效灌溉面积和入淀水量等。气象数据(降雨量和气温)来源于中国气象科学数据共享网(http://data.cma.cn/)。

2.2 景观指数分析法

采用景观指数分析方法可以高度浓缩景观空间格局信息,反映其结构组成和空间配置等方面的特征^[4]。为了反映雄安新区湿地景观变化特征,结合湿地区域实际情况,使用Fragstats4.2软件计算研究区景观格局指数,依据景观指数功能不同,在景观尺度上分别选取了斑块面积指数、边界形状指数、香农多样性指数和构型指数4类体现湿地景观的变化(表1)。其中斑块面积指数包括斑块个数(number of patches,NP)、斑块密度(patch density,PD)和最大斑块指数(largest patch index,LPI)。NP表示景观中所有的斑块总数,反映景观的空间格局; PD表示单位面积上的斑块数,是描述景观破碎化的景观指标; LPI表示某一斑块类型中的最大斑块占据整个景观面积的比例,有助于确定景观的优势类型。边界形状指数包括周长面积分维数(perimeter-area fractal dimension,PAFRAC),描述景观斑块的几何形状复杂性。香农多样性(Shannon’s diversity index,SHDI)反映景观异质性,对景观中各斑块类型非均衡分布情况较为敏感。构型指数包括聚集度(aggregation index,AI)和蔓延度指数(contagion,CONTAG),AI反映景观中不同斑块类型的聚集程度,CONTAG描述景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势。

表1 景观格局指数

Tab.1 Landscape pattern indexes

类型	景观指数	公式	取值范围
斑块面积指数	NP	NP=N, 式中N为景观中斑块的总数	NP≥1,无上限
	PD	PD=N/A, 式中A为景观总面积,即100 hm²的斑块数	PD>0,无上限
	LPI	$LPI = \max (a_{1}, \dots, a_{i}, \dots, a_{n}) / A$ , 式中a_i为景观中第i个斑块的面积,1≤i≤n	0<LPI≤100
边界形状指数	PAFRAC	$PAFRAC = 2 \ln (P / k) / \ln (A)$ , 式中: P为斑块的周长; k为常数,对于栅格景观而言,k=4	1≤PAFRAC≤2
香农多样性指数	SHDI	$SHDI = - \overset{m}{\sum_{i = 1}} [P_{i} \ln (P_{i})]$ , 式中: P_i为景观类型i所占面积的比例; m为景观中的斑块类型总数目	0<SHDI≤100
构型指数	AI	$AI=[\sum_{i=1}^{m}(\frac{g_{ii}}{{max}\mathop{}_{\to}^{g_{ii}}})P_{i}](100)$, 式中g_ii为相应景观类型的相似邻接斑块数量	0<AI≤100
构型指数	CONTAG	$CONTAG = \{1 + \frac{\overset{m}{\sum_{i = 1}} \overset{m}{\sum_{k = 1}} [(P_{i}) (\frac{g_{ik}}{\overset{m}{\sum_{k = 1}} g_{ik}})] [\ln (P_{i}) (\frac{g_{ik}}{\overset{m}{\sum_{k = 1}} g_{ik}})]}{2 \ln (m)}\} (100)$ , 式中g_ik 为i类型斑块和k类型斑块毗邻的数目	0<CONTAG≤100

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2.3 移动窗口法

为了反映雄安新区1980s—2015年间景观指数的区域差异,运用移动窗口法研究了各景观指数的区域内差异。McDonnell等^[17]已将移动窗口法应用于城乡交错带的景观格局分析; 刘琦等^[18]和刘吉平等^[19]也分别将其应用于澜沧江和三江平原的景观格局研究中。参照前人研究,利用ArcGIS10.2软件将窗口大小设置为5 km×5 km,在整个研究区内从左上角开始移动,计算每个网格内的景观指数,并将该值赋给窗口中心栅格。通过计算不同时期各窗口的景观指数,得到雄安新区景观指数空间分布。本文主要分析NP,PAFRAC,SHDI和CANTAG这4个指数在1980s,2000年和2015年的空间分异规律。

