近30年河北大海陀自然保護區山地草甸植被(NDVI)變化及其對氣候的響應

宋 超,余琦殷,邢韶華,*,武占軍,李永霞,任志和,劉永勝

1 北京林業大學自然保護區學院,北京 100083 2 國家林業局經濟發展研究中心,北京 100714 3 河北大海陀自然保護區管理處,赤城 075599

全球氣候變暖引起了全球平均氣溫上升、降雨格局的改變,這些環境因子的變化又以不同程度不同方式影響著地上植物群落結構、物候變化以及地表和土壤微環境[1]。植被是陸地生態系統的主體之一,其生長狀況與其所處環境密切相關,如氣候、水質和地形等環境因子。氣候變化改變了植物的生長環境,從而影響到了植被的生長狀況[2]。國內外學者已開展了大量關于植被動態變化的研究,其研究方法主要為以下兩種：一、傳統野外調查與觀測;二、遙感植被監測。傳統野外調查方法有利于獲取多種植被類型的詳細生長數據,其研究內容較為豐富,但調查所需時間長且費力,造成經濟成本較高,且地理范圍和時間序列有限,不同調查人員收集的數據類型和可靠性存在差異,因此傳統野外調查方法很難應用于監測大區域尺度上的植被動態變化[3]。自20世紀70年代,衛星遙感技術的迅速發展,為解決上述問題提供了良好的契機[3- 4]。遙感影像具有覆蓋面積大,實時性、周期性、準確可靠性等優點,能夠從景觀尺度上來定量監測土地利用的變化,為解決當前資源與環境之間的問題提供了有力的技術支撐,已被廣泛應用于大區域尺度的植被動態變化研究中[5]。國內外學者對植被與氣候變化之間的關系研究較多,時間尺度為目前國際常用的時間序列,主要基于歸一化差值植被指數(NDVI)數據研究不同植被類型對氣候變化的響應[6- 7]。

草甸是以多年生、中生草本植物為主體的群落類型[8]。在草甸植被的研究中,國內學者通常以NDVI為表征,探討草甸植被的變化趨勢及其對氣候變化的響應機制,以掌握不同地區草甸植被的演變趨勢[9- 11],研究區域主要在我國西部典型草原草甸分布區。河北大海陀自然保護區山地草甸與我國西部草甸地區相比每年6—8月平均降水量和平均氣溫相對較高,在這種水分和溫度相對充足的情況下,草甸植被的變化及其對氣候變化的響應如何尚沒有太多研究與報道。本研究以草甸植被的NDVI為特征指標,研究河北大海陀自然保護區山地草甸植被變化以及其對氣候變化的響應,為進一步探討我國東部地區山地草甸植被變化其對氣候變化的響應機制提供支撐。

1 研究區域

河北大海陀國家級自然保護區地處河北省赤城縣西南部,其地理坐標為115°42′57″—115°57′0″E, 40°32′14″—40°41′40″N,總面積12634hm2[12],主峰為海陀山,海拔2241m[13],是河北赤城縣與北京市的分界嶺[6]。

河北大海陀自然保護區地處暖溫帶的中山地區,屬于東亞大陸性季風氣候區,受地理位置影響,該區形成的地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林。山地草甸分布于2000m以上,主要成分為多年生雜草,主要包括薹草屬(Carex)、早熟禾屬(Poa)、罌粟屬(Papaver)、風毛菊屬(Saussurea)、金蓮花屬(Trollius)、銀蓮花屬(Anemone)、馬先蒿屬(Pedicularis)、梅花草屬(Parnassia)等[6,14]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

數據主要包括大海陀自然保護區近30年的TM遙感影像數據;赤城縣1980—2015年的氣候數據,包括年平均氣溫、7月份平均氣溫、1月份平均氣溫、年降水量、6—8月平均降水量等多個氣候指標;大海陀自然保護區及周邊地區的地形數據等[6]。

自然保護區遙感影像資料從地理空間數據云(www.gscloud.cn)中下載獲得,使用LANDSAT系列數據,該系列數據每16天循環掃描一次[6]。具體選擇的遙感數據見表1。

