基于景观生态学的三江平原沼泽景观动态变化研究

基于景观生态学的三江平原沼泽景观动态变化研究

沼泽湿地作为区域生态系统的重要组成部分，具有调节区域气候、净化环境和维持区域水分平衡等多种自然功能。作为一种特殊的生态系统,具有半水半陆的生境,为野生动植物生长、繁衍创造了有利条件。进入20世纪80年代,由于不合理的人类活动,使沼泽面临围垦、污染、引种和过度猎取等严重威胁,沼泽面积大幅度小,环境保护功能显著下降,危机到人类和社会的持续发展。三江平原沼泽动态变化便是最明显的一个例子。1江平原沼泽湿地三江平原位于黑龙江省东北部,由黑龙江、松花江和乌苏里江冲积形成的低平原,总面积10.88×104km2。沼泽主要集中分布于:①本区东北部的别拉洪河、浓江、鸭鲁河流域,以毛果苔草沼泽为主;②内外七星河,以芦苇、苔草为主要沼泽类型;③挠力河流域主要分布漂筏苔草沼泽,这些河流的河漫滩宽广,沼泽非常发育;④黑龙江以南,松花江以北箩北县境内的水城子沼泽区,以芦苇-小叶樟沼泽为主,该区还包括嘟噜河、梧桐河、汤旺河下游的芦苇沼泽;⑤完达山以南虎林县境内的七虎林河、阿布沁河的沼泽主要分布在河流中下游的河漫滩、古河道和牛轭湖中,以乌拉苔草、毛果苔草沼泽最为发育;⑥大、小兴凯湖湖滩地芦苇沼泽分布区还包括穆棱河下游的沼泽;⑦在三江平原南部、中部的完达山和老爷岭的山间谷地中,分布具有塔头的苔草沼泽。20世纪以来,三江平原沼泽生态系统的变化是巨大的,也是空前的。1893年本区耕地面积为2.9×104hm2,仅占三江平原总面积的0.27%。当时平原上沼泽和沼泽化草甸连续分布,并有岛状林地分布其间。20世纪40年代末,耕地面积为78.6×104hm2占三江平原总面积的7.2%,虽然耕地面积有所增加,但三江平原周围山地的森林破坏严重,沼泽湿地基本保持原始面貌,平原地区仍以沼泽和沼泽化草甸为主,面积达534.5×104hm2,占全区总面积的49.08%。20世纪50年代中期起大面积开荒,至1982年,三江平原耕地面积已达377.83×104hm2,占三江平原总面积的34.7%,沼泽湿地面积为227.57×104hm2,占总面积的20.9%,沼泽湿地迅速减小。进入80年代以来,随着经济的不断发展,耕地仍不断扩大,到2000年三江平原耕地面积达524.0×104hm2,沼泽湿地的面积仅剩83.5×104hm2,占总面积的7.7%,三江平原的面貌发生了明显变化。2沼泽景观动态分析方法2.1双线回射线沼模型解译本文选取的遥感影像为1986年、1996年和2000年3个时相landsatTM(或ETM)的2、3、4波段,共18景。数据提取步骤为:将1996年的TM数据与1:10万地形图配准,根据三江平原沼泽和相关的土地覆盖类型影像特征,建立解译标志,在ARCVIEW的支持下,进行人机交互式TM影像判读解译,获得1986年研究区沼泽信息。之后,以1986年TM影像为基础,对1996年影像进行纠正,对比1986年和1996年影像,勾绘出沼泽发生变化的图斑,将解译结果在Arc/Info环境下以COVERAGE文件格式储存。2000年数据与上述做法相同。所得数据在Arc/Info环境下进行编辑和修改,生成1986年、1996年和2000年3期数据以及1986-1996年和1996年～2000年两期沼泽动态变化数据。2.2景观分析参数在沼泽图形数据库的支持下,运用景观生态学理论,依据空间分析,进行沼泽图形空间结构基本描述参数计算,确定20世纪80年代中期以来各个时相沼泽空间格局变化特征和规律。以1986～1996年和1996～2000年两个时段的沼泽动态变化图形数据库为基础,用空间统计方法求得沼泽及相关的土地覆盖类型的转化数量,计算沼泽与相关的土地覆盖类型之间的转化率,揭示研究区沼泽转化的趋势和强度。景观分析所采用的参数有景观形状指数(SI)、景观内部生境面积破碎化指数(FL)、边界密度指数(PL)和空间相邻度(NI)。具体计算公式如下:式中,SIi是第i类景观斑块的形状指数,SLi是第i类景观内部生境面积破碎化指数,PLi是第i类景观边界密度指数。