黑河中游濕地景觀破碎化過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)力分析

趙銳鋒，姜朋輝，趙海莉，樊潔平

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070)

濕地是地球上水陸相互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，多指位于水陸交錯(cuò)地帶，且占據(jù)一定的水域和陸域，或常年或季節(jié)性被淺水淹沒(méi)的區(qū)域［1］。作為全球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，濕地在降解污染物、調(diào)蓄洪水、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性和區(qū)域生態(tài)安全等方面發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，具有極其重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及科研價(jià)值和意義［2-3］。近年來(lái)，在自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的雙重驅(qū)動(dòng)下，全球范圍內(nèi)的多數(shù)濕地資源已然消亡，現(xiàn)存濕地也多呈現(xiàn)出不同程度的景觀破碎化現(xiàn)象，生態(tài)與系統(tǒng)完整性受到嚴(yán)重的威脅［4-6］，因此，重視濕地景觀破碎化過(guò)程和驅(qū)動(dòng)力研究，有助于很好的理解濕地生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律，為濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。解析濕地破碎化過(guò)程及驅(qū)動(dòng)力已成為當(dāng)前濕地科學(xué)急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一［7］。

景觀破碎化是指景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體，它直接影響著景觀中生物多樣性、能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)等生態(tài)特征與過(guò)程［8］，是導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性功能減弱甚至喪失的主要原因［7］。干旱區(qū)濕地是干旱區(qū)生態(tài)景觀格局安全的重要結(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵區(qū)域，它承擔(dān)著區(qū)域水資源、生物資源、礦產(chǎn)和能源資源的供應(yīng)以及為人類(lèi)提供生存和發(fā)展用地的重任［9-10］，并對(duì)綠洲萎縮、河岸林銳減、草場(chǎng)退化、荒漠化具有一定的抑制作用。同時(shí)，受干旱區(qū)特殊的地理環(huán)境的影響，對(duì)區(qū)域環(huán)境要素改變和人類(lèi)活動(dòng)的擾動(dòng)非常敏感，一旦破壞則很難恢復(fù)［11］。黑河中游濕地位于我國(guó)西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，是自然形成的多類(lèi)型、多層次的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，湖泊、沼澤、灘涂等星羅棋布，是我國(guó)候鳥(niǎo)三大遷徙的西部路線之一，也是全球8條候鳥(niǎo)遷徙通道之一的東亞—印度通道的中轉(zhuǎn)站，更是遏制巴丹吉林沙漠南下擴(kuò)張的天然生態(tài)屏障，在黑河流域乃至河西走廊生態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用［12］。然而，多年來(lái)延續(xù)的氣候變暖導(dǎo)致黑河中游區(qū)地表水補(bǔ)給日趨減少，地下水持續(xù)下降，河水?dāng)嗔?，湖泊干涸，從而致使該區(qū)域濕地由于缺少水源補(bǔ)給而逐漸縮小。此外，工農(nóng)業(yè)發(fā)展需水量以及污水排放量的急劇增加使得黑河中游濕地補(bǔ)給水源的數(shù)量與質(zhì)量銳減，各濕地類(lèi)型間的能量與物質(zhì)循環(huán)難以正常維持，致使黑河中游濕地大面積減少，破碎化加重，生態(tài)系統(tǒng)及其功能?chē)?yán)重退化［13］，進(jìn)而導(dǎo)致北部巴丹吉林沙漠逐漸南移，大片草原和綠洲面臨著被吞噬的威脅，危及黑河流域的生存和發(fā)展，影響河西走廊乃至整個(gè)西北地區(qū)的生態(tài)安全。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)濕地景觀破碎化的研究范圍主要集中在三江平原、青藏高原、東部沿海區(qū)等［14-16］，而針對(duì)西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域濕地景觀破碎化的研究還較為薄弱［17］。對(duì)于黑河流域，眾多研究學(xué)者從土地利用、水文、植被、氣候變化等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了豐碩的成果［18-22］。此外，有關(guān)黑河景觀格局變化的研究也取得了顯著進(jìn)展［23-24］。然而涉及黑河流域濕地景觀變化的研究卻十分匱乏，尤其針對(duì)濕地破碎化的研究幾乎為空白。而且在有關(guān)濕地景觀變化驅(qū)動(dòng)力的眾多研究中，多數(shù)研究或單獨(dú)分析人類(lèi)活動(dòng)的作用，或僅僅探討自然因素的影響，而將自然因素和人類(lèi)活動(dòng)影響綜合在一起定量分析其影響的研究尚不多見(jiàn)。

