全 文 ：黑河中游湿地景观破碎化与气候变化的关系*
姜朋辉摇 赵锐锋**摇 赵海莉摇 卢李朋摇 谢作轮
(西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070)
摘摇 要摇 在遥感和 GIS技术支持下,基于 1975—2010 年长时间序列遥感影像和气象数据资
料,结合小波分析、趋势面模拟与空间插值法,选取斑块密度(PD)、斑块平均面积(MPS)、斑
块形状破碎化指数(FS)等景观指数,分析了黑河中游的气候空间分布和变化特征,以及该区
域湿地的景观破碎化;通过相关分析和多元逐步回归分析,探讨了黑河中游湿地景观破碎化
与气候变化的关系.结果表明: 1975—2010 年,研究区降水量和气温的整体分布格局为高气
温区低降水量、低气温区高降水量,且干转湿和冷转暖为其主要变化特征;内陆干旱地区气温
对湿地动态变化的影响大于降水,降水对湿地的生态作用甚微;研究区湿地景观破碎化主要
表现为 MPS减小、PD上升以及 FS增大,研究期间,湿地 MPS 减少 48. 95 hm2,PD上升 0. 006
个·hm-2 .
关键词摇 黑河摇 湿地摇 景观破碎化摇 气候变化
文章编号摇 1001-9332(2013)06-1661-08摇 中图分类号摇 P463. 23摇 文献标识码摇 A
Relationships of wetland landscape fragmentation with climate change in middle reaches of
Heihe River, China. JIANG Peng鄄hui, ZHAO Rui鄄feng, ZHAO Hai鄄li, LU Li鄄peng, XIE Zuo鄄
lun (College of Geography and Environment, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(6): 1661-1668.
Abstract: Based on the 1975-2010 multi鄄temporal remotely sensed TM and ETM images and mete鄄
orological data, in combining with wavelet analysis, trend surface simulation, and interpolation
method, this paper analyzed the meteorological elements爷 spatial distribution and change character鄄
istics in the middle reaches of Heihe River, and elucidated the process of wetland landscape frag鄄
mentation in the study area by using the landscape indices patch density (PD), mean patch size
(MPS), and patch shape fragment index (FS). The relationships between the wetland landscape
fragmentation and climate change were also approached through correlation analysis and multiple
stepwise regression analysis. In 1975 -2010, the overall distribution patterns of precipitation and
temperature in the study area were low precipitation in high temperature regions and high precipita鄄
tion in low temperature regions, and the main characteristics of climate change were the conversion
from dry to wet and from cold to warm. In the whole study period, the wetland landscape fragmenta鄄
tion was mainly manifested in the decrease of MPS, with a decrement of 48. 95 hm2, and the in鄄
crease of PD, with an increment of 0. 006 ind·hm-2 .
Key words: Heihe River; wetland; landscape fragmentation; climate change.
*国家自然科学基金项目(41261047,41271133)、中国清洁发展机制
基金项目(1213007)教育部博士点基金项目(20106203120004)、西
北师范大学青年教师科研能力提升计划骨干项目(NWNU鄄LKQN鄄11鄄
11)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhorf@ nwnu. edu. cn
2012鄄10鄄06 收稿,2013鄄03鄄28 接受.
摇 摇 湿地是地球上水鄄陆相互作用形成的独特生态
系统,极富生产力,为人类的生存和发展提供了大量
的食物、原料、水资源以及环境教育和科研基地,具
有巨大的经济、社会、科研价值,是人类的重要生境
之一[1-4] . 20 世纪 90 年代以来,在自然和社会因素
的双重影响下,全球湿地面积减少了 50% ,而且现
存湿地多呈现出不同程度的景观破碎化现象[5-7] .
湿地生态系统的存在依赖于湿地生境湿度,而湿地
生境湿度的形成和维护主要取决于降水等气候因子
与下垫面因素的耦合作用[8] . 作为湿地丧失和退化
的最主要原因之一,气候是湿地形成和发育的驱动
力,常常在较大的时空尺度上作用于湿地景观格
局[9] .气候变化通过对湿地的水文过程、生物化学
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 6 月摇 第 24 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2013,24(6): 1661-1668
性质以及生物量积累施加影响,进而导致其生态功
能减弱并逐步退化[10-11] .在当前全球气候变暖的大
背景下,气温上升会引起湿地水温和土壤温度升高,
将影响湿地的能量平衡,导致湿地地表水水位和积
水面积发生变化,进而影响湿地生态系统、生物群落
演替、温室气体排放强度和生物地球化学过程等.
