瓊北火山熔巖濕地生態安全格局研究

吳庭天,陳宗鑄,雷金睿,陳小花,李苑菱

海南省林業科學研究院(海南省紅樹林研究院),海口 571100

從自然的角度看,生態安全(ecological security)指的是自然和半自然生態系統的安全,它反映的是整個生態系統的健康水平和完整性,是人類開發和利用自然的臨界點[1]。國外學者早在19世紀后期就開始針對生態系統安全問題開展研究[2],Forman在20世紀90年代提出的“斑塊-廊道-基底”模式,更是極大的推動和加快了安全格局研究的發展進程[3]。我國的生態安全研究經過了早期的概念探討和理論研究,已經逐漸發展到以生態風險[4]、生態系統評價[5]以及生態安全格局研究為主流的階段[6]；俞孔堅學者首次提出了生態安全格局的概念[7],并將其定義為：在某些生態過程中,一些隱性的空間點、位置關系及關鍵區域組成的空間格局,發揮著維護和控制的關鍵性作用[8-10]。幾十年來不同學者通過不同的方法對區域生態安全格局進行研究,大致可歸納為綜合指數法、景觀分析法和模型模擬法三大類；其中,周文華[11]、方淑波[12]分別基于綜合指數法和景觀分析法,對城市區域的生態安全的現狀和發展趨勢進行研究；杜巧玲等[4]結合綜合評價法、層次分析法和GIS等多種手段,分析了黑河中下游綠洲的生態安全。劉道飛等[13]基于最小累積模型,對長吉地區生態安全格局進行了構建。近年,在人類活動以及城市快速擴張的影響下,生態環境遭到了不同程度的破壞和退化,生態安全已成為當下社會的熱門話題[14]；因此針對生態脆弱地區以及經濟快速發展地區的生態安全格局研究也日漸增多。大量學者分別對河流[15]、湖泊[16]、礦山[17]等生態脆弱區,以及大連[18]、煙臺[19]、徐州[20]等經濟快速發展地區的生態安全格局構建及其對城市擴張的響應展開研究。

濕地作為水陸相互作用形成的獨特生態系統,在生物保護、氣候調節、生態防護等方面發揮著重要作用[21],其生態安全狀況直接影響著與其相連水、陸生態系統的安全[22]。在人類活動、城市發展、氣候變化的共同作用下,濕地退化已成為一種全球現象[23],隨著濕地生態系統在生態和人文等領域的功能及價值的日益凸顯,加快濕地生態系統的生態安全研究已成為當下發展生態中國必不可少的一部分。

熔巖臺地是由火山噴發時大規模的熔巖流覆蓋所形成的以玄武巖為主的一種火山地貌[24]；火山熔巖生態系統主要由熔巖臺地、熔巖植被以及鑲嵌在其中的水體組成。目前國內有關火山熔巖地區的研究大多集中在不良地質區劃[25]、植物多樣性[26]和地質結構分析[27]等方面,而有關火山熔巖地區生態安全方面的研究,卻相對有限。生態安全研究的基礎是生態風險評價和管理[11],本研究通過構建斑塊穩定性及生態敏感性兩個評價體系,在分析研究區域1988—2018年期間穩定性的分布及動態變化的同時結合生態敏感性現狀,綜合分析研究區域濕地生態安全格局特征,以期為瓊北地區熔巖濕地的保護和修復提供參考。

1 研究區域概況

海南島的火山熔巖區主要分布在北部熔巖臺地平原區[28](圖1),大約形成于一萬年前的火山噴發活動,為新生代玄武巖和火山碎屑巖組成的火山巖臺地地貌。火山噴發,大量的火山巖漿冷卻形成具有強透水性的蜂窩狀孔隙的火山巖,在豐沛降水量的氣候環境下,雨水從火山熔巖下滲,在低地以涌泉的形式流出地表,形成了河溪、湖泊、田洋、水庫、池塘、森林沼澤、洪泛濕地等諸多類型的火山濕地景觀[29]。研究范圍(110°0′57.09″—110°25′59.56″ E,19°36′58.67″—20°5′17.08″N)東起南渡江沿岸,西至澄邁縣老城鎮,北臨海口市區,南至海口永發鎮,總面積約1190.4km2；屬熱帶季風氣候,全年分為干(11月到次年4月)濕(5月到10月)兩季,年均溫23.8℃,年降水量1639mm[30]；植物群落主要由有刺灌叢、濕地植被以及人工植被組成,并分布有見血封喉、海南梧桐、水菜花、紅花天料木等珍稀瀕危植物,形成了獨特的熱帶火山熔巖植被群落[28]。

