寧夏鹽池縣四兒灘濕地交錯(cuò)帶判定及變化分析

王冠琪，張克斌，王志述

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

生態(tài)交錯(cuò)帶是生態(tài)系統(tǒng)中生物及其生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)不連續(xù)的區(qū)間，通常比兩側(cè)的區(qū)間范圍要狹窄，廣泛存在于生態(tài)區(qū)域［1］、生物群區(qū)［2－3］、群落［4］等各級(jí)別尺度水平中。生態(tài)交錯(cuò)帶的變化是對(duì)周圍環(huán)境變化的響應(yīng)，對(duì)其位置和寬度的判定是該領(lǐng)域研究的重要課題之一，不同的尺度水平有不同的研究方法，較為成熟的方法有基于相異系數(shù)的群落結(jié)構(gòu)分析法［5］、環(huán)境梯度上的β多樣性分析法［6］、分類排序法［7］等，其中，游動(dòng)分割窗技術(shù)是一種基于相異系數(shù)的群落結(jié)構(gòu)分析法，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始廣泛應(yīng)用于群落交錯(cuò)帶的判定中［8］。

濕地作為一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，是人類重要的生存環(huán)境和自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀之一［9］，尤其在中國(guó)西北半干旱地區(qū)，寶貴的濕地資源對(duì)于維持區(qū)域生態(tài)平衡起著極其重要的作用。近年來(lái)，隨著人類大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，忽略了對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，西北地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)逐年萎縮的態(tài)勢(shì)。本文利用游動(dòng)分割窗技術(shù)，對(duì)寧夏鹽池四兒灘濕地交錯(cuò)帶進(jìn)行判定，探究濕地變化因素，以期為西北半干旱區(qū)濕地恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，地理坐標(biāo)為北緯7°04′－38°10′，東經(jīng)106°30′—107°41′，北與毛烏素沙地相連，南靠黃土高原，屬于一個(gè)典型的過(guò)渡地帶。鹽池縣主要為剝蝕的準(zhǔn)平原地形，地勢(shì)南高北低，海拔1 295～1 951m，南北明顯分為黃土丘陵和鄂爾多斯緩坡丘陵2大地貌單元。屬于典型中溫帶大陸性氣候，年均氣溫8.1℃，極端最高溫34.9℃，極端最低溫－24.2℃，年均無(wú)霜期165d，年降水量?jī)H250～350mm。土壤類型以灰鈣土為主。

研究區(qū)位于鹽池縣城南8km處的四兒灘濕地，濕地面積10hm2左右，隸屬于哈巴湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，濕地類型屬于沼澤濕地，地勢(shì)低洼，水面面積受降雨量和外圍季節(jié)性河流匯流影響較大，季節(jié)性積水特征明顯，近年來(lái)對(duì)四兒灘濕地采取的措施主要是圍欄禁牧。根據(jù)植物生活型、植被分布特征、將濕地由中心區(qū)向外圍依次劃分為濕生帶、交錯(cuò)帶、旱生帶，樣線從濕地中心依次向外輻射跨越濕生帶、交錯(cuò)帶和旱生帶，共布設(shè)東、南、西、北4個(gè)樣線。

2 材料及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)家荒漠化定位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以四兒灘濕地中心為研究起點(diǎn)（固定水泥樁與GPS定位相結(jié)合），于2006—2013年每年的7月進(jìn)行外業(yè)調(diào)查。調(diào)查采用樣方法，由濕地中心向東、西、南、北4個(gè)方向輻射樣線做樣方調(diào)查，樣方采取1m×1m，樣方間距20m，樣方依次跨越濕生帶、交錯(cuò)帶直至旱生帶。采樣內(nèi)容包括：植被名稱、植被高度、植被株數(shù)、植被蓋度、生物量。每個(gè)樣方旁邊進(jìn)行土樣采集，取土采用環(huán)刀法，共取3層土，分別為：0—10，10—20，20—30cm各取一次，土壤水分測(cè)定采用烘干法（105℃，24h）。

2.2 多樣性指數(shù)

（1）多樣性指數(shù)。采用Shannon—Wiener多樣性指數(shù)：

式中：SW——Shannon—Wiener多樣性指數(shù)；Pi＝Ni／N，N——一定區(qū)域內(nèi)所有樣方植物重要值的總和；Ni——樣方中第i種植物的重要值；Pi——樣方中第i種植物的重要值比例；S——研究范圍內(nèi)的物種數(shù)。