根据前人的研究成果和研究区实际情况^[19,20,21],对研究区内11种景观类型进行人为干扰指数赋值(表2)。

表2 景观类型人为干扰度赋值

Tab.2 Landscape type with respect to hemerpby index

干扰类	景观类型	干扰度指数
无干扰(几乎无人为干扰)	沼泽地湖泊	0.16 0.23
半干扰(人为、自然作用参半,主要为农业、养殖业等生态系统)	林地草地水田旱地河渠水库坑塘滩地	0.55 0.58 0.65 0.70 0.35 0.30 0.50
全干扰(人造地物如公路等)	交通用地及工矿用地居民用地	0.98 0.95

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计算各网格单元的人为干扰度为

(1)

AD = \frac{\overset{n}{\sum_{i = 1}} H I_{i} \cdot S_{i}}{S}

式中: AD为某个网格单元的人为干扰度; HI_i为第i类景观类型的干扰度指数; S_i为第i类景观类型的面积; S为网格单元的总面积。

3 研究结果

3.1 湿地面积变化

1980s—2015年间,雄安新区湿地面积呈现波动变化的趋势,湿地面积从1980s年增长到2000年并达到最大值30 445.83 hm²,增加了11.05%,2007年湿地面积达到最小值仅20 765.79 hm²,之后湿地面积有所增加。但湿地面积总体呈下降趋势,雄安新区湿地面积从1980s的27 426.24 hm²减少到2015年的23 795.82 hm²,共减少了3 630.42 hm²,如图2所示。湿地面积减少最剧烈的时期出现在2000—2007年间,同期建设用地面积呈现快速增长趋势。近30 a来雄安新区建设用地面积呈现增加趋势,城市生活用水和工农业用水量增加,造成湿地水体面积的缩减,同时远离水体的部分被开垦为耕地等其他景观类型,人类活动的增强,对湿地生态环境造成了一定的威胁。

图2

图2 雄安新区湿地类型分布

Fig.2 Wetland types distribution in Xiong’an New Area

3.2 湿地景观指数变化

1980s—2015年间雄安新区6种湿地景观格局指数NP,PD,LPI,PAFRAC,SHDI和AI变化情况分别如图3所示。

图3

图3 1980s—2015年雄安新区湿地景观格局指数

Fig.3 Wetland landscape indexes in Xiong’an New Area from 1980s to 2015

从图3可知,1980s—2015年期间,雄安新区的景观NP和PD整体呈增加趋势,其中2015年NP达到最大值(139个),同时2015年的PD相对于1980s增加了0.49。PD越大,斑块越小,景观破碎度就越高。在2007年以后两者急剧增加,主要是人类活动强度增加,城市化速度加剧; 而2009年之后,由于生态环境保护政策的实施和保护力度的增加,景观破碎度有一定程度减弱。1980s—2015年间,LPI呈先减少后增加的趋势,说明最大斑块类型的优势度在整个景观中的地位不断下降。PAFRAC可以反映出空间实体几何形状的不规则性,其理论范围值为[1.0,2.0]。当PAFRAC=1.0时,斑块形状为欧几里得正方形; 当PAFRAC=2.0时,斑块形状最为复杂; PAFRAC越接近1.5,表示景观越不稳定。1980s—2015年间雄安新区的PAFRAC基本处于1.5附近,说明该区景观结构不稳定,易受人类活动的影响。这期间SHDI呈增加趋势,说明各景观类型所占比例趋于均衡化,景观异质性增加,其波动过程与AI相反。1980s的SHDI较小,说明雄安新区斑块类型单一,景观丰富度低,1995年之后SHDI逐渐在升高,景观丰富度增加,2009—2015年间SHDI在减少,说明研究区内湿地类型单一,景观丰富度低。1980s—2015年间AI呈减少的趋势,最大值出现在1980s为98.39,空间分布最均匀,最小值出现在2009年为95.99。

