琼北火山熔岩湿地生态安全格局研究

2021-01-16吴庭天陈宗铸雷金睿陈小花李苑菱

生态学报 2020年23期

吴庭天,陈宗铸,雷金睿,陈小花,李苑菱

海南省林业科学研究院(海南省红树林研究院),海口 571100

从自然的角度看,生态安全(ecological security)指的是自然和半自然生态系统的安全,它反映的是整个生态系统的健康水平和完整性,是人类开发和利用自然的临界点[1]。国外学者早在19世纪后期就开始针对生态系统安全问题开展研究[2],Forman在20世纪90年代提出的“斑块-廊道-基底”模式,更是极大的推动和加快了安全格局研究的发展进程[3]。我国的生态安全研究经过了早期的概念探讨和理论研究,已经逐渐发展到以生态风险[4]、生态系统评价[5]以及生态安全格局研究为主流的阶段[6]；俞孔坚学者首次提出了生态安全格局的概念[7],并将其定义为：在某些生态过程中,一些隐性的空间点、位置关系及关键区域组成的空间格局,发挥着维护和控制的关键性作用[8-10]。几十年来不同学者通过不同的方法对区域生态安全格局进行研究,大致可归纳为综合指数法、景观分析法和模型模拟法三大类；其中,周文华[11]、方淑波[12]分别基于综合指数法和景观分析法,对城市区域的生态安全的现状和发展趋势进行研究；杜巧玲等[4]结合综合评价法、层次分析法和GIS等多种手段,分析了黑河中下游绿洲的生态安全。刘道飞等[13]基于最小累积模型,对长吉地区生态安全格局进行了构建。近年,在人类活动以及城市快速扩张的影响下,生态环境遭到了不同程度的破坏和退化,生态安全已成为当下社会的热门话题[14]；因此针对生态脆弱地区以及经济快速发展地区的生态安全格局研究也日渐增多。大量学者分别对河流[15]、湖泊[16]、矿山[17]等生态脆弱区,以及大连[18]、烟台[19]、徐州[20]等经济快速发展地区的生态安全格局构建及其对城市扩张的响应展开研究。

湿地作为水陆相互作用形成的独特生态系统,在生物保护、气候调节、生态防护等方面发挥着重要作用[21],其生态安全状况直接影响着与其相连水、陆生态系统的安全[22]。在人类活动、城市发展、气候变化的共同作用下,湿地退化已成为一种全球现象[23],随着湿地生态系统在生态和人文等领域的功能及价值的日益凸显,加快湿地生态系统的生态安全研究已成为当下发展生态中国必不可少的一部分。

熔岩台地是由火山喷发时大规模的熔岩流覆盖所形成的以玄武岩为主的一种火山地貌[24]；火山熔岩生态系统主要由熔岩台地、熔岩植被以及镶嵌在其中的水体组成。目前国内有关火山熔岩地区的研究大多集中在不良地质区划[25]、植物多样性[26]和地质结构分析[27]等方面,而有关火山熔岩地区生态安全方面的研究,却相对有限。生态安全研究的基础是生态风险评价和管理[11],本研究通过构建斑块稳定性及生态敏感性两个评价体系,在分析研究区域1988—2018年期间稳定性的分布及动态变化的同时结合生态敏感性现状,综合分析研究区域湿地生态安全格局特征,以期为琼北地区熔岩湿地的保护和修复提供参考。

1 研究区域概况

海南岛的火山熔岩区主要分布在北部熔岩台地平原区[28](图1),大约形成于一万年前的火山喷发活动,为新生代玄武岩和火山碎屑岩组成的火山岩台地地貌。火山喷发,大量的火山岩浆冷却形成具有强透水性的蜂窝状孔隙的火山岩,在丰沛降水量的气候环境下,雨水从火山熔岩下渗,在低地以涌泉的形式流出地表,形成了河溪、湖泊、田洋、水库、池塘、森林沼泽、洪泛湿地等诸多类型的火山湿地景观[29]。研究范围(110°0′57.09″—110°25′59.56″ E,19°36′58.67″—20°5′17.08″N)东起南渡江沿岸,西至澄迈县老城镇,北临海口市区,南至海口永发镇,总面积约1190.4km2；属热带季风气候,全年分为干(11月到次年4月)湿(5月到10月)两季,年均温23.8℃,年降水量1639mm[30]；植物群落主要由有刺灌丛、湿地植被以及人工植被组成,并分布有见血封喉、海南梧桐、水菜花、红花天料木等珍稀濒危植物,形成了独特的热带火山熔岩植被群落[28]。