2.3 交錯(cuò)帶邊界判定方法

本文以植被重要值（以樣方為測(cè)度基本單位）和土壤含水量（以樣方為測(cè)度基本單位）為測(cè)度依據(jù)，以游動(dòng)分割窗技術(shù)為研究方法，以平方歐氏距離（SED）為具體計(jì)算公式，對(duì)四兒灘濕地進(jìn)行交錯(cuò)帶邊界判定。

游動(dòng)分割窗技術(shù)原理如下：設(shè)置具有偶數(shù)取樣點(diǎn)的窗體平均分割為兩個(gè)半窗體A和B，計(jì)算A和B之間的相異系數(shù)，然后將窗體向右滑動(dòng)一個(gè)取樣點(diǎn)，再次計(jì)算半窗體間的相異系數(shù)，直到右半窗端點(diǎn)達(dá)到最后一個(gè)取樣點(diǎn)為止，最后依據(jù)相異系數(shù)和樣方作出曲線圖，根據(jù)曲線陡峭程度和波峰波谷位置判斷交錯(cuò)帶的寬度、位置。詳細(xì)技術(shù)方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

平方歐氏距離（SED）計(jì)算公式：

式中：SEDnw——窗體為n時(shí)的平方歐氏距離；XiAW，XiBW——A半窗體和B半窗體在參數(shù)為i時(shí)的值（本文指樣方重要值或者樣方含水量）；m——窗體變量數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 交錯(cuò)帶邊界和寬度的判定

3.1.1 分割窗大小對(duì)交錯(cuò)帶邊界判別的影響 圖1是2010年四兒灘濕地南樣線采用不同窗口寬度繪制的樣方—平方歐氏距離分布圖，從圖1a可以看出，當(dāng)窗口寬度為4時(shí)，曲線波動(dòng)較大，出現(xiàn)了6個(gè)波峰，干擾了交錯(cuò)帶邊界值的判定；圖1b中，當(dāng)窗口寬度為6時(shí)，曲線相對(duì)于1a較平緩，但仍出現(xiàn)了4個(gè)波峰，窗口寬度的選定仍未達(dá)到理想值；圖1c中，曲線平滑，可以很直觀地看出交錯(cuò)帶邊界位置；從圖1d，1e，1f中可以看出，曲線更加平滑，但是最大波峰的幅度逐漸增大，放大了邊界帶寬度，靈敏度下降，影響交錯(cuò)帶邊界判定。圖2是窗口寬度為8時(shí)，東、西樣線的樣方—平方歐氏距離分布圖。由圖2中可見(jiàn)，SEO曲線平滑，交錯(cuò)帶邊界清晰，這說(shuō)明，游動(dòng)分割窗技術(shù)可以應(yīng)用在半干旱區(qū)濕地生態(tài)交錯(cuò)帶的判定，且窗口寬度定為8最合適。

圖1 南樣線不同窗口寬度的平方歐氏距離（SED）

圖2 東、西樣線不同窗口寬度的平方歐氏距離（SED）

3.1.2 判定結(jié)果分析 從圖1c可知，當(dāng)窗口寬度為8時(shí)，SED距離函數(shù)出現(xiàn)了一個(gè)明顯的大峰值，根據(jù)游動(dòng)分割窗技術(shù)原理可知，明顯大峰值的出現(xiàn)說(shuō)明了研究區(qū)出現(xiàn)一個(gè)生態(tài)交錯(cuò)帶，峰值出現(xiàn)點(diǎn)即為交錯(cuò)帶所在位置，根據(jù)半峰寬度法判定［11］，交錯(cuò)帶的位置在樣方8—10，由于樣方間距為20m，交錯(cuò)帶寬度約為40m。交錯(cuò)帶以左為濕生帶，范圍為樣方1—7，寬度約為150m；交錯(cuò)帶以右為旱生帶。根據(jù)SED函數(shù)曲線越陡，峰寬越窄，交錯(cuò)帶過(guò)渡越明顯的原理［6］，本研究區(qū)大峰值明顯、陡峭，峰寬相對(duì)于濕生帶和旱生帶來(lái)看，僅有40m寬，因此可以判定本研究區(qū)生態(tài)交錯(cuò)帶過(guò)渡明顯。

從實(shí)地樣方植被調(diào)查表（表1）中可以看出，濕生帶（樣方1—7）植被比較單一，以鹽爪爪和堿蓬為主，這兩種植物均是濕生耐鹽堿植被；交錯(cuò)帶（樣方8—10）不僅出現(xiàn)了交錯(cuò)帶獨(dú)有的蘆葦、芨芨草等濕生植被，而且出現(xiàn)了苦豆子、刺沙蓬等干草原植被；而到了旱生帶（樣方11以后），出現(xiàn)的植被類型均為旱生植物，包括苦豆子、刺沙蓬、達(dá)烏里胡枝子等。植被類型沿樣線的變化與運(yùn)用游動(dòng)分割窗技術(shù)確定的“三帶”相吻合，這從側(cè)面印證了游動(dòng)分割窗技術(shù)在干旱區(qū)濕地研究中對(duì)交錯(cuò)帶判定的準(zhǔn)確性。

