湿地空间指标与生态指标研究

任 意,赵一臣,金 娇,高志红,刘晓璐

(1.中国建筑科学研究院,北京 100013；2.国家林业局调查规划设计院,北京 100714；3.林产工业规划设计院,北京 100010)

湿地空间指标与生态指标研究

任 意1,赵一臣2,金 娇3,高志红1,刘晓璐1

(1.中国建筑科学研究院,北京 100013；2.国家林业局调查规划设计院,北京 100714；3.林产工业规划设计院,北京 100010)

湿地是生态系统中重要的生态环境类型。由于长期的人类行为与自然过程,湿地空间格局在逐年发生改变。空间结构的变化往往会直接作用于内部景观类型、生物类型及其平衡关系与多样性关系。近些年大量的水利工程建设,湿地的围垦与开发,均属于影响空间结构的主要原因之一。如何合理评价空间变化结果,以及采用哪些指标评估空间结构演变与生物多样性的关系,在快速发展的今天尤为重要。从空间结构指标与生态效应指标的关系出发,探讨空间结构与生态效应的关联,旨为湿地可持续发展提供参考。

空间结构；生态效应；生物多样性；指标

0 引言

湿地是一种特殊的生态系统,它同时与水文学,土壤学和生物学息息相关。湿地系统是陆地生态系统与水生生态系统之间的过渡地带,也是受人为干扰影响最大的脆弱的生态系统之一。随着城市化进程的加快,湿地保护问题日益突出。研究表明,湿地是随着城市化进程消失最快的环境类型之一。由于对湿地功能和价值认识的缺失,导致湿地在城市化进程中常常成为建设与扩展中被占用的对象[1-2]。世界范围内面临的水环境恶化,水资源的短缺等生态问题也是由于湿地系统受到破坏导致的结果。最近几年，国内已经开始重视生态坏境的建设,加大湿地保护力度,但由于对湿地空间结构演变规律缺乏总结,对湿地的生态效应缺乏认识,我国现存的湿地资源减少、污染严重和调节功能退化的问题并没有从根本上消除。本文从阐述湿地概念和现状,分析我国重点湿地案例入手,探究湿地空间的结构演变和生态效应,从而总结出对湿地建设和保护可行的对策。

1 湿地的概念

近一个世纪以来,根据角度、研究目的和国情的不同,国内外的学者们以不同方式定义了湿地。湿地(Wetlands)的中英文从字面含义上都是指过度湿润的土地,这是对湿地特征的一个抽象概括。美国Willianm Mitsch等[3]认为:湿地明显的标志是水的存在；湿地多生长着适应多水环境的水生植物,通常处于水陆的交界空间与边缘地带,同时受到两种生境的影响。目前,湿地的定义主要遵从《湿地公约》上广义的湿地概念,即“天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带,带有静止或流动的淡水、半咸水及咸水体,包括低潮时水深不超过6m的海域”[4-5]。相关缔约国在定义各国湿地概念时都参考或引用了《湿地公约》关于湿地的定义,从合理保护和利用的目的出发,同时根据本国的湿地情况,在湿地定义的基础上界定其内涵和延展。孙广友[6]拟定“沼泽是地表过湿或浅积水并生长沼生、湿生与水生植被的地理综合体”,关于沼泽的定义奠定了我国对于湿地概念的理解。我国自1992年加入《湿地公约》以来,国内的政策行动计划都不同程度借鉴该定义。

2 指数选取与数据来源

为准确反映湿地空间结构与生态效应的关系,选取斑块个数(NP)、斑块密度指数(PD)、斑块分维度指数(FRAC_MN),形状指数(MSI)、破碎化指数(FN)用以衡量空间结构的情况。在一定情况下,还可以利用斑块结合度指数(COHESION)与斑块平均面积(MPS)反映空间结构与形态。

生态效应,主要考量香农多样性指数(SHDI)的变化情况。在一定情况下,可以通过利用优势度指数(DI)代替香农多样性指数。

对于湿地空间结构演变及生态效应的研究,是一个较长期的过程。本文参考胡巍巍编著的《淮河流域中游湿地景观格局演变及优化调控研究》[7]、丁圣彦等编著的《河南沿黄湿地景观格局及其动态研究》[8]与孙贤斌编著的《湿地景观演变及其对保护区景观结构与功能的影响》[9]等3个文献中公开发表的数据结论,进一步提取,同时进行深入分析与对照研究,以期分析结果能指导湿地规划与设计。

