景观格局是表征地球系统生物多样性的重要指标^[1]。景观格局的变化直接反映地表生态系统结构、功能状态以及影响生态系统的物质流、能量流及信息流的循环。一直以来, 国内外都极为重视区域景观格局的研究, 并主要集中在景观结构^[2]、功能^[3]、性质^[4]、景观效应^[5]与景观动态变化^[6]等方面。与此同时, 针对生态系统表现的景观格局区域性特征, 近年来在山地^[7]、河流^[8]、城市^[9]、矿区^[10]、岛屿^[11-12]也取得了不少成果。河口三角洲盐沼湿地受到高强度人类活动影响。气候变化、海平面上升以及人类活动干扰等因素导致全球约1/3的红树林出现永久性损失^[13]。为了探明河口洲滩景观格局的变化, 及将如何影响河口地区生物多样性与其生态服务功能, 一些学者将遥感技术和野外调查结合, 提出了长江口崇明东滩盐沼湿地形成互花米草-光滩、互花米草-海三棱藨草-光滩景观^[14]、黄河三角洲潮滩盐沼主要展现芦苇盐沼、碱蓬碱蓬-柽柳-芦苇盐沼、碱蓬盐沼和光滩格局^[15]、珠江口保护区内以人工林为主的红树林群落^[16]、粤东沿海灌丛小乔木复合红树林群落^[17]。此外, 有学者利用遥感对北部湾红树林空间分布^[18-19]、红树林岸线变迁^[20]、滨海湿地景观格局^[21]进行了研究。然而, 南亚热带小河口洲滩红树林景观格局方面的研究鲜有报导。基于此, 本文以南流江河口洲滩为研究区, 探讨近期洲滩景观的时空变化特征, 以增加对热带小河口洲滩植被演化格局的认识, 为热带河口地区生态恢复与湿地管理提供理论支撑。

1 材料与方法 1.1 研究区域与数据来源

南流江是广西独流入海第一大河。河流位于广西东南部, 在其出海口形成面积约5 500 hm²的三角洲(图 1a)。干流河口位于合浦县县城西南约18 km, 东岸是沙岗镇七星岛茅荒擅, 西岸是西场镇与沙岗镇界鲎港江口, 两岸相距约2 500 m, 河口西南走向, 河床宽510 m, 深3.25 m。两岸有砌石堤围, 河口有众多江心洲, 由江心洲与七星岛尾潮滩组成了南流江干流入海口特殊的生态系统。

河口潮汐属于不正规全日潮, 平均潮差约为2.5 m, 海域冬半年以北向浪为主, 平均波高0.8 m, 夏季以西南向浪为主, 最大波高为4.8 m^[22-23]。研究区覆盖干流河口沙洲和低潮时出露水面的浅滩, 主要包括5个江心洲潮滩A、B、C、D、E和七星岛岛尾潮滩F(图 1b)。潮滩上所生长的植物主要有桐花树[Aegiceras corniculatum (L) Blanco]、秋茄[Kandelia candel (Linn.)]、茳芏(Cyperus malaccensis), 另有部分无瓣海桑(Sonneratia apetala)。

1.2 数据分析处理 1.2.1 景观要素与景观类型界定

由于潮汐起落, 使得潮滩时刻处于动态变化之中。因此潮汐水位的波动将在很大程度上影响洲滩植被覆盖范围, 导致洲滩景观解译出现偏差。本文2005年5月17日、2011年8月28日、2015年12月17日、2019年10月26日的谷歌地球高分辨率遥感影像(1.11 m)。所选择遥感影像中, 2015年12月17日成像时刻潮位相对较高, 部分光滩被潮水所淹没, 但红树林斑块仍清晰可见, 茳芏斑块可以识别, 对洲滩景观解译的影响在容许误差之内。其他3个影像基本处于低潮位相近水位, 能反映地物景观的格局变化。这4组影像水边线向陆依次可区分光滩和有地物的洲滩。随后, 基于ENVI和ArcGIS对原影像进行几何纠正和地理配准、裁剪和镶嵌、彩色增强和滤波等预处理。在不同季节对研究区航拍与现场调查, 确认各景观要素的解译标志见图 2, 并核查区域景观要素类型与分布状态。经影像解译等得到较为准确的观类型分布矢量数据。

