祁连山东段生态敏感性对景观动态变化的响应

徐亚男, 刘学录,*, 李晓丹, 李尚泽, 张一达

祁连山东段生态敏感性对景观动态变化的响应

徐亚男1, 刘学录1,*, 李晓丹2, 李尚泽1, 张一达2

1. 甘肃农业大学资源与环境学院, 兰州 730070 2. 甘肃农业大学管理学院, 兰州 730070

基于3S技术, 对祁连山东段2000—2016年的景观动态变化和生态敏感性进行了分析。结果表明: (1)草地的面积增加, 斑块数量减少, 形状结构趋于松散且简单化; 森林和冰雪的面积和斑块数量减少, 形状结构趋于紧密但简单化; 灌木的面积和斑块数量增加, 形状结构趋于松散但复杂化; 裸地和水域的面积增加, 斑块数量减少, 形状结构趋于紧密但简单化。(2)景观整体多样性水平增加, 异质性和破碎化程度增大, 各景观要素向着均匀化且分散的趋势发展。(3)景观类型面积指数、破碎度和分离度对生态敏感性的影响最大, 其次是平均斑块面积指数。(4)研究区的生态敏感性处于低敏感性水平, 总体上呈增加趋势。总的来说, 人类活动的干扰是造成景观和生态敏感性变化的决定性因素。研究结果对于区域景观的维护和可持续发展具有积极意义。

景观变化; 生态敏感性; 祁连山

0 前言

生态敏感性是在现有的自然环境背景下, 人类活动干扰和自然环境变化导致区域生态或环境问题发生的难易程度及其可能性大小, 是影响生态脆弱性程度的一大因素[1–3]。生态环境在自然状况下存在着一种耦合关系, 用以维护生态系统的稳定, 但当外界干扰到一定程度时, 耦合关系被打破, 生态环境遭到破坏, 即造成严重的生态问题[4–5]。因此, 生态敏感性体现了生态系统对由于内在和外在因素综合作用引起的环境变化响应的强弱程度[6–7]。敏感性高的区域, 生态系统容易受损, 是生态环境保护和恢复建设的重点, 也是人为活动受限或者禁止地区[8]。景观的空间信息与其在自然演替中的状态是构成生态敏感性指数的主要要素, 能够准确体现景观的生态敏感性[9]。景观动态变化是指景观过去、现状和未来的发展趋势, 是景观从一种状态向另一种状态转变的过程。它需要回答的是景观是怎样变化的, 以及为什么这样变化等问题[10]。近年来, 景观动态变化和生态敏感性研究逐渐发展为生态学的研究焦点和重要研究领域[11–12]。进行区域景观动态变化和生态敏感性的研究, 有助于充分认识区域生态环境的变化趋势以及内在因素, 为区域资源的合理开发和可持续利用起到积极的作用, 为区域景观生态规划和生态环境建设提供理论基础, 为脆弱性综合研究提供依据。

祁连山是西北地区重要的生态安全屏障, 但由于人类活动的干扰导致祁连山出现严重的生态环境破坏问题, 已在全国、全社会范围内引起了广泛关注和高度重视。已有的针对祁连山东段地区的研究主要集中在森林和草地景观方面: 赵锦梅(2014)等[13]选取3类高寒灌木丛草地, 对祁连山东段不同类型草地土壤的物理和化学性质进行了探讨, 结果表明, 土壤理化性质有显著的差异性, 且各因子之间的相关关系较显著。王旭丽(2009)等[14]对祁连山东段山地景观稳定性进行了分析, 认为草地是该地区景观稳定性最高的组分, 处于稳定状态, 中小尺寸的斑块稳定性最高。王永豪(2011)等[15]运用半方差分析方法对祁连山东段景观特征尺度进行了研究, 结果表明, 步长在一定范围内增大时, 景观的特征尺度相应地增大, 步长增大到数千米时, 景观格局的自相关性不能很好的表现。刘晶(2012)等[16]对祁连山东段山地景观格局变化及其生态脆弱性进行了分析, 结果表明, 草地为该地区主要景观要素类型, 优势度高, 连接性好, 各景观要素的空间关系趋于简单, 景观破碎化增加。但目前, 对该地区景观格局变化的趋势和生态敏感性研究较少, 尤其是景观动态变化与生态敏感性之间存在的联系鲜有研究[18–20]。本文提取祁连山东段2000—2016年各景观组分面积、数量、形状、均匀度和破碎度等景观格局指数, 来反映研究区各景观组分特征时序变化规律和生态敏感性变化规律, 从而为祁连山区的管理与保护, 水土流失的控制, 景观资源的可持续利用以及国家自然保护区的建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国青海省东北部与甘肃省西部边境, 面积690210 hm2, 地理位置介于东经100°00¢—101°20¢, 北纬37°30¢—38°45¢之间。祁连山东段山西高东低, 山系主要有走廊南山—冷龙岭—乌鞘岭, 大通山—达坡山, 青海南山—拉背山等。境内多陡峻的“V”型河谷, 主要受流水地质作用的强烈侵蚀导致大幅度下切与新构造运动的强烈抬升引发褶皱形成。海拔介于3000—5500 m, 海拔均值为4000 m左右, 有寒温带针叶林分布, 多位于海拔2500—3300 m之间。山地终年积雪广泛发育现代冰川, 集中在海拔4700 m以上。植被分布水平差异显著, 垂直梯度变化明显, 主要由复杂的自然气候条件和差异性较大的水热条件致使。水系分属河西内陆河流域和黄河流域, 发育良好。

