沃曉棠 孫彥坤 田松巖

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150030) (黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所)

濕地生態(tài)系統(tǒng)被稱為“地球之腎”和“物種的基因庫(kù)”，是地球上具有眾多效益、重要保護(hù)和利用價(jià)值的生態(tài)系統(tǒng)［1］。近幾十年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)表明，全球氣候正逐步變暖［2－4］。氣候變暖使區(qū)域氣溫升高，濕地蓄水量減少，濕地生態(tài)系統(tǒng)功能顯著下降，甚至導(dǎo)致濕地的消失，因此，探討濕地生態(tài)系統(tǒng)的變化過(guò)程對(duì)于保護(hù)與恢復(fù)濕地具有重要意義。扎龍濕地地處氣候變化敏感區(qū)，是我國(guó)最大的以鶴類(lèi)等大型水禽為主的珍稀鳥(niǎo)類(lèi)和濕地生態(tài)類(lèi)型的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，1992年被列入國(guó)際重要濕地名錄［5－6］。隨著全球環(huán)境變化研究的深入，扎龍濕地已成為研究的熱點(diǎn)之一。

近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)扎龍濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，佟守正等［7］探討了近20 a 來(lái)扎龍濕地生態(tài)系統(tǒng)的變化過(guò)程。袁力等［8］在RS 和GIS 技術(shù)支持下研究了1995—2004年扎龍濕地的土地利用時(shí)空演變。王昊等［9］分析了近40 a 氣候變化對(duì)濕地蒸散耗水產(chǎn)生的影響。潘林等［10］研究了扎龍濕地苔蘚群落土壤動(dòng)物生態(tài)特征，捕獲土壤動(dòng)物22類(lèi)、7 384 只。LI Xiufen et al.［11］利用1998—2011年SPOT/VGT 逐旬最大合成ND，V，I(歸一化植被指數(shù))資料和研究區(qū)周邊5 個(gè)氣象站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，分析了不同植被類(lèi)型ND，V，I的變化趨勢(shì)及其與氣象因子的相關(guān)關(guān)系。以上研究多集中于土地利用、植被、土壤、水文等方面，對(duì)于氣候變暖背景下扎龍濕地土地利用景觀動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究尚較缺乏，特別是在較大時(shí)間尺度上定量分析扎龍濕地土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)變化對(duì)氣候變化的影響與響應(yīng)的研究報(bào)道較少。為此，本研究對(duì)扎龍濕地近50 a 氣候變化趨勢(shì)及土地利用與土地覆蓋空間格局、組合特征與動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，旨在探尋氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)相疊加對(duì)扎龍濕地造成的影響，為扎龍濕地可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)劃與決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

扎龍濕地是以蘆葦沼澤為主的內(nèi)陸濕地和水域生態(tài)系統(tǒng)型的自然保護(hù)區(qū)，位于黑龍江省西部烏裕爾河下游，齊齊哈爾市、林甸縣和杜爾伯特蒙古族自治縣交界地，總面積約2 100 km2。地理坐標(biāo)為46°52' ～47°32'N，123°47' ～124°37'E，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫1.3 ℃，氣溫年較差40 ℃，年內(nèi)降水分配不均勻，多集中在6—9月份。土壤類(lèi)型為鹽化沼澤土，土地鹽漬化比較普遍［11］。植被資源以草原草甸、濕草甸、沼澤、水生植被為主，主要有東方蓼(Polygonum orientale)、東北石竹(Dianthus chinensis)、垂梗繁縷(Stellaria radians)、木地膚(Kochia prostrata)、蘋(píng)(Marsilea quadrifolia)、地膚(Kochia scoparia)、問(wèn)荊(Equisetum arvense)、狐尾蓼(Polygonum alopecuroides)、麻順蕁麻(Urtica cannabina)、狹葉蕁麻(Urtica angustifolia)、扁蓄蓼(Polygonum aviculare)、狗尾草(Setaria viridis)、水蔥(Scirpus tabernaemontani)、蘆葦(Phragmites communis)。動(dòng)物資源主要以鳥(niǎo)類(lèi)為主，世界上現(xiàn)存鶴類(lèi)15 種，中國(guó)有9 種，而扎龍就有6 種，鶴類(lèi)主要有丹頂鶴(Grus japonesis)、白鶴(Grus iecugeranus)、白頭鶴(Grus monacha)等［12－13］。

