火干扰条件下的湿地景观稳定性分析

顾锦程

（哈尔滨师范大学黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025）

1 引言

湿地是宝贵的自然资源以及生态系统，有非常重要的调节气候、改善生态环境、维持区域生态平衡的能力，有着净化水源，净化空气的能力，被美誉为“生物基因库”以及“地球之肾”。

景观稳定性指的是一个生态景观或者生态系统在受到人为的影响或者自然环境的干扰后，该系统可以恢复原有功能的能力。在景观的形成过程中，景观的功能、模式、动态、结构和景观多样性与火干扰密切相关。火烧是湿地生态系统的重要干扰因子，通过研究不同的火烧强度对湿地的景观格局的影响，对有效开展湿地景观恢复工作以及湿地环境保护工作具有重要的科学意义。火灾造成的景观破碎直接影响生态系统内物种的生存和生态系统的生物多样性。湿地景观格局在人为影响以及自然环境影响下，长时间处于动态变化状态。

文章通过利用火灾当天的遥感影像提取火烧区域，并使用2005年3月14日以及2005年4月13日的遥感影像，计算火烧前后的NDVI差值，进一步提取过火区域，并对过火区的火烧强度进行分级。通过2004年、2005年、2007年三期扎龙湿地的景观格局变化，计算扎龙湿地景观格局的稳定性和火灾前后景观格局的变化，分析火干扰条件对湿地景观稳定性的影响。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

扎龙湿地坐落于东北平原中松嫩平原的西部，处在嫩江支流的乌裕尔河和双阳河的下游地区，年平均温度为3.5℃。2001年8月以及2005年3月，湿地保护区接连发生了两次重大火灾，这两次重大火灾不仅给湿地保护区带来了巨大的自然资源和经济资源的损失，并且严重破坏了湿地景观的稳定性，对生活在湿地的生物的种群数量和分布产生了重大影响。

2.2 数据处理与研究方法

（1）计算归一化植被指数（NDVI）。归一化植被指数是一种表示植物生长状况及植被空间分布密度的数值，NDVI值的大小与植被覆盖度呈线性相关NDVI越大，植被覆盖越好。

（2）过火区提取。不同地物对各种波长的光的反射率不同，火烧前后会使地面地物的反射率产生变化，并且火烧的严重程度也会影响同一地物的光谱信息。文章先用目视的方法，提取可能的火烧区域，后通过计算2005年3月14日和2005年4月15日扎龙湿地遥感影像的NDVI指数的插值，具体的求出过火区域。

（3）火烧强度分级。由于湿地各不同区域的火烧强度存在差异，NDVI值在火烧前后的变化也不尽相同。根据过火区火灾前后的NDVI数值的差值的大小，用等距离划分法划分火烧等级范围，再将火灾地区的火烧强度分为轻度火烧、中度火烧、重度火烧三个等级，最终得到扎龙湿地火烧等级分布图。

（4）利用景观指数计算景观格局的稳定性。通过处理在扎龙湿地火灾发生之前，期间和之后的2004年，2005年和2007年的遥感图像数据，应用ArcGIS 10.2 软件，以景观斑块的标准划分，将湿地景观划分为草甸草原、明水、盐碱地、农田、湿地五类，从而得到三年来扎龙湿地的景观斑块类型图。计算三年来每个景观的斑块面积、斑块数目、斑块平均面积和景观比例，并计算出三年来的多样性指数、破碎度指数、优势度指数、均匀度指数。

（5）利用分形模型计算景观格局的稳定性。可以使用分形理论建立分形维数模型并计算出分形维数的值。景观的稳定性与其分形维数密切相关，从而分析出景观格局的稳定性。

分形模型的计算公式为：

公式中D为某种景观的分形维数，A(r)为某种景观斑块的面积，P(r)为某种景观斑块的周长，C为式子的截距，是一个常数。

运用公式的斜率计算出分形维数的值，理论上，稳定性指数（SI）的范围在0到0.5之间。稳定性指数（SI）的值越大，景观类型的空间结构越稳定；稳定性指数（SI）的值越小，景观类型的空间结构越不稳定。