1.2 研究方法

1.2.1 数据源及处理

本研究使用的遥感影像为2000年、2008年的Landsat TM、2016年的Landsat OLI, 空间分辨率为30 m×30 m, 影像时相为6—8月。在遥感影像处理软件ENVI支持下, 对遥感影像进行预处理, 参照全国土地利用分类系统, 采用非监督分类和目视解译相结合方法对影像进行解译, 分类精度评价结果表明, 2000、2008和2016年解译结果的Kappa系数分别为0.90、0.96、0.93, 满足分类精度要求。同时参照王旭丽等[14]、刘晶等[16]、侯艳丽等[17]人的分类结果, 将研究区分为6种景观组分: 森林、灌木、草地、水域、冰雪和裸地。最后利用GIS专题制图技术在ArcMap10.2里成图, 得到其景观格局图(图1)。

1.2.2 景观格局指数选取与计算

景观格局指数是景观生态学广泛使用的定量研究方法, 高度浓缩景观格局和景观动态信息, 能够很好地展现景观格局的组成成分、空间配置和动态变化过程[16, 21]。本研究在斑块类型水平上选取斑块数量()、斑块类型面积()、斑块平均大小()、分维数()、景观形状指数(); 在景观水平上选取香农多样性指数()、香农均匀度指数()、破碎度()、分离度()9个指标, 分别从面积特征、数目特征、形状特征和景观整体特征4个方面分析祁连山东段景观格局特征和变化。以上数据分析采用景观指数统计软件 FRAGSTATS 结合 Excel 软件进行计算, 具体计算公式和生态学意义见(表1)。

图1 祁连山东段地区2000—2016年景观格局图

Figure 1 Landscape map of 2000-2016 in the Qilian Mountains.

表1 景观格局指数及其意义

1.2.3 构建生态敏感性模型

景观的空间信息是生态环境的显性特征, 它与生态环境敏感程度的相关性是其生态功能的一种体现[22]。景观的破碎度、分维数和分离度反映景观的空间信息, 将这3个因子作为生态敏感性的度量指标, 构建生态敏感性指数()[23]:

各指标权重采用变异系数法确定, 其公式为:

2 结果与分析

2.1 景观动态变化分析

2.1.1 斑块类型水平上景观动态变化分析

从表2分析得出, 2000—2016年, 草地在整个景观中面积、平均斑块面积最大, 是该区主要的景观组分, 整体上呈减少趋势。冰雪和水域的面积在整个景观中最小。冰雪的面积、平均斑块面积总体呈减少趋势; 水域的面积和平均斑块面积整体呈上升趋势。裸地、森林和灌木是整个景观中面积较大的景观组分。森林的面积、平均斑块面积整体上都在减少; 裸地和灌木的面积、平均斑块面积整体上都在增加。斑块数量的大小与景观的破碎度有很好的正相关性, 所以斑块数量可以反映景观组分的破碎化程度。灌木的斑块数量在整个景观中最多, 整体上呈增加趋势, 破碎化程度增大。冰雪和水域的斑块数量在整个景观中最少, 整体呈减少趋势, 破碎化程度减小。裸地、草地和森林的斑块数量在整个景观中相对较多。裸地和森林的斑块数量整体呈减少趋势, 破碎化程度减小; 草地的斑块数量整体呈增加趋势, 破碎化程度增大。森林和冰雪的面积、平均斑块面积和斑块数量都在减少, 说明该区域森林和冰雪在整个景观中处于不断萎缩的状态。乱砍乱伐, 木材买卖, 大规模的无序探矿、采矿等一系列人类不合理的开发与利用导致祁连山东段森林植被不断减少。随着气温的不断升高, 冰雪不断融化, 导致冰雪不断减少。灌木的面积、平均斑块面积和斑块数量都在增加, 表明灌木的变化主要是外围扩张和人为干扰形成的新斑块。

