溫度變化下哈巴雪山寒溫性灌叢空間格局變化研究

段衛虎，王一凱，黃 誠，周汝良

(西南林業大學，云南 昆明 650224)

溫度變化下哈巴雪山寒溫性灌叢空間格局變化研究

段衛虎，王一凱，黃 誠，周汝良

(西南林業大學，云南 昆明 650224)

摘要：運用ARCGIS軟件將云南省134個氣象站點的30年的平均溫度數據，按溫度梯度插值方法，建立哈巴雪山當前的溫度基線場；依據《第二次氣候變化國家評估報告》中預測21世紀末不同經濟發展情景下中國年均溫在低排放(B1)、中排放(A1B)、高排放(B2)升高幅度，建立不同情境下研究區的溫度場數據；依據《云南植被》、研究區的寒溫性灌叢的斑塊數據和當前溫度基線場，建立寒溫灌叢的溫度分布曲線，并獲取最適宜溫度臨界點。最后結合各個情境下溫度場數據和寒溫灌叢分布臨界點統計各個情境下空間格局的分布并分析其變化趨勢。研究表明：寒溫灌叢有向上遷移的趨勢，同時分布的海拔寬度有所增加，但是分布的面積下降明顯，出現“擠出”效應。

關鍵詞：寒溫灌叢;插值空間;格局變化;預測

1引言

近百年，中國氣溫的上升趨勢與全球是一致的。在1951～2009年，中國地表的平均溫上升了1.38℃，變化速率為0.23℃/10a。由于氣候變暖，自1950年以來，中國絕大多數冰川面積縮小了10%以上，并且20世紀90年代后期冰川退化加速，進而致使干旱區內陸河流的徑流量明顯增加。據估算，青藏高原的凍土面積退化導致每年的釋水量達到了50～110億m3[1]。

氣候變暖對中國的生態系統和生物多樣性產生了明顯的影響。劉丹等[2]對黑龍江1961～2003年植被變化進行研究，結果表明氣候變暖使得興安落葉松、冷杉、云杉和紅杉等樹種的分布區域發生了北移現象。周曉峰等[3]研究發現氣溫上升使岳樺苔原過渡帶寬度增加，岳樺侵入苔原的程度加劇。戴君虎等[4]對山西五臺山的研究發現該地區高山草甸和林線過渡帶植物上移趨勢與同期氣溫上升相關密切。Moseley[5]研究發現云南西北地區灌木入侵高山草甸，并使得研究區群落結構多樣性發生改變。

本文根據中國第二次氣候變化國家評估報告中模擬估算：到21世紀末期中國在B1(低排放)、A1B(中排放)、A2(高排放)經濟發展模式下，平均溫度分別增加2.5℃、3.8℃、4.6℃環境下[1]，對位于滇西北哈巴雪山垂直生態系統中的寒溫性灌叢進行研究，模擬寒溫性灌叢生態系統空間格局變化。

2研究區

哈巴雪山位于香格里拉縣東南部，是喜馬拉雅山造山運動及其以后第四紀構造運動的強烈影響下急劇抬高的高山，經度100°02′~100°14′，緯度27°10′~27°24′，距離香格里拉縣城120km，主峰海拔5396m，海拔最低點為江邊行政村，僅1550m。哈巴雪山因巨大的海拔落差，形成明顯的高山垂直氣候帶，從下到上依次為河谷中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶、高山寒帶、高山冰雪帶多種氣候帶。年均氣溫從金沙河谷的16.5℃下降到哈巴雪山的主峰—8.6℃。年降水量由526mm左右上升到1550mm左右。

哈巴雪山是由森林、灌木、草甸、現代冰川四個一級景觀組成，是完整而典型的森林生態系統。哈巴雪山位于橫斷山區，此處在地質歷史上未曾受第四紀冰川大面積覆蓋的影響，成為動植物的避難所，被公認為是物種保存中心和形成中心，保存著大量的中國和地區特有種，長苞冷杉、大果紅杉、高山松、麗江云杉等是我國特有種，以其為優勢種長苞冷杉林、大果紅杉林、高山松林、麗江云杉林是川西南、藏東南、滇西北的特有植被類型，同時也是橫斷山針葉林的典型代表[6]。

