漫灣庫區景觀破碎化對區域生境質量的影響

劉世梁, 尹藝潔, 楊玨婕, 安南南, 王 聰, 董世魁

北京師范大學環境學院, 水環境模擬國家重點實驗室, 北京 100875

漫灣庫區景觀破碎化對區域生境質量的影響

劉世梁*, 尹藝潔, 楊玨婕, 安南南, 王 聰, 董世魁

北京師范大學環境學院, 水環境模擬國家重點實驗室, 北京 100875

水利工程的建設不僅改變了庫區的景觀格局,還會導致區域生物生境質量的變化。以瀾滄江漫灣庫區為例,在綜合海拔高度、植被類型和水源地距離生境因子的基礎上,考慮生物擴散過程,研究了建壩前后整個庫區以及典型研究小區(庫首、庫中、庫尾、對照)的重要生境斑塊空間分布變化。結果表明：漫灣水電站建成后,庫區的獼猴總體生境破碎化程度增加,景觀連接度減少且重要生境斑塊的比例也有所降低,生境質量整體下降；4個研究小區的景觀格局變化情況同整個庫區相一致?？臻g上,生境質量明顯退化的地區主要分布在庫區的西部和南部,尤其是庫尾地區,其生境斑塊數量相較于建壩前增長了9倍,而景觀連接度指數下降了81.48%?；貧w分析結果表明景觀連接度指數與占景觀面積百分比指數(PLAND)呈顯著正相關(R2=0.973),與斑塊數(NP)呈顯著負相關(R2=-0.611)；肯德爾系數表明斑塊數(NP)、最大斑塊指數(LPI)、占景觀百分比指數(PLAND)、相似鄰近百分比指數(PLADJ)、連通度指數(CONNECT)和香農多樣性指數(SHDI)7個景觀格局指數與景觀連接度指數均表現出顯著一致性。由此看出,庫區景觀破碎化越嚴重、區域景觀連接度越低，生境質量退化越明顯；而提高生境主要植被類型的覆蓋率、保護連接度貢獻大的重要斑塊和建設生態廊道,可以有效恢復庫區生物生境質量。

漫灣；景觀格局；景觀連接度；破碎化

我國水利工程發展迅速,在帶來社會經濟效益的同時也對生態環境產生了巨大的影響[1-3],所產生的生態效應具有復雜性、潛在性、空間性、累積性和規模大的特點[4-5],不僅會改變河道內水文、水質、泥沙、水生生物等生態組分結構[6-7],還會導致陸域景觀格局的改變[4],進而引發棲息地退化和生物多樣性喪失等問題[3]。目前,大尺度上水利工程的生態效應研究主要集中于水電開發對河流生態系統服務功能[8]、水生生物多樣性及庫區景觀格局的影響等方面[4,9],而對庫區景觀功能和生境質量等的研究還比較少。

對庫區的生物生境而言,現階段更多地是利用景觀指數來分析其破碎化格局,對于這些生物過程仍重視不足,目前景觀連接度相關方法在刻畫生物擴散過程方面應用廣泛,景觀連接度是促進或阻礙生物體或某種生態過程在源斑塊間運動的程度[10-11],其變化會影響種子遷移擴散、動物遷移、基因流動、干擾滲透等生態過程[12]。Pascual-Hortal和Saura[13]提出的連接度概率指數(Probability of Connectivity, PC)考慮了生物在景觀中的擴散行為,能夠較好的反映景觀破碎化、識別對生物多樣性保護敏感的重要斑塊,而且能夠從功能的角度綜合評價景觀中各要素對生物擴散過程的影響[14]。所以,作為景觀生態功能研究的重要組成部分,景觀連接度能夠較為明確地揭示區域景觀生態現狀,并綜合反映物種棲息地的結構和功能[15],可用于生境質量評價之中,并能識別對于生物擴散具有重要貢獻的斑塊。目前,已有許多學者利用景觀連接度相關指數來評價城鎮擴張、道路建設等人類干擾下的生境質量退化及生物多樣性改變等現象[16-17]，但是將景觀連接度方法應用于綜合評價水電站建壩前后庫區生境質量變化及建壩后的生態效應研究還鮮有報道。

