撓力河流域土地利用對濕地景觀格局干擾強(qiáng)度的差異性

撓力河流域土地利用對濕地景觀格局干擾強(qiáng)度的差異性

景觀結(jié)構(gòu)是景觀異質(zhì)性在空間上的綜合體現(xiàn)，是人類活動(dòng)的干擾和不同生態(tài)過程相互作用的結(jié)果。同時(shí)，景觀結(jié)構(gòu)反映了在特定社會(huì)形勢下對人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一定程度。景觀格局的復(fù)雜程度與社會(huì)的發(fā)展階段緊密聯(lián)系,人口增加、社會(huì)重大變革或國家政策變化都會(huì)在景觀格局上表現(xiàn)出來。濕地環(huán)境的嚴(yán)重惡化與景觀格局變化密切相關(guān),為了辨識(shí)土地利用階段對景觀格局變化影響的差異性,對濕地景觀格局的變化進(jìn)行模擬具有重要意義。目前,馬爾可夫(Markov)模型和元胞自動(dòng)機(jī)(cellularautomata,CA)模型是研究景觀格局演化最常用的模擬方法,CA-Markov模型綜合了CA模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的能力和Markov模型長期預(yù)測的優(yōu)勢,使得模擬景觀生態(tài)學(xué)現(xiàn)象更為合理。關(guān)于運(yùn)用CA-Markov模型對景觀格局(或土地)演變進(jìn)行模擬預(yù)測,前人作了較多的研究,但這些研究主要集中于城市演變和土地利用,對土地利用變化過程的階段差異性研究很少。筆者借助GIS技術(shù),以撓力河流域景觀為研究對象,分析近50a景觀格局動(dòng)態(tài)變化階段的差異性,探討人類干擾強(qiáng)度對景觀變化的影響,揭示該地區(qū)濕地景觀格局與土地利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間的關(guān)系,從而為該地區(qū)濕地資源的保護(hù)及恢復(fù)提供理論依據(jù)。1陰山山地濕地?fù)狭恿饔虻靥幒邶埥∪皆沟?位于45°43′～47°35′N,131°3′～134°10′E,總面積22630.4km2。流域內(nèi)平原占65%,山區(qū)占35%。撓力河是烏蘇里江的主要支流,自西南流向東北,全長596km。該區(qū)地處溫帶、濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量520mm,冬春季節(jié)降水少,夏季降水豐富,6—9月降水占全年降水量的70%以上,但全年低溫期長,蒸發(fā)量小,有利于沼澤濕地的形成和發(fā)育。該區(qū)地勢低平,地表徑流不暢,而且廣泛分布的黏性土層阻礙地表水下滲,形成大面積沼澤。獨(dú)特的自然環(huán)境和氣候條件,使該區(qū)具有豐富的濕地類型。建國以來,該流域是我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū),經(jīng)過4次大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)活動(dòng),該區(qū)已成為三江平原主要產(chǎn)糧區(qū)和國家重要商品糧基地。目前該區(qū)已建成6個(gè)縣、7個(gè)現(xiàn)代化農(nóng)場。隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,大面積的濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田。濕地逐漸向河岸區(qū)域萎縮,約80%的濕地消失。目前濕地僅占整個(gè)流域面積的7.1%,占平原面積的11%。2學(xué)習(xí)方法2.1景觀類型圖的編制以撓力河流域?yàn)檠芯繂卧?利用歷史時(shí)期相關(guān)圖件、遙感數(shù)字資料和GIS技術(shù)恢復(fù)重現(xiàn)一定歷史時(shí)期不同階段的濕地景觀,制作流域1950、1967和1983年的景觀類型圖;利用2000年TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行人工解譯并結(jié)合野外景觀調(diào)查編制2000年景觀圖。為了突出區(qū)域濕地資源的減少,景觀分類系統(tǒng)中增加沼澤、草甸等濕地類型,同時(shí)為了使上述數(shù)據(jù)精度可靠,真實(shí)反映不同時(shí)期濕地景觀狀況,制圖中采用相同的景觀分類系統(tǒng)、地圖投影和最小制圖單元84-92。