黑河中游湿地位于我国西北内陆干旱区,蒸发
旺盛而降水较少,属荒漠地区典型的内陆湿地和水
域生态系统类型.由于地处气候敏感区和生态脆弱
区,多年来延续的气候变暖导致黑河中游区地表水
补给日趋减少,地下水持续下降,河水断流,湖泊干
涸,使该区域湿地由于缺少水源补给而逐渐缩小,引
起了湿地的生态功能不断退化、荒漠化现象加剧.对
于该区域生态环境和社会经济发展而言,黑河中游
湿地发挥着涵养水源、调节气候、净化水质、防风固
沙等多种生态功能,既是减轻沙尘暴危害、阻挡巴丹
吉林沙漠南侵的天然屏障,也是流域人民繁衍生息
和经济社会可持续发展的重要依托,其所拥有的生
态、社会、经济意义的重要性不言而喻.因此,积极开
展黑河中游湿地变化的研究、探明湿地生态环境演
变与其周围自然、人文因素间的相互关系,对于保护
黑河中游湿地生态安全、维护区域生态平衡具有极
其重要的意义.近年来,众多专家学者从土地利用 /
覆盖变化( LUCC)、气候变化、景观格局演变等方
面[12-14]对黑河中游地区的生态环境变化开展了大
量研究,但针对黑河中游湿地生态环境变化的研究
较少,尤其是湿地景观破碎化与气候变化之间关系
的研究更是鲜见报道.
本文应用 RS 和 GIS 等以及景观格局指数法、
趋势面分析模型、小波分析法和回归分析模型等研
究方法,分析黑河中游区的气候变化特征和湿地景
观的破碎化过程,探讨黑河中游气候变化对湿地景
观破碎化的影响,揭示二者的相关关系,以期为促进
黑河湿中游地的可持续发展提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
黑河中游区 ( 98毅 57忆—100毅 52忆 E, 38毅 39忆—
39毅59忆 N)地处河西走廊中段、青藏高原和蒙新高原
的过渡地带,北邻巴丹吉林沙漠,南对祁连山,行政
区划上包括张掖市所属的甘州区、高台县、临泽县
(图 1).该区属温带荒漠气候,夏季炎热,冬季寒冷
干燥,年蒸发量在 2000 ~ 3500 mm.受黑河穿流而过
的影响,区内水资源较充裕,且在河流两岸形成了类
图 1摇 研究区的位置示意图
Fig. 1摇 Sketch map of the location of the study area.
型丰富多样的湿地资源,沼泽、湖泊、水库坑塘等星
罗棋布.
1郾 2摇 数据来源
本文遥感影像源于 1975—2010 年黑河中游区
湿地景观信息的数据源(表 1);1967—2010 年黑河
中游区降水和气温数据来源于中国气象科学数据共
享网(http: / / cdc. cma. gov. cn / );黑河中游区 2009
年 DEM数据取自中国科学院国际科学数据服务平
台(http: / / datamirror. csdb. cn / ) .
1郾 3摇 数据处理
1郾 3郾 1 遥感数据的解译和精度验证 摇 利用 ERDAS
IMAGINE 9. 2 对遥感图像进行波段选择、图像校正、
图像拼接、图像增强和图像裁剪等处理,根据研究区
景观信息特征,在借鉴国内外现有湿地景观分类研
究成果[15-17]的基础上,结合研究需要,将黑河中游
景观类型划分为:耕地、草地、林地、湿地、城乡居民
工矿建设用地(简称城乡居工地)和未利用地 6 个
一级类型,河流湿地、湖泊湿地、河滩湿地、沼泽湿地
和水库坑塘湿地等 21 个二级类. 在 ArcGIS 9. 3 软
件支持下,参考研究区 1 颐 50000 地形图进行人机交
互式判读,目视解译得到 1975、1987、1992、2001、
2010年研究区湿地景观空间分布数据.然后结合野
表 1摇 研究区景观信息的数据源
Table 1 摇 Data sources for landscape information of study
area
年份
Year
数据源类型
Data sources
type
遥感影像
Remote sensing image
1975 MSS 143 / 33,1975鄄10鄄07;145 / 32,1975鄄
10鄄09;144 / 33,1976鄄07鄄04
1987 TM 133 / 33,1987鄄08鄄15;134 / 33,1987鄄
10鄄09;134 / 32,1989鄄09鄄28
1992 TM 133 / 33,1992鄄09鄄05;134 / 33,1992鄄
08鄄27;134 / 32,1991鄄09鄄02
2001 ETM 133 / 33,1999鄄07鄄07;134 / 33,2001鄄
07鄄03;134 / 32,2001鄄08鄄20
2010 ETM 134 / 33,2010鄄08鄄05;133 / 33,2010鄄
08鄄14;134 / 32,2010鄄08鄄21
2661 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
外 GPS 验证点、Google Earth 以及相关的各类历史
图集资料,采用位置精度评价,通过计算得出 1975、
1987、1992、2001、2010 年的遥感影像整体解译精度
分别为 77. 7% 、80. 7% 、77. 9% 、80. 6% 、81. 2% ,平
均解译精度达 79. 6% ,能够满足大尺度研究需要.