圖1 研究區域位置示意圖Fig.1 Location of study area

2 研究方法

2.1 數據來源與預處理

本研究使用的所有遙感數據均來自中國科學院計算機網絡信息中心(地理空間數據云http://www.gscloud.cn/),主要包括研究區域DEM數據、NDVI(植被覆蓋指數)數據和1988年、2018年2個不同時期相近時相的Landsat遙感影像數據；空間分辨率分別為：DEM數字高程數據30m,NDVI數據500m,Landsat遙感數據30m。用ENVI5.3對遙感影像進行大氣校正和幾何校正,將誤差控制在0.5個像元內；選擇能良好表現土地利用信息的波段組合運用監督分類進行地物提取；坡向和高程數據由DEM通過GIS處理生成；NDVI數據通過對2018全年的NDVI產品求年平均得出。

2.2 研究方法

2.2.1穩定性評價體系

本文以瓊北火山熔巖濕地作為研究對象,參考相關文獻[31-32],結合研究區現狀,選取6個影響濕地斑塊穩定性的相關指標作為評價因子,分別為濕地斑塊面積(S1)、斑塊形狀指數(S2)[33]、濕地率(每個濕地斑塊5km緩沖區內濕地面積比重)(S3)、與居民點距離(每個濕地斑塊中心點到最近居民點的距離)(P1)、與最近道路距離(每個濕地斑塊中心點到最近道路的距離)(P2)、農田率(每個濕地斑塊5km緩沖區內農田面積比重)(P3)。根據熔巖濕地的空間分布、結構和功能等影響,通過采用專家打分的方法(多位專家打分后的平均值)確定S1、S2、S3、P1、P2、P3對研究區沼澤濕地穩定性的權重分別為0.3、0.4、0.3、0.4、0.2和0.4。斑塊穩定性(PS)計算方法如下[34]：

為了能夠將各類型的數據在一個平面上進行定量分析,通過極大值標準化將數值范圍定在[0,1]之間,通過公式計算每一個斑塊的穩定性值,在Arcgis上進行克里金插值,得到研究區域1988和2018兩個年度的穩定性分布結果(圖3),其數值越大,穩定性等級越高,斑塊穩定性越強,反之,同理。同時通過對兩期穩定性結果進行柵格疊加運算,得到1988年和2018年兩個時間節點的穩定性空間變化結果(圖4),若穩定性值為負值,則穩定性降低；穩定性值為正值,則說明穩定性升高。最后以濕地斑塊分布結果和穩定性分布結果為基礎,制作出1988—2018年熔巖濕地斑塊面積及其穩定性標準化橢圓空間變化圖(圖5)。

2.2.2生態敏感性評價體系

生態敏感性分析通過便捷快速的方法來反映生態環境發生問題的可能性[35],同時也體現了生態系統對人與環境交互作用的應激表現[36]。在充分考慮瓊北火山巖地區的自然、社會和生態因素前提下,分別選取土地利用、高程、坡向、濕地、NDVI和生態保護區等6個生態環境因子作為研究區域生態敏感性分析的主要指標。通過單因子分析與多因子綜合評價相結合的方法對研究區域進行敏感區域劃分和特征分析[37]。同時將每個生態敏感性因子按影響程度劃分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極度敏感,并分別賦值為1、3、5、7、9(表1)。

表1 評價生態因子分級Table 1 The grades of ecosystem sensitivity factors

在確定各評價單因子及等級賦值后,運用yaahp軟件通過層次分析法確定各評價因子權重(表2)；運用Arcgis軟件Spatial Analyst模塊中的加權疊加工具對各單因子進行加權疊加分析得出綜合敏感性評價結果[38]。其計算公式為：

表2 生態敏感性分布統計表Table 2 The grade areas of comprehensive ecosystem sensitivity and each ecosystem sensitivity factors

上述公式中：P代表綜合評價值、Wi代表權重值、Ai代表等級賦值、i代表因子個數。

3 結果與分析

3.1 濕地斑塊穩定性的空間分布

由圖2可知,1988和2018年間研究區域中熔巖濕地主要呈中間少四周多的趨勢分布,以石山鎮、永興鎮、龍橋鎮、龍塘鎮以及遵譚鎮為中心的區域熔巖濕地分布較少,沿著時間軸斑塊面積從大面積集中分布向破碎化零星分布發展；從圖3可以看出,1988年熔巖濕地斑塊穩定性以府城鎮、城西鎮、龍泉鎮等濕地大面積集中分布區域的穩定性最高,研究區域西南部,居民用地較多、人為干擾強度大,斑塊穩定性最弱；2018年濕地斑塊穩定性同樣以府城鎮、城西鎮、龍泉鎮等熔巖濕地主要分布區域的穩定性最高,西南部農業用地區域及北部沿海開發地區斑塊穩定性最弱。