瀾滄江作為國際河流,其梯級水電站開發的生態效應引起了廣泛關注,尤其是水電站建設運行對當地物種生境質量的影響。獼猴(Macacamulatta)廣泛分布于云南省南部與西南部地區,本研究選取該保護物種作為研究對象,以漫灣庫區為研究區域,基于1974年、1991年及2006年3期遙感影像,運用景觀格局和景觀連接度指數對漫灣水電站建設前后庫區的生境質量變化及其空間分布進行定量評價,并識別漫灣庫區生物棲息地保護的重要斑塊。在此基礎上進一步探討景觀格局變化與生境質量的關系,為水利工程建設的生態影響評價與生物多樣性保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為云南省瀾滄江漫灣水電站庫區,本研究所指庫區包括電站水庫所涉及的瀾滄江河段兩岸分水嶺以內的區域,上游至小灣電站附近,下游至壩址所在山脊線。瀾滄江全長約4500 km,在中國境內長2153 km,總落差約5060 m[4]。漫灣電站是瀾滄江水能梯級開發的第一個干流大型水電站,始建于1986年,并于1995年完成一期工程。該水電站壩長418 m、高132 m,正常蓄水位994 m,總庫容10. 6×108m3,水庫面積23.6 km2,干流回水約70 km,總裝機容量為150×104kW[4]。漫灣庫區處于滇西北橫斷山系南部帚狀山脈峽谷中山區,兩岸為高山峽谷地貌,峰高谷深,是典型的河道型水庫[18]。庫區所處區域氣候為獨特的河谷南亞熱帶半濕潤氣候,年平均氣溫為18—20 ℃,年降水量為1000—1150 mm[2]。漫灣庫區動植物資源豐富,植被類型包括河岸半落葉闊葉混交林、山地針葉林、陡坡高草稀樹林、山地常綠闊葉林、河灘灌叢和荒地灌草林[2]。研究區擁有全國26%的哺乳動物種類,其中國家級保護獸類有25種[19]。根據庫區受干擾程度和具體地理位置的差異,分別在庫首、庫中、庫尾以及無量山自然保護區(對照組)內各選擇一個10 km×10 km大小的區域作為研究小區(圖1)。

圖1 漫灣庫區地理位置圖Fig.1 Location of the Manwan basin

1.2 研究數據

漫灣庫區基礎數據為1974年1月4日的LANDSAT MSS影像(#141/43)、1991年2月12日和2006年12月11日的TM影像(均為#131/43),輔助數據為l：50000云南省地形圖。利用ERDAS軟件進行人工目視解譯,并結合實地調研驗證獲取以上3個時期的庫區景觀圖,其影像的分類精度達91%。根據研究所需,將庫區用地類型劃分為水域、林地、灌叢、草地、農田和建設用地共6種。以漫灣水電站建設動工時間為節點,視1974年的分析結果作為背景數據,而1991年及2006年的分析結果則為受大壩建設影響的數據。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局分析

選取適宜的景觀格局變化指數來定量地表征研究區景觀破碎化程度。利用Fragstats 4.2軟件在景觀類型水平上選取了斑塊數(NP)、最大斑塊指數(LPI)、總邊緣長度(TE)、占景觀百分比(PLAND)、相似鄰近百分比(PLADJ)以及連通度指數(CONNECT)、香農多樣性指數(SHDI)來定量地表述研究區的景觀格局[20-21]。