2 研究方法

土地利用與景觀格局分析方法:應(yīng)用監(jiān)督與非監(jiān)督分類(lèi)相結(jié)合方法將沼澤地分為耕地、沼澤地、草地、湖泊、裸地，基于3S 技術(shù)平臺(tái)，提取土地利用數(shù)量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，采用單一土地利用動(dòng)態(tài)度指標(biāo)進(jìn)行土地利用變化分析，其計(jì)算公式為:

式中:K 為T(mén) 時(shí)段內(nèi)某種土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度;Ua和Ub分別為研究期初和期末某種土地利用類(lèi)型的數(shù)量;T 為研究時(shí)段長(zhǎng)度。應(yīng)用重心遷移模型探討土地利用空間動(dòng)態(tài)特征。將解譯后遙感圖像轉(zhuǎn)為ArcGrid 格式，運(yùn)用景觀格局分析軟件FRAGSTATS 3.3，從斑塊級(jí)別、類(lèi)型級(jí)別和景觀級(jí)別提取景觀指數(shù)，即斑塊數(shù)量(NP)、研究區(qū)域總面積(CA)、單位面積上斑塊數(shù)(NP/CA)、最大斑塊指數(shù)(LP，I)、景觀面積百分比(PL，A，N，D)、景觀多樣性指數(shù)(SH，D，I)、景觀均勻度指數(shù)(SH，E，I)、面積周長(zhǎng)比分維數(shù)(PA，F(xiàn))、景觀形狀指數(shù)(LS，I)，選擇依據(jù)和指數(shù)含義見(jiàn)參考文獻(xiàn)［14］—［16］。

氣候變化分析方法:以黑龍江省氣象局整編的杜蒙、泰來(lái)、林甸3 個(gè)氣象觀測(cè)站逐日氣象資料(1960—2010年)為基本數(shù)據(jù)源，選取的氣象要素主要包括年平均氣溫、年最低氣溫、年最高氣溫、≥10℃積溫、年降水量、年均相對(duì)濕度，采用線性趨勢(shì)擬合與5 a 滑動(dòng)平均方法探討氣象時(shí)間序列的年際變化特征。

氣候變化與土地利用景觀格局相關(guān)性分析方法:建立扎龍濕地氣候變化與土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)相關(guān)性分析因子體系，應(yīng)用典型相關(guān)分析方法選擇有代表性的氣候變化及土地利用景觀格局線性組合(典型因子)，應(yīng)用周期方差外推法分別從兩組典型因子中提取準(zhǔn)周期成分及殘差序列，采用t 檢驗(yàn)法探討扎龍濕地氣候變化與土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)典型因子之間周期分量及趨勢(shì)分量的相關(guān)性(置信度大于95%，P ＜0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 扎龍濕地土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)

3.1.1 土地利用數(shù)量動(dòng)態(tài)特征

單一土地利用動(dòng)態(tài)度是指某一地區(qū)在某一時(shí)段內(nèi)某種土地利用變化類(lèi)型的數(shù)量變化情況，不同土地利用/覆蓋類(lèi)型動(dòng)態(tài)度變化能反映研究區(qū)土地利用/覆被類(lèi)型在研究時(shí)段內(nèi)的變化幅度和變化速度［17］。20 世紀(jì)80年代(1979—1989年)扎龍濕地耕地面積增加幅度最大，達(dá)到6.51%;湖泊和沼澤面積增加幅度次之，其動(dòng)態(tài)度分別為0.67% 和0.46%;草地和裸地面積以每年2.68%和1.70%的速率銳減，說(shuō)明人類(lèi)開(kāi)荒、漁業(yè)和葦業(yè)等活動(dòng)對(duì)濕地的干擾階段已經(jīng)開(kāi)始，這種干擾尚處于初級(jí)階段。20 世紀(jì)90年代(1989—1999年)扎龍濕地耕地面積變化幅度最大，其次為湖泊，動(dòng)態(tài)度分別為7 .68%、5.69%，草地、裸地、沼澤地面積分別以3.88%、0.98%、0.79% 的速率減少。21 世紀(jì)初(1999—2010年)耕地的動(dòng)態(tài)度為6.64%，而沼澤地面積則以每年4.87%的速率減少(表1)。說(shuō)明20 世紀(jì)90年代以來(lái)耕地的擴(kuò)張速度呈減小趨勢(shì)。圖1顯示部分地區(qū)出現(xiàn)了退耕還草和退耕還湖，這主要是因?yàn)樽詮?992年扎龍濕地被列入國(guó)際重要濕地名錄以來(lái)，濕地保護(hù)政策和規(guī)劃得到響應(yīng)，民眾的濕地資源和環(huán)境保護(hù)意識(shí)在逐漸加強(qiáng)。扎龍濕地耕地在各研究時(shí)段內(nèi)均呈增加趨勢(shì)(圖1)，20 世紀(jì)90年代變化幅度最大;沼澤地面積在20 世紀(jì)80年代略有增加，21世紀(jì)初減少幅度最大(動(dòng)態(tài)度為－4.87%)，整個(gè)研究時(shí)段沼澤地略有萎縮;草地只在21 世紀(jì)初表現(xiàn)為增加，其他研究時(shí)段大幅減少;各研究時(shí)段內(nèi)裸地面積均減少。