3.3 湿地景观指数的时空分异

雄安新区湿地NP空间分布情况如图4所示,1980s—2000年间,湿地斑块个数在东北部有高值区,西北部一直有一低值区; 到2015年,NP分布格局由东北部向西北部逐渐增加,从中间向边缘增加,且湿地核心区白洋淀大部分呈现高值区,而湿地NP值在2000—2015年期间显著增加,说明从2000年开始湿地核心区破坏度增加,且边缘地区湿地破损严重。

图4

图4 雄安新区湿地斑块个数NP空间分布

Fig.4 Spatial distribution of wetland landscape number of pathes in Xiong’an New Area

雄安新区湿地PAFRAC空间分布情况如图5所示,1980s雄安新区湿地核心区斑块形状简单,湿地景观稳定; 2000—2015年间,湿地景观从中间向边缘区域逐渐扩展,湿地斑块复杂,湿地景观结构趋于不稳定。

图5

图5 雄安新区湿地周长面积分维数PAFRAC空间分布

Fig.5 Spatial distribution of wetland landscape perimeter-area fractal dimension in Xiong’an New Area

雄安新区SHDI空间分布情况如图6所示,1980s—2000年间,中部和东部SHDI呈增加趋势,SHDI的增加表明各景观类型在景观中呈均衡化趋势,作为优势物种的湿地类型对整个景观的控制作用减弱,景观异质性增加,和景观指数在景观水平的结果一致。2015年有所减缓,湿地边缘区SHDI增加,景观破碎化程度增加。

图6

图6 雄安新区湿地香农多样性指数SHDI空间分布

Fig.6 Spatial distribution of wetland landscape shannon’s diversity index in Xiong’an New Area

雄安新区湿地CONTAG空间分布情况如图7所示,从1980s—2015年间,湿地CONTAG下降,说明湿地景观连接度降低,景观破碎化严重。2000—2015年间,CONTAG从中部向北部逐渐减小。2015年CONTAG在西北部出现低值区,该区域在2015年湿地面积增加,湿地景观连接度有所改善。

图7

图7 雄安新区湿地蔓延度指数CONTAG空间分布

Fig.7 Spatial distribution of wetland landscape contagion in Xiong’an New Area

3.4 湿地景观格局变化与人为干扰的关系

雄安新区人为干扰度的空间分布情况如图8,人为干扰较强的地区位于研究区的北部,人为干扰度从外部向内部减弱。1980s—2000年间,研究区中部地区略有减弱,2015年人为干扰度略有增强。不同时期人为干扰度的变化也不尽相同,1980s—2000年间,人为干扰度在半干扰区的范围最大,全干扰区的面积在减小; 2000—2015年间,人为干扰度的最高值在减小,无干扰区域逐渐增加,整体处于半干扰和无干扰程度,说明在新时期下人类对湿地的开发已由高强度破坏式开发向低强度可持续利用阶段发展。

图8

图8 雄安新区人为干扰度空间分布

Fig.8 Spatial distribution of wetland landscape degree of hemeroby in Xiong’an New Area

整个区域内SHDI和CONTAG从中部向北部减少,景观破碎化严重,连接度降低; 研究区北部呈现高人为干扰度,说明在人类活动影响下湿地景观破碎度增加,连接度变差。由中部向北部区域,湿地的NP和PAFRAC呈增加趋势,同时在该区域人为干扰度也呈逐渐增强的趋势。湿地景观受到人类活动的影响,趋于不稳定的状态。人类干扰度的空间分布与湿地景观指数的变化特征相符,在一定程度上影响湿地景观的结构和分布。

