纳帕海湿地区景观格局动态变化

纳帕海湿地区景观格局动态变化

1健全的生态系统景观格局动态变化驱动机制湿地是地球表层最富有生产力的生态系统之一。它维持着表面上的许多生物区域，具有很高的生态服务价值和功能。水文、土壤和植被是湿地的三大基本要素,其中水文要素是湿地形成和发展的最重要的先决条件,是湿地变化的重要驱动因素。在季风气候区,气候因子和水文情势明显的季节和年际分异,驱动着区域湿地生态系统格局变化与生态过程。在我国西南的青藏高原和横断山区,高寒湿地生态系统作为生态响应的敏感区,已开始受到科学家的关注。尽管近年来针对我国西南高寒湿地的研究有所加强,但其中大部分研究都只在年代际时间尺度上探索西南高寒湿地的景观格局动态变化、分析其变化的宏观政策影响和气候变化的背景,而对于年内时间尺度上高寒湿地生态系统的景观格局变化过程的研究较少。但是,地处季风气候区的我国高原湖沼湿地,年内气候差异显著,以降水为主的多种气候因子对湿地景观产生了巨大的影响。而针对人为扰动在年内时间尺度上对湿地的影响,以及年内气候分异与人为干扰共同作用下的湿地退化过程进行分析,则可以深入理解湿地退化的主要驱动机制,也可以对湿地年代际时间尺度上的景观变化过程及其驱动机制的确定提供佐证。本文以滇西北典型高寒湖沼湿地为例,开展年内时间尺度上的高寒湿地的景观格局季节性变化研究,并分析其与区域气候分异和人类活动扰动的关联。2纳帕海湿地文化遗产纳帕海国际重要湿地(99°37′～99°43′E、27°49′～27°55′N、海拔约3260m)位于滇西北横断山脉中段(图1),是我国分布在低纬高海拔、喀斯特盆地并具明显季节性变化的高寒湖沼湿地,且位于全球34个生物多样性热点地区之一的“中国西南山地”重要地带,2004年被列入国际重要湿地名录。自20世纪60年代以来,受区域农牧业发展等的影响,纳帕海湿地退化极为显著,湿地大幅萎缩、部分物种甚至消失,人为活动胁迫下的纳帕海湖沼湿地快速退化引起了相关部门的高度重视,如《全国湿地保护工程实施规划(2005～2010)》也将其列入“湿地生态恢复工程”;云南省于2007年将其生态恢复列为云南省湿地恢复工程(2007～2020)优先项目。研究区为连接香格里拉—德钦的214国道、在建的环湿公路所包围的纳帕海流域坝区湿地(图1)。纳帕海流域是半封闭型流域,流域地表和地下汇流基本都进入纳帕海湖沼湿地,再通过湿地北部的喀斯特落水洞排入金沙江干流。由于在冬夏受青藏高原南支西风和印度洋西南季风的交替控制,流域年内气候季节分异极为显著(表1),特别是降水的季节分异,对纳帕海湿地的年内水文生态变化产生直接的驱动。通常在6月降水逐渐增多,纳帕海湿地水位开始上升,明水面不断扩大并持续到8～9月份;此后随着流域降水减少和落水洞持续排水,湿地水位开始逐渐缓慢回落,通常会持续到第二年的3～5月达到最低水位。由表1来看,4～5月随着气温的回升,流域适时的降水—产汇流的水资源补给,将在很大程度上决定着纳帕海湿地水文生态状态,进而决定着纳帕海湿地的景观变化;过少或过量的来水可能都会导致纳帕海湿地年内水文生态过程与景观变化过程的异常。本文拟分析2008年冬～2009年春时段的纳帕海湿地景观格局的年内季节变化。3学习方法3.1视角解译两期遥感影像,分别为2008年12月4日SPOT-5影像(5m分辨率)、2009年5月5日Landsat7ETM+影像(15m分辨率),基于Erdas8.7和ArcGIS9.0进行目视解译和成图。结合2008年12月和2009年6月的2次纳帕海湿地区的踏勘、2009年7月和8月的2次纳帕海湿地传统植物调查(8条样线、526个样方),获得研究区具有精确GPS定位、植被和水文基础信息的603个地面点,作为计算机目视分类解译校正信息源,制作出两个时相的纳帕海湿地区的景观分类图,校正后遥感影像分类解译精度达到98.7%。