本研究以黑河中游濕地為研究對(duì)象，應(yīng)用遙感和地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代手段以及景觀格局指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析、主成分分析等綜合研究方法，對(duì)黑河中游濕地景觀破碎化過(guò)程及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，為黑河流域濕地資源的保護(hù)利用與恢復(fù)以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐和決策參考。

1 研究區(qū)概況

黑河中游區(qū)(98°57'—100°52'E，38°39'—39°59'N)，行政區(qū)劃上包括張掖市所屬的甘州區(qū)、高臺(tái)縣、臨澤縣，南臨祁連山，北依合黎山，黑河貫穿全境，自西南流向東北(圖1)。屬于溫帶荒漠氣候，年均降水量50—250mm，年均蒸發(fā)量2000—3500mm，地帶性植被為溫帶小灌木、半灌木荒漠植被。受河流和人類(lèi)活動(dòng)影響，山前沖積扇下部和河流沖積平原分布有栽培農(nóng)作物和林木，呈現(xiàn)以人工植被為主的景觀。土地類(lèi)型主要為耕地、草地和戈壁。土壤屬灰棕荒漠土與灰漠土分布區(qū)。2010年區(qū)域GDP為14.7×105萬(wàn)元，年末總?cè)丝跒?2.55萬(wàn)人。

圖1 研究區(qū)在黑河流域的位置示意圖Fig．1 Location of the study area in the Heihe River basin

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本文獲取近35年黑河中游區(qū)濕地景觀信息的數(shù)據(jù)源主要為遙感影像(表1)。驅(qū)動(dòng)力分析所需的氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)、黑河上游、中游分界點(diǎn)鶯落峽水文站和中游、下游分界點(diǎn)正義峽水文站1956—2005年間觀測(cè)的年徑流量數(shù)據(jù)、《甘肅60年》和張掖市1984—2010年的統(tǒng)計(jì)年鑒資料。

表1 研究區(qū)景觀信息的數(shù)據(jù)源表Table 1 Data sources for landscape information of research district

2.2 遙感數(shù)據(jù)的解譯與精度驗(yàn)證

利用ERDASIMAGINE 9.2對(duì)遙感圖像進(jìn)行圖像校正、圖像拼接、圖像增強(qiáng)和圖像裁剪等預(yù)處理。根據(jù)研究區(qū)景觀信息特征，在借鑒國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有濕地景觀分類(lèi)研究成果的基礎(chǔ)上［17，25］，結(jié)合實(shí)際研究需要，將黑河中游景觀類(lèi)型劃分為:耕地、草地、林地、濕地、居民工礦用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類(lèi)型，河流濕地、湖泊濕地、水庫(kù)坑塘濕地、河灘濕地和沼澤濕地等21個(gè)二級(jí)類(lèi)。然后運(yùn)用相關(guān)分析法，利用與濕地類(lèi)型有密切關(guān)系的間接解譯標(biāo)志，同時(shí)結(jié)合地形圖、Google earth高清影像以及野外驗(yàn)證工作，從已識(shí)別的間接解譯標(biāo)志推斷出濕地類(lèi)型的屬性位置及分布范圍，建立合適的解譯標(biāo)志。最后，在ARCGIS9.3軟件支持下，參考研究區(qū)1∶50000地形圖進(jìn)行人機(jī)交互式判讀，目視解譯得到1975年、1987年、1992年、2001年、2010年研究區(qū)濕地景觀空間分布數(shù)據(jù)。精度的驗(yàn)證則通過(guò)結(jié)合野外GPS驗(yàn)證點(diǎn)、Google earth以及相關(guān)的各類(lèi)歷史圖集資料，采用位置精度評(píng)價(jià)，計(jì)算得出1975年、1987年、1992年、2001年、2010年的遙感影像整體解譯精度分別為77.67%、80.74%、77.92%、80.57%、81.18%，平均解譯精度達(dá)79.62%。分類(lèi)效果較好，能夠滿(mǎn)足大尺度研究需要。

