湿地是全球价值最高的三大生态系统之一,然而在人类长期的掠夺式开发利用下,湿地自然曲折的形状变得简化、面积和数量锐减、水域受到不同程度的污染,湿地环境问题已经成为全球变化研究的重要内容之一^{[1, 2]}。城市是以人类行为为主导的复杂社会经济自然复合生态系统,城市内湖也是人类活动干扰最严重的生态类型之一。城市内湖除具有生物栖息地、调蓄洪水和生产等功能外,对于接纳城市污水、建构城市景观、促进城市经济增长具有非常重要的作用^[3]。武汉雅称“百湖之市”,湖泊是武汉市重要的城市名片。武汉市湖泊属于江汉湖群的一部分,新中国成立之初,仅汉口地区大小湖泊就有100多个,但截止到2000年底,武汉三镇仅存湖泊27个^[4]。武汉作为我国首批“两型”社会试点的中心城市,建设生态宜居的生态园林城市是武汉市“两型”社会建设的重要目标,加强水污染防治、建立一批以河流、湖泊、水库和湿地为核心的生态保护区、推进“清水入湖”工程是武汉市“两型”社会建设的重要举措。

但近年来武汉城市化水平的不断提高,使得城市湖泊面积萎缩,水质污染,生态功能下降,严重制约了武汉生态园林城市的建设^[5]。这一问题也引起了学者的广泛关注,黄浦江^[6]等利用景观分形理论与GIS的空间分析功能相结合的方法,分别构建湖泊变化强度指数和湖泊分形维数变化指数,从湖泊的空间面积变化以及湖泊形态变化2个方面进行了研究。宁龙梅^[7]等利用景观生态学的方法对武汉市湿地景观格局变化进行了定量研究。曾中平^[8]等利用NDWI指数提取了4a不同的武汉市主城区湖泊的水域面积,引入湖泊萎缩指数对湖泊进行时空变化的初步定量分析。其它学者则更多的关注湖泊水质污染及其生态环境的变化特征研究^{[9, 10]}。鉴于以上在城市湖泊研究中侧重面积和空间格局变化的基础上,以2000、2005和2010年三期Landsat TM数据为数据源,选择27个主要湖泊并基于湖泊的景观变化模型,构建了湖泊面积萎缩率、湖泊分维数和湖泊破碎度等指标,从湖泊的空间面积变化、湖泊形态变化及破碎程度等方面来进行分析,以期丰富湖泊景观变化的分析方法,以及更深入地了解和认识人类活动因素与湖泊水域动态变化之间的关系,并揭示其规律和原因,为进一步推进武汉市湖泊环境保护提供决策依据。

武汉市(113°41′—115°05′E,29°58′—31°22′N)是长江中下游特大城市之一,处于江汉平原东部、长江与其一级支流汉水的交汇处,为残丘性河湖冲积平原,地势平坦低洼^[11]。选择传统武汉三镇为研究区,即江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、武昌区、洪山区6个中心城区,其中江岸区、江汉区和硚口区隶属于汉口镇,武昌区和洪山区隶属于武昌镇,汉阳区隶属于汉阳镇。2000年末武汉三镇共有湖泊27个,其中汉口10个、汉阳6个、武昌11个(表 1)。

湖泊生态服务能力相关衡量指标主要从三期遥感图像获取。选取2000年、2005年和2010年秋季的三期Landsat TM(ETM+)数字遥感数据,运用ENVI 5.0遥感图像处理软件,对图像进行几何精校正、图像裁剪和图像增强等预处理(图 1)。

图 1 三期标准假彩色Landsat-TM(ETM+)遥感影像 Fig. 1 Three periods of standard false color Landsat-TM(ETM+)remote sensing images

图选项

运用归一化差异水体指数(NDWI)提取湖泊水域信息^{[12, 13]},其基本原理是通过波段之间的比值运算增强水域与背景地物之间的反差,从而使水体容易地被识别出来。其计算公式为：

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式(1)中,GREEN代表绿光波段,NIR代表近红外波段。