地形數據來地理空間數據云的GDEMDEM- 30M分辨率數字高程數據[6]。

近36年的溫度和降水數據均采用國家氣象局發布的數據,溫度和降水數據取自1980—2015年逐年的1km2柵格數據[6]。

表1 遙感數據基本信息

2.2 數據處理

2.2.1 歸一化差值植被指數的計算

歸一化差值植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是反映植被覆蓋的一個重要指數,其時間序列的變化對應著植被的生長和變化[15]。NDVI是遙感估算植被覆蓋度研究中最常用的植被指數,為植物生物生長狀態及植被空間分布密度的最佳指示因子,與植被分布密度呈線性相關,長期用作監測植被變化情況[16]。NDVI對土壤背景的變化較為敏感,檢測植被覆蓋度的幅度較寬,當植被覆蓋度小于15%時,土壤背景與植被可以區分開;當植被覆蓋度為25%—80%時,NDVI值隨植被覆蓋度的增大呈線性增加;當植被覆蓋度大于80%時,NDVI的檢測能力逐步下降[6,17]。

根據實地調查結果,草甸主要位于大海陀自然保護區海拔2000m以上的地區,通過GDEMDEM- 30M 分辨率數字高程數據提取該范圍矢量文件,并裁剪計算平均NDVI值[6]。

(1)

式中,R指紅色波段,NIR指紅外波段,其中在Landsat4- 5 TM分別為Band3、Band4;在Landsat 8 OLI_TRIS分別為Band4、Band5。由于季節對NDVI指數的影響,各年度選用相同的月份用于NDVI指數計算,根據遙感影像云量、草甸長勢各月份間長勢情況,選取8月底至9月下旬的遙感數據,共計12a[6]。

統計大海陀自然保護區海拔2000m以上地區的平均NDVI值,采用Office Excel與SPSS 20.0統計分析軟件進行數據分析,然后利用滑動平均法對數據進行處理,得到NDVI值的變化趨勢。NDVI取值范圍為-1—1,其中NDVI≤0說明無植被覆蓋,NDVI>0時有植被覆蓋,且值越大,植被覆蓋度越高,植被生長狀況越好[6]。

2.2.2 氣候變化數據整理與分析

運用ArcGIS將收集到的溫度和降水數據轉換成面數據,采用Office Excel與SPSS 20.0統計分析軟件進行單年區域加權平均和多年滑動平均處理,得出溫度和降水量的變化趨勢;運用基于秩的非參數Mann-Kendall統計檢驗方法(以下簡稱M-K檢驗法)計算溫度和降水量變化趨勢是否明顯。

(1)滑動平均法

滑動平均法能夠精確地表示測量結果,抑制隨機誤差產生的影響?；瑒悠骄词菍Ψ瞧椒€的數據,在適當的小區間上視為接近平穩,從而計算局部的平均,以減小隨機起伏誤差,以此類推,沿全長N個數據逐一在小區間上進行不斷的局部平局,即可得出較平滑的結果[18]。滑動平均法常被用于氣候數據的分析,根據前人研究經驗[19- 20],本文選取5年滑動平均法[6]。

滑動平均法為沿全長N個數據,不斷逐一滑動取m個相鄰數據進行加權平均運算,得出平滑數據,其一般算式為：

(2)

運用統計學方法一元線性方程定量描述氣候因子的回歸變化趨勢,即以年代為時間因子,計算保護區的年均溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫、年降水量、6—8月平均降水量的滑動平均數據的線性趨勢。以年份為自變量,要素(氣溫、降水量)分別為因變量,建立一元回歸方程對要素和年份數據進行線性回歸分析,計算直線的擬合斜率b和相關系數R值。用xi為第i年要素(氣溫、降水量),用Ti表示xi所對應的時間,建立一元線性回歸模型：

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(3)

(4)

(5)

式中,a為截距,b為斜率(變化趨勢),a和b運用最小二乘法估計。當斜率b>0時,說明該要素變化隨年度呈上升趨勢;若b<0時,說明該要素變化隨年度呈下降趨勢[6]。

(2)M-K檢驗法

該方法常用于水質、徑流量、溫度、降水等時間序列變化趨勢的顯著性檢驗,主要是通過計算統計量τ,方差σt2和標準化變量M,來判斷序列趨勢是否顯著[21- 24]：

(6)

