向海濕地植被生產力與水禽多樣性關系的研究

郭 靜，何春光，姜海波，盛連喜，李連山

（1.東北師范大學國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，吉林 長春 130024；2.吉林向海國家級自然保護區管理局，吉林 通榆 137215）

濕地廣泛分布于世界各地，是地球上最重要的生態系統類型之一.濕地植被與濕地水禽是濕地生態系統的重要組成部分，也是濕地生態系統發揮其生態服務功能的基礎.水禽多樣性是濕地生物多樣性的主要體現，是衡量一個地區濕地生態環境質量和自然保護價值的重要指標之一［1］.水禽多樣性的監測與評估是開展水禽保護的基礎，而目前的監測多以野外實地調查為主，以傳統的多樣性指數來評估其豐富程度.這種方法具有客觀、真實等優點，但也受調查樣點隨機性及樣地面積的影響，存在一定的不確定性；同時，野外調查需要消耗大量的時間、人力和財力，尤其是在大面積的、人類難以接近的地區開展長期的監測，這一問題更為突出.因此，探索一條快速、高效、相對準確的水禽多樣性監測方法，具有極為重要的科學意義和實際應用價值.

衛星遙感數據具有時效高、覆蓋范圍大、成本低等優點，同時易于獲得.利用衛星遙感數據來研究濕地植被生產力的方法已被證實是可行的［2－3］，如果能夠確定濕地植被生產力與水禽多樣性間的關系，就使得利用衛星遙感數據來適時監測和評估水禽的多樣性變化成為可能，這不僅可減少人力、物力，而且節省時間，減少財政資出.根據瀕危水禽、野生動物棲息地的適時動態信息，對評價優先保護區、擬提出濕地保護與恢復規劃等，都將提供可靠的科學依據.

松嫩平原地處中國東北的半干旱區，是我國沼澤濕地集中分布的地區之一.由于該區濕地面積大、類型多、分布廣，現已成為眾多水禽的聚集區，也是東亞—澳大利西亞鳥類遷徙的重要停歇地和繁殖地.該區目前分布多個以濕地水禽及其生境為保護對象的國家級濕地自然保護區，因此，濕地水禽多樣性及生境的動態監測與評估是目前保護區開展保護工作的重要內容［4］.本文以吉林向海國家級自然保護區為研究區，通過衛星遙感影像數據分析和野外實地調查等手段，研究了濕地植被生產力與水禽多樣性之間的關系；探討了通過衛星遙感影像解譯得到的歸一化植被指數（NDVI）與相應地點的水禽多樣性之間存在的顯著的相關性，評估水禽多樣性的變化，為自然保護區開展濕地水禽多樣性及其生境情況動態變化監測與評估提供科技支持.

1 研究區概況與研究方法

1.1 向海自然保護區概況

向海國家級自然保護區位于吉林省通榆縣境內，地理位置為44°55′～45°09′N，122°05′～122°31′E（見圖1），1992年被列為國際重要濕地.保護區總面積為1055km2，其中濕地面積361km2，包括水域125km2和沼澤236km2.保護區年內降水分配不均，年平均蒸發量約為降水量的5倍.向海濕地的水源供應主要來自于霍林河，該河流經內蒙古自治區進入吉林省的西部，全長約590km，進入向海自然保護區后，由于該區地勢平坦，發生漫流，形成“無尾河”.河道周期性泛濫的洪水產生了大面積的濕地，積水較淺，適于蘆葦等水生植物的生存.區內有向海水庫、興隆水庫、堿地泡、付老文泡、愛國泡、黑魚泡等水庫和自然泡沼20多處.在水量豐富的年份，該區具有良好的自然環境，已成為遷徙和繁殖鳥類的重要棲息地，鳥類多樣性極為豐富［5］.

