基于景觀生態(tài)學(xué)的三江平原沼澤景觀動(dòng)態(tài)變化研究

基于景觀生態(tài)學(xué)的三江平原沼澤景觀動(dòng)態(tài)變化研究

沼澤濕地作為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、凈化環(huán)境和維持區(qū)域水分平衡等多種自然功能。作為一種特殊的生態(tài)系統(tǒng),具有半水半陸的生境,為野生動(dòng)植物生長(zhǎng)、繁衍創(chuàng)造了有利條件。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,由于不合理的人類(lèi)活動(dòng),使沼澤面臨圍墾、污染、引種和過(guò)度獵取等嚴(yán)重威脅,沼澤面積大幅度小,環(huán)境保護(hù)功能顯著下降,危機(jī)到人類(lèi)和社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。三江平原沼澤動(dòng)態(tài)變化便是最明顯的一個(gè)例子。1江平原沼澤濕地三江平原位于黑龍江省東北部,由黑龍江、松花江和烏蘇里江沖積形成的低平原,總面積10.88×104km2。沼澤主要集中分布于:①本區(qū)東北部的別拉洪河、濃江、鴨魯河流域,以毛果苔草沼澤為主;②內(nèi)外七星河,以蘆葦、苔草為主要沼澤類(lèi)型;③撓力河流域主要分布漂筏苔草沼澤,這些河流的河漫灘寬廣,沼澤非常發(fā)育;④黑龍江以南,松花江以北籮北縣境內(nèi)的水城子沼澤區(qū),以蘆葦-小葉樟沼澤為主,該區(qū)還包括嘟嚕河、梧桐河、湯旺河下游的蘆葦沼澤;⑤完達(dá)山以南虎林縣境內(nèi)的七虎林河、阿布沁河的沼澤主要分布在河流中下游的河漫灘、古河道和牛軛湖中,以烏拉苔草、毛果苔草沼澤最為發(fā)育;⑥大、小興凱湖湖灘地蘆葦沼澤分布區(qū)還包括穆棱河下游的沼澤;⑦在三江平原南部、中部的完達(dá)山和老爺嶺的山間谷地中,分布具有塔頭的苔草沼澤。20世紀(jì)以來(lái),三江平原沼澤生態(tài)系統(tǒng)的變化是巨大的,也是空前的。1893年本區(qū)耕地面積為2.9×104hm2,僅占三江平原總面積的0.27%。當(dāng)時(shí)平原上沼澤和沼澤化草甸連續(xù)分布,并有島狀林地分布其間。20世紀(jì)40年代末,耕地面積為78.6×104hm2占三江平原總面積的7.2%,雖然耕地面積有所增加,但三江平原周?chē)降氐纳制茐膰?yán)重,沼澤濕地基本保持原始面貌,平原地區(qū)仍以沼澤和沼澤化草甸為主,面積達(dá)534.5×104hm2,占全區(qū)總面積的49.08%。20世紀(jì)50年代中期起大面積開(kāi)荒,至1982年,三江平原耕地面積已達(dá)377.83×104hm2,占三江平原總面積的34.7%,沼澤濕地面積為227.57×104hm2,占總面積的20.9%,沼澤濕地迅速減小。進(jìn)入80年代以來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,耕地仍不斷擴(kuò)大,到2000年三江平原耕地面積達(dá)524.0×104hm2,沼澤濕地的面積僅剩83.5×104hm2,占總面積的7.7%,三江平原的面貌發(fā)生了明顯變化。2沼澤景觀動(dòng)態(tài)分析方法2.1雙線回射線沼模型解譯本文選取的遙感影像為1986年、1996年和2000年3個(gè)時(shí)相l(xiāng)andsatTM(或ETM)的2、3、4波段,共18景。