近54a扎龙自然保护区景观斑块面积变化特征

近54a扎龙自然保护区景观斑块面积变化特征
刘敏;厉悦;杨晓杰;郭彦萃;王蕾
【摘要】运用GIS技术和景观牛态学的数量分析方法,根据扎龙自然保护区土地利用类型图和Landsat TM图像,分析了1950-2004年保护区景观斑块面积变化特征.结果表明,54 a间,保护区各景观类型以沼泽地所占面积比例最大,区域呈现出以沼泽地景观为基质.草地、耕地和未利用地等为主体的交错景观格局,其他景观类型呈补丁状散布于其中.沼泽地面积表现为波动性增加,草地面积下降显著,未利用地、住宅用地和耕地总体呈快速扩张趋势,水域面积变化不显著,林地所占比例最小,但呈上升趋势.面积加权平均值由大到小依次为沼泽地、草地、耕地、未利用地、水域、住宅用地和林地.最大斑块指数由大到小依次为沼泽地、草地、耕地,其他各类景观的最大斑块指数均小于1.斑块面积标准差最大的是沼泽地,并呈逐年增大趋势,水域、林地、住宅用地等景观类型斑块面积差异程度较小.斑块面积变异系数最大的是1978年的住宅用地,林地、未利用地的斑块面积变异系数较稳定.
【期刊名称】《生态与农村环境学报》
【年(卷),期】2010(026)004
【总页数】5页(P313-317)
【关键词】湿地;斑块总面积;最大斑块指数;标准差;变异系数;扎龙自然保护区
【作者】刘敏;厉悦;杨晓杰;郭彦萃;王蕾
【作者单位】齐齐哈尔大学,黑龙江,齐齐哈尔,161006;齐齐哈尔大学,黑龙江,齐齐哈尔,161006;齐齐哈尔大学,黑龙江,齐齐哈尔,161006;齐齐哈尔大学,黑龙江,齐齐哈尔,161006;齐齐哈尔大学,黑龙江,齐齐哈尔,161006
【正文语种】中文
【中图分类】X171.1
斑块特征是表征景观空间结构的一个主要参数[1]。

斑块大小与生态系统的能量流动、物质循环、物种动态及其他生态学现象与过程等息息相关，斑块大小、形状和分布对生物多样性有重要影响[2－6]，[7]31－36。

此外，岛屿生物地理学认为，
在距离相同的条件下，岛屿面积越大，岛上的物种数量越多[8－10]。

因此，在进
行自然保护区规划设计时，保护区的大小、保护区内主要景观的斑块大小是最主要的考虑因素。

研究保护区景观斑块的面积特征有利于保护区的规划设计。

扎龙自然保护区是我国最大的以鹤类等大型水禽为主的珍稀鸟类和湿地生态类型的国家级自然保护区，是亚洲10大湿地之一。

该保护区拥有丰富的水生生物资源和较高的生物生产率，具有调节气候、净化水质、降解污染、蓄水防洪、补给地下水、调节区域水量平衡、防止自然力侵蚀等功能[11－12]。

部分学者对扎龙自然保护
区景观格局或土地利用类型进行了研究[13－16]，但研究的时间尺度最长为16 a，且针对景观斑块面积的研究较少。

笔者对扎龙自然保护区近54 a(1950—2004年)的景观斑块面积变化特征进行研究，目的在于揭示半个世纪以来扎龙自然保护区的景观斑块大小变化情况，为扎龙自然保护区的规划设计及物种保护提供理论依据。

1 研究区概况
扎龙自然保护区位于我国东北平原北部，黑龙江省西部乌裕尔河下游、嫩江中游的齐齐哈尔市、富裕县、林甸县、泰来县、泰康县和杜尔伯特蒙古族自治县交界处，是典型的芦苇沼泽湿地，研究区总面积约2 250.15 km2，平均海拔144 m，地理坐标介于北纬46°52'～47°32'，东经123°47'～124°37'之间，属大陆性季风气候区。