2.3 分析方法

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在景觀破碎化分析的方法選擇上多傾向于采用景觀破碎化指數(shù)進(jìn)行定量分析。本研究選取斑塊平均面積(MPS)、斑塊內(nèi)部生境面積(IA)、斑塊密度(PD)、斑塊平均形狀破碎化指數(shù)(FS1)和面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)(FS2)等景觀破碎化指數(shù)，結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣模型對(duì)黑河中游濕地的景觀破碎化過(guò)程進(jìn)行綜合分析，各指數(shù)計(jì)算公式和生態(tài)學(xué)意義參見(jiàn)文獻(xiàn)［14，26-27］。采用灰色關(guān)聯(lián)法和主成分分析法等相結(jié)合的方法進(jìn)行黑河中游濕地景觀破碎化驅(qū)動(dòng)力分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地景觀的破碎化過(guò)程

由圖2可知，1975—2010年，黑河中游濕地的斑塊平均面積逐年減小，縮減幅度高達(dá)42.12%，且尤以1975—1987年、2001—2010年兩時(shí)段內(nèi)縮減幅度最為顯著，分別高達(dá)22.56%和19.35%。與此相反，濕地景觀的斑塊密度、斑塊平均形狀破碎化指數(shù)(FS1)和面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)(FS2)卻呈現(xiàn)出逐年增大趨勢(shì)，尤其在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初的十幾年內(nèi)，這一變化更為明顯。其中，斑塊密度指數(shù)增加了17.90%，斑塊平均形狀破碎化指數(shù)(FS1)和面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)(FS2)則分別由1992年的0.524、0.269增加到2010年的0.556、0.276。

圖2 黑河中游濕地的景觀指數(shù)變化Fig．2 The landscape indices changes of wetlands in the middle reaches of Heihe River

這些變化指示出，研究區(qū)濕地逐漸由研究初期大面積斑塊體占主導(dǎo)、空間上連續(xù)分布的格局趨于景觀破碎化。此外，受不同歷史背景條件下人類(lèi)活動(dòng)對(duì)各濕地景觀類(lèi)型的干擾程度存在差異以及各研究時(shí)段內(nèi)自然條件波動(dòng)變化的影響，不同階段內(nèi)濕地景觀破碎化進(jìn)程雖然表現(xiàn)出不同的演變趨勢(shì)，但景觀破碎化依舊是研究區(qū)景觀格局變動(dòng)的主旋律，短期內(nèi)這一主導(dǎo)方向不會(huì)有所變化。

圖3 黑河中游各濕地類(lèi)型的景觀指數(shù)Fig．3 The landscape indices of every wetland types in the middle reach of Heihe River

3.2 濕地景觀類(lèi)型的破碎化過(guò)程

3.2.1 河流濕地景觀破碎化過(guò)程

從各景觀指數(shù)層面分析，流域內(nèi)河流濕地的內(nèi)部生境面積、斑塊平均面積均處于逐漸萎縮的態(tài)勢(shì)，斑塊形狀破碎化指數(shù)不斷增加(圖3)。尤其自1975年以后，黑河中游河流濕地內(nèi)部生境面積縮小了3702.96 hm2，縮減幅度高達(dá)59.86%。斑塊平均面積由1975年的7183.06 hm2驟減至1987年的1229.84 hm2，變化幅度更是高達(dá)82.88%。2000年實(shí)施分水之后，黑河部分河段出現(xiàn)斷流，河道被分割為若干條，河流濕地的斑塊形狀破碎化指數(shù)也由0.9237、0.9463上升為0.9390和0.9555。究其主因在于黑河中游區(qū)為全國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，耗水量占流域耗水量的85%以上，是黑河的主要耗水區(qū)和徑流利用區(qū)，80年代耗水量比40年代末期至70年代增加了2.0×108—2.5×108m3左右［28］，而21世紀(jì)初啟動(dòng)的黑河分水更是進(jìn)一步引起了黑河中游水量的銳減［29］，河流濕地缺乏充足的補(bǔ)給水源，導(dǎo)致河流濕地面積退縮，進(jìn)而出現(xiàn)景觀破碎化現(xiàn)象。