把没有生长植物的潮滩定义为光滩。桐花树与秋茄二者的景观结构、功能与性质无太大差异, 无瓣海桑零散混生于桐花树或秋茄种群中, 本文将其归为红树林同类景观。据此, 根据洲滩植被分布情况, 将南流江河口洲滩地物景观分为红树林(主要为桐花树与秋茄)、茳芏与光滩3种景观类型。为消除潮汐水位对影像解译光滩面积的影响, 以潮位最低的2005年5月17日卫星遥感影像中露出水面的洲滩面积724.88 hm²作为研究区域景观总面积S_t, 依次解译红树林面积S_m与茳芏面积S_c, 则光滩面积S_b=S_t−S_m−S_c。

1.2.2 景观格局指数计算

将遥感影像经解译、分类及提取的红树林、茳芏、光滩等景观要素进行分层与联合处理, 绘制景观多样性变化图。同时统计各景观要素数据, 计算斑块面积百分比(P_land)、斑块密度(PD)、斑块分维度(FD)、香农(Shannon)指数(H)、优势度指数(Do)及景观破碎化指数(FN)以全面诊断区域近期景观格局的演替。各指标计算方法为:

(1) 斑块面积百分比。斑块面积百分比是确定景观中优势景观元素的重要依据, 也是决定景观中的生物多样性、优势种和数量等生态系统指标的重要因素。用P_land表示斑块面积百分比, 即景观要素斑块面积(S_i)占景观范围(本研究为潮滩)总面积(S_t)的百分比^[24], 表示为: P_land=S_i/S_t×100%。当P_land→0时, 说明景观中此斑块类型变得十分稀少, 当P_land→100时, 说明整个景观只由一类斑块组成。

(2) 斑块密度。斑块密度表明单位面积(S)内某类景观斑块的数量(N)^[25], 用PD表示。某类景观的斑块密度可表示为PD_i=N_i/S_i, 总景观的斑块密度可表示为PD_t=(ΣN_i)/S_t。

(3) 斑块分维数。斑块分维数反应景观斑块的形状特征, 用FD表示斑块分维数^[26], 计算式为FD_i=2 ln(L_i/4)/ln(S_i)。式中L_i为某景观类型斑块的总周长, S_i为某景观类型斑块总面积。

(4) 用H表示Shannon多样性指数^[27]。Shannon多样性指数反映景观异质性, 特别对景观中各斑块类型非均衡分布状况较为敏感, 即强调稀有斑块类型对信息的贡献, 计算式为H=–Σ(P_i)×ln(P_i)。其中P_i为某景观要素面积占景观总面积的百分比。当H=0, 表明整个景观仅由一个斑块组成; H增大, 说明斑块类型增加或各斑块类型在景观中呈均衡化趋势分布。

(5) 优势度指数。优势度指数表明景观类型在景观中的优势程度, 用Do表示^[28]。计算式为Do=H_max + Σ(P_i)×log(P_i)。其中H_max=ln(m), 表示最大多样性指数, P_i为某景观要素面积占景观总面积的百分比。当Do趋向于0时, 表明景观中没有明显优势类型且各斑块类型在景观中均匀分布, 当Do趋向于1时, 表明景观受到一种或少数几种优势斑块类型支配。

(6) 景观破碎化指数。反映景观中斑块破碎程度, 用FN表示^[29]。某景观类型的景观破碎化指数可表示为FN_i=S/S_t×(N_i−1)。式中, S为某景观要素斑块平均面积, S_t为景观总面积, N_i为某景观类型斑块数。FN反映了人类活动对景观影响的强弱程度。