圖1 向海自然保護地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 研究區與調查路線

繁殖季節，鳥類的物種數目及個體數量相對穩定，其豐富度和多樣性信息最能反映棲息地的環境質量狀態.2010年和2011年的7月對研究區的鳥類進行了一周時間的調查，調查區位于霍林河下游向海自然保護區南部鶴類核心區內，面積384km2（16km×24km），占保護區總面積的36%.該區濕地以蘆葦沼澤為主，其他生境主要為草甸、沙丘、灌叢、榆林及少部分農田.調查采用路線法與定點觀察法相結合的方法［6－7］，調查路線主要沿沼澤濕地與沙丘或干草甸交界線由東向西延伸，調查地點依次為堿地泡、鶴島、付老文泡、愛國壩、同發滾水壩，主要路線與觀察點位置見圖2.

圖2 研究區主要路線及調查點布設

1.2.2 水禽多樣性評價

根據《濕地公約》的定義，水禽“是指生態上依賴濕地而生存的鳥類（the birds ecologically dependent on wetlands）”，即某一生活史階段依賴于濕地，且在形態和行為上對濕地形成適應特征的鳥類［8］.它們以濕地為棲息空間，依水而居，或在水中游泳和潛水，或在淺水、灘地與岸邊涉行，或在其上空飛行，以各種特化的喙和獨特的方式在濕地覓食［9］.從類別上主要包括傳統上習稱的雁鴨類、海濱鳥類和涉禽類.除了以上這些類群外，還包括水邊棲息的翠鳥類、猛禽類和雀形目中的一些鳥類.本研究中水禽多樣性評價方法主要采用Shannon－Wiener多樣性指數：

式中：H為Shannon－Wiener多樣性指數；Pi＝ni／N，表示種i的個體數在總個體N 中所占的比例［10］.

Shannon－Wiener指數是衡量生態系統物種多樣性的一個經典指標，一般來講，該指數越高，生態系統的物種越豐富，生態系統越穩定，其維持、繁衍和保護物種多樣性的能力越強.

1.2.2 植物生產力的估算方法

植物生產力是指生物在單位時間所產生的有機物質的量，即生產的速度.目前，全面地測定生物的生產力還有很多困難，因此多以測定綠色植物的生長量來代表植物的生產力［11］.植被指數法是植被質量與數量估算普遍采用的方法之一.其中，歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）與植被空間分布密度、生物量、生產力等相關性很高［2，12］，一般隨生物量的增加而增大.

本文應用植被指數法估算植被生產力.植被指數的獲得具體分為光譜測量及遙感數據估算兩種.

（1）光譜測量.2011年7月于研究區的付老文泡等5個研究地點分別隨機選取3個樣點，使用手持式spectrosense光譜儀進行測量，取樣點數據的平均值.該儀器的測量原理是：同時利用不同波段光傳感器測量被測物的反射、輻射光譜值，利用數據采集器和相應的處理軟件記錄、計算被測物的光譜特性.測量數據通過隨機軟件導出，并可在Excel和Word等軟件直接進行編輯統計，從而得到地表植被的NDVI值.

（2）遙感數據估算.歸一化植被指數（NDVI）在使用遙感圖像進行植被研究以及植物物候研究中得到了廣泛應用.本次研究選用2010年8月及2011年8月的Landsat／TM遙感影像.首先利用ENVI軟件對遙感圖像進行幾何校正，然后將校正后的影像各個波段轉換成反射率，輸入相應的計算公式，將公式與之前在ArcGIS軟件中選定的5個區域進行整合，經公式計算得到各區域內NDVI的平均值及標準差.計算公式如下：

式中：INDVI為歸一化植被指數；Bred為第三波段即紅波段的反射率；Bnir為第四波段即近紅外波段的反射率［3］.為了與水禽觀察地點一致且避免數據量過于龐大，首先在ArcGIS軟件中選取以付老文泡等5個地點為中心、500m為半徑的區域，然后導入ENVI軟件，計算該區域內的NDVI值.

1.3 數據處理和計算

數據采用Excel軟件處理，用SPSS軟件進行相關性分析和回歸分析.