利用计算得到的NDWI图像,并利用GPS进行了实地抽样调查检验,利用NDWI提取的图像精度准确可靠。在ArcGIS10环境中,提取三期武汉市湖泊水域矢量信息,并参考有关资料及实地考察各图斑所对应的湖泊名称,分别建立2000、2005和2010年武汉市中心城区湖泊矢量图层,如图 2显示了2010年武汉市中心城区湖泊分布图。2010年主城区湖泊水面总面积为62.52km²,占三镇总面积的7.64%,其中武昌地区湖泊总面积为54.95km²,汉阳地区湖泊总面积为6.68km²,汉口地区湖泊总面积为0.88km²,分别占主城区湖泊总面积的87.90%、10.69%和1.41%。武汉三镇湖泊面积差异悬殊。

图 2 2010年武汉市中心城区湖泊分布图 Fig. 2 Distribution of lakes in the main central city districts of Wuhan in 2010

图选项

湖泊景观生态环境变化主要体现在湖泊面积、形状、完整性等方面的变化。城市湖泊经常被各种建设项目侵占,面积减少,面积的减少可采用萎缩率来表示；城市交通体系的建设和扩展等经常分割湖体,湖体被分割后其水体自净能力减弱,率先被污染、填埋,湖泊的完整性采用破碎度来表示；湖泊形状的变化会影响到水陆交界面的大小、生物栖息地的变化和湖泊的美学价值,自然状态下的湖泊边界曲折自然,人类活动影响越大,湖泊边界越规则,可采用湖泊斑块分维数来表示湖泊形状的变化。

从武汉市中心湖泊图层提取湖泊水域面积、斑块个数和周长等信息,对各湖泊面积变化率、湖泊斑块分维数和湖泊景观破碎度等各指数的计算。

(1)湖泊面积萎缩率(ACR)

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式中,A₀为研究始期湖泊面积；A₁为研究终期湖泊面积。

(2)湖泊斑块分维数(FRAC)

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式中,P为湖泊斑块的周长；A为湖泊斑块的面积。斑块分维数用来描述湖泊景观形状的复杂性^{[14, 15]},其理论范围值为[1.0—2.0],1.0 代表斑块形状为正方形,人为干扰大；2.0 表示斑块形状非常曲折复杂,人为干扰小^{[15, 16, 17]}。

(3)湖泊景观破碎度(F)

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式中,N表示景观斑块数,A表示景观总面积。F越大,景观越破碎。景观破碎化是生物多样性丧失的重要原因之一^{[15, 18]}。

1 0年中,武汉主城区湖泊面积减少了11.53km²,总萎缩率为15.57%,其中2000—2005年减少了8.17km²,2005—2010年减少了3.36km²(表 2)。武汉市湖泊面积差别悬殊,10a内均有不同程度的萎缩,排在前面九大湖位序并没有改变,前九大湖面积共减少了10.33 km²,占总萎缩量的89.61%。2000、2005和2010年九大湖面积总和分别为71.28 km²、63.74 km²和60.95km²,占同期湖泊总面积的96.27%,96.76%和97.49%,占比逐步上升；排在前3位的东湖、严西湖和南湖面积总和分别为56.7678、52.2241 km²和50.7552 km²,分别占同期九大湖总面积的79.64%；81.93%和83.27%,占比也在攀升。

27个湖泊萎缩率差异明显(表 2)。内沙湖萎缩率最高,达83.62%,内沙湖位于武汉市武昌区、武汉市区内环线内,曾是武汉市仅次于东湖的第二大“城中湖”,2000年该湖在27个湖泊中尚居于第13位,到2010年却退居为末位；萎缩率处于70%—80%之间的有杨春湖和晒湖,位序均有明显的下降,前者位于三环边上,后者位于二环以内；萎缩率处于50%—60%之间的有月湖和北太子湖,前者处于二环线内,后者位于三环附近；萎缩率在40%—50%之间的湖泊是外沙湖和西湖,均位于二环之内；萎缩率在30%—40%之间的湖泊南太子湖、张毕湖和南湖,均邻近三环线,均是区域内面积较大的湖泊,自2000年到2010年三者位序未变；萎缩率在20%—30%之间的湖泊有墨水湖、紫阳湖、菱角湖、北湖、烷子湖、四美塘和小南湖,除墨水湖处于三环内,其他均处于二环内；萎缩率在10%—20%之间的湖泊有塔子湖、水果湖、机器荡子和莲花湖,除塔子湖处于三环线内,其他均处于二环线内；萎缩率小于10%的湖泊有东湖、严西湖、野芷湖、竹叶海和后襄河,其中严西湖位于三环线外,后襄河位于二环线内,东湖和野芷湖主体位于三环之内,而竹叶海位于三环附近。从排序来看,东湖、严西湖一直居于前两位宝座,东湖为重要的风景旅游区,而严西湖位于三环以外,较小的萎缩率与人类活动的保护行为及较少的干预相关；野芷湖第7位未变；竹叶海从16升级为13;后襄河从26升级为22。竹叶海、后襄河被定位为城市湖泊公园。

