廟島群島南部島群無居民海島植被凈初級生產力評估

王恩康， 池 源

(國家海洋局 第一海洋研究所， 山東 青島 266061)

廟島群島南部島群無居民海島植被凈初級生產力評估

王恩康， 池 源*

(國家海洋局 第一海洋研究所， 山東 青島 266061)

無居民海島具有顯著的戰略地位和重要的生態價值，植被凈初級生產力(NPP)評估對維護無居民海島生態系統穩定性和活力具有重要意義.以廟島群島南部島群中螳螂島等5個無居民海島為研究對象，通過遙感手段，對海島NPP總量和密度及其空間分布特征進行分析.結果顯示：1) 全年NPP總量為134.22 tC·a-1，平均密度為274.13 gC·m-2·a-1，并表現出明顯的季節差異，各島NPP平均密度由大到小依次為牛砣子島、羊砣子島、螳螂島、南砣子島和擋浪島；2) 不同地表覆蓋類型NPP平均密度由大到小依次為闊葉林、針葉林、草地、建設用地和裸地，各島NPP平均密度與裸地面積占比呈明顯的負相關，區域NPP密度與海拔、坡度、坡向和歸一化植被指數呈顯著正相關；3) 黑松和刺槐是北方無居民海島人工林的理想樹種，持續的人工林種植是提升無居民海島NPP的重要途徑.

無居民海島； 凈初級生產力； 空間分布； 海島人工林

根據是否屬于居民戶籍管理的住址登記地，我國海島可分為有居民海島和無居民海島，其中無居民海島數量眾多，占全國海島總數的90%以上[1].無居民海島是我國海洋國土的重要組成部分，是海洋經濟發展的橋頭堡，是保護海洋環境的重要平臺，也是捍衛國家主權、保障國防安全的重要支撐[2-4].同時，由于無居民海島特殊的地理位置、有限的面積大小和明顯的空間隔離，其生態系統具有顯著的脆弱性特征，主要表現在其更容易受到外界干擾的損害，且難以通過自身調節能力和自組織能力恢復[5-7].凈初級生產力(net primary productivity, NPP)作為碳循環的重要組分，是指植物去除呼吸消耗后剩余光合作用生產的有機質[8].海島NPP不但能夠表征海島植物群落的生產能力[9]，也是反映海島生物棲息地適宜性的基礎因子，是海島生態系統穩定性和活力的重要指標[10].當前，NPP的研究涉及草地、森林、濕地、農田等不同生態系統[11-15]，在人類活動較為劇烈的有居民海島上也有相關研究[10]，但關于無居民海島NPP特征及其空間分布的研究鮮見報道.

以廟島群島南部島群中5個無居民海島為研究區，基于遙感影像和氣象數據，對無居民海島NPP總量、密度及其空間分布進行分析，以期揭示典型無居民海島NPP特征及其主要影響因子，為維護無居民海島生態系統提供參考.

1研究區概況

廟島群島南部島群位于山東半島北側，黃海和渤海交匯處，是我國候鳥遷徙的重要通道和停歇地，是長島國家級自然保護區的重要組成，也是山東省長島縣的政治、人口和經濟中心.擋浪島、螳螂島、羊砣子島、牛砣子島和南砣子島是南部島群中面積較大的5個無居民海島(大于0.05 km2)，其余無居民海島面積較小，植被覆蓋率較低.本文以上述5個無居民海島作為研究對象(圖1).研究區所在區域為溫帶季風氣候區，多年平均氣溫約為12℃，多年平均降水量約為540 mm；海島均為基巖海島，土壤以棕壤土為主，土壤多礫石，土質較差[16]；海島森林均為人工林，包括以黑松為優勢種的針葉林和以刺槐為主的闊葉林，海島人工林外緣分布著天然草地，海島周邊多為裸地.5個無居民海島中，擋浪島和螳螂島位于北長山島和小黑山島之間，其中擋浪島上建有小型碼頭以開展生態旅游，同時擁有燈塔以及太陽能和風能發電設施；螳螂島上建有簡易的養殖看護房和小型風力發電設施.羊砣子島和牛砣子島為廟島附屬海島，位于廟島西側，島上均有養殖看護房；南砣子島為大黑山島附屬海島，位于大黑山島南側，島上同樣建有養殖看護房和小型風力發電裝置.