区内有居民29 000人，其中核心区人口近4 000人，主要从事收割苇草、捕
鱼、开垦湿地以及种植农作物等生产活动[17]。

保护区动植物种类丰富，高等植物67科525种，昆虫279种，鱼类51种，两栖爬行类12种，哺乳类37种，鸟类265种，其中国家一级保护动物有丹顶鹤(Grus japonensis)、东方白鹳(Ciconia boyciana)等8种，二级保护动物有大天鹅(Cygnus cygnus)、白琵鹭(Platalea leucorodia)等23种。

扎龙湿地1979年经黑龙江省人民政府批准建立自然保护区，1987年4月经国务院批准建立扎龙国家级自然保护区，并于1992年被拉姆萨尔
公约(Ramsar Conventoin)列入国际重要湿地名录[14，18]。

扎龙自然保护区在
黑龙江省西部地区干旱气候的调节、平衡降雨、蓄水和分洪等方面发挥着重要作用，同时也是齐齐哈尔市重要的氧源基地。

2 研究方法
以1∶50 000标准地形图为基准，在遥感影像处理软件ERDAS Image 9.0支持下，对1986、1995、2000、2004年4幅Landsat TM图像进行几何精校正、波段
优化组合、辐射增强以及裁剪等处理，参照一定的分类标准，结合卫星遥感影像光谱特征，利用计算机自动解译(监督分类)和传统目视解译相结合的方法，对遥感图像进行解译并获得4个不同时期的景观斑块数据[11]。

由1950、1978年扎龙湿
地土地利用类型图提取得到1950、1978年保护区景观斑块数据。

将保护区景观
类型划分为7类：水域、草地、林地、沼泽地、未利用地(包括盐碱地和沙地)、住宅用地(主要是农村居民用地)、耕地(包括水田和旱地)。

在地理信息系统软件ArcGIS 9.0支持下，对土地利用类型图进行拓扑、属性赋值和统计计算等处理。

利用FRAGSTAS软件和EXCEL软件计算相关景观斑块面积指数：斑块总面积、面积加权平均斑块面积、最大斑块指数、斑块面积标准差、斑块面积变异系数，并对各景观斑块面积指数变化动态进行分析。

各指数计算方法参见文献[6]112－115。

遥感影像处理得到的2004年研究区景观类型图见图1。

图1 2004年扎龙自然保护区景观类型Fig.1 Types of landscapes of Zhalong
Nature Reserve in 2004
3 结果与分析
3.1 各景观类型面积变化
从图2可以看出，1950—2004年扎龙自然保护区各景观类型中以沼泽地面积最大，约占保护区总面积的50%左右，其次为草地，林地和住宅用地面积较小。

保
护区总体呈现以沼泽地为基质，草地、耕地和未利用地等相对为主体的交错景观格局，其他景观类型呈补丁状散布于其中。

各景观类型面积在不同年份间有波动：沼泽地面积在1978年降至最低，为1 016.43 km2，1986年升至最高，随后又呈
现波动变化;草地总体上呈减少趋势，由1950年的818.60 km2下降到2004年的378.68 km2，变化率达－53.74%;水域面积变化较小，呈先增后减再增的趋势，
面积维持在105～159 km2之间;林地面积总体呈上升趋势，但所占比例最小，始终不及保护区总面积的1%，2004年面积为17.74 km2;住宅用地和耕地总体呈扩张趋势，2004年面积分别为24.95和270.67 km2;未利用地面积增长速度非常快，2000年是1950年的10.68倍，但2004年又有所减少，为198.92 km2。

这体
现出由于保护区内原住居民对草地进行开垦，将草地转化为耕地或住宅用地，从而陷入了开垦—碱化—弃耕—再开垦的恶性循环。

明显反映人类活动痕迹的3种景观——耕地、住宅用地和未利用地面积增幅较大，说明54 a间人类对扎龙自然保护区的干扰较明显。

由表1可见，就不同研究时段而言，1950—1978年，草地和沼泽地面积减少，
主要转化为耕地、未利用地和水域;1978—1986年，草地、耕地和水域面积减少
幅度较大，主要转化为沼泽地和未利用地;1995—2000年，面积减少较多的是草地，其主要转化为未利用地和沼泽地;1986—1995和2000—2004年间，各景观类型之间变化幅度较小。

