拉薩河源頭麥地卡濕地景觀格局及功能動態(tài)分析

李妍妍,王景升,稅燕萍,陳 歆,鄭國強,劉文婧,包小婷,王 彤

1 山東省水利科學(xué)研究院, 濟南 250014 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬院重點實驗室, 北京 100101 3 西藏自治區(qū)環(huán)保廳, 拉薩 850000 4 山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院, 濟南 250101 5 中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100872

濕地是陸地與水體系統(tǒng)相互作用形成的特殊的自然綜合體[1-2],具有生產(chǎn)、生態(tài)和水文等多項功能[3],尤其是對于保護生物多樣性具有重要作用。在全球變化的大背景下,隨著人口的增加和經(jīng)濟的發(fā)展,濕地系統(tǒng)面臨的退化和萎縮的風(fēng)險與日俱增[4]。大面積分布于世界第三極-青藏高原的高寒濕地,是在高寒氣候背景條件下形成的包含湖泊、河流、沼澤和水庫等特殊濕地類型[5],被稱為“高原之腎”。青藏高原高寒濕地不僅是重要的生物多樣性保護區(qū)域,也是中國乃至亞洲生態(tài)安全屏障區(qū)。青藏高原高寒濕地由于其地理區(qū)位的特殊性和獨特的氣候土壤特點,使其在全球變化研究中占有特殊的重要地位[6-10]。

拉薩河流域是藏民族的主要聚居區(qū),人口密度相對較大,尤其是拉薩市轄區(qū)范圍內(nèi),農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)和旅游業(yè)相對發(fā)達,水資源消耗和污染問題不容忽視。麥地卡濕地是拉薩河的源頭,也是黑頸鶴、赤麻鴨等珍稀水禽的棲息地,在維護拉薩河流域氣候穩(wěn)定、調(diào)蓄水量、凈化水質(zhì)和保護水源地等方面具有極其重要的作用[11]。隨著氣候變暖和人類活動的加劇,麥地卡濕地出現(xiàn)了濕地退化、草場沙化等生態(tài)問題,嚴重威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全和生物多樣性。但是目前關(guān)于麥地卡濕地的研究較少,已發(fā)表文獻僅研究了麥地卡濕地保護區(qū)內(nèi)種子植物資源多樣性、環(huán)境保護現(xiàn)狀以及濕地生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟價值等內(nèi)容,對濕地保護區(qū)景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值尚未有深入研究。因此,本文希望利用多期遙感數(shù)據(jù)獲得麥地卡濕地保護區(qū)土地覆被變化情況,利用修正的生態(tài)服務(wù)價值評估模型計算濕地保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值,分析氣候因素對麥地卡濕地的影響,以期對濕地保護提出有效措施,從而加強濕地保護區(qū)建設(shè),維護高原生態(tài)系統(tǒng)安全。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

麥地卡濕地保護區(qū)位于西藏那曲地區(qū)嘉黎縣北部措拉鄉(xiāng)境內(nèi)(92°45′55″—93°19′25″E,30°51′04″—31°09′44″N),距拉薩東北方向230 km,那曲縣東南方向88 km(圖1),保護區(qū)面積89237 hm2,平均海拔4900 m。氣候?qū)俑咴瓉喓畮О霛駶櫄夂?年均氣溫-1.7—0.7℃,年均降水量700 mm,干濕季節(jié)分明[11]。地貌屬高原湖盆谷地平原,多湖盆、谷地、山地,區(qū)內(nèi)分布著240多個面積不等的湖泊,其中面積最大的湖泊彭措為拉薩河源頭。麥地卡濕地土壤類型多樣,主要包括高山寒漠土、高山亞高山草甸土、沼澤土以及新積土和粗骨土,并孕育了豐富的動植物資源,共記載維管束植物304種,動物332種。麥地卡濕地是藏北地區(qū)典型的高原湖泊沼澤草甸濕地,其濕地類型豐富,包含永久性河流、洪泛平原濕地、永久性淡水湖、草本沼澤、沼澤化草甸等5類,不僅是西藏地區(qū)的國際重要濕地、國家級自然保護區(qū),也是黑頸鶴(Grusnigricollis)、赤麻鴨(Tadornaferruginea)、斑頭雁(Anserindicus)等珍稀水禽冬季遷徙的重要棲息與繁殖地[12]。

圖1 麥地卡濕地保護區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Location of the Mcdika wetland reserve