2 結果與分析

2.1 不同年份不同調查地點水禽多樣性的變化

表1描述了近兩年向海自然保護區不同樣點水禽多樣性的變化情況，在5個調查樣點中同發滾水壩及鶴島的水禽多樣性較高，付老文泡、堿地泡及愛國壩的水禽多樣性較低.總體上2011年夏與2010年同期相比，水禽數量明顯上升，種類數及多樣性指數均有所下降.這可能是由于水禽活動范圍較廣，一些種類的水禽（如須浮鷗等）喜歡群體生活，因此隨機性較大；2011年不同種類水禽間的數量差異較大，其多樣性較上一年的有所下降.

表1 不同年份不同調查地點水禽多樣性的變化

2.2 不同年份不同調查地點植被的NDVI值

通過光譜測量及遙感影像解譯對5個研究樣點的植被生產力進行了測量，結果見圖3.NDVI實測值與遙感解譯值相比整體上偏高；不同地點間同發滾水壩的NDVI值最高，即該地區的植被生產力較高，且水量較充足，這除了大氣降水外，主要是上游水庫及時放水，水資源較為豐富；付老文泡由于無水，植被生長較差，該地NDVI值最低，即植被生產力最低.根據遙感解譯結果，2011年研究地區植被生產力較上一年相比偏低.

圖3 不同年份不同調查地點植被的NDVI值

2.3 NDVI實測值與遙感解譯值之間的關系

本研究采用Pearson方法對2011年植被的NDVI實測值與遙感解譯值進行相關性分析（見圖4），可以看出經遙感解譯估算的NDVI值與實測的NDVI值基本相符，可以用來估算不同年份濕地植被生產力的變化情況.

2.4 不同年份水禽多樣性與NDVI之間的關系

圖5、圖6分別反映了2010年夏、2011年夏5個樣地的水禽多樣性指數與歸一化植被指數（NDVI）之間的關系.可以看出：各樣點的Shannon－Wiener指數與對應的NDVI值基本呈正相關，但相關性不顯著.原因可能與水禽統計的隨機誤差有關；也可能是由于當地的人為干擾，包括捕魚、放牧、開荒等導致鳥類飛離，使水鳥的多樣性與植被狀況不符.

圖4 2011年夏NDVI解譯值與實測值關系

圖5 2010年夏水禽多樣性與植被NDVI關系

圖6 2011年夏水禽多樣性與植被NDVI關系

3 討論

水禽多樣性是構成濕地生物多樣性的重要組成部分，已成為確定國際重要濕地的決定性標準之一.水禽往往在植被區停歇、建巢、照顧雛鳥，在水域區捕食、飲水、躲避天敵，植被與水是濕地的主要組成成分，與水禽的生存、分布密切相關，是水禽活動的主要限制因子.向海自然保護區位于吉林省西部，區內河流少、土壤鹽堿化程度高，是土壤退化相當敏感區及土地荒漠化極敏感區［13］.對向海濕地2010年數據的統計分析，以及2011年數據的驗證分析表明：水禽多樣性指數與NDVI整體上呈正線性相關，但線性相關性不夠明顯，即根據遙感影像只能估計水禽多樣性的大致情況而不能對其進行準確判斷.影響這種結果的主要因素可能是由于天氣、交通等因素限制，以及水禽活動具有一定隨機性；同時各樣點調查時間的不一致性，所統計各研究地點的水禽數據不是十分準確所導致的.

另外，外界干擾也對水禽多樣性的調查產生了影響.例如各調查樣點周圍農田斑塊面積、道路覆蓋情況等不同，導致不同調查樣點的干擾形式和強度不一樣［14］，有的地方植被生長狀況和水文條件較好，但外界干擾較多，如放牧、捕魚等，鳥類受干擾后離開，導致調查數據不能反映生境的真實情況.

及時準確地掌握瀕危水禽多樣性、野生動物棲息地的動態信息，對評價優先保護區、擬提出濕地保護與恢復規劃等，都將提供可靠的科學依據.本研究利用衛星遙感影像研究了濕地植被及生境條件，建立關系模型來間接評估濕地水禽的多樣性，方法簡便省時，但目前涉及此方面的國內外研究很少，尚沒有較成功的方法體系，因此仍有必要在減少外界因素限制的前提下進一步開展研究和探討.

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