南瓮河自然保护区湿地景观格局及其驱动力

南瓮河自然保护区湿地景观格局及其驱动力

胡林林，王立中，李慧仁，刘学爽，韦昌雷，赵希宽

(大兴安岭林业集团公司农业林业科学研究院，黑龙江嫩江源森林生态系统国家定位观测研究站，黑龙江 大兴安岭 165000)

摘要应用1989—2010年三期遥感影像，研究南瓮河国家级自然保护区景观格局演变特征。结果表明，森林是景观基质，草本沼泽是主体斑块，景观异质性较大；2000—2010年景观格局变化呈快速变化趋势，景观基质生态功能弱化，草本沼泽面积21年来首次超过森林；森林群落面积萎缩率高达34.02%，主要转化为森林沼泽；森林沼泽和道路面积增长率最大，分别达到80.94%和64.29%；景观斑块形状趋于复杂化，破碎化加剧，景观破碎化指数从1989年的0.245 3上升至2010年的0.449 8；火是最主要的驱动因子，道路修建、气候变化是重要的驱动因素。

关键词寒温带; 湿地; 景观变化; 驱动力

收稿日期：2015-03-31

基金项目：国家公益性行业专项经费项目(201004074)

作者简介：胡林林(1983-)，女，吉林长春人，硕士，从事生态学研究，Email:15904570339@163.com

通讯作者：王立中，高级工程师,Email：2187876@163.com

中图分类号：S759.9

文献标识码：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

景观动态变化研究可以揭示湿地景观变化的规律和机制[1-3]。目前，对寒温带湿地研究相关文献较少，集中在湿地资源评价与开发利用、火灾预防管理对策、火干扰对植物群落多样性的影响、火烧迹地清理、信息提取等方面的研究[4-8]。尚未发现长时间尺度寒温带湿地景观格局及驱动力方面的相关研究。

1研究区概况

南瓮河国家级自然保护区(50°59′56″—51°39′37″ N，125°01′42″—125°50′03″ E)位于大兴安岭东部林区东南部，是我国唯一一个以寒温带森林湿地生态系统为保护对象的自然保护区，总面积为229 523 hm2，并被列入国际重要湿地名录湿地。是嫩江水系的主要发源地和珍稀水禽繁衍栖息地，也是中国最大的森林沼泽分布区之一。海拔500~800 m，属大陆性季风气候。年平均气温-3 ℃，极端最低温度-48 ℃，最高温度36 ℃。年平均降水量为500 mm。乔木植物主要以兴安落叶松(Larixgmelinii)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等为主，灌木植物主要有兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、绣线菊 (Spiraeasalicifolia)、兴安柳(Salixhsinganica)、越橘(Vacciniumvitisidaea)、丛桦(Betuladahurica)等，沼泽草本植物主要以大叶章(Deyeuxialangsdorffii)、杜香(Ledumpalustre) 、笃斯(Sementrigonellae)和苔藓为主。

2研究方法

2.1　数据资料来源与处理

采用1989年、2010年、2000年Landsat TM /ETM影像进行数据处理、监督分类，并辅以大量资料进行影像解译。依据《湿地调查规程》的规定，斑块面积均在8 hm2(含8 hm2)以上。对分类结果精度验证，总体精度达到85%以上，符合林业分类精度要求。

2.2　景观空间格局及驱动力分析

选取斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块指数(MPA)、景观形状指数(LSI)、蔓延度指数(CONTAG)、连通度指数(COHESION)、Shannon景观多样性指数(SHDI)、景观面积萎缩率(ACR)、景观破碎度(Fs)等指标。南瓮河自然保护区受自然因子影响较大，受人为因素影响较小, 因此选择道路修建作人为驱动力因子，选择火灾、气候变化(温度、降水)作自然驱动因子对影响寒温带森林湿地景观格局演变机制进行探讨。

3结果与分析

3.1　景观格局变化

3.1.1面积变化南瓮河自然保护区包括草本沼泽、灌丛沼泽、森林沼泽、永久性河流、道路、森林、沼泽化草甸、湖泊等8种景观类型。

表1　1989—2010年各景观类型面积变化

注：变化量数据中，用负值代表减少，正值代表增加；变化率数据中，用负值代表面积萎缩率(%)，正值代表面积增长率(%)