將上述4個(gè)時(shí)段植被和景觀矢量圖在Arcview3.2和ArcGIS9.2中進(jìn)行整合,并且進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的提取和統(tǒng)計(jì)。2.2景觀格局變化景觀格局的變化從各類型景觀和整體景觀2個(gè)方面進(jìn)行分析。具體濕地景觀格局變化可通過景觀格局指數(shù)來反映。本研究主要利用景觀格局分析軟件FRAGSTATS3.3進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計(jì)算,選取的景觀指數(shù),既相互獨(dú)立,又能比較全面地描述景觀格局,具體選擇依據(jù)和指數(shù)含義參見文獻(xiàn)。2.3ca-marov模型及其模擬方法2.3.1狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率Markov模型是基于Markov過程理論形成的預(yù)測事件發(fā)生概率的一種方法,常用于具有無后效性特征地理事件的預(yù)測。景觀類型對應(yīng)Markov過程中的“可能狀態(tài)”,而各類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積數(shù)量或比例即為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,可以利用式(1)和式(2)對景觀變化進(jìn)行預(yù)測,115:St+1=Pij·St(1)式(1)中,St、St+1分別為t、t+1時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài);Pij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣,可由式(2)表示:Ρij=[Ρ11?Ρ1n??Ρn1?Ρnn](2)式(2)中,n為景觀類型;Pij表示由i類景觀類型轉(zhuǎn)變?yōu)閖類景觀類型的概率,同時(shí),Pij須滿足以下2個(gè)條件:(1)0≤Pij≤1;(2)n∑j=1Ρij=1(i,j=1,2,?,n)。2.3.2有限、離散狀態(tài)CA模型是具有時(shí)空計(jì)算特征的動(dòng)力學(xué)模型,其特點(diǎn)是時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散,每個(gè)變量都只有有限多個(gè)狀態(tài),而且狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上均表現(xiàn)為局部特征。CA模型可表示為:St+1=f(St,N)(3)式(3)中,S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合;N為元胞的鄰域;t、t+1表示不同的時(shí)刻;f為局部空間元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)則。2.3.3景觀模擬參數(shù)的確定及模型驗(yàn)證Markov和CA模型均為時(shí)間離散、狀態(tài)離散的動(dòng)力學(xué)模型,但是Markov模型預(yù)測法沒有空間變量,CA模型的狀態(tài)變量則與空間位置緊密相連。Idrisi15.0軟件中的CA-Markov模塊將2者有機(jī)地結(jié)合在一起,可用于景觀變化的空間模擬,具體過程為:利用ArcGIS9.2軟件進(jìn)行景觀類型合并和格式轉(zhuǎn)換,以1950和1967年景觀類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用Idrisi15.0軟件的Markov模塊計(jì)算景觀轉(zhuǎn)移矩陣(狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率),創(chuàng)建土地利用轉(zhuǎn)變適宜性圖像集,采用皮爾遜檢驗(yàn)法判別和驗(yàn)證應(yīng)用Markov模型的條件,由此模擬1983年各類型景觀的面積;根據(jù)模擬的1983年各類型景觀面積(狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率),按照一定轉(zhuǎn)換規(guī)則和權(quán)重,利用CA模型進(jìn)行空間分配,借助CA-Markov模塊進(jìn)行模擬,從而得到1983年模擬景觀圖層。