肖 洋,張 路,張麗云, 2,肖 燚,鄭 華,歐陽(yáng)志云,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100039

生物多樣性資源不僅可以直接作為食物、藥物、能源、工業(yè)原料,而且還能間接提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。這些服務(wù)包括調(diào)節(jié)氣候、保持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、降解廢物、維持自然基因庫(kù)和美學(xué)價(jià)值等[1]。隨著全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)干擾,生物多樣性的日益喪失,引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[2]。全球平均每年約1000個(gè)野生物種滅絕,并在未來(lái)的幾十年中有可能達(dá)到每年5000個(gè)[3],這種滅絕速率比人類(lèi)出現(xiàn)前大100—1000倍[4]。為控制物種滅絕速度,提高生物多樣性保護(hù)成效,已出現(xiàn)大量保護(hù)方法研究[2],主要為就地保護(hù)。全球陸地表面的10%—11%已經(jīng)建立為自然保護(hù)地,但是全球生物多樣性資源豐富,而且生物多樣性逐年變化,全面有效的保護(hù)生物多樣性已成為全球所面臨的巨大挑戰(zhàn)。特別是近年來(lái),中國(guó)東部沿海發(fā)生著巨大的變化,人口經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、資源需求的進(jìn)一步增大、致使該地區(qū)生物多樣性保護(hù)受到一定的沖擊。

濱海濕地作為海陸交錯(cuò)地帶,是一個(gè)邊緣區(qū)域[5],也是生物多樣性最為豐富,最具價(jià)值的生態(tài)系統(tǒng)之一[6-7]。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)的干擾,濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)正遭受著不同程度的功能損失和喪失,致使?jié)竦厣锒鄻有缘臅r(shí)空變化研究備受關(guān)注。這些變化必然會(huì)影響濱海濕地的生物多樣性狀況,進(jìn)而影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本文首先結(jié)合濱海濕地生物多樣性的實(shí)際情況,選取生境質(zhì)量指數(shù)和生物豐富度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù),計(jì)算地區(qū)生物多樣性指數(shù),探討該區(qū)域生物多樣性的空間格局。同時(shí)通過(guò)遙感空間分析,揭示海濱濕地生態(tài)系統(tǒng)和濕地生物多樣性時(shí)空動(dòng)態(tài)特征。最后采用空間相關(guān)分析方法,識(shí)別研究區(qū)生物多樣性變化的熱冷點(diǎn)區(qū)和當(dāng)前自然保護(hù)區(qū)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。因此,研究中國(guó)東部濱海濕地生物多樣性資源狀況,客觀認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與生物多樣性,探討生物多樣性變化的熱冷點(diǎn)區(qū),為促進(jìn)我國(guó)濕地生物多樣性管理與保護(hù),緩解日趨嚴(yán)重的退化問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。

1 研究區(qū)概況

圖1 渤海沿岸地理位置圖Fig.1 The geographical location of Bohai coast in China

渤海沿岸濱海濕地南起山東省蓬萊市,北到遼寧省的大連市,自南向北途徑河北省天津市的沿海地區(qū),總面積約為59957.42km2,有黃河、海河、薊運(yùn)河、大凌河等河流注入。主要包括3大海灣,分別為北部的遼東灣、中部的渤海灣和南部的萊州灣。海底地形大致自南向北,自岸向海傾斜,沉積物主要為細(xì)顆粒的粉砂與淤泥。大陸性季風(fēng)氣候顯著,溫和濕潤(rùn),日照充足,雨量豐沛,四季分明,年平均氣溫12—14℃,年平均降水量為530—660mm,自西向東降水遞增,且年際和年內(nèi)變化較大。該地區(qū)河流眾多,湖泊、池塘、水庫(kù)、河口星羅棋布,再加上漫長(zhǎng)的淺海灘涂,構(gòu)成了豐富多樣的濕地景觀獨(dú)特的地理位置,良好的濕地環(huán)境,使渤海沿岸成為我國(guó)東部濕地水鳥(niǎo)的重要分布區(qū),主要體現(xiàn)在種類(lèi)多、數(shù)量大、珍稀瀕危物種出現(xiàn)頻率高等方面。由于位于沿海,地下淡水資源相對(duì)貧乏,工農(nóng)業(yè)及生活用水主要依靠地表水,因此水庫(kù)坑塘較多。此外,渤海沿岸排污河流很多,加之渤海灣、萊州灣是兩個(gè)相對(duì)封閉的海灣,海水交換能力將對(duì)較弱,凈化能力較低,導(dǎo)致沿海水域污染嚴(yán)重,赤潮災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型圖主要基于Landsat TM和環(huán)境衛(wèi)星HJ數(shù)據(jù),采用面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)技術(shù)遙感解譯得到[8-10]。行政區(qū)劃圖、道路矢量圖、自然保護(hù)區(qū)和物種豐富度等數(shù)據(jù)作為本研究的主要矢量數(shù)據(jù),基于ArcGIS軟件,通過(guò)輸入和匯總建立地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)字高程模型DEM,空間分辨率為90m,來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)。統(tǒng)一所有數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)系統(tǒng)和空間分辨率。詳細(xì)數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。