3.2研究区景观类型及分类纳帕海湿地景观分类是依据GB/T21010—2007土地利用现状分类(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会,20070810发布),并结合研究区湿地基本生态特征,将研究区景观分为8类一级景观类型,13类二级景观亚类(表2)。3.3质心漂浮距离cti和质心确定利用ArcGIS9.0中Centroid命令计算出两个时相的纳帕海湿地区各斑块的质心,根据公式(1)计算出两个时段各种景观类型(或亚类)的质心。运用ArcGIS9.0中Layout模块制成质心偏移图,再根据公式(2)计算每种景观类型质心漂移距离。利用ArcGIS9.0中Intersect模块,提取区内转化为破坏地的各类要素,并由Layout命令制成各类景观转化为破坏地类型图。Xt=∑i=1N(Cti×Xi)/∑i=1NCtiXt=∑i=1Ν(Cti×Xi)/∑i=1ΝCti;Yt=∑i=1N(Cti×Yi)/Yt=∑i=1Ν(Cti×Yi)/∑i=1NCti(1)∑i=1ΝCti(1)D=X2t+Y2t−−−−−−−√(2)D=Xt2+Yt2(2)式中:Xt,Yt分别表示第t时段某种景观类型分布质心的坐标;Cti表示某景观类型第t时段第i个斑块的面积;Xi,Yi分别表示第i个斑块的质心坐标。4分析与讨论的结果4.1结果分析4.1.1深明水湿地湿地类景观图2为2008年12月、2009年5月的纳帕海湿地区景观图,显示出纳帕海湿地区主要景观类型(亚类)在上述两个时相上的变化。湿地主要分布在研究区北部的纳帕海湖区及湖滨带,其次是汇入纳帕海湿地的河渠下游及河滨带,以及部分低洼地。纳帕海坝区湿地以明水湿地为主,但季节变化显著,主要表现为深明水湿地和浅明水湿地之间、浅明水湿地与湿—中生草甸之间的季节转换。从本研究时段来看,冬季时(2008年12月)深明水湿地仍然为区域湿地的主体,其次是呈斑块分布的浅明水湿地以及河渠湿地;而在春季(2009年5月),浅明水湿地为区域湿地的主体,仅在北部落水洞一带有小面积的深明水湿地分布。湿地类景观:7类湿地景观亚类的总面积(湿地率)由冬季的1968.20hm2(52.60%)减少到春季的956.52hm2(25.56%)。其中:深明水湿地约由732hm2减少为87hm2,减幅最大;浅明水湿地约由623hm2减少为408hm2;沼泽(主要为草甸化沼泽)略有减少,约由204hm2降至140hm2;湿草甸约由345hm2降至177hm2。而研究区内的河渠湿地也发生了一定的变化,面积由冬季的61hm2增至春季的143hm2,这一变化部分来自于2008年12月高水位时被淹没的下游河段(其时表现为明水湿地)在2009年5月低水位时显露出来;部分可能因遥感影像解译误差所致,因为研究区除了纳赤河和郞举刷河较宽外,其他河渠的宽度基本小于5m,而两个时相的遥感影像的分辨率分别为5m和15m,基于遥感影像的河渠湿地的解译自然会产生一定的误差。非湿地类景观:在8类非湿地景观(类和亚类)中,中生草甸变化最大,面积从冬季的913hm2增至春季的1673hm2;破坏地由296hm2增至588hm2;建筑用地、旱地及灌木林地的面积变化不大。4.1.2非湿地类景观中的草地景观亚类及其转换基于马尔可夫转移矩阵,计算两个时相的纳帕海湿地区的景观类型(亚类)间的面积转换,如表3所示。湿地类景观中,深明水湿地减幅最大达645hm2,主要转化为浅明水湿地、中生草甸、破坏后的裸地、破坏后的短期恢复地、湿草甸。其次,浅明水湿地减少了215hm2,主要转化为中生草甸、破坏后的裸地、破坏后的短期恢复地、湿草甸。再次,湿草甸减少了169hm2,主要转化为中生草甸、破坏后的裸地、破坏后的短期恢复地。而部分深明水湿地(13.9hm2)、浅明水湿地(37hm2)分别转变成河渠湿地,可能就是入湖河渠的下游河段在高水位时(2008.12月)被淹没,而在低水位时(2009.05月)又显露出来。