南甕河自然保護(hù)區(qū)濕地景觀格局及其驅(qū)動(dòng)力

南甕河自然保護(hù)區(qū)濕地景觀格局及其驅(qū)動(dòng)力

胡林林，王立中，李慧仁，劉學(xué)爽，韋昌雷，趙希寬

(大興安嶺林業(yè)集團(tuán)公司農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院，黑龍江嫩江源森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，黑龍江 大興安嶺 165000)

摘要應(yīng)用1989—2010年三期遙感影像，研究南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)景觀格局演變特征。結(jié)果表明，森林是景觀基質(zhì)，草本沼澤是主體斑塊，景觀異質(zhì)性較大；2000—2010年景觀格局變化呈快速變化趨勢(shì)，景觀基質(zhì)生態(tài)功能弱化，草本沼澤面積21年來首次超過森林；森林群落面積萎縮率高達(dá)34.02%，主要轉(zhuǎn)化為森林沼澤；森林沼澤和道路面積增長(zhǎng)率最大，分別達(dá)到80.94%和64.29%；景觀斑塊形狀趨于復(fù)雜化，破碎化加劇，景觀破碎化指數(shù)從1989年的0.245 3上升至2010年的0.449 8；火是最主要的驅(qū)動(dòng)因子，道路修建、氣候變化是重要的驅(qū)動(dòng)因素。

關(guān)鍵詞寒溫帶; 濕地; 景觀變化; 驅(qū)動(dòng)力

收稿日期：2015-03-31

基金項(xiàng)目：國家公益性行業(yè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201004074)

作者簡(jiǎn)介：胡林林(1983-)，女，吉林長(zhǎng)春人，碩士，從事生態(tài)學(xué)研究，Email:15904570339@163.com

通訊作者：王立中，高級(jí)工程師,Email：2187876@163.com

中圖分類號(hào)：S759.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2015.07.007

AbstractEvolution characteristics of landscape pattern of Nanwenghe National Nature Reserve were studied by using TM/ETM images to analyze the dynamic characteristics of wetland from 1989 to 2010.Result shows that forest is the landscape matrix; herbaceous swamp occupied the dominant position; landscape heterogeneity are greater. Landscape pattern changes show trend of rapid change during the period of 2000-2010.The ecological function of landscape matrix is weakening; area of herbaceous swamp exceeds the forest at the first time in 2010 since 21 years. Forest community area shrink ratios achieve 34.02%, which mainly converted to forest swamp. Forest swamp and road area increase the largest, being 80.94% & 64.29% respectively; the community of forest was fragmented significantly, patch shape tended to be complex, landscape fragmentation index increase from 0.245 3 in 1989 to 0.449 8 in 2010; fire is the main driving force; road construction and climate change are important driving factors.

Landscape Pattern in Nanwenghe Nature Reserve and its Driving Forces

Hu Linlin,Wang Lizhong,Li Huiren,Liu Xueshuang,Wei Changlei, Zhao Xikuan

(Research Institute of Agriculture and Forestry,Daxing’anling Forestry Group,Nenjiangyuan

Forest Ecosystem Research Station, Daxing’anling 165000,China)

Key wordscold temperate zone; wetland;changes of landscape;driving forces

景觀動(dòng)態(tài)變化研究可以揭示濕地景觀變化的規(guī)律和機(jī)制[1-3]。目前，對(duì)寒溫帶濕地研究相關(guān)文獻(xiàn)較少，集中在濕地資源評(píng)價(jià)與開發(fā)利用、火災(zāi)預(yù)防管理對(duì)策、火干擾對(duì)植物群落多樣性的影響、火燒跡地清理、信息提取等方面的研究[4-8]。尚未發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間尺度寒溫帶濕地景觀格局及驅(qū)動(dòng)力方面的相關(guān)研究。

1研究區(qū)概況

南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(50°59′56″—51°39′37″ N，125°01′42″—125°50′03″ E)位于大興安嶺東部林區(qū)東南部，是我國唯一一個(gè)以寒溫帶森林濕地生態(tài)系統(tǒng)為保護(hù)對(duì)象的自然保護(hù)區(qū)，總面積為229 523 hm2，并被列入國際重要濕地名錄濕地。是嫩江水系的主要發(fā)源地和珍稀水禽繁衍棲息地，也是中國最大的森林沼澤分布區(qū)之一。海拔500~800 m，屬大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫-3 ℃，極端最低溫度-48 ℃，最高溫度36 ℃。年平均降水量為500 mm。喬木植物主要以興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等為主，灌木植物主要有興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、繡線菊 (Spiraeasalicifolia)、興安柳(Salixhsinganica)、越橘(Vacciniumvitisidaea)、叢樺(Betuladahurica)等，沼澤草本植物主要以大葉章(Deyeuxialangsdorffii)、杜香(Ledumpalustre) 、篤斯(Sementrigonellae)和苔蘚為主。

