洪河國家級濕地自然保護區植物生態系統空間格局分析

濕地是指由多年生和多年生土壤和植物組成的獨特生態系統組成的。濕地是眾多珍稀瀕危野生植物和動物的棲息地,它具有穩定環境、物種基因保護及資源利用功能,被譽為自然之腎、生物基因庫和人類搖籃。然而,濕地卻是近代史上遭受人類活動破壞最為嚴重的生態系統,近年來濕地的特殊性和重要性,特別是其生物多樣性所面臨的嚴重威脅已受到全世界的廣泛關注。三江平原是我國最大的內陸平原淡水沼澤濕地分布區,也是濕地喪失最嚴重地區。從20世紀50年代開始,三江平原濕地由于大規模農業開發而受到人類活動巨大干擾,導致本區沼澤濕地面積急劇下降,目前本區沼澤和沼澤化草甸等濕地面積減少了80%以上。盡管我國已經在三江平原設立了多個自然保護區以保護濕地,但是被農田包圍的形似“孤島”的有限幾個自然保護區,由于其周邊人類活動加劇正日益面臨自然濕地生境消失和退化的窘境,其作為自然基因庫的功能正在逐漸喪失。更為嚴重的是,目前我國對當前所剩為數不多的高度自然狀態下的北方內陸平原淡水濕地生態系統原生景觀結構了解尚不充分,由于空間格局是生態系統或系統屬性空間變異程度的具體表現,它決定著資源地理環境的分布形成和組分,制約著各種生態過程,與干擾能力、恢復能力系統穩定性和生物多樣性有著密切的關系,因此,對典型的濕地生態系統原生景觀結構及其特征進行定量分析,是研究認識不同類型濕地功能與機理變化的基本前提,并可以為研究濕地環境變化及其生態效應提供科學依據,對于開展濕地研究、保護及其恢復具有重要意義。目前國內的濕地景觀研究主要集中在人類活動引發濕地景觀破碎化的景觀格局動態變化研究方面,主流的研究方法是通過解譯多個時段的遙感影像,或者對比歷史數據來提取濕地動態變化信息,再應用GIS技術和景觀生態學理論分析濕地變化的性質和方向[8~11]。總的來說,研究都偏重于從流域以上的較大空間尺度分析濕地景觀破碎化的空間變化特征,對于濕地景觀結構特征及其所連接的水文地貌機制方面的研究深度不夠。植物在過濕環境下的群落組成結構、空間分布格局與演變過程研究一直是濕地科學的核心問題,基于水文地貌特征的濕地植物空間格局特征分析是深入理解濕地生態的一個重要理論基礎。沿河流泡沼的流水地貌梯度變化而發生的濕地植物群落空間演替梯度特征隨處可見,這表明水文特征變化對于濕地生態系統植物的空間格局特征具有重要影響。近年來,景觀生態學家關注的濕地景觀空間格局與水文研究者關注的流水地貌格局兩個領域由于遙感和地理信息系統技術的支持正在不斷地交叉和滲透。遙感和地理信息系統是定量分析和評價濕地生境植被、地貌以及氣候影響等方面信息的常用工具。基于遙感和地理信息系統的研究方法,可以產生不同尺度的植被圖,基于植被地圖可生成景觀指數,分析研究區的植物空間格局以及空間異質性;DEM也是潛在的植被分析替代工具,因為濕地生態系統中植被和水文格局間的高度相關是眾所周知的。本文通過多時相遙感影像提取基于群落尺度的研究區濕地植物空間分布數據,通過高精度的DEM,應用地理信息系統的水文分析模塊生成研究區的地表水系統,借助GIS的空間分析模塊與實地水文監測數據相結合提取典型濕地基于水文分區的景觀帶數據,以數量方法分析了集水區尺度上中國東北部洪泛平原區典型自然沼澤濕地植被群落空間分布特征,并且通過對比歷史的植物分布數據,得出典型沼澤濕地面臨的生存威脅,并從連續的歷史水文觀測數據解釋了濕地急劇退化的原因。1陰山濕地的分布三江平原是我國濕地集中分布且面積最大的地區,發育有淡水沼澤、沼澤化草甸、草甸、河流與湖泊等眾多濕地類型。本區濕地是大量野生植物種的基因庫和珍稀瀕危水禽的棲息地,因而備受國內外關注。