3數據與方法

3.1　數據來源及預處理

本文所用到的數據包括：1980～2010年云南省134個氣象站點30年的氣象數據(數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心)、云南省行政區劃矢量數據、香格里拉縣林業資源二類調查數據、香格里拉縣的SPOT5遙感影像數據、哈巴雪山自然保護區矢量圖(數據來源于哈巴雪山自然保護區管理局)。首先將帶有經緯度坐標的氣象站EXCEL數據導入ARCGIS，生成矢量點數據，并保存為可編輯的矢量點氣象數據。應用SPOT5遙感影像和林業資源二類調查數據進行哈巴雪山寒溫性灌叢范圍提取。

3.2　溫度場數據獲取

哈巴雪山水平方向所跨的經緯度范圍較小，但是垂直方向上海拔差異較大，并且研究區及其周邊的氣象站點，一般直接進行空間插值的方法進行插值獲取的結果與該研究區實際溫度之間存在較大差異，并由于海拔是影響山地溫度的重要因素。根據舒立福等[7]的研究資料，本文基于云南省90m分辨率的DEM數據對云南省134個氣象站點的溫度數據進行海拔梯度插值，并通過哈巴雪山矢量圖剪切，生成研究區的溫度場數據。依據《第二次氣候變化國家評估報告》中預測，到21世紀末，中國年平均溫度在B1、A1B和A2不同的經濟發展模式下分別上升約2.5℃、3.8℃和4.6℃，在ARCGIS 中，在上面插值得到的溫度場基礎上，分別加上2.5℃、3.8℃和4.6℃，獲得不同排放情景的溫度場數據。

3.3　寒溫性灌叢分布區溫度分布統計

首先，將由林業資源二類調查數據和SPOT5獲取的哈巴雪山寒溫性灌叢分布矢量數據導入ARCGIS。應用conversion tools—feature to raster工具，將寒溫性灌叢面狀矢量數據轉換為與溫度數據相同分辨率的柵格數據，并應用conversion tools—raster to point工具，將寒溫性灌叢每個像元柵格數據轉換為對應的矢量點數據。最后應用空間分析工具中的extract by points工具提取每個寒溫性灌叢矢量點數據對應的溫度柵格數據，獲取寒溫性灌叢分布區的溫度分布表格數據。

4數據分析

4.1　寒溫性灌叢分布溫度曲線

由寒溫性灌叢分布區溫度統計預處理獲取了8332個溫度點數據，溫度最小值為-0.9753℃，最大值為9.7044℃，平均值為3.9302℃。利用EXCAL將哈巴雪山解譯中的寒溫性灌叢的溫度分布劃分為110個區間，間隔為0.1℃，范圍有-1～10℃，并統計每個區間的溫度分布頻數。然后將每個區間的頻數除以最大頻數值，將每個區間的頻數化為0～1概率值。由于頻數概率分布成正態分布形狀，利用SPSS軟件對110區間及其對應的頻數概率進行非線性回歸，獲取寒溫性灌叢在溫度上的分布概率曲線函數，如下：

(1)

將哈巴雪山解譯的寒溫性灌叢溫度代入公式(1)中，得到寒溫性灌叢在各個溫度區間的分布概率(R2=0.950)。寒溫性灌叢的解譯溫度分布、預測溫度分布及其誤差的分布如圖1所示。

圖1　寒溫性灌叢實際溫度、預測溫度及其誤差分布

4.2　本世紀末寒溫性灌叢分布預測

查詢《云南植被》,寒溫灌叢分布海拔主要在3800～4300m，還有一些灌叢分布在亞高山(3200～3800m)，這些灌叢大部分是由于久經放牧形成的次生灌叢。本文主要研究海拔在3800～4300m之間的寒溫灌叢，該植被處多雪、多風、寒冷日照常的氣候條件下，年均氣溫在3～5℃，一般均在10℃以下，最冷月在0℃以下[8]。本文將3℃和5℃代入寒溫灌叢溫度分布曲線公式(1)，取兩者概率較小者，作為判斷寒溫灌叢最適宜溫度分布概率臨界點。由計算可知，MIN(F(3),F(5))=0.7489。