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

以1988、1990、1995、2000、2004、2015年生長季(6—10月)Landsat30 m遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源(數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局USGS官網(wǎng))。結(jié)合土地利用分類現(xiàn)狀(GB/T 21010-2017)和全國濕地資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程,將研究區(qū)土地利用類型劃分為濕地、草地、未利用地三大類,并進一步分為河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、天然牧草地、裸巖石礫地、冰川積雪等6種二級分類。2016年夏季對研究區(qū)進行了實地調(diào)查,獲取了研究區(qū)6種土地利用類型解譯標(biāo)志和57個GPS采樣點。原始數(shù)據(jù)在ENVI軟件做大氣、幾何校正后,結(jié)合研究區(qū)地形、植被分布狀況,利用面向?qū)ο蠓椒ㄟM行解譯。解譯結(jié)果使用混淆矩陣方法檢驗,結(jié)果顯示分類精度均大于80%。

選取研究區(qū)附近11個站點氣象資料進行ANUSPLIN插值(氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)),根據(jù)研究區(qū)邊界提取氣象數(shù)據(jù)平均值。氣象資料選取1985年以來的年平均氣溫、降水、地表溫度和相對濕度。

2 研究方法

2.1 氣候要素分析方法

利用回歸統(tǒng)計方法分析麥地卡濕地保護區(qū)4種氣候要素隨時間的變化狀況,將時間t作為自變量,氣象因素x為因變量,利用二階方程進行擬合。同時,采用非參數(shù)Spearman相關(guān)分析,計算氣象因素與土地覆被之間的相關(guān)性。

2.2 生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)修正與價值計算

(1)生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)修正

標(biāo)準生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子經(jīng)濟價值量指1 hm2全國平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值,結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子,可以表征和量化不同類型生態(tài)系統(tǒng)對生態(tài)服務(wù)功能的潛在貢獻能力[13-14]。根據(jù)謝高地的研究,1個標(biāo)準單位生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子價值量相當(dāng)于單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟價值的1/7,參考王源等得到的納木錯流域當(dāng)量因子生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值628.6元[15],以及謝高地得到的西藏自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量修正因子[16],計算得到麥地卡濕地保護區(qū)單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)量因子的價值量為471.45元。

采用千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)方法,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為四大類11小類(表1)。在求得研究區(qū)單位農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)服務(wù)價值后,結(jié)合“單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表”生態(tài)系統(tǒng)二級分類[17],最終得到研究區(qū)6類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

牧業(yè)是研究區(qū)所屬嘉黎縣的主要產(chǎn)業(yè),研究區(qū)內(nèi)除分散少數(shù)村莊外主要是草地景觀,缺少農(nóng)田、森林生態(tài)系統(tǒng)。考慮研究區(qū)實際狀況,河流濕地、湖泊濕地當(dāng)量值參考文獻[17]表1中的水系,沼澤濕地參考濕地,裸巖石礫地參考荒漠。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算公式：

ESV=∑(Ai×VCi)

(1)

ESVf=∑(Ai×VCfi)

(2)

式中,ESV和ESVf為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(元)和第f項功能的服務(wù)價值(元)；Ai為研究區(qū)第i類土地利用/覆被類型面積(hm2)；VCi和VCfi為第i類土地利用/覆被類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2)和第i類土地利用/覆被類型所對應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)第f項功能的服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2)。

表1 麥地卡濕地保護區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型空間分布特征

麥地卡濕地保護區(qū)土地利用類型空間分布如圖2。從一級分類看,分布面積草地>濕地>未利用地,從二級分類看,分布面積天然牧草地>沼澤濕地>裸巖石礫地>湖泊濕地>河流濕地>冰川積雪。結(jié)合實地調(diào)查資料可知,天然草地大面積分布在研究區(qū)西部和中部,并在中部地形較為平坦區(qū)域與沼澤濕地相互交錯。沼澤濕地和河流濕地主要分布在保護區(qū)中部、北部以及東北部海拔低于5100 m的溝谷和低洼地段。湖泊濕地主要分布在西南部高山腳下海拔5200 m左右的地帶。未利用地主要分布在保護區(qū)南緣-東南緣高山地區(qū),冰川積雪主要分布在海拔高于5500 m的地區(qū),冰雪帶至山腳為植被稀疏的裸巖石礫地。總體來看,麥地卡濕地保護區(qū)土地利用分布與海拔和地形有關(guān)。