3 湿地空间结构演变及生态效应关联研究

3.1湿地斑块数与生物多样性

湿地斑块数(NP)(NP=n,且NP≥1):在斑块类型水平上等于景观中某一景观类型的斑块总个数；在景观水平上等于景观中所有景观类型的斑块总数。

生物多样性指数,简称Shannon多样性指数或香农多样性指数(SHDI)。SHDI=0,表示整个景观仅有一个斑块组成；SHDI增大,说明斑块类型增加。后文中生物多样性同此处概念。

表1 河南沿黄湿地斑块数与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[8]。

以黄河沿黄湿地为例(表1),近20年来,在人类活动和自然因素的综合作用下,湿地面积明显减少。沿黄湿地受到人类活动的干扰较为明显,耕作与开垦改变了黄河沿岸湿地的风貌,斑块数量增加,斑块整体化效应降低,生物生境数量减少,多样性降低。总体而言,在湿地面积基本稳定或面积减少的情况下,湿地斑块数的增加,表示着生境的连贯性受环境改变的影响,相应地,生物多样性会降低。湿地斑块数与生物多样性指数呈负相关关系。

特别地,当人为因素造成湿地面积突然性地扩大(例如旱地区域开发与开垦),湿地系统中会新增大量的人工湿地,湿地斑块数量会同步扩大,斑块内含有生物的多样性也会因为斑块面积与数量的增加而增加(表2)。而自然与人工湿地交错格局相对稳定后,当斑块数目进一步增加,生物多样性可能会趋于减少(表3)。

表2 淮河中游湿地斑块数与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[7];“*”文献[7]中的表述如此。

表3 盐城湿地斑块数与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[9]。

3.2景观破碎化与生物多样性

景观破碎化指数(FN)是湿地空间结构重要参数之一,主要用以衡量景观斑块的破碎化程度。景观破碎是景观过程(特别是人为景观行为)的结果,其指数能较好地反映湿地空间分离的程度,为生境保护、栖息地保护、湿地动植物繁育提供数据支撑与参考。斑块总边缘增加、斑块平均边缘减小也说明湿地景观破碎化程度有所增加。

景观破碎化,首先使得生物生境的总面积减少,也会造成每一个斑块的生境面积减小,会大大影响种群繁衍与灭绝的速率。另外,破碎化导致的新增斑块,对于原有生物种群而言并不一定适合,造成物种不易扩散,形成“生境孤岛”(表4)。

由于破碎化指数反应的是斑块的分离程度,在一定情况下,还可以参考斑块结合度指数(COHESION)。斑块结合度指数反映景观中斑块的联系程度,其值越大,斑块之间的空间联系就越强。

表4 河南沿黄湿地破碎化程度与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[8]。

3.3斑块密度与生物多样性

斑块密度(PD)是描述空间格局的重要指数之一,其指数数值常用以反映景观的异质性。一般而言,斑块密度数值越大,表示一定面积内斑块的数量越多,说明景观的破碎度越大(表5、表6)。

表5 河南沿黄湿地斑块密度与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[8]。

表6 盐城湿地斑块密度与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[9]。

3.4斑块分维度与生物多样性

湿地由于自然过程或人工过程的影响,在形状上表现出不规则的特点。一般而言,自然形态大多具有自相似的特点,具有分形特征。斑块分维度指数(FRAC_MN)用以测定景观块周边形状的复杂程度,其数值范围为1≤FRAC_MN≤2。数值越靠近1,斑块形状相对比较简单；FRAC_MN数值越靠近2,表示斑块形状相对比较复杂(表7)。

整体而言,湿地的整体形态趋于复杂,这是因为人类活动的强烈影响,使得景观的整体形状变得较为复杂,多样性会降低。

但一些自然湿地受人类农业活动的影响,会使得自然湿地形态逐渐被趋于规则的人工湿地所取代,因此斑块形态会趋于简单。此类情况应单独讨论或结合其他指数分析多样性变化趋势(表8)。

表7 河南沿黄湿地斑块密度与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[8]。

表8 盐城湿地分维度与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[9]。

3.5形状指数与生物多样性

斑块形状指数(MSI)是描述斑块特征的重要参数。斑块形状对于斑块内部与外部的物质流动、信息流动与能量流动有明显的作用,这些流动极大影响了物种的扩散与繁衍。此指数可以反映景观要素斑块的规则程度、边缘的复杂程度。形状指数(MSI)的值愈接近1,表示形状愈与正方形相近。当景观中所有斑块均为正方形时,MSI=1；MSI值越大,边界越复杂,边缘地带越大,面积有效性越小,则斑块形状越不规则。一般认为:圆形和正方形斑块边缘较小,与外界物质、能量交换比较少；而面积相同的狭长斑块或不规则斑块具有相对较小的内部和相对多的边缘。

