基于景觀生態學的三江平原沼澤景觀動態變化研究

沼澤濕地作為區域生態系統的重要組成部分，具有調節區域氣候、凈化環境和維持區域水分平衡等多種自然功能。作為一種特殊的生態系統,具有半水半陸的生境,為野生動植物生長、繁衍創造了有利條件。進入20世紀80年代,由于不合理的人類活動,使沼澤面臨圍墾、污染、引種和過度獵取等嚴重威脅,沼澤面積大幅度小,環境保護功能顯著下降,危機到人類和社會的持續發展。三江平原沼澤動態變化便是最明顯的一個例子。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內外七星河,以蘆葦、苔草為主要沼澤類型;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,沼澤非常發育;④黑龍江以南,松花江以北籮北縣境內的水城子沼澤區,以蘆葦-小葉樟沼澤為主,該區還包括嘟嚕河、梧桐河、湯旺河下游的蘆葦沼澤;⑤完達山以南虎林縣境內的七虎林河、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育;⑥大、小興凱湖湖灘地蘆葦沼澤分布區還包括穆棱河下游的沼澤;⑦在三江平原南部、中部的完達山和老爺嶺的山間谷地中,分布具有塔頭的苔草沼澤。20世紀以來,三江平原沼澤生態系統的變化是巨大的,也是空前的。1893年本區耕地面積為2.9×104hm2,僅占三江平原總面積的0.27%。當時平原上沼澤和沼澤化草甸連續分布,并有島狀林地分布其間。20世紀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,但三江平原周圍山地的森林破壞嚴重,沼澤濕地基本保持原始面貌,平原地區仍以沼澤和沼澤化草甸為主,面積達534.5×104hm2,占全區總面積的49.08%。20世紀50年代中期起大面積開荒,至1982年,三江平原耕地面積已達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。進入80年代以來,隨著經濟的不斷發展,耕地仍不斷擴大,到2000年三江平原耕地面積達524.0×104hm2,沼澤濕地的面積僅剩83.5×104hm2,占總面積的7.7%,三江平原的面貌發生了明顯變化。2沼澤景觀動態分析方法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個時相landsatTM(或ETM)的2、3、4波段,共18景。數據提取步驟為:將1996年的TM數據與1:10萬地形圖配準,根據三江平原沼澤和相關的土地覆蓋類型影像特征,建立解譯標志,在ARCVIEW的支持下,進行人機交互式TM影像判讀解譯,獲得1986年研究區沼澤信息。之后,以1986年TM影像為基礎,對1996年影像進行糾正,對比1986年和1996年影像,勾繪出沼澤發生變化的圖斑,將解譯結果在Arc/Info環境下以COVERAGE文件格式儲存。2000年數據與上述做法相同。所得數據在Arc/Info環境下進行編輯和修改,生成1986年、1996年和2000年3期數據以及1986-1996年和1996年～2000年兩期沼澤動態變化數據。2.2景觀分析參數在沼澤圖形數據庫的支持下,運用景觀生態學理論,依據空間分析,進行沼澤圖形空間結構基本描述參數計算,確定20世紀80年代中期以來各個時相沼澤空間格局變化特征和規律。以1986～1996年和1996～2000年兩個時段的沼澤動態變化圖形數據庫為基礎,用空間統計方法求得沼澤及相關的土地覆蓋類型的轉化數量,計算沼澤與相關的土地覆蓋類型之間的轉化率,揭示研究區沼澤轉化的趨勢和強度。景觀分析所采用的參數有景觀形狀指數(SI)、景觀內部生境面積破碎化指數(FL)、邊界密度指數(PL)和空間相鄰度(NI)。具體計算公式如下:式中,SIi是第i類景觀斑塊的形狀指數,SLi是第i類景觀內部生境面積破碎化指數,PLi是第i類景觀邊界密度指數。其中,Pi為第i類景觀斑塊的總長度,Ai為第i類景觀斑塊的總面積,Pij是第i類景觀第j斑塊的邊長,Aij是第i類景觀第j斑塊面積,Ni是第i類景觀斑塊總數。SIi≥1,圓形斑塊的斑塊形狀指數等于1.0,長條形為3～4。SLi值在0～1之間,0代表無破碎化存在,1代表給定性質已完全破碎化。PLi揭示了景觀被類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類景觀要素與第j類景觀要素的空間相鄰度,ENij是第i類景觀要素與第j類景觀要素斑塊間相鄰邊界總長度,ENi是第i類景觀要素斑塊與相鄰異質景觀要素斑塊間相鄰邊界總長度。3沼澤動態變化景觀結構3.1沼塊的形狀變化景觀結構的復雜性主要通過其斑塊的數量、面積和形狀表現出來。1986年本區沼澤共1026個斑塊,1996年隨著沼澤面積的減少,沼澤斑塊不但沒減少,反而增加了17塊,2000年沼澤斑塊數比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生了很大變化。斑塊的形狀用斑塊的形狀指數來表示,根據公式(1)計算出來本區沼澤班塊的形狀指數是非常不規則的。1986年的斑塊的形狀指數為55.5193,1996年的斑塊的形狀指數為59.6988,2000年的斑塊的形狀指數為56.2637(表1)。從此可以看出,本區沼澤的形狀都很不規則,相比之下,1996年的沼澤更加破碎。這說明從1986～2000年間,三江平原的沼澤景觀經歷先被其它景觀(特別是耕地)分割,然后被蠶食的過程,使沼澤地逐漸萎縮(圖1)。3.2江平原沼生態系統新中國建立之后,三江平原經歷了4次墾荒高潮,到1986年沼澤面積僅剩124.0×104hm2,占本區總面積的11.4%(見圖1,表1),三江平原主要景觀類型已經由沼澤濕地轉為農田。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年沼澤的開發速度更快,平均每年減少6.42×104hm2,現在沼澤已經龜縮到各河床之中,按這樣的開墾速度,十幾年內三江平原的沼澤將不復存在。