黑龍江洪河國家級自然保護區(圖1)位于三江平原東北部,保護區面積250.9km2,地理坐標:133°34′38″~133°46′29″E,47°42′18″~47°52′N,黑龍江支流濃江從保護區的北部穿過,構成其北部自然邊界,沃綠藍河從保護區的腹地由南向北匯入濃江;保護區地處低平遼闊的沉降平原,海拔高度在50~56m之間,地貌單一,地形平緩;其地勢由南向北輕微傾斜,形似傾斜淺平鍋底,平均坡降極小,地面坡降只有1/5000~1/l0000,從而造成區內河汊,泡沼,碟形、線形洼地星羅棋布,各種類型濕地十分發育,形成豐富多樣的北方水生、陸生、濕生生態系統。目前區內包含有鳥類16目43科174種,野生植物1012種,被譽為“三江平原野生生物特有基因庫”,并在2002年1月被列入《國際重要濕地名錄》。由于三江平原濕地被大面積開墾,該保護區目前已成為中國東北部所剩不多的一塊類型齊全、生態系統自然完整、全面反映三江平原原始沼澤內陸濕地全貌的自然保護區,在三江平原乃至全球同一生物氣候帶和生物地理界中都具有高度的代表性和典型性。2數據和方法的研究2.1植被的分類及主要類型分類系統服務于研究目的,分類層次應與研究尺度相對應。本研究主要針對典型自然沼澤濕地,根據洪河保護區濕地生態系統的具體組成情況,將該區自然植被分為5個主要類13個基本類型(表1),主要類以植被型劃分,基本類型以植物群落特征為標準。除自然植物外,保護區內還有部分科學實驗用地作為一個特殊的人工植被型:農田植被型。2.2濕地分類結果的應用本次研究采用的數據源選取了Landsat-7衛星在2001-09-21、2004-06-05和2004-08-01三個時段的各1/4景TM影像數據,在Erdas8.6軟件平臺上采用監督分類方法對經過增強處理的2004-06-05的TM5、4、3波段合成假彩色像片進行各種濕地類型的提取。利用已經建立配準的其它分類圖層,基于生態學、地學等學科專家經驗對初步結果進行分類評價,逐類反復調整訓練區數量、分析類別的直方圖、計算任意類別間的統計距離、調整閾值等,最后基于GIS規則對分類結果改進以提高精度。此外,還應用研究區實地勘測方法產生的土地類型圖、濕地分類圖等歷史資料對遙感方法提取的濕地類型圖進行了校驗。最后,采用基于誤差矩陣的方法對研究區的濕地遙感監督分類結果進行了精度檢驗,分類總精度達到85.87%(圖2,見圖版Ⅳ)。按照表1制定的植物分類系統,將各個植物群落的分類歸并可以生成相應的植被型分類數據(圖3見圖版Ⅳ)。2.3研究區面積計算地表水系格局及其水文情勢變化所產生的濕度地域分異是濕地景觀格局形成與變化的主導因素,由于研究區缺乏景觀分區數據資料,因此,本研究以水文地貌分區作為景觀分帶的主要依據。以黑龍江省測繪局1994年1∶10000地形圖進行矢量提取生成研究區DEM,以ArcGIS8.3的hydroanalysis模塊提取研究區河道與洼地數據,并以地形圖的河道與洼地數據校驗和修正所提取的數據,再同地表水位監測數據提取的多年河道平均低水位值數據結合,在ArcGIS8.3平臺上生成河道洼地分布區矢量數據;以研究區植被類型圖結合DEM的地貌特征提取地勢較高地帶為相對干旱的島狀林崗地,介于兩個地帶之間的地區則為干濕交替過渡帶(圖4,見圖版Ⅳ)。最后,在ArcGIS8.3平臺上,以水文地貌矢量文件為依據,基于植物群落分類數據,在保持植物群落斑塊完整性的前提下,執行基于空間特征的景觀帶提取,生成對應于水文地貌分區的沼澤、草甸灌叢和島狀林3個景觀帶分區的矢量數據(圖5,見圖版Ⅳ)。2.4景觀帶分布特征指數分析景觀指數提取分別從植物群落類型、植被型類型、景觀類型3個不同層級水平上進行。在植物群落類型與植被型層級上選用了9個指數分別對構成植物群落類型和植被型類型的斑塊從面積、斑塊形狀密度和聚散度空間分布特征進行對比分析(表2、表3)。景觀帶層次格局分析選用了12個指數,不但提取組分特征差異指數,而且提取多樣性和分布特征等景觀特征指數(表2、表4、表5)。