3.2.2 湖泊濕地景觀破碎化過(guò)程

湖泊濕地作為干旱區(qū)較易受到人為和自然因素干擾的景觀，其斑塊景觀格局變化動(dòng)態(tài)較大。從斑塊形狀破碎化指數(shù)方面分析(圖3)，1975—1987年，湖泊濕地的斑塊形狀破碎化指數(shù)由0.3554、0.5330增至0.3862、0.5383，斑塊形狀朝不規(guī)則方向變化;1987年以后至2001年，隨著斑塊形狀破碎化指數(shù)的降低，呈現(xiàn)規(guī)則化發(fā)展;但在2001—2010年間，又轉(zhuǎn)向于表現(xiàn)為不規(guī)則變化。然而就湖泊濕地的斑塊密度指數(shù)、內(nèi)部生境面積和斑塊平均面積而言，其景觀格局變化趨勢(shì)十分明顯。其中，斑塊密度自研究初期的0.0147個(gè)/hm2持續(xù)增長(zhǎng)至2010年的0.0394個(gè)/hm2，增幅高達(dá)72.94%，而內(nèi)部生境面積和斑塊平均面積在1975—2010年的35年間分別減少了63.71%、41.65%(圖3)。據(jù)此可知，雖然在人文和自然因素的綜合作用下，湖泊濕地景觀變化表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，但是其最終演變趨勢(shì)仍歸于景觀的破碎化。

3.2.3 河灘濕地景觀破碎化過(guò)程

80年代以來(lái)，改革開(kāi)放和西部大開(kāi)發(fā)帶來(lái)的工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，研究區(qū)土地、水等資源需求日益膨脹［30］。河灘濕地作為河流與陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的重要過(guò)渡帶［31］，距水源較近的優(yōu)越空間位置使得其成為耕地開(kāi)墾的主要來(lái)源，在過(guò)去的35a間，研究區(qū)河灘濕地的斑塊平均面積和內(nèi)部生境面積分別減少了45.91%、20.06%，1975年河灘地總面積的20.06%被開(kāi)發(fā)為其他用地，斑塊密度由1975年的0.0133個(gè)/hm2上升至2010年的0.0147個(gè)/hm2(圖3)，河灘濕地的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程遭到嚴(yán)重破壞。斑塊平均面積和內(nèi)部生境面積的縮小、斑塊密度指數(shù)的增大表明研究區(qū)河灘濕地景觀已由連續(xù)、完整轉(zhuǎn)向分散、破碎化。

3.2.4 沼澤濕地景觀破碎化過(guò)程

研究區(qū)沼澤濕地分布廣泛，水源由降水或地下水補(bǔ)給而形成［32］。因而，降水和地下水的變化會(huì)直接影響到沼澤濕地的水分補(bǔ)給，進(jìn)而導(dǎo)致沼澤濕地景觀擴(kuò)張或萎縮。近35年來(lái)，研究區(qū)降水量趨于減少，氣溫波動(dòng)上升［33］，70—80年代，由于各種大規(guī)模開(kāi)發(fā)導(dǎo)致地下水系統(tǒng)補(bǔ)給量減少了2.168億m3/a，1986年以來(lái)的土地用變化更進(jìn)一步導(dǎo)致地下水儲(chǔ)存量減少了0.545億m3/a［34］。對(duì)應(yīng)于該時(shí)期降水和地下水的變化，1975—1992年間，研究區(qū)沼澤濕地內(nèi)部生境面積和平均斑塊面積分別縮減了6.37%、3.42%(圖3)，斑塊密度指數(shù)由0.0143個(gè)/hm2增加到0.0148個(gè)/hm2(圖3)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，人們雖然增強(qiáng)了對(duì)沼澤濕地的認(rèn)識(shí)與保護(hù)，在一定時(shí)期內(nèi)使得沼澤濕地有所恢復(fù)。但是沼澤濕地景觀破碎化仍在持續(xù)。2001—2010年，研究區(qū)沼澤濕地的內(nèi)部生境面積和平均斑塊面積分別減少了2.57%、4.33%，斑塊形狀破碎化指數(shù)(FS1、FS2)由0.3961、0.5542分別上升至0.4081、0.5792(圖3)，沼澤濕地的景觀破碎化進(jìn)程仍在繼續(xù)。