(7)

(8)

式中,S為序列中數值間i1.96,說明變化顯著;當取α=0.01的顯著水平時,若|M|>2.58,說明變化極顯著;M值為正,表明具有上升或增加趨勢,M值為負,則意味著下降或減少的趨勢[6]。

2.2.3 影響草甸變化的因素分析

地理要素之間做相關分析主要目的是揭示各要素之間的密切程度,而這種密切程度的測定,則要通過計算它們之間的相關系數并檢驗來進行[6]。

(1)相關性分析

相關分析是考量兩個連續變量之間的相關關系,實際對任何類型的變量,都可以運用相關的指標分析兩者之間的相關關系,它能以數字方式準確地描述變量間的線性相關程度[6]。

Spearman秩相關系數是基于各因子間秩的大小,屬于非參數檢驗,其表達式為：

(9)

式中,rs(i,j)為Spearman秩相關系數;n為因子總年數;dk=(xik-xjk),xik和xjk分別為因子i和因子j在k年份中的重要值[6]。

(2)偏相關分析

偏相關系數是在對其他變量影響進行控制的條件下,衡量多個變量中某兩個變量之間的線性相關程度的指標。通過偏相關系數與相關系數的比較,來確定兩個變量之間的內在線性聯系會更真實、更可靠[25]。偏相關分析的計算方法是：先計算3個因子間的相關系數,然后通過3個簡單相關系數來計算偏相關系數。其公式為：

(10)

式中，rij(k)就是在控制了k因子影響所計算的因子i和因子j之間的偏相關系數;rij、rik、rjk分別是i、j、k3個因子之間的兩兩簡單相關系數[6]。

3 結果分析

3.1 草甸植被NDVI變化

圖1 大海陀自然保護區草甸NDVI指數Fig.1 The NDVI index of Dahaituo Nature Reserve meadow

討論NDVI變化特征時,生長值的峰值作為常用的特征量之一,能很好地反映植被生長發育程度和未來發展趨勢等[26],故選取8月底至9月下旬植被生長狀況較好時段的遙感影像進行分析[6](表1)。

由大海陀自然保護區1987—2015年間選取的12年的草甸植被NDVI指數變化趨勢圖(圖1)可以看出,草甸植被NDVI在1987—2004年呈現小幅持續增加的趨勢,在2004—2015年間呈下降趨勢,NDVI值在2004年達到最高值0.58,隨后逐漸下降,在2013年達到了最低值0.23[6]。

3.2 區域氣候變化

3.2.1 降水量變化

為了獲取研究期(1980—2015年)內大海陀自然保護區的降水量變化,采用統計學方法計算了該時期的年降水量及6—8月平均降水量,結果如圖2、圖3所示[6]。

圖2 1980—2015年大海陀自然保護區6—8月平均降水量變化趨勢Fig.2 The change trend of average precipitation in June to August in Dahaituo Nature Reserve meadow during 1980 to 2015

圖3 1980—2015年大海陀自然保護區年降水量變化趨勢Fig.3 The change trend of annual precipitation in Dahaituo Nature Reserve meadow during 1980 to 2015

從圖2、圖3中可以看出,大海陀自然保護區草甸區域近36年的年降水量變化整體表現為波動循環的趨勢,且總體略有上升,其間伴隨有小幅波動。其中年降水量2007年最低,為619.48mm;2000年最高,達1356.35mm;6—8月平均降水量2007年最低,為102.46mm;1997年最高,達230.79mm[6]。

從年代變化來看,1980—1991年降水量平均為915.04mm,1992—2003年降水量平均為950.92mm,2004—2015年降水量平均為912.42mm,長期變化的趨勢并不明顯[6]。

經M-K檢驗法檢驗,M(年降水量)=0.74<1.94,M(6—8月平均降水量)=1.20<1.94,均未達到顯著水平,也說明了大海陀自然保護區年降水量和6—8月平均降水量在近36年的時間序列上變化不顯著[6]。