2研究方法

2.1　數(shù)據(jù)資料來源與處理

采用1989年、2010年、2000年Landsat TM /ETM影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督分類，并輔以大量資料進(jìn)行影像解譯。依據(jù)《濕地調(diào)查規(guī)程》的規(guī)定，斑塊面積均在8 hm2(含8 hm2)以上。對(duì)分類結(jié)果精度驗(yàn)證，總體精度達(dá)到85%以上，符合林業(yè)分類精度要求。

2.2　景觀空間格局及驅(qū)動(dòng)力分析

選取斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊指數(shù)(MPA)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、連通度指數(shù)(COHESION)、Shannon景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、景觀面積萎縮率(ACR)、景觀破碎度(Fs)等指標(biāo)。南甕河自然保護(hù)區(qū)受自然因子影響較大，受人為因素影響較小, 因此選擇道路修建作人為驅(qū)動(dòng)力因子，選擇火災(zāi)、氣候變化(溫度、降水)作自然驅(qū)動(dòng)因子對(duì)影響寒溫帶森林濕地景觀格局演變機(jī)制進(jìn)行探討。

3結(jié)果與分析

3.1　景觀格局變化

3.1.1面積變化南甕河自然保護(hù)區(qū)包括草本沼澤、灌叢沼澤、森林沼澤、永久性河流、道路、森林、沼澤化草甸、湖泊等8種景觀類型。

表1　1989—2010年各景觀類型面積變化

注：變化量數(shù)據(jù)中，用負(fù)值代表減少，正值代表增加；變化率數(shù)據(jù)中，用負(fù)值代表面積萎縮率(%)，正值代表面積增長(zhǎng)率(%)

從2個(gè)時(shí)間段內(nèi)景觀類型面積變化(表1)可以看出，森林是景觀基質(zhì)，草本沼澤是最主要的景觀類型，這2類景觀面積比均超過93%，其他景觀不足3%。森林沼澤、草本沼澤、道路面積呈增加趨勢(shì)，而森林、永久性河流、沼澤化草甸、灌叢沼澤面積呈減少趨勢(shì)。面積增長(zhǎng)率最大的是道路和森林沼澤，分別達(dá)到80.94%和64.29%。面積萎縮率最大的是森林，為34.02%，面積減少了35 538.39 hm2，其次是永久性河流，面積減少了873.99 hm2。2010年，草本沼澤面積覆蓋率首次超過森林的45.13%，達(dá)到48.39%。2000年以后各景觀面積變化顯著，沼澤化濕地面積增加了31 796.64 hm2，森林向著沼澤化方向發(fā)展，與2003年和2006年發(fā)生2起較大的森林火災(zāi)有關(guān)。劉銀良等[9]對(duì)大興安嶺火后濕地研究發(fā)現(xiàn)沼澤面積呈進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)，本文的結(jié)論與之一致。

3.1.2景觀類型面積的空間轉(zhuǎn)移率從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析發(fā)現(xiàn)(表2)，1989—2000年，有1 208.25 hm2的森林沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)樯?，?989年森林面積的81.88%；而有17 202.24 hm2的森林轉(zhuǎn)變?yōu)樯终訚?，?989年森林面積的83.88%；有13 201.83 hm2的草本沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)樯?，?989年草本沼澤面積的83.79%。森林的轉(zhuǎn)出面積最大，高達(dá)9.16%，其次是草本沼澤6.89%，其他景觀類型轉(zhuǎn)出面積占比不足1%。由表3可知，2000—2010年有66.06%的森林沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)椴荼菊訚桑?6.34%的森林轉(zhuǎn)變?yōu)椴荼菊訚桑?1.19%的草本沼澤轉(zhuǎn)變?yōu)樯?。與2000年相比，森林的轉(zhuǎn)出面積占總景觀面積的20.41%，草本沼澤轉(zhuǎn)出的面積增幅僅為7.59%，其他景觀類型轉(zhuǎn)出面積占比不足1.27%。森林和森林沼澤之間的動(dòng)態(tài)變化是濕地沼澤化的主導(dǎo)因子。道路對(duì)濕地和森林減少的貢獻(xiàn)較為突出，濕地和森林被人為修筑為公路等道路設(shè)施。而森林對(duì)濕地增加的貢獻(xiàn)最大，主要轉(zhuǎn)化為森林沼澤。