表1 四兒灘濕地南樣線樣方植被分布

3.2 交錯(cuò)帶位置變化及植被多樣性分析

本文以四兒灘濕地南樣線為研究對(duì)象，以重要值、土壤含水量為測(cè)度依據(jù)，運(yùn)用游動(dòng)分割窗技術(shù)，判定2006—2013年四兒灘濕地交錯(cuò)帶寬度、位置，并通過(guò)α多樣性指標(biāo)（Shannon—Wiener多樣性指數(shù)）以及降雨量情況，對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由表2可知，以重要值為測(cè)度依據(jù)計(jì)算的交錯(cuò)帶寬度和以土壤含水量為測(cè)度依據(jù)計(jì)算的交錯(cuò)帶寬度變化趨勢(shì)一致，均是先上升后下降，2007年達(dá)到最大，之后幾年持續(xù)下降。

表2 2006－2013年四兒灘濕地交錯(cuò)帶變化情況

交錯(cuò)帶距濕地中心的距離變化趨勢(shì)為先上升后下降，2007年達(dá)到最大，之后的年份呈持續(xù)下降趨勢(shì)。

Shannon—Wiener多樣性指數(shù)的變化趨勢(shì)與交錯(cuò)帶寬度、交錯(cuò)帶距濕地中心距離的變化趨勢(shì)幾乎一致，均是先上升后下降。

根據(jù)交錯(cuò)帶的變化對(duì)生態(tài)環(huán)境變化具有一定指示作用的原理。通過(guò)對(duì)四兒灘濕地交錯(cuò)帶近幾年的變化進(jìn)行分析可知：2007年交錯(cuò)帶寬度達(dá)到最大值，這得益于2006年哈巴湖自然保護(hù)區(qū)的級(jí)別從自治區(qū)保護(hù)區(qū)提高至國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)，人為保護(hù)力度加大，當(dāng)?shù)卣畬?duì)四兒灘濕地采取了圍欄禁牧等多方面的保護(hù)措施，再加上2007年降水量相對(duì)較大。反映到植被多樣性變化上，以一年生草本植物居多的四兒灘濕地生物多樣性指數(shù)也有了顯著增加。多方面因素共同促進(jìn)了四兒灘濕地交錯(cuò)帶寬度在2006—2007年的大幅度增長(zhǎng)，濕地水域面積擴(kuò)大，交錯(cuò)帶向旱生區(qū)推移，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況也達(dá)到最高水平。然而，到了2008年，濕地上游由于新建高鐵項(xiàng)目，截?cái)嗔怂垂┙o，當(dāng)年降水量也較往年低，由于水源補(bǔ)給是恢復(fù)濕地的最主要因素，因此從2008年以后，在缺少水源供給的情況下，交錯(cuò)帶寬度逐年減少，即使2011，2012年降水量達(dá)到300mm以上（尤其是2012年，生長(zhǎng)季降水量達(dá)到了218.7mm），仍然無(wú)法扭轉(zhuǎn)四兒灘濕地退化的局面。反映到生物多樣性變化上，Shannon—Wiener多樣性指數(shù)已不隨著降雨量的變化而變化，而是從2008年之后持續(xù)變小。