3.2.5 水庫(kù)坑塘濕地景觀破碎化過(guò)程

近幾十年來(lái)，隨著黑河中游社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，引用地表水和開(kāi)采地下水的量迅速上升，修建的水庫(kù)數(shù)量也迅速增加［35］，從而使得水庫(kù)坑塘濕地的斑塊密度增大。水庫(kù)坑塘濕地的斑塊密度自研究初期的0.0148個(gè)/hm2持續(xù)增長(zhǎng)至2010年的0.0574個(gè)/hm2(圖3)。然而，灌溉面積的持續(xù)增加，降水量的減少以及氣溫的不斷上升使得水庫(kù)坑塘內(nèi)的濕地面積日漸減少。整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，水庫(kù)坑塘濕地的斑塊平均面積和內(nèi)部生境面積分別減少了34.64%、19.67%，斑塊平均形狀破碎化指數(shù)由0.3120增加為0.3581(圖3)，這顯示研究區(qū)水庫(kù)坑塘濕地景觀整體趨于破碎化。

3.3 濕地景觀空間格局演變

由圖4可知研究區(qū)不同時(shí)期濕地景觀的空間分布結(jié)構(gòu)特征。20世紀(jì)70年代中期，甘州、臨澤、高臺(tái)三縣境內(nèi)湖泊、沼澤、河灘地星羅棋布，濕地類(lèi)型多樣，沙漠、戈壁、濕地、綠洲相映生輝，“四面蘆葦三面水”、“甘州不干水池塘”等民諺正是對(duì)這一時(shí)期濕地廣布景象的生動(dòng)闡述。該階段各濕地景觀類(lèi)型在空間分布上表現(xiàn)為:河灘濕地大面積的連接成片分布，沼澤濕地、湖泊濕地和水庫(kù)坑塘濕地羅列于黑河主干道兩岸，各濕地類(lèi)型間或彼此鄰近分布，或相互連為一體。1975年之后，尤其自1987年以來(lái)，河流濕地急劇萎縮，河灘地被大規(guī)模地轉(zhuǎn)為其他用地，斑塊密度大幅上升至。靠近河流分布的湖泊、沼澤、水庫(kù)坑塘濕地則因河流濕地和自身面積的萎縮發(fā)生相對(duì)位移，河流兩岸的濕地景觀逐漸演變?yōu)楹訛竦?、耕地、未利用地等景觀交織分布。各濕地類(lèi)型在空間結(jié)構(gòu)特征和分布上逐漸由之前完整且彼此相連的大斑塊體破碎化為相互分離的小斑塊個(gè)體，如湖泊、沼澤濕地等正漸漸演變?yōu)楦?、未利用地等其他用地?lèi)型上的小型斑塊鑲嵌體。

此外，利用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)黑河中游區(qū)濕地變化過(guò)程進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建各濕地類(lèi)型與其他用地類(lèi)型的轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，分析可知:1975—2010年間，濕地空間轉(zhuǎn)換的主要表現(xiàn)為河灘濕地類(lèi)型向耕地、草地的轉(zhuǎn)化以及河流濕地和河灘濕地間的相互轉(zhuǎn)化。整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，僅河灘濕地轉(zhuǎn)為耕地的平均面積達(dá)到0.06×104hm2，而轉(zhuǎn)為草地的平均面積更是高達(dá)0.12×104hm2。河灘濕地與河流濕地間的轉(zhuǎn)化為濕地空間轉(zhuǎn)換的另一主要表現(xiàn)形式，該部分平均面積達(dá)到0.11×104hm2。濕地的這一空間轉(zhuǎn)換過(guò)程使得濕地的完整性進(jìn)一步被瓦解，之前綿延一體的濕地景觀逐漸被耕地、草地等其他景觀所分割。

表2 黑河中游各景觀類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)移矩陣(×104 hm2)Table 2 The transition matrix between every landscape types in the middle reaches of Heihe River(×104hm2)

圖4 不同時(shí)期黑河中游濕地分布Fig．4 The distribution of wetlands in the middle reaches of the Heihe River in different years

4 濕地景觀破碎化驅(qū)動(dòng)力分析

導(dǎo)致景觀破碎化的驅(qū)動(dòng)力一般可歸納為自然因素和人文因素兩方面，此二者的共同作用是景觀破碎化現(xiàn)象發(fā)生的重要條件［36］。