2 结果分析 2.1 洲滩景观空间分布特征

南流江口洲滩景观自2005年到2019年出现明显变化, 红树林与茳芏迅速向海扩张(图 3a—图 3d)。其中, 2005年红树林主要分布在南流江口七星岛附近的C、D及E三个区域, 到2011年时先前2005年C区横向串沟的位置已被红树林覆盖, 尤其明显的是2005年E区发育几处大型纵向潮沟(图 3a), 在2011年因红树林扩展而导致潮沟变窄(图 3b)。2005年零星散落的茳芏通过短短6年时间的发育, 在七星岛E区向西、向海的F扩展。

与2011年比较, 七星岛西北侧裸露浅滩A和B区在2015年已有红树林发育, 同时在D、E、F区红树林进一步扩展, 特别在F区环七星岛边缘红树林成片。同期, 茳芏处于较快繁育阶段, 这主要体现在C区及E区洲头潮滩, 同时茳芏在F区红树林外围纵向超过2 km的潮滩都有分布, 部分已成簇生长(图 3c, 图 4)。同时, 2019年南流江口A—F洲滩都覆盖有红树林, 在A区沙洲完全覆盖, B区正在向海扩张, 而E区先前的潮沟完全消失并被红树林取代, 而沿七星岛海堤周边的F区红树林已向海扩散400~500 m (图 3d)。茳芏在C区有所增加, 但在F区红树林前沿基本覆盖出露潮滩, 而且成团扩张(图 4), 在七星岛东南侧的沙洲也出现大规模团状茳芏, 并且以团簇的方式向海快速扩张(图 3d)。总体而言, 在最近15年时间尺度, 七星岛周边6个洲滩景观自陆向海依次为红树林、茳芏和光滩, 茳芏主要分布于红树林外延或镶嵌于红树林间(如图 3b和图 3d中E区)。

2.2 南流江河口洲滩景观动态变化

南流江河口洲滩地物由红树林、茳芏和光滩构成(图 3)。最近15年内南流江河口洲滩红树林面积显著增加, 由2005年的69.54 hm²增大至2019年的190.33 hm²(表 1), 面积在原有基础上约增加了2倍。相应的红树林斑块面积百分比从2005年的9.58%持续增大到2019年的26.22%。同时, 茳芏面积从2005年的6.95 hm²增大到62.68 hm²。此外, 光滩面积由2005年的649.39 hm²减少到2019年的472.87 hm², 这意味着光滩面积因红树林与茳芏的扩张而导致其发生迅速减小(图 3)。

景观要素的斑块密度表明红树林景观破碎化程度较高。将图 3和表 1结合表明, 在2005到2019年期间, 红树林斑块数基本在63~82, 没有明显的增加。但红树林斑块密度由2005年的0.992下降到2019年的0.331, 相当于递减了近70%, 其面积却增加了近3倍(表 1)。即反映了红树林持续在扩张, 且扩张主要是挤占斑块间的空间和整体向海迁移完成(图 3)。茳芏斑块数从2005年到2011年增加了5倍, 面积仅增加了1倍(表 1), 表明茳芏早期的扩张以小面积团簇状斑块占据向海滩涂的主要扩张方式。2011年到2019年间, 茳芏斑块先增加后减少, 面积呈倍数级增加, 表明茳芏后期的扩张以单个斑块面积呈环状向外扩张、在原有小斑块间生成新的斑块的方式为主。随着单个斑块面积的增大与单位面积内团簇状小单元的增加, 团簇状小单元相互交错重叠形成更大的斑块, 从而出现斑块面积增加而数量有所减少的现象。相应的茳芏斑块密度类似变化(表 1)也表明了茳芏的这一扩张模式。显然, 茳芏在2015年前一直处于快速的扩散状态(图 3a—3c), 随后的4年期间, 以先前扩散的簇状小单元为基础, 呈团状形式向外扩张, 由此引起其面积增大而斑块数减少(表 1)。就光滩而言, 正由于茳芏在光滩上以零星方式扩张, 从而也导致光滩斑块数增加。