圖2 1988—2018熔巖濕地斑塊空間分布圖Fig.2 1988—2018 wetland patch of the spatial distribution

圖3 1988—2018年熔巖濕地斑塊穩定性指數空間分布圖Fig.3 1988—2018the wetlands patch stability of the spatial distribution

3.2 濕地斑塊穩定性的動態變化

分析結果顯示,從整體上看1988—2018年研究區熔巖濕地斑塊穩定性大多呈增長趨勢,少部分呈下降趨勢(圖4)。1988—2018年間,研究區西北部的老城鎮以及東北部的城西鎮、府城鎮、龍橋鎮等地區附近的濕地斑塊穩定性降低,穩定性變化幅度較大；另外位于西南部的永發鎮及東部的龍塘和龍泉兩鎮的原濕地集中分布區域呈現穩定性下降現象。而研究區中部的永興鎮、龍泉鎮、遵譚鎮,西部的永發鎮以及西北部的西秀鎮附近的熔巖濕地斑塊穩定性表現出增強態勢。

圖4 1988—2018年熔巖濕地斑塊穩定性空間變化圖Fig.4 1988—2018 the wetlands patch stability of the spatial change

3.3 濕地斑塊穩定性標準化橢圓空間變化

由圖5可知,1988—2018年熔巖濕地斑塊面積重心呈現由北向南轉移的空間分布格局,重心轉移距離為7.26km,其中研究區域南端零散濕地分布增多，東北部城市發展建設區，人為干擾較大，熔巖濕地退化明顯。1988-2018年濕地斑塊面積標準差橢圓呈短軸縮短長軸擴張趨勢，斑塊面積在東西和南北方向分別出現收縮和擴張狀態。1988—2018年熔巖濕地斑塊面積標準差橢圓的短軸呈縮短趨勢,長軸呈擴張趨勢,說明熔巖濕地斑塊面積在東西方向上呈現收縮狀態,在南北方向上呈擴張狀態。隨著海口市西海岸及澄邁縣老城經濟開發區的發展建設,研究范圍1988—2018年熔巖濕地斑塊穩定性重心總體呈現由西北向東南轉移的空間分布格局,重心轉移距離為9.28km,熔巖濕地斑塊穩定性標準差橢圓的短軸呈縮小趨勢,長軸呈擴張趨勢,這表明研究區熔巖濕地穩定性在東西方向上逐漸向中心收縮,在南北方向上逐漸向南擴張狀態。

圖5 1988—2018年熔巖濕地斑塊面積及其穩定性標準化橢圓空間變化圖Fig.5 1988—2018 the marshes patch ′s area and stability of the standard deviational ellipse spatial change

可以看到，1988—2018年斑塊面積重心與斑塊穩定性重心總體均呈向南轉移勢態，二者標準差橢圓同樣呈東西方向收縮，南北方向擴張趨勢。這與位于研究區域西北部的海口市西海岸、澄邁縣老城經濟開發區以及海口市區的發展建設，造成濕地面積極速減少，以及南部永發鎮零散濕地的增多有極大的關聯。

3.4 生態敏感性現狀

通過單因子(圖6)和綜合生態敏感性(圖7)分析結果可以看出,研究區域極度敏感和高度敏感區域主要分布于各濕地主要分布區、南渡江沿岸、羊山火山口地區以及重要水庫周邊,總面積分別為67.55km2和151.84km2,占總比值的5.7%和12.82%；不敏感區域面積260.08km2,占總比的21.95%,主要分布于研究區域北部的海口市區及開發利用較多的沿線靠海鄉鎮；其余中度敏感和輕度敏感分別占總面積的31.29%和28.24%,主要分布在研究區域南部鄉鎮。

圖6 生態敏感性空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of ecosystem sensitivity

圖7 綜合生態敏感性空間分布圖Fig.7 Comprehensive evaluation map of ecological sensitivity

4 討論

火山熔巖濕地作為濕地系統中重要組成部分,廣泛分布于海南島北部火山巖地區。其獨特環境在生態修復和生物多樣性保護等方面有著不可忽視的作用。本研究結合穩定性及敏感性兩種評估方法,從生態學角度分析海南島北部火山熔巖地區濕地生態安全格局。

