典型流域湿地景观破碎化过程及其演变

典型流域湿地景观破碎化过程及其演变

1景观破碎化过程景观破碎化过程研究是景观生态和景观保护的中心研究内容，它直接影响着景观中生物多样性、能量流动、物质循环等生态特征和过程[2、4、7、10、13、14、15和17]。简单讲,景观破碎化是指景观由连续完整的整体趋向于不连续、地理位置上相互分离的斑块体的过程.景观破碎化是一个连续的过程,因此,基质和斑块经常作为该方面研究的基本要素.在景观破碎化过程中,人类活动和自然干扰是主要驱动因素,而近期人类活动对景观的影响远大于自然干扰,成为景观破碎化的主导影响因素.过去,许多有关景观破碎化研究主要关注某段时期内景观斑块面积大小变化、形状变化、斑块密度变化、斑块之间的连接度变化以及人类活动的影响,而忽视了景观空间结构的变化过程.而对景观的破碎化过程研究则更为少见.实际上,景观破碎化过程是一个连续的变化过程,对这一过程的深入认识需要探讨景观斑块个体和空间结构两方面的破碎化过程以及人类活动的影响.景观斑块个体的破碎化反映了斑块面积丧失和面积、形状等的变化程度,而结构上的破碎化反映了斑块个体的空间组合关系和斑块类型的异质性变化,这两方面的变化相互影响,都与人类活动息息相关.本文以三江平原典型流域为研究单元,利用历史时期相关图件、遥感数字资料和GIS技术恢复重现一定历史时期不同阶段的湿地景观,研究湿地景观的破碎化过程,从较大的时空尺度认识湿地景观斑块个体和空间结构的破碎化过程;分析导致流域湿地景观破碎化的主导影响因素,为进一步研究湿地景观破碎化效应和湿地保护提供科学依据.2研究领域和方法2.1挠力河流域特征选择三江平原挠力河流域和别拉洪河流域为研究区域.两流域位于完达山脉以北,131°31′～134°10′E,45°43′～47°35′N.挠力河流域属山区-平原型流域,面积为22630km2,其中平原占65%,山区占35%.该流域山区河流众多,汇集在平原后主要是挠力河和七星河,其中挠力河是主流,全长596km,最后汇入乌苏里江.别拉洪河流域位于挠力河流域以北,并与挠力河流域紧邻,面积为4334km2.别拉洪河流域属于平原型流域,河流主要由上游积水汇集而成,因而河流较少,并具有沼泽性河流特征,即丰水期有河道,枯水期河道不明显(图1).两流域处于温带、湿润半湿润大陆性季风气候,降水丰富,利于沼泽湿地的形成和发育.加上流域内平原区地势低平,地表径流不畅,且广泛分布的粘性土层阻碍地表水下渗,因而形成大面积湿地.建国以来,各流域农业开发活动非常活跃.挠力河流域由于地势高、易于开发,历史上经历了四次大规模农业开发活动;别拉洪河流域则由于地势低平难于开发,历史上仅经历两次大规模开发活动.农业开发的结果使大面积湿地转化为农田,目前两流域已成为三江平原主要产粮区和国家重要商品粮基地.2.2学习方法2.2.1景观图册的编制利用制图和GIS技术对流域1950年(1935航测,1945年编制的1∶10万地形图)、1965年(60年代测量的1∶20万地形图)、1976年(中国科学院长春地理研究所编制的1∶20万荒地调查图)、1983年(中国科学院长春地理研究所编制的1∶20万湿地植被图)等图件进行景观制图;利用2000年TM/ETM遥感影像数据进行人工解译并结合野外景观调查编制2000年湿地景观现状图.为使上述数据精度可靠,真实反映不同时期湿地景观和土地利用状况,制图中采用相同的景观分类系统、相同的地图投影和最小制图单元.将上述5个时段数据进行GIS整合,并进行叠加分析和数据统计分析,研究流域湿地景观破碎化过程.2.2.2斑块密度指数景观破碎化分析一般采用景观破碎化指数进行定量分析.