3.2.2 氣溫變化

(1)年均溫變化趨勢

1980—2015年大海陀自然保護區草甸氣溫變化趨勢如圖4所示。近36年該地區的平均氣溫為6.47℃,年平均增溫速率為0.55℃/10a。從年代變化來看,1980—1991年均溫為5.92℃,1992—2003年均溫為6.14℃,2004—2015年均溫為7.34℃;其中雖然在1980—1991年間有階段性下降的趨勢,但從總體來看仍呈階段性上升的趨勢,期間的最高年均溫為7.95℃,出現在2007年;最低年均溫為5.02℃,出現在1980年[6]。

經M-K檢驗法檢驗,M(年均溫)=4.54>2.58,到達了極顯著水平(P<0.01),說明了該地區的氣溫上升趨勢極顯著,與全球變暖的趨勢較為一致[6]。

圖4 1980—2015年大海陀自然保護區年均溫變化趨勢Fig.4 The change trend of average annual temperature in Dahaituo Nature Reserve meadow during 1980 to 2015

(2) 1月、7月平均氣溫變化趨勢

圖5、圖6為大海陀自然保護區草甸1月、7月的平均氣溫變化趨勢。該地區1月、7月的月平均氣溫均呈現出了上升的趨勢,1月平均氣溫的上升趨勢明顯高于7月平均氣溫的上升趨勢,1月的氣溫增溫速率為0.76℃/10a;7月氣溫增溫速率為0.27℃/10a[6]。

經M-K檢驗法檢驗,M(1月均溫)=2.10>1.94,M(7月均溫)=0.65<1.94,其中1月平均氣溫的變化到達了顯著水平(P<0.05),說明了該地區的氣溫上升趨勢主要由以1月為主的冬季升高而引起[6]。

圖5 1980—2015年大海陀自然保護區1月份平均氣溫變化趨勢Fig.5 The change trend of average temperature in January in Dahaituo Nature Reserve meadow during 1980 to 2015

圖6 1980—2015年大海陀自然保護區7月份平均氣溫變化趨勢Fig.6 The change trend of average temperature in July in Dahaituo Nature Reserve meadow during 1980 to 2015

3.3 草甸植被NDVI與氣候變化的關系

3.3.1 草甸植被NDVI與氣候變化的相關分析

分別將草甸植被NDVI值與降水量、溫度等環境因子作相關分析,結果見表2。

表2 草甸植被NDVI與環境因子的相關性分析

*P<0.05;**P<0.01

在Spearman秩相關分析中可以看出,草甸植被NDVI與溫度均呈負相關,且與年均溫及1月均溫達到了顯著相關水平(P<0.05);且相比之下,1月均溫的顯著性指數達到了-0.769。說明當年的年均溫越低,草甸植被NDVI指數越高,草甸植被生長狀況越好,且主要受1月均溫的影響,受7月均溫的影響較小[6]。

草甸植被NDVI與年降水量、6—8月平均降水量均呈正相關,但均不顯著。

3.3.2 草甸植被NDVI與氣候變化的偏相關分析

分別將代表草甸植被NDVI與降水量、年均溫等環境因子的變化作偏相關分析,分別控制變量年均溫和年降水量,對草甸植被NDVI變化進行分析(表3),可以看出,草甸植被NDVI與年均溫的偏相關系數為-0.738,通過P<0.01的顯著性水平檢驗,且負相關程度大于未作偏相關分析的相關系數,說明排除了年降水量影響后,年均溫與草甸植被NDVI的相關程度更加明顯;草甸植被NDVI與年降水量變化的偏相關系數為-0.249,未通過顯著性水平檢驗,說明草甸植被NDVI與同期降水量屬于不顯著的負相關[6]。

表3 草甸植被NDVI與環境因子偏相關分析

4 結論與討論

4.1 結論

(1)大海陀自然保護區草甸植被NDVI值呈先上升后下降趨勢,在2004年達到最高值0.58,在2013年降到最低值0.23。

(2)大海陀自然保護區草甸區域的降水量、6—8月平均降水量呈波動循壞趨勢,總體略有上升,但均未達到顯著水平。該地區年均降水量為915.04mm,在2000年年降水量達到最高值1356.35mm,在2007年年降水量降到最低值201.46mm。

