武汉市城市湖泊湿地退化与植被恢复研究

摘要

城市湿地具有重要的生态系统服务功能,然而城市化和基础设施建设等人类活动不断加剧,导致湿地景观面积萎缩,结构破碎,功能下降,严重影响区域可持续发展。湿地保护与恢复已成为当前区域生态可持续发展中所面临的重要问题。本研究在遥感和地理信息系统的支持下,研究了武汉市湿地资源的景观格局变化、湿地植物生物多样性特征,并分析了不同类型湿地资源的退化机制,重点研究了武汉市城市湿地资源的保护与恢复策略。
　　主要结果如下:(1)武汉市城市湿地景观变化以1991-2007年四个时期的Landsat TM影像为基本数据,分析了城市化背景下武汉市湿地景观17年间的动态变化规律。结果表明,武汉市湿地景观逐年减少,平均年减少量为2751.42hm2,年下降率为1.38％。其中1991-1996年湿地景观的年变化率高于武汉市湿地景观近17年间的平均变化率,与建设用地面积相对应。研究时间范围内,自然湿地大量减少,人工湿地略有增加;湖泊湿地是武汉市湿地景观的主要类型,是湿地景观面积减少的直接因素;人工湿地的增加并未改变武汉市湿地面积下降的趋势;城市化进程的加快使得武汉市湿地景观表现出最大斑块占湿地景观面积比和分维数逐渐下降、破碎度升高的趋势。
　　(2)武汉市湿地植物多样性特征武汉市城市湖泊湿生植物资源丰富,本研究共记录武汉市城市湖泊湿地维管束植物82科231属361种(含变种和变型),其中被了植物是主要类型。禾本科(G-ramineae)、菊科(Compositae)、豆科(Leguminosae)和莎草科(Cyperaceae)为优势科。各科在属水平上的分布则比较分散。武汉市湖泊湿地植物属的地理成分复杂,兼有地带性、隐域性和起源上部分古老性的特点,但特有属、种匮乏。其中蕨类植物种类较少,具有非常明显的隐域性特征;种子植物多样性较高,分属于14种地理分布类型,世界分布、泛热带分布和北温带分布3种类型占绝对优势,表现出明显的亚热带湿地植物区系特征。湿地植物生活型中以一年生和多年生草本居多。本文将水分做为武汉市湖泊湿地植物生态适应型的主导因子进行分类调查,结果显示,中生植物的种类(164种)位居首位,占所有种数的45.4％,表明武汉市湖泊湿地维管束植物群落的演替方向为中生植物群落。武汉地区湖泊湿地外来入侵物种普遍存在。外来入侵种包含在12科17属24种内,占全部外来物种(15科23属31种)的77.4％;剩余总数的22.6％基本都是人为引进栽培种。外来植物已经对武汉市湖泊湿地植物的生物多样性和生态系统稳定性构成了极大的威胁。
　　(3)武汉市湿地生态系统退化特征与机制本文从武汉市23个典型城市湖泊湿地的生物退化特征、生境退化特征以及功能退化特征三方面来进行研究,运用综合聚类分析对获取的数据进行处理,重点调查的23个城市湖泊湿地依据退化程度的存在较大差异,可分为三大类,退化程度轻微的湖泊湿地有竹叶海湿地、严东湖湿地、北太子湖湿地、清潭湖湿地,退化程度中度的湖泊湿地有南太子湖湿地、野芷湖湿地、塔子湖湿地、黄家湖湿地、汤逊湖湿地、野湖湿地、青菱湖湿地、龙阳湖湿地、沙湖湿地、南湖湿地、张毕湖湿地、严西湖湿地、墨水湖湿地、北湖湿地、东湖湿地、五加湖湿地、三角湖湿地,退化程度中度的湖泊湿地有内沙湖湿地、紫阳湖。城市化是人类对湿地干扰的重要标志,主要表现为湖泊湿地外环境的土地利用方式的改变。农田的覆盖率和建设用地的覆盖率是退化程度不同的湖泊湿地之间最主要的差别,退化程度越高的湖泊湿地,湖泊周边建设用地覆盖率越高,农田覆盖率越低。退化原因主成分分析表明,围垦、侵占湖泊和外源污染是造成武汉市城市湖泊湿地退化的主要原因。
　　(4)武汉市湖泊湿地分类保护模式所调查的26个湖泊湿地维管束植物的丰富度指数、多样性指数、生态优势度及均匀度指数具有类似的变化趋势,其中内沙湖和外沙湖各项指数最低,而位于郊区的严西湖和汤逊湖等均有较高的多样性,多样性指数存在空间上的差异性,地域性较为明显。湿地典型植物的优势度与丰富度有所差异,变化趋势大体相同,这与总体湿地植物物种丰富度及优势度的特征基本一致。严东湖湿地植物群落沿水分梯度的分布规律充分表明,季节性积水生境的各个群落多样性指标均高于其他生境群落。按照物种丰富度、多样性、优势度、均匀度、湿地植被群丛数目,以及典型湿地植物的物种所占比例、丰富度和优势度的差异,将调查涉及的26个典型湖泊湿地分为原生植被湖泊、次生植被湖泊、人工植被湖泊和退化植被湖泊4类。原生植被湖泊应建立相对严格的湿地保护区,优先保护原有湿地植被。次生植被湖泊最多,城市发展区内的次生植被湖泊应建立30-100m的植被缓冲带,促进植被自然恢复和发育;而农业区的次生植被湖泊应引导和规范湖泊周围的农业生产模式,以减少人类活动干扰。人工植被湖泊应通过建立城市湿地公园,人工促进植被的近自然恢复。而退化植被湖泊则应尽快采用生态工程法促进湿地植被生境改善,并积极开展近自然湿地植被重建与恢复。
　　(5)武汉市典型湿地植物选择及恢复模式本文在对武汉市26个典型城市湖泊湿地高等植物调查的基础上,采用TWINS PAN分类与DCA排序相结合的方法分析了严东湖湿地植物群落的类型和结构,并确定将梁子湖(1998-2002)、东湖(1992-1993)和严东湖湿地植物群落作为武汉市湖泊湿地典型植物群落,指导武汉市湖泊湿地的植被恢复和重建。在武汉地区典型湿地植物其不同的应用价值评价的基础上,结合各湖泊湿地功能特征、环境状况,将所调查湖泊分为生态保护型、景观美化型、经济生产型和综合效益型四种类型分别探讨其恢复模式,并各选择一个典型湖泊,来作为武汉地区典型湿地恢复模式营建的基础场地,以现有的植物群落为基础,提出其湿地植物恢复基本模式,为武汉市湿地生态系统的保护与恢复提供了依据。