图1 研究区域位置示意图Fig.1 Location of study area

2 研究方法

2.1 数据来源与预处理

本研究使用的所有遥感数据均来自中国科学院计算机网络信息中心(地理空间数据云http://www.gscloud.cn/),主要包括研究区域DEM数据、NDVI(植被覆盖指数)数据和1988年、2018年2个不同时期相近时相的Landsat遥感影像数据；空间分辨率分别为：DEM数字高程数据30m,NDVI数据500m,Landsat遥感数据30m。用ENVI5.3对遥感影像进行大气校正和几何校正,将误差控制在0.5个像元内；选择能良好表现土地利用信息的波段组合运用监督分类进行地物提取；坡向和高程数据由DEM通过GIS处理生成；NDVI数据通过对2018全年的NDVI产品求年平均得出。

2.2 研究方法

2.2.1稳定性评价体系

本文以琼北火山熔岩湿地作为研究对象,参考相关文献[31-32],结合研究区现状,选取6个影响湿地斑块稳定性的相关指标作为评价因子,分别为湿地斑块面积(S1)、斑块形状指数(S2)[33]、湿地率(每个湿地斑块5km缓冲区内湿地面积比重)(S3)、与居民点距离(每个湿地斑块中心点到最近居民点的距离)(P1)、与最近道路距离(每个湿地斑块中心点到最近道路的距离)(P2)、农田率(每个湿地斑块5km缓冲区内农田面积比重)(P3)。根据熔岩湿地的空间分布、结构和功能等影响,通过采用专家打分的方法(多位专家打分后的平均值)确定S1、S2、S3、P1、P2、P3对研究区沼泽湿地稳定性的权重分别为0.3、0.4、0.3、0.4、0.2和0.4。斑块稳定性(PS)计算方法如下[34]：

为了能够将各类型的数据在一个平面上进行定量分析,通过极大值标准化将数值范围定在[0,1]之间,通过公式计算每一个斑块的稳定性值,在Arcgis上进行克里金插值,得到研究区域1988和2018两个年度的稳定性分布结果(图3),其数值越大,稳定性等级越高,斑块稳定性越强,反之,同理。同时通过对两期稳定性结果进行栅格叠加运算,得到1988年和2018年两个时间节点的稳定性空间变化结果(图4),若稳定性值为负值,则稳定性降低；稳定性值为正值,则说明稳定性升高。最后以湿地斑块分布结果和稳定性分布结果为基础,制作出1988—2018年熔岩湿地斑块面积及其稳定性标准化椭圆空间变化图(图5)。

2.2.2生态敏感性评价体系

生态敏感性分析通过便捷快速的方法来反映生态环境发生问题的可能性[35],同时也体现了生态系统对人与环境交互作用的应激表现[36]。在充分考虑琼北火山岩地区的自然、社会和生态因素前提下,分别选取土地利用、高程、坡向、湿地、NDVI和生态保护区等6个生态环境因子作为研究区域生态敏感性分析的主要指标。通过单因子分析与多因子综合评价相结合的方法对研究区域进行敏感区域划分和特征分析[37]。同时将每个生态敏感性因子按影响程度划分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感、极度敏感,并分别赋值为1、3、5、7、9(表1)。

表1 评价生态因子分级Table 1 The grades of ecosystem sensitivity factors

在确定各评价单因子及等级赋值后,运用yaahp软件通过层次分析法确定各评价因子权重(表2)；运用Arcgis软件Spatial Analyst模块中的加权叠加工具对各单因子进行加权叠加分析得出综合敏感性评价结果[38]。其计算公式为：

表2 生态敏感性分布统计表Table 2 The grade areas of comprehensive ecosystem sensitivity and each ecosystem sensitivity factors

