三江平原沼泽湿地景观空间格局变化

景观空间格局是指大小和形状不一的景观斑块在空间上的排列,它是景观异质性的重要表现,同时又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果。这一研究可为环境资源的合理管理提供有价值的资料,已成为景观生态学研究的核心之一。通过选取斑块连接指数、分布质心和扩展等模型,来表征三江平原沼泽湿地景观近20a来空间格局变化情况。结果表明：（1）三江平原沼泽湿地的破碎化较为严重,斑块数量增加了46％,斑块密度净增加2倍。与1980年相比,1996年最大斑块面积缩小了63.57％,最大斑块周长缩短了52.47％。（2）三江平原沼泽湿地斑块间隙在不同时期都较大,且随着沼泽湿地面积的减小和斑块数量的增加,其斑块间隙越来越大,进一步说明沼泽湿地的破碎化较为厉害。（3）1980-1996年间三江平原沼泽湿地的分布质心向西南方向偏移了7.05km,1996-2000年向西北方向偏移了6.01km。（4）1980、1996、2000年三江平原沼泽湿地的扩展度分别接近于14.222、11.101和11.262。其值都远大于1,说明斑块形状与圆形相差较大,形状不规则。近20a来,人类活动对沼泽湿地空间格局变化的影响程度较大,1980-1996年尤为明显,而在1996-2000年,由于采取了保护措施,其影响程度开始变弱。     

基于不同零模型的点格局分析

在种群空间格局研究中,定量分析格局及其形成过程已成为生态学家的主要目标。在量化分析的众多方法中,点格局分析是最常用的方法,而在选择零模型时,完全空间随机模型以外的复杂零模型很少使用,实际上,这些零模型可能有助于认识格局的内在特征。为此,我们在研究实例中,选择完全空间随机模型(complete spatial randomness)、泊松聚块模型(Poisson cluster process)和嵌套双聚块模型(nested double-cluster process)对典型草原处于不同恢复演替阶段的羊草(Leymus chinensis)种群空间格局进行了分析。结果发现:完全空间随机模型仅能检测种群在不同尺度下的格局类型;而通过泊松聚块模型和嵌套双聚块模型检验表明,在恢复演替的初期阶段,羊草种群在小尺度范围内偏离泊松聚块模型,而在整个取样范围内完全符合嵌套双聚块模型;随着恢复演替时间的推移,在恢复演替的后期,在整个取样尺度上,羊草种群与泊松聚块模型相吻合。这是很有意义的生态学现象。这一实例表明在应用点格局分析种群空间格局时,仅通过完全空间随机模型的检验来分析格局特征,或许很难论证复杂的生态过程,而选择一些完全空间随机模型以外的较复杂的零模型,可能发现一些有价值的生态学现象,对揭示格局掩盖下的内在机制有所裨益。     

三江平原沼泽湿地4种优势植物空间格局对不同水位环境的响应

水文过程是沼泽湿地最基本的生态过程, 理解物种空间格局形成机制及其种群特征随水位环境变化的规律对于科学指导沼泽湿地植被恢复具有重要意义。本研究分别选择三江平原季节性积水与常年积水沼泽, 应用点格局方法中的完全空间随机模型、泊松聚块模型和嵌套双聚块模型分析了毛薹草(Carex lasiocarpa)、漂筏薹草(C. pseudocuraica)、狭叶甜茅(Glyceria spiculosa)、小叶章(Deyeuxia angustifolia) 4个主要优势植物种群的空间格局, 并测定了不同水位环境条件下的种群密度和个体大小特征。结果表明: 在沼泽湿地中, 4个优势种群在0-200 cm的尺度范围内都偏离了完全随机模型, 表现为集体性聚集分布特征, 且聚集距离主要集中在0-50 cm之间。随着水位的升高, 毛薹草种群密度、个体生物量、株高和基径都呈显著增大趋势, 但其聚集强度变弱; 而小叶章种群密度和个体大小则显著降低, 其聚集强度增大; 漂筏薹草和狭叶甜茅种群密度、个体大小和聚集强度变化并不显著。在季节性积水区, 4个物种在小尺度上均偏离了泊松聚块模型, 符合嵌套双聚块模型, 即在大聚块中分布较高密度的小聚块。但是, 在常年积水区, 仅毛薹草、漂筏薹草和狭叶甜茅3个物种符合嵌套双聚块模型, 而小叶章种群则符合泊松聚块模型, 说明在高水位胁迫下小叶章种群空间格局的大聚块中不存在较高密度的小聚块。综上所述,水位环境胁迫主要通过影响繁殖分配、种内竞争、易化作用以及个体大小变异等生物学过程共同决定着三江平原淡水沼泽湿地植物种群的斑块化分布特征, 不同零模型可以帮助解释种群空间分布格局的形成机制。     