1.3.2 適宜生境斑塊的選擇

適宜生境斑塊的選擇是景觀連接度分析的基礎,在進行生境適宜性分析時,不僅要考慮景觀要素和地形要素對物種的適宜性,還要考慮生境斑塊面積以及斑塊之間的可達性[22],即能夠支持該物種的擴散、遷徙等生態過程[23-24]。獼猴主要棲息在海拔1900 m以上的石山峭壁、溪旁溝谷和江河岸邊的密林中或疏林巖山上[25],參考已有的獼猴活動范圍研究[26]以及其他相關的研究成果[14,27],將針葉林、闊葉林、針闊混交林及其他林地作為獼猴的生境斑塊,而不細究具體的樹木種類；并且保證斑塊面積能夠容納足夠的物種數量。本研究選取植被覆蓋度大于30%,面積大于25 hm2的林地作為有待進一步篩選的備選生境斑塊。

同時,除了生境斑塊類型和地形要素,距水源地的距離也是影響猴群分布的重要因子。因此,本研究綜合考慮海拔高度、植被類型和距水源地的距離3種不同的生境因子。根據專家意見,將庫區的土地利用類型圖和1∶50000的地形圖進行疊加,提取備選生境斑塊,并在基礎上根據對不同生境因子的要求進行相對適宜性賦值,最終得出適宜生境斑塊(表1)。

1.3.3 景觀連接度分析

利用PC指數分析景觀連接度。在景觀尺度上,該指數反映景觀的整體的連通性,PC指數越大,表示生境斑塊之間連通的可能性越大[14]；在斑塊尺度上,以移除斑塊情景下的PC指數變化得到斑塊相對重要性指數(dPC),可以衡量不同生境斑塊的重要性。PC指數及dPC指數的計算均在軟件Conefor Sensinode 2.6中進行。由于生境斑塊之間是否連通與所設定的鄰域范圍有關,因此在計算中需要做不同鄰域范圍的情景分析,根據物種的實際擴散距離設置不同的鄰域范圍[28]。獼猴等中小型哺乳動物的平均擴散距離為50—1000 m[23,29-30],因此,本研究設置100,300,500,700 m和1000 m這5個鄰域范圍進行情景分析。根據計算得到的每個生境斑塊重要性,結合ArcGIS 10軟件,可視化庫區景觀的連接度分布情況,對比建壩前后庫區生境質量的變化。

表1 不同生境因子影響下的斑塊適宜性賦值

將計算得到的4個研究小區的所選景觀格局指數與PC指數分別進行線性回歸分析和Kendall′s Tau-b(τb)系數分析,并進行顯著性檢驗。τb的取值范圍在0到1,其值越大,說明相應的景觀格局指數與PC指數一致性越高。

2 結果與分析

2.1 研究區景觀格局變化

通過對海拔高度、植被類型和距水源地的距離3個圖層進行疊加分析及生境因子賦值,獲取了漫灣庫區的適宜生境斑塊分布,并在此基礎上得出整個漫灣庫區的各景觀格局指數值(表2)。漫灣水電站建設前(1974年),研究區斑塊數量較少,單位斑塊面積較大,連通度均處于較高水平,植被格局總體趨于完整,空間異質性低。而在水電站建設運行期(1991年和2006年),庫區的景觀整體向相反方向轉變,斑塊數量及邊緣長度較高,連通度處于較低水平；同時,香農多樣性指數上升趨勢明顯。通過比較1991年和2006年漫灣庫區景觀格局指數值,不難發現電站建設階段對庫區景觀破碎化的影響大于電站建成投入使用階段。原因可能是電站建設期間涉及移民安置、土地利用方式大幅度轉變等問題[31]；而電站建成使用后,庫區植被的人工及自然恢復、土地利用開發放緩等現象使得景觀破碎化進程減緩。總體來看,水電站的建設與運行加劇了庫區的景觀破碎化程度。

表2 1974—2006年漫灣庫區總體景觀格局指數

NP:斑塊數Number of Patches; LPI:最大斑塊指數Largest Patch Index; TE:總邊緣長度Total Edge Index;PLADJ:相似鄰近百分比Percentage of Like Adjacencies; CONNECT:連通度指數Connectance; SHDI:香農多樣性指數Shannon′s diversity index