數(shù)據(jù)提取步驟為:將1996年的TM數(shù)據(jù)與1:10萬(wàn)地形圖配準(zhǔn),根據(jù)三江平原沼澤和相關(guān)的土地覆蓋類(lèi)型影像特征,建立解譯標(biāo)志,在ARCVIEW的支持下,進(jìn)行人機(jī)交互式TM影像判讀解譯,獲得1986年研究區(qū)沼澤信息。之后,以1986年TM影像為基礎(chǔ),對(duì)1996年影像進(jìn)行糾正,對(duì)比1986年和1996年影像,勾繪出沼澤發(fā)生變化的圖斑,將解譯結(jié)果在Arc/Info環(huán)境下以COVERAGE文件格式儲(chǔ)存。2000年數(shù)據(jù)與上述做法相同。所得數(shù)據(jù)在Arc/Info環(huán)境下進(jìn)行編輯和修改,生成1986年、1996年和2000年3期數(shù)據(jù)以及1986-1996年和1996年～2000年兩期沼澤動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。2.2景觀分析參數(shù)在沼澤圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下,運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)理論,依據(jù)空間分析,進(jìn)行沼澤圖形空間結(jié)構(gòu)基本描述參數(shù)計(jì)算,確定20世紀(jì)80年代中期以來(lái)各個(gè)時(shí)相沼澤空間格局變化特征和規(guī)律。以1986～1996年和1996～2000年兩個(gè)時(shí)段的沼澤動(dòng)態(tài)變化圖形數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),用空間統(tǒng)計(jì)方法求得沼澤及相關(guān)的土地覆蓋類(lèi)型的轉(zhuǎn)化數(shù)量,計(jì)算沼澤與相關(guān)的土地覆蓋類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化率,揭示研究區(qū)沼澤轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)和強(qiáng)度。景觀分析所采用的參數(shù)有景觀形狀指數(shù)(SI)、景觀內(nèi)部生境面積破碎化指數(shù)(FL)、邊界密度指數(shù)(PL)和空間相鄰度(NI)。具體計(jì)算公式如下:式中,SIi是第i類(lèi)景觀斑塊的形狀指數(shù),SLi是第i類(lèi)景觀內(nèi)部生境面積破碎化指數(shù),PLi是第i類(lèi)景觀邊界密度指數(shù)。其中,Pi為第i類(lèi)景觀斑塊的總長(zhǎng)度,Ai為第i類(lèi)景觀斑塊的總面積,Pij是第i類(lèi)景觀第j斑塊的邊長(zhǎng),Aij是第i類(lèi)景觀第j斑塊面積,Ni是第i類(lèi)景觀斑塊總數(shù)。SIi≥1,圓形斑塊的斑塊形狀指數(shù)等于1.0,長(zhǎng)條形為3～4。SLi值在0～1之間,0代表無(wú)破碎化存在,1代表給定性質(zhì)已完全破碎化。PLi揭示了景觀被類(lèi)型被邊界的分割程度,是景觀破碎化程度的直接反映。其比值越大,破碎化程度越高。NIij為第i類(lèi)景觀要素與第j類(lèi)景觀要素的空間相鄰度,ENij是第i類(lèi)景觀要素與第j類(lèi)景觀要素斑塊間相鄰邊界總長(zhǎng)度,ENi是第i類(lèi)景觀要素斑塊與相鄰異質(zhì)景觀要素斑塊間相鄰邊界總長(zhǎng)度。