2材料與方法

2.1數據來源與處理

采用WorldView-1衛星2013年全色波段遙感影像，空間分辨率為0.45 m.通過ArcGIS10.0軟件提取海島輪廓，得到海島面積、周長等基本信息；進而依據人機交互解譯結果，將海島地表覆蓋分為以下5類：針葉林、闊葉林、草地、裸地和建設用地(圖2).2014年7月開展無居民海島繞島勘察，對研究區地表覆蓋類型進行驗證，根據驗證結果校正現有數據.

采用Landsat8衛星4個時期(2013年4月21日、8月11日、11月15日和2014年1月2日，分別代表春夏秋冬四季)無居民海島所在區域的無云影像，空間分辨率為30 m.利用ENVI4.7軟件對影像進行裁切、輻射定標、波段運算得到歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index， NDVI).無居民海島的高程、坡度和坡向，采用2011年公布的Aster GDEM第二版DEM數據，水平分辨率30 m，通過ArcGIS10.0進行提取.

太陽輻射、降雨量、氣溫、相對濕度等氣象數據來自長島縣氣象站和煙臺福山氣象站.

2.2NPP估算

根據CASA模型和相關研究，采用遙感影像和氣象數據估算無居民海島NPP及其空間特征，具體方法如下[10，17]：

NPP(x，t)=APAR(x，t)×ξ(x，t)，

(1)

APAR(x，t)=PAR(x，t)×FPAR(x，t)，

(2)

ξ(x，t)=ft(t)×fw(t)×ξmax，

(3)

式中,NPP(x，t)為x點t月凈初級生產力(gC·m-2·month-1)；APAR(x，t)是指x點t月吸收的光合有效輻射(MJ·m-2·month-1)；ξ(x，t) 表示x點t月的實際光能利用率(gC·MJ-1)；PAR(x，t)為x點t月的光合有效輻射(MJ·m-2·month-1)；FPAR(x，t)為x點t月光合有效輻射吸收比例(%)；ft(t)和fw(t)分別為研究區t月的氣溫脅迫因子和水分脅迫因子(%)；ξmax為最大光能利用率(gC·MJ-1).通過ArcGIS10.0對不同季節的NPP及其空間分布特征進行計算，進而得到全年無居民海島NPP總量、密度及其分布特征；采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)探討不同季節和不同海島NPP密度的差異.

2.3主要影響因子分析

NPP及其空間分布往往受到氣候、植被、地形、土壤等環境因子的影響[10，14-15].本文為小空間尺度的研究，氣溫、水汽壓、太陽總輻射等氣象氣候因子作為NPP估算的重要參數，在整個研究區具有均一性，直接影響NPP的整體特征，但對其空間分布不構成影響，這里不參與影響因子分析；由于無居民海島可達性較差，登島受到各種條件的限制，目前尚未能夠獲取無居民海島的土壤樣品，由鄰近有居民海島的土壤因子分析結果可知，研究區土壤性質表現出明顯的一致性，即含水量和養分均偏低[18]，這使得土壤對NPP空間分布的影響可能較小.本次研究主要分析地表覆蓋類型、植被生長狀況、地形對NPP空間分布的影響.

2.3.1地表覆蓋類型 以上文的地表覆蓋分類為基礎，分析不同地表覆蓋類型中NPP總量和平均密度；采用One-way ANOVA探討不同地表覆蓋類型中NPP密度的差異性.2.3.2植被生長狀況 NDVI能夠準確地反映植被生長狀況[19].統計無居民海島的NDVI及其空間特征，建立每個像元NPP和NDVI的一一對應關系，通過相關分析法探討NDVI與NPP的相關性.

2.3.3地形 采用海拔、坡度和坡向因子，同樣通過相關分析法探討地形與NPP的相關性.其中，坡向原始值為按0～360順時針增大，正北與正南分別為0與180，按向陽性原則，進行標準化，計算公式如下：

(4)

式中，ASx與Ax分別為x點標準化坡向值與原始坡向值.

