景觀空間格局的生態(tài)意義

景觀空間格局的生態(tài)意義

景觀生態(tài)學(xué)研究包括景觀的空間結(jié)構(gòu)、相互作用、功能和動態(tài)變化，以及不同生態(tài)系統(tǒng)組成的景觀及其組成部分的資源和環(huán)境管理。人類活動對景觀及其組成部分的影響。景觀空間格局是指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的排列,它是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn),又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果。這一研究可為環(huán)境資源的合理管理提供有價值的資料,已成為景觀生態(tài)學(xué)研究的核心之一。三江平原是由黑龍江、松花江、烏蘇里江沖積而成的低平原,區(qū)內(nèi)沼澤廣布,是我國最大的沼澤集中分布區(qū)。自20世紀(jì)50年代,人類開始對三江平原進行了過度的開發(fā)和破壞,使得沼澤濕地資源的數(shù)量和質(zhì)量急劇下降,其空間分布格局也遭到嚴(yán)重干擾,從而引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題,表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)氣候變干、河流徑流量減少、地下水位下降、土壤退化和肥力耗竭、環(huán)境污染加劇以及動植物資源減少等。因此,研究三江平原沼澤濕地的空間格局變化對區(qū)域濕地資源的管理和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。1陰山山地平原沼澤地區(qū)三江平原位于黑龍江省的東北部,地理坐標(biāo)為43°49′55″~48°27′40″N,129°11′20″~135°05′26″E,總面積10.89萬km2。該區(qū)西南高東北低,除西部和西南部邊界的小興安嶺、老爺嶺、張廣才嶺和橫亙中部的完達山為森林覆蓋的山區(qū)外,廣闊的沖積低平原和河流形成的階地、河漫灘上廣泛發(fā)育著沼澤和沼澤化草甸。本區(qū)在大地構(gòu)造上屬于同江內(nèi)陸斷陷,是新生代大面積沉陷地區(qū)。構(gòu)成平原主體的地貌類型為一級階地和河漫灘,少量的低山殘丘散立于平原中,打破了單一的平原景觀。地表組成物質(zhì)為第四紀(jì)沉積物,廣泛分布著3~17m厚的粘土、亞粘土層。本區(qū)氣候類型為溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,1月均溫低于~18℃,7月份均溫為21~22℃,≥10℃活動積溫為2300~2500℃;無霜期120~140d;年降水量500~650mm,主要集中在5~9月份,占全年降水的80%。本區(qū)河流大多具有平原沼澤(性河流的特點,河流的縱比降小,河槽彎曲系數(shù)大,一般在1.5~3.0之間。植被種類組成屬于長白植物區(qū)系,以沼澤化草甸和沼澤植被為主。土壤主要有棕壤、黑土、白漿土、草甸土和沼澤土5種。區(qū)內(nèi)有5個省轄市,18個市縣,總?cè)丝?51.97萬,農(nóng)業(yè)是該區(qū)主要產(chǎn)業(yè),據(jù)1999年資料統(tǒng)計,18個市縣產(chǎn)糧1302.86萬t,農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值達223.64億元,是國家重點商品糧豆基地。2獲取信息和研究方法2.1tm影像解譯本文選取的數(shù)據(jù)源為1980年版《三江平原沼澤圖》1以及1996和2000年TM影像(時相為5~9月份)解譯數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)處理平臺包括Arcview3.2、Arc/Info7.1和Excel2000。2.2沼濕地空間分布圖在Arcview下,將《三江平原沼澤圖》和三江平原行政界線圖(來源于《三江平原沼澤圖》)矢量化,并在Arc/Info7.1下對數(shù)字化后的1980年三江平原沼澤圖和1996年、2000年遙感解譯數(shù)據(jù)進行修改、編輯,得到3個時期沼澤濕地的空間分布圖(圖2),建立空間數(shù)據(jù)庫。三期沼澤濕地分布圖采用相同的分類系統(tǒng)和編碼體系,并以1980年沼澤濕地分布圖為主控圖層,進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換,同時采用相同的精度控制(fuzzy,weed,dangle等)建立拓?fù)潢P(guān)系,這樣,三期沼澤濕地分布圖就能在相同的分類系統(tǒng)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上進行比較分析,具有可比性。然后,利用Arc/Info的空間分析功能,對不同時期的沼澤數(shù)據(jù)進行計算和分析,獲得相應(yīng)的空間信息,根據(jù)確定的沼澤濕地空間格局變化表征模型,對三江平原沼澤濕地20a來的變化情況進行分析。