1郾 3郾 2 气象数据和 DEM 处理 摇 获取研究区及其周
边 11 个台站 1967—2010 年的降水和气温观测资
料,整理得到各站点的月平均和年平均气象资料.在
ArcInfo环境下,从 DEM图中分别提取经度、纬度栅
格图,并对它们进行投影变换,形成统一的投影坐标
系统;栅格图中网格单元大小采用 100 m伊100 m,作
为估算黑河中游区降水和气温空间分布的最小单
元.然后在 Excel 2003、ArcGIS 9. 3 和 Matlab 7. 0 软
件的支持下,分别运行趋势面分析模型以及小波分
析.
1郾 4摇 研究方法
1郾 4郾 1 景观指数模型 摇 选取斑块平均面积(MPS)、
斑块密度(PD)、斑块平均形状破碎化指数(FS1)和
面积加权平均形状破碎化指数(FS2),对黑河中游
湿地的景观破碎化过程进行综合分析. 各指数计算
公式和生态学意义参见文献[18-20].
1郾 4郾 2 趋势面模拟与空间插值法摇 根据气候要素与
地理因子的关系,在 ArcGIS 平台上,采用三元一次
趋势面模拟与空间插值相结合的方法,对气温、降水
等气候要素进行空间化,生成 100 m伊100 m 栅格气
候图[21] .
1郾 4郾 3 小波分析摇 小波变换是时间频率的局部化分
析.它通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度细
化,最终达到高频处时间细分、低频处频率细分,并
能自动适应时频信号分析的要求,既能给出气候序
列变化的尺度,又可显示出变化的时间位置[22] .
1郾 4郾 4 回归分析模型摇 回归分析通过分析现象之间
相关的具体形式,确定其因果关系,并用数学模型来
表现其具体关系.本文通过分析湿地景观破碎化指
数与各气候要素间的相关关系,构建了反映湿地景
观破碎化对气候变化响应的数学模型,据此探讨了
气候变化对湿地景观破碎化的影响. 模型的具体构
建参见文献[23].
2摇 结果与分析
2郾 1摇 黑河中游湿地景观破碎化过程
2郾 1郾 1 湿地景观破碎化过程 摇 1975—2010 年,黑河
中游湿地的斑块平均面积逐年减小,缩减幅度高达
42. 1% ,且以 1975—1987 年、2001—2010 年间的减
幅最显著,分别高达 22. 6%和 19. 4% . 但湿地景观
的斑块密度、斑块平均形状破碎化指数(FS1)和面
积加权平均形状破碎化指数(FS2)却呈现逐年增大
趋势,尤其在 20 世纪 90 年代和 21 世纪初期,研究
区湿地景观的这一变化表现得尤为明显.其中,斑块
密度指数增加了 17. 9% ,FS1和 FS2分别由 1992 年
的 0. 524、0. 269 增加到 2010 年的 0. 556、0. 276(图
2).原因在于气温上升势必使湿地土壤温度升高,
由此引发的蒸发量增加将导致地下水位下降,从而
使湿地间的水文联系等渐趋弱化,湿地的景观破碎
化因此而越演越烈.
2郾 1郾 2 各湿地类型破碎化过程 摇 河滩湿地、河流湿
地和沼泽湿地是黑河中游湿地最主要的组成部分.
黑河中游湿地的景观格局变化集中反映在这 3 类景
观上.其中,河流湿地景观变化的波动性相对较大.