人为干扰度的时间变化呈现先减小后增加再减小的趋势,2000—2005年间人为干扰度变化最为明显,呈上升趋势(图9)。2000年以后,研究区内白洋淀基本无天然入淀径流,城市人口和用水量的增加,导致了湿地水域面积的变化。建设用地在2000年以后呈现快速增长趋势,建设用地面积2005年达到19 618.47 hm²,比1980s增长了54.36%,且人为干扰度在2005年达到最大值。同时,农业用水量也占总用水量的78.8%。白洋淀旅游业快速发展,游客数量不断增加,旅游区内开发建设造成居民用地面积增加。人类活动是流域景观变化的重要驱动力,造成湿地面积减少,景观破碎度增加,对湿地生态环境造成了巨大的影响。2005年以后,研究区内湿地的人为干扰度呈减小趋势,随着对湿地生态环境保护力度的增强,人类活动呈下降趋势,湿地转向低强度可持续发展阶段。

图9

图9 1980s—2015年雄安新区人为干扰度变化

Fig.9 Changes of degree of hemeroby in Xiong’an New Area from 1980s to 2015

4 讨论

4.1 气候因素

湿地景观的变化与分布受到气候因素的影响(图10)。1985—2015年间,雄安新区年均降雨量呈下降趋势,2000年以前雄安新区降雨量较多,对湿地水域的补充作用较强,因此2000年湿地达到最大面积,且湿地斑块的破碎度和景观结构均处于较好的状态,2000年随着社会经济的快速发展,人为干扰增强,对湿地面积产生了一定的影响。年均气温呈上升趋势,气温升高促进了湿地的蒸散发作用,对湿地景观格局也有一定的影响。

图10

图10 1985—2015年雄安新区年均降雨量和气温变化

Fig.10 Changes of annual average rainfall and temperature in Xiong’an New Area from 1985 to 2015

4.2 人为干扰因素

湿地景观的变化与分布除受到气候因素的影响,同时受到社会经济、农业发展和保护政策等人为干扰的影响(图11)。1985—2015年间,雄安新区人口数量和GDP总量持续增长,社会经济的发展促进建设用地面积的增长,2000年以前建设用地面积增长较慢,在此阶段湿地类型中滩地面积略有增加,2000年以后建设用地面积呈现快速增长趋势,快速的城市发展也增加了生活用水及工业用水量,对湿地面积造成威胁。在此阶段雄安新区有效灌溉面积也呈增加趋势,2000年以后有效灌溉面积总量有所减少但仍呈增加趋势,而由于水资源总量在减少,持续增加的用水量也会影响湿地面积与水位的变化。1985—2015年间受到流域引水调水政策的影响,白洋淀湿地面积得以维持较稳定的状态。因此在多种人为因素的共同推动下,雄安新区湿地周围区域人为干扰度呈增加趋势。随着雄安新区的建立,城区建设需要注意湿地生态环境保护,而白洋淀区近些年湿地面积的维持主要靠入淀河流的天然补水,不能从根本上解决湿地环境可持续发展。在之后的建设中,需要有效遏制入淀河流上游的用水量,使入淀水量增加,恢复湿地的发展。同时注意在城市化建设中人类干扰对湿地连通性等景观结构的影响,减少水域面积的破碎,保护生物的多样性。

图11

图11 1985—2015年雄安新区人为干扰因素变化

Fig.11 Changes of human disturbance factors in Xiong’an New Area from 1985 to 2015

5 结论

1)1980s—2015年间雄安新区湿地景观时空格局发生了较大的变化。从时间上看,湿地面积整体呈现减少的趋势,湿地破碎化程度逐渐增加,斑块形状变得复杂,连接度减小; 从空间分布格局看,在1980s,湿地景观斑块数较少,湿地破碎化较小,斑块形状简单,湿地景观稳定。2000年以后湿地景观斑块个数增加,中部和东北部湿地破碎化逐渐增加,从中部湿地核心区向边缘破碎化逐渐增加。香农多样性指数和蔓延度指数在2015年有所改善。

