渤海沿岸濕地生物多樣性變化特征

肖 洋,張 路,張麗云, 2,肖 燚,鄭 華,歐陽志云,*

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院研究生院,北京 100039

生物多樣性資源不僅可以直接作為食物、藥物、能源、工業原料,而且還能間接提供生態系統服務。這些服務包括調節氣候、保持自然生態系統穩定、降解廢物、維持自然基因庫和美學價值等[1]。隨著全球氣候變化和人類活動干擾,生物多樣性的日益喪失,引起了國際社會的廣泛關注[2]。全球平均每年約1000個野生物種滅絕,并在未來的幾十年中有可能達到每年5000個[3],這種滅絕速率比人類出現前大100—1000倍[4]。為控制物種滅絕速度,提高生物多樣性保護成效,已出現大量保護方法研究[2],主要為就地保護。全球陸地表面的10%—11%已經建立為自然保護地,但是全球生物多樣性資源豐富,而且生物多樣性逐年變化,全面有效的保護生物多樣性已成為全球所面臨的巨大挑戰。特別是近年來,中國東部沿海發生著巨大的變化,人口經濟的快速增長、資源需求的進一步增大、致使該地區生物多樣性保護受到一定的沖擊。

濱海濕地作為海陸交錯地帶,是一個邊緣區域[5],也是生物多樣性最為豐富,最具價值的生態系統之一[6-7]。由于經濟的發展和人類活動的干擾,濱海濕地生態系統正遭受著不同程度的功能損失和喪失,致使濕地生物多樣性的時空變化研究備受關注。這些變化必然會影響濱海濕地的生物多樣性狀況,進而影響地區經濟和生態環境的可持續發展。本文首先結合濱海濕地生物多樣性的實際情況,選取生境質量指數和生物豐富度作為評價指標參數,計算地區生物多樣性指數,探討該區域生物多樣性的空間格局。同時通過遙感空間分析,揭示海濱濕地生態系統和濕地生物多樣性時空動態特征。最后采用空間相關分析方法,識別研究區生物多樣性變化的熱冷點區和當前自然保護區所面臨的風險。因此,研究中國東部濱海濕地生物多樣性資源狀況,客觀認識生態系統結構與生物多樣性,探討生物多樣性變化的熱冷點區,為促進我國濕地生物多樣性管理與保護,緩解日趨嚴重的退化問題,實現中國可持續發展具有重要的科學意義。

1 研究區概況

圖1 渤海沿岸地理位置圖Fig.1 The geographical location of Bohai coast in China

渤海沿岸濱海濕地南起山東省蓬萊市,北到遼寧省的大連市,自南向北途徑河北省天津市的沿海地區,總面積約為59957.42km2,有黃河、海河、薊運河、大凌河等河流注入。主要包括3大海灣,分別為北部的遼東灣、中部的渤海灣和南部的萊州灣。海底地形大致自南向北,自岸向海傾斜,沉積物主要為細顆粒的粉砂與淤泥。大陸性季風氣候顯著,溫和濕潤,日照充足,雨量豐沛,四季分明,年平均氣溫12—14℃,年平均降水量為530—660mm,自西向東降水遞增,且年際和年內變化較大。該地區河流眾多,湖泊、池塘、水庫、河口星羅棋布,再加上漫長的淺海灘涂,構成了豐富多樣的濕地景觀獨特的地理位置,良好的濕地環境,使渤海沿岸成為我國東部濕地水鳥的重要分布區,主要體現在種類多、數量大、珍稀瀕危物種出現頻率高等方面。由于位于沿海,地下淡水資源相對貧乏,工農業及生活用水主要依靠地表水,因此水庫坑塘較多。此外,渤海沿岸排污河流很多,加之渤海灣、萊州灣是兩個相對封閉的海灣,海水交換能力將對較弱,凈化能力較低,導致沿海水域污染嚴重,赤潮災害時有發生。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源與處理

生態系統類型圖主要基于Landsat TM和環境衛星HJ數據,采用面向對象的分類技術遙感解譯得到[8-10]。行政區劃圖、道路矢量圖、自然保護區和物種豐富度等數據作為本研究的主要矢量數據,基于ArcGIS軟件,通過輸入和匯總建立地理信息系統數據庫。數字高程模型DEM,空間分辨率為90m,來源于國際科學數據平臺。統一所有數據投影坐標系統和空間分辨率。詳細數據信息見表1。