2.2 研究方法

本研究參考徐佩等人研究[11],選取了生境質(zhì)量指數(shù)和物種豐富度指數(shù),作為評(píng)價(jià)地區(qū)生物多樣性特征的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù),以柵格為統(tǒng)計(jì)單元,利用如下公式計(jì)算生物多樣性：

BI=SR+HQ

式中,BI(Biodiversity Index)為生物多樣性指數(shù)(無(wú)量綱,范圍為0—1)；SR(Species Richness)為物種豐富度(植物與動(dòng)物),對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使數(shù)值范圍在0—1之間,依據(jù)李迪強(qiáng)對(duì)指示物種選擇和賦值標(biāo)準(zhǔn)[12],選擇地區(qū)指示物種并計(jì)算指示物種的豐富度指數(shù)。HQ(Habitat Quality)為柵格生境質(zhì)量,用InVEST生物多樣性模型計(jì)算得到(無(wú)量綱,范圍為0—1)。

表1 主要數(shù)據(jù)來(lái)源

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)提供適合于個(gè)體和種群的持久性存在條件的能力,也被認(rèn)為是模型中一個(gè)連續(xù)變量,從低到中再到高,基于生存資源可獲取性,而繁殖和存在數(shù)量[13]。生境質(zhì)量取決于一個(gè)生境對(duì)人類(lèi)土地利用和這些土地利用強(qiáng)度的可接近性。一般來(lái)說(shuō),生境質(zhì)量的退化可看做附近的土地利用強(qiáng)度增加的結(jié)果[14]。生境質(zhì)量模型主要包括4個(gè)因素,每種威脅的相對(duì)影響,每種生境類(lèi)型對(duì)每種威脅的相對(duì)敏感性,生境與威脅之間的距離,緩解生境威脅的保護(hù)。生境質(zhì)量計(jì)算公式如下：

式中,HQx為柵格x的生境質(zhì)量(無(wú)量綱,范圍為0—1)；H為布爾圖,即0非生境或1生境；Dx為柵格x的總威脅等級(jí)；z為模型系數(shù),這里取值z(mì)=2.5[15]；k為半飽和常數(shù),由用戶(hù)設(shè)定。此外,生境威脅因子主要包括工業(yè)用地、城鎮(zhèn)、農(nóng)田、主要道路、次要道路等。威脅源屬性表中的威脅強(qiáng)度,威脅距離參考已有的相關(guān)文獻(xiàn)資料[16],威脅因子的相對(duì)權(quán)重值來(lái)自專(zhuān)家評(píng)分。生境敏感性屬性表中的敏感性值參考模型推薦數(shù)值,并根據(jù)研究區(qū)特定的生境狀況進(jìn)行了調(diào)整。關(guān)于更多模型參數(shù)的細(xì)節(jié)請(qǐng)參考InVEST模型使用手冊(cè)[15]。所有地圖數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為相同的坐標(biāo)系統(tǒng)(Albers Conical Equal Area)和相同空間分辨率(90m)。

在生物多樣性的熱冷點(diǎn)區(qū)的研究中,熱點(diǎn)區(qū)是指物種聚集度高的地區(qū),冷點(diǎn)區(qū)是指物種聚集度低的地區(qū),即趨于離散,因此可以利用空間相關(guān)分析進(jìn)行熱冷點(diǎn)地區(qū)識(shí)別。在空間統(tǒng)計(jì)中Gi系數(shù)作為空間相關(guān)分析中常用的自相關(guān)指標(biāo),是一種基于距離全矩陣的局部空間自相關(guān)指標(biāo),可以探查出研究區(qū)內(nèi)哪些區(qū)域是指示物種高度聚集的地方,即熱點(diǎn)區(qū)[17]。本文利用ArcGIS軟件的空間自相關(guān)分析計(jì)算生物多樣性變化的聚集程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地生態(tài)系統(tǒng)

