火干擾條件下的濕地景觀穩(wěn)定性分析

顧錦程

（哈爾濱師范大學黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025）

1 引言

濕地是寶貴的自然資源以及生態(tài)系統，有非常重要的調節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境、維持區(qū)域生態(tài)平衡的能力，有著凈化水源，凈化空氣的能力，被美譽為“生物基因庫”以及“地球之腎”。

景觀穩(wěn)定性指的是一個生態(tài)景觀或者生態(tài)系統在受到人為的影響或者自然環(huán)境的干擾后，該系統可以恢復原有功能的能力。在景觀的形成過程中，景觀的功能、模式、動態(tài)、結構和景觀多樣性與火干擾密切相關?；馃菨竦厣鷳B(tài)系統的重要干擾因子，通過研究不同的火燒強度對濕地的景觀格局的影響，對有效開展?jié)竦鼐坝^恢復工作以及濕地環(huán)境保護工作具有重要的科學意義?；馂脑斐傻木坝^破碎直接影響生態(tài)系統內物種的生存和生態(tài)系統的生物多樣性。濕地景觀格局在人為影響以及自然環(huán)境影響下，長時間處于動態(tài)變化狀態(tài)。

文章通過利用火災當天的遙感影像提取火燒區(qū)域，并使用2005年3月14日以及2005年4月13日的遙感影像，計算火燒前后的NDVI差值，進一步提取過火區(qū)域，并對過火區(qū)的火燒強度進行分級。通過2004年、2005年、2007年三期扎龍濕地的景觀格局變化，計算扎龍濕地景觀格局的穩(wěn)定性和火災前后景觀格局的變化，分析火干擾條件對濕地景觀穩(wěn)定性的影響。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

扎龍濕地坐落于東北平原中松嫩平原的西部，處在嫩江支流的烏裕爾河和雙陽河的下游地區(qū)，年平均溫度為3.5℃。2001年8月以及2005年3月，濕地保護區(qū)接連發(fā)生了兩次重大火災，這兩次重大火災不僅給濕地保護區(qū)帶來了巨大的自然資源和經濟資源的損失，并且嚴重破壞了濕地景觀的穩(wěn)定性，對生活在濕地的生物的種群數量和分布產生了重大影響。

2.2 數據處理與研究方法

（1）計算歸一化植被指數（NDVI）。歸一化植被指數是一種表示植物生長狀況及植被空間分布密度的數值，NDVI值的大小與植被覆蓋度呈線性相關NDVI越大，植被覆蓋越好。

（2）過火區(qū)提取。不同地物對各種波長的光的反射率不同，火燒前后會使地面地物的反射率產生變化，并且火燒的嚴重程度也會影響同一地物的光譜信息。文章先用目視的方法，提取可能的火燒區(qū)域，后通過計算2005年3月14日和2005年4月15日扎龍濕地遙感影像的NDVI指數的插值，具體的求出過火區(qū)域。

（3）火燒強度分級。由于濕地各不同區(qū)域的火燒強度存在差異，NDVI值在火燒前后的變化也不盡相同。根據過火區(qū)火災前后的NDVI數值的差值的大小，用等距離劃分法劃分火燒等級范圍，再將火災地區(qū)的火燒強度分為輕度火燒、中度火燒、重度火燒三個等級，最終得到扎龍濕地火燒等級分布圖。

（4）利用景觀指數計算景觀格局的穩(wěn)定性。通過處理在扎龍濕地火災發(fā)生之前，期間和之后的2004年，2005年和2007年的遙感圖像數據，應用ArcGIS 10.2 軟件，以景觀斑塊的標準劃分，將濕地景觀劃分為草甸草原、明水、鹽堿地、農田、濕地五類，從而得到三年來扎龍濕地的景觀斑塊類型圖。計算三年來每個景觀的斑塊面積、斑塊數目、斑塊平均面積和景觀比例，并計算出三年來的多樣性指數、破碎度指數、優(yōu)勢度指數、均勻度指數。

（5）利用分形模型計算景觀格局的穩(wěn)定性?？梢允褂梅中卫碚摻⒎中尉S數模型并計算出分形維數的值。景觀的穩(wěn)定性與其分形維數密切相關，從而分析出景觀格局的穩(wěn)定性。

分形模型的計算公式為：

公式中D為某種景觀的分形維數，A(r)為某種景觀斑塊的面積，P(r)為某種景觀斑塊的周長，C為式子的截距，是一個常數。

運用公式的斜率計算出分形維數的值，理論上，穩(wěn)定性指數（SI）的范圍在0到0.5之間。穩(wěn)定性指數（SI）的值越大，景觀類型的空間結構越穩(wěn)定；穩(wěn)定性指數（SI）的值越小，景觀類型的空間結構越不穩(wěn)定。

穩(wěn)定性指數的計算公式為：

公式中SI為某種景觀的穩(wěn)定性指數，D為某種景觀的分形維數。SI的值越大，則該景觀類型的空間結構越穩(wěn)定；SI的值越小，則該景觀類型的空間結構越不穩(wěn)定。