可见,萎缩率大于70%的湖泊均位于二环区之内,萎缩使得其在整个中心城区湖泊中的排序大大下降；没有萎缩率在60%—70%的湖泊；萎缩率为30%—50%的湖泊,要么位于二环之内人口稠密区,要么位于三环线附近的环线建设区,其排序基本稳定；萎缩率小于30%的湖泊,情况最为复杂,有二环内、三环内及三环附近的,这些湖泊的排序均比较稳定或提高,除部分湖泊具有面积优势外,有针对性的湖泊利用及保护政策等对其现状也有着积极的作用。

随着房地产开发热的到来,滨湖地区成为房地产开发的焦点地区以及市政建设的大力推行,使得大量湖泊用地被填占而成为建筑用地。对27个湖泊均存在于建设用地占用问题,主要包括房屋建设和公路修建等；同时,东湖、严西湖、北太子湖、南太子湖、塔子湖、外沙湖、张毕湖、月湖、杨春湖、竹叶海和龙阳湖等11个湖泊,存在于湖面转化为滩地等现象,是湖泊退化的标志之一。

武汉中心城区湖泊景观分维数3个时期依次为:1.275、1.264、1.262(表 3),一直呈下降趋势,人为活动对湖泊的改造程度愈来愈大。其中2000—2005年变化较为显著,2005—2010年变化相对缓和,说明人类活动干扰相比上一时期要小一些。

单个湖泊分维数均在1.000—1.300之间,说明武汉中心城区湖泊总体上受人为活动影响很大。分维数接近于1的湖泊有内沙湖、北湖、后襄河、小南湖、晒湖、机器荡子、杨春湖、水果湖、莲花湖、菱角湖和西湖,这些湖泊除杨春湖位于三环附近外,其他湖泊均位于二环线以内的市区附近,受人类活动影响大,湖泊几何形状趋于简单化；其他湖泊分维数变化具有反复性,但总体上仍呈下降趋势。

2000、2005、2010年武汉中心城区湖泊景观的破碎度分别为1.202、1.397、1.648,破碎度不断增加。不同时期湖泊破碎度也存在着一定的差异,2000—2005年湖泊破碎度有所增加,2005—2010年湖泊景观破碎度的增加则更为显著。

2000、2005、2010年湖泊斑块总数分别为81个、88个、104个。通过图像解译和实地考察对斑块数目变化原因进行了分析。斑块明显增多的湖泊有东湖、严西湖、南太子湖、墨水湖、野芷湖、龙阳湖、月湖、竹叶海和紫阳湖,其中东湖、严西湖、南太子湖、墨水湖、野芷湖、龙阳湖、竹叶海是由于交通线路把湖泊切割成几部分,而月湖和紫阳湖位于市区,由于建筑用地填占使得湖泊被切割；斑块明显减少的湖泊有杨春湖、外沙湖、塔子湖、张毕湖和晒湖,主要是由于破碎湖泊部分斑块被填占或湖泊水量减少变为滩地、未利用地等(表 3)。

(1)本研究利用多时相遥感信息,在GIS技术的支持下,建立了2000—2010年武汉中心城区湖泊数据库,能够快速及时准确地反映湖泊动态变化,为武汉市湖泊资源的监测、保护与利用提供参考。

(2)武汉中心城区湖泊时空动态演变具有阶段性特征。2000—2005年湖泊面积萎缩量比2005—2010年显著、湖泊斑块分维数变化幅度在2000—2005年时期也较大。2000—2005年武汉城市化进程主要表现为湖泊的占用和开发；2005—2010年时期湖泊斑块数量增加迅速,道路修建对湖体的分割明显。

(3)有利的政策对湖泊保护起到明显的作用。竹叶海处于三环线附近、后襄河处于繁华的汉口二环之内,其萎缩率明显低于大多数湖泊,显然和其被定位为城市湖泊公园有关。

综上所述,武汉中心城区湖泊受武汉城市化进程影响很大,而且影响还在逐年增强。要保护武汉市的这一城市名片,制订更加严格的政策、加强管理是必须的举措。