3結果

3.1NPP估算結果

3.1.1全年NPP5個無居民海島全年NPP總量為134.22tC·a-1，NPP密度在0～656.31gC·m-2·a-1之間，平均密度為274.13gC·m-2·a-1,如圖3所示.

3.1.2不同季節NPP不同季節NPP估算結果見表1和圖4.夏季NPP總量最大，占全年75%以上，其次為春、秋兩季，NPP總量分別占比14.8%和6.9%，而冬季僅占2.0%；One-wayANOVA結果顯示，不同季節NPP密度表現出顯著的差異(P<0.001)，平均密度由大到小依次為夏季、春季、秋季和冬季.

3.1.3 不同海島NPP 不同海島NPP估算結果見表2.各島NPP總量由大到小依次為羊砣子島、螳螂島、南砣子島、牛砣子島和擋浪島；NPP密度也表現出顯著的差異(P<0.01)，將各島依據平均密度由大到小排列為：牛砣子島、羊砣子島、螳螂島、南砣子島和擋浪島.

3.2主要影響因子

3.2.1地表覆蓋類型 不同地表覆蓋類型中， NPP總量最大與最小分別為針葉林(占40%以上)與建設用地(僅占0.3%).NPP密度表現出顯著的差異(P<0.01)，闊葉林NPP平均密度最高，其次為針葉林、草地、建設用地和裸地，如表3所示.

3.2.2NDVI和地形 NPP與NDVI、海拔、坡度和坡向均呈顯著正相關，其中與NDVI的相關系數高達0.886；同時，NDVI與海拔、坡度和坡向也均表現出顯著的正相關關系，如表4所示.

注：**指在0.01水平(雙側)上顯著相關.

4討論與結論

4.1討論4.1.1NPP結果探討 將本文計算的NPP平均密度與其他區域進行對比(見表5)，可以發現，本研究區NPP平均密度略低于全國平均密度324 gC·m-2·a-1，低于廣東省、江蘇省、盤錦市等沿海地區，高于甘肅、青海、西藏.由此可得，廟島群島南部島群的無居民海島NPP平均密度略低于全國的平均水平，高于同緯度的西部地區，但低于東部大陸沿海地區.

4.1.2主要影響因子探討 本研究區以剝蝕山丘為主要地貌特征，存在淡水資源缺乏、土壤貧瘠等問題，加上大風、寒潮等自然擾動，植物生長條件較為惡劣，使得原生林木發育較差，現有林木均為人工林，包括針葉林和闊葉林，分別以黑松和刺槐為優勢種.本文結果顯示針葉林和闊葉林的平均密度分別達483.40 gC·m-2·a-1與336.74 gC·m-2·a-1，表明了黑松和刺槐具有較高的凈初級生產力，對提升海島生態系統穩定性具有重要作用，可作為北方無居民海島人工林建設的理想樹種.

對于有居民海島而言，城鄉建設深刻影響著海島的地表覆蓋和NPP空間特征，已有研究表明，隨著建設用地面積占比的上升，有居民海島NPP平均密度明顯下降[10].對于無居民海島而言，人類開發活動較少，建設用地面積很小，對海島NPP影響不大；然而，不同海島裸地面積占比具有差異，擋浪島、南砣子島、螳螂島裸地面積較大，而牛砣子島、羊砣子島植被茂密，裸地面積較小.圖5顯示了各島NPP平均密度與裸地面積占比(Proportion of Bare Land， POB)呈明顯的負相關，線性擬合系數達0.950.

在大區域或大地形梯度的研究中，地形因子通過改變氣候因子進而影響植被生長[25]，但本研究區的無居民海島面積較小，地形梯度也不甚明顯.地形主要通過影響地表覆蓋類型進而影響NPP，海拔或坡度較低的區域分布于海島邊緣，多為裸地；隨著海拔和坡度的上升，地表覆蓋類型轉變為草地或林地，NPP也明顯上升.坡向經標準化處理后，越接近南向數值越高，也容易獲得更多的太陽輻射，從而促進植物發育[26].NDVI與NPP具有較強的顯著正相關關系，鑒于其獲取通道的便捷性，NDVI可作為無居民海島凈初級生產力長期監測的重要指標.