1979—2010年土地利用結(jié)構(gòu)中沼澤地所占比例最大，草地比例僅在1999年略小于耕地，其他時(shí)期僅次于沼澤地，在土地利用/覆被結(jié)構(gòu)中列于第二位，裸地和耕地第三。1979年和1989年裸地略占優(yōu)勢(shì)，1999年和2010年耕地比例超過(guò)裸地，列于第三。湖泊比例在4 期土地利用結(jié)構(gòu)中均列末位，說(shuō)明沼澤是扎龍濕地的基質(zhì)景觀類(lèi)型，在研究區(qū)域占有重要地位，裸地及耕地比例正逐漸升高，表明扎龍濕地正面臨濕地退化的威脅。

表1 1979—2010年扎龍濕地土地利用動(dòng)態(tài)度變化

圖1 1979—2010年扎龍濕地土地利用景觀動(dòng)態(tài)

3.1.2 土地利用空間動(dòng)態(tài)特征

土地利用方式變化可造成土地利用類(lèi)型的重心發(fā)生遷移，其漂移距離和方向能夠反映出土地利用變化的程度和趨勢(shì)。近30 a(1979—2010年)扎龍濕地湖泊向西南方向遷移，沼澤地、耕地、草地和裸地的遷移方向?yàn)闁|北，其中草地東北向遷移距離最遠(yuǎn)，為184.94 m，耕地遷移了56.96 m，由此表明，耕地正在向濕地東北部的高緯度地帶遷移，沼澤地與草地作為濕地的基質(zhì)景觀類(lèi)型，從其遷移方向可以推測(cè)近30 a(1979—2010年)扎龍濕地核心區(qū)在向北漂移，可以認(rèn)為濕地核心區(qū)遷移趨勢(shì)是區(qū)域氣候變暖趨勢(shì)的可能響應(yīng)。

3.1.3 景觀格局動(dòng)態(tài)特征

表2顯示，20 世紀(jì)80—90年代扎龍濕地各類(lèi)景觀斑塊數(shù)量增加，景觀斑塊數(shù)量從1979年的19 394 塊增加為1999年的81807 塊。20 世紀(jì)末期景觀破碎化程度(單位面積上的斑塊數(shù))達(dá)最高水平，斑塊趨于分散和零碎，21 世紀(jì)初期，由于對(duì)濕地生態(tài)保護(hù)意識(shí)不斷加強(qiáng)和保護(hù)政策的實(shí)施，濕地景觀破碎化程度得到不斷改善。

表2 扎龍濕地景觀格局動(dòng)態(tài)特征

研究末期與初期相比，耕地最大斑塊指數(shù)與景觀面積百分比有較大幅度增加，最大斑塊指數(shù)從0.091 8(1979年)變?yōu)?.665 0(2010年)，景觀面積百分比從1979年3.122 3 增加為2010年6.232 3，表明景觀優(yōu)勢(shì)度呈上升趨勢(shì);與耕地變化趨勢(shì)相反，草地和裸地最大斑塊指數(shù)從1979年6.463 2、0.365 1變?yōu)?010年1.521 5、0.174 5，說(shuō)明優(yōu)勢(shì)地位逐漸削弱，斑塊趨向于均衡化;沼澤地景觀優(yōu)勢(shì)度在20 世紀(jì)9 0年代末期達(dá)最高水平，最大斑塊指數(shù)為25.670 1。