表2 祁连山东段2000—2016年斑块类型面积和数量动态变化

景观形状指数可以反映斑块的聚集程度[24]。从表3可以看出, 2000—2008年, 裸地和草地的形状指数均增加, 森林、灌木、冰雪和水域的形状指数均降低; 说明在该时期裸地和草地的形状结构向松散型发展, 且裸地的形状结构向松散型发展的趋势比较快, 而森林、灌木、冰雪和水域的形状结构向紧密型发展, 且灌木和森林的形状结构向紧密型发展的趋势较快。2008—2016年, 草地、森林和灌木的形状指数均增加, 裸地、水域和冰雪的形状指数均降低; 说明在该时期草地、森林和灌木的形状结构向松散型发展, 且草地和灌木的形状结构向松散型发展的趋势比较快, 而裸地、水域和冰雪的形状结构向紧密型发展, 且裸地的形状结构向紧密型发展的趋势比较快。总体上, 草地的形状结构越来越松散, 水域和冰雪的形状结构越来越紧密, 裸地、森林和灌木的形状结构受人为因素的影响时而紧密时而松散。分维数可以反映斑块形状的复杂程度。2000—2008年草地、水域和冰雪的分维数增大, 裸地、森林和灌木的分维数减小; 说明草地、水域和冰雪的形状趋于复杂化, 裸地、森林和灌木的形状趋于简单化。2008—2016年裸地和灌木的分维数增大, 草地、水域和冰雪的分维数减小, 森林的分维数不变; 说明裸地和灌木的形状趋于复杂化, 草地、水域和冰雪的形状趋于简单化, 森林的形状结构变化不大。总体上, 草地、森林、水域和冰雪的形状趋于简单化; 灌木的形状趋于复杂化。

2.1.2 景观水平上景观动态变化分析

香农多样性指数和香浓均匀度指数可以反映景观的异质性和各景观要素分配的均匀程度, 破碎度和分离度可以反映景观的破碎化程度和不同景观要素之间的离散或聚集程度[25]。计算结果表明研究区香农多样性指数、香农均匀度指数、破碎度和分离度均呈先减小后增大的趋势(表4), 说明2000—2008年, 研究区景观整体多样性水平降低, 异质性和破碎化程度减小, 各景观要素分配不均匀且朝着聚集的趋势发展。2008—2016年, 该区景观整体多样性水平增加, 异质性和破碎化程度增大, 各景观要素向着均匀化且分散的趋势发展。总体上, 景观整体多样性水平增加, 异质性和破碎化程度增大, 各景观要素向着均匀化且分散的趋势发展。

表3 祁连山东段2000—2016年斑块类型形状动态变化

表4 祁连山东段2000—2016年景观特征值

2.2 生态敏感性分析

分离度、分维数和破碎度指数都能反映景观的受干扰程度。受干扰程度越强景观的生态敏感性越大, 反之生态敏感性越小。宁静[9]对土地利用敏感度的分级认为敏感性指数在0—0.54区间属于低敏感性水平, 0.54—0.59为中度敏感性水平, 大于0.59的为高度敏感性水平。根据公式(1)和(2)计算出2000年、2008年和2016年景观的生态敏感性指数见图2。从图2中可以看出, 2000年研究区生态敏感性指数为0.326, 2008年生态敏感性指数为0.317, 2016年生态敏感性指数为0.355。2000—2016年研究区生态敏感性总体变化不大, 呈现出先下降后上升的趋势, 且上升的速率大于下降的速率, 所以研究区的生态敏感性在不断的增加。根据宁静[9]的分级标准, 祁连山东段2000—2016年生态敏感性指数在0.3—0.4之间, 处于低敏感性水平, 但总体上敏感性在不断增加, 存在向中度敏感性水平发展的可能。2000—2016年破碎度、香农均匀度指数、分离度和香农多样性指数呈先减小后增大的趋势, 这与敏感性指数的变化趋势相同。说明各景观指数的下降或上升会导致生态敏感性的减小或增大。随着全球变暖及人类活动的加剧使祁连山东段森林退化、雪线上升、冰川退缩、河流径流量下降、生物多样性减少, 生态环境日趋脆弱、生态敏感性在不断的增加。

图2 祁连山东段2000—2016生态敏感性指数图

Figure 2 Ecological sensitivity index chart of the eastern section of Qilian Mountain in 2000-2016.