圖2 渤海沿岸濕地生態(tài)系統(tǒng)空間分布Fig.2 Spatial distribution of wetland in Bohai coast

渤海沿岸濕地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在遼東灣、渤海灣和萊州灣附近,其中渤海灣濕地面積比例最大(圖2)。按濕地類(lèi)型而言,遼東灣濕地類(lèi)型主要為灌木和草本沼澤。而渤海灣和萊州灣主要為水庫(kù)坑塘。渤海沿岸濕地生態(tài)系統(tǒng)總面積在2000—2010年幾乎不變,僅微微增加38.93km2,但其內(nèi)部各類(lèi)型面積轉(zhuǎn)換非常顯著(表2)。特別是草本沼澤和水庫(kù)坑塘,10年間它們變化面積分別為-540.45km2和485.49km2。草本沼澤面積比例相對(duì)降低了4.69%,而水庫(kù)坑塘則升高了3.93%。呈現(xiàn)出自然濕地面積逐年持續(xù)減少,人工濕地面積持續(xù)增加趨勢(shì)。由于濱海地區(qū)城市化迅速,人口增長(zhǎng),導(dǎo)致以水產(chǎn)養(yǎng)殖為主的產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展,致使草本濕地(主要植被為蘆葦),向水產(chǎn)養(yǎng)殖塘的水庫(kù)坑塘轉(zhuǎn)變?？傮w上,渤海濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)變化的特征主要是通過(guò)圍墾草本沼澤等自然濕地,改造為水產(chǎn)養(yǎng)殖塘或耕地等人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度較高的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

表2 渤海沿岸濕地生態(tài)系統(tǒng)面積和比例2000和2010年

3.2 生物多樣性

由于地理位置、氣候條件、生境質(zhì)量和物種豐富度存在空間差異,濱海濕地生物多樣性也表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性(圖3)。生物多樣性數(shù)值較高的區(qū)域主要分布在遼東灣中部和萊州灣西北部附近。從地理空間來(lái)看,生物多樣性數(shù)值高的地區(qū)大多數(shù)為自然保護(hù)區(qū)或植被豐富的沼澤地帶,這些植被為動(dòng)植物的棲息繁衍提供了良好的環(huán)境,又因?yàn)榈匦蜗拗?受到人為干擾較少,所以在這種地形的控制下形成了有利于各種生物生存的小生境。而生物多樣性數(shù)值較低的區(qū)域則分布在渤海灣附近。由于渤海灣沿岸屬于天津市和河北省行政區(qū)內(nèi),社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口密度高,人口對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度大,故生物多樣性數(shù)值較低。2010年渤海沿岸濕地生物多樣性均值為0.55,相對(duì)于2000年降低了8.3%(表3)。除濕地整體生物多樣性降低外,其內(nèi)部草本沼澤、湖泊和水庫(kù)坑塘等類(lèi)型都出現(xiàn)一定程度的退化。2000—2010年來(lái),渤海沿岸濕地生物多樣性普遍退化,主要原因是由于濕地周邊的快速城市發(fā)展,近10年來(lái),周邊城市化面積增長(zhǎng)達(dá)到2372.93km2,增幅約為30.96%。迅速的城市發(fā)展,人類(lèi)活動(dòng)的不斷加強(qiáng),給周邊的濕地生態(tài)系統(tǒng)造成一定的干擾,許多適宜生境喪失,導(dǎo)致濕地生物多樣性存在退化的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 渤海沿岸濕地生物多樣性指數(shù)2000和2010年

3.3 生物多樣性變化原因

由于該區(qū)域受人類(lèi)活動(dòng)顯著影響,生物多樣性發(fā)生著巨大的變化。本文對(duì)生物多樣性變化與所有可能的影響因子做相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)與道路密度、GDP(Gross Domestic Product)密度、人口密度相關(guān)性明顯(圖4)。生物多樣性變化均與道路密度、GDP密度、人口密度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān) (r=-0. 486,P<0.01；r=-0. 856,P<0.01；r=-0. 812,P<0.01)。結(jié)合上文3.1部分內(nèi)容,我們發(fā)現(xiàn)近10年來(lái)渤海濱海濕地受人類(lèi)活動(dòng)干擾較大。隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,漁業(yè)食物的價(jià)格上升,圍墾草本沼澤,改造水產(chǎn)養(yǎng)殖塘或耕地的活動(dòng)越來(lái)越頻繁。此外,房地產(chǎn)和交通的發(fā)展,道路的密集建設(shè),對(duì)該地區(qū)濕地生物多樣性產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。