2.2 不同生態過程下景觀連接度的變化

通過對相同年份、不同遷移距離下的PC指數值,以及同一遷移距離、不同年份的PC指數值進行兩兩比較(表3,圖2),發現不論物種擴散距離如何,1974年的PC指數值均明顯高于1991年和2006年的相應指數值。當年份相同時,不同擴散距離下的PC指數的變化幅度不大；相比之下,同一遷移距離下的PC指數值隨著時間有著明顯波動。PC指數從1974年到2006年,在100 m擴散距離下降低了65.31%,在300 m擴散距離下降低了60.00%,在500 m擴散距離下降低了56.86%,在700 m和1000 m距離下均降低了51.92%。因此,生境面積的減少和破碎化對于擴散距離短的物種影響比較大,遷徙距離短的物種對景觀連接度的降低更為敏感。在擴散距離大于700 m的情況下,景觀連接度不再變化,情景分析表明,遷徙距離較長的物種對于庫區棲息地生境的適應性更強。

表3 漫灣庫區1974,1991和2006年不同擴散距離下的PC指數值

圖2 漫灣庫區不同擴散距離下PC指數值隨時間的變化情況Fig.2 The changes of PC values under different dispersal distances in 1974, 1991 and 2006

2.3 適宜生境斑塊的重要性變化

大壩建設不僅會降低庫區整體的景觀連接度,也會改變單個斑塊的連接度重要性,從而影響重要生境斑塊的空間分布(圖3)。取最小擴散距離(100 m)和最大擴散距離(1000 m)進行斑塊重要性變化分析,根據dPC值并參考陳利頂[32]等對大熊貓生境適宜性評價的分級標準對生境斑塊的重要性進行分級,共分低(0—0.4)、中(0.4—0.7)、高(0.7—1)3個等級。以最大擴散距離1000 m為例,水電站建設前研究區的高等重要性斑塊占生境斑塊總面積的84.46%；到2006年高等重要性斑塊的比例下降到57.96%,面積減少了317.2 km2。水電站建設后中等重要性斑塊的面積共增加了78.56 km2,比例呈現先增加后減少的趨勢,從1974年的7.93%增加到1991年的20.98%,后又減少到2006年的17.52%。不同擴散距離的情景分析對比表明,隨著物種擴散距離的降低,某些重要程度高的生境斑塊轉變為中、低等級的斑塊,生境質量的變化對活動范圍窄,遷移距離短的物種影響更大。

從空間分布上看,庫區東部無量山自然保護區境內的適宜生境斑塊保護良好,重要斑塊數量多且分布集中。生境質量退化現象主要發生在庫區的西部和南部地區,這是因為漫灣鎮、小灣鎮、忙甩鄉、茂蘭彝族布朗族鄉和腰街彝族鄉等庫區區域內的幾個主要鄉鎮均坐落于此,當地人口稠密、農業活動頻繁,對自然生態系統的擾動較大。

2.4 景觀格局變化與景觀連接度的關系

以擴散距離為1000 m時的PC指數變化為例,結果顯示庫首、庫中、庫尾和對照小區的PC指數均呈降低的趨勢,其中庫尾的景觀連接度降低幅度最為明顯,32年間減小了81.48%(表4,圖4)。漫灣電站動工建設后,各研究小區林地的占景觀百分比(PLAND)、相似鄰近百分比(PLADJ)和連通度指數(CONNECT)也都呈下降趨勢,而斑塊數(NP)、總邊緣長度(TE)則大幅增加。2006年庫首和庫中斑塊數分別是建壩前的5倍,庫尾為建壩前的9倍；斑塊總邊緣長度的增加也表明斑塊形狀更為復雜化,庫區生境斑塊的破碎化十分嚴重。