2.3 生态敏感性对景观动态变化的响应分析

2.3.1 斑块类型水平上生态敏感性对景观动态变化的响应

为进一步探讨祁连山东段景观动态变化对生态敏感性的响应, 运用SPSS软件分别计算出各景观格局指数与生态敏感性之间的相关性系数(表5)。从表5可以看出, 在面积指数上, 裸地的平均斑块面积和水域的景观类型面积、平均斑块面积与生态敏感性呈正相关关系; 草地、森林和冰雪的景观类型面积、平均斑块面积与生态敏感性呈负相关关系; 灌木的景观类型面积与生态敏感性呈正相关关系, 平均斑块面积与生态敏感性负相关关系。且裸地的平均斑块面积、草地和灌木的景观类型面积与生态敏感性之间存在显著的相关性。在数量指数上, 裸地、水域和冰雪的斑块数量、斑块数量百分比与生态敏感性呈负相关关系; 草地和灌木的斑块数量、斑块数量百分比与生态敏感性呈正相关关系。在形状指数上, 裸地、森林、水域和冰雪的景观形状指数与生态敏感性呈负相关关系; 草地和灌木的景观形状指数与生态敏感性呈正相关关系。可见, 在类型水平上, 景观类型面积指数对生态敏感性的影响最大, 其次是平均斑块面积指数。

表5 类型水平上景观格局指数与生态敏感性之间的相关性

注: “*”表示＜0.05(双侧检验)。

2.3.2 景观水平上生态敏感性对景观动态变化的响应

从表6中可以看出, 破碎度、分离度、香农多样性和香农均匀度与生态敏感性呈正相关关系, 且破碎度和分离度与生态敏感性之间存在极显著的正相关关系。这说明景观的破碎度和分离度与生态敏感性拥有着同步的变化趋势, 当破碎度和分离度增大时, 生态敏感性也会随着增大。可见, 在景观水平上, 破碎度和分离度对生态敏感性的影响最大。

3 结论与讨论

3.1 讨论

在景观方面, 生态敏感性的研究是在生态脆弱性框架上展开的。刘晶等[16]研究认为, 各景观要素的空间关系趋于简单, 景观破碎化增加, 破碎度指数对研究区景观类型脆弱度的影响最大, 分维数倒数、分离度和侵蚀敏感性对景观类型脆弱度的影响较小。邱彭华等[23]研究认为, 破碎度与沙化敏感性指数对研究区景观类型脆弱度和区域生态环境脆弱度的影响很大, 而分维倒数、分离度和土壤侵蚀敏感性的影响作用较小。潘竟虎等[26]研究认为, 破碎度与土壤侵蚀敏感性指数对研究区景观类型脆弱度的影响很大, 分维倒数、分离度对景观类型脆弱度的影响较小。本文以生态敏感性为出发点, 通过对祁连山东段2000—2016年景观格局的动态变化来反映生态敏感性的强弱以及影响该研究区生态敏感性强弱的主要景观格局指数。结果表明, 2000—2016年, 草地在整个景观中面积最大, 斑块数量也较多, 是该区主要的景观组分; 其次是裸地、灌木和森林; 冰雪和水域的面积和数量最小。景观整体多样性和均匀性水平先降低后增加, 异质性和破碎化程度先减小后增大, 各景观组分朝着先聚集后分散的趋势发展。研究区的生态敏感性在不断的增加。在类型水平上, 景观类型面积指数对生态敏感性的影响最大; 在景观水平上, 破碎度和分离度对生态敏感性的影响最大。这与刘晶等[16]、邱彭华等[23]、潘竟虎等[26]的研究结果有相似之处也有不同, 相似之处是都认为景观格局指数的变化对生态敏感性的强弱有影响, 不同之处是本研究认为除了破碎度指数, 分离度指数对生态敏感性的影响也很大。因此, 在今后的研究中, 分离度指数对生态敏感性影响的强弱还有待进一步证实。本研究认为, 在祁连山景观规划和管理中, 未来要更注重景观的连通性和聚集度等方面。祁连山东段生态环境非常脆弱, 一旦遭到破坏, 就很难恢复, 且恢复的时间较长, 所以对该地区景观动态变化和生态敏感性的研究很有必要。通过研究, 了解人类活动对景观动态变化的影响, 从而制定相应的保护和治理措施, 对国家自然保护区的建设尤为重要。