3.2 土地覆被動態(tài)變化

1988—2015年麥地卡濕地保護區(qū)土地利用類型變化如表2。結(jié)合圖2、表2可知,麥地卡濕地保護區(qū)土地利用面積呈現(xiàn)明顯的草地持續(xù)擴張而濕地連年減少的特點。研究期間,草地占總面積的比例分別為53.4%、51.8%、54.3%、53.5%、61.1%、59.8%,27年增長了5727 hm2。草地年均增長率在1988—2000年間為4.8 hm2/a,而2000年之后激增為377.9 hm2/a,主要是由濕地干旱演替成草地和裸巖石礫地向草地擴張造成。濕地面積占總面積的比例為32.4%、35.3%、31.1%、29.6%、26.9%、25.8%,27年減少了5825 hm2,年均減少率為215.8 hm2/a。濕地面積減少主要以沼澤濕地為主,減少了20%。通過疊加6期土地利用類型圖可知,沼澤濕地減少主要集中在保護區(qū)中心區(qū)和東北部彭措湖周邊。27年間未利用地面積變化不大,僅增加98.5 hm2。

圖2 1988—2015年麥地卡濕地保護區(qū)土地利用空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of land use pattern in Mcdika wetland reserve from 1988 to 2015

3.3 格局演變的驅(qū)動因素

分析1985—2015年氣象資料(圖3)可知：近30年來保護區(qū)氣溫和地表溫度分別增加了1.2℃和2.5℃,增溫幅度為0.4℃/10a和0.8℃/10a。在1985—2000年期間,年平均降水量由706 mm增加至773 mm,之后到2015年減少至675 mm左右,是30年間的歷史最低水平。相對濕度變化規(guī)律與降水相似。

表2 麥地卡濕地保護區(qū)土地利用面積變化

麥地卡濕地保護區(qū)沼澤濕地和天然牧草地面積發(fā)生明顯變化,將面積與4種氣象要素做Spearman非參數(shù)相關(guān)分析,探索麥地卡濕地保護區(qū)面積變化與氣候要素之間相關(guān)性。年平均氣溫、降水、地表溫度和相對濕度多重共線性檢驗結(jié)果為VIF=4.568、2.020、3.346、1.559,表明氣象要素之間不存在嚴重共線性,Spearman相關(guān)分析可以準確反應(yīng)面積與氣象要素的關(guān)系。

相關(guān)分析結(jié)果可知(表3)：4種氣象要素與沼澤濕地面積變化為負相關(guān),與天然牧草地面積變化為正相關(guān)。氣溫、地表溫度和沼澤濕地、天然牧草地相關(guān)性大,分別為0.543、0.468和0.543、0.371,表明研究區(qū)沼澤濕地面積縮小和天然草地面積擴張受氣溫和地表溫度升高的影響較大。結(jié)合1985年來氣象要素變化可知,降水減少和溫度升高(尤其是地表溫度的升高)加劇了土壤和氣候的暖干化,土壤濕度降低,促使研究區(qū)藏嵩草為優(yōu)勢種群落的沼澤濕地演化為藏嵩草和高山嵩草為優(yōu)勢種群落的天然牧草地。同時溫度的升高,導(dǎo)致冰川和積雪融化,在一定程度上增加了保護區(qū)內(nèi)部分區(qū)域的水分供給,促進了高寒草地向裸巖石礫地的擴張,進一步增加了天然草地的面積。

圖3 研究區(qū)氣象要素變化Fig.3 Meteorological factors change in the study area

相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient氣溫Temperature累計降水Cumulative precipitation地表溫度Land surface temperature相對濕度Relative humidity沼澤濕地Marsh wetland-0.543-0.143-0.468-0.257天然牧草地Natural pas-ture0.5430.1430.3710.314

3.4 濕地系統(tǒng)主要服務(wù)功能評估

如表4所示,麥地卡濕地保護區(qū)最主要的生態(tài)服務(wù)功能為調(diào)節(jié)功能,占總服務(wù)功能的70%。二級生態(tài)服務(wù)功能中主要表現(xiàn)為水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性,三項功能合計約占系統(tǒng)服務(wù)功能的70%；維持養(yǎng)分循環(huán)、食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)功能較弱,平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為464×104元、1239×104元和1361×104元,三者合計僅約系統(tǒng)服務(wù)功能的8%；其余水資源供給(均值5372×104元)、氣體調(diào)節(jié)(4851×104元)、凈化環(huán)境(7560×104元)、土壤保持(5908×104元)和美學(xué)景觀(6647×104元)合計約占系統(tǒng)服務(wù)功能的22%。

表4 生態(tài)服務(wù)價值變化/ ×104元

圖4 1988—2015年各生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能變化情況 Fig.4 The change in the value of ecological services from 1988 to 2015