1950—1986年以未利用地面积的年变化率最大，1986—2004年以林地面积的年变化率最大。

图2 1950—2004年扎龙自然保护区各景观类型斑块面积Fig.2 Total areas of various landscape patches in Zhalong Nature Reserve
表1 不同研究时段扎龙自然保护区各景观类型斑块面积变化Table 1 Variation of various landscapes in patch size in different time periods年份变化面积/km2年变化率/%变化面积/km2年变化率/%变化面积/km2年变化率/%变化面积/km
年变化率/2年变化率/%变化面积/km2年变化率/%变化面积/km2年变化率/%变化面积/km2%1950—197851.661.71－107.23－0.476.237.0652.829.01－
93.79－0.3010.986.4579.331.54 1978—1986－44.58－3.50－317.37－5.58－1.55－2.07145.8224.72268.543.307.335.37－58.19－2.77 1986—1995－9.56－0.9263.691.80－6.76－9.59－55.21－2.79－39.63－0.341.390.6346.082.50 1995—20007.871.49－96.63－4.229.70180.2259.097.1923.820.38－1.39－
1.08－
2.46－0.20 2000—20041
3.563.0017.621.226.9716.18－2
4.53－2.74－36.70－0.720.560.5722.522.27 1950—200418.950.33－439.92－
1.0014.598.58177.9915.7512
2.240.2018.875.7587.280.88
3.2 各景观类型面积加权平均斑块面积变化
以各斑块所占面积比例作为权重计算各景观类型面积加权平均斑块面积(图3)。

从
图3可以看出，54 a间，沼泽地的面积加权平均斑块面积显著大于其他景观类型，反映出沼泽地对保护区整体景观起控制作用，这也符合扎龙湿地自然保护区的自然特性。

林地和住宅用地的面积加权平均斑块面积都＜1，在图中无法显示，说明这
2种景观类型主要以小斑块形式存在。

水域、林地等自然特性较强的景观类型斑块较小，有利于小生境的形成，可以为物种提供多样的生存空间，也可为物种的迁徒提供休憩地，但由于其内部环境空间太小，不利于内部种的生存，斑块内能承载的物种数量较少，物种多样性也较小。

不同年份各景观类型面积加权平均斑块面积动态变化表现为：沼泽地的面积加权平
均斑块面积变化最显著，1950年最低，1950—1978年急剧上升，而后微弱下降，2000—2004年又急剧上升，2004年达最高值，这与2004年沼泽地景观的斑块
数最少有关，也反映出2000年后保护区沼泽地景观的连接度呈增强趋势。

草地的面积加权平均斑块面积变化也较明显，1978年达最高，而后迅速降低，说明
1978年后人类活动对保护区草地影响严重，导致草地景观破碎度越来越大，同时也与1978年后草地面积急剧下降相关。

其他景观类型的面积加权平均斑块面积各年间变化不大，主要是因为这些景观类型面积在保护区中所占比例较小，并且都以小斑块为主。

图3 1950—2004年扎龙自然保护区各景观类型面积加权平均斑块面积Fig.3 Weighted mean patch sizes of various landscapes of the Reserve in different years
3.3 各景观类型最大斑块指数变化
最大斑块指数表示各景观类型中面积最大斑块占整个景观的比例，用以表征景观优势度，指数越大，优势越明显[7]113。

同时，由于大型斑块能够容纳更多物种，
尤其有利于内部种的生存和维持物种多样性，并在一定程度上允许干扰的发生，抗干扰能力较强，因此在景观生态学上具有重要意义。

从图4可以看出，总体而言，沼泽地的最大斑块指数明显大于其他景观类型。

沼泽地最大斑块面积达年份间最大时，占自然保护区总面积的53.07%，保护区内成片连通的沼泽大斑块，有利于湿地整体环境的重塑和水生生物多样性的保护。

但沼泽地的最大斑块指数在不同年份间也发生了较大波动，1950—1978年上升较快，1978—1995年逐渐下降，2000—2004年急剧上升，并达到最高值，说明2004年自然保护区沼泽地的连通性最好，对整体景观的控制最强，更有利于生物多样性的保护。