表6 景观水平上景观格局指数与生态敏感性之间的相关性

注: “**”表示＜0.01(双侧检验)。

3.2 结论

(1)草地在整个景观中面积最大, 斑块数量也较多, 是该区主要的景观组分; 其次是裸地、灌木和森林; 冰雪和水域的面积和数量最小。2000—2016年, 草地的面积、平均斑块面积在减少, 斑块数量在增加, 整体破碎化程度增大。裸地和水域的面积、平均斑块面积在增加, 斑块数量在减少, 整体破碎化程度减小。森林和冰雪的面积、平均斑块面积和斑块数量都在减少, 整体破碎化程度减小。灌木的面积、平均斑块面积和斑块数量都在增加, 整体破碎化程度增大。

(2)2000—2016年, 草地的形状结构趋于松散且简单化; 森林和冰雪的形状结构趋于紧密但简单化; 灌木的形状结构趋于松散但复杂化; 裸地和水域的形状结构趋于紧密但简单化。

(3)2000—2008年, 研究区景观整体多样性水平降低, 异质性和破碎化程度减小, 各景观组分分配不均匀且朝着聚集的趋势发展。2008—2016年, 景观整体多样性水平增加, 异质性和破碎化程度增大, 各景观组分向着均匀化且分散的趋势发展。

(4)2000—2016年间研究区生态敏感性处于低敏感性水平, 总体上呈增加趋势, 存在向中度敏感性水平发展的可能。

(5)在类型水平上, 景观类型面积指数对生态敏感性的影响最大, 其次是平均斑块面积指数.在景观水平上, 破碎度和分离度对生态敏感性的影响最大。

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Response of ecological sensitivity to landscape dynamic change in the eastern section of Qilian Mountain.

XU Yanan1, LU Xuelu1,*, LI Xiaodan2, LI Shangze1, ZHANG Yida2

1. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China 2. School of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

Based on 3S technology, this paper analyzed the landscape dynamics and ecological sensitivity in the east section of Qilian Mountain from 2000 to 2016. The results showed that:(1) The area of grassland was increased, and the patch numbers of grassland was decreased, the shape structure of grassland was tended to be loose and simple. The area and patch numbers of forest and snow were both reduced, and the shape structure of forest and snow were tended to be tight but simple.The area and patch numbers of shrub were both increased, and the shape structure of shrub was tended to be loose but complicated; the area of bare land and water were increased, and the patch numbers of bare land and water were decreased, and the shape structure of bare land and water were both tended to be tight but simple. (2)The diversity of the whole landscape was increased, the heterogeneity and the fragmentation of the whole landscape were increased, and each landscape element was developed toward a uniform and decentralized trend. (3) Landscape type area index, fragmentation and separation had the greatest impact on ecological sensitivity, followed by average patch area index. (4) The ecological sensitivity of the research area was at a low sensitivity level and was showed an increasing trend on the whole. In general, the disruption of human activity was the determining factor for the change of landscape and ecological sensitivity. The results of the study have positive significance for the maintenance and sustainable development of regional landscape.

landscape change; ecological sensitivity; Qilian Mountain.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.021

P901

A

1008-8873(2019)05-160-08

2018-09-06;

2018-10-09

甘肃省“生态脆弱区的土地利用与生态安全研究”资助(GSAU-ZL-2015-045)

徐亚男(1990—), 女, 河南上蔡人, 硕士研究生, 主要从事景观生态学研究, E-mail:2431549157@qq.com

刘学录(1966—), 男, 博士, 教授, 主要从事景观生态学和土地利用管理研究, E-mail: liuxl@gsau.edu.cn

徐亚男, 刘学录, 李晓丹, 等. 祁连山东段生态敏感性对景观动态变化的响应[J]. 生态科学, 2019, 38(5): 160-167.

XU Yanan, LU Xuelu, LI Xiaodan, et al. Response of ecological sensitivity to landscape dynamic change in the eastern section of Qilian Mountain.[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 160-167.