由表4可知，大壩動工建設后庫中、庫首和庫尾的景觀格局及連接度變化明顯,尤其是庫尾地區,原因可能在于庫尾地區同時受到小灣電站建設的影響。

表4 1974,1991和2006年4個研究小區的景觀格局指數值和PC指數值

圖4 研究小區不同年份的PC指數值比較Fig.4 The comparisons of PC values in different sub-study areas

線性回歸結果表明PC指數值與PLAND (R2=0.973,P<0.01),PLADJ (R2=0.676,P<0.01)和CONNECT(R2=0.607,P<0.01)均具有顯著的正相關,其中PLAND值對PC指數的影響最大(表5)。同時,PC指數與NP(R2=0.289,P>0.05)呈現顯著負相關,但與TE相關性不顯著。Kendall系數的分析結果與線性回歸分析結果相一致,除了TE指數,其余景觀格局指數均與PC指數值具有良好的正負一致性(表6)。

3 討論

本研究表明漫灣庫區的景觀破碎化明顯地影響生物的生境質量,生境質量與諸多因素有關,可以通過考慮生態影響因子構建適宜性模型進行分析[33],也可利用生態環境綜合指數表征[34]。本研究在考慮生境適宜性的基礎上將景觀連接度水平、生境斑塊重要性分布情況與生境質量相聯系,即研究區景觀連接度大、重要斑塊分布廣泛,則視該區域的生境質量整體處于優良狀態,景觀生態功能可以得到較好的維持。

表5 景觀格局指數與連接度指數的線性回歸分析

表6 景觀格局指數與景觀連接度的肯德爾系數

* *表示相關極顯著

大壩動工建設后,漫灣庫區林地面積由1974年的753.35 km2降低到了1991年的601.92 km2,之后隨著庫區退耕還林和封山育林等生態恢復措施的實施,到2006年當地森林覆蓋面積增長到了639.32 km2。但是,景觀連接度研究表明,從1974年到2006年庫區生境斑塊的連接度持續下降,PC指數平均降低了54.74%。1974年到1991年的大壩建設期PC指數下降最快,平均減少了55.51%(表1)。在1991年到2006年的大壩運營期,雖然庫區林地面積有所增長,可是在100、300、500 m的擴展距離下景觀連接度仍然略有下降。說明在區域景觀尺度上,大壩建設對陸地生態系統的影響主要體現在建設期,由于大壩建設后各種生態保護措施的及時實施,使得在大壩運營期間其生態效應影響并沒有加??；然而由于當地退耕還林的樹種主要以花椒、茶樹等經濟林為主,仍然沒有較好的改變庫區棲息地的生境質量和破碎化的現狀。雖然“退耕還林”政策的實施和無量山自然保護區的建立對漫灣庫區的生境質量恢復和生物多樣性保護起到了一定的作用,但是從生態環境的角度出發,在具體保護措施實施過程中應該選取更多的本地天然林樹種,例如,云冷杉林和云南松等,建立更適于物種生存的棲息地。

對線性回歸方程與肯德爾系數(表5,表6)的分析進一步表明增加林地面積,即使得PLAND指數增高,是增加景觀連接度、恢復生境質量最有效的措施。并且,生境斑塊的形狀變化對于景觀連接度的影響不大,但是斑塊破碎化對于景觀連接度的影響明顯。因此,提高區域景觀連接度的方法除了保護重要生境斑塊、增加林地面積之外,還應該建設生態廊道,增加生境斑塊的結構與功能連接性,減少破碎化帶來的生態效應,較好地維護景觀生態功能與生境質量。

4 結論

水利工程建設是庫區土地利用變化的重要驅動力之一,在導致區域生境面積減少、景觀破碎化的同時,降低景觀連接度、影響景觀生態功能并威脅生物的生境質量。從1974年到2006年,不同的情景下庫區的PC指數值分別均有降低；且漫灣電站建成后共有317.2 km2的高等級重要生境斑塊轉化為中、低等級的生境斑塊,庫區的生境質量有所下降。從空間分布上看,庫區的西部和南部地區的生境質量退化現象顯著,由于受到小灣電站建設的共同影響,庫尾地區的景觀連接度指數下降了81.48%,斑塊數增長了9倍,景觀變化明顯。