通過Spearman秩相關分析,草甸植被NDVI與年降水量、6—8月平均降水量呈正相關,但均不顯著。通過偏相關分析,草甸植被NDVI與年降水量變化的偏相關系數為-0.249,未通過顯著性檢驗,為不顯著負相關關系。

(3)大海陀自然保護區草甸區域的年均溫、1月平均氣溫、7月平均氣溫均呈上升趨勢,其中年均溫達到極顯著水平,1月平均氣溫達到顯著水平。該地區年均溫為6.47℃,在2007年,年均溫達到最高值7.95℃,在1980年年均溫達到最低值5.02℃。

通過Spearman秩相關分析,草甸植被NDVI與溫度均呈負相關,且與年均溫及1月平均氣溫為顯著負相關。說明當年的年均溫越低,草甸植被NDVI指數越高,草甸植被生長狀況越好,且主要受1月均溫的影響,受7月均溫的影響較小。通過偏相關分析,草甸植被NDVI與年均溫的偏相關系數為-0.738,通過顯著性檢驗,說明排除了年降水量影響后,年均溫與草甸植被NDVI的相關程度更加明顯。

4.2 討論

在山地自然生態系統中,地形因子能影響溫度和降水的再分配,一般而言,隨著海拔高度的上升,氣溫逐漸降低,降水量和相對濕度呈增加趨勢。植被生長在低海拔地區主要受到水分條件的限制,降水量的增加將促進植被的生長,在高海拔區域,植被生長會受到熱量條件的限制,溫度上升,或者溫度上升和降水量增加共同改善了植被的生長條件,有利于植被生長[27- 28]。根據以上研究中對草甸所在區域海拔的劃分,本研究中大海陀自然保護區草甸分布區屬于低海拔地區,近30年來,降水沒有顯著變化,草甸植被NDVI與年降水量也沒有顯著的相關性,但卻與年均溫表現為負相關性,在降水量不變的情況下,僅溫度升高,反而對草甸植被的生長具有抑制作用,即年均溫升高,NDVI指數降低。有學者在對我國東北多年凍土區植被 NDVI的研究后認為,伴隨著氣溫的顯著升高和降水量下降,植被 NDVI 顯著下降,降水量是影響植被 NDVI 的主要因子[15],這與本研究得出的結果類似[6]。

姚玉璧等人在對甘肅瑪曲縣亞高山草甸研究后,發現山地草甸類草地植被從返青到分蘗期,氣溫對草地牧草產量形成正效應,拔節到抽穗期牧草產量對溫度變化敏感,開花到籽實成熟期,熱量對牧草產量的影響由正效應轉向負效應,在籽實成熟期牧草產量形成對氣溫變化進入第二個敏感期;除籽實成熟期降水量對牧草產量形成為負相關外,其余時段降水量對牧草產量形成均為正效應[29],本研究選取8月底至9月下旬草甸遙感影像資料,根據姚玉璧的草甸植被生長期分類,大海陀自然保護區草甸在8月底至9月下旬為籽實期至黃枯期,溫度對牧草產量影響為負效應,與本研究得出的結論一致[6]。

在對我國東部草甸所在地區的植被覆蓋變化研究中,張建亮等人對長白山地區的的研究中采用了7—8月份NDVI,發現植被變化受氣溫的影響程度均強于降雨,溫度的波動對植被的影響更為敏感[30- 31]。黃曉霞等人對小五臺亞高山草甸的研究中,從景觀格局的角度研究發現,制約草甸群落分布的最為重要的條件是熱量狀況,其次是水分條件的影響[32]。這些與本研究得出的結論一致。

大海陀自然保護區草甸的植被變化除了受降雨量和溫度等氣象因子影響外,與旅游活動等人為因素有一定關系。隨著當地政府對保護區的保護力度加大,草甸植被逐步改善,大海陀自然保護區于2003年被評為國家級自然保護區。同時,當地政府加大了保護區的投資開發力度,大海陀逐漸成為北京周邊旅游的熱門地區之一,草甸成為游人活動的集中區域[33]。但由于地處相對偏僻,社會經濟發展比較落后,對旅游的管理落后,缺乏科學規劃和專業人員,可能成為導致草甸植被生長狀況出現逐步下降的因素之一。

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