3沼澤動(dòng)態(tài)變化景觀結(jié)構(gòu)3.1沼塊的形狀變化景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性主要通過(guò)其斑塊的數(shù)量、面積和形狀表現(xiàn)出來(lái)。1986年本區(qū)沼澤共1026個(gè)斑塊,1996年隨著沼澤面積的減少,沼澤斑塊不但沒(méi)減少,反而增加了17塊,2000年沼澤斑塊數(shù)比1996年少了98塊。與沼澤斑塊總量變化相一致,沼澤斑塊的形狀也發(fā)生了很大變化。斑塊的形狀用斑塊的形狀指數(shù)來(lái)表示,根據(jù)公式(1)計(jì)算出來(lái)本區(qū)沼澤班塊的形狀指數(shù)是非常不規(guī)則的。1986年的斑塊的形狀指數(shù)為55.5193,1996年的斑塊的形狀指數(shù)為59.6988,2000年的斑塊的形狀指數(shù)為56.2637(表1)。從此可以看出,本區(qū)沼澤的形狀都很不規(guī)則,相比之下,1996年的沼澤更加破碎。這說(shuō)明從1986～2000年間,三江平原的沼澤景觀經(jīng)歷先被其它景觀(特別是耕地)分割,然后被蠶食的過(guò)程,使沼澤地逐漸萎縮(圖1)。3.2江平原沼生態(tài)系統(tǒng)新中國(guó)建立之后,三江平原經(jīng)歷了4次墾荒高潮,到1986年沼澤面積僅剩124.0×104hm2,占本區(qū)總面積的11.4%(見(jiàn)圖1,表1),三江平原主要景觀類(lèi)型已經(jīng)由沼澤濕地轉(zhuǎn)為農(nóng)田。1996年沼澤面積109.2×104hm2,10年中沼澤減少14.8×104hm2,平均每年減少1.48×104hm2。2000年沼澤面積為83.5×104hm2。后4年沼澤的開(kāi)發(fā)速度更快,平均每年減少6.42×104hm2,現(xiàn)在沼澤已經(jīng)龜縮到各河床之中,按這樣的開(kāi)墾速度,十幾年內(nèi)三江平原的沼澤將不復(fù)存在?？梢?jiàn)三江平原沼澤生態(tài)系統(tǒng)的存在芨芨可危。沼澤的開(kāi)墾使沼澤的總面積減少,平均斑塊面積和最大斑塊的面積也隨之縮小,特別是最大斑塊面積縮小得很快,2000年與1986年份相比縮小了36%。3.3兩江平原沼異質(zhì)景觀邊界特征根據(jù)公式(2)和(3)計(jì)算出本區(qū)不同年份沼澤景觀面積破碎化指數(shù)(FL)和邊界密度指數(shù)(PL)(見(jiàn)表1)。綜合FL和PL兩個(gè)指標(biāo)可以看出,三江平原沼澤景觀破碎化程度已相當(dāng)嚴(yán)重,從1986年以來(lái)三江平原沼澤破碎化一直呈上升趨勢(shì)。根據(jù)進(jìn)一步對(duì)沼澤異質(zhì)景觀邊界特征的分析可知(表2、圖2),持續(xù)開(kāi)荒是導(dǎo)致三江平原沼澤破碎化程度不斷增大的主要原因。盡管1986～2000年沼澤面積在減少,耕地的邊界卻一直占據(jù)最大的份額,相鄰度(NI)逐年增加。1996年沼澤面積減少,邊界總長(zhǎng)度卻增加(見(jiàn)表1),其中增加最多的是耕地,減少最多的是草地,這說(shuō)明開(kāi)荒主要發(fā)生在沼澤和草地的邊緣地帶。到2000年由于沼澤面積的急劇減少,邊界長(zhǎng)度也急劇減少,而耕地所占份額略有增加,說(shuō)明以前沼澤中零散分布的耕地已經(jīng)開(kāi)始連片,而零散分布在耕地中的沼澤不斷消失。