非湿地类景观中,中生草甸景观亚类的面积显著增加达760hm2左右,增加部分主要来自于深明水湿地、浅明水湿地、湿草甸、破坏后的短期恢复地的转换,分别达221hm2、219hm2、204hm2、104hm2;而部分中生草甸也转化为其他景观类型(亚类),如破坏后的短期恢复地(42hm2)、破坏后的裸地(38hm2)、旱地(33hm2)。在非湿地类景观中,破坏后的裸地、破坏后的短期恢复地都明显增加,分别为241hm2、52hm2。其中前者的增加主要来自于浅明水湿地(138.1hm2)、湿草甸(43.0hm2)、深明水湿地(41.9hm2)、中生草甸(38.2hm2)、破坏后的短期恢复地(34.5hm2)的转换;后者主要来自于浅明水湿地(76.9hm2)、深明水湿地(64.4hm2)、中生草甸(41.9hm2)、湿草甸(33.5hm2)、破坏后的裸地(10.1hm2)的转换。由表3可知,尽管本研究时段由湿地类景观向非湿地类景观变化为主,但也有类似于中生草甸向湿草甸(12.9hm2)、浅明水湿地(9.3hm2)的转变,在湿地水位下降、湿地萎缩的背景下,由遥感影像解译所反映的这一过程,可能在局地区域存在,但也可能与影像分辨率和解译误差所致。4.1.3纳帕海湿亚类质心图3直观地显示出两个时相间纳帕海湿地区的各景观类型(亚类)的质心在空间上的位移。图3中的实心标志和空心标志分别表示冬季(2008年12月)和春季(2009/05月)纳帕海湿地区的各湿地景观类型(亚类)的质心,由冬季至春末,纳帕海湿地区几乎所有的景观类型(亚类)质心,都有向研究区西北部的落水洞一带偏移的趋势。利用公式(2)计算出纳帕海湿地区各景观类型(亚类)质心的空间偏移距离(表4)。4.1.4短期恢复地与周边植被覆盖情况根据2008.12～2009.07时段的多次野外地面调查,发现在纳帕海湿地区存在较大面积被家畜破坏的景观(图1)。根据破坏区地表植被覆盖度和物种类型等特征,将其划分为两类:(1)破坏后的裸地,完全裸露,地表基本无植被覆盖;(2)破坏后的短期恢复地,土壤被破坏的特征仍清晰可见,短期恢复地内的先行定殖的植物与周边未破坏生境的植物在覆盖度、物种类型、物种优势度、生物量等方面具有显著的差异。由表3可知,破坏地景观的增加主要来自浅明水湿地、深明水湿地、湿草甸、中生草甸等被家畜破坏所致。图4为纳帕海湿地区各景观类型(亚类)转换成破坏地景观示意图,显示了纳帕海湿地区的破坏地景观呈斑块状分布于整个研究区内,在部分区域甚至成片分布,如图4中显示的研究区西南部P—S村落东侧、研究区北部纳帕海湖区的东南(I村落西侧)。两亚类的破坏地总面积已经占到研究区总面积的15.74%左右,其中破坏裸地的面积约占8.57%。4.1.5纳时间的季节收缩上述分析表明,纳帕海湿地区的景观由冬季(2008.12)至春季(2009.05)的季节变化明显。在7个湿地景观亚类中,除了河流湿地面积有所增长外,其他各湿地景观亚类的面积都呈减少趋势,特别是深明水湿地、浅明水湿地、湿草甸的减幅极为显著。2008年冬至2009年春纳帕海湿地类景观的季节性萎缩与该时段的区域降水情势密不可分。图5表明,自2008年11月至2009年05月,在纳帕海湿地区,除2009年2月的降水高于多年(1961～2008)月平均降水外,其他6个月都分别低于其多年月平均降水,尤其是2009年春季(3～5月)降水总量只有65.80mm,比多年平均春季降水减少了24.97mm。由于2009年春季降水的显著偏少,纳帕海湿地区的水量补给锐降,从而导致了研究区湿地类景观的季节性萎缩,其中由深明水湿地、浅明水湿地、湿草甸、沼泽等湿地类景观转换成非湿地类的中生草甸景观达678hm2,约占研究区总面积的18%。4.1.6湿地周边村落的生长纳帕海湿地区有较大面积的湿地类景观转换成非湿地类景观。直接由深明水湿地、浅明水湿地、湿草甸、沼泽等典型湿地类景观转成破坏地景观的面积达410hm2,约占研究区总面积的11%。