2.3空間模式變化是模型設(shè)計的特征2.3.1斑塊間距的確定斑塊間隙分析是研究同一類景觀要素斑塊的分離程度,也就是分析其間隙大小,間隙大小是格局的重要特征,可用連接指數(shù)表示(proximityindex)。連接系數(shù)可用下式表示:P=∑i=1N[[K(i)]/[∑i=1NK(i)]]2(1)K(i)=R(i)/D0(i)(2)R(i)=A(i)/π??????√(3)Ρ=∑i=1Ν[[Κ(i)]/[∑i=1ΝΚ(i)]]2(1)Κ(i)=R(i)/D0(i)(2)R(i)=A(i)/π(3)將(2)、(3)式代入(1),得:P=∑i=1N[[A(i)????√/D0(i)]/[∑i=1NA(i)????√/D0(i)]]2Ρ=∑i=1Ν[[A(i)/D0(i)]/[∑i=1ΝA(i)/D0(i)]]2式中,P為連接指數(shù),A(i)為第i個斑塊的面積,D0(i)是與其最近的斑塊間的距離,這里距離是從斑塊質(zhì)心測起的,N為斑塊數(shù),R(i)為與第i個斑塊等面積的圓半徑,K(i)表示第i個斑塊等面積的圓半徑與斑塊間最短距離的比率,其值越大,說明兩斑塊間的距離越近。P的值介于0~1之間,其值越大,說明斑塊聚集程度越高。2.3.2濕地分布質(zhì)心的經(jīng)緯度土地利用的空間變化,可以用土地資源分布重心變化情況來反映,同理,可以用沼澤濕地分布質(zhì)心變化來研究沼澤濕地的空間變化,其方法分別求出三期濕地分布圖中各濕地斑塊的質(zhì)心坐標(biāo)(經(jīng)緯度),然后乘以各濕地斑塊的面積,最后把乘積累加后除以同期全區(qū)域濕地的總面積。第t年沼澤濕地分布質(zhì)心坐標(biāo)(經(jīng)緯度)計算方法為:Xt=∑i=1N(Cti×Xi)/∑i=1NCtiYt=∑i=1N(Cti×Yi)/∑i=1NCti(5)Xt=∑i=1Ν(Cti×Xi)/∑i=1ΝCtiYt=∑i=1Ν(Cti×Yi)/∑i=1ΝCti(5)式中,Xt、Yt分別表示第t年沼澤濕地分布質(zhì)心的經(jīng)緯度坐標(biāo);Cti表示第t年第i個沼澤濕地斑塊的面積;Xi、Yi分別表示第i個沼澤濕地斑塊質(zhì)心的經(jīng)緯度坐標(biāo)。通過比較3個時期沼澤濕地的分布質(zhì)心,可以得到近20a來三江平原沼澤濕地的空間變化規(guī)律。2.3.3斑塊的形狀計算斑塊形狀是景觀空間格局中一個很重要的特征,對研究景觀功能如景觀中物種的擴散、能量的流動和物質(zhì)的運移等情況有非常重要的意義。本文采用斑塊擴展度(D)來表現(xiàn)斑塊的形狀,其公式為:D=P2πA√(6)D=Ρ2πA(6)這是斑塊周長與等面積的圓周長之比,其值不受所采用單位的影響,能很好地表示斑塊形狀與圓形相差的程度,該指數(shù)的最小值為1,其值越接近1,表示斑塊形狀與圓形越相近;正方形的D值為1.1283,邊長分別為1和2的長方形的D值為1.1968,邊長為1的正六邊形的D值為1.8178。由此可見,D值越大,邊界越復(fù)雜,邊緣地帶越大,面積有效性越小,則斑塊形狀越不規(guī)則。3結(jié)果與討論3.1斑塊數(shù)量、密度的變化如圖3所示,三江平原沼澤濕地的分布面積呈顯著減少趨勢。1980~1996年,沼澤濕地面積減少了51.33%,1996~2000年減少了4.19%。而斑塊數(shù)量則呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢,特別是1980~1996年,斑塊數(shù)量增加了326塊,平均每年增加20.38塊。1996~2000年,斑塊數(shù)量增加速度明顯降低,僅增加了21塊。斑塊密度從1986年的0.04個/km2增加到2000年0.12個/km2,凈增加2倍。與1980年相比,1996年最大斑塊面積縮小了65.37%,最大斑塊周長縮短了52.47%,而在1996~2000年,最大斑塊面積和周長又有所增加。這些表明三江平原沼澤濕地的破碎化較為嚴(yán)重,而在1980~1996年尤為明顯。3.2斑塊連接指數(shù)的計算在Arc/Info中用Centroidlabels命令將各沼澤濕地斑塊的質(zhì)心標(biāo)出來,并轉(zhuǎn)換成點Coverage,用Pointdistance命令求出各斑塊與其最近斑塊間的距離,根據(jù)公式(4),計算出沼澤濕地斑塊的連接指數(shù),結(jié)果如表1。由表1可以看出,三江平原近20a來沼澤濕地的斑塊連接指數(shù)都較小,且呈現(xiàn)降低趨勢。表明三江平原沼澤濕地斑塊間隙在不同時期都較大,且隨著沼澤濕地面積的減小和斑塊數(shù)量的增加,其斑塊間隙越來越大,進一步說明沼澤濕地的破碎化較為厲害。3.3濕地分布質(zhì)心將上述得到的沼澤濕地斑塊質(zhì)心的點Coverage轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系,得到各斑塊質(zhì)心的經(jīng)緯度坐標(biāo),根據(jù)公式(5),計算出1980、1996、2000年沼澤濕地的分布質(zhì)心坐標(biāo)分別為(46.91°N、132.71°E)、(46.85°N、132.68°E),(46.90°N、132.65°E)。