草地份額的增加說(shuō)明沼澤向草甸轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)增強(qiáng),受人類(lèi)對(duì)環(huán)境破壞的影響,沼澤自然退化嚴(yán)重。3.4模式轉(zhuǎn)化的土地覆蓋類(lèi)型三江平原由于近年來(lái)大規(guī)模的開(kāi)墾,加速了沼澤的轉(zhuǎn)化過(guò)程(圖3,表3)。參加1986～1996年時(shí)段沼澤景觀轉(zhuǎn)化的土地覆蓋類(lèi)型有耕地、草地和湖泊。這10年中沼澤景觀都是向減少的方向轉(zhuǎn)化的,沼澤共減少了17.67×104hm2,其中旱地對(duì)本區(qū)沼澤減少的貢獻(xiàn)最大,有14.95×104hm2的沼澤開(kāi)墾為耕地,占轉(zhuǎn)化總面積的84.5%。其次是草地,約有3.17×104hm2的沼澤轉(zhuǎn)化為草地。可見(jiàn),開(kāi)墾沼澤是導(dǎo)致沼澤減少的主要原因,雖然,在該時(shí)段中還有1.28×104hm2的旱地轉(zhuǎn)化為沼澤,但不足開(kāi)墾耕地導(dǎo)致沼澤減少的1/10。此外,還有小面積的草地轉(zhuǎn)化為沼澤,并有小面積的沼澤開(kāi)墾為水田。參加1996-2000年時(shí)段沼澤景觀轉(zhuǎn)化的土地覆蓋類(lèi)型有耕地、草地、湖泊和河灘地。在這個(gè)時(shí)段中,其它類(lèi)型轉(zhuǎn)化為沼澤的面積有4.96×104hm2,使沼澤面積增加最多的有旱地和草地,其巾旱地使沼澤增加了2.40×104hm2,草地使沼澤增加了1.89×104hm2,分別占其它類(lèi)型轉(zhuǎn)化沼澤的48%和38%。與此相反,雖然以上各種土地覆蓋類(lèi)型都參加了使沼澤面積減少的轉(zhuǎn)化,但其轉(zhuǎn)化量不同,這個(gè)時(shí)段沼澤面積共減少了30.47×104hm2,是該時(shí)段沼澤增加量的6倍,其中沼澤轉(zhuǎn)化為旱地的面積有29.28×104hm2,占沼澤轉(zhuǎn)化為其它類(lèi)型面積的96%,草地、河灘地和湖泊在使沼澤減少的轉(zhuǎn)化中只居于次要地位。將上述兩個(gè)時(shí)段合起來(lái)看,其它類(lèi)型轉(zhuǎn)化為沼澤的面積共6.25×104hm2,沼澤轉(zhuǎn)化為其它類(lèi)型的面積共49.43×104hm2,總的轉(zhuǎn)化趨勢(shì)是沼澤面積減少,15年來(lái)減少轉(zhuǎn)化將近增加轉(zhuǎn)化的8倍。研究?jī)蓚€(gè)時(shí)段情況,都是旱地對(duì)沼澤減少的貢獻(xiàn)最大,共使沼澤減少了44.23×104hm2,占15年來(lái)沼澤減少總量的89.5%,由此可見(jiàn),三江平原沼澤退化的主要驅(qū)動(dòng)力是人為對(duì)沼澤的開(kāi)墾。4氣文及生物多樣性下降1)土地退化。從20世紀(jì)50年代以來(lái),三江平原大面積開(kāi)荒使?jié)竦劁J減、原有島狀林被砍、濕地植被破壞,致使土壤風(fēng)蝕、沙化和水蝕面積擴(kuò)大,已墾荒地重用輕養(yǎng),土壤肥力下降。目前三江平原約有70×104hm2的農(nóng)田受到危害,其中嚴(yán)重風(fēng)蝕面積為34×104hm2。土地沙化主要分布在松花江以北的蘿北、綏濱-一帶。根據(jù)在二九〇農(nóng)場(chǎng)24隊(duì)的采樣分析,墾前土壤沙粒含量為35.9%,墾后30年增至76.56%。