表2　1989—2000年濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣　hm 2

表3　2000—2010年濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣　hm 2

3.1.3景觀格局分析從景觀組分水平變化趨勢(shì)可以看出(圖1)，各景觀類型斑塊數(shù)量和斑塊密度變化趨勢(shì)較為一致，森林斑塊數(shù)增加了97塊，其次是草本沼澤，增幅21塊。森林的最大斑塊指數(shù)和平均斑塊面積呈下降趨勢(shì)，草本沼澤則相反；森林沼澤和永久性河流平均斑塊面積在2000年達(dá)到最大，到2010年急劇降低。21年以來，森林斑塊數(shù)量增加、斑塊密度增大，而平均斑塊面積減少，最大斑塊指數(shù)降低，這種變化表明寒溫帶森林濕地景觀的基質(zhì)——森林斑塊破碎化程度嚴(yán)重。2000—2010年景觀各項(xiàng)指數(shù)變化顯著，景觀破碎化趨勢(shì)明顯，斑塊數(shù)量增加113個(gè)，斑塊密度從0.068 7個(gè)hm-2增加到0.134 6個(gè)hm-2，最大斑塊指數(shù)從34.213 6下降到10.865 9。景觀破碎化程度加大，破碎化指數(shù)從1989年0.245 3增加到0.449 8，斑塊形狀指數(shù)增加，斑塊形狀趨于復(fù)雜化。蔓延度指數(shù)降低，香農(nóng)多樣性指數(shù)升高，各景觀類型的斑塊連通度降低，景觀異質(zhì)性增加。

圖1　1989—2010年景觀組分主要特征指數(shù)(a- PD,b- PN,c- LPI,d- MPA)

3.2　驅(qū)動(dòng)力分析

3.2.1火災(zāi)高強(qiáng)度、高頻度的森林火災(zāi)能夠直接改變濕地景觀結(jié)構(gòu)、土壤水熱條件，是影響寒溫帶森林濕地景觀格局最主要驅(qū)動(dòng)力因素。對(duì)南甕河自然保護(hù)區(qū)森林火災(zāi)資料統(tǒng)計(jì)分析，21年共發(fā)生火災(zāi)82起，累計(jì)過火面積313 448.41 hm2，其中有林地過火面積為84 192.93 hm2，占總過火面積的26.86%，大面積過火區(qū)域集中在森林以外的沼澤類濕地。從火災(zāi)發(fā)生的頻次及發(fā)生時(shí)間上看，火災(zāi)發(fā)生的間隔期非常短，在22年時(shí)間里，除了1991年、1994年、2005年、2007—2010年未發(fā)生火災(zāi)，其余15年均發(fā)生不同程度火災(zāi)。從火災(zāi)發(fā)生的強(qiáng)度看，2006年發(fā)生1起特大森林火災(zāi)，2003年發(fā)生1起重大森林火災(zāi)，其余均為中低強(qiáng)度、小面積的一般森林火災(zāi)和森林火警，共發(fā)生57起。這2起重大、特大火災(zāi)，火燒程度在中度以上的火面積占到全部火面積的53.04%，火災(zāi)枯倒木中落葉松所占比重分別高達(dá)90.47%和56.37%[10]。當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、雷擊火、人為火(包括不明火)是誘發(fā)火災(zāi)的主要因素，人為火(包括不明火源)大多出在20世紀(jì)90年代以前，與林火監(jiān)測(cè)相對(duì)薄弱有關(guān)[11]。隨著林火管理的加強(qiáng)，雷擊火是該保護(hù)區(qū)火災(zāi)發(fā)生的主要火源。

3.2.2氣候變化從距研究區(qū)最近的呼瑪站點(diǎn)1965—2010年共計(jì)46年的年平均氣溫和年平均降水量數(shù)據(jù)(圖2)可以看出，南甕河自然保護(hù)區(qū)46年以來平均氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，年平均降水量呈下降趨勢(shì)，1989年以后降水減少趨勢(shì)更為明顯，呈現(xiàn)明顯的變暖趨干趨勢(shì)。據(jù)最新研究報(bào)道，在當(dāng)前以氣候變暖為主要特征的氣候變化背景下，2010—2099年大興安嶺林區(qū)火災(zāi)發(fā)生形勢(shì)，尤其是夏季火災(zāi)發(fā)生形勢(shì)將更加嚴(yán)峻[12]。氣候的逐漸變暖趨干是影響整個(gè)寒溫帶森林濕地景觀格局不可忽視的驅(qū)動(dòng)因子。