从2个时间段内景观类型面积变化(表1)可以看出，森林是景观基质，草本沼泽是最主要的景观类型，这2类景观面积比均超过93%，其他景观不足3%。森林沼泽、草本沼泽、道路面积呈增加趋势，而森林、永久性河流、沼泽化草甸、灌丛沼泽面积呈减少趋势。面积增长率最大的是道路和森林沼泽，分别达到80.94%和64.29%。面积萎缩率最大的是森林，为34.02%，面积减少了35 538.39 hm2，其次是永久性河流，面积减少了873.99 hm2。2010年，草本沼泽面积覆盖率首次超过森林的45.13%，达到48.39%。2000年以后各景观面积变化显著，沼泽化湿地面积增加了31 796.64 hm2，森林向着沼泽化方向发展，与2003年和2006年发生2起较大的森林火灾有关。刘银良等[9]对大兴安岭火后湿地研究发现沼泽面积呈进一步扩大的趋势，本文的结论与之一致。

3.1.2景观类型面积的空间转移率从土地利用转移矩阵分析发现(表2)，1989—2000年，有1 208.25 hm2的森林沼泽转变为森林，占1989年森林面积的81.88%；而有17 202.24 hm2的森林转变为森林沼泽，占1989年森林面积的83.88%；有13 201.83 hm2的草本沼泽转变为森林，占1989年草本沼泽面积的83.79%。森林的转出面积最大，高达9.16%，其次是草本沼泽6.89%，其他景观类型转出面积占比不足1%。由表3可知，2000—2010年有66.06%的森林沼泽转变为草本沼泽，86.34%的森林转变为草本沼泽，81.19%的草本沼泽转变为森林。与2000年相比，森林的转出面积占总景观面积的20.41%，草本沼泽转出的面积增幅仅为7.59%，其他景观类型转出面积占比不足1.27%。森林和森林沼泽之间的动态变化是湿地沼泽化的主导因子。道路对湿地和森林减少的贡献较为突出，湿地和森林被人为修筑为公路等道路设施。而森林对湿地增加的贡献最大，主要转化为森林沼泽。

表2　1989—2000年湿地类型转移矩阵　hm 2

表3　2000—2010年湿地类型转移矩阵　hm 2

3.1.3景观格局分析从景观组分水平变化趋势可以看出(图1)，各景观类型斑块数量和斑块密度变化趋势较为一致，森林斑块数增加了97块，其次是草本沼泽，增幅21块。森林的最大斑块指数和平均斑块面积呈下降趋势，草本沼泽则相反；森林沼泽和永久性河流平均斑块面积在2000年达到最大，到2010年急剧降低。21年以来，森林斑块数量增加、斑块密度增大，而平均斑块面积减少，最大斑块指数降低，这种变化表明寒温带森林湿地景观的基质——森林斑块破碎化程度严重。2000—2010年景观各项指数变化显著，景观破碎化趋势明显，斑块数量增加113个，斑块密度从0.068 7个hm-2增加到0.134 6个hm-2，最大斑块指数从34.213 6下降到10.865 9。景观破碎化程度加大，破碎化指数从1989年0.245 3增加到0.449 8，斑块形状指数增加，斑块形状趋于复杂化。蔓延度指数降低，香农多样性指数升高，各景观类型的斑块连通度降低，景观异质性增加。

图1　1989—2010年景观组分主要特征指数(a- PD,b- PN,c- LPI,d- MPA)

3.2　驱动力分析

3.2.1火灾高强度、高频度的森林火灾能够直接改变湿地景观结构、土壤水热条件，是影响寒温带森林湿地景观格局最主要驱动力因素。对南瓮河自然保护区森林火灾资料统计分析，21年共发生火灾82起，累计过火面积313 448.41 hm2，其中有林地过火面积为84 192.93 hm2，占总过火面积的26.86%，大面积过火区域集中在森林以外的沼泽类湿地。从火灾发生的频次及发生时间上看，火灾发生的间隔期非常短，在22年时间里，除了1991年、1994年、2005年、2007—2010年未发生火灾，其余15年均发生不同程度火灾。从火灾发生的强度看，2006年发生1起特大森林火灾，2003年发生1起重大森林火灾，其余均为中低强度、小面积的一般森林火灾和森林火警，共发生57起。这2起重大、特大火灾，火烧程度在中度以上的火面积占到全部火面积的53.04%，火灾枯倒木中落叶松所占比重分别高达90.47%和56.37%[10]。当地的气候条件、雷击火、人为火(包括不明火)是诱发火灾的主要因素，人为火(包括不明火源)大多出在20世纪90年代以前，与林火监测相对薄弱有关[11]。随着林火管理的加强，雷击火是该保护区火灾发生的主要火源。

