我国湿地景观研究现状与展望

我国湿地景观研究现状与展望

1湿地景观研究历程湿地是由水和土壤相互作用形成的自然综合体。这是自然界最重要的生态景观和人类栖息地之一。湿地在调蓄洪水、净化水质、调节气候,维持生物多样性和区域生态安全等方面发挥巨大作用,对地区、区域乃至全球气候变化、经济发展及人类生存环境有着重要的影响。我国自1992年加入湿地公约以来,湿地研究和保护工作日益受到科研和政府部门广泛重视。伴随新的理论和技术发展,湿地景观研究逐渐成为湿地学科体系中重要组成部分。但是,相对于湿地研究的其他领域,湿地景观研究是新的生力军,并且逐渐形成了自己的研究体系和方法特色。我国湿地景观系统研究开始较晚,始于20世纪90年代以肖笃宁先生为代表的辽河三角洲湿地景观生态研究工作。该研究系统揭示了辽河三角洲湿地景观类型、格局特征及其变化,并从景观过程角度,探讨了湿地景观格局与水禽生境质量,以及物质流动过程关系,开拓了湿地景观研究的思路和方法。21世纪以来,湿地景观研究得到迅速发展。到2008年,能够通过互联网以“湿地和景观”为主题词检索到的科研论文165篇(指具有研究意义的科研论文),占景观研究论文数量的22%。论文数量呈逐年攀升趋势(图1),研究内容向多元化发展(图2),呈倒金字塔型(图3),并且表现以下特点:1.1湿地景观研究现状目前,我国湿地景观研究区域基本覆盖了重要湿地分布区域,包括东部沿海地区、东北三江平原地区、若尔盖高原地区、长江中下游地区和青藏高原地区等。研究内容涵盖了沼泽、湖泊、河流、河口湿地、海滨湿地、高寒湿地和城市湿地等多种类型。涉及湿地景观格局与动态,景观分类、景观功能与评价,景观生态过程、景观规划与设计以及景观管理等众多领域(图2)。总体来看,我国湿地景观格局及其动态研究处于优势地位,约占64%;其次是景观规划与设计,约占15%;其它研究处于弱势地位。造成这种局面的主要原因,一是国家需求:近年来我国湿地研究受到国家政府、科研部门以及国际组织的高度重视,湿地研究正处于蓬勃发展时期;二是学科发展:湿地景观研究是湿地科学研究新的生长点,发展较为快速,研究内容丰富,但涉及景观过程、功能和管理等纵深发展的研究内容不够深入;三是技术应用:遥感和GIS技术的普遍应用,为湿地景观空间化和定量化研究提供了重要数据来源和技术支持。1.2地表湿地景观信息从现有的湿地景观结构与格局研究方法来看,98%的研究是利用遥感和现有图件获取地表湿地景观信息,利用GIS技术实现湿地信息定量化和空间化分析。并且,通常是选取景观指数定量化表达湿地景观结构与格局特征以及变化规律。常用的景观生态学指数包括景观类型面积、斑块数、多样性、优势度、均匀度、破碎度、分维数、聚集度等。2景观生态学研究景观生态学是一门综合自然科学与社会科学的交叉学科,其主要特点是重视自然和人文因素驱动下景观尺度的生态系统结构、过程和功能及其变化研究。如何将景观生态学理论和方法与景观尺度的湿地研究有机结合起来,有许多需要深入探讨的科学问题。只有深入认识这些问题,才能将湿地景观研究继续推向学科发展的高度,进一步丰富湿地科学理论和方法。2.1景观生态学在景观学中的应用湿地景观概念界定既要遵从景观生态学理论,又要遵从湿地系统自身特性。从景观概念界定来看,景观学最早起源于地理学,并作为地理学的一个分支学科逐渐发展为景观地理学,主要侧重于地理综合体空间水平方向的规律与综合研究。随着人们对大尺度地理—生态环境问题的日益重视,景观地理学逐渐与生态学融合起来,形成景观生态学。经过半个世纪的发展,景观生态学逐渐形成自己的学科体系,并从景观组成、结构特征及功能特性上界定了狭义景观概念,既“景观是由空间上彼此相邻,功能上相互有关,发生上有一定特点的若干空间单元聚合组成的异质性区域”。