在1983年景觀模擬過程中,調(diào)整CA模型的疊代次數(shù)、濾波器等參數(shù),得到不同參數(shù)條件下的景觀圖,再分別與1983年實(shí)際景觀圖對比,由Crosstab模塊統(tǒng)計(jì)獲得各參數(shù)條件下的景觀Kappa指數(shù),并進(jìn)行模擬精度分析,Kappa指數(shù)最大時(shí)即為2000年景觀模擬參數(shù)。在此參數(shù)條件下,對2000年景觀類型進(jìn)行模擬。2.4撓力河流域景觀類型及分級(jí)人為干擾強(qiáng)度指數(shù)(Ih,d):景觀中的人為干擾景觀組分比例(Ph,d)與自然景觀組分比例(Pn)之比,表示景觀受干擾的程度,其公式為:Ih,d=Ph,d/Pn(4)在撓力河流域,居民地和耕地是人為干擾景觀,其他為自然景觀。土地利用影響強(qiáng)度U(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:U(t)=m(t)∑i=1Ρi(t)?hi(t)(5)式(5)中,Pi(t)為景觀類型i所占面積比例;m(t)為景觀類型總數(shù);t為時(shí)間變量;hi(t)為人類活動(dòng)對景觀類型i的影響強(qiáng)度,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn),各土地利用類型取值為:沼澤、灌叢和島狀林,1;林地、草甸、水域,2;耕地,3;居民地,4。3結(jié)果與分析3.1流域濕地景觀結(jié)構(gòu)變化時(shí)間差3.1.1土地利用活動(dòng)干擾強(qiáng)度在類型景觀水平上,選取斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均面積指數(shù)(AREA-MN)、面積周長分維數(shù)(PA-FRAC)、散布與并列指數(shù)(IJI)、聚集度(AI)6個(gè)景觀指標(biāo),計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知,1983—2000年,沼澤、耕地、草甸、居民地4個(gè)類型斑塊數(shù)變化較大,沼澤斑塊數(shù)急劇減少,草甸和耕地以及居民地斑塊數(shù)急劇增加,反映區(qū)域土地利用活動(dòng)干擾強(qiáng)度增加。沼澤、島狀林和灌叢、林地等類型的最大斑塊指數(shù)逐漸減小,平均斑塊面積也逐漸減小,斑塊逐漸破碎化,而草甸和耕地的最大斑塊指數(shù)逐漸增大,平均斑塊面積也逐漸增大。從面積周長分維數(shù)來看,耕地和水域的分維數(shù)在減少,這是由于人類活動(dòng)的影響,大量形狀不規(guī)則的自然景觀變?yōu)橐?guī)則的耕地和水渠,從而使它們的形狀變得有規(guī)則,趨于簡單化,而沼澤和草甸由于農(nóng)業(yè)開墾致使景觀破碎化,景觀斑塊復(fù)雜化,使面積周長分維數(shù)變大,其他類型的分維數(shù)變化不大。沼澤的散布與并列指數(shù)變大,這是因?yàn)榻?jīng)過農(nóng)業(yè)挖渠和排干后,沼澤斑塊被割裂和散布,使該指數(shù)變大,而沼澤排干轉(zhuǎn)化為草甸和濕地后又被開墾為耕地,使耕地斑塊面積增大,集中成片分布,但使沼澤散布與并列指數(shù)增大,同時(shí)也使草甸和耕地聚集度指數(shù)增大。沼澤、島狀林和灌叢、林地由于人類活動(dòng)干擾使聚集度指數(shù)減小,居民地斑塊數(shù)增加,在撓力河流域更加零星散布,聚集度減小。3.1.2撓力河流域濕地景觀類型變化在整體景觀水平上,選取斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、面積周長分維數(shù)(PA-FRAC)、面積權(quán)重形狀指數(shù)(SHAPE-AW)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚集度指數(shù)(AI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)9個(gè)景觀指標(biāo),計(jì)算結(jié)果見表2。從撓力河流域濕地整體景觀變化(表2)來看,1967—2000年,撓力河流域景觀斑塊數(shù)先減小后增大,最大斑塊指數(shù)增大,說明景觀趨于集中化分布,耕地景觀破碎化程度降低,這主要是由于人類活動(dòng)干擾加劇以及開荒造成的耕地面積增加所致。面積周長分維數(shù)和面積權(quán)重形狀指數(shù)都呈增加趨勢,表明景觀形狀趨于復(fù)雜,流域土地利用活動(dòng)增強(qiáng)。蔓延度指數(shù)和聚集度指數(shù)均增大,散布與并列指數(shù)減小,說明景觀類型在空間分布上出現(xiàn)非均衡化,景觀中的某一類或某幾類元素的優(yōu)勢度增高且連通性增強(qiáng)。