3.2.2气候变化从距研究区最近的呼玛站点1965—2010年共计46年的年平均气温和年平均降水量数据(图2)可以看出，南瓮河自然保护区46年以来平均气温呈明显的上升趋势，年平均降水量呈下降趋势，1989年以后降水减少趋势更为明显，呈现明显的变暖趋干趋势。据最新研究报道，在当前以气候变暖为主要特征的气候变化背景下，2010—2099年大兴安岭林区火灾发生形势，尤其是夏季火灾发生形势将更加严峻[12]。气候的逐渐变暖趋干是影响整个寒温带森林湿地景观格局不可忽视的驱动因子。

图2　1965—2010年呼玛河年平均降水量和年平均气温变化

3.2.3道路修建在保护区建立之前森林采伐是人为干扰的主要因素，建立以后道路修建成为新的干扰因素。1989年，道路修建面积仅为229.32 hm2，到2000年，道路面积增长近3倍，到2010年道路面积增幅5倍多，达到1 203.3 hm2。道路是1989年以来面积增长最快的一类景观，破坏了景观的连通性，加大了斑块的破碎化。道路修建等人类活动的人为干扰是影响景观格局时空演变的驱动力之一。但和火灾造成的损失相比，科学合理的道路修建能够更高效地保护湿地，提高救灾能力，减少火灾造成的损失。

4结论

自1989年以来，南瓮河国家级自然保护区森林向沼泽化演变，森林群落萎缩、退化严重，沼泽化湿地面积显著增加，景观基质生态功能弱化，永久性河流面积减少，是南瓮河自然保护区湿地正在经历的过程，寒温带森林湿地景观格局正在向着不良方向发展。沼泽化湿地面积显著增加，森林火灾对沼泽化湿地生成有明显作用。有研究表明严重过火区冻土活动层厚度仍明显大于未火烧区[13]，火后冻土融化层加深，导致低洼地区积水形成新生湿地，这也是2000年以后沼泽化湿地特别是森林沼泽面积显著增加的原因。这种景观结构、土壤水热等立地条件的改变将对以冻土森林为保护对象的寒温带森林湿地产生不利影响。地表大量积水直接导致沼泽化湿地面积增加，但过湿的立地条件是否适宜与冻土依存的兴安落叶松森林生境以及火后融冻层下降对森林的影响则有待日后进一步深入研究。

参考文献：

[1] 汪爱华, 张树清, 张柏.三江平原沼泽湿地景观空间格局变化.生态学报, 2003, 23(2): 239-243

[2] 刘红玉, 张世奎, 吕宪国.20世纪80年代以来挠力河流域湿地景观变化过程研究.自然资源学报, 2002, 17(6): 698-705

[3] 丁圣彦, 梁国付.近20年来河南沿黄湿地景观格局演化.地理学报, 2004, 59(5): 653-661

[4] 郭俊光, 唐志强.南瓮河国家级自然保护区湿地资源与功能评价分析.内蒙古林业调查设计, 2008, 31(5): 11-14

[5] 韩亚彬, 杨贺道.谈黑龙江南瓮河国家级自然保护区科研监测规划.林业勘查设计, 2008(3): 44-45

[6] 孙俊杰, 马大喜, 任春颖, 等.基于多时相环境卫星数据的南瓮河流域湿地信息提取方法研究.湿地科学, 2013, 11(1): 60-68

[7] 胡林林, 王立中, 李慧仁, 等.火干扰后5年南瓮河草本沼泽湿地植物群落物种多样性研究.防护林科技, 2013(2): 12-14

[8] 李慧仁, 胡林林, 王立中, 等.SPOT5全色与多光谱影像融合方法研究——以南瓮河湿地自然保护区部分区域为例.防护林科技, 2013(2): 30-35

[9] 刘银良, 阎敏华, 孟宪民, 等.大兴安岭森林火灾对沼泽土壤的影响.地理学报, 1995, 15(4): 378-384

[10] 林建军, 周宏.南瓮河国家级湿地自然保护区森林火灾发生情况调查与分析.内蒙古林业调查设计, 2009, 32(4): 74-77

[11] 张艳平.黑龙江大兴安岭地区气候变化对森林火灾影响的研究.哈尔滨：东北林业大学, 2008

[12] 杨光, 舒立福, 邸雪颖.气候变化背景下黑龙江大兴安岭林区夏季火线变化趋势.应用生态学报, 2012, 23(11): 3157-3163

[13] 侯传美, 解伏菊, 李秀珍, 等.火干扰下的大兴安岭冻土活动层变化研究.济南大学学报, 2010, 24(3): 277-281