拉薩河源頭麥地卡濕地景觀格局及功能動態分析

李妍妍,王景升,稅燕萍,陳 歆,鄭國強,劉文婧,包小婷,王 彤

1 山東省水利科學研究院, 濟南 250014 2 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬院重點實驗室, 北京 100101 3 西藏自治區環保廳, 拉薩 850000 4 山東建筑大學測繪地理信息學院, 濟南 250101 5 中國人民大學環境學院, 北京 100872

濕地是陸地與水體系統相互作用形成的特殊的自然綜合體[1-2],具有生產、生態和水文等多項功能[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濟的發展,濕地系統面臨的退化和萎縮的風險與日俱增[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域,也是中國乃至亞洲生態安全屏障區。青藏高原高寒濕地由于其地理區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,人口密度相對較大,尤其是拉薩市轄區范圍內,農業、建筑業和旅游業相對發達,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定、調蓄水量、凈化水質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,麥地卡濕地出現了濕地退化、草場沙化等生態問題,嚴重威脅當地生態安全和生物多樣性。但是目前關于麥地卡濕地的研究較少,已發表文獻僅研究了麥地卡濕地保護區內種子植物資源多樣性、環境保護現狀以及濕地生態系統經濟價值等內容,對濕地保護區景觀格局和生態系統服務價值尚未有深入研究。因此,本文希望利用多期遙感數據獲得麥地卡濕地保護區土地覆被變化情況,利用修正的生態服務價值評估模型計算濕地保護區生態系統服務價值,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建設,維護高原生態系統安全。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

麥地卡濕地保護區位于西藏那曲地區嘉黎縣北部措拉鄉境內(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),保護區面積89237 hm2,平均海拔4900 m。氣候屬高原亞寒帶半濕潤氣候,年均氣溫-1.7—0.7℃,年均降水量700 mm,干濕季節分明[11]。地貌屬高原湖盆谷地平原,多湖盆、谷地、山地,區內分布著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,不僅是西藏地區的國際重要濕地、國家級自然保護區,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 麥地卡濕地保護區地理位置示意圖Fig.1 Location of the Mcdika wetland reserve

1.2 數據源與預處理

以1988、1990、1995、2000、2004、2015年生長季(6—10月)Landsat30 m遙感影像為基礎數據源(數據來源于美國地質調查局USGS官網)。結合土地利用分類現狀(GB/T 21010-2017)和全國濕地資源調查技術規程,將研究區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年夏季對研究區進行了實地調查,獲取了研究區6種土地利用類型解譯標志和57個GPS采樣點。原始數據在ENVI軟件做大氣、幾何校正后,結合研究區地形、植被分布狀況,利用面向對象方法進行解譯。解譯結果使用混淆矩陣方法檢驗,結果顯示分類精度均大于80%。

選取研究區附近11個站點氣象資料進行ANUSPLIN插值(氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網),根據研究區邊界提取氣象數據平均值。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

利用回歸統計方法分析麥地卡濕地保護區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Spearman相關分析,計算氣象因素與土地覆被之間的相關性。

2.2 生態服務價值系數修正與價值計算

(1)生態服務價值系數修正

標準生態系統生態服務價值當量因子經濟價值量指1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值,結合生態系統服務當量因子,可以表征和量化不同類型生態系統對生態服務功能的潛在貢獻能力[13-14]。根據謝高地的研究,1個標準單位生態系統生態服務價值當量因子價值量相當于單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值的1/7,參考王源等得到的納木錯流域當量因子生態系統服務價值628.6元[15],以及謝高地得到的西藏自治區農田生態系統生物量修正因子[16],計算得到麥地卡濕地保護區單位面積農田生態系統當量因子的價值量為471.45元。

采用千年生態系統評估(MA)方法,將生態系統服務分為四大類11小類(表1)。在求得研究區單位農田生態系統生產服務價值后,結合“單位面積生態系統服務價值當量表”生態系統二級分類[17],最終得到研究區6類生態系統服務價值系數。

(2)生態系統服務價值計算

牧業是研究區所屬嘉黎縣的主要產業,研究區內除分散少數村莊外主要是草地景觀,缺少農田、森林生態系統。考慮研究區實際狀況,河流濕地、湖泊濕地當量值參考文獻[17]表1中的水系,沼澤濕地參考濕地,裸巖石礫地參考荒漠。生態系統服務價值計算公式：

ESV=∑(Ai×VCi)