通常采用斑块密度指数,最大斑块面积、平均斑块面积等反映破碎化状况;也可用斑块形状破碎化指数、生境面积破碎化指数反映破碎化状况.本文还引用隔离度和破碎化空间模式反映景观空间结构变化特征.(1)各因素之比即斑块个数与面积的比值,本文采用各类景观斑块个数与其面积之比表示.比值愈大,破碎化程度愈高.以此可比较不同类型景观的破碎化程度及整个景观的破碎化状况.但由于这一算法只能做横向比较,因而还需要其它指标配合.(2)景观斑块的形状景观斑块形状破碎化指数有两种,FS1和FS2,其计算公式为:式中,FS1和FS2是两个某一景观类型斑块形状破碎化指数,MSI是景观斑块的平均形状指数,ASI是用面积加权的景观斑块平均形状指数,SI(i)是景观斑块i的形状指数,P(i)是景观斑块i的周长,A(i)是景观斑块i的面积,A是该景观类型的总面积,N是该景观类型的斑块数.应注意的是,ASI(i)的计算是以正方形为标准的形状指数,即正方形的形状指数为1,其它均大于1.当两种指数均较高时,则形状破碎化程度较深.(3)景观类型内的生境面积破碎化指数fi1计算公式为:FI1=1-Ai/A;FI2=1-A1/A式中,FI1和FI2是两个景观类型内部生境面积破碎化指数,Ai是某一景观类型内部总面积,A1是该景观类型最大斑块面积,A是景观总面积.一般景观类型的单独斑块面积大,指数则低.(4)距离障碍物斑块隔离度是指斑块被隔离的程度,用被隔离的斑块数量占总斑块数量的百分比表示.百分比越大表示被隔离的斑块数量越多,景观越不连续.3结果与分析3.1湿地景观斑块面积和斑块密度变化3.1.1斑块面积的破碎化景观斑块面积破碎化主要表现为景观斑块由大面积连续分布的斑块体逐渐破碎、萎缩变小的过程,用斑块最大面积和平均面积的变化来反映.由于构成流域湿地景观的主体类型主要是沼泽和湿草甸,因此斑块面积变化也主要反映在这两种类型中.从斑块最大面积变化趋势分析,各流域湿地景观最大斑块面积均呈减少趋势.其中挠力河流域湿地景观最大斑块面积减少了92.6%,别拉洪河流域减少了74.6%.各流域湿草甸最先发生变化,挠力河流域湿草甸从50年代开始减少,到1965年已经减少了84%,以后持续减少,到2000年由于剩余的大部分沼泽演替为湿草甸的缘故,湿草甸面积有所增加;沼泽湿地受影响的年代相对晚于湿草甸,各流域沼泽从1976年后开始变化,最大变化幅度发生在1983年之后,变化速度大于湿草甸.其中挠力河流域沼泽最大斑块面积减少了98%,别拉洪河流域沼泽斑块最大面积减少了100%.从斑块平均面积变化看,各类型湿地景观斑块平均面积均呈迅速减少趋势,两流域均减少了99%.减少的规模和速度与最大斑块面积变化相似,反映了不同年代人类活动对不同湿地景观类型干扰的差异(图2).3.1.2斑块密度变化斑块密度反映斑块数量与其面积的关系.从表1中看出,挠力河流域和别拉洪河流域湿地在1983年以前以大面积斑块占主体,景观空间上连续,斑块密度小于1;尤其在1950年各类型湿地景观在空间上互相镶嵌,形成一个连续完整的巨型斑块,景观处于基质状态;自1965年湿地景观开始破碎,但破碎化程度不高,斑块密度指数略微上升;1983年以后斑块密度指数上升幅度增大,到2000年达到最高水平,景观破碎化处于极其严重状态.3.1.3景观破碎化指数分析比较1950,1983和2000年湿地景观破碎化指数发现,挠力河流域湿地景观形状破碎化指数(FS1,FS2)逐渐增大,表明湿地景观在形状上变化很大并向不规则方向变化.