隨著原生植被的破壞,水土流失面積也在擴(kuò)大。全區(qū)不同程度水土流失面積237.6×104hm2,其中輕度侵蝕157.9×104hm2,中度侵蝕74.8×104hm2,重度侵蝕4.95×104hm2,以勃力、密山、穆棱的水蝕面積最大,在25×104hm2以上。當(dāng)前沼澤濕地是開(kāi)荒的主要對(duì)象,但無(wú)系統(tǒng)排水,多數(shù)干旱年開(kāi)荒,澇年又復(fù)積水,成為“不穩(wěn)定耕地”。草甸沼澤土開(kāi)墾后,土壤水分減少,嫌氣環(huán)境變?yōu)楹脷猸h(huán)境,有機(jī)殘?bào)w分解加快,土壤容重和比重增大,孔隙度減小,加之不合理耕作,朽化系數(shù)增大,抗?jié)晨购的芰档?。椐寶清?shí)驗(yàn)區(qū)測(cè)定,沼澤荒地朽化系數(shù)為0.768,墾后10年增至0.994,墾后20年增至1.03。同時(shí),掠奪式開(kāi)發(fā),忽視土壤養(yǎng)分的恢復(fù)和積累,導(dǎo)致土壤肥力下降。如寶清縣東升鄉(xiāng)草甸沼澤土有機(jī)質(zhì)含量開(kāi)墾前為70～80g/kg,隨著開(kāi)墾年限的增長(zhǎng),有機(jī)質(zhì)含量逐年減少,平均每年下降0.13%,N、P、K含量年下降率分別為0.008%、0.002%、0.012%。2)生物多樣性受損。三江平原沼澤濕地大面積開(kāi)墾,沼澤景觀內(nèi)部生境面積破碎化嚴(yán)重,導(dǎo)致濕地植物和動(dòng)物生存環(huán)境的改變和破壞,使愈來(lái)愈多的生物物種、特別是珍稀生物因失去生存空間而瀕危甚至滅絕,弱化了生物多樣性。同時(shí),系統(tǒng)內(nèi)生物鏈、網(wǎng)中斷或破損,能流、物流淤塞不暢,生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力削弱,從而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有序性。由于棲息地的破壞,丹頂鶴由1984年的309只下降到1995年的65只,大天鵝、白鸛的繁殖種群已不足50只,雁鴨類(lèi)數(shù)量減少了90%以上,現(xiàn)在的繁殖種群密度每公頃不足1對(duì)。嘟嚕河下游沼澤,1985年調(diào)查有丹頂鶴23只、白鸛66只、大天鵝45只,隨著耕地的開(kāi)墾和棲息地破壞,這些珍禽已不再出現(xiàn)了。魚(yú)類(lèi)資源衰退也較嚴(yán)重,特別是著名的撓力河紅肚鯽魚(yú)就是沼澤性河流的特產(chǎn),現(xiàn)在這種鯽魚(yú)已極少。大面積開(kāi)荒也使小葉樟和蘆葦?shù)日訚芍参镔Y源遭到破壞。20世紀(jì)70年代初期蘆葦沼澤和苔草小葉樟沼澤大面積分布,現(xiàn)在這些沼澤植物已不易見(jiàn)到;原來(lái)隨處可見(jiàn)的沼澤植物甜茅現(xiàn)已幾乎絕跡。3)濕地功能下降。三江平原的草本沼澤因其草根層和泥炭層的持水能力很高,發(fā)揮著蓄洪、削減洪峰、均化洪水過(guò)程的重要作用。20世紀(jì)80年代估算,全區(qū)沼澤蓄水達(dá)34×108m3。如撓力河在上游寶清站和保安站至下游菜咀子站之間有大范圍的河漫灘沼澤,使菜咀子水文站的夏季洪峰值減少了1/2(相對(duì)流量)。近年來(lái)由于三江平原沼澤濕地的大面積減少,使其均化洪水的功能喪失,洪澇災(zāi)害和旱災(zāi)頻繁發(fā)生。沼澤對(duì)周?chē)h(huán)境有調(diào)節(jié)功能。它通過(guò)水平方向的熱量和水