目前,景观生态学广泛地被应用到各个学科领域,并形成了所谓的广义景观概念:“景观是由斑块、廊道和基质构成的镶嵌体”。湿地是自然界重要的景观类型,湿地景观概念界定应该是狭义和广义景观概念的具体体现或应用。依据湿地存在的景观特征,将湿地景观概念界定为:“以湿地为主体对象,空间上由湿地斑块、廊道以及发生、变化和功能上与湿地相互有关的其它类型空间单元聚合而成的一定异质性的地理区域。在这个地理区域内,其他类型空间单元通过与湿地景观单元间的作用影响湿地生态过程和功能,并形成具有特定湿地景观组合特征和整体性特征的景观区域”。湿地景观概念强调其研究对象是湿地景观系统而不是其它景观类型。由于湿地存在一定的地理区域,其景观研究的时空尺度不仅包括自然生态过程而且包括人类影响的社会经济过程。因而湿地景观研究不仅重视湿地不同尺度生态单元之间的水平相互影响、相互作用关系研究,而且重视湿地生态单元与周围其它空间单元的作用关系研究。2.2土地利用/覆被分类景观分类是把握景观基本属性与功能的重要手段,同时也是景观评价、规划与管理的重要基础。目前,我国有关湿地景观分类的专门研究不多,大多数湿地景观分类是直接纳入景观研究中的,并且通常是以土地利用/覆被分类为基础。湿地景观分类比较简单,通常将湿地分类为沼泽、湿草甸、湖泊、河流等,缺乏针对研究目标和内容能够体现区域特点的湿地景观分类研究。国外湿地景观研究非常重视景观类型特征的分类表达,湿地景观分类比较多样。如可以将湿地按照水文特征分为浅水湿地、深水湿地和开阔水域;也可以按照地貌特征分为洼地湿地、河岸湿地、边缘湿地等;还可以参照植被类型分为草本湿地、木本湿地和灌丛湿地等。选择哪种分类是紧紧围绕研究内容进行的,因此针对性较强,也能够准确表达湿地景观类型基本特征和空间分异规律。2.3遥感解译准备缺乏专业技术由于湿地生态系统的复杂多样性,自然地理特征的独特性和人类干扰的强烈性,决定了对湿地类型遥感信息正确性把握难度较大。遥感解译精度一方面取决于研究者对湿地生态系统及其周边地理环境综合认识和理解的深度,另一方面也取决于遥感影像本身的精度。一般,为了提高遥感解译精度,必须在对遥感信息解译之前,对研究区域地理要素和湿地生态系统类型做深入分析。通常前期遥感调查和后期遥感精度检验同等重要。但是有些研究往往忽视前期野外调查工作,甚至遥感解译人员也不具备湿地专业知识,这些都直接影响解译信息的正确性。另外,提高遥感信息本身的精度也很重要。这主要取决于采用遥感技术对遥感信息处理过程,如利用图像增强等方法增大信息之间差异性,往往可以提高信息识别程度;利用智能分类树等遥感方法也可以提高湿地类型识别精度。再者,根据研究精细程度,选取较高分辩律遥感影像也很重要。但是高分辩律遥感影像包含的信息比较详细,尤其对湿地植物覆被类型的分辨目前仍存在“同谱异物”、“同物异谱”现象,使得其对于湿地植被详细划分很难达到理想的精度。如何通过详细遥感信息区别湿地植物覆被类型是目前制约遥感在湿地景观研究中应用的主要难题。综合利用地理知识,结合区域地形、地貌、水文、土壤等信息,通过野外细致的湿地景观调查以及利用遥感识别方法等是湿地遥感发展的重要出路。2.4遥感影像和现有图件对比湿地景观结构动态研究需要多时段数据。从现有研究成果来看,许多研究选择的多时段数据来源不同。如来源于不同卫星的遥感影像和现有地形图、土地利用图、植被图等。这些遥感影像和图件往往比例尺不同,甚至差异很大,其结果直接造成各时段湿地景观信息详细程度的差异。如果以此为数据基础,景观结构分析结果必然出现偏差。