从斑块平均面积来看,1975 年黑河中游水量充盈,
河流湿地绵延为一整体,斑块平均面积较大;1975
年以后,随着中游工农业发展,用水量激增,加上气
温升高、降水偏少,水资源供给关系紧张,黑河部分
河段出现断流,河道被分割为若干条,河流湿地的斑
块平均面积由 1975 年的 7183. 06 hm2骤减至 1987
年的 1229. 84 hm2,变幅高达 82. 9% .河流湿地的大
规模变化必然会引起河滩湿地做出相应反应.
1975—2010 年,河滩湿地的斑块平均面积减少
45郾 9% .其他湿地类型如湖泊湿地、水库坑塘湿地等
图 2摇 黑河中游湿地的景观指数变化
Fig. 2 摇 Landscape indices changes of wetlands in the middle
reaches of Heihe River.
FS1:Mean patch shape fragmentation index; FS1:Area鄄weighted mean
shape fragmentation index; MPS: Mean patch size; PD: Patch density.
36616 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姜朋辉等: 黑河中游湿地景观破碎化与气候变化的关系摇 摇 摇 摇 摇
也遵循同样的变化趋势,其斑块平均面积均总体趋
于减少.就斑块密度变化而言,以湖泊湿地和水库坑
塘湿地的变化较大,其斑块密度自 1975 年的
0郾 0147 和 0. 0148 个·hm-2持续增长至 2010 年的
0郾 0394 和 0. 0574 个·hm-2 (图 3),增幅分别达
72郾 9% 、62郾 7% .其余湿地类型的斑块密度指数变化
虽相对较小,但最终的斑块密度指数皆趋于增加.比
较 1975、1987、1992、2001 和 2010 年各湿地景观类
型的 FS1和 FS2发现,研究期间,黑河中游湿地的斑
块形状破碎化指数的最终变化趋势均为增加,表明
研究区湿地景观形状趋向于不规则. 以湖泊湿地为
例,1975—1987 年,湖泊湿地的 FS1和 FS2分别由
0郾 355、0. 533 增至 0. 386、0. 538,斑块形状朝不规则
方向变化;1987—2001 年,随着斑块形状破碎化指
数的降低,呈现规则化发展;2001—2010 年,又转而
表现为不规则变化. 其他湿地景观的斑块形状破碎
化与湖泊湿地表现基本一致,多为不规则-规则-不
规则式推进.
2郾 2摇 黑河中游气温和降水的空间分布特征
基于黑河中游及其周边 11 个气象观测台站
1967—2010 年的平均年、夏季降水量、气温资料和
该区域的地理、地形要素变量,分别进行多元线性逐
步回归分析,其 R2均大于 0. 9(表 2),回归分析结果
具有较高的拟合度. 然后在上述多元线性回归模型
(表 2)的基础上,利用 ArcInfo中的地图代数语言进
行栅格数据的运算,得到由降水量和气温统计回归
表 2摇 黑河中游年、夏季降水量、气温与地理、地形要素的多
元线性回归
Table 2摇 Summary of multiple linear regression for annual
and summer precipitation and temperature in the middle
reaches of Heihe River
尺度
Scale
回归方程
Regression equation
R2
年 P=0. 15H+38. 88Lon-25. 64Lat-2967. 04 0. 942
Year T=-0. 006H-0. 0169Lon-0. 62Lat+42 0. 991
夏季 P=0. 108H +23. 51Lon-9. 3Lat-2066. 36 0. 971
Summer T=-0. 006H +0. 13Lon+0. 48Lat-1. 79 0. 995
P:降水 precipitation; H:海拔 Elevation; Lon:经度 Longitude; Lat:纬
度 Latitude.
模型推算的栅格数据.再利用 ArcInfo的地统计分析
模块进行降水量和气温残差的 Ordinary Kriging 插
值,得到残差的栅格数据. 最后,将这两部分栅格数
据进行叠加,结果即为黑河中游降水量和气温的空
间分布. 制作得到黑河中游 1967—2010 年平均年、
夏季降水量和气温的空间分布图.