圖2　1965—2010年呼瑪河年平均降水量和年平均氣溫變化

3.2.3道路修建在保護(hù)區(qū)建立之前森林采伐是人為干擾的主要因素，建立以后道路修建成為新的干擾因素。1989年，道路修建面積僅為229.32 hm2，到2000年，道路面積增長(zhǎng)近3倍，到2010年道路面積增幅5倍多，達(dá)到1 203.3 hm2。道路是1989年以來面積增長(zhǎng)最快的一類景觀，破壞了景觀的連通性，加大了斑塊的破碎化。道路修建等人類活動(dòng)的人為干擾是影響景觀格局時(shí)空演變的驅(qū)動(dòng)力之一。但和火災(zāi)造成的損失相比，科學(xué)合理的道路修建能夠更高效地保護(hù)濕地，提高救災(zāi)能力，減少火災(zāi)造成的損失。

4結(jié)論

自1989年以來，南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)森林向沼澤化演變，森林群落萎縮、退化嚴(yán)重，沼澤化濕地面積顯著增加，景觀基質(zhì)生態(tài)功能弱化，永久性河流面積減少，是南甕河自然保護(hù)區(qū)濕地正在經(jīng)歷的過程，寒溫帶森林濕地景觀格局正在向著不良方向發(fā)展。沼澤化濕地面積顯著增加，森林火災(zāi)對(duì)沼澤化濕地生成有明顯作用。有研究表明嚴(yán)重過火區(qū)凍土活動(dòng)層厚度仍明顯大于未火燒區(qū)[13]，火后凍土融化層加深，導(dǎo)致低洼地區(qū)積水形成新生濕地，這也是2000年以后沼澤化濕地特別是森林沼澤面積顯著增加的原因。這種景觀結(jié)構(gòu)、土壤水熱等立地條件的改變將對(duì)以凍土森林為保護(hù)對(duì)象的寒溫帶森林濕地產(chǎn)生不利影響。地表大量積水直接導(dǎo)致沼澤化濕地面積增加，但過濕的立地條件是否適宜與凍土依存的興安落葉松森林生境以及火后融凍層下降對(duì)森林的影響則有待日后進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪愛華, 張樹清, 張柏.三江平原沼澤濕地景觀空間格局變化.生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(2): 239-243

[2] 劉紅玉, 張世奎, 呂憲國.20世紀(jì)80年代以來撓力河流域濕地景觀變化過程研究.自然資源學(xué)報(bào), 2002, 17(6): 698-705

[3] 丁圣彥, 梁國付.近20年來河南沿黃濕地景觀格局演化.地理學(xué)報(bào), 2004, 59(5): 653-661

[4] 郭俊光, 唐志強(qiáng).南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)濕地資源與功能評(píng)價(jià)分析.內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì), 2008, 31(5): 11-14

[5] 韓亞彬, 楊賀道.談黑龍江南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)科研監(jiān)測(cè)規(guī)劃.林業(yè)勘查設(shè)計(jì), 2008(3): 44-45

[6] 孫俊杰, 馬大喜, 任春穎, 等.基于多時(shí)相環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)的南甕河流域濕地信息提取方法研究.濕地科學(xué), 2013, 11(1): 60-68

[7] 胡林林, 王立中, 李慧仁, 等.火干擾后5年南甕河草本沼澤濕地植物群落物種多樣性研究.防護(hù)林科技, 2013(2): 12-14

[8] 李慧仁, 胡林林, 王立中, 等.SPOT5全色與多光譜影像融合方法研究——以南甕河濕地自然保護(hù)區(qū)部分區(qū)域?yàn)槔?防護(hù)林科技, 2013(2): 30-35

[9] 劉銀良, 閻敏華, 孟憲民, 等.大興安嶺森林火災(zāi)對(duì)沼澤土壤的影響.地理學(xué)報(bào), 1995, 15(4): 378-384

[10] 林建軍, 周宏.南甕河國家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生情況調(diào)查與分析.內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì), 2009, 32(4): 74-77

[11] 張艷平.黑龍江大興安嶺地區(qū)氣候變化對(duì)森林火災(zāi)影響的研究.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué), 2008

[12] 楊光, 舒立福, 邸雪穎.氣候變化背景下黑龍江大興安嶺林區(qū)夏季火線變化趨勢(shì).應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 23(11): 3157-3163

[13] 侯傳美, 解伏菊, 李秀珍, 等.火干擾下的大興安嶺凍土活動(dòng)層變化研究.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 24(3): 277-281