其中,Pi为第i类景观斑块的总长度,Ai为第i类景观斑块的总面积,Pij是第i类景观第j斑块的边长,Aij是第i类景观第j斑块面积,Ni是第i类景观斑块总数。SIi≥1,圆形斑块的斑块形状指数等于1.0,长条形为3～4。SLi值在0～1之间,0代表无破碎化存在,1代表给定性质已完全破碎化。PLi揭示了景观被类型被边界的分割程度,是景观破碎化程度的直接反映。其比值越大,破碎化程度越高。NIij为第i类景观要素与第j类景观要素的空间相邻度,ENij是第i类景观要素与第j类景观要素斑块间相邻边界总长度,ENi是第i类景观要素斑块与相邻异质景观要素斑块间相邻边界总长度。3沼泽动态变化景观结构3.1沼块的形状变化景观结构的复杂性主要通过其斑块的数量、面积和形状表现出来。1986年本区沼泽共1026个斑块,1996年随着沼泽面积的减少,沼泽斑块不但没减少,反而增加了17块,2000年沼泽斑块数比1996年少了98块。与沼泽斑块总量变化相一致,沼泽斑块的形状也发生了很大变化。斑块的形状用斑块的形状指数来表示,根据公式(1)计算出来本区沼泽班块的形状指数是非常不规则的。1986年的斑块的形状指数为55.5193,1996年的斑块的形状指数为59.6988,2000年的斑块的形状指数为56.2637(表1)。从此可以看出,本区沼泽的形状都很不规则,相比之下,1996年的沼泽更加破碎。这说明从1986～2000年间,三江平原的沼泽景观经历先被其它景观(特别是耕地)分割,然后被蚕食的过程,使沼泽地逐渐萎缩(图1)。3.2江平原沼生态系统新中国建立之后,三江平原经历了4次垦荒高潮,到1986年沼泽面积仅剩124.0×104hm2,占本区总面积的11.4%(见图1,表1),三江平原主要景观类型已经由沼泽湿地转为农田。1996年沼泽面积109.2×104hm2,10年中沼泽减少14.8×104hm2,平均每年减少1.48×104hm2。2000年沼泽面积为83.5×104hm2。后4年沼泽的开发速度更快,平均每年减少6.42×104hm2,现在沼泽已经龟缩到各河床之中,按这样的开垦速度,十几年内三江平原的沼泽将不复存在。可见三江平原沼泽生态系统的存在芨芨可危。沼泽的开垦使沼泽的总面积减少,平均斑块面积和最大斑块的面积也随之缩小,特别是最大斑块面积缩小得很快,2000年与1986年份相比缩小了36%。3.3两江平原沼异质景观边界特征根据公式(2)和(3)计算出本区不同年份沼泽景观面积破碎化指数(FL)和边界密度指数(PL)(见表1)。综合FL和PL两个指标可以看出,三江平原沼泽景观破碎化程度已相当严重,从1986年以来三江平原沼泽破碎化一直呈上升趋势。根据进一步对沼泽异质景观边界特征的分析可知(表2、图2),持续开荒是导致三江平原沼泽破碎化程度不断增大的主要原因。尽管1986～2000年沼泽面积在减少,耕地的边界却一直占据最大的份额,相邻度(NI)逐年增加。1996年沼泽面积减少,边界总长度却增加(见表1),其中增加最多的是耕地,减少最多的是草地,这说明开荒主要发生在沼泽和草地的边缘地带。到2000年由于沼泽面积的急剧减少,边界长度也急剧减少,而耕地所占份额略有增加,说明以前沼泽中零散分布的耕地已经开始连片,而零散分布在耕地中的沼泽不断消失。草地份额的增加说明沼泽向草甸转化的趋势增强,受人类对环境破坏的影响,沼泽自然退化严重。3.4模式转化的土地覆盖类型三江平原由于近年来大规模的开垦,加速了沼泽的转化过程(图3,表3)。参加1986～1996年时段沼泽景观转化的土地覆盖类型有耕地、草地和湖泊。这10年中沼泽景观都是向减少的方向转化的,沼泽共减少了17.67×104hm2,其中旱地对本区沼泽减少的贡献最大,有14.95×104hm2的沼泽开垦为耕地,占转化总面积的84.5%。其次是草地,约有3.17×104hm2的沼泽转化为草地。可见,开垦沼泽是导致沼泽减少的主要原因,虽然,在该时段中还有1.28×104hm2的旱地转化为沼泽,但不足开垦耕地导致沼泽减少的1/10。此外,还有小面积的草地转化为沼泽,并有小面积的沼泽开垦为水田。参加1996-2000年时段沼泽景观转化的土地覆盖类型有耕地、草地、湖泊和河滩地。