近30 a(1979—2010年)，扎龍濕地景觀多樣性與景觀均勻度分別從1979年1.226 1 和0.761 8 變?yōu)?010年1.258 3 和0.781 8，景觀形狀指數(shù)和面積周長(zhǎng)比分維數(shù)先上升后下降，總體變化為上升趨勢(shì)。主要由于濕地景觀中占據(jù)主導(dǎo)地位的沼澤景觀類(lèi)型所占比例的不斷減少和其他景觀類(lèi)型比例的增加(圖1)，導(dǎo)致沼澤地優(yōu)勢(shì)在逐漸減小，濕地景觀結(jié)構(gòu)在空間上趨于相對(duì)均勻分布，土地利用趨于多樣化和均勻化，完整性較差，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)，景觀格局趨向復(fù)雜化。

3.2 扎龍濕地氣候變化特征

近50 a(1960—2010年)，扎龍濕地年平均氣溫、年最低氣溫、最高氣溫和≥10 ℃積溫均升高，升溫率分別為0.05、0.14、0.04、7.82 ℃·a－1。扎龍濕地年增溫趨勢(shì)與東北20 世紀(jì)50年代末以來(lái)持續(xù)升溫大背景同步。年平均氣溫、年最低氣溫和≥10℃積溫的階段性變化趨勢(shì)一致，20 世紀(jì)60年代初至80年代中期處于50 a 來(lái)的低溫期，80年代中期進(jìn)入波動(dòng)增溫階段，90年代以來(lái)增溫顯著，是50 a以來(lái)的最高溫期。近50 a 以來(lái)，扎龍濕地年降水量總趨勢(shì)減少，下降速率為0.79 mm·a－1。降水偏少期在20 世紀(jì)60年代后期—70年代和21 世紀(jì)初期。年均相對(duì)濕度呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，每年下降0.03%，20 世紀(jì)80—90年代中期為偏濕期，最高值出現(xiàn)在1988年，除此時(shí)期外，年均相對(duì)濕度其他時(shí)段為偏干期，負(fù)距平年占該時(shí)期的68%(圖2)。

圖2 1960—2010年扎龍濕地氣候演變及趨勢(shì)

3.3 氣候變化對(duì)扎龍濕地土地利用與土地覆蓋動(dòng)態(tài)的影響與響應(yīng)

如表3所示，近30 a 扎龍濕地景觀指數(shù)因子第一典型變量為耕地(景觀類(lèi)型指數(shù)、景觀面積百分比)、沼澤地(最大斑塊指數(shù)、景觀類(lèi)型指數(shù)、景觀面積百分比)、草地(景觀類(lèi)型指數(shù)、景觀面積百分比)、湖泊(最大斑塊指數(shù)、景觀類(lèi)型指數(shù)、景觀面積百分比)與裸地(景觀類(lèi)型指數(shù)、景觀面積百分比)，與之相對(duì)應(yīng)的氣候因子為年最低氣溫、年最高氣溫、≥10 ℃積溫和年均相對(duì)濕度。耕地的氣候變量最大典型載荷因子為≥10 ℃積溫;沼澤地、湖泊和裸地為年均相對(duì)濕度。由此推測(cè)，氣候變暖引起≥10 ℃積溫增加，適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度范圍不斷擴(kuò)大，這很可能是耕地?cái)?shù)量增加趨勢(shì)的響應(yīng)。濕度因子是濕地沼澤、湖泊和裸地變化的關(guān)鍵因子，其下降趨勢(shì)很可能引起濕地生態(tài)系統(tǒng)水文條件的變化，導(dǎo)致沼澤地面積減少。

趨勢(shì)相關(guān)分析顯示，各地類(lèi)均有典型因子與年最低氣溫趨勢(shì)分量相關(guān)性達(dá)統(tǒng)計(jì)顯著水平(P ＜0.05)，它們是耕地景觀類(lèi)型指數(shù)、沼澤地最大斑塊指數(shù)、草地景觀類(lèi)型指數(shù)、面積百分比和湖泊面積百分比、裸地景觀類(lèi)型指數(shù)與面積百分比。沼澤地和耕地相關(guān)性達(dá)統(tǒng)計(jì)顯著水平的氣候典型因子為≥10℃積溫和年最低氣溫，草地為≥10 ℃積溫、年最低氣溫與年均相對(duì)濕度。