研究結果顯示,1988和2018年兩個時間節點的濕地斑塊穩定性均以府城鎮、城西鎮、龍泉鎮等熔巖濕地主要分布區域的穩定性最高,這與分布其中的五源河國家濕地公園、響水河國家濕地公園、美舍河濕地公園和譚豐洋濕地公園等濕地公園有極大關系；濕地公園的建立在水資源、生物多樣性等方面極大的保護了濕地生態系統結構的完整性[39-40],故穩定性相對較高；而西南部農業用地區域及北部沿海地區人為活動密集,斑塊穩定性最弱。

從穩定性的動態變化看,1988—2018年期間研究區域熔巖濕地穩定性整體呈增長趨勢,部分地區呈下降趨勢。本研究中研究區域西北部及東北部濕地斑塊穩定性降低,穩定性變化幅度較大；這與近10年海口市城區擴建、西海岸商區建設,及澄邁縣老城經濟開發區的建設發展有著密不可分的關聯,人類活動的建設用地面積對濕地面積變化影響顯著[41],城鎮建設發展導致濕地面積縮減退化嚴重。研究區域西南部及東部的原濕地集中分布區域因為濕地斑塊的減小及破碎化,呈現穩定性下降現象,而中部的濕地斑塊穩定性則表現出增強態勢。景觀斑塊面積越小、破碎化程度越高,對改變物種間的生態過程和協同共生穩定性的作用越大[42]。另外,標準差橢圓分析結果也顯示,隨著北部城鎮建設加上南部坑塘等零散類型濕地的增多,熔巖濕地的面積重心和穩定性重心呈均向南轉移趨勢,同時濕地斑塊面積的縮小及破碎化發展,使得標準差橢圓在東西方向上呈收縮趨勢。

生態敏感性是指生態系統對人類活動反應的敏感程度,用來衡量生態系統對外界自然或人為干擾所能承受的最大限度以及受其干擾后的恢復能力[43]。從生態敏感性分析結果可以看出,研究區域極度敏感和高度敏感區域主要分布在濕地密集分布區域；不敏感區域則主要分布在研究區域北部的海口市區及開發利用較多的沿線靠海鄉鎮；其余中度敏感和輕度敏感主要分布在研究區域中部和南部鄉鎮。生態敏感性高低與土地利用強弱存在著顯著負相關關系,人類活動越頻繁、開發越強的區域生態敏感度往往越低[44]。研究結果在生態脆弱性方面符合發展實際。

濕地生態系統具有自身的生態承載力,當環境壓迫力超過其承載力時,會在功能、結構以及空間格局上出現紊亂,降低自身發展的可持續性,濕地環境的好壞直接影響區域生態系統的穩定[22,45]。這也在本研究的結果中得到論證,從分析結果可以看出,穩定性與敏感性結果呈正相關關系,濕地斑塊穩定性低的沿海及城鎮地區,在生態上多表現為不敏感和低敏感,而濕地斑塊穩定性高的區域通常會表現出高敏感性。濕地系統穩定性高的地區,感敏性相對也較高,說明雖然此類地區濕地生態系統相比較更完善健全,但從另一方面來說其生態系統結構也更為脆弱,抗干擾能力也相對較弱,更容易遭到破壞,因而在城鎮發展等人為活動中需要慎重對待高敏感區域。

本研究僅依據歷史記載及結合已知的現實情況,從鎮級行政界線的尺度對海南島北部熔巖濕地的分布范圍進行大概圈定,其尺度較大,未能精確其分布范圍,故熔巖濕地準確的分布范圍有待更充實的實地調查數據論證。另外,本研究僅從景觀斑塊的角度結合穩定性和敏感性結果對研究區域的生態安全格局進行分析評估,分析結果必定存在偏差,其結果僅代表生態系統抵抗外界干擾能力的強弱,不能直接判定區域生態環境的好壞。對于熔巖濕地生態價值的評估還需要結合生物資源、水、土壤等方面進行深入研究,利用新技術以及采集更多生態因子,更全面的分析生態安全格局現狀。

5 結論

(1)1988和2018年兩個時間節點的濕地斑塊穩定性均以熔巖濕地主要分布區域的穩定性最高,農業用地區域及城鎮開發地區斑塊穩定性最弱。

(2)1988—2018年期間研究區域熔巖濕地穩定性整體呈增長趨勢；面積重心和穩定性重心在向南轉移的同時在東西方向上呈收縮狀態。

(3)研究區域極度敏感和高度敏感區域主要分布在濕地密集分布區域,不敏感區域則主要分布在研究區域北部的海口市區及開發利用較多的沿海鄉鎮。

(4)穩定性與敏感性分析結果呈正相關關系,濕地斑塊穩定性低的沿海及城鎮地區,在生態上多表現為不敏感和低敏感,而濕地斑塊穩定性高的區域通常表現出高敏感性。