因此,对于多时段、不同数据来源的数据必须采取制图综合等手段,确定最小图斑标准,使数据具有可比性。2.5景观指数重要性国外湿地景观研究以景观结构与生态过程和功能的综合研究为主,研究方法呈多样化特点。许多方法表现在GIS应用的多样性。如利用GIS缓冲区分析方法揭示不同空间尺度下湿地景观丧失、破碎化以及格局特征与动态规律。在景观指数应用上,很少研究通过罗列景观指数方式揭示景观结构,而是针对具体研究问题,构建合适的景观指数,如景观隔离度,景观连通度等。我国大多数湿地景观研究除了简单应用GIS技术实现数据量化分析之外,很少研究体现出与湿地景观结构和功能分析结合的GIS技术方法。大多数研究擅长采用景观指数揭示湿地景观结构与格局一般特征和变化规律。由于大部分的景观格局指数来自于数理统计和几何特征与空间关系的数学表达,所能描述的也只是景观总体特征,无法反映具体生态过程和景观功能,难以反映更高层次的景观格局分析要求。因此,针对不同区域湿地景观要素空间分布特征及其与自然和人文地理要素之间的关系,需要创新性采取合适的方法解决问题,千万不要盲目跟从。如采用地理梯度法、GIS窗口法等能够很好的结合区域自然地理特征和人类影响较好揭示湿地景观结构特征和变化规律。2.6湿地景观过程研究景观尺度的生态过程主要包括三个方面,一是物质流动过程,二是物种运动过程,三是信息流动过程。湿地景观过程研究就是揭示物质、物种及信息如何在景观中流动,以及如何受景观结构与格局影响和控制。目前,相对于湿地景观结构与格局研究,景观过程研究较少,其研究内容主要涉及“水”在景观中的流动过程和典型湿地水鸟在景观中的栖息地利用过程。有关信息在景观中的流动过程研究十分缺乏。2.6.1湿地景观要素间的耦合分析目前,湿地景观要素间的物质流过程主要围绕水流和养分流进行,并且通常以流域为研究功能单元,揭示地形梯度、降水强度、土地利用影响下的湿地景观要素间联系程度如何对地表径流产生影响,揭示湿地景观中的水质和水文过程与景观结构之间复杂的耦合关系。但是,该方面的研究尚不够深入,主要是缺乏从功能或过程角度深入揭示湿地景观中水流时空动态演变过程。2.6.2湿地鸟类对栖息地利用的利用特征湿地是生物多样性最为丰富的区域之一。许多生物赖以湿地而生存、繁衍。尤其是湿地鸟类,如丹顶鹤、东方白鹳、白鹤等大型湿地水禽,它们在景观中的活动范围较大,构成了湿地景观中明显的生物流。一般,大型湿地动物,包括湿地水禽利用的栖息地具有明显的异质性特征,湿地景观异质性结构对水禽空间运动产生重要影响。目前国内外对湿地鸟类(将依赖于湿地和经常栖息于湿地的鸟类一并统称为湿地鸟类)研究较多,而对湿地中鱼类和两栖类等研究比较缺乏。即使现有的湿地鸟类研究也存在一定问题。主要原因是对湿地鸟类在景观中的栖息地利用特征理解不够深刻。由于大多数湿地鸟类属于迁徙物种,具有季节性利用湿地特征。因此,揭示湿地鸟类在景观中的栖息地利用过程一定要明确是哪一种鸟类,其栖息地利用特征是什么?是对繁殖期栖息地利用研究,还是越冬期?对这些问题的细致深入探讨,才能深刻揭示湿地景观结构与鸟类生存、栖息之间的作用关系。另外,湿地景观物种栖息地利用过程同样要考虑自然和人为因素干扰作用,并与景观结构紧密联系起来,从自然、人文以及景观结构与格局综合作用角度,探讨湿地景观结构对物种栖息地利用过程的影响,并通过建立景观过程模型,才能真正从过程角度揭示湿地景观物种的空间运动。2.7湿地功能与效益空间异质性评价景观功能是与景观过程紧密联系在一起的。湿地景观中的水文、生物、化学和物理等自然发生过程构成了其功能。如何正确评估湿地功能,对湿地保护、利用与有效管理非常重要。