上海滩涂盐沼植被的分布格局和时空动态研究

上海滩涂盐沼植被的分布格局和时空动态研究【摘要】：上海地处长江口，长江携带的丰富泥沙资源造就了上海的淤泥质潮滩，孕育了极其丰富的滩涂湿地资源。滩涂湿地不仅是上海经济发展的重要后备土地资源，也为上海地区提供了强大的生态服务功能和资源环境价值。然而，近年来由于自然过程和高强度的人类活动，长江流域及其河口的环境发生了一系列重大变化，上海地区的滩涂湿地面临着滩涂资源开发与保护的严峻挑战。大尺度的上海市滩涂湿地盐沼植被的空间分布现状及其时空动态研究可以为上海市滩涂资源的合理规划、生物多样性保护和可持续开发利用提供科学依据。本研究以多时相遥感影像为数据源，在几何精校正基础上，进行缨帽变换和归一化植被指数等光谱增强处理后，结合多年的滩涂盐沼植被的光谱信息，对遥感影像进行监督分类。依据多次野外实地调查的数据，对解译的结果进行修正和精度评价。在GIS平台下进行数据合成，分析近20年来上海滩涂盐沼植被空间分布和时空动态。此外，在分析上海地区滩涂盐沼植被分布格局的基础上，结合细胞自动机(Cellularautomata，CA)模型，研究了上海滩涂盐沼植被种群的扩散过程。本项研究的主要结果如下：(1)上海滩涂植被资源的空间分布上海滩涂植被资源比较丰富，1990年滩涂盐沼植被组成为本地种芦苇(Phragmitesaustralis)和海三棱藨草(Scirpusmariqueter)群落。互花米草(Spartinaalterniflora)在上世纪九十年代后期被引入长江口滩涂，面积逐年扩大，目前已成为上海滩涂上分布面积最大的植被群落。从滩涂盐沼植被总面积的变化来看，上世纪九十年代大规模的滩涂围垦，使上海地区盐沼植被从1990年的1788195hm2下降到2000年的138222hm2。2000年之后，滩涂盐沼植被面积保持增加的趋势，到2003年，盐沼植被的面积增加到2195345hm2。2003年至2005年间，由于高强度的围垦活动，滩涂盐沼植被的面积又有较大程度的减少，至2005年总面积下降为1831484hm2。从滩涂盐沼植被构成的变化来看，外来物种互花米草群落在上海地区滩涂从无到有，并逐渐增加。到2008年，互花米草群落的分布面积已达到569794hm2，占上海滩涂植被面积的31%，超过土著种芦苇和海三棱藨草。芦苇群落从1990年的1410044hm2，到2000年面积几乎减少了一半，随后到2003年，面积恢复到1007543hm2，但之后又由于大规模的围垦，芦苇的面积到2008年统计，又下降为571751hm2。从1990年开始，海三棱藨草的面积一直处于增加的趋势，从1990年的378151hm2增加到2003的760224hm2。但随后，由于中低滩围垦和互花米草的快速扩散，海三棱藨草的面积有所下降，至2008年，其面积仅为42347hm2。(2)崇明东滩自然保护区滩涂盐沼植被的时空动态受1992，1998年和2001年三次中高滩围垦和互花米草入侵的影响，崇明东滩芦苇群落的面积大大减少，虽然随着滩涂的淤涨，芦苇群落的面积在围垦后逐年有所增加，但增加速度缓慢。崇明东滩的高滩围垦对海三棱藨草群落的面积影响不大，海三棱藨草的面积从1990年开始一直保持增加的趋势，但2005年之后，随着芦苇和互花米草的扩散，海三棱藨草的面积有所下降，但总面积一直保持在2000hm2以上。互花米草自引种后面积一直持续增加，在滩涂植被中所占的比重也越来越大，至2008年，面积也接近崇明东滩滩涂植被总面积的三分之一。(3)上海九段沙自然保护区盐沼植被的时空动态九段沙为长江口河口心滩型沙洲，长江携带的大量泥沙使沙洲处于不断淤涨之中。九段沙沙洲的发育和盐沼植被的演替受人为影响相对较小，植被的演替发育基本上处于自然状态。从1997年到2008年，九段沙盐沼植被的总面积从10946hm2增加到了36006hm2，以平均每年约230hm2的速度增长。从1997年到2003年，九段沙的海三棱藨草群落面积从96656hm2增加到了185022hm2。但随后，随着互花米草和芦苇逐渐在中沙和下沙定居扩散，海三棱藨草群落的面积在2003年后有减少的趋势，尤其是互花米草的快速扩散，对海三棱藨草的负面影响较大。随着九段沙滩涂的淤涨，芦苇群落的面积也一直在增加，增长速率约为70hm2a，低于盐沼植被增加的平均速度。互花米草在九段沙沙洲上具有良好的适应性，从1997年引种种植的55hm2，到2008年已增加到170857hm2，目前已成为九段沙新生沙洲上分布面积最大的植被，占九段沙滩涂盐沼植被总面积的475。