在这个时段中,其它类型转化为沼泽的面积有4.96×104hm2,使沼泽面积增加最多的有旱地和草地,其巾旱地使沼泽增加了2.40×104hm2,草地使沼泽增加了1.89×104hm2,分别占其它类型转化沼泽的48%和38%。与此相反,虽然以上各种土地覆盖类型都参加了使沼泽面积减少的转化,但其转化量不同,这个时段沼泽面积共减少了30.47×104hm2,是该时段沼泽增加量的6倍,其中沼泽转化为旱地的面积有29.28×104hm2,占沼泽转化为其它类型面积的96%,草地、河滩地和湖泊在使沼泽减少的转化中只居于次要地位。将上述两个时段合起来看,其它类型转化为沼泽的面积共6.25×104hm2,沼泽转化为其它类型的面积共49.43×104hm2,总的转化趋势是沼泽面积减少,15年来减少转化将近增加转化的8倍。研究两个时段情况,都是旱地对沼泽减少的贡献最大,共使沼泽减少了44.23×104hm2,占15年来沼泽减少总量的89.5%,由此可见,三江平原沼泽退化的主要驱动力是人为对沼泽的开垦。4气文及生物多样性下降1)土地退化。从20世纪50年代以来,三江平原大面积开荒使湿地锐减、原有岛状林被砍、湿地植被破坏,致使土壤风蚀、沙化和水蚀面积扩大,已垦荒地重用轻养,土壤肥力下降。目前三江平原约有70×104hm2的农田受到危害,其中严重风蚀面积为34×104hm2。土地沙化主要分布在松花江以北的萝北、绥滨-一带。根据在二九〇农场24队的采样分析,垦前土壤沙粒含量为35.9%,垦后30年增至76.56%。随着原生植被的破坏,水土流失面积也在扩大。全区不同程度水土流失面积237.6×104hm2,其中轻度侵蚀157.9×104hm2,中度侵蚀74.8×104hm2,重度侵蚀4.95×104hm2,以勃力、密山、穆棱的水蚀面积最大,在25×104hm2以上。当前沼泽湿地是开荒的主要对象,但无系统排水,多数干旱年开荒,涝年又复积水,成为“不稳定耕地”。草甸沼泽土开垦后,土壤水分减少,嫌气环境变为好气环境,有机残体分解加快,土壤容重和比重增大,孔隙度减小,加之不合理耕作,朽化系数增大,抗涝抗旱能力降低。椐宝清实验区测定,沼泽荒地朽化系数为0.768,垦后10年增至0.994,垦后20年增至1.03。同时,掠夺式开发,忽视土壤养分的恢复和积累,导致土壤肥力下降。如宝清县东升乡草甸沼泽土有机质含量开垦前为70～80g/kg,随着开垦年限的增长,有机质含量逐年减少,平均每年下降0.13%,N、P、K含量年下降率分别为0.008%、0.002%、0.012%。2)生物多样性受损。三江平原沼泽湿地大面积开垦,沼泽景观内部生境面积破碎化严重,导致湿地植物和动物生存环境的改变和破坏,使愈来愈多的生物物种、特别是珍稀生物因失去生存空间而濒危甚至灭绝,弱化了生物多样性。同时,系统内生物链、网中断或破损,能流、物流淤塞不畅,生态系统自我调节能力削弱,从而降低了系统的稳定性和有序性。由于栖息地的破坏,丹顶鹤由1984年的309只下降到1995年的65只,大天鹅、白鹳的繁殖种群已不足50只,雁鸭类数量减少了90%以上,现在的繁殖种群密度每公顷不足1对。嘟噜河下游沼泽,1985年调查有丹顶鹤23只、白鹳66只、大天鹅45只,随着耕地的开垦和栖息地破坏,这些珍禽已不再出现了。鱼类资源衰退也较严重,特别是著名的挠力河红肚鲫鱼就是沼泽性河流的特产,现在这种鲫鱼已极少。大面积开荒也使小叶樟和芦苇等沼泽植物资源遭到破坏。20世纪70年代初期芦苇沼泽和苔草小叶樟沼泽大面积分布,现在这些沼泽植物已不易见到;原来随处可见的沼泽植物甜茅现已几乎绝迹。3)湿地功能下降。三江平原的草本沼泽因其草根层和泥炭层的持水能力很高,发挥着蓄洪、削减洪峰、均化洪水过程的重要作用。20世纪80年代估算,全区沼泽蓄水达34×108m3。如挠力河在上游宝清站和保安站至下游菜咀子站之间有大范围的河漫滩沼泽,使菜咀子水文站的夏季洪峰值减少了1/2(相对流量)。近年来由于三江平原沼泽湿地的大面积减少,使其均化洪水的功能丧失,洪涝灾害和旱灾频繁发生。沼泽对周围环境有调节功能。它通过水平方向的热量和水