斑块形态最重要的生态特征是边缘效应,例如,森林边缘对于植物与动物的生境区分有非常大的影响。

以盐城湿地为例(表9):1987—1997年,由于农事活动影响,规则的农田湿地代替了一部分自然湿地斑块,湿地形状逐步复杂化,但湿地中,人工湿地的组分迅速增加,多样性呈现上升趋势；1997—2007年,自然湿地与人工湿地交错分布,使斑块形状指数空间分布差异性明显,生境差异增大,多样性呈现降低趋势。

表9 盐城湿地形状指数与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[9]。

4 其他重要指标

4.1斑块平均面积

斑块平均面积(MPS)可以表征景观的破碎程度,MPS值越小,景观越分离破碎。斑块面积是景观斑块各种信息的集合特征,最能反映斑块生态信息的变化过程。通过各项生态实验可以发现,斑块的物种数量与其面积大小具有非常直接的关系。总体而言,面积大的生态斑块能够包含更多的生物生境,从而提供更多的物质与能量维持多样物种的生存与繁衍,形成一个更近自然的生存环境与生态体系,有利于敏感物种的存在。当环境产生变化时,面积较大的斑块能对抗环境突变产生的影响,对物种的灭绝过程有缓冲作用。一般而言,物种多样性随着斑块面积的增加而增加。湿地类型总面积、平均面积减少,会对湿地物种的多样性、物种的数目造成影响。

斑块数目、斑块密度,斑块平均面积,总边缘与斑块平均边缘有密切的关系(表10)。

表10 1987—2002年河南沿黄湿地变化关系

注:表中数据来源于文献[8]。

4.2景观优势度

景观优势度指数(DI)主要表示的是在一个生态斑块中,一种生物或几种生物对于生态系统中支配景观格局的程度,是景观多样性对最大多样性的偏离程度。DI数值越大,表示斑块内组成的各生态物种所占比例差异较大,即某一种或几种生物或景观类型占据明显的优势,控制着斑块内主要的生态格局。在湿地系统中,优势度取值与多样性指数取值趋势相反。以河南沿黄湿地为例,1987—2002年优势度指数增高,表明湿地区域各景观类型间的比例进一步增加(表11)。

表11 河南沿黄湿地景观优势度与生物多样性的关系

注:表中数据来源于文献[8]。

5 影响湿地空间结构的因素

影响到湿地空间结构，既有自然因素,也有人为因素。两者之间互相作用,人为因素在短时间内起主导影响,自然因素则受人为因素的影响强化和加剧了湿地空间结构的变化。

5.1人为因素

影响湿地空间结构的人为因素可分为直接作用和间接作用两种方式。直接作用于湿地的人为因素主要是人类对湿地的开发和利用。由于对湿地功能认识的缺失,很长一段时间以来,人类对湿地进行了不合理的开发和利用,对湿地生态环境造成了直接破坏。

1)渔猎行为和过度开垦。

渔猎现象常见于湖泊湿地周边并且屡禁不止,滥渔盗猎的行为是人们对湿地功能认识缺失的表现,也是由湿地管控不严导致。湿地开垦面积扩大,经济作物和林木规模面积增加,改变了湿地的群落类型,造成湿地生物多样性下降,加剧了湿地的不稳定性。芦苇等水生植物被大片收割,湿地植物中典型的水生植物多样性下降,水生植物的减少留下大片裸露土地；湿地动物中洄游性,半洄游性鱼类日渐减少；冬候鸟种类逐渐单一,记录中兽类已基本不可见。

此外,湖泊湿地经常用于发展水产养殖,所投放的养殖饲料导致水体富营养化水平升高,降低水质,影响生态结构的平衡。

2)水利工程建设。

局部的人工开挖或填补水体,会影响水流和水量的分布,改变湿地原有的稳定结构,为原有生物多样性保护带来不利影响。

由于河湖的连通性,近年来兴建的河流水利工程对上下游结构影响极大,表现为影响水位的变化进而影响枯水期的长短和周期,以及枯水位的变化。水量在时间和空间上分布的改变对湿地的影响主要体现在三个方面:第一,下游水位变低,典型湿地与河湖交界处的面积减少,淹没时间缩短,导致水生动植物的面积减少,数量种类大幅降低,越冬候鸟食物来源不充实,不利于生长；第二,驳岸植物面积增加,适于候鸟栖息和隐蔽的植物矮化并减少,对候鸟保护不利；第三,枯水期周期提前,湿地洼地减少,导致鱼虾类大量集中,利于人类渔捕行为,致其生物量减少。