草地的最大斑块指数在54 a间下降明显，说明草地景观破坏严重，优势度降低，破碎度增大。

耕地
的最大斑块指数在各景观类型中排第3，各年份间有轻微波动。

其他各类景观的最
大斑块指数基本都＜1，并且各年份波动较小。

林地和住宅用地景观的最大斑块指数＜0.1，在图中基本无法显示。

图4 1950—2004年扎龙自然保护区各景观类型最大斑块指数Fig.4 Largest patch indexes of various landscapes of the Reserve in different years
3.4 各景观类型斑块面积标准差变化
斑块面积标准差用于描述某一类型景观中所有斑块面积的差异，即面积的变化量，反映斑块面积大小的差异程度[7]113。

从图5可以看出，除1950年外(草地略高
于沼泽地)，各景观类型中均以沼泽地斑块面积标准差最大，并且呈逐年增大趋势，说明研究区域内既有大面积成片的沼泽地，又有面积较小的沼泽地，斑块面积差异较大，而且随时间的推移差异程度越来越大。

水域、林地、住宅用地等景观类型斑块面积差异程度较小，在图中基本上显示不出。

图5 1950—2004年扎龙自然保护区各景观类型斑块面积标准差Fig.5 Patch size standard deviation of various landscapes of the Reserve in different years 3.5 各景观类型斑块面积变异系数变化
斑块面积变异系数主要反映各类型景观斑块的面积变化幅度。

从图6可以看出，
各景观类型中以1978年住宅用地斑块面积变异系数最大，达到4 039.38%。

这
主要是由于住宅用地景观的平均斑块面积小，只要出现较大面积的斑块，就会拉动住宅用地整体景观斑块面积变异系数上涨。

而1978年处于国家经济发展的起步期，国家政策影响再加上人口增加对住宅用地的需求，使得住宅用地的面积迅速增长。

其次是1995和1986年的耕地，另外1978、2004年的沼泽地和1978年的水域，斑块面积变异系数也超过了500%。

从不同景观类型来看，林地、未利用地的斑块面积变异系数较稳定。

从不同年份来看，2000和2004年各景观斑块面积变异系
数较稳定。

图6 1950—2004年扎龙自然保护区各景观类型斑块面积变异系数Fig.6 Patch
size variance coefficient of various landscapes of the Reserve in different years
4 结论与讨论
(1)景观类型面积、面积加权平均斑块面积和最大斑块指数均为沼泽地景观最大，
明显高于其他景观类型，草地、耕地和未利用地次之，反映出扎龙自然保护区以沼泽地景观为基质，草地、耕地和未利用地等相对为主体的交错景观格局，其余景观类型呈补丁状散布于其中。

(2)54 a间，扎龙自然保护区的景观斑块面积变化显著，其中草地面积下降明显，
而其他景观类型面积呈波动性增长，尤其是反映人类活动痕迹的3种景观——耕地、住宅用地和未利用地的面积增长较快。

外界干扰对保护区草地干扰较大，造成草地转化成耕地、住宅用地或直接退化成沙地和盐碱地。

(3)影响保护区景观斑块面积变化的主要因素有降水变化、人口增长和不恰当的农
业活动等因素。

降水量的变化会直接影响水域、沼泽地等景观类型的面积，如1986年为丰水年，沼泽地的面积较其他年份大。

人口的增长必然增加对粮食与住房及公共设施的需求，从而导致耕地和住宅用地面积增加。

从20世纪50年代至今，保护区核心区内的人口增加了近10倍，2004年耕地面积为1950年的1.5倍，2004年住宅用地面积为1950年的4.1倍;不恰当的农业活动方式(人类的滥牧、滥垦)造成土地盐碱化、沙化严重，到2004年近9%的土地转化为盐碱地和沙地，是1950年的9.5倍。

(4)各景观类型面积发生改变，将会影响保护区的景观格局变化，从而影响保护区
生态系统的生态功能发挥，影响保护区中受保护动植物的生存。

若要维持扎龙自然保护区景观的稳定，完善生态系统功能，必须加强自然保护区的管理，尤其是加强草地景观的保护和恢复，加强宣传教育，强化湿地生态意识，控制保护区内人口及工农业发展规模，合理解决人类干扰问题，强化植被格局的连续性和协调性，并适
时进行国家宏观调控。

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