受面積制約，無居民海島NPP總量較小，但由于其被人類開發利用的程度較低，部分海島林木茂盛，擁有較高的NPP平均密度，而有的海島林木覆蓋率較低，裸地面積較大，海島裸地一部分是由出露巖石構成，同時擁有一定面積的裸土地.無居民海島開發壓力相對較小，可以成為海島NPP的重要提供基地；同時，部分無居民海島尚有較大的NPP提升空間，可通過繼續開展人工林種植來實現海島NPP的提升，進而增強無居民海島生態系統穩定性.

4.2結論

1) 廟島群島南部島群中螳螂島等5個無居民海島全年NPP總量為134.22 t C·a-1，NPP密度在0～656.31 g C·m-2·a-1之間，平均密度為274.13 g C·m-2·a-1.NPP總量和平均密度表現出明顯的季節差異，春季、夏季、秋季和冬季NPP總量分別占14.8%、76.4%、6.9%和2.0%.

2) 按各島NPP總量由大到小排序，依次為羊砣子島、螳螂島、南砣子島、牛砣子島和擋浪島；按NPP平均密度由大到小排序，則為牛砣子島、羊砣子島、螳螂島、南砣子島和擋浪島.

3) 就地表覆蓋類型而言， NPP總量最大和最小的分別是針葉林和建設用地；將地表覆蓋類型按NPP平均密度由大到小排序，則依次為闊葉林、針葉林、草地、建設用地和裸地.各島NPP平均密度與裸地面積占比呈明顯的負相關；區域NPP平均密度與海拔、坡度、坡向和NDVI均呈顯著正相關.

4) 黑松和刺槐是北方無居民海島人工林建設的理想樹種，持續的人工林種植是提升無居民海島NPP的重要途徑.

[1] 周學鋒. 基于建設海洋強國的無居民海島管理研究[J]. 經濟地理， 2014， 34(1): 28-34．

[2] 胡增祥， 徐文君， 高月芬. 我國無居民海島保護與利用對策[J]. 海洋開發與管理， 2004(6): 26-29．

[3] 陳秋明. 基于生態—經濟的無居民海島開發適宜性研究[D]. 廈門：廈門大學， 2009．

[4] 姬厚德， 羅美雪， 楊順良， 等. 無居民海島保護和利用規劃中開發空間的確定方法[J]. 海洋通報， 2016， 35(1):16-20．

[5] 池 源， 石洪華， 郭 振， 等. 海島生態脆弱性的內涵、特征及成因探析[J]. 海洋學報， 2015， 37(12): 93-105．

[6] QIE L， LEE T M， SODHI N S， et al. Dung beetle assemblages on tropical land-bridge islands: small island effect and vulnerable species[J]. Journal of Biogeography， 2011， 38(4):792-804．

[7] KATOVAI E， BURLEY A L， MAYFIELD M M. Understory plant species and functional diversity in the degraded wet tropical forests of Kolombangara Island， Solomon Islands[J]. Biological Conservation， 2012， 145(1): 214-224．

[8] LIETH H， WHITTAKER R H. Primary productivity of the biosphere[M]. New York: Springer Verlag， 1975．

[9] FIELD C B， BEHRENFELD M J， RANDERSON J T， et al. Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components[J]. Science， 1998， 281(5374):237-240．

[10] 池 源， 石洪華， 王曉麗， 等. 廟島群島南五島生態系統凈初級生產力空間分布及其影響因子[J]. 生態學報， 2015， 35(24): 8094-8106．

[11] PARUELO J M， EPSTEI H E ， LAUENROTH W K， et al. A NPP estimates from NDVI for the central grassland region of the United States[J]. Ecology， 1997，78: 953-958．

[12] RUNNING S W， THORNTON P E， NEMANI R， et al. Global terrestrial gross and net primary productivity from the earth observing System[A]//SALA O E， JACKSON R B， MOONEY H A et al. Methods in Ecosystem Science. New York: Springer， 2000: 44-57．