2)1980s—2015年间雄安新区人为干扰度整体呈现减少的趋势,1980s—2000年间人为干扰强度减弱,2000—2015年间人为干扰度呈现先增加后减少的趋势; 从空间分布看,1980s—2000年间人为干扰度在西南部和中部有所减弱。2015年,随着湿地保护政策的推行,湿地开发转向低强度可持续发展阶段,中部人为干扰度减弱。周边区域受建设用地扩张的影响,人为干扰度增强。中部湿地核心区人为干扰度的变化与湿地分布具有良好的对应关系。

采用移动窗口景观指数法,通过遥感监测提取的土地利用数据,利用5 km×5 km大小的窗口,对雄安新区景观格局和人为干扰度进行分析,揭示了湿地景观格局与人类活动的干扰具有较好的对应关系。在今后雄安新区建设中,需要重点加强对湿地生态环境的保护与修复工作,强化区域生态安全格局的构建,在保证城市发展的基础上,将雄安新区建设成为自然环境与现代化交相辉映的新型经济开发区。

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, Zhang Z

, et al.

Spatiotemporal characteristics,patterns,and causes of land-use changes in China since the late 1980s

[J]. Journal of Geographical Sciences, 2014,24(2):195-210.

DOI:10.1007/s11442-014-1082-6 URL [本文引用: 1]

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Ning

, Liu J

, Kuang W

, et al.

Spatiotemporal patterns and characteristics of land-use change in China during 2010—2015

[J]. Journal of Geographical Sciences, 2018,28(5):547-562.

DOI:10.1007/s11442-018-1490-0 [本文引用: 1]

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陆健健

中国滨海湿地的分类

[J].环境导报, 1996 (1):1-2.

Lu J

Classification of coastal wetlands of China

[J].Environment Herald, 1996 (1):1-2.

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McDonnell M

, Pickett S T

Ecosystem structure and function along urban-rural gradients:An unexploited opportunity for ecology

[J]. Ecology, 1990,71(4):1232-1237.

DOI:10.2307/1938259 URL [本文引用: 1]

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刘琦, 刘世梁, 赵清贺 , 等.

基于移动窗口法的水电开发影响下景观格局梯度分析

[J]. 山地学报, 2012,30(5):638-646.

Liu

, Liu S

, Zhao Q

, et al.

Gradient analysis of landscape pattern affected by hydroelectric station based on moving window method

[J]. Journal of Mountain Science, 2012,30(5):638-646.

DOI:10.13249/j.cnki.sgs.2016.06.010 Magsci [本文引用: 2]

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刘吉平, 董春月, 盛连喜 , 等.

1955~2010年小三江平原沼泽湿地景观格局变化及其对人为干扰的响应

[J]. 地理科学, 2016,36(6):879-887.

以湿地变化较为剧烈的小三江平原为研究区域,以1955~2010年的地形图和Landsat TM遥感数据为数据源,采用网格分析法研究景观指数的时空分异规律,并分析不同时期人为干扰度对景观格局指数的影响。结果表明：① 从时间上看,1955~2010年小三江平原沼泽湿地的面积和最大斑块逐渐减小,斑块占景观比从52.87%下降到10.41%,最大斑块减少了47.6%,破碎化和分散性逐渐增加,连接度从1.02%增加到2.88%后下降为0.79%,呈先增加后降低的趋势,斑块的形状由复杂变得简单后又变得复杂,人为干扰度逐渐增加,从0.31%增加到0.6%;② 从空间上看,1955年研究区沼泽湿地景观由西南向东北破碎化逐渐减弱,1986年后变为由西南向东北破碎化逐渐增加的格局。沼泽湿地斑块类型所占景观面积比例和连接度指数的高值区主要分布在研究区的中部和东北部。人为干扰度的空间分布格局是由西南向东北逐渐减弱;③ 1955~2010年人为干扰对小三江平原沼泽湿地的邻近与连接程度的影响逐渐减弱,对沼泽湿地边缘密度影响逐渐增强,人为干扰对沼泽湿地斑块密度的影响主要受沼泽湿地面积的影响,人为干扰对沼泽湿地斑块的形状影响较小,沼泽湿地的优势景观控制力逐渐下降,人为干扰是小三江平原湿地面积减少的主要原因。

Liu J

, Dong C

, Sheng L

, et al.