2.3 南流江河口洲滩景观多样性

南流江河口洲滩景观2005年、2011年、2015年以及2019年的Shannon多样性指数H分别为: 0.168、0.186、0.142、0.221(表 2)。由此可知河口洲滩景观多样性极低, 植物群落单调, 且三类景观要素的差异逐渐降低。

由斑块分维数表明(表 2), 茳芏FD在1.29~1.45, 各个斑块形状存在差异, 但总体变化不大。经现场调查确认, 茳芏斑块大多呈圆形或圆环(图 4)。相邻茳芏斑块不断向周围扩张后相互渗透, 形成相交的圆, 圆形斑块老化以及中心部位的植株衰老死亡后形成圆环, 多个相交圆(圆环)组合形成不规则多边形是斑块形状差异的主要原因。红树林FD在1.3左右, 且呈持续下降趋势(表 2), 表明红树林斑块间形状差异较小, 且越来越趋向于近似矩形的凸多边形发展。红树林的扩张是沿潮间带向海逐步推进, 潮滩发育为红树林提供的带状宜林滩地是红树林斑块呈带状凸多边形形状的主要原因。光滩分维度逐渐升高主要是由茳芏零星扩张引起光滩斑块形状发生改变。

茳芏斑块面积百分比P_land由2005年的0.96%增大到2019年的8.64%, 但其斑块密度PD 2005年至2015年快速增加, 2015年至2019年又显著减少(表 1), 优势度Do有所下降(图 3, 表 2), 表明茳芏前期面积的增加是以快速向外扩张形成众多的小斑块来实现的, 后期斑块数量增加受限, 其面积的增加在于单个小斑块向外扩张, 斑块间相互交错融合而形成更大的斑块, 导致斑块数量大幅度减少。红树林斑块面积百分比P_land由2005年的9.58%增大到2019年的26.22%, 而其斑块密度PD也相应减少, 由0.992减少到0.331(表 1), 优势度Do没有太大变化(图 3, 表 2)。表明红树林面积的增加主要表现为由沿斑块外缘边界线平行向潮滩外推^[30]与斑块间空地的填补而使斑块合并。光滩面积百分比稳步下降, 斑块密度大幅度提高, 主要是由于茳芏与红树林侵占光滩, 对光滩的分割而使光滩破碎化, 光滩面积减少, 斑块数量增加。同时, 三个景观要素优势度Do值大致相等, 且自2005年到2019年优势度都处于下降状态(表 2)。这表明南流江河口洲滩景观受这三类景观要素所支配, 红树林与茳芏的发育扩张及对潮滩影响进程相一致, 红树林与茳芏面积的增加导致光滩面积减少, 光滩优势度下降幅度较大(表 2)。显然, 红树林与茳芏在南流江河口洲滩景观中起主导作用。

2.4 南流江河口洲滩景观破碎化程度

南流江河口洲滩各景观类型破碎化指数都接近1(表 3), 这意味着研究区景观破碎化程度非常强, 各景观要素斑块面积小, 斑块数量多, 斑块较分散, 红树林与茳芏在该区域生长发育非常活跃。光滩斑块的分散为红树林与茳芏提供了生存空间, 红树林与茳芏在该区域具有极大的发展潜力。