圖3 渤海沿岸濕地生物多樣性特征Fig.3 Spatial pattern of biodiversity index in Bohai coast

圖4 渤海沿岸濕地生物多樣性變化與影響因子的相關(guān)性Fig.4 Relation between biodiversity and driving factors in Bohai coast

3.4 生物多樣性變化熱冷點(diǎn)區(qū)

對(duì)生物多樣性變化進(jìn)行熱冷點(diǎn)分析,結(jié)果如圖5 所示。渤海沿岸濕地生物多樣性變化熱點(diǎn)區(qū)(Z值大于1.96)主要集中在渤海灣東南部和萊州灣西北部,以及遼東灣中部的濱海濕地。而變化冷點(diǎn)區(qū)(Z值小于-1.96)主要分布在渤海灣中北部附近。這里選取±1.96作為分類(lèi)閾值,是因?yàn)楫?dāng)使用95%的置信度時(shí)Z值為±1.96標(biāo)準(zhǔn)差,即具有統(tǒng)計(jì)顯著性(P值<0.05)。由于熱點(diǎn)區(qū)附近存在國(guó)家濕地保護(hù)區(qū),生物多樣性高,相對(duì)其他區(qū)域而言,變化較為劇烈和集中,使得空間上的聚集度較高,從而Z值絕對(duì)值高。

圖5 渤海沿岸濕地生物多樣性變化熱點(diǎn)冷點(diǎn)區(qū)Fig.5 Hotspots / cold spots of biodiversity index change in Bohai coast

4 結(jié)論

本文基于渤海沿岸濕地生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型、道路、威脅因子和參數(shù)屬性等,通過(guò)InVEST生物多樣性模型,獲取生境質(zhì)量,并結(jié)合物種豐富度,評(píng)估研究區(qū)生物多樣性和探討其變化的熱冷點(diǎn)區(qū)域。研究結(jié)果如下：

(1)在2000—2010年期間,渤海沿岸濕地生態(tài)系統(tǒng)總面積幾乎不變,但其內(nèi)部各類(lèi)型面積轉(zhuǎn)換則非常顯著,主要為草本沼澤和水庫(kù)坑塘之間的轉(zhuǎn)換。呈現(xiàn)出自然濕地面積逐年持續(xù)減少,人工濕地面積持續(xù)增加趨勢(shì)。

(2)生物多樣性較高的區(qū)域主要分布在遼東灣中部、渤海灣東南部和萊州灣西北部,主要包括凌海市、盤(pán)山縣、大洼縣,無(wú)棣縣、沾化縣、河口區(qū)、墾利縣和東營(yíng)區(qū)。由于城市化進(jìn)展的加快,人類(lèi)活動(dòng)干擾的加強(qiáng),在2000—2010年期間,渤海沿岸濕地適宜生境的面積不斷地減少,生境質(zhì)量逐漸降低,生物多樣性呈退化趨勢(shì)。

(3)近10年來(lái)渤海沿岸濕地生物多樣性的變化與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系非常密切,其與道路密度、GDP密度、人口密度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。頻繁的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)該地區(qū)濕地生物多樣性產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響,應(yīng)多建立自然保護(hù)區(qū)加以保護(hù)。

(4)通過(guò)生物多樣性變化熱冷點(diǎn)分析,熱點(diǎn)區(qū)主要分布在渤海灣東南部和萊州灣西北部,包括無(wú)棣縣、沾化縣、河口區(qū)、墾利縣和東營(yíng)區(qū)。冷點(diǎn)區(qū)域主要集中在渤海灣的中北部,包括濱海新區(qū),豐南區(qū)和曹妃甸區(qū)。在渤海灣東南部和萊州灣西北部的變化熱點(diǎn)區(qū)內(nèi),生物多樣性呈改善趨勢(shì),說(shuō)明裸土轉(zhuǎn)換為水庫(kù)坑塘和自然保護(hù)區(qū)的存在,可以有效的改善該地區(qū)的生境質(zhì)量,即發(fā)展與保護(hù)共存,達(dá)到了雙贏的結(jié)果。

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