表3 扎龍濕地土地利用景觀動(dòng)態(tài)變化與氣候變化相關(guān)性

總相關(guān)分析顯示，各地類(lèi)景觀因子與年最高氣溫、≥10 ℃積溫和年相對(duì)濕度均呈正相關(guān)，裸地、草地、沼澤地景觀因子與年最低氣溫均呈負(fù)相關(guān)。沼澤地的3 個(gè)景觀指數(shù)第一典型變量(最大斑塊指數(shù)、景觀類(lèi)型指數(shù)、景觀面積百分比)和湖泊景觀類(lèi)型指數(shù)均與年相對(duì)濕度、年最高氣溫、≥10 ℃積溫相關(guān)關(guān)系達(dá)極顯著水平(P ＜0.01);耕地的2 個(gè)景觀指數(shù)第一典型變量(景觀類(lèi)型指數(shù)、景觀面積百分比)與年最低氣溫、年相對(duì)濕度、年最高氣溫、≥10 ℃積溫相關(guān)關(guān)系達(dá)顯著水平(P ＜0.05)。表3顯示，沼澤地景觀因子與氣候因子之間有11 個(gè)相關(guān)關(guān)系達(dá)極顯著水平(P ＜0.01)，湖泊與草地分別有3個(gè)與2 個(gè)相關(guān)關(guān)系達(dá)極顯著水平(P ＜0.01)。

4 結(jié)論與討論

孫萬(wàn)光［18］研究顯示，1960—2000年扎龍濕地年平均氣溫顯著上升，每10 a 升高0.46 ℃，20 世紀(jì)80年代濕地年降水量大幅度上升，1998年濕地年降水量達(dá)到最高峰。與以上研究結(jié)果一致，本研究中1960—2010年扎龍濕地氣候變化表現(xiàn)為氣溫升高、降水量減少，氣候向暖干方向發(fā)展。

袁力等［8］研究顯示，扎龍濕地耕地1995—2004年的面積變化量為15.22 km2，呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，草地呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。1995—2004年未利用地(沼澤濕地)占據(jù)較大的優(yōu)勢(shì)，面積百分比大于60%。這些研究結(jié)果與本研究一致。本研究中1979—2010年土地利用結(jié)構(gòu)中沼澤地所占比例最大，草地比例僅在1999年略小于耕地，其他時(shí)期僅次于沼澤地，在土地利用/覆被結(jié)構(gòu)中列于第二位，裸地和耕地為第三。扎龍濕地耕地在各研究時(shí)段內(nèi)均呈增加趨勢(shì)，草地只在21 世紀(jì)初表現(xiàn)為增加，其他研究時(shí)段大幅減少，1989—2010年裸地面積呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明耕地的擴(kuò)張很可能來(lái)源于對(duì)草地和裸地的占用。

本研究中，1979—2010年扎龍濕地各類(lèi)景觀斑塊數(shù)量增加，景觀多樣性、破碎化和景觀均勻度均遞增，這是由于人類(lèi)活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大和干擾活動(dòng)的加劇，造成耕地增加，未利用地減少，土地利用趨于多樣化和均勻化，景觀格局趨向復(fù)雜化，這與袁力等［8］、韓敏等［19］關(guān)于扎龍濕地土地利用景觀格局研究所得結(jié)果一致。韓敏等［19］在基于RS、GIS 技術(shù)的扎龍沼澤濕地景觀格局變化分析中指出，受人為因素影響，1986—2002年扎龍濕地質(zhì)心位置向西北偏移。本研究中作為扎龍濕地基質(zhì)景觀類(lèi)型的沼澤地與草地的遷移方向?yàn)闁|北，表明近30 a(1979—2010年)扎龍濕地核心區(qū)在向北漂移，可以認(rèn)為濕地核心區(qū)遷移趨勢(shì)是區(qū)域氣候變暖趨勢(shì)的可能響應(yīng)。

1979—2010年扎龍濕地沼澤地與草地呈收縮趨勢(shì)，可以認(rèn)為沼澤地與草地景觀動(dòng)態(tài)變化是氣候變化在一定程度上的響應(yīng)。裸地與氣候變化較弱的相關(guān)關(guān)系表明，其減少很有可能是濕地境內(nèi)迫于人口壓力、為維持生計(jì)而大力開(kāi)墾耕地、過(guò)渡放牧等行為導(dǎo)致的結(jié)果。以上結(jié)論表明，扎龍濕地土地利用景觀格局變化是氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)雙重影響下發(fā)生的。扎龍濕地氣候變化與土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)相關(guān)性分析中，沼澤地和草地面積變化與年最低氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，很可能由于氣候變化對(duì)植被及其覆蓋區(qū)域影響的復(fù)雜性，不適合用單一的指標(biāo)變化來(lái)簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)土地利用的影響，另一方面也可以推測(cè)人類(lèi)活動(dòng)的影響占據(jù)了重要地位。

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