1980~1996年沼澤濕地分布質(zhì)心向南偏移了0.06°,向西偏移了0.03°,整體上向西南方向偏移了7.05km。1996~2000沼澤濕地分布質(zhì)心向北偏移了0.05°,又向西偏移了0.03°,整體上向西北方向偏移了6.01km(如圖4)。這主要是因為近20a來三江平原的開發(fā)重心是在遼闊低濕的東部和北部地區(qū)。3.4擴展度為進一步探討三江平原沼澤濕地的空間格局變化,對其進行了擴展度分析,了解近20a來沼澤濕地各斑塊的形狀變化情況,結(jié)果如圖5所示。由圖5可以得到,1980、1996、2000年三江平原沼澤濕地的擴展度分別接近于14.222、11.101和11.262,其值都遠(yuǎn)大于1,說明斑塊形狀與圓形相差較大,形狀不規(guī)則。從總體上來看,近20a來沼澤濕地的擴展度呈下降趨勢,減少了2.96,其中1980~1996年降了3.121,而在1996~2000年又上升了0.161。表明近20a來,沼澤濕地斑塊在發(fā)生破碎化的同時,其形狀也發(fā)生了很大變化,其中1980年斑塊形狀最不規(guī)則,2000年次之,1996年相對較規(guī)則。3.5沼濕地在農(nóng)業(yè)開發(fā)和土地利用圖關(guān)系近20a來,三江平原沼澤濕地空間格局發(fā)生了很大變化,究其原因主要有:三江平原人口一直呈增長趨勢。1980~1998年間人口增加了近100萬。人口的急劇增長致使人地之間的矛盾更加突出。為緩解人地矛盾,以及滿足國家對糧豆的需求,三江平原出現(xiàn)了多次開荒高潮。1975~1983年各縣農(nóng)民趁連續(xù)旱年沼澤干涸之際大量開荒,開荒面積達9780.0km2,是1949年三江平原耕地面積的1.24倍,至1983年,墾殖率達32.3%,而濕地率由1949年的49.0%下降至16.9%,農(nóng)田成為區(qū)域主要生態(tài)類型(表2)。1988~1990年為期3a的第一期農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)工程集中連片開發(fā)建設(shè)了120個小區(qū),開荒面積達1246.7km2。20世紀(jì)90年代初,該區(qū)實行開放開發(fā)、聯(lián)合開發(fā),有些縣、場向國內(nèi)外出售或轉(zhuǎn)讓土地使用權(quán),承包商和廠礦的開荒規(guī)模達幾千公頃到幾萬公頃,濕地排水疏干、毀葦開荒到處可見。將1980年沼澤濕地分布圖與1996年土地利用圖進行疊加分析,可知:1980~1996年,有68.3%的沼澤濕地發(fā)生了變化,其中有33.7%被開墾為旱地,約占1980年沼澤濕地面積的三分之一,有19.7%變成林地,10.4%變成草地,有2.5%變成水田,有1.1%的沼澤濕地轉(zhuǎn)化成水域,還有少數(shù)沼澤濕地被用于居民點及城鎮(zhèn)建設(shè)用地。這表明1980~1996年由于人類活動的直接影響,沼澤濕地已減少了三分之二,可見人類活動對沼澤濕地的影響程度之大。20世紀(jì)90年代后,濕地的功能和價值受到普遍關(guān)注,保護濕地的意識越來越強。目前,黑龍江省政府已下令停止開墾濕地,并設(shè)立了國家級、省級和市縣級有關(guān)濕地的自然保護區(qū)14處,總面積5958km2。通過對三江平原沼澤濕地與氣候因子做灰色相關(guān)分析可知:沼澤濕地面積變化與降水量和濕度變化有較強的正相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.796、0.739,而與氣溫呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為~0.581。這表明降水量和濕度的減少以及氣溫的升高都有可能導(dǎo)致沼澤濕地的減少。據(jù)濕地數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計,1980~1997年,三江平原絕對濕度降低50mPa;平均溫度提高約2.0℃;降水量減少,且年際間變化幅度加大。因此,區(qū)域氣候變化也是沼澤濕地空間格局變化的一個影響因素。由上述分析可知,近20a來三江平原沼澤濕地是在氣候因素和人類活動的共同作用下發(fā)生變化的,但以人類活動為主。4江平原沼濕地破碎化的表現(xiàn)三江平原是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地,人類活動非常強烈,在發(fā)展經(jīng)濟的同時,人類對區(qū)域沼澤濕地的開發(fā)和改造也很明顯,從而引起了沼澤濕地空間格局的變化,具體表現(xiàn)在:(1)三江平原沼澤濕地的分布面積呈顯著下降趨勢。1980~1996年,沼澤濕地面積減少了51.33%,1996~2000年較少了4.19%。(2)三江平原沼澤濕地的破碎化較為嚴(yán)重,斑塊數(shù)量增加了46%,斑塊密度凈增加兩倍。1996年最大斑塊