4.1 濕地景觀破碎化驅(qū)動(dòng)力的定性分析

4.1.1 自然因素

(1)氣溫和降水對(duì)濕地景觀破碎化的驅(qū)動(dòng)分析

氣候條件對(duì)濕地資源的影響主要表現(xiàn)在降水和溫度兩個(gè)方面［37］。降水是濕地水源補(bǔ)給的重要來(lái)源之一，溫度則是濕地水量流失的重要影響因素。分析圖5可知，1975—2010年間，黑河中游區(qū)氣溫和降水的總體變化趨勢(shì)為:氣溫的顯著上升和降水量的波動(dòng)增加。這一氣候變化趨勢(shì)勢(shì)必引起濕地水文及土壤溫度升高，將影響濕地的能量平衡［38］，從而加速研究區(qū)濕地景觀破碎化進(jìn)程。將氣溫和降水分別與對(duì)應(yīng)時(shí)期的濕地景觀指數(shù)一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析［39］，由濕地景觀破碎化指數(shù)和年平均氣溫、年均降水量間的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果(表3)可知，年平均降水量與濕地景觀破碎化指數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)均明顯低于年平均氣溫。由此可見(jiàn)，氣溫變化對(duì)研究區(qū)濕地景觀破碎化的影響明顯高于降水量，氣溫的波動(dòng)上升是導(dǎo)致研究區(qū)濕地景觀破碎化的主要自然因素。

表3 黑河中游濕地各景觀指數(shù)與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 3 Grey relational coefficients between wetland landscape indices and meteorological factors

圖5 黑河中游年平均降水量和年平均氣溫變化趨勢(shì)Fig．5 The change of annual precipitation and temperature in the middle reach of Heihe River

(2)水文動(dòng)態(tài)變化對(duì)濕地景觀破碎化的驅(qū)動(dòng)分析

由于位于水陸交錯(cuò)地帶，且占據(jù)一定的水域和陸域，因而濕地受水文動(dòng)態(tài)變化的影響十分顯著，它是促成濕地植被和土壤的決定性因素［40］。水文正是通過(guò)對(duì)濕地植被和土壤特征的決定性影響進(jìn)而左右著濕地景觀格局的變化。分析圖6可知，1956年以來(lái)伴隨氣溫的上升，高山冰雪融化速度加快，冰雪融水量增加，鶯落峽的來(lái)水量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)。正義峽卻因受中游工農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中大量汲取黑河水而導(dǎo)致徑流量的下降趨勢(shì)明顯。然而2000年黑河中游分水之后，正義峽的年徑流量明顯增加。在這一階段內(nèi)，由于黑河中游水量減少幅度最為顯著，因而其對(duì)黑河中游濕地景觀格局的影響也最為明顯。對(duì)應(yīng)于該時(shí)期黑河中游濕地景觀破碎化進(jìn)程不難發(fā)現(xiàn)，由于正義峽下泄量的增加致使黑河中游地區(qū)地下水位明顯下降，濕地的補(bǔ)給水源大幅減少，2001—2010年間，黑河中游濕地的斑塊平均面積縮減了19.35%，而斑塊密度和斑塊平均形狀破碎化指數(shù)(FS1)和面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)(FS2)卻呈現(xiàn)出逐年增大趨勢(shì)，濕地景觀破碎化現(xiàn)象凸顯。