3 研究結果與分析

（1）過火區(qū)提取以及火燒強度分析。根據衛(wèi)星遙感數據的記錄，2005年3月20日，扎龍濕地發(fā)生火災。通過與火燒前遙感影像的對比，在火燒后的遙感影像上畫出顏色異常的部分，以此為火燒區(qū)域。計算2005年3月14日與2005年4月15日的遙感影像數據的NDVI指數的差值，根據等距離法劃分火燒等級閾值，來劃分各火燒區(qū)域的火燒強度。

（2）利用景觀指數計算景觀格局的穩(wěn)定性。通過運用 ArcGIS 軟件來分別提取扎龍濕地2004年、2005年、2007年三期的草甸草原、明水、鹽堿地、農田、濕地圖斑數據。根據上述公式，通過分析該景觀格局的多樣性指數、破碎度指數、優(yōu)勢度指數以及均勻度指數，來對扎龍濕地的整體的景觀格局進行分析，分析結果如表1。

如表1所示，扎龍濕地的景觀格局以蘆葦濕地為主，在2004年以及2007年濕地達到了總面積的50% 以上，而通過上述分析，2005年3月火災主要都分布在濕地景觀中。而經過火災，農田以及鹽堿地的比例有明顯的上升，斑塊數量也有很明顯的減少。

表1 2004年、2005年、2007年扎龍濕地景觀格局特征

由于蘆葦濕地面積在扎龍濕地整體面積中占有很大比重，達到 50% 以上，所以2004年與火災恢復后的2007年，扎龍濕地的多樣性指數都很低，均勻度指數很低。優(yōu)勢度又因為濕地面積占比較大，2004年以及2007年的優(yōu)勢度指數很高?；馂拇蟛糠职l(fā)生在濕地，濕地遭到了破壞，導致濕地的比重變低，從而2005年的多樣性指數升高，均勻度指數升高。相對的由于濕地占比的下降，優(yōu)勢度指數在火災后降低。

（3）利用分形模型計算景觀格局的穩(wěn)定性。通過運用 ArcGIS 軟件來分別提取扎龍濕地2004年、2005年、2007年三期的草甸草原、明水、鹽堿地、農田、蘆葦濕地分布數據。然后對所有圖斑所對應的周長以及面積進行統計，根據上述公式，對面積以及周長進行對數轉換分析，并將轉換后斑塊周長的值用作自變量（x），將轉換后斑塊面積的值用作因變量（y），然后使用 SPSS 軟件進行回歸分析，獲得回歸擬合方程、判決系數2、分形維數D以及穩(wěn)定性指數SI。

2004年穩(wěn)定性最低，為0.14；2007年穩(wěn)定性適中，為0.206；2005年穩(wěn)定性較高0.265。因為濕地資源很容易受自然與人為因素影響，所以未發(fā)生火災的2004年扎龍濕地的景觀穩(wěn)定性較低；2005年發(fā)生火災，人們開始恢復并保護濕地資源，所以穩(wěn)定性指數較高；2007年濕地景觀得到恢復，保護手段較剛火災后變少，穩(wěn)定性指數降低0.059，高于2004年0.066。

4 結論與討論

（1）結論：①2005年3月20日，扎龍濕地大約80%的火災都發(fā)生在核心區(qū)東部，此外還分布在扎龍濕地南部的濕地以及各個區(qū)域的草甸草原區(qū)域?；馂闹饕l(fā)生在濕地區(qū)域，占 80% 以上，此外少量分布在草甸草原區(qū)域。②火災本身造成了有益的結果，整合了扎龍濕地的破碎斑塊，但絕大多數是有害的，造成了大量的經濟資源、人力資源以及自然生物資源的損失。③長期人為管理的農田的穩(wěn)定性指數一直保持著較高的水平，高于0.27，2004年、2007年甚至都高于0.4，說明火干擾對農田區(qū)域的影響很大。④濕地以及草甸草原特別容易受人為以及自然環(huán)境的影響，穩(wěn)定性指數一直保持較低水平，常年低于0.27。⑤2004年扎龍濕地整體穩(wěn)定性指數偏低，僅有0.14，2005年火災后，由于恢復環(huán)境的需要，濕地的穩(wěn)定性指數處在較高水平，為0.265，而在2007年，扎龍濕地景觀格局將近恢復時，整體景觀穩(wěn)定性又降低了0.059 。

（2）討論：大面積的濕地以及草原區(qū)域為改善地球的“溫室效應”起著非常重要的作用，然而濕地資源特別容易遭到破壞，人為的排放垃圾以及自然的災害影響都會導致濕地面積的縮小。從文章可知人為的保護是可以有效地防止?jié)竦刭Y源的流失，但這是一個需要長期堅持的過程。綜上所述，比起長期的利用以及開發(fā)濕地資源，更重要的是長期的對濕地自然資源保護區(qū)的維護。