Landscape pattern change of the marsh and its response to human disturbance in the Small Sanjiang Plain,1955—2010

[J]. Scientia Geographica Sinica, 2016,36(6):879-887.

Magsci [本文引用: 2]

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孙永光, 赵冬至, 吴涛 , 等.

河口湿地人为干扰度时空动态及景观响应——以大洋河口为例

[J]. 生态学报, 2012,32(12):3645-3655.

DOI:10.5846/stxb201112061865 URL Magsci [本文引用: 1]

以大洋河河口湿地作为研究对象,利用1958年、1970年、1984年航摄影像(空间分辨率:2.0 m)和2008年SPOT5影像(空间分辨率:5.0 m)作为数据源,借助人为干扰度指数(HI)、景观格局分析、GIS空间分析方法,探讨大洋河河口湿地人为干扰度时空动态分异及景观格局指数的响应机制。结论:1)全干扰类型面积从1958年的4.16 km2上升至9.16 km2;半干扰类型从115.82 km2上升至180.57 km2;而无干扰类型面积从1958年的291.23 km2下降至221.13 km2,人为干扰度在不同历史时期呈非均质化变化,人类活动干扰中心逐渐由陆向海过度;围海养殖是人类干扰度变化的主控景观因子;2)在时间上,人类干扰过程(全干扰、半干扰)会导致斑块数量(NP)、边缘密度指数(ED)、平均形状指数(MSI)和面积加权的平均斑块分形指数(AWMPFD)总体在1958年-2008年间呈下降趋势;3)空间上,人为干扰度指数与景观格局指数空间分布相关性大小依次为:斑块数量(NP)＞边缘密度指数(ED)＞面积加权的平均斑块分形指数(AWMPFD),呈正相关,平均形状指数(MSI)与人为干扰度相关性不显著。

Sun Y

, Zhao D

, Wu

, et al.

Temporal and spatial dynamic changes and landscape pattern response of Hemeroby in Dayang estuary of Liaoning Province,China

[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012,32(12):3645-3655.

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肖翠, 解雪峰, 吴涛 , 等.

浙江西门岛湿地景观格局与人为干扰度动态变化

[J]. 应用生态学报, 2014,25(11):3255-3262.

URL Magsci [本文引用: 1]

<div style="line-height: 150%">基于西门岛湿地2007和 2010年两期SPOT5影像(空间分辨率均为5 m)数据,结合西门岛湿地土地利用现状,参考《全国土地利用分类》（试行）、海域使用分类海洋行业标准以及综合考虑遥感数据特性,建立西门岛湿地人为干扰类型分类系统；应用景观格局指数法、GIS空间分析法,得到景观指数和人为干扰度指数,探讨了西门岛湿地景观格局与人为干扰度动态变化.结果表明: 研究期间，西门岛湿地景观异质性、破碎度和优势度降低,景观形状复杂度降低.西门岛湿地人为干扰中心由分散发展到集中;干扰中心主要贡献景观类型是裸地和居民点;干扰总程度由海域向陆地逐渐加重,居民点、码头、交通用地干扰总程度最高.滩涂养殖、泥滩地、浮筏养殖景观的人为干扰度跳跃性大.水陆交错带出现干扰总程度较低但干扰极不平稳的现象.无干扰、半干扰和全干扰型景观的斑块数量下降.无干扰、半干扰景观的平均斑块面积增加,全干扰景观的平均斑块面积减少.无干扰景观的平均形状指数下降,半干扰型和全干扰型景观形状有复杂化趋势.</div><div style="line-height: 150%"> </div>

Xiao

, Xie X

, Wu

, et al.

Dynamic changes of landscape pattern and hemeroby in Ximen Island wetland,Zhejiang Province,China

[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014,25(11):3255-3262.