但各类型景观又不平衡,其中灌丛湿地和岛状林湿地景观形状越来越规则化,湿草甸在1983年之前趋于规则,而目前又表现出不规则状态,说明湿草甸景观形状受地形和人为活动控制.沼泽湿地景观形状破碎化指数先上升后下降,说明景观形状从不规则趋于规则.别拉洪河流域湿地景观形状也越来越不规则且变化幅度较大,目前主要呈狭长形沿河道分布.灌丛和岛状林湿地形状越来越规则.湿地景观内部生境面积破碎化指数(FI1,FI2)在两流域均呈上升趋势,说明面积破碎化越来越严重.尤其1983年以后,各流域沼泽和湿草甸在面积上受影响最大,目前处于极端破碎化状态(表2).3.2湿地景观结构的破碎过程3.2.1流域湿地景观类型的时空分布历史上三江平原开发较晚,大规模的农业开发始于1956年,所以50年代初期,该区基本处于原始状态.图3重现了研究区域原始湿地景观空间结构特征.其中挠力河流域湿地面积占流域面积的64.65%;别拉洪河流域湿地面积占流域面积的95.93%.各流域湿地景观空间分布上具有一致的规律性,沿河岸高低河漫滩常年积水沼泽湿地景观;离河岸较远的阶地为小叶章湿草甸景观;这些湿地景观类型在流域内呈大面积连续分布.另外,流域中还存在小斑块湿地景观类型,主要是泡沼、岛状林湿地和灌丛湿地,它们分布在沼泽和湿草甸景观中,星罗棋布,数量繁多.如挠力河流域泡沼数量达1011个,岛状林湿地162个;别拉洪河流域的泡沼数量为279个,岛状林为65个;这是流域内微地貌极其发育的结果.所以,在原始状态,各流域湿地景观在空间分布上表现为大面积沼泽和湿草甸景观中镶嵌小面积泡沼、岛状林和灌丛湿地景观,它们连接成片,镶嵌形成一个具有丰富类型的基质湿地景观.虽然1998年政府禁止开垦任何湿地,但到2000年,各流域湿地景观已经发生了巨大变化.从图3可见,2000年各流域湿地景观仅剩下河岸湿地和零星分布农田中的小块湿地,湿地面积丧失率在挠力河流域达87.3%,别拉洪河流域达75.28%;即使河岸湿地景观在空间分布上也呈现不连续状态.景观类型也发生了巨大变化,河岸湿地景观基本由单一湿草甸景观构成,沼泽景观基本丧失或发生了演替和退化,而泡沼、岛状林湿地和灌丛湿地等小斑块景观数量丧失极其严重.在挠力河流域泡沼数量丧失95%、岛状林为78%;别拉洪河流域泡沼数量丧失98%,岛状林为72%;目前农田中的小块湿地主要是湿草甸,其数量扩大了25倍.3.2.2别拉洪河流域湿地景观的空间变化通过以上分析发现,各流域湿地景观空间分布特征已经发生巨大变化,主要表现为由初始的完整连续分布的基质景观变化为破碎的河岸廊带景观和零星分布于农田中的小斑块景观.为此,根据50年来不同时段景观数据,从以下三方面分析流域湿地景观结构破碎化过程.(1)由基质景观向廊带景观的变化过程.三江平原各流域湿地景观原呈连续分布的基质景观状态,很难辨认出沿河流分布的湿地景观廊带的带状特征,但随着人类活动的干扰作用加强,流域湿地景观廊带特征日益突出.研究发现,50年来各流域廊带在宽度和长度方面均发生了巨大变化.1965年以前,挠力河流域中下游是连片的湿地景观,其支流——七星河流域河流廊带与挠力河河流廊带连接在一起构成宽广的廊带上部,其宽度可达117km;1976年后期,这两条廊带开始相互分离,各自的宽度逐渐变窄;1983年以后变化更加迅速.2000年,七星河廊带宽度缩减了98%,已呈现线状特征;挠力河中游廊带则缩减了90%.该流域廊带的宽度变化还表现在下游区域.到2000年,下游廊带宽度已缩减了80%.廊带的长度变化主要发生在1983年以后,挠力河河流廊带和七星河河流廊带均开始断裂,原来的连通性被破坏.