上述公式中：P代表综合评价值、Wi代表权重值、Ai代表等级赋值、i代表因子个数。

3 结果与分析

3.1 湿地斑块稳定性的空间分布

由图2可知,1988和2018年间研究区域中熔岩湿地主要呈中间少四周多的趋势分布,以石山镇、永兴镇、龙桥镇、龙塘镇以及遵谭镇为中心的区域熔岩湿地分布较少,沿着时间轴斑块面积从大面积集中分布向破碎化零星分布发展；从图3可以看出,1988年熔岩湿地斑块稳定性以府城镇、城西镇、龙泉镇等湿地大面积集中分布区域的稳定性最高,研究区域西南部,居民用地较多、人为干扰强度大,斑块稳定性最弱；2018年湿地斑块稳定性同样以府城镇、城西镇、龙泉镇等熔岩湿地主要分布区域的稳定性最高,西南部农业用地区域及北部沿海开发地区斑块稳定性最弱。

图2 1988—2018熔岩湿地斑块空间分布图Fig.2 1988—2018 wetland patch of the spatial distribution

图3 1988—2018年熔岩湿地斑块稳定性指数空间分布图Fig.3 1988—2018the wetlands patch stability of the spatial distribution

3.2 湿地斑块稳定性的动态变化

分析结果显示,从整体上看1988—2018年研究区熔岩湿地斑块稳定性大多呈增长趋势,少部分呈下降趋势(图4)。1988—2018年间,研究区西北部的老城镇以及东北部的城西镇、府城镇、龙桥镇等地区附近的湿地斑块稳定性降低,稳定性变化幅度较大；另外位于西南部的永发镇及东部的龙塘和龙泉两镇的原湿地集中分布区域呈现稳定性下降现象。而研究区中部的永兴镇、龙泉镇、遵谭镇,西部的永发镇以及西北部的西秀镇附近的熔岩湿地斑块稳定性表现出增强态势。

图4 1988—2018年熔岩湿地斑块稳定性空间变化图Fig.4 1988—2018 the wetlands patch stability of the spatial change

3.3 湿地斑块稳定性标准化椭圆空间变化

由图5可知,1988—2018年熔岩湿地斑块面积重心呈现由北向南转移的空间分布格局,重心转移距离为7.26km,其中研究区域南端零散湿地分布增多，东北部城市发展建设区，人为干扰较大，熔岩湿地退化明显。1988-2018年湿地斑块面积标准差椭圆呈短轴缩短长轴扩张趋势，斑块面积在东西和南北方向分别出现收缩和扩张状态。1988—2018年熔岩湿地斑块面积标准差椭圆的短轴呈缩短趋势,长轴呈扩张趋势,说明熔岩湿地斑块面积在东西方向上呈现收缩状态,在南北方向上呈扩张状态。随着海口市西海岸及澄迈县老城经济开发区的发展建设,研究范围1988—2018年熔岩湿地斑块稳定性重心总体呈现由西北向东南转移的空间分布格局,重心转移距离为9.28km,熔岩湿地斑块稳定性标准差椭圆的短轴呈缩小趋势,长轴呈扩张趋势,这表明研究区熔岩湿地稳定性在东西方向上逐渐向中心收缩,在南北方向上逐渐向南扩张状态。

图5 1988—2018年熔岩湿地斑块面积及其稳定性标准化椭圆空间变化图Fig.5 1988—2018 the marshes patch ′s area and stability of the standard deviational ellipse spatial change

可以看到，1988—2018年斑块面积重心与斑块稳定性重心总体均呈向南转移势态，二者标准差椭圆同样呈东西方向收缩，南北方向扩张趋势。这与位于研究区域西北部的海口市西海岸、澄迈县老城经济开发区以及海口市区的发展建设，造成湿地面积极速减少，以及南部永发镇零散湿地的增多有极大的关联。

3.4 生态敏感性现状

通过单因子(图6)和综合生态敏感性(图7)分析结果可以看出,研究区域极度敏感和高度敏感区域主要分布于各湿地主要分布区、南渡江沿岸、羊山火山口地区以及重要水库周边,总面积分别为67.55km2和151.84km2,占总比值的5.7%和12.82%；不敏感区域面积260.08km2,占总比的21.95%,主要分布于研究区域北部的海口市区及开发利用较多的沿线靠海乡镇；其余中度敏感和轻度敏感分别占总面积的31.29%和28.24%,主要分布在研究区域南部乡镇。