不同恢复演替阶段糙隐子草种群的点格局分析

采用摄影定位法测定了羊草+大针茅草原不同恢复演替群落中糙隐子草种群的空间格局,并应用完全空间随机模型、泊松聚块模型和嵌套双聚块模型对其格局进行分析.结果表明:在严重退化的群落中,糙隐子草种群格局表现为嵌套双聚块结构,即在大聚块中分布着较高密度的小聚块;在恢复5年、8年和21年的群落中,则为以母体为中心的泊松聚块结构,即在糙隐子草种群空间格局的聚块中不存在较高密度的小聚块.这说明在严重退化的群落中正相互作用居主导,而在恢复演替群落中负相互作用居主导.糙隐子草种群在恢复演替过程中的格局变化主要是由于伴随放牧胁迫的消失,种群正相互作用(易化)向负相互作用(竞争)转化所致.     

羊草+大针茅草原退化群落优势种群空间点格局分析

草原退化的特征主要表现为群落生产力的大幅下降和植物个体的小型化, 同时, 退化的草原生态系统与一定强度的放牧压力保持平衡而相对稳定。该文应用摄影定位法测定了羊草+大针茅草原退化群落中4个优势种群羊草(Leymus chinensis)、米氏冰草(Agropyron michnoi)、大针茅(Stipa grandis)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)的空间格局。点格局分析结果表明: 在空间分布格局上, 4个优势种群均偏离完全随机模型和泊松聚块模型, 而符合嵌套双聚块模型, 也就是说, 其空间格局表现为聚集分布, 且在大聚块中分布着较高密度的小聚块。严重退化的草原群落中优势种群的嵌套双聚块空间分布格局当属一种集体行为, 是种群适应过度放牧压力的一种表现形式, 为过度放牧导致的退化草原群落的主要特征之一。这种生态学现象同植物个体小型化一样, 是种群易化(正相互作用)的结果。在过度放牧的胁迫下, 种群通过改变个体性状及个体在空间的分布状况实现自我帮助, 以抵御外界的放牧压力达到自我保护, 从而维持退化草原生态系统与放牧压力间的相对平衡。     

1954-2015年三江平原沼泽湿地变化的区域分异及影响因素

以湿地变化较为剧烈的三江平原为研究区域,结合GIS和RS技术,利用动态度、景观指数和地理探测器模型,在流域尺度上对1954-2015年三江平原沼泽湿地变化的区域分异及影响因素进行定量分析。结果表明：1954-2015年,三江平原各流域沼泽湿地面积呈现减少趋势,其中挠力河流域和同抚流域沼泽湿地面积丧失最多,安邦河流域、萝北流域和倭肯河流域沼泽湿地丧失速率较快;三江平原各流域沼泽湿地格局变化特征具有一定的差异性,倭肯河流域沼泽湿地斑块的集中化程度逐渐增强且破碎化程度逐渐减少,其他流域沼泽湿地的集中化程度逐渐减弱且破碎化程度增加,各子流域沼泽湿地斑块之间的连接性和稳定性均呈下降趋势,其中安邦河流域下降幅度最大,最能表现三江平原各子流域沼泽湿地景观格局变化的指数是斑块密度;人为干扰是影响三江平原各子流域沼泽湿地变化的主要因素,自然因素中对沼泽湿地变化影响最大的是地形地貌,其次是气温和降水量。     