这一转换主要是由于春季湿地区水位的下降,各类湿地逐渐裸露出来,为湿地周边村落养殖的大量家畜放养提供有利的环境,在本研究地面调查期间,估计有数百头的杂交猪在研究区内的湿地区拱食,直接导致了湿地类景观的破坏。当年被杂交猪新拱翻的湿地区一般都呈全裸地,拱翻土壤深度一般都能达到20～30cm,破坏极为严重。如图4中P—S村落东侧的成片破坏地,为家畜常年破坏区,该区域仅在每年的7～10月湿地高水位期间植被能得到一定的恢复;图4中G—K村落一带的西侧,近年来成为了纳帕海草原观景区,旅游者和马匹的践踏强度大,也形成了较大面积的破坏地景观。4.2纳帕海湿地湿地景观格局动态变化的时空(1)纳帕海湿地是滇西北典型的高寒季节性湿地,由春至夏的湿地水文生态及其景观变化过程,是区域特定的气候季节分异特征所形成的。特别是春至夏初的流域降水和产汇流过程,是其水文生态季节演替过程和景观格局变化的主导因素。春夏之交流域气温逐渐回升,结合适时和适宜的流域降水—汇流补给,季节性的高寒湿地能维持其常态的(normal)水文生态季相变化。2009年春季(3～5月)降水偏少,一直持续到7月中旬,导致了该湿地春夏水文生态过程的极度异常,该湿地本应在正常降水年的初夏(6～7月)时呈显著的季节性扩张,但本次地面调查却发现其大面积萎缩,而湿地区植被的生长也受到了明显的抑制,至7月中下旬时,各类植物群落的生长高度一般都在10cm以下,基本不超过30cm高,比正常年份同期要低得多。(2)2009年春至夏初降水偏少,纳帕海湿地区内大面积的明水湿地和湿草甸等都直接裸露,成为周边村落饲养的大量杂交猪的放养地。裸露湿地区土壤在4～6月由湿润变干的过程中,非常适宜杂交猪的拱食行为。周边村落杂交猪的放养,成为纳帕海湿地植被生态破坏的最直接和最严重的原因之一。特别是在紧邻村落的区域,杂交猪的常年累月持续放养,形成了大面积成片的破坏后裸地景观。破坏后的短期恢复地景观斑块的优势植物物种类型、生物量、植被覆盖度等,都与周边相对原生的生境有着显著的不同。本研究时段破坏地景观呈斑块状分布于整个研究区,其面积已占总面积15.74%左右,破坏裸地面积约占8.57%。(3)特定的季节气候背景叠加上家畜扰动,成为纳帕海湿地生态破坏的直接原因。因此,纳帕海湿地保护必须综合考虑气候季节性波动的驱动,而在气候波动背景下的人为干扰行为,如家畜和其他大牲口的放养、旅游的冲击等所带来的生态扰动也必须予以高度关注。对纳帕海湿地而言,尽管自1984年云南省就设立了湿地自然保护区,近年来又实施了相应的湿地生态恢复工程,但纳帕海湿地区生态破坏仍较严重。在今后的纳帕海湿地保护和管理中,如何协调湿地保护与周边农牧民的家畜放养,将是当地政府必须解决的关键问题之一。而如何应对极端季节性气候(如2009年春夏之际)背景下的流域水资源开发和管理,维持适宜的纳帕海湿地生态需水量,当地政府和科学家们需要予以关注。(4)以往湿地景观格局变化研究,一般着眼于其格局年(代)际变化,采用不同年份同一季节(多以夏季为主)同源遥感影像进行湿地景观的变化分析,进而分析其变化的驱动机制、效应等。但在季风气候区,尤其是类似于纳帕海这样的季节性变化非常显著的高寒湿地而言,年际的湿地景观格局变化分析,可以从区域(中宏观)层面反映湿地景观和生态的变化趋势,如肖德荣等对纳帕海湿地植物群落格局分布、变化及其人为干扰的分析,张强等对香格里拉县若干湿地区三个时段(1974、1987和2000年)的景观变化分析,但这类研究不能反映局地中小尺度上的湿地景观季节性变化及其具体的驱动力。而这一类型湿地的景观季节性变化通常与区域水文生态过程、人类活动扰动直接关联,如本研究所揭示的2009年春夏之际的纳帕海湿地景观变化,是区域季节性降水减少和周边农牧民的家畜放养两者共同作用所致。因此,要探讨具有显著季节性变化的湿地景观格局和生态的变化及其驱动因素,必须将“区域