5.2自然因素

1)气候变化影响。近年来,全球气候变化显著,实测研究表明,最高水位、最低水位、年平均水位以及最高水位平均值都会受气候变化的影响。

2)水流冲刷影响。湿地底部的泥沙变化是由于河流冲刷携带来的泥沙堆积。土质的不同会影响水流携带的泥沙量。河流经流湖泊流速降低,加剧了携带泥沙的沉积。以鄱阳湖为例,江西省的现有水土流失面积336万hm2,占全省水土流失面积的95.5%,水土流失面积从20世纪50年代的110万hm2增加到90年代的460万hm2,增加了3倍之多[10]。水土流失导致淤积,有很多水域因为淤积已成为洲地。

3)入侵物种影响。从地理角度而言,水域地区交流频繁,更加容易受到外来物种的入侵；另一方面,由于对于外来物种的研究管控力度不够,湿地的生态多样性高,适宜多种植物生存,引入的外来物种食物丰沛,缺少天敌,成为优势物种,湿地的原生植物群落遭到了干扰和破坏。

6 结语

总体来看,湿地空间结构指标与生态效应指标存在着明显的相关关系。在湿地面积基本确定的情况下,湿地斑块数目越多,密度越大,代表着湿地破碎化程度越高,湿地斑块平均面积越小,人类活动干扰程度剧烈,该类情况下,生物多样性往往会呈现负相关的降低趋势,单个或几个物种的优势比例更为突出；当湿地区域大面积被开发时,多会形成人工湿地或人工斑块,湿地面积、湿地斑块数目多会迅速增加,生物多样性由于人工湿地组分的增加而呈现短暂的提高状态,在湿地面积相对确定且湿地环境变化的情况下又逐步回落。整体来看,湿地环境的变化会对生物多样性与优势度造成影响与干扰,其原因是多方面的,可以归纳为自然因素与人为因素。对于湿地空间结构与生物多样性的研究,可以有效指导湿地规划设计工作,在设计过程中,对湿地生态效应的发展趋势做出合理的预估与判断。

[1] 周彬,董洁,葛兆帅,等.三峡库区生态环境与可持续发展对策研究[J].生态学杂志,2015,24(12):1503-1506.

[2] 崔保山,杨志峰,李英华,等.城市拓展中湿地的综合保护与发展[J].自然资源学报,2004,19(7):462-471.

[3] Mitsch W J,Gosselink J G,Wetland[M].New York:John Wiley & Sons Inc,2001.

[4] Office Of International Standards And Legal Affairs,UNESCO.Convention on Wetlands of International Importance Especially as Waterfowl Habitat[EB/OL].(2004-05-08)[2017-07-28].http://www.ramsar.org/key_conv_e.htm.

[5] 《湿地公约》履约办公室.关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约(中译本)[EB/OL].国家林业局野生动植物保护司,译.(2004-05-08)[2017-07-28].http://www.chinabiodiversity.com/china-news/wet.htm.

[6] 孙广友.试论沼泽综合分类系统[J].地理学报,1998,53(6):111-147.

[7] 胡巍巍.淮河流域中游湿地景观格局演变及优化调控研究[M].合肥：安徽师范大学出版社,2013.

[8] 丁圣彦,梁国付,姚孝宗,等.河南沿黄湿地景观格局及其动态研究[M].北京：科学出版社,2007.

[9] 孙贤斌.湿地景观演变及其对保护区景观结构与功能的影响[M].北京：中国科学技术大学出版社,2013.

[10] 刘青,鄢帮有,葛刚,等.鄱阳湖湿地生态修复理论与实践[M].北京：科学出版社,2012.

ResearchonWetlandSpatialIndexandEcologicalIndex

REN Yi1,ZHAO Yichen2,JIN Jiao3,GAO Zhihong1,LIU Xiaolu1

(1.ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China;2.AcademyofForestInventoryandPlanning,StateForestryAdministration,Beijing100714,China;3.PlanningandDesignInstituteofForestryProductsIndustry,StateForestryAdministration,Beijing100010,China)

Wetland is one of the most important types in the eco-system.Wetland spatial structure gradually changes over years,as a result of perennial human behaviors and natural process to the wetland directly or indirectly.The change of spatial structure would then directly affect its landscape,biology,and balance and diversity.Human actions in recent years,like water infrastructures,development around wetlands,are all causes of the wetland spatial changes.It appears crucially important to evaluate the spatial change results and the way to search for the relationship between spatial structure evolution and biodiversity.Based on index parameters of spatial structure and diversity,the article states the crucial factors of spatial structure that affects bio-diversity.This article provides an advancing reference for wetland sustainable research and development.

spatial structure,bio-benefits,index parameter

X826

A

1002-6622(2017)05-0135-06

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.023

2017-08-09；

2017-08-23

中国建筑科学研究院青年基金项目“湿地公园的空间结构和生态过程的关系模型研究”(20141201331030094)

任意(1990-),男,山西人,助理工程师,硕士,主要从事景观设计与规划工作。Email:1210060601@qq.com