由图 4 可以看出,研究区多年平均气温和夏季
气温的最大值均分布在黑河干流穿流而过的平原地
区,且自平原地区向两边依次递减,山区的气温达到
最低值;降水量则相反,自平原地区向两边呈依次递
增趋势,祁连山、合黎山的部分迎风坡的多年平均和
夏季降水量分别高达 473. 65 和 313. 64 mm.黑河中
游湿地所在的大部分区域的多年平均气温和夏季平
均气温大体由西北向东南呈递减趋势,其最大值
( 8. 10和22. 68 益 )均出现在高台县境内. 与此相
图 3摇 黑河中游各湿地类型的景观指数
Fig. 3摇 Landscape indices of each wetland type in the middle reaches of Heihe River
4661 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 4摇 1967—2010 年黑河中游年均降水量和气温的空间分布
Fig. 4摇 Spatial distribution of average annual precipitation and temperature in the middle reaches of Heihe River from 1967 to 2010.
a)年均降水量 Annual average precipitation; b)年均气温 Annual average temperature; c)夏季平均降水量 Average precipitation of summer; d)夏季
平均气温 Average temperature of summer.
反,多年平均降水量和夏季平均降水量由西北向东
南大体呈递增趋势. 该区降水量和气温的整体分布
格局为:高气温区低降水量,低气温区高降水量. 需
要指出的是,黑河中游湿地大部分处在高气温低降
水量区.
2郾 3摇 黑河中游气候变化特征
2郾 3郾 1 降水量的变化 摇 1967—2010 年,黑河中游的
干湿交替频繁且周期明显. 其中,低频区以 22 年周
期震荡为主.该区附近共出现 3 个高值中心(1978、
1992 和 2007 年)和 3 个低值中心 (1972、1985 和
2000 年),故研究区在 1975—1987、 1987—1992、
1992—2001、2001—2010 年分别处于湿转干、干转
湿、湿转干和干转湿时期,降水量总体呈现波动增加
的趋势.高频区以 8 年左右周期震荡为主,出现了 2
个明显的高值中心(1982 和 1987 年)和 3 个明显的
低值中心(1980、1985 和 1990 年),导致研究区在
1975—1987 年主要为湿转干,而 1987—2010 年以
干转湿为主.总体来看,干转湿为研究区当前降水的
主要变化方向. 20 世纪 70 年代,黑河中游年均降水
量的增幅较小,且呈现出一定的增加趋势;进入 80
年代以后,降水量出现较大波动,大致可划分为
1980—1985 年的降水量锐减期和 1985—1989 年的
增加期;在 20 世纪末至 21 世纪初期,年降水量总体
呈现波动减少的趋势(图 5).
2郾 3郾 2 气温的变化 摇 1967—2010 年,黑河中游地区
的年平均气温具有明显的周期性变化.在低频区 20
年周期附近,冷暖交替显著. 在该周期上,研究区年
平均气温经历了 5 次冷暖交替,其突变点分别在
1973、1978、1987、1995 和 2003 年附近,导致研究区
在 1975—1987、 1987—1992、 1992—2001、 2001—
2010 年分别处于冷转暖、冷转暖、暖转冷和冷转暖
时期.中频区 13 年周期附近震荡较频繁,冷暖交替
频率明显增加, 1975—1987、 1992—2001、 2001—
2010 年分别处于冷转暖、暖转冷和冷转暖时期,尤
其自 1987 年以来,黑河中游地区气温上升趋势明
显,冷转暖成为研究区主要变化方向.中频区上出现
了一个极大值中心(2008 年)和一个极小值中心
(2002 年),表明 2001—2010 年间的冷转暖现象尤
为显著.高频区在 6 年周期附近表现出一定震荡,但
并没有出现明显的极值中心. 综合各时段研究区气
温变化特点可知,冷转暖为当前研究区气温变化的
主导趋势. 20 世纪 80 年代中期之前,黑河中游年均
气温的上升趋势并不显著,升降幅度较小;在 20 世
纪 80 年代中期以后,年均气温明显上升,由 1985 年
的 7. 29 益上升至 8. 72 益,升幅达 16. 3% .
2郾 4摇 气候与黑河中游湿地景观破碎化的关系
2郾 4郾 1 气候空间分布与湿地景观的相关分析 摇
1975—2010 年,研究区湿地变化面积与年降水量、
夏季降水量、年均气温和夏季平均气温的相关系数
分别为-0. 126、0. 956(P<0. 01) 、-0. 624和0. 861
56616 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姜朋辉等: 黑河中游湿地景观破碎化与气候变化的关系摇 摇 摇 摇 摇
图 5摇 1967—2010 年黑河中游年平均降水量(a)和年均气温
(b)的小波分析及其变化趋势
Fig. 5摇 Wavelet analysis and change tendency of annual average
precipitation (a) and temperature (b) in the middle reaches of
Heihe River during 1967-2010.