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)交錯(cuò)帶寬度、交錯(cuò)帶距濕地中心距離、SW多樣性指數(shù)、年降水量、生長(zhǎng)季降水量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，以重要值為計(jì)測(cè)依據(jù)計(jì)算出的交錯(cuò)帶寬度（SED1）與以土壤含水量為計(jì)測(cè)依據(jù)計(jì)算出的交錯(cuò)帶寬度（SED2）之間相關(guān)性顯著（表3），在0.01水平上相關(guān)系數(shù)為0.962，以重要值為計(jì)測(cè)依據(jù)計(jì)算出的交錯(cuò)帶距中心區(qū)距離（L1）與以土壤含水量為計(jì)測(cè)依據(jù)計(jì)算出的交錯(cuò)帶距中心區(qū)距離（L2）之間相關(guān)性顯著，在0.01水平上相關(guān)系數(shù)為0.984。從圖3中可以更直觀地看出兩者變化的一致性，這表明以游動(dòng)分割窗技術(shù)為工具，運(yùn)用不同的計(jì)測(cè)指標(biāo)得出的交錯(cuò)帶寬度、交錯(cuò)帶距中心區(qū)距離變化趨勢(shì)具有一致性，側(cè)面驗(yàn)證了游動(dòng)分割窗技術(shù)在半干旱地區(qū)濕地生態(tài)交錯(cuò)帶判定中的適用性。交錯(cuò)帶寬度與SW生物多樣性指數(shù)之間相關(guān)系數(shù)顯著，其中，SED1與SW之間相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為0.881。這是由于二者計(jì)算依據(jù)都是植被重要值，由于植被重要值是衡量植被生長(zhǎng)狀況的綜合指標(biāo)，因此，植物多樣性指數(shù)的高低一定程度上決定了生態(tài)交錯(cuò)帶寬度的大小。生態(tài)交錯(cuò)帶寬度與年降水量、生長(zhǎng)季降水量之間的相關(guān)性較差，這說(shuō)明在蒸發(fā)量大的半干旱地區(qū)，濕地的恢復(fù)很大程度上取決于濕地周圍環(huán)境水資源的變化，即外部水源補(bǔ)給的變化。2008年修建高鐵截?cái)嗌嫌嗡囱a(bǔ)給是造成四兒灘濕地退化的主要原因，而降水量大小雖然與濕地健康狀況有直接關(guān)系，但并不是影響濕地恢復(fù)的決定性因素。由表1也可以看出，2011，2012年年降水量均達(dá)到了300mm以上，但濕地面積仍然繼續(xù)萎縮。

表3 交錯(cuò)帶各指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系

圖3 不同測(cè)度依據(jù)時(shí)的交錯(cuò)帶寬度、位置對(duì)比

4 結(jié)論

（1）在運(yùn)用游動(dòng)分割窗技術(shù)進(jìn)行交錯(cuò)帶判定時(shí)，窗口寬度的大小是決定判定準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，窗口寬度太大，難以體現(xiàn)相對(duì)同質(zhì)的群落區(qū)間，靈敏度下降，會(huì)放大交錯(cuò)帶寬度范圍，影響判定的準(zhǔn)確性；窗口寬度太小，靈敏度太強(qiáng)，容易出現(xiàn)多個(gè)波峰噪音干擾，影響判定。關(guān)于窗口大小的判定，不同的研究區(qū)域不盡相同，黃欣穎等［12］在對(duì)河北沽源草地的研究中認(rèn)為窗口寬度定為10～14較為合適；周洪華等［13］在對(duì)伊犁烏孫山北坡植被垂直分布格局的研究中認(rèn)為窗口寬度定為8～10較為合適；石培禮［11］在對(duì)岷江冷杉林線附近交錯(cuò)帶判定的研究中認(rèn)為窗口寬度定為8～12較為合適；于大炮等［14］在對(duì)長(zhǎng)白山北坡各植被帶群落交錯(cuò)帶判定的研究中認(rèn)為窗口寬度定為6～10較為合適；一般而言，窗口寬度的大小取決于研究尺度的大小以及交錯(cuò)帶過(guò)度是否明顯，如若以生態(tài)區(qū)域、生物群區(qū)為研究尺度，窗口寬度宜大一些；如果以生物群落為研究尺度，窗口寬度宜小一些；另外，如果交錯(cuò)帶過(guò)度明顯，窗口寬度宜小一些；如果交錯(cuò)帶過(guò)度不明顯，窗口寬度宜大一些。本研究為保證窗口取值的準(zhǔn)確性，在不同窗口寬度下對(duì)交錯(cuò)帶寬度進(jìn)行研究，最終確定窗口寬度為8，這與Ludwig等［15］認(rèn)為窗口寬度在6～10通常不影響解釋交錯(cuò)帶位置相吻合。

（2）交錯(cuò)帶的變化對(duì)于生態(tài)環(huán)境變化具有指示作用，近幾年四兒灘濕地交錯(cuò)帶寬度逐漸減小，反映到濕地生態(tài)系統(tǒng)上，表現(xiàn)為濕地面積萎縮，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況轉(zhuǎn)差。因此，通過(guò)研究交錯(cuò)帶的變化來(lái)考量濕地系統(tǒng)健康狀況是一種可行的研究方法。

（3）干旱區(qū)濕地作為西北半干旱地區(qū)一種特殊的生態(tài)景觀，巨大的水分蒸發(fā)量決定了其生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)更多的依賴于周圍環(huán)境的水系變化，而降雨只是影響濕地變化的部分因素，并非決定因素。當(dāng)?shù)卣谧非蠼?jīng)濟(jì)建設(shè)的同時(shí)，應(yīng)更多地考慮生態(tài)景觀的保護(hù)，盡量少破壞地表徑流系統(tǒng)，以利于濕地的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

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