4.1.2 人文因素

黑河中游濕地區(qū)地處干旱區(qū)環(huán)境背景下，長(zhǎng)期受自然環(huán)境的制約，自然條件的變更對(duì)濕地景觀破碎化的影響毋庸置疑。但以人口增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展為代表的人文因素對(duì)濕地景觀破碎化的驅(qū)動(dòng)尤為突出。近35年來(lái)，黑河中游區(qū)人口從研究初期的58.67萬(wàn)人迅猛增加至82.55萬(wàn)人，增幅為28.93%，相應(yīng)的農(nóng)民人均收入水平更是提高了66.28倍之多(圖7)。人口的大量增加，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶來(lái)的是耕地、居住地以及消費(fèi)品等需求量的大規(guī)模上漲。為滿(mǎn)足這一需求增加量，1975—2010年間，研究區(qū)整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，林地、草地、濕地大面積地轉(zhuǎn)化為耕地和居民工礦用地。由黑河中游各景觀類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，分析可知:1975—2010年的近35年間，黑河中游濕地流失量較大。特別是在1992—2010年的十幾年內(nèi)，各類(lèi)型濕地流失總面積由1992—2001年的0.39×104hm2增至2001—2010年的0.43×104hm2。其中，1992—2001年間，約有0.24×104hm2濕地轉(zhuǎn)為耕地，僅此類(lèi)流失方式就占了該時(shí)期濕地流失總面積的55.81%。1975—1987年該數(shù)據(jù)為65.52%，1987—1992年為30.61%，2001—2010年更是達(dá)到76.92%。據(jù)此可知，濕地轉(zhuǎn)為耕地的總面積在濕地流失總面積中所占比例呈逐漸上升趨勢(shì)。所以，人類(lèi)活動(dòng)是導(dǎo)致黑河中游濕地景觀破碎化最直接和主要的驅(qū)動(dòng)因子。

圖6 黑河中游年徑流量變化趨勢(shì)Fig．6 The change of annual runoff in the middle reach of Heihe River

圖7 1975—2010年黑河中游區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化狀況Fig．7 The development and change in the middle reaches of Heihe River during 1975—2010 years

4.2 濕地景觀破碎化驅(qū)動(dòng)力的定量分析

文章根據(jù)主成份分析法的相關(guān)原理和要求，選取國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、財(cái)政收入、財(cái)政支出、年末總?cè)丝跀?shù)、糧食產(chǎn)量、全社會(huì)固定資產(chǎn)投資總額、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、農(nóng)民人均純收入、年平均氣溫、年降水量等12個(gè)因子進(jìn)行濕地景觀破碎化的驅(qū)動(dòng)力分析。

首先，對(duì)現(xiàn)有的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用SPSS軟件對(duì)所選的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和KMO檢驗(yàn)，由KMO檢驗(yàn)結(jié)果值為0.741，Bartlett檢驗(yàn)顯著性0.000知可以對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。旋轉(zhuǎn)前后各因子的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率如表4所示。分析結(jié)果共篩選了兩個(gè)主成分，特征值大于1的累計(jì)貢獻(xiàn)率約為87.353%，符合分析要求。然后計(jì)算出因子載荷矩陣，并應(yīng)用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法(Varimax)對(duì)因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便于加強(qiáng)關(guān)系緊密的因子的負(fù)荷，由此得出旋轉(zhuǎn)之后的主成分載荷矩陣(表5)。

表4 特征值及主成分貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues and contribution of principle components

表5 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 5 Rotated component matrix

第一主成分中，全社會(huì)固定資產(chǎn)投資總額對(duì)濕地景觀破碎化的影響權(quán)重高達(dá)0.952，其他如GDP、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、財(cái)政支出等對(duì)濕地景觀破碎化的影響權(quán)重也多達(dá)到0.9以上，而年平均氣溫和年降水量對(duì)濕地景觀破碎化的影響權(quán)重卻僅為0.415和0.276，這說(shuō)明第一主成分中人文因子對(duì)濕地景觀破碎化的影響要遠(yuǎn)大于自然因子;第二主成分中，糧食產(chǎn)量代表的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)研究區(qū)濕地景觀破碎化的影響權(quán)重最高，達(dá)到0.893。其次為年末總?cè)丝冢鋵?duì)濕地景觀破碎化的影響權(quán)重為0.872。然而與第一主成分中不同的是年平均氣溫的影響權(quán)重有所提升，達(dá)到0.793。年均降水量的影響權(quán)重依舊較低，僅為-0.281?？傮w來(lái)看，第二主成分中人文因子對(duì)濕地景觀破碎化的影響仍高于自然因子。此外，自然因子的氣候因子中，年平均氣溫對(duì)濕地景觀破碎化的影響明顯高于年均降水量。

5 結(jié)論與討論

(1)黑河中游濕地景觀演變主要體現(xiàn)為河灘濕地類(lèi)型向耕地、草地的轉(zhuǎn)化以及河流濕地和河灘濕地間的相互轉(zhuǎn)化。近35年來(lái)，河灘濕地轉(zhuǎn)為耕地的平均面積達(dá)到0.06×104hm2，而轉(zhuǎn)為草地的平均面積高達(dá)0.12×104hm2。此外，河灘濕地與河流濕地間的轉(zhuǎn)化平均面積也達(dá)到0.11×104hm2。