图6 生态敏感性空间分布图Fig.6 Spatial distribution of ecosystem sensitivity

图7 综合生态敏感性空间分布图Fig.7 Comprehensive evaluation map of ecological sensitivity

4 讨论

火山熔岩湿地作为湿地系统中重要组成部分,广泛分布于海南岛北部火山岩地区。其独特环境在生态修复和生物多样性保护等方面有着不可忽视的作用。本研究结合稳定性及敏感性两种评估方法,从生态学角度分析海南岛北部火山熔岩地区湿地生态安全格局。

研究结果显示,1988和2018年两个时间节点的湿地斑块稳定性均以府城镇、城西镇、龙泉镇等熔岩湿地主要分布区域的稳定性最高,这与分布其中的五源河国家湿地公园、响水河国家湿地公园、美舍河湿地公园和谭丰洋湿地公园等湿地公园有极大关系；湿地公园的建立在水资源、生物多样性等方面极大的保护了湿地生态系统结构的完整性[39-40],故稳定性相对较高；而西南部农业用地区域及北部沿海地区人为活动密集,斑块稳定性最弱。

从稳定性的动态变化看,1988—2018年期间研究区域熔岩湿地稳定性整体呈增长趋势,部分地区呈下降趋势。本研究中研究区域西北部及东北部湿地斑块稳定性降低,稳定性变化幅度较大；这与近10年海口市城区扩建、西海岸商区建设,及澄迈县老城经济开发区的建设发展有着密不可分的关联,人类活动的建设用地面积对湿地面积变化影响显著[41],城镇建设发展导致湿地面积缩减退化严重。研究区域西南部及东部的原湿地集中分布区域因为湿地斑块的减小及破碎化,呈现稳定性下降现象,而中部的湿地斑块稳定性则表现出增强态势。景观斑块面积越小、破碎化程度越高,对改变物种间的生态过程和协同共生稳定性的作用越大[42]。另外,标准差椭圆分析结果也显示,随着北部城镇建设加上南部坑塘等零散类型湿地的增多,熔岩湿地的面积重心和稳定性重心呈均向南转移趋势,同时湿地斑块面积的缩小及破碎化发展,使得标准差椭圆在东西方向上呈收缩趋势。

生态敏感性是指生态系统对人类活动反应的敏感程度,用来衡量生态系统对外界自然或人为干扰所能承受的最大限度以及受其干扰后的恢复能力[43]。从生态敏感性分析结果可以看出,研究区域极度敏感和高度敏感区域主要分布在湿地密集分布区域；不敏感区域则主要分布在研究区域北部的海口市区及开发利用较多的沿线靠海乡镇；其余中度敏感和轻度敏感主要分布在研究区域中部和南部乡镇。生态敏感性高低与土地利用强弱存在着显著负相关关系,人类活动越频繁、开发越强的区域生态敏感度往往越低[44]。研究结果在生态脆弱性方面符合发展实际。

湿地生态系统具有自身的生态承载力,当环境压迫力超过其承载力时,会在功能、结构以及空间格局上出现紊乱,降低自身发展的可持续性,湿地环境的好坏直接影响区域生态系统的稳定[22,45]。这也在本研究的结果中得到论证,从分析结果可以看出,稳定性与敏感性结果呈正相关关系,湿地斑块稳定性低的沿海及城镇地区,在生态上多表现为不敏感和低敏感,而湿地斑块稳定性高的区域通常会表现出高敏感性。湿地系统稳定性高的地区,感敏性相对也较高,说明虽然此类地区湿地生态系统相比较更完善健全,但从另一方面来说其生态系统结构也更为脆弱,抗干扰能力也相对较弱,更容易遭到破坏,因而在城镇发展等人为活动中需要慎重对待高敏感区域。

本研究仅依据历史记载及结合已知的现实情况,从镇级行政界线的尺度对海南岛北部熔岩湿地的分布范围进行大概圈定,其尺度较大,未能精确其分布范围,故熔岩湿地准确的分布范围有待更充实的实地调查数据论证。另外,本研究仅从景观斑块的角度结合稳定性和敏感性结果对研究区域的生态安全格局进行分析评估,分析结果必定存在偏差,其结果仅代表生态系统抵抗外界干扰能力的强弱,不能直接判定区域生态环境的好坏。对于熔岩湿地生态价值的评估还需要结合生物资源、水、土壤等方面进行深入研究,利用新技术以及采集更多生态因子,更全面的分析生态安全格局现状。