三江平原孤立沼泽湿地保护优先性评价与保护策略

随着人们生活生产、经济开发等活动加剧,导致湿地面积减少,湿地破碎化严重,形成大量孤立湿地。研究基于压力-状态响应理论和层次分析法构建了湿地保护优先性评价模型,对三江平原沼泽湿地进行评价。评价结果表明,2000-2020年三江平原自然沼泽湿地保护优先性空间分布由东北高西南低的格局转向东高西低的格局,而孤立沼泽湿地由东北高西南低的格局向分散无空间分布趋势格局转换,2000-2020年自然沼泽湿地和孤立沼泽湿地保护优先性质心都由东北向西南移动;2000-2020年三江平原的孤立沼泽湿地与非孤立沼泽湿地保护优先性强度均呈降低趋势,孤立沼泽湿地降低的幅度较大;保护区外孤立沼泽湿地的保护优先性强度高于保护区内孤立沼泽湿地。基于孤立沼泽湿地变化规律、驱动力和保护优先性评价结果,提出三江平原孤立沼泽湿地的保护策略,即对现有重要孤立沼泽湿地进行优先保护,对已丧失的重要孤立沼泽湿地进行恢复。加强保护区外孤立沼泽湿地的保护力度,特别是保护区外6km缓冲区内的孤立沼泽湿地保护。     

淡水湿地种子库的小尺度空间格局

以长江中下游淡水湿地湖里沼泽为对象,研究了种子库在小尺度空间范围的水平分布格局。在沼泽中选择地表植被分布比较均一的16m×4m大小的方形区域,按1m间隔获取64个内径7·8cm、深5cm的圆柱状土样,通过幼苗萌发法鉴定每个土样的种子库组成。采用2个格局指数(离散系数和Lloyd平均拥挤指数)以及Moran空间自相关系数分析了种子库中优势种的空间分布格局。结果显示种子库由17个物种组成,多年生的锐棱荸荠(Eleocharisacutangula)和龙师草(E·tetraqueter)是种子库中密度最大的物种。两个格局指数显示7个分布频率大于10%的物种的种子全部为聚集分布。MoransI统计分析显示其中只有3个物种为显著的正的空间自相关,表明这3个物种的种子斑块大小超过了目前的两个取样单位之间的距离(1m),而其它4个物种的种子斑块则小于这个尺度。     

森林采伐格局控制的21/2原则

森林生产力可以由独占圆推导的原则所优化 ,独占圆是以林木为圆心 ,以其邻体距离的 1/ 2为半径所画的圆。已经证明独占圆有如下 3个特性 :(1)独占圆之间不会重叠 ,最近的关系是相切 ;(2 )完全均匀分布格局的独占圆总面积与植物株数无关 ,而且是样地总面积的 2倍 ;(3)从样地上去掉一株植物 ,只会增大某些独占圆的面积 ,而不会减少其它独占圆的面积。定义均匀度 (L )为 :样地上的独占圆总面积除以完全均匀格局的相同样地上的独占圆总面积。均匀度 (L )服从分布 :L～ x2 (2 n) / 2πn,且有E(L) =1/ π=0 .318,L 的方差 D(L) =1/ nπ2 ,可见 E(L)与 n和样地面积均无关 ,L 是一个相对指标。 L 可以用于对格局类型的检验。“增面积林木”定义为 :去掉它可以增加独占圆总面积的林木。第二邻体距离大于第一邻体距离 2倍的林木就是增面积林木 ,这就是所谓 2原则。在所调查的样地上 ,随意性地将样地分成 6块 ,在每块样地上其增面积林木的比例均约为 1/ 2 ,无一例外。在随机格局的假设下 ,推导了 6块分割样地的增面积林木的期望比例 ,其值为 0 .35～ 0 .4 4。显然 ,期望值与抽样值的差异明显 ,而引起差的原因尚难以解释 ,有待进一步研究。提出了在择伐中增加林地均匀度的两条原则 :(1)独占圆面积偏小 ;(2 )增面积林     

形态学图像处理方法在湿地破碎化格局中的应用

以三江平原沼泽湿地为研究单元,应用形态学图像处理技术在基于像元水平的二元沼泽湿地图上对沼泽湿地类型进行分类,并应用形态学模型和类型统计模型系统分析了三江平原1980-2000年间沼泽湿地景观破碎化的时空变化格局.结果表明,20年间,三江平原沼泽湿地面积由快速下降趋于缓慢下降.核心湿地面积急剧减小,由大面积分布逐步向三江平原东北部的别拉洪河和挠力河流域集中.孔隙湿地面积减小比例最大,目前处于消亡状态,由原来的沼泽湿地内部异质景观向同质景观过渡.核心和孔隙湿地大部分转化为斑块湿地,主要位于三江平原西北部、中部和南部,有逐步取代东北部核心湿地的趋势.边缘湿地面积比例年增长最快,且边缘像元宽度越来越宽,三江平原西部、南部和东部地区的核心湿地几乎全部由边缘湿地取代,易产生一定的边缘效应,导致种群间的竞争更加激烈.     

