北京市房山区湿地景观格局研究

龚明昊 文菀玉 张伟 赵乾龙 王嘉晨 李惠鑫 刘刚 梁国靖 王宇航*

(1 西华师范大学生命科学院，四川 南充637002；2 中国林业科学研究院湿地研究所，湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京 100091；3 北京市房山区园林绿化局，北京 102401；4 中林森旅控股有限公司，北京 100129)

广义上湿地景观是指从微观到宏观不同尺度上具有空间异质性或缀块性的湿地单元( 白军红等, 2005)。湿地景观格局由大小和形状不一的湿地斑块在空间上排列构成，包括景观组成单元的类型、数量、形状以及空间的分布与配置( 都刘宁等, 2018)，是各种生态过程在不同尺度上综合作用的结果，可反映景观组分分布受环境要素和干扰状况综合控制的基本特征( 陈利顶等, 2014)，对景观的功能和过程有着重要影响(Turner, 1989)。

湿地景观格局研究是湿地科学乃至生态学的热点研究领域，在湿地研究中具有重要地位( 白军红等, 2005)，也是进一步研究景观功能和动态特征的重要基础( 宫兆宁等, 2011)。湿地景观格局分析能够量化各湿地景观组分的空间分布状况，厘清景观格局和生态过程间的相互关系，对系统剖析区域湿地资源特征，有效开展湿地规划、保护及管理等意义重大( 王瑞山等, 2000)。

房山区位于北京市西南部，是北京市重要的生态涵养发展区，为首都西南绿色生态屏障( 苗李莉等, 2013)。然而，近年来房山区雨洪灾害频发，湿地景观严重锐减，湿地生态问题日益凸显( 张虹等, 2016)。厘清该地区湿地景观特征不仅能够促进当地湿地资源的保护、恢复与建设，改善湿地质量，提升湿地服务功能，还对促进京津冀一体化( 孙博等, 2016)，实现绿色廊道跨区互联互通具有重要而深远的影响( 吕金霞等, 2018)。

本文采用景观指数和形态学模型分析方法分析房山区湿地景观格局特征，认识影响该地区湿地生态系统及功能的景观因素，以期为该地区湿地的保护、规划与管理提供科学依据，并为城市湿地资源管理、规划及保护提供方法借鉴和研究参考。

1 研究区概况

房山区(115°25′～116°15′ E，39°30′～39°55′ N)位于北京市西南部，华北平原与太行山山脉交界处，北邻门头沟区，南与河北省涿州市接壤，东部及东北部同大兴区和丰台区毗连，西邻河北省涞水县( 图1)。全区总面积1 989.54 km2，东西长70 km，南北宽46.2 km，西北部为山区，东南部为平原，山区面积占全区总面积的65.7%，平原面积占全区总面积的34.3%。

2 数据与方法

2.1 湿地调查

研究区湿地资源数据来自北京市房山区湿地资源调查数据，调查方法以《全国湿地资源调查技术规程( 试行)》和《北京市湿地资源普查操作技术细则》为标准，采用以遥感(RS) 为主、地理信息系统(GIS) 和全球定位系统(GPS) 为辅的 “3S” 技术。通过遥感解译获取湿地型、面积、地理信息、海拔、植被类型及所属3 级流域等信息。通过地面调查、现地访问和收集最新资料获取水源补给状况、主要优势植物种、土地所有权、保护管理状况和受威胁因素等数据。

2.2 分析方法

2.2.1 湿地类型及面积统计依据《湿地公约》及《北京市湿地资源普查操作技术细则》统计研究区域内不同湿地类型的基本情况，计算不同湿地类型的面积和百分比，并分析研究区湿地资源的空间分布及特征，使用ArcMap 10.4 软件进行统计。

图1 研究区地理位置及湿地类型空间分布Fig.1 Location of the study area and spatial distribution of wetland types

2.2.2 景观指数的计算基于景观生态学理论，采用景观指数分析研究区湿地在区域景观和类型水平上的景观格局特征，着重关注自然湿地类型( 河流湿地、莲池、水库湿地及稻田) 的景观格局特征。由于现有的景观指数较多，且许多指数间相关性较高。在参考前人研究的基础上，本文选取了较为常用的几种指数来进行分析。计算不同湿地类型对应的斑块数量(number of plaques, NP)、斑块面积(class area, CA)、平均斑块面积(mean patch area, MPS)、边界密度(edge density, ED) 及最大斑块数(largest patch index, LPI) 来反映景观异质性及破碎化特征( 表1)。景观指数计算在Fragstats 4.2 软件中完成。

2.2.3 形态学模型分析为进一步识别研究区湿地景观的空间特征，采用形态空间格局分析方法(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)(Soille et al, 2009) 来分析研究区主要湿地类型( 河流、水库及水塘、坑塘) 的空间格局。形态空间格局分析基于图像形态特征，能够反映空间格局和识别连通性特征。此方法根据识别的类别是否存在( 本研究中为湿地/ 非湿地) 采用二元图像( 包括前景和背景) 作为输入数据。前景区域被进一步划分为不同的形态要素，来表示不同的连通结构，这些类型要素被定义为与核心及其周围的关系，并具有生态学意义( 图2、表2)。形态空间格局分析采用GUIDOS 软件分析获得(Vogt et al, 2017)。

表1 选取的景观指数及其生态学意义Table 1 Selected landscape indices and their ecological meanings

图2 形态空间格局分析湿地/ 非湿地空间格局示意图Fig.2 Illustration of MSPA applied on a wetland/non-wetland image