Shannon多樣性和Shannon均勻度指數(shù)減小,說明景觀異質(zhì)程度下降,景觀類型有向單一化或非均衡化(耕地為主導(dǎo))方向發(fā)展的趨勢(圖1),這也是流域內(nèi)耕地、居民地面積大量增加,而沼澤、草甸和水域大量減少的直接反映。1967—2000年,景觀多樣性的變化降低了景觀的抗干擾能力與整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與1983—2000年模擬景觀格局指數(shù)比較,除景觀面積周長分維數(shù)指數(shù)和面積權(quán)重形狀指數(shù)以外,其他所有模擬景觀格局指數(shù)大小均在1983和2000年的值之間,反映流域模擬的景觀格局變化強(qiáng)度比實(shí)際值小。3.2景觀模擬結(jié)果分析通過Crosstab模塊對1983年實(shí)際景觀圖與模擬景觀圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獲得各類景觀的Kappa指數(shù)(IK),可以定量反映模擬準(zhǔn)確性,IK的計(jì)算式為:IK=(Po-Pc)/(Pp-Pc)(6)式(6)中,Po為正確模擬的比例,Pc為隨機(jī)情況下期望的正確模擬比例,Pp為理想分類情況下的正確模擬比例(即100%)。1983年景觀模擬過程中,模型在5×5的濾波器、CA循環(huán)次數(shù)取20、空間元胞柵格為200m×200m的參數(shù)條件下,正確率和Kappa指數(shù)均最大,為最佳模擬效果,即:每類景觀模擬正確比例在87.4%以上,全局模擬正確比例91.6%,共有7個(gè)景觀類型參與模擬,每個(gè)柵格隨機(jī)情況下正確模擬比例Pc為1/7,故可以由式(6)求得各類景觀的Kappa指數(shù)都在0.853以上,全局Kappa指數(shù)為0.902,模擬結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)到可信的效果。利用1983年景觀模擬參數(shù)模擬2000年景觀類型,2000年模擬景觀圖與實(shí)際景觀圖存在較大差異(圖1)。這是因?yàn)?000年模擬的景觀圖是按照1967—1983年期間土地轉(zhuǎn)移強(qiáng)度條件下的景觀變化結(jié)果。實(shí)際2000年景觀圖反映的是1983—2000年期間土地利用強(qiáng)度,由此可以說明1967—1983年期間與1983—2000年期間土地利用強(qiáng)度的差異性,即利用CA-Markov模型辨識(shí)不同時(shí)期土地利用對景觀格局的影響。3.3景觀類型變化撓力河流域景觀類型面積變化見表3。由表3可知,撓力河流域1967—1983年和1983—2000年2個(gè)時(shí)期耕地和居民地都在增加,耕地增加量在所有類型景觀面積變化中最大,占景觀面積變化的比例分別為49.6%和44.0%。1967—1983年,沼澤和草甸面積分別減少25.6%和70.3%,濕地(包括沼澤和草甸)景觀類型主要轉(zhuǎn)化為耕地。1983—2000年撓力河流域景觀變化為:沼澤和林地面積分別減少3690.91和1324.91km2,面積大量減少,2者變化的面積占區(qū)域土地類型面積變化的50%左右,耕地面積增加4530.11km2,是面積增加最大的景觀類型,沼澤和耕地面積變化占全區(qū)景觀面積變化的80%,這2者在空間分布上反映非常明顯(圖1)。從1983—2000年土地利用類型轉(zhuǎn)移(表4)來看,沼澤主要轉(zhuǎn)為耕地和草甸,草甸有75%轉(zhuǎn)為耕地,灌叢和島狀林有54%和40%分別轉(zhuǎn)為耕地和林地,林地有28%轉(zhuǎn)為耕地,78.5%的居民地由耕地轉(zhuǎn)化而來。撓力河流域景觀類型變化為:濕地面積減少量占區(qū)域面積的14%,耕地面積增加量占區(qū)域面積的20%,區(qū)域濕地被逐漸開墾利用(表3)。居民地面積比原來增加了74%,表明隨著人口的增加,人類活動(dòng)對自然濕地環(huán)境干擾加劇;水域面積減少,草甸面積增加,說明區(qū)域水域和沼澤濕地被排干,轉(zhuǎn)化為草甸和耕地。將2000年景觀面積模擬結(jié)果與實(shí)際情況對比來看,沼澤、灌叢和島狀林、林地3類景觀面積減少速度下降,水域面積減少速度增加,草甸、耕地面積增加速度下降,居民地面積增加速度上升(表3);從空間上表現(xiàn)為:2000年模擬景觀圖中沼澤面積分布仍然較大,而草甸和耕地面積分布較小(圖1)。3.4其它驅(qū)動(dòng)因子強(qiáng)度CA-Markov模型模擬1983—2000年景觀變化,是以1967—1983年期間各類景觀面積轉(zhuǎn)移概率為參數(shù)得出的景觀變化過程,與1983—2000年實(shí)際人類活動(dòng)強(qiáng)度干擾情況對比,可以反映撓力河流域濕地景觀變化外界驅(qū)動(dòng)因子強(qiáng)度是否發(fā)生改變。