此外,還在景觀帶層級上以各景觀帶內的植物群落類型為單元,提取群落組分與形狀特征指數(表2、表6)。景觀指數的提取運用了景觀結構分析軟件FRAGSTATS3.3,通過對3種尺度的植物分類圖編輯及格式轉換后,得到30m×30m精度的網格數據,分別進行各個層級的景觀指數提取。3結果與分析3.1生境群落類型及分布關系在所有群落類型中,無植被水面和水冬瓜兩種類型所占面積的比例都很低,合計不足1%,斑塊數量和密度也都是最低的;相反,小葉章-苔草群落(Calamagrostisangustifolia-Carexspp.)無論在面積比、平均斑塊面積、加權平均形狀指數、分維數還是散布并列指數都具有極端高值,但斑塊密度指數不是最高值,說明該群落不但形狀復雜,而且集中連片分布,是研究區的核心優勢植物群落。漂筏苔草-毛果苔草群落(Carexpseudocuraica-Carexlasiocarpa)和毛果苔草群落(Carexlasiocarpa)是最主要的典型沼澤群落類型,其分布面積僅次于小葉章-苔草群落。漂筏苔草-毛果苔草群落、柴樺群落(B.fruticasaPall.)和臌囊-烏拉苔草群落(C.schmidtiimeinsh-Carexmeyeriana)都具有斑塊密度高值,分維數也高于其它群落,說明這3種植物群落分布破碎且形狀復雜。沼柳群落(Salixbrachypoda)和狹葉甜茅群落(Glyceriaspiculosa)都具有最大斑塊指數低值,平均斑塊面積值同樣也很低,說明這兩個群落的分布形態比較細碎。蘆葦群落(Phragmitesaustralis)分維數不高,表明其斑塊形狀并不復雜,但卻具有面積加權平均形狀指數高值,主要是由于該群落具有較大的斑塊分布,這與其最大斑塊指數明顯高于其它群落相一致(表3)。群落斑塊的分布關系特征方面,小葉章-苔草群落、漂筏苔草-毛果苔草群落和臌囊-烏拉苔草群落多分布在研究區中水文情勢較為復雜的過渡交錯地帶,通常多種類型斑塊間彼此鄰近,因此IJI值最高;相反,狹葉甜茅群落、沼柳群落和水冬瓜赤楊群落(Alnus.SibiricaFisch)都有比較特殊的生境要求,僅與少數幾種其它群落類型相鄰接,IJI值最低。3.2植被型的空間分布特征沼澤植被型和草甸植被型面積相當,都超過1/3的比例,兩者合計達到77.12%,最大斑塊指數、平均斑塊面積指數也遠遠大于其它植被型,因此,沼澤濕地植被型和具有退化沼澤特征的草甸濕地植被型是研究區具有主導地位的植被型類型,但草甸濕地分維數高于沼澤濕地,說明其斑塊形狀更為復雜。灌叢植被型雖然所占面積不大,但是斑塊數量最高,斑塊密度指數最大,分維數也是最大的,說明該植被型不但空間分布特征上表現出破碎特征,同時其形態上也最復雜。反之,開闊水面和農田植被型斑塊數最少,且形狀簡單(表4)。由于多種沼澤群落的歸并,沼澤濕地植被型聯通于研究區中部和北部的河道與低洼地,因此與其它植被型類型的鄰接變少,IJI值降為最低值,農田植被型主要開墾于草甸濕地,開闊水面主要形成于深積水洼地,因此都具有相似的IJI特征低值;相反,草甸濕地植被型由于具有較好的交錯過渡特征,與其它各植被型類型呈毗鄰交錯分布,因此IJI值為最高。3.3研究區的斑塊數量及面積比例分析由表5可知,具有過渡性特征的草甸灌叢景觀類型是研究區的基質景觀,無論是斑塊數量、面積比例,還是景觀形狀指數、景觀豐度指數以及多樣性指數都是最大的,景觀的指示作用表明濕地生境濕度的過渡性特征已在洪河保護區占據主導地位。沼澤景觀雖然在斑塊數量和面積比例方面與草甸灌叢景觀有一定差距,但是在斑塊密度、平均斑塊面積、聚集度指數、多樣性指數以及均勻度指數上兩者接近,其中,平均斑塊面積和均勻度指數略高于后者,表明該景觀在研究區仍是很具有活力的重要組分。