麥地卡濕地不同覆被類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值變化如圖4所示,在1988—2015年期間,麥地卡濕地保護區(qū)沼澤濕地生態(tài)服務(wù)價值最大,隨著沼澤濕地面積的減少,其生態(tài)服務(wù)價值由57979×104元減少到44906×104元。天然牧草地生態(tài)服務(wù)功能逐年增加,27年增加了3086×104元。湖泊濕地和河流濕地生態(tài)服務(wù)價值變化不大,基本穩(wěn)定在22585×104元和8444×104元。冰川積雪與裸露石礫地生態(tài)服務(wù)功能價值量很小,基本維持在1166×104元。

4 討論

濕地的空間分布與其生態(tài)功能相互影響、相互制約,任何一方改變都會引起另一方的變化[18]。根據(jù)麥地卡濕地土地利用面積和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化可知,沼澤濕地的生態(tài)服務(wù)價值是麥地卡濕地生態(tài)功能的重要體現(xiàn),沼澤濕地面積的大幅度減少,是麥地卡濕地保護區(qū)生態(tài)服務(wù)價值逐年減少的主要原因。這一結(jié)果與李晉昌等對若爾蓋高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究結(jié)果相同,其發(fā)現(xiàn)若爾蓋高原土地利用變化尤其是濕地的退化,是該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少的主要原因[19]。

已有研究證明氣候尤其是氣溫的變化是影響青藏高原濕地土地覆被的主要自然因素[20-22]。在全球性氣溫升高、降水量重新分配、冰川消融的背景下,如何減緩濕地面積萎縮,充分發(fā)揮濕地生態(tài)調(diào)節(jié)功能,有效制定濕地保護、規(guī)劃管理方案迫切重要。基于以上研究,針對麥地卡濕地保護區(qū)土地利用格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值現(xiàn)狀,以緩解濕地萎縮、提高濕地生態(tài)服務(wù)功能為目的,提出以下幾點建議：

(1)加強麥地卡濕地保護區(qū)核心區(qū)域的科學(xué)管理,遷出核心區(qū)和緩沖區(qū)居民,極力減少人類影響。健全麥地卡濕地國家級保護區(qū)管理條例,制定嚴格的保護措施。

(2)加大麥地卡濕地保護區(qū)資金投入,注重科研基礎(chǔ)理論研究,厘清麥地卡濕地退化的驅(qū)動機制和退化過程,為有效保護、管理高寒濕地奠定理論基礎(chǔ)。

(3) 為有效應(yīng)對氣候變化對濕地生態(tài)系統(tǒng)的負面影響,建議對麥地卡濕地保護區(qū)采用生態(tài)恢復(fù)工程措施,如梳理河道、筑壩蓄水、人工促進濕地植被恢復(fù),增加濕地土壤保水性,促進濕地面積恢復(fù)。

(4)土地利用覆蓋類型間的斑塊、廊道或基質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)也會影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[23-24],今后可利用景觀指數(shù)或模型探索麥地卡濕地景觀結(jié)構(gòu)、空間配置關(guān)系與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的內(nèi)在聯(lián)系,為濕地保護、修復(fù)和管理提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本文以麥地卡濕地保護區(qū)為研究對象,利用遙感解譯和修正后的ESV模型分析了其土地利用格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化,得出以下結(jié)論：

(1)麥地卡濕地土地利用空間分布受海拔和地形影響,草地和濕地分布在中部和北部的大部分地區(qū),而未利用地分布在南緣-東南緣高山地區(qū)。6類土地覆被類型面積為天然牧草地>沼澤濕地>裸巖石礫地>湖泊濕地>河流濕地>冰川積雪。1988—2015年間,麥地卡濕地保護區(qū)草地面積增加了5727 hm2,濕地面積減少5825 hm2,并以沼澤濕地面積減少最明顯。

(2)近30年來,麥地卡濕地保護區(qū)氣溫和地溫增加顯著,降水無明顯變化。相關(guān)分析結(jié)果顯示,氣溫、地表溫度的升高對草地面積起著正向作用,對濕地面積起著負向作用,累積降水、相對濕度對二者影響較小。

(3)調(diào)節(jié)服務(wù)是麥地卡濕地保護區(qū)的主要生態(tài)服務(wù)功能,水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性占總生態(tài)服務(wù)功能的70%。濕地對保護區(qū)生態(tài)服務(wù)貢獻最大,沼澤濕地面積的縮小是麥地卡濕地保護區(qū)生態(tài)服務(wù)價值減小的主要原因。