到2000年,挠力河河流廊带长度减少了30%,七星河则减少了51%(图3,表3).别拉洪河流域河流廊带的变化发生于1976年,但宽度和长度变化均很小;1983年以后变化加大,湿地廊带上游宽度缩减了40%,中游为23%,下游68%;长度减少了30%;到2000年,湿地廊带在长度和宽度上均发生巨大变化,河流上游廊带消失,中游缩减了87%,下游缩减了94%;廊带从中间断开,中游部分为58km,下游为70km,中间断开距离达4.6km,整个长度减少了42%(表3).至此,三江平原各流域湿地景观已经由原始的基质景观变化为分布不连续的河岸廊带景观(图3).(2)隔离湿地景观斑块变化过程.隔离湿地(Geographicallyisolatedwetlands)的概念是美国鱼类和野生动物协会提出的.实际上,“隔离”是相对的概念,一般指相互分离,位置上相互独立.隔离湿地可以理解为一种与其它湿地或水体分离开来独立存在的一种湿地类型.它们在景观上或地理位置上相互分离,不与其它湿地或水体通过地表水或地下水联系在一起.产生隔离湿地的原因很多,主要是人类活动的影响.三江平原流域湿地由于土地开发活动,排水活动以及建筑防洪大堤等使湿地从河岸湿地廊带中逐渐隔离出来.被隔离的湿地类型和数量主要受人类活动影响和土地开发强度控制.挠力河流域在建国初期受人类活动影响很小,被隔离在农田中的湿地主要是泡沼和草甸湿地.随着人类活动影响加剧,隔离湿地数量开始上升;1983年后,原来被隔离的湿地大多数丧失,新的被隔离湿地大量出现,数量迅速上升;其中被隔离的泡沼从1983的50.8%减少为2000年的11.6%,说明原有的泡沼丧失或被转化为其它类型景观;而灌丛和岛状林湿地几乎被完全隔离(表4).与挠力河流域相似,别拉洪河流域湿地景观的隔离度在1983年后开始迅速上升,1983年之前,湿地景观隔离度很低,湿地景观呈连续基质景观状态;到2000年,各类湿地景观隔离度均高于87%,甚至达100%,湿地景观几乎处于完全隔离状态(表4).(3)景观结构空间模式变化过程.湿地景观的破碎化状态在空间上表现出不同的模式.如由一个或少数几个大的斑块和周围许多小的斑块体构成的大陆-岛屿型模式;仅由面积相当的众多斑块体构成的斑块型模式;由分布于中央的一个大斑块和周围多个小斑块组成的卫星型模式以及各斑块之间处于完全隔离状态的完全隔绝型模式等.不同模式的空间结构功能不同,对流域湿地景观功能的影响也不同.为了反映流域湿地景观结构空间模式的时空变化,采用斑块面积分级的方法,将斑块面积由大到小分为7个级别,然后分析1950、1983和2000年湿地景观各级别湿地景观斑块数量和面积构成情况.图4反映了挠力河流域和别拉洪河流域3个时段湿地景观在面积和斑块数量构成方面的时空变化.两流域在50年代初期,湿地景观斑块数量极少,大于200km2的湿地斑块面积在空间结构上占绝对优势,表现为大陆-岛屿型模式.到1983年,湿地面积大量丧失,小于0.1km2的斑块数量增加迅速,这些主要是被隔离出来的泡沼和沼泽等小斑块景观;面积构成上大于200km2的湿地景观斑块仍然占主体地位,但面积小于60km2的各级别斑块数量均开始增加,空间上表现出卫星型模式;到2000年,各流域小于0.1km2的斑块数量迅猛增加,同时其它级别的斑块数量也迅速上升;面积构成上,大斑块的主体地位丧失,空间上表现为完全隔绝型模式.图5示意了这一空间结构的变化过程.3.3挠力河流域耕地变化的历史上湿地景观破碎化过程.结合该区的土地开发历史,发现湿地景观破碎化的主导影响因素是人类