2.2 研究方法

本研究參考徐佩等人研究[11],選取了生境質量指數和物種豐富度指數,作為評價地區生物多樣性特征的重要評價指標參數,以柵格為統計單元,利用如下公式計算生物多樣性：

BI=SR+HQ

式中,BI(Biodiversity Index)為生物多樣性指數(無量綱,范圍為0—1)；SR(Species Richness)為物種豐富度(植物與動物),對其進行標準化處理,使數值范圍在0—1之間,依據李迪強對指示物種選擇和賦值標準[12],選擇地區指示物種并計算指示物種的豐富度指數。HQ(Habitat Quality)為柵格生境質量,用InVEST生物多樣性模型計算得到(無量綱,范圍為0—1)。

表1 主要數據來源

生境質量是指生態系統提供適合于個體和種群的持久性存在條件的能力,也被認為是模型中一個連續變量,從低到中再到高,基于生存資源可獲取性,而繁殖和存在數量[13]。生境質量取決于一個生境對人類土地利用和這些土地利用強度的可接近性。一般來說,生境質量的退化可看做附近的土地利用強度增加的結果[14]。生境質量模型主要包括4個因素,每種威脅的相對影響,每種生境類型對每種威脅的相對敏感性,生境與威脅之間的距離,緩解生境威脅的保護。生境質量計算公式如下：

式中,HQx為柵格x的生境質量(無量綱,范圍為0—1)；H為布爾圖,即0非生境或1生境；Dx為柵格x的總威脅等級；z為模型系數,這里取值z=2.5[15]；k為半飽和常數,由用戶設定。此外,生境威脅因子主要包括工業用地、城鎮、農田、主要道路、次要道路等。威脅源屬性表中的威脅強度,威脅距離參考已有的相關文獻資料[16],威脅因子的相對權重值來自專家評分。生境敏感性屬性表中的敏感性值參考模型推薦數值,并根據研究區特定的生境狀況進行了調整。關于更多模型參數的細節請參考InVEST模型使用手冊[15]。所有地圖數據均轉換為相同的坐標系統(Albers Conical Equal Area)和相同空間分辨率(90m)。

在生物多樣性的熱冷點區的研究中,熱點區是指物種聚集度高的地區,冷點區是指物種聚集度低的地區,即趨于離散,因此可以利用空間相關分析進行熱冷點地區識別。在空間統計中Gi系數作為空間相關分析中常用的自相關指標,是一種基于距離全矩陣的局部空間自相關指標,可以探查出研究區內哪些區域是指示物種高度聚集的地方,即熱點區[17]。本文利用ArcGIS軟件的空間自相關分析計算生物多樣性變化的聚集程度。

3 結果與分析

3.1 濕地生態系統

圖2 渤海沿岸濕地生態系統空間分布Fig.2 Spatial distribution of wetland in Bohai coast

渤海沿岸濕地生態系統主要分布在遼東灣、渤海灣和萊州灣附近,其中渤海灣濕地面積比例最大(圖2)。按濕地類型而言,遼東灣濕地類型主要為灌木和草本沼澤。而渤海灣和萊州灣主要為水庫坑塘。渤海沿岸濕地生態系統總面積在2000—2010年幾乎不變,僅微微增加38.93km2,但其內部各類型面積轉換非常顯著(表2)。特別是草本沼澤和水庫坑塘,10年間它們變化面積分別為-540.45km2和485.49km2。草本沼澤面積比例相對降低了4.69%,而水庫坑塘則升高了3.93%。呈現出自然濕地面積逐年持續減少,人工濕地面積持續增加趨勢。由于濱海地區城市化迅速,人口增長,導致以水產養殖為主的產業大力發展,致使草本濕地(主要植被為蘆葦),向水產養殖塘的水庫坑塘轉變。總體上,渤海濱海濕地生態系統變化的特征主要是通過圍墾草本沼澤等自然濕地,改造為水產養殖塘或耕地等人類活動強度較高的生態系統類型。

表2 渤海沿岸濕地生態系統面積和比例2000和2010年

3.2 生物多樣性

由于地理位置、氣候條件、生境質量和物種豐富度存在空間差異,濱海濕地生物多樣性也表現出明顯的空間異質性(圖3)。生物多樣性數值較高的區域主要分布在遼東灣中部和萊州灣西北部附近。從地理空間來看,生物多樣性數值高的地區大多數為自然保護區或植被豐富的沼澤地帶,這些植被為動植物的棲息繁衍提供了良好的環境,又因為地形限制,受到人為干擾較少,所以在這種地形的控制下形成了有利于各種生物生存的小生境。而生物多樣性數值較低的區域則分布在渤海灣附近。由于渤海灣沿岸屬于天津市和河北省行政區內,社會經濟發達,人口密度高,人口對濕地生態系統干擾強度大,故生物多樣性數值較低。2010年渤海沿岸濕地生物多樣性均值為0.55,相對于2000年降低了8.3%(表3)。除濕地整體生物多樣性降低外,其內部草本沼澤、湖泊和水庫坑塘等類型都出現一定程度的退化。2000—2010年來,渤海沿岸濕地生物多樣性普遍退化,主要原因是由于濕地周邊的快速城市發展,近10年來,周邊城市化面積增長達到2372.93km2,增幅約為30.96%。迅速的城市發展,人類活動的不斷加強,給周邊的濕地生態系統造成一定的干擾,許多適宜生境喪失,導致濕地生物多樣性存在退化的風險。