島狀林景觀在研究區只占有很小的面積比例,由于斑塊數量明顯偏低,卻具有最高的最大斑塊指數值、平均斑塊面積值和聚集度指數,其斑塊密度和景觀形狀指數同其他兩種景觀相比明顯偏低,說明構成該景觀的群落斑塊少而集中,且形狀簡單;散布并列指數、多樣性指數和均勻度指數也都比其他兩種景觀明顯低,景觀豐度指數同樣最低,表明該景觀處于從屬地位,而且景觀結構簡單。3.4沼澤植物構成對生境的影響由表6可知,草甸灌叢景觀包括了所有的植物群落類型,其中4類植物群落占據了整個景觀面積的近75%,尤其以小葉章-苔草群落面積比例最高,超過40%,其次是柴樺群落、漂筏苔草-毛果苔草群落和小葉章群落(Calamagrostisangustifolia),其他群落類型分布比例較低,但比較均勻,除了小葉章-苔草群落和農田的平均斑塊面積出現極大值外,主要群落類型的斑塊密度和平均斑塊面積都比較接近。沼澤景觀的構成以典型沼澤植物類型為主,出現雙峰格局,毛果苔草群落和漂筏苔草-毛果苔草群落面積比例接近,合計超過50%,其次為蘆葦群落、臌囊-烏拉苔草群落和小葉章-苔草群落,其余的群落只占有很低比例,合計不足10%;在分布特征上,典型沼澤植物群落的斑塊密度、平均斑塊面積和最大斑塊指數普遍出現高值,這些都說明典型濕地環境對多數非沼生植物的生長有明顯抑制作用。島狀林景觀的構成中,柞楊樺群落(Quercusmongolica-Populusdavidiana-Betulaplatyphylla)占有絕對優勢比例,接近整個景觀面積的80%,除柴樺群落和小葉章群落還占有一定比例外,其他植物類型,特別是沼澤植物類型只占有極低的比例,無植被水面、蘆葦和狹葉甜茅缺失,反證了積水的地貌條件對于典型沼澤植物生存的重要性。4研究區景觀格局動態變化洪河保護區內濕地生態系統體現出自然狀態下特有的空間格局特征,3種景觀帶的分布表現出與水文地貌的明顯一致性,沼澤景觀帶、草甸灌叢景觀帶和島狀林景觀帶分別對應于研究區河流洼地區、干濕過渡交替區和崗地區3個水文地貌地帶。草甸灌叢景觀分布在廣闊的河間干濕交替地帶,灌叢斷續分布于島狀林的外圍,灌叢外圍則是面積廣大的草甸濕地。沼澤濕地景觀主要成條帶延伸于研究區中部和北部河道與洼地地帶,其中,漂筏苔草-毛果苔草群落主要分布于河道較深的濃江,毛果苔草群落主要分布于相對河道較淺的沃綠藍河,兩群落落交錯連片分布,成為河流洼地區基質性景觀。島狀林景觀則出現在保護區內地勢較高的崗地段,呈斷塊分布。基于研究區植物群落層次的景觀格局分析顯示,目前保護區的現狀13個自然植物群落中,具有沼澤退化特征的小葉章-苔草群落已經占到1/3,居于最高比例;基于研究區6個植被型的景觀格局特征分析表明,草甸植被型的面積比例已經達到38.79%,比沼澤植被型的面積比例還要高出近0.5個百分比,草甸和灌叢景觀已經成為研究區基質性景觀。歷史數據顯示,1999年洪河保護區的沼澤植被型仍是植被型中面積最大、分布最廣的,所占面積達到48.22%,7年間沼澤濕地面積損失了約10%。景觀格局與水文地貌分區的耦合分析表明,沼澤景觀已經退縮到保護區核心區以及北部濃江河道狹長地帶。以目前的退化速度發展,30年后洪河保護區的典型沼澤濕地景觀將完全消失。研究區景觀格局變化的主要驅動因素是其周邊地區的人類活動。近年來,洪河自然保護區正面臨越來越嚴重的水源短缺,由此引起濕地生境日益退化。由于濃江上游截流以及保護區周邊農場逐年完善農業排灌水利工程,外部來水未及進入保護區就被全部排入黑龍江,這些都損害了洪河自然保護區作為流域積水洼地的外部條件,而這正是其濕地環境賴以存在的必要條件。1993年保護區核心區沃綠藍河水位絕對高程值為52.0m,至2002年降低為51.4m,下降了0.6m,平均每年降低70mm;地