具體可以通過人為干擾強(qiáng)度指數(shù)和土地利用面積變化來分析。3.4.1人為干擾強(qiáng)度人為活動(dòng)對撓力河流域濕地景觀影響強(qiáng)度見表5。根據(jù)1967—1983年人為干擾強(qiáng)度,且不考慮環(huán)境的累積效應(yīng),2000年人為景觀面積模擬值為10787.90km2,比實(shí)際值減少4530.21km2,占流域1983—2000年人為景觀面積變化量的93.5%。2000年模擬景觀人為干擾強(qiáng)度指數(shù)為0.913,而實(shí)際值為2.103,比模擬值增加130%。人為景觀比例和自然景觀比例之和為1,人為景觀比例越大,景觀受人為干擾越強(qiáng)烈。1967—2000年,撓力河流域的人為干擾強(qiáng)度指數(shù)逐漸增大(從0.361增至2.103),人為活動(dòng)對濕地干擾強(qiáng)度逐漸加大。根據(jù)1967—1983年各類景觀面積轉(zhuǎn)移概率進(jìn)行1983—2000年CA-Markov景觀模擬,以反映1967—1983年土地利用對景觀格局的影響強(qiáng)度。2000年模擬人為干擾強(qiáng)度指數(shù)為0.913,比實(shí)際人為干擾強(qiáng)度指數(shù)要小,說明在1983年以后人為干擾對濕地景觀的影響強(qiáng)度增加。由于人為活動(dòng)對濕地干擾強(qiáng)度和范圍增加,人為景觀在不斷增加,自然景觀在逐漸減少,1983—2000年濕地的基質(zhì)類型由自然景觀轉(zhuǎn)變?yōu)槿藶榫坝^,發(fā)生了根本性改變,濕地景觀逐漸趨向以耕地為主的人為景觀。3.4.2土地利用影響人類活動(dòng)對土地利用影響強(qiáng)度指數(shù)可以反映流域內(nèi)土地利用強(qiáng)度的時(shí)段差異性。1967—2000年,撓力河流域的土地利用影響強(qiáng)度逐漸增大(由1.690增至2.394),土地利用對濕地景觀影響強(qiáng)度逐漸加大;通過CA-Markov模擬,得到的2000年模擬人類活動(dòng)對土地利用影響強(qiáng)度為2.004,比實(shí)際值小(表5),說明1983—2000年人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度比以往時(shí)段加劇。3.4.3基于人口變化的景觀模式分析從1983—2000年景觀面積變化與模擬值比較來看(表3),撓力河流域土地利用存在顯著的時(shí)間差異性。首先,居民地面積變化的差異性反映人口變化對土地利用的影響。模擬得到居民地增加面積為51.57km2,而實(shí)際增加量為47.21km2,揭示1967—1983年和1983—2000年這2個(gè)時(shí)段人口增長存在顯著差異。1954—1976年是我國對三江平原進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)時(shí)期,撓力河流域西部是重點(diǎn)開發(fā)區(qū),該時(shí)段是人口增加數(shù)量最大和速度最快的時(shí)期126-127,,人口由28.78萬增至81.76萬,而到1985年和2000年人口分別為85.50萬和99.14萬。居民地變化是人口變化的直接反映,根據(jù)1967—1983年各類景觀面積轉(zhuǎn)移概率進(jìn)行景觀模擬,居民地面積增加較大,所以景觀模擬可以識(shí)別人口變化對土地利用影響的時(shí)間差異性。其次,沼澤和草甸面積變化的差異性可以反映人類排水活動(dòng)對土地利用的影響。實(shí)際沼澤景觀面積減少3690.91km2,而模擬沼澤景觀面積減少100.13km2,揭示1983年前后2個(gè)階段人類排水活動(dòng)也存在不同。2個(gè)時(shí)期撓力河流域排灌渠系發(fā)展?fàn)顩r123-124見表6。由表6可知,1967—1983年人類排水和灌溉活動(dòng)強(qiáng)度較小。根據(jù)1967—1983年人類排水活動(dòng)強(qiáng)度模擬的景觀變化表現(xiàn)為排干沼澤較少,轉(zhuǎn)化為草甸類型也相應(yīng)較少(表3);島狀林和灌叢濕地主要分布在草甸濕地邊緣地帶,其面積變化也受到草甸面積變化的影響。另外,耕地和林地面積的實(shí)際變化量比模擬值大(表3),反映1983—2000年人類對耕地和林地利用強(qiáng)度加大。1967—1983年處于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的初期,濕地資源開墾利用主要