表3 渤海沿岸濕地生物多樣性指數2000和2010年

3.3 生物多樣性變化原因

由于該區域受人類活動顯著影響,生物多樣性發生著巨大的變化。本文對生物多樣性變化與所有可能的影響因子做相關性分析,發現與道路密度、GDP(Gross Domestic Product)密度、人口密度相關性明顯(圖4)。生物多樣性變化均與道路密度、GDP密度、人口密度呈現明顯的負相關 (r=-0. 486,P<0.01；r=-0. 856,P<0.01；r=-0. 812,P<0.01)。結合上文3.1部分內容,我們發現近10年來渤海濱海濕地受人類活動干擾較大。隨著人口的增長和經濟的發展,漁業食物的價格上升,圍墾草本沼澤,改造水產養殖塘或耕地的活動越來越頻繁。此外,房地產和交通的發展,道路的密集建設,對該地區濕地生物多樣性產生巨大的負面影響。

圖3 渤海沿岸濕地生物多樣性特征Fig.3 Spatial pattern of biodiversity index in Bohai coast

圖4 渤海沿岸濕地生物多樣性變化與影響因子的相關性Fig.4 Relation between biodiversity and driving factors in Bohai coast

3.4 生物多樣性變化熱冷點區

對生物多樣性變化進行熱冷點分析,結果如圖5 所示。渤海沿岸濕地生物多樣性變化熱點區(Z值大于1.96)主要集中在渤海灣東南部和萊州灣西北部,以及遼東灣中部的濱海濕地。而變化冷點區(Z值小于-1.96)主要分布在渤海灣中北部附近。這里選取±1.96作為分類閾值,是因為當使用95%的置信度時Z值為±1.96標準差,即具有統計顯著性(P值<0.05)。由于熱點區附近存在國家濕地保護區,生物多樣性高,相對其他區域而言,變化較為劇烈和集中,使得空間上的聚集度較高,從而Z值絕對值高。

圖5 渤海沿岸濕地生物多樣性變化熱點冷點區Fig.5 Hotspots / cold spots of biodiversity index change in Bohai coast

4 結論

本文基于渤海沿岸濕地生態系統類型、道路、威脅因子和參數屬性等,通過InVEST生物多樣性模型,獲取生境質量,并結合物種豐富度,評估研究區生物多樣性和探討其變化的熱冷點區域。研究結果如下：

(1)在2000—2010年期間,渤海沿岸濕地生態系統總面積幾乎不變,但其內部各類型面積轉換則非常顯著,主要為草本沼澤和水庫坑塘之間的轉換。呈現出自然濕地面積逐年持續減少,人工濕地面積持續增加趨勢。

(2)生物多樣性較高的區域主要分布在遼東灣中部、渤海灣東南部和萊州灣西北部,主要包括凌海市、盤山縣、大洼縣,無棣縣、沾化縣、河口區、墾利縣和東營區。由于城市化進展的加快,人類活動干擾的加強,在2000—2010年期間,渤海沿岸濕地適宜生境的面積不斷地減少,生境質量逐漸降低,生物多樣性呈退化趨勢。

(3)近10年來渤海沿岸濕地生物多樣性的變化與人類活動的關系非常密切,其與道路密度、GDP密度、人口密度呈現明顯的負相關。頻繁的人類活動對該地區濕地生物多樣性產生巨大的負面影響,應多建立自然保護區加以保護。

(4)通過生物多樣性變化熱冷點分析,熱點區主要分布在渤海灣東南部和萊州灣西北部,包括無棣縣、沾化縣、河口區、墾利縣和東營區。冷點區域主要集中在渤海灣的中北部,包括濱海新區,豐南區和曹妃甸區。在渤海灣東南部和萊州灣西北部的變化熱點區內,生物多樣性呈改善趨勢,說明裸土轉換為水庫坑塘和自然保護區的存在,可以有效的改善該地區的生境質量,即發展與保護共存,達到了雙贏的結果。

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