(4)外来种互花米草种群动态CA模型互花米草被人为引种到长江口后，在长江口滩涂湿地表现了良好的适应性，逐渐成为上海滩涂上重要的盐沼植被群落。互花米草在新环境的扩散分为三个不同的典型阶段，即定居期，滞缓期和快速扩散期。在长江口，由于淤泥质潮滩的自然环境极其适合其生长，再加上没有自然天敌，互花米草一般经历了1-2年的定居期和1-3年的滞缓期，随后进入快速扩展期。互花米草是滩涂中扩散最快的植被，扩散速度也远远超过光滩演替为先锋植被的平均速度。景观生态学的核心问题是研究空间格局与生态学过程之间的相互关系，而空间模型是景观生态学研究的有效手段之一，能够把一些重要生态学过程融合到模型的规则和参数中。互花米草种群扩散细胞自动机(CA)模型分析显示，互花米草的扩散能力是芦苇的3-5倍，具有比土著种芦苇更广的生态幅，所以互花米草具有比本地种芦苇更强的竞争能力和竞争优势。从而能够抢先占据更多的有利生境，间接影响芦苇群落的分布。种群动态遥感分析和CA模型研究还表明，在生态位有限的空间，即淤涨很慢或侵蚀性的岸段，如九段沙的中沙，互花米草的增长符合逻辑斯蒂增长模型，尽管经历几年的增长，互花米草的扩散速度会慢下来，但对滩涂湿地的结构和功能的改变却很大，会直接导致本地种海三棱藨草群落的退化甚至消失。而在淤涨型的潮滩上，互花米草扩散符合指数增长模型，随着滩涂的淤涨，不断有适合互花米草的空生态位形成，互花米草的快速增长会持续很长时间。在淤涨型滩涂上，互花米草的扩散会形成大片的单优植被群落，占据大面积的滩涂湿地，从而改变滩涂湿地的生物多样性，影响滩涂湿地的生态服务功能。【关键词】：长江口滩涂湿地盐沼植被遥感地理信息系统种群时空动态演替外来种细胞自动机(CA)模型【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：Q948【目录】：摘要7-10ABSTRACT10-15第1章绪论15-231.1研究背景15-171.2国内外盐沼植被空间格局遥感研究综述17-191.3本文研究目的和意义19-201.4拟解决的关键问题和可能的创新点20-231.4.1拟解决的关键问题201.4.2本研究的创新点20-23第2章上海滩涂资源及盐沼植被资源概况23-332.1上海滩涂区域概况23-252.2滩涂发育和围垦历史25-272.2.1长江河口滩涂沙洲的发育25-262.2.2上海滩涂湿地的围垦26-272.3滩涂湿地主要盐沼植被群落27-292.4上海滩涂盐沼植被的一般演替规律和种间竞争力29-312.5主要人类活动对盐沼植被的影响31-33第3章遥感数据采集和处理33-433.1数据来源33-343.2遥感数据处理34-403.2.1数据预处理34-353.2.2图像光谱增强35-383.2.3影像分类38-393.2.4分类精度评价39-403.3野外实地验证403.4数据合成分析40-43第4章上海滩涂盐沼植被的空间分布和时空动态43-614.1上海滩涂盐沼植被时空变化总趋势43-504.2长江口沿岸边滩、沙洲盐沼植被资源的空间分布和时间变化趋势50-584.2.1崇明东滩50-514.2.2崇明北滩51-524.2.3崇明西部滩涂52-534.2.4崇明南部边滩53-544.2.5长兴、横沙岛54-554.2.6九段沙554.2.7南汇边滩55-564.2.8金山、奉贤边滩56-574.2.9浦东、宝山滩涂57-584.3本章小结58-61第5章崇明东滩自然保护区盐沼植被的分布格局和时空动态61-715.1崇明东滩区域概况和围垦历史61-635.2崇明东滩盐沼植被时空动态63-665.3外来种互花米草的扩散66-685.4本章小结68-71第6章九段沙自然保护区盐沼植被的时空动态71-876.1九段沙沙洲的形成和发育71-746.2九段沙沙洲盐沼植被的分布和演替规律74-756.3九段沙优势盐沼植被群落的时空动态75-846.3.1上沙78-796.3.2中沙79-816.3.3下沙81-846.4本章小结84-87第7章互花米草的扩散及种群动态CA模型研究87-1017.1互花米草的形态特征与分布87-887.2长江口互花米草的引种和扩散88-907.3互花米草的空间分布和时空动态90-927.4互花米草种群扩散CA模型研究92-997.4.1CA模型概述92-937.4.2CA模型结构93-947.4.3邻域规则94-957.4.4