利用ARCGIS軟件的柵格計算器工具將哈巴雪山當前溫度場、B1、A1B、A2不同排放下溫度場數據按照公式(1)進行計算，獲得研究區不同情境下的溫度分布概率圖。然后按寒溫灌叢最適宜溫度臨界點0.7489劃分出不同情境下寒溫灌叢的空間分布格局變化。并用區域統計工具計算情景下適宜區域的海拔的最大值、最小值、平均值、寬度，同時統計其適宜面積。統計結果如圖2、表1所示，其中0表示以當前溫度為基準，2.5、3.8、4.6分別表示在當前溫度基準上不同排放情境下，到本世紀末溫度的上升幅度。

圖2　寒溫性灌叢在當下基準溫度、B1、A1B、A2不同排放下的海拔分布

不同情景RANGE/mAREA/km20187144.552.5495113.763.855283.074.452364.42

由圖2可知，到本世紀末，不同溫室氣體排放的情境下，寒溫性灌叢的空間分布海拔最大值(MAX)、最小值(MIN)、平均值(MIN)變化一致，均出現升高趨勢。并且海拔最大值的上升幅度較大，平均值變化次之，最小值變化較小。由表1可知，寒溫性灌叢海拔分布寬度(RANGE)均在當下基準溫度上增加，但是空間分布面積(AREA)卻在下降，并且溫度上升幅度越大，分布面積越小。

總之，基于當下基準溫度，到本世紀末，寒溫灌叢的分布空間有上升遷移趨勢，分布寬度增加，但是由于山體空間有限，寒溫灌叢空間分布面積下降較明顯,顯示了明顯的“擠出”效應。

5結論

(1)本文結合了生態學、統計學和GIS的強大空間分析功能，進行滇西北哈巴雪山寒溫灌叢的基于當前溫度的未來情景變化的空間分布格局預測和變化趨勢分析。發現寒溫灌叢有向高海拔遷移的潛在趨勢，并且空間分布的寬度增加，但是分布的總面積會出現下降趨勢，出現高山植被的“擠出”效應。

(2)本文對寒溫灌叢的預測模型是基于不同情景下的溫度變化因子進行的，但是由于溫度上升、極端氣候發生、病蟲害的發生及其不同土質條件均會對寒溫灌叢的分布造成影響，因此，綜合考慮各種影響植被的生物和非生物因子，對寒溫灌叢未來空間格局和變化趨勢進行更加準確的預測，是未來氣候變化下的高山植被的空間變化研究的趨勢。

參考文獻：

[1]第二次氣候變化國家評估報告編寫委員會.第二次氣候變化國家評估報告[M].北京：科學出版社，2011.

[2]劉丹，那繼海.1961～2003年黑龍江主要樹種的生態地理分布變化[J].氣候變化研究進展，2007，3(2)：100～105.

[3]周曉峰，王曉春.長白山岳樺—苔原過渡帶動態與氣候變化[J].地學前緣，2002,9(1)：227～231.

[4]戴君虎,潘嫄.五臺山高山帶植被對氣候變化的響應[J].第四紀研究，2005.25(2)：226～231.

[5]Moseley R K.Historical landscape change in northwestern Yun-nan[J].China.mountainResearth and Development,2006,26:214~219.

[6]陶晶.云南哈巴雪山自然保護區生物多樣性及保護研究[D].北京：中國林業科學研究院，2010：8~11.

[7]舒立福，周汝良.森林火災監測預警和撲救指揮數字化技術[M].昆明：云南科技出版社，2012：179~185.

[8]吳征鎰，朱彥丞.云南植被[M].北京：科學出版社，1987：535~553.

中圖分類號：Q948

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2015)04-0031-03

通訊作者：周汝良(1963—)，男，云南祥云人，教授，主要從事森林火災、森林病蟲害的監測預警與信息化管理，生物多樣性的監測與信息化管理，“3S”技術的集成與開發等研究。

作者簡介：段衛虎(1988—)，男，西南林業大學碩士研究生。 田秀菊(1971—)，女，遼寧燈塔人，高級工程師，主要從事綜合氣象觀測等業務工作。

收稿日期：2015-03-18 2015-02-03