目前,我国对湿地景观功能评价工作开展较少,研究比较薄弱。少量研究对我国典型区域湿地功能或效益进行评价指标体系研究,也有研究针对湿地某项功能进行定量化评估。自1997年Costanza等人对全球生态系统服务与自然资本价值评估之后,湿地功能价值评估得到快速发展。但是,该方面研究虽然实现了价值量化分析,但是不能在景观尺度实现湿地功能与价值的空间异质性研究,从而制约了该方面研究进展。景观尺度湿地功能评估依赖于对景观要素间相互作用过程的认识,既湿地景观功能是通过景观生态流来实现的。湿地景观斑块之间以及与其它土地利用斑块之间,湿地斑块与河流、沟渠和道路等廊道之间,湿地斑块与基质之间,以及湿地廊道与基质之间的相互作用都是影响生态流流动方向和速度的主要因素。因此,对湿地景观功能分析要以景观结构分析为基础,同时重视揭示景观生态流的流动过程,才能深刻揭示湿地景观功能及其空间差异。3湿地景观研究湿地学是一门自身科学体系尚待完善的学科。作为其分支学科的“湿地景观学”尚未形成其完整的学科体系。但是,无论从学科发展还是从管理角度,湿地景观研究都是湿地学科发展不可缺少的部分。与传统的湿地生态系统研究相比,湿地景观研究有其自己独特的方法体系和内容体系。纵观国内外湿地景观研究现状,湿地景观作为一个崭新的研究领域,体现的是从景观尺度,对湿地景观类型与特征、结构与格局、生态过程与功能等进行深入研究,开展湿地保护与利用、功能恢复与建设、保护与管理等方面的综合研究。其未来发展方向包括以下几个方面:3.1湿地景观分类系统景观分类是湿地景观研究首先需要解决的基础性研究问题。湿地景观分类与国家、国际湿地分类系统之间应该有本质区别和联系,既要充分体现目前国际公认的《湿地公约》湿地分类和《中国湿地分类系统》分类标准和体系,又要针对区域特点,充分体现特定地理条件下湿地类型的独特性与空间异质性分布规律。为此,在对一个特定景观区域进行湿地景观分类时,一定要建立一个能够准确反映该区湿地类型特征和景观异质性的湿地景观分类方法和系统,以反映该区湿地景观与其它区域的差异性。另外,湿地景观分类系统应该重视级别与尺度问题。景观水平的生态过程时空跨度大,因此,对生态过程的强弱与尺度的相关性必须作为重要参考因素,注意时空尺度转换问题。同时,在各个不同景观水平上都要充分注意并认真研究在相应水平上景观过程的主要驱动力,及其对景观功能、动态、结构的影响。3.2生物多样性缺失由于湿地景观分布区域往往是人类活动影响较强区域,湿地景观变化主要表现为景观破碎化。并且,湿地景观破碎化是导致湿地生态系统退化、生物多样性功能减弱甚至丧失的主要原因。因此,重视湿地景观破碎化研究,才能从根本上解决人们对自然和人类活动影响下湿地景观格局演变规律的认识。湿地景观破碎化研究包括两个方面,一是如何从研究方法上,通过构建合适的景观破碎化指数及其与GIS分析结合,揭示景观结构破碎化问题;二是如何从内容上,选择湿地指示性物种或物质,从关键生态过程和功能角度,揭示湿地景观破碎化生态影响。3.3湿地景观格局景观格局与过程和功能之间存在紧密联系,深入理解和把握这种关系是景观生态学研究的重要内容。目前,有关湿地景观格局研究主要采用选取景观格局指数方法,旨在揭示其与过程和功能之间的作用关系。但是,景观格局指数数量多、类型少、不具备普适性的生态学意义。针对湿地景观研究,必须发展基于特定生态过程和功能的景观格局研究方法,包括构建新的指数,才能从客观上反映生态过程和功能。这就要求,针对一定特定景观区域,抓住湿地关键生态过程,结合湿地景观格局多样性和空间差异性以及多功能特征,创新性采用特殊的景观格局研究方法,深刻认识和揭示湿地景观格局对物种