三江平原典型湿地土壤剖面有机碳及全氮分布与积累特征

研究了三江平原2类典型湿地(毛果苔草沼泽和芦苇沼泽)沉积物剖面有机碳、全氮的分布特征与积累现状.结果表明,2类沼泽剖面有机碳分布均具有明显的储碳层和淀积层;上层的储碳层厚度约为60 cm,有机碳平均含量分别为96和184 g·kg^-1,全氮平均含量分别为7.4和17.6 g·kg^-1;下层的淀积层内有机碳和全氮含量低而稳定.2类沼泽剖面有机碳和全氮含量随剖面深度增加而下降, 有机碳、全氮与容重之间相关均极显著(P＜0.01).2类典型湿地有机碳密度在20～40 cm剖面内最大.储碳层内,有机碳储量分别为1.83×10⁴和1.73×10⁴ t·km^-2,全氮储量分别为1.45×10³和1.67×10³ t·km^-2;100 cm以内,有机碳储量分别为2.86×10⁴和262×10⁴ t·km^-2,全氮储量分别为2.18×10³和2.49×10³ t·km^-2.植被类型对湿地剖面有机碳、全氮含量及储量均具有不同程度的影响.     

三江平原沼泽湿地生态承载能力综合评价

从湿地水资源、土地资源、水环境、生物资源等多方面入手,研究湿地生态系统的承载能力,采用分级评价方法,建立分级评价指标和承载模式,评价了沼泽湿地生态系统的生态弹性度、资源与环境承载力和承载压力度。利用基于加速遗传算法的层次分析技术确定承载模型的权重,计算得出的排序权值具有结果稳定、计算精度高的特点。应用到三江平原沼泽湿地生态承载力的综合评价中,结果表明整个三江平原大部分生态系统处于中稳、较高承载、中低压区。这说明三江平原生态承载能力比较高,人口压力不大,但要进一步提高生态承载能力,则需改善沼泽湿地生态环境,提高水资源利用效率。     

不同生长阶段毛苔草（Carex lasiocarpa）克隆繁殖对水文情势的响应

毛苔草为三江平原沼泽湿地分布区典型沼生植物.通过幼苗移植水位控制试验,研究不同生长期毛苔草克隆繁殖对水文情势的响应.结果表明,干湿交替条件下,毛苔草分蘖能力最强;苗期处理对后期分蘖有显著影响,后期水分增多明显促进分蘖,但不同经历的毛苔草分蘖对水分条件改变的响应速度不同.-5cm水位条件下,毛苔草根茎长度最大,而持续淹水15cm条件下,毛苔草根茎后期伸展最快.稳定水文条件的改变,抑制根茎生长,从波动水文情势转到稳定的水文环境中,根茎生长得到促进.-5cm水位条件下,毛苔草根茎生物量占总生物量的比重最大;而且水文情势改变后,无论苗期还是生长季末期,仍以经历-5cm水位处理的毛苔草根茎生物量比重较大.淹没对毛苔草的克隆繁殖具有明显的抑制作用.为实现湿地植被重建的目标,应综合考虑植物在不同环境中繁殖策略的差别,以及不同阶段水文需求的差别.     

三江平原典型沼泽湿地植物种群的生态位

采用Levins 公式,对三江平原典型沼泽湿地植物群落的优势种群生态位宽度和生态位重叠值进行了研究.结果表明：各湿地植物种的生态位宽度排序为漂筏苔草(0.907)>毛果苔草(0.864) >狭叶甜茅(0.855) >小叶章＝睡菜＝球尾花＝二歧银莲花(0.500).毛果苔草、漂筏苔草、睡菜与球尾花之间,以及狭叶甜茅、小叶章与二歧银莲花的生态位重叠值均较高,说明几种植物在同一资源位上出现的频率相近,利用资源的能力相似,在对资源利用上具有一定的竞争性.睡菜与小叶章和二歧银莲花,以及球尾花与小叶章和二歧银莲花的生态位重叠值均为0,表明几种植物适应环境的方式不同.水分是导致湿地植物生态适应性差异的主导因子,植物对环境生态位适应的程度是水分和营养状况等因素共同作用的结果.湿地植物的生态位特征能较好地表征各植物的生态适应性和分布幅度.