大壩建設期的生態影響比大壩運營期更為顯著,1974年到1991年的漫灣電站建設期,庫區林地面積從753.35 km2降低到了601.92 km2,PC指數平均減少了55.51%；而1991年到2006年的電站運營期,林地面積增長到了639.32 km2,只有300 m擴散距離以內PC指數略有下降。研究表明,優化庫區景觀格局是實現水利工程建設與生態環境保護相協調,維護庫區生態系統健康并保證區域可持續發展的重要手段。大型水利工程建設運行的生態效應具有長期性和累積性,有待更長期的數據積累和深入研究。

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Assessment of the influences of landscape fragmentation on regional habitat quality in the Manwan Basin

LIU Shiliang*, YIN Yijie, YANG Juejie, AN Nannan, WANG Cong, DONG Shikui

SchoolofEnvironment,StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Dam construction and the subsequent land use change have obvious impacts on regional ecosystems. Not only the landscape pattern, but also the regional habitat quality are affected by these human activities. Taking the Manwan Basin of the Lancang River as a case study, habitat quality changes and key patch distributions of the whole study area and four sub-study areas (reservoir head zone, reservoir center zone, reservoir trail zone, and control zone) before and after dam construction were determined based on remote sensing images and GIS techniques, considering multiple factors (elevation, land use, and distance from water) and the dispersal ability of the focused species. The probability of connectivity index (PC) was a proxy for habitat quality in this study. Dispersal distances were set at 100, 300, 500, 700 m and 1000 m to calculate the PC index, which was further used to identify the importance level of habitat patches. The results showed that the degree of habitat fragmentation for macaques increased in the Manwan Basin, while the landscape connectivity between habitat patches and the percentage of key patches decreased after the construction of the Manwan hydropower plant. Regional habitat quality clearly declined, and the change in landscape pattern indicators in the four sub-study areas was similar to that in the total Manwan Basin. The PC index clearly decreased over time by about 55.51% on average, and there were 317.2 km2of high-level patches converted to much lower levels from 1974 to 1991, while there were slight declines in the hydropower operation period. Habitat degradation occurred mainly in the south and west regions, especially in the reservoir tail zone, where patch number increased nine-fold while the landscape connectivity decreased by 81.48%. A linear-regression analysis indicated that the landscape connectivity index was positively associated with the percentage of landscape area index (R2=0.9729), but had a negative correlation with the patch number index (R2=-0.6106); Kendall′s tau-b (τb) coefficient indicated that, except for the total edge index (TE), all of the other landscape pattern indicators (number of patches (NP), largest patch index (LPI), percentage of landscape index (PLAND), percentage of like adjacencies (PLADJ), connectance (CONNECT), and Shannon′s diversity index (SHDI)) showed a remarkable correlation with landscape connectivity. It can be seen that the more serious the landscape fragmentation was, the more landscape connectivity and habitat quality were reduced. The percent increase in the dominant vegetation cover of habitats, which caused the PLAND to increase, can be an effective measure to restore the habitat quality. In addition, the protection of key patches and the construction of an ecological corridor, which would enhance the landscape connectivity, would contribute to the habitat quality recovery and the maintenance of landscape ecological functions.

Manwan Dam; landscape pattern; landscape connectivity; fragmentation

國家自然科學基金項目(41571173)；國家科技支撐計劃項目(2014BAK19B06)

2015-06-29;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201506291339

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: Shiliangliu@bnu.edu.cn

劉世梁, 尹藝潔, 楊玨婕, 安南南, 王聰, 董世魁.漫灣庫區景觀破碎化對區域生境質量的影響.生態學報,2017,37(2):619-627.

Liu S L, Yin Y J, Yang J J, An N N, Wang C, Dong S K.Assessment of the influences of landscape fragmentation on regional habitat quality in the Manwan Basin.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):619-627.