可見三江平原沼澤生態系統的存在芨芨可危。沼澤的開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景觀邊界特征根據公式(2)和(3)計算出本區不同年份沼澤景觀面積破碎化指數(FL)和邊界密度指數(PL)(見表1)。綜合FL和PL兩個指標可以看出,三江平原沼澤景觀破碎化程度已相當嚴重,從1986年以來三江平原沼澤破碎化一直呈上升趨勢。根據進一步對沼澤異質景觀邊界特征的分析可知(表2、圖2),持續開荒是導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,邊界總長度卻增加(見表1),其中增加最多的是耕地,減少最多的是草地,這說明開荒主要發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,邊界長度也急劇減少,而耕地所占份額略有增加,說明以前沼澤中零散分布的耕地已經開始連片,而零散分布在耕地中的沼澤不斷消失。草地份額的增加說明沼澤向草甸轉化的趨勢增強,受人類對環境破壞的影響,沼澤自然退化嚴重。3.4模式轉化的土地覆蓋類型三江平原由于近年來大規模的開墾,加速了沼澤的轉化過程(圖3,表3)。參加1986～1996年時段沼澤景觀轉化的土地覆蓋類型有耕地、草地和湖泊。這10年中沼澤景觀都是向減少的方向轉化的,沼澤共減少了17.67×104hm2,其中旱地對本區沼澤減少的貢獻最大,有14.95×104hm2的沼澤開墾為耕地,占轉化總面積的84.5%。其次是草地,約有3.17×104hm2的沼澤轉化為草地。可見,開墾沼澤是導致沼澤減少的主要原因,雖然,在該時段中還有1.28×104hm2的旱地轉化為沼澤,但不足開墾耕地導致沼澤減少的1/10。此外,還有小面積的草地轉化為沼澤,并有小面積的沼澤開墾為水田。參加1996-2000年時段沼澤景觀轉化的土地覆蓋類型有耕地、草地、湖泊和河灘地。在這個時段中,其它類型轉化為沼澤的面積有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,分別占其它類型轉化沼澤的48%和38%。與此相反,雖然以上各種土地覆蓋類型都參加了使沼澤面積減少的轉化,但其轉化量不同,這個時段沼澤面積共減少了30.47×104hm2,是該時段沼澤增加量的6倍,其中沼澤轉化為旱地的面積有29.28×104hm2,占沼澤轉化為其它類型面積的96%,草地、河灘地和湖泊在使沼澤減少的轉化中只居于次要地位。將上述兩個時段合起來看,其它類型轉化為沼澤的面積共6.25×104hm2,沼澤轉化為其它類型的面積共49.43×104hm2,總的轉化趨勢是沼澤面積減少,15年來減少轉化將近增加轉化的8倍。研究兩個時段情況,都是旱地對沼澤減少的貢獻最大,共使沼澤減少了44.23×104hm2,占15年來沼澤減少總量的89.5%,由此可見,三江平原沼澤退化的主要驅動力是人為對沼澤的開墾。4氣文及生物多樣性下降1)土地退化。從20世紀50年代以來,三江平原大面積開荒使濕地銳減、原有島狀林被砍、濕地植被破壞,致使土壤風蝕、沙化和水蝕面積擴大,已墾荒地重用輕養,土壤肥力下降。目前三江平原約有70×104hm2的農田受到危害,其中嚴重風蝕面積為34×104hm2。土地沙化主要分布在松花江以北的蘿北、綏濱-一帶。根據在二九〇農場24隊的采樣分析,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大。全區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。當前沼澤濕地是開荒的主要對象,但無系統排水,多數干旱年開荒,澇年又復積水,成為“不穩定耕地”。草甸沼澤土開墾后,土壤水分減少,嫌氣環境變為好氣環境,有機殘體分解加快,土壤容重和比重增大,孔隙度減小,加之不合理耕作,朽化系數增大,抗澇抗旱能力降低。椐寶清實驗區測定,沼澤荒地朽化系數為0.768,墾后10年增至0.994,墾后20年增至1.03。同時,掠奪式開發,忽視土壤養分的恢復和積累,導致土壤肥力下降。如寶清縣東升鄉草甸沼澤土有機質含量開墾前為70～80g/kg,隨著開墾年限的增長,有機質含量逐年減少,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墾,沼澤景觀內部生境面積破碎化嚴重,導致濕地植物和動物生存環境的改變和破壞,使愈來愈多的生物物種、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,系統內生物鏈、網中斷或破損,能流、物流淤塞不暢,生態系統自我調節能力削弱,從而降低了系統的穩定性和有序性。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,雁鴨類數量減少了90%以上,現在的繁殖種群密度每公頃不足1對。嘟嚕河下游沼澤,1985年調查有丹頂鶴23只、白鸛66只、大天鵝45只,隨著耕地的開墾和棲息地破壞,這些珍禽已不再出現了。魚類資源衰退也較嚴重,特別是著名的撓力河紅肚鯽魚就是沼澤性河流的特產,現在這種鯽魚已極少。大面積開荒也使小葉樟和蘆葦等沼澤植物資源遭到破壞。20世紀70年代初期蘆葦沼澤和苔草小葉樟沼澤大面積分布,現在這些沼澤植物已不易見到;原來隨處可見的沼澤植物甜茅現已幾乎絕跡。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,發揮著蓄洪、削減洪峰、均化洪水過程的重要作用。20世紀80年代估算,全區沼澤蓄水達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(相對流量)。近年來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,洪澇災害和旱災頻繁發生。沼澤對周圍環境有調節功能。它通過水平方向的熱量和水