[13] 朱文泉， 潘耀忠， 張錦水. 中國陸地植被凈初級生產力遙感估算[J]. 植物生態學報， 2007， 31(3):413-424．

[14] 龍慧靈， 李曉兵， 王 宏， 等. 內蒙古草原區植被凈初級生產力及其與氣候的關系[J]. 生態學報， 2010， 30(5): 1367-1378．

[15] 王莉雯， 衛亞星. 盤錦濕地凈初級生產力時空分布特征[J]. 生態學報， 2012， 32(19):6006-6015．

[16] 石洪華， 王曉麗， 王 嬡， 等. 北長山島森林喬木層碳儲量及其影響因子[J]. 生態學報， 2013， 33(19): 6363-6372．

[17] POTTER C S， RANDERSON J T， FIELD C B， et al. Terrestrial ecosystem production: a process model based on global satellite and surface data [J]. Global Biogeochemical Cycles， 1993， 7(4):811-841．

[18] CHI Y， SHI H H， WANG X L， et al. Impact factors identification of spatial heterogeneity of herbaceous plant diversity on five southern islands of Miaodao Archipelago in North China[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology， 2016， 34(5): 937-951．

[19] 池 源， 郭 振， 石洪華， 等. 基于森林健康的北長山島人工林生物量[J]. 中國環境科學， 2016， 36(8): 2522-2535．

[20] 羅 艷， 王春林. 基于MODIS NDVI的廣東省陸地生態系統凈初級生產力估算[J]. 生態環境學報，2009， 18(4): 1467-1471．

[21] 王駟鷂， 劉振波. 江蘇省植被凈初級生產力時空分布格局研究[J]. 南京信息工程大學學報(自然科學版)， 2012， 4(4):321-325．

[22] 劉春雨， 董曉峰， 劉英英， 等. 甘肅省凈初級生產力時空變化特征[J]. 中國人口·資源與環境， 2014， 24(1):163-170．

[23] 衛亞星， 王莉雯， 石迎春， 等. 青海省草地資源凈初級生產力遙感監測[J]. 地理科學， 2012， 32(5):621-627．

[24] 張鐿鋰， 祁 威， 周才平， 等. 青藏高原高寒草地凈初級生產力(NPP)時空分異[J]. 地理學報， 2013， 68(9):1197-1211．

[25] CURRIE J D， PAQUIN V .Large-scale biogeographical patterns of species richness of trees[J]. Nature， 1987， 329: 326-327．

[26] 江 源， 黃曉霞， 劉全儒， 等. 五臺山高山、亞高山草甸植物多樣性格局分析[J]. 北京師范大學學報(自然科學版)， 2009， 45(1):91-95.

Evaluation of vegetation net primary productivity on uninhabited islands in southern Miaodao Archipelago in China

WANG Enkang， CHI Yuan

(The First Institute of Oceanography， State Oceanic Administration， Qingdao， Shandong 266061)

There are important strategic functions and ecological values in uninhabited islands， and the evaluation on vegetation net primary productivity (NPP) is of great significances for maintaining the stability and vitality island ecosystem. Five uninhabited islands in southern Miaodao Archipelago， typical islands in North China， were used as the study area. The NPP and spatial distribution of these islands were analyzed based on the method of Remote Sensing. The results indicated that the total amount of NPP of the study area reached 134.22 tC·a-1， with the mean density of 274.13 gC·m-2·a-1， and the NPP differed greatly in different seasons; the mean densities of NPP of the five islands showed the descending order as Niutuozi Island， Yangtuozi Island， Tanglang Island， Nantuozi Island and Danglang Island. The land cover types included broad-leaf forest， coniferous forest， grassland， construction land and bare land in the descending order of the mean density of NPP， and the mean densities of NPP on different islands were negatively associated with the proportion of bare land; the mean densities of NPP in the study area were positively associated with altitude， slope， aspect and normalized difference vegetation index (NDVI). Pinus thunbergii and Robinia pseudoacacia are ideal tree species for island plantation in North China， and continuous plantation is one of important measures to improve the NPP of uninhabited islands．

uninhabited islands; net primary productivity; spatial distribution; island plantation

2016-10-08.

國家海洋局海洋公益性行業科研專項經費項目(201505012); 中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(2015G13)．

1000-1190(2017)02-0195-08

P76; X87

A

*通訊聯系人. E-mail: chiyuan1988@163.com.