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被誉为“地球之肾”的湿地生态系统在地球环境健康发展和生物多样性保护等方面具有重要的作用。湿地景观及其植被演替是气候、水文、地形、土壤和人为干扰活动等多种影响要素共同作用的结果。对于作为滨海湿地的黄河三角洲海岸带,工程影响使得原本脆弱的黄河三角洲湿地生态系统退化加剧。因此,本文在人工堤坝影响的背景下,分析海岸带景观格局及其时空变化规律,揭示堤坝工程影响下的土壤和植被的变化模式,并模拟其影响下的植被景观演替动态。该研究对该区域的湿地保护和可持续发展具有重要的现实意义。同时,考虑工程干扰的湿地植被景观演替动态模拟有助于深入认识滨海湿地生态系统的变化过程和作用机制,也是对湿地干扰要素的定量化表达和湿地植被景观演替模拟方法的探索。
本文以多源多时序遥感数据、野外调查数据和基础地理信息为数据基础,以景观格局分析方法、CCA排序、变量分解方法以及地学统计为研究方法,以GIS空间分析和RS图像处理为技术支持,综合运用元胞自动机和多智能体的模拟平台,对人工堤坝影响下的海岸带景观格局及时空变化模式、植被-环境关系进行研究,揭示堤坝影响下的生态特征与变化规律,最后实现堤坝工程影响下的湿地植被演替动态模拟。主要研究工作及结论如下:
(1)分析了海岸带景观格局及时空变化。将研究区湿地景观分为6种自然湿地景观和4种人工湿地景观。湿地景观总面积呈现降低趋势。湿地退化是景观变化的主要形式。1984-2010年,滩涂、芦苇沼泽和养殖盐田三种典型湿地质心位移轨迹规律与各时期的堤坝兴建呈现出强相关性。分区单元的景观格局指数时序分析显示,随着人工堤坝的修建,封闭型区域景观破碎化程度加剧。
(2)建立了植被分布-环境要素关系。基于筛选出的13个环境因子,用CCA排序分析整个研究区的植被环境关系,研究表明表层全盐含量、表层速效钾含量、高程和距海距离对植被分布的影响大。并运用变量分解方法分析了有堤区内植被分布与环境因子的关系,对土壤属性组、地形因子组和堤坝因子组的解释量进行了分解。单组分变量中,堤坝因子的解释量比重为14.7%,高于土壤属性组,并且土壤属性、地形因子和堤坝因子的交互效应均大于其他任意两组。
(3)分析了堤坝影响下的土壤属性变化特征。距海远近梯度上,随离海距离的增加,土壤盐分呈递减趋势,递减率是无堤区的2倍多。从时间上看,堤坝建成25年后的表层全盐含量随梯度的递减率约为建成15年后全盐递减率的1/2。随着堤坝建成时间的增长,全氮含量梯度变化的线性递增趋缓,速效钾含量降低,随梯度线性递减趋缓。五号桩区域受到多条封闭堤坝的影响,速效钾的梯度变化呈非线性。
(4)分析了堤坝影响下的植被生态特征。人工堤坝的影响加速植被的顺向演替。基于不同区域的堤外和堤内、不同堤坝数目梯度上以及同—区域有堤区和无堤区的植被采样数据,统计分析植物生态特征参数。结果表明,由海向陆方向上平行于海岸线的第1道堤坝150m缓冲区范围内,堤内物种丰富度和植被覆盖度均高于堤外,其平均值分别高出66.7%和30.0%。前3道堤坝的影响下,盐生植被比例随平行海岸的堤坝数线性递减的斜率的绝对值平均为28.9。北部区域在距海远近梯度上,随着离海距离的增加,植被覆盖度增加,且有堤区植被覆盖度始终高于无堤区;有堤区与无堤区相比,盐生植被比例较低,且随着堤坝的出现迅速降低,而无堤区降低缓慢。
(5)建立了海岸带植被景观演替动态模拟模型。以一千二自然保护区的中心区域为实验区,以土壤表层全氮含量、速效钾、PH值、全盐含量、高程和距海岸线距离6个环境要素层和人工堤坝层为模型输入,基于元胞自动机和多智能体尝试性的构建了海岸带植被景观演替模型。模型总精度为72.65%,基本能够反映真实的植被演替情况。