(2)黑河中游區(qū)濕地景觀格局演變趨勢(shì)總體表現(xiàn)為景觀破碎化。整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，黑河中游濕地的斑塊密度增長(zhǎng)了43.74%，濕地內(nèi)部生境面積和平均斑塊面積分別縮減了28.49%和42.12%，而且斑塊的內(nèi)部生境面積破碎化指數(shù)和斑塊形狀破碎化指數(shù)總體均呈上升趨勢(shì)?？拷恿鞣植嫉暮?、沼澤、水庫(kù)坑塘濕地則因河流濕地和自身面積的萎縮發(fā)生相對(duì)位移，河流兩岸的濕地景觀逐漸演變?yōu)楹訛竦?、耕地、未利用地等景觀交織分布。

(3)導(dǎo)致黑河中游濕地景觀破碎化的各驅(qū)動(dòng)力中人文因子的影響明顯大于自然因子。以人口增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展為代表的人文因素是推動(dòng)黑河中游濕地景觀破碎化進(jìn)程的主因，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀格局影響的力度與范圍的擴(kuò)大是該區(qū)域濕地景觀破碎化的最直接驅(qū)動(dòng)因子。此外，氣溫和降水的波動(dòng)變化對(duì)黑河中游濕地景觀破碎化的發(fā)生與發(fā)展也產(chǎn)生了一定的影響，但并不占主導(dǎo)地位。

濕地景觀破碎化主要表現(xiàn)為景觀斑塊面積由大變小以及伴隨斑塊面積的減少和地理空間隔離程度的增加產(chǎn)生的景觀結(jié)構(gòu)破碎化［41］。本研究應(yīng)用景觀破碎化指數(shù)模型-斑塊密度指數(shù)(PD)、景觀內(nèi)部生境面積指數(shù)(IA)、斑塊平均面積指數(shù)(MPS)、斑塊形狀破碎化指數(shù)(FS1、FS2)，并結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣模型等，嘗試從時(shí)空角度，由宏觀至微觀探討了黑河中游濕地景觀破碎化進(jìn)程。采用灰色關(guān)聯(lián)分析、主成分分析法等，從定性到定量分析了影響黑河中游濕地景觀破碎化進(jìn)程的自然與人文驅(qū)動(dòng)力。結(jié)果顯示，近35年來(lái)，黑河中游濕地出現(xiàn)了明顯的景觀破碎化現(xiàn)象，濕地不斷向耕地、草地轉(zhuǎn)化，河灘濕地、沼澤濕地、湖泊濕地等的斑塊平均面積和景觀內(nèi)部生境面積指數(shù)逐漸縮小，而斑塊平均面積指數(shù)、斑塊形狀破碎化指數(shù)和斑塊密度則不斷增加。整體而觀，研究區(qū)濕地正由大面積連續(xù)分布的空間格局趨于萎縮破碎化。究其主因可以歸納為:氣溫上升帶來(lái)的蒸發(fā)量增加，黑河中游分水等導(dǎo)致的濕地水源補(bǔ)給量的銳減以及人類(lèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)濕地水文、植被、土壤、面積等帶來(lái)的綜合影響。

由于地處生態(tài)脆弱區(qū)、人類(lèi)活動(dòng)熱點(diǎn)區(qū)以及自然因素影響作用較強(qiáng)區(qū)，黑河中游濕地的景觀破碎化進(jìn)程以及導(dǎo)致其發(fā)生發(fā)展的原因均具有一定復(fù)雜性。本文應(yīng)用景觀指數(shù)模型、主成分分析法等研究方法，雖然不能從根本上展示黑河中游濕地景觀破碎化的進(jìn)程規(guī)律以及各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)濕地景觀破碎化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，但在一定程度上揭示了其破碎化的時(shí)空進(jìn)程、導(dǎo)致其發(fā)生發(fā)展的各驅(qū)動(dòng)因子以及不同驅(qū)動(dòng)因子的作用大小等，這對(duì)黑河中游濕地景觀研究與保護(hù)均具有重要借鑒意義。

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