(P<0. 05).与气温相比,降水与湿地面积变化量的
相关系数相对较小. 表明气温对湿地面积变化的影
响作用大于降水.主要原因是由于黑河中游湿地地
处干旱区,气温高而降水相对较少.在高气温的条件
下,大气蒸散发能力较强,降水对湿地的生态作用无
法得到体现.
2郾 4郾 2 气候与湿地景观类型变化的相关分析摇 由表
3 可以看出,年均气温对黑河中游各湿地类型的景
观破碎化过程的影响程度高于年均降水量. 各湿地
类型中,以河滩湿地和沼泽湿地受气温变化的影响
最突出,二者的斑块平均形状破碎化指数、面积加权
平均形状破碎化指数与气温的相关系数分别高达
0. 882 和 0. 958,与降水的相关系数多在 0. 2 以下.
其他湿地类型的景观破碎化多与气温表现出较高的
相关性,与降水的关联较小.除河流湿地与降水的相
关性系数达到-0. 760 以外,其他湿地类型与降水的
表 3摇 斑块平均形状破碎化指数、面积加权平均形状破碎化
指数与气象要素的相关系数
Table 3摇 Correlation coefficients between FS1, FS2 and me鄄
teorological elements
景观指数
Landscape
index
气象因子
Meteoro鄄
logical
factor
沼泽
Marsh
水库坑塘
Reservoir
and
Pond
湖泊
Lake
河滩
Bottomland
河流
River
FS1 Ta 0. 882* 0. 534 0. 614 -0. 333 0. 089
Pa -0. 156 0. 423 0. 461 -0. 227 -0. 760
FS2 Ta -0. 486 -0. 324 -0. 276 0. 958* 0. 708
Pa -0. 158 0. 060 0. 484 0. 009 0. 374
FS1:斑块平均形状破碎化指数 Mean patch shape fragmentation index;
FS1:面积加权平均形状破碎化指数 Area鄄weighted mean shape frag鄄
mentation index. 下同 The same below. Ta:年均气温 Annual average
temperature; Pa:年均降水量 Annual average precipitation. * P<0. 05.
相关系数皆低于 0. 5.由此可见,气温的波动上升是
导致研究区湿地景观破碎化的主要因素.
2郾 5摇 黑河中游湿地景观破碎化对气候变化的响应
选取斑块平均面积(MPS)、斑块密度(PD)、斑
块平均形状破碎化指数(FS1)和面积加权平均形状
破碎化指数(FS2)以及年平均气温、年均降水量、日
照时数、平均风速,采用多元逐步回归分析法,在
Matlab 7. 0 中编程获得多自变量情况下的最优模
型.再运用残差法找到不符的数据,将残差分析所得
的不符数据剔除,重复多元逐步回归分析程序,如此
可以得到一个比较科学准确的关系式. 按照以上方
法步骤,即可依次得到各景观指数与所选气象要素
间的回归关系式(表 4). 查询 F 分布表可知,F0. 1
(2,5)= 3. 78,说明模型均通过了 琢= 0. 10 的显著性
检验.模型的决定系数均大于 0. 8,表明所建模型具
有较高的拟合度.
摇 摇 由湿地景观指数与气象要素间的多元线性回归
关系(表 4)可知,气温和风速与湿地斑块平均面积
呈负相关关系,表明气温升高和平均风速增加使湿
地斑块平均面积日趋缩小,湿地逐渐由彼此相连的
表 4摇 湿地景观指数与气象要素的多元线性回归关系
Table 4 摇 Multiple linear regression relation for meteoro鄄
logical elements and landscape indices of wetlands
景观指数
Landscape
index
回归方程
Regression equation
F R2
MPS Y=462. 85-43. 95X1 -5. 77X4 26. 183 0. 981
PD Y=0. 07X3 +0. 03X4 -0. 65 5. 389 0. 915
FS1 Y=0. 62X1 -0. 166X3 +1. 425 3. 881 0. 868
FS2 Y=0. 0045X1 -0. 0104X2 +0. 325 4. 242 0. 895
MPS:斑块平均面积 Mean patch size (hm2); PD:斑块密度 Patch den鄄
sity ( ind·hm-2) . X1:年均气温 Annual average temperature; X2:年平
均降水量 Annual average precitpitation; X3:日照时数 Sunshine hours;
X4:平均风速 Average wind speed.