该区域景观的发展方向为红树林斑块的合并、向海推进与红树林和茳芏斑块间的相互渗透并存, 景观处于快速发育阶段。

3 讨论

南流江河口洲滩景观的空间差异及变迁为红树林、茳芏和光滩三者共同耦合作用所致。在2005年, 红树林位于中潮带以上区域, 茳芏则处于中潮带以下区间, 二者各自有其生长发育的位置, 红树林与茳芏混生区域仅为0.71 hm²(图 3a)。随后自2011年、2015年到2019年, 二者混生区域已有相当规模, 其面积达15.00 hm², 是2005年的21倍(图 3b—3d)。混生区域反映了二者相互渗透和竞争, 一方面茳芏在向海扩张时, 也不断向陆缘桐花树种群空间侵入, 老龄桐花树种群在逐渐老化, 被茳芏取代(图 3)。另一方面桐花树种群向海扩张过程中也不断挤占茳芏种群空间, 处于红树林外延的茳芏则快速向海发展, 茳芏通过捕集泥沙进而促进潮滩发育, 这为茳芏向海迁移又创造新的空间。桐花树种群挤占混生区的茳芏空间后, 随之进一步向海扩张, 从而又和其外延的茳芏形成新的混生区。

经现场调查确认5个江心洲混交层为茳芏向红树林种群侵入的结果, 而七星岛岛尾潮滩的混交层则是红树林挤占了茳芏种群空间。故, 红树林与茳芏的向海扩张减少光滩面积。同时, 红树林与茳芏植物群落的沉沙促淤作用, 使潮滩高程升高, 促使向海潮滩面积增加, 由此引起光滩面积增加。潮滩高程升高至红树林与茳芏的宜林潮滩时, 又为二者扩张提供了立地条件。三者间形成相互促进、相互竞争的关系。

更进一步, 红树林的斑块数基本不变(表 1)而斑块密度增大(表 2), 这说明其扩张除向海推进外, 同时存在其内部空隙的填补, 即红树林面积的增加主要是由斑块扩大或斑块合并所致(图 3、图 5)。茳芏在早期是以自身斑块数的增大而向海扩张, 引起其面积增大(图 3a), 在晚期如2019年则通过斑块之间内部空隙的填补而引起引起面积扩大(图 3d, 图 4)。即茳芏种群的扩张模式前期主要为侵占新领地而形成新的斑块, 斑块零散、随机, 种群整体性不强, 后期则以斑块的交错与融合为主(图 3、图 4)。

此外, 径流携带入海泥沙在河口沉积是潮滩发育的物质基础。由于江心洲受入海河水冲刷与潮汐回流的作用, 其江心洲头与两侧受到水流的强动力作用, 泥沙在该区域内下沉少, 江心洲潮滩向两侧扩张极为有限。从图 3可以看出, 七星岛尾潮滩快速发育是南流江河口洲滩成长的主要特征(图 3a—3d)。由于潮汐水位的动态变化, 潮滩被潮水淹没的范围亦处于动态变化中, 从而较难从影像解译潮滩向海淤涨速率。然而, 从红树林与茳芏的扩张范围看, 能推定潮滩持续向海发育延展, 但潮滩向海推展速率和红树林及茳芏扩张速率的关系, 限于潮位的变化而可能需进一步深入研究。

4 结论

(1) 2005—2019年南流江河口洲滩景观要素自陆向海呈现红树林(桐花树、秋茄)、茳芏及光滩分布格局。河口洲滩景观的Shannon多样性指数H在0.25以下, 景观多样性极低。景观破碎化指数接近1, 近似于完全破碎化。景观要素斑块面积小, 斑块数量多, 斑块较分散。该区域景观的发展方向为红树林斑块的合并、向海推进与红树林和茳芏斑块间的相互渗透并存。

(2) 红树林、茳芏与光滩景观类型优势度Do值大致相等。红树林与茳芏所占面积逐年增大, 光滩为红树林与茳芏的扩张提供了立地条件。

(3) 红树林扩张主要通过挤占斑块间的空间和整体向海迁移完成, 茳芏在光滩上以团状形式零星向海扩张, 红树林与茳芏在混交地带不断相互侵占。红树林与茳芏的发育侵占光滩空间, 但其沉沙促淤作用又加速光滩发育。光滩发育为红树林与茳芏提供更多宜林潮间带, 促进红树林与茳芏的发展。