稳定性指数的计算公式为：

公式中SI为某种景观的稳定性指数，D为某种景观的分形维数。SI的值越大，则该景观类型的空间结构越稳定；SI的值越小，则该景观类型的空间结构越不稳定。

3 研究结果与分析

（1）过火区提取以及火烧强度分析。根据卫星遥感数据的记录，2005年3月20日，扎龙湿地发生火灾。通过与火烧前遥感影像的对比，在火烧后的遥感影像上画出颜色异常的部分，以此为火烧区域。计算2005年3月14日与2005年4月15日的遥感影像数据的NDVI指数的差值，根据等距离法划分火烧等级阈值，来划分各火烧区域的火烧强度。

（2）利用景观指数计算景观格局的稳定性。通过运用 ArcGIS 软件来分别提取扎龙湿地2004年、2005年、2007年三期的草甸草原、明水、盐碱地、农田、湿地图斑数据。根据上述公式，通过分析该景观格局的多样性指数、破碎度指数、优势度指数以及均匀度指数，来对扎龙湿地的整体的景观格局进行分析，分析结果如表1。

如表1所示，扎龙湿地的景观格局以芦苇湿地为主，在2004年以及2007年湿地达到了总面积的50% 以上，而通过上述分析，2005年3月火灾主要都分布在湿地景观中。而经过火灾，农田以及盐碱地的比例有明显的上升，斑块数量也有很明显的减少。

表1 2004年、2005年、2007年扎龙湿地景观格局特征

由于芦苇湿地面积在扎龙湿地整体面积中占有很大比重，达到 50% 以上，所以2004年与火灾恢复后的2007年，扎龙湿地的多样性指数都很低，均匀度指数很低。优势度又因为湿地面积占比较大，2004年以及2007年的优势度指数很高。火灾大部分发生在湿地，湿地遭到了破坏，导致湿地的比重变低，从而2005年的多样性指数升高，均匀度指数升高。相对的由于湿地占比的下降，优势度指数在火灾后降低。

（3）利用分形模型计算景观格局的稳定性。通过运用 ArcGIS 软件来分别提取扎龙湿地2004年、2005年、2007年三期的草甸草原、明水、盐碱地、农田、芦苇湿地分布数据。然后对所有图斑所对应的周长以及面积进行统计，根据上述公式，对面积以及周长进行对数转换分析，并将转换后斑块周长的值用作自变量（x），将转换后斑块面积的值用作因变量（y），然后使用 SPSS 软件进行回归分析，获得回归拟合方程、判决系数2、分形维数D以及稳定性指数SI。

2004年稳定性最低，为0.14；2007年稳定性适中，为0.206；2005年稳定性较高0.265。因为湿地资源很容易受自然与人为因素影响，所以未发生火灾的2004年扎龙湿地的景观稳定性较低；2005年发生火灾，人们开始恢复并保护湿地资源，所以稳定性指数较高；2007年湿地景观得到恢复，保护手段较刚火灾后变少，稳定性指数降低0.059，高于2004年0.066。

4 结论与讨论

（1）结论：①2005年3月20日，扎龙湿地大约80%的火灾都发生在核心区东部，此外还分布在扎龙湿地南部的湿地以及各个区域的草甸草原区域。火灾主要发生在湿地区域，占 80% 以上，此外少量分布在草甸草原区域。②火灾本身造成了有益的结果，整合了扎龙湿地的破碎斑块，但绝大多数是有害的，造成了大量的经济资源、人力资源以及自然生物资源的损失。③长期人为管理的农田的稳定性指数一直保持着较高的水平，高于0.27，2004年、2007年甚至都高于0.4，说明火干扰对农田区域的影响很大。④湿地以及草甸草原特别容易受人为以及自然环境的影响，稳定性指数一直保持较低水平，常年低于0.27。⑤2004年扎龙湿地整体稳定性指数偏低，仅有0.14，2005年火灾后，由于恢复环境的需要，湿地的稳定性指数处在较高水平，为0.265，而在2007年，扎龙湿地景观格局将近恢复时，整体景观稳定性又降低了0.059 。

（2）讨论：大面积的湿地以及草原区域为改善地球的“温室效应”起着非常重要的作用，然而湿地资源特别容易遭到破坏，人为的排放垃圾以及自然的灾害影响都会导致湿地面积的缩小。从文章可知人为的保护是可以有效地防止湿地资源的流失，但这是一个需要长期坚持的过程。综上所述，比起长期的利用以及开发湿地资源，更重要的是长期的对湿地自然资源保护区的维护。