6661 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
整体萎缩成相互分离的斑块个体,从而渐渐趋向于
破碎化.此外,就回归方程各因子的系数来看,两因
子对湿地斑块平均面积的影响程度有所差异.其中,
年均气温对湿地斑块平均面积的影响程度明显高于
平均风速.
斑块密度与日照时数、平均风速呈正相关,年均
气温和年均降水量并未进入回归方程,表明在 0. 10
显著性水平下,影响湿地斑块密度的主要因素为日
照时数和平均风速,年均气温和年均降水量对湿地
斑块密度的影响甚微.从回归方程的系数大小来看,
日照时数对斑块密度的影响更大.
影响 FS1的主要气象要素为年均气温和日照时
数.从回归方程各因子的系数大小可知,年均气温对
湿地 FS1变化的影响作用较大,其次是日照时数.从
回归方程各因子的系数符号来看,湿地 FS1与年均
气温呈正相关,与日照时数呈负相关.
年均降水量对湿地 FS2的影响明显大于年均气
温.年均气温与湿地 FS2呈正相关,而年均降水与湿
地 FS2呈负相关.
3摇 讨摇 摇 论
本研究基于 1975—2010 年长时间序列遥感影
像和气象数据资料,通过相关分析和多元逐步回归
分析,得出影响黑河中游湿地景观破碎化过程的主
要气象因子为气温,降水虽然对个别湿地类型的破
碎化过程产生了一定影响,但并非主导因子.
气候条件是湿地形成发展的基础和基本驱动
力,特别是以气温和降水为代表的水热条件,决定着
湿地景观的形成和发育[24] .气温和降水的波动可引
起湿地水文情势的变化,从而导致湿地景观出现扩
张或萎缩[25] .在干旱环境下,气温的波动变化对湿
地景观的影响尤为显著. 有研究表明,气候因子中,
气温是控制湿地消长最根本的动力因素[26] .气温升
高能够引起湿地水温和土壤温度升高,从而导致湿
地蒸发量随之增加,使降水对湿地生态的促进作用
有限[25,27] . 黑河中游湿地地处干旱绿洲区,基质环
境为荒漠,其最主要的补给水源为地下水与河流.干
旱区降水少而蒸发旺盛的气候特征决定了影响黑河
中游湿地水资源的主要气象因素为气温.同时,黑河
作为研究区湿地水源补给的最主要来源,其补给水
源为高山冰雪融水,这也使气温成为左右黑河中游
湿地补给水量大小的重要气候要素.
结合湿地景观破碎化过程和小波分析结果,黑
河中游湿地景观趋于破碎化的时段均恰属于冷转暖
的时期. 1975—2010 年,黑河中游湿地的斑块平均
面积逐年减小,减幅高达 42. 1% ,尤以 1975—1987
年、2001—2010 年 2 个冷转暖时段内的减幅最显
著,分别高达 22. 6%和 19. 4% .此外,湿地景观的斑
块密度、FS1和 FS2却呈逐年增大趋势,尤其在 20 世
纪 90 年代和 21 世纪初,伴随研究区气候的持续变
暖,特别是 2001—2010 年的大幅度冷转暖,使研究
区湿地景观的这一变化尤为明显,其中,斑块密度指
数增加了 17. 9% , FS1 和 FS2 分别由 1992 年的
0郾 524、0. 269增加到 2010 年的 0. 556、0. 276.气温上
升使湿地的水分和土壤温度升高,引起蒸发量增加,
导致区域地下水位下降,从而使湿地间的水文联系渐
趋弱化,由此引发了黑河中游湿地的景观破碎化.
近年来,伴随黑河分水政策的实施,虽然黑河中
游水量锐减,但农田灌溉面积并没有出现太大降幅,
加之河水灌溉量的减少,使当地居民转向于大量开
采地下水[28-29] .黑河分水造成中游可利用地表水量
减少的同时,也引起区域地表水与地下水的相互转
化减弱,地表水和已渗入地下的污水难以充分稀释、
净化和深层排泄,导致地下水环境恶化,天然水化学
成分因此而改变[30] .由此导致的黑河中游湿地生态
环境的变化还有待于进一步研究.
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作者简介摇 姜朋辉,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事土
地与资源环境变化研究. E鄄mail: jiangph1986@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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