(1)

ESVf=∑(Ai×VCfi)

(2)

式中,ESV和ESVf為生態系統服務價值(元)和第f項功能的服務價值(元)；Ai為研究區第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系統服務價值系數(元/hm2)和第i類土地利用/覆被類型所對應生態系統第f項功能的服務價值系數(元/hm2)。

表1 麥地卡濕地保護區各生態系統服務價值系數

3 結果與分析

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。結合實地調查資料可知,天然草地大面積分布在研究區西部和中部,并在中部地形較為平坦區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南緣-東南緣高山地區,冰川積雪主要分布在海拔高于5500 m的地區,冰雪帶至山腳為植被稀疏的裸巖石礫地?？傮w來看,麥地卡濕地保護區土地利用分布與海拔和地形有關。

3.2 土地覆被動態變化

1988—2015年麥地卡濕地保護區土地利用類型變化如表2。結合圖2、表2可知,麥地卡濕地保護區土地利用面積呈現明顯的草地持續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中心區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 格局演變的驅動因素

分析1985—2015年氣象資料(圖3)可知：近30年來保護區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。相對濕度變化規律與降水相似。

表2 麥地卡濕地保護區土地利用面積變化

麥地卡濕地保護區沼澤濕地和天然牧草地面積發生明顯變化,將面積與4種氣象要素做Spearman非參數相關分析,探索麥地卡濕地保護區面積變化與氣候要素之間相關性。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相關分析可以準確反應面積與氣象要素的關系。

相關分析結果可知(表3)：4種氣象要素與沼澤濕地面積變化為負相關,與天然牧草地面積變化為正相關。氣溫、地表溫度和沼澤濕地、天然牧草地相關性大,分別為0.543、0.468和0.543、0.371,表明研究區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,促使研究區藏嵩草為優勢種群落的沼澤濕地演化為藏嵩草和高山嵩草為優勢種群落的天然牧草地。同時溫度的升高,導致冰川和積雪融化,在一定程度上增加了保護區內部分區域的水分供給,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 研究區氣象要素變化Fig.3 Meteorological factors change in the study area

相關系數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 濕地系統主要服務功能評估

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

表4 生態服務價值變化/ ×104元

圖4 1988—2015年各生態系統生態服務功能變化情況 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系統服務功能價值變化如圖4所示,在1988—2015年期間,麥地卡濕地保護區沼澤濕地生態服務價值最大,隨著沼澤濕地面積的減少,其生態服務價值由57979×104元減少到44906×104元。天然牧草地生態服務功能逐年增加,27年增加了3086×104元。湖泊濕地和河流濕地生態服務價值變化不大,基本穩定在22585×104元和8444×104元。冰川積雪與裸露石礫地生態服務功能價值量很小,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]。根據麥地卡濕地土地利用面積和生態系統服務價值變化可知,沼澤濕地的生態服務價值是麥地卡濕地生態功能的重要體現,沼澤濕地面積的大幅度減少,是麥地卡濕地保護區生態服務價值逐年減少的主要原因。這一結果與李晉昌等對若爾蓋高原生態系統服務價值的研究結果相同,其發現若爾蓋高原土地利用變化尤其是濕地的退化,是該區生態系統服務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,充分發揮濕地生態調節功能,有效制定濕地保護、規劃管理方案迫切重要?；谝陨涎芯?針對麥地卡濕地保護區土地利用格局和生態系統服務價值現狀,以緩解濕地萎縮、提高濕地生態服務功能為目的,提出以下幾點建議：

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

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

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

(4)土地利用覆蓋類型間的斑塊、廊道或基質的空間結構也會影響生態系統服務價值[23-24],今后可利用景觀指數或模型探索麥地卡濕地景觀結構、空間配置關系與生態系統服務價值的內在聯系,為濕地保護、修復和管理提供理論依據。

5 結論

本文以麥地卡濕地保護區為研究對象,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系統服務價值變化,得出以下結論：

(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,而未利用地分布在南緣-東南緣高山地區。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,麥地卡濕地保護區氣溫和地溫增加顯著,降水無明顯變化。相關分析結果顯示,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)調節服務是麥地卡濕地保護區的主要生態服務功能,水文調節、氣候調節、生物多樣性占總生態服務功能的70%。濕地對保護區生態服務貢獻最大,沼澤濕地面積的縮小是麥地卡濕地保護區生態服務價值減小的主要原因。