表2 输出的形态空间格局及意义Table 2 The output types of MSPA and their meanings

3 结果与分析

3.1 房山区湿地资源概况

房山区湿地面积5 476.90 hm2，约占全区面积的2.75%。参照《湿地公约》湿地分类系统以及中国目前湿地调查和监测所采用的湿地分类系统，房山区湿地分为自然湿地和人工湿地2 类，其中天然湿地3 375.20 hm2，约占全区湿地的61.62%，人工湿地2 101.70 hm2，约占全区湿地的38.37%。

按照《北京市湿地资源普查操作技术细则》，房山区湿地可划分为8 种类型( 表3、图1)。河流湿地是房山区湿地的主体，总面积3 226.60 hm2，约占全区湿地面积的58.91%，永定河、拒马河、大石河及小清河是房山区所有河流湿地的干流，为主要河流；水库湿地面积1 549.80 hm2，约占全区湿地面积的28.30%，主要有大宁水库、崇青水库、天开水库、龙门口水库、牛口峪水库。房山区还有少量的水稻田，全区稻田面积为10.30 hm2，大多分布在离河流、水渠和水库等水源较近的区域，主要在长沟镇和大石窝镇( 表3、图1)。

3.2 房山区湿地景观特征

从全区湿地景观来看，房山区湿地最大斑块面积1 230.71 hm2，最小斑块面积0.12 hm2，斑块间面积差异较大。不同湿地类型的景观指数显示：不同湿地类型的斑块数间差异明显，其中水塘、坑塘斑块数量最多(33 个)，其次河流湿地(22 个) 和水库湿地(15 个)( 表4)。不同湿地类型斑块类型面积和平均斑块面积也差异较大，河流湿地的斑块类型面积和平均斑块面积最大，分别为3 226.60 hm2和140.06 hm2，其后为水库湿地，显示出这两种湿地类型在房山区湿地景观中的主导地位。水塘、坑塘的斑块类型面积较大(244.10 hm2)，但其平均斑块面积却较小(2.80 hm2)，说明水塘、坑塘具有较为破碎的特征。边界密度指数指示了不同湿地类型的形状异质性特征，其中水库的边界密度较小(4 817.31 m/100 hm2)，反映出其形状较为规则，其他类型较高的边界密度指数则体现了这些类型斑块的不规则和破碎特征，水塘、坑塘的边界密度最大(101 365.01 m/100 hm2)。河流湿地和水库湿地的最大斑块指数较高，分别为25.30% 和19.22%，而其他类型均低于1.2%，再次反映出河流湿地和水库湿地为研究区湿地景观的重要组分。

3.3 房山区湿地景观连通特征

基于形态学空间分析模型，将研究区主要的湿地划分为7 种空间形态类型。发现核心类型约占研究区的64.46%，主要位于研究区的永定河、大石河和拒马河及其周边水库( 图1、图3)，反映出这3条河流湿地在研究区湿地中的重要地位，而研究区的其他河流所包含的核心类型面积较少，且多被截断分布。研究区域岛形态学类型面积约占9.19%，仅次于核心和边缘类型，反映出研究区内有较多破碎化且面积较小的湿地景观。湿地景观间连通的形态学空间类型( 桥、环及分支) 面积均不足6%，说明湿地类型间的连通性较低。然而，分支的面积(5.84%)要高于桥和环的面积，反映出研究区部分区域的连通性还有较大提升潜力( 表5)。

表3 房山区主要湿地类型、面积及分布Table 3 Major wetland type, area and distribution within Fangshan district

表4 不同湿地类型对应的景观指数Table 4 Landscape indices for different wetland types

图3 房山区主要湿地的形态空间格局Fig.3 Spatial pattern of MSPA types on Fangshang district

表5 不同湿地空间格局类型的比例Table 5 Area proportion for different wetland spatial pattern types

4 讨论

研究发现，房山区湿地资源总量偏低、类型简单、空间布局不合理，湿地斑块间异质性较高、面积差异较大，受威胁因素多样及治理难度大。房山区湿地面积占比(2.75%) 低于北京市湿地平均水平( 占比3.1% )( 陈海燕等, 2011)。房山区湿地类型较为简单，河流和水库比例较大，其它类型比例较少。房山区现有湿地主要分布在中东部及南部地区，西部地区、特别是西北部地区湿地分布偏少，布局极不协调。除拒马河、大石河几条大干流和崇青水库为较大的湿地斑块外，其余湿地面积都较小，湿地的景观异质性较高；同时，湿地斑块较为破碎，同类型湿地之间和不同类型湿地之间的连通性都较低，生态服务功能较为薄弱。房山区湿地能够提供的生态系统服务水平低于同样位于北京市外围的密云区、门头沟区及平谷区( 苗李莉等, 2013)，特别是在生境维持方面( 张彪等, 2007)。合理布局房山区湿地资源，增加湿地面积，提升湿地生态系统结构的完整性和生态过程的连续性，增强湿地生态系统的服务功能( 张志明等, 2013)。建成由保护区、保护小区、湿地公园和水源地保护区组成的湿地保护体系，形成布局合理、功能突出、特色多样的湿地保护网络，确保区域生态安全和生态功能提升( 高士武, 2008)。

综合使用景观指数与形态学方法为湿地景观格局研究提供了新思路。景观指数是景观格局分析最为普遍且常用的方法，但景观指数较多，不同景观指数间具有较大相关性，使得景观指数在选取过程中可能会具有较大的主观性( 邬建国, 2007; Vogtet al, 2007)，也往往缺乏空间特征的显示与表征。形态空间格局分析方法能够展示空间情况，并与研究背景相结合(Vogt et al, 2009; Riitters et al, 2007)，为景观格局特征的分析提供了1 种简洁且直观的方式。景观指数和形态学方法的结果能够相互佐证，从数量和空间分布两方面阐明湿地景观格局的特征。