目录

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摘要

Abstract

1 前言

1.1 研究背景、目的和意义

1.2 研究综述

1.2.1 湿地分类研究进展

1.2.2 湿地植物多样性研究进展

1.2.3 湿地退化研究进展

1.2.4 湿地恢复研究进展

1.3 主要研究内容

2 研究区概况

2.1 自然地理条件

2.2 社会经济条件

2.3 城市湿地概况

3 研究的技术路线与方法

3.1 研究的技术路线

3.2 研究方法

3.2.1 遥感技术和地理信息系统

3.2.2 武汉市湿地景观格局变化研究

3.2.3 湿地植物多样性研究

3.2.4 湿地退化研究

3.2.5 植物群落分类、排序

4 武汉市湿地景观变化及与城市化进程的耦合关系

4.1 武汉市湿地景观变化

4.1.1 景观水平的湿地变化特征

4.1.2 类型水平的湿地景观变化特征

4.1.3 湿地面积变化与城市化水平的相关性分析

4.2 湿地景观的变化动态

4.3 湿地景观变化转移特征

5 武汉市城市湖泊湿地维管束植物物种多样性特征

5.1 湖泊湿地维管束植物分类特征

5.1.1 湿地植物物种的基本组成特征

5.1.2 植物科水平的多样性分析

5.1.3 植物属水平的多样性分析

5.2 湖泊湿地维管束植物属地理成分特征

5.2.1 蕨类植物属地理成分特征

5.2.2 种子植物属地理成分特征

5.3 外来物种组成

5.4 湖泊湿地维管束植物生态适应特征

5.4.1 生活型特征

5.4.2 生态适应型特征

6 武汉市湖泊湿地退化机制分析

6.1 生物退化特征

6.1.1 外来种及入侵种分析

6.1.2 栽培种

6.1.3 水生植物

6.1.4 湿生植物

6.2 生境退化特征

6.2.1 演替序列

6.2.2 面积变化

6.3 功能退化特征

6.3.1 湖泊水质变化

6.3.2 生物多样性

6.4 各湖泊退化程度综合分类

6.4.1 各湖泊退化程度综合分类结果

6.4.2 综合分类结果与各类单一指标分类结果对比

6.5 武汉市城市湖泊湿地退化原因分析

6.5.1 鱼塘与农田开垦

6.5.2 湖泊湿地的面积缩减

6.5.3 城市化对湖泊湿地退化程度的影响分析

6.5.4 武汉市城市湖泊退化原因的主成分分析

7 武汉市湖泊湿地植被分类保护和恢复

7.1 湖泊湿地维管束植物的多样性特征

7.1.1 植物多样性指数的空间分布特征

7.1.2 植物群落丰富度特征

7.1.3 湿地典型植物种类数量空间变化特征

7.2 典型湿地植物群落沿水分梯度的分布规律

7.2.1 典型湿地植物群落沿水分梯度的分布规律

7.2.2 不同生境典型群落物种多样性比较

7.2.3 典型湿地植物群落水分梯度分布序列

7.3 基于植物多样性特征的湖泊湿地植被分类

7.4 武汉市湖泊湿地植被分类保护与恢复对策

8 武汉市湖泊湿地典型湿地植物选择及典型植被恢复模式

8.1 武汉市湖泊湿地典型湿地植物群落

8.1.1 梁子湖、东湖湿地植物群落

8.1.2 严东湖湿地植物群落

8.2 武汉市湖泊湿地典型湿地植物种评价

8.2.1 净化水体植物种

8.2.2 固堤护岸与水土保持植物种

8.2.3 经济生产植物种

8.2.4 观赏与珍稀植物种

8.2.5 强适应性植物种

8.2.6 其它可应用植物种

8.3 武汉市湖泊湿地典型植被恢复模式

8.3.1 生态保护型湿地植被恢复模式

8.3.2 景观美化型湿地植被恢复模式

8.3.3 经济生产型湿地植被恢复模式

8.3.4 综合效益型湿地植被恢复模式

9 结论与讨论

9.1 研究结论

9.2 讨论与建议

参考文献

研究生期间发表的论文

致谢