大九湖泥炭蘚沼澤植被指數(shù)時空變化研究

張 唯，張振澤，劉福江*，梁天欣

（1. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

泥炭蘚沼澤（sphagnum swamp）經(jīng)過長時間的生長積累，可以將大氣碳以平均每年每平方米12～23 g的速度固定[1]。盡管泥炭蘚沼澤僅僅擁有相當(dāng)于地球陸地表面的3%的覆蓋面積[2]，但其儲存了地球上約1/3的碳源[3]。而泥炭蘚(Sphagnum)作為泥炭蘚沼澤的優(yōu)勢物種，每年固定的碳[4]要遠多于其他世界陸生植物積累的碳[5]。趙素婷[6]等于2011年中旬對大鄂西亞高山區(qū)泥炭蘚沼澤開展了深入研究，并考察了該地區(qū)的高級植被群類型多樣性，對大九湖泥碳蘚沼澤在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定領(lǐng)域的重要作用，以及主要植被群叢種類等做出了判斷和研究。因此對泥炭蘚沼澤植被生長趨勢以及長時間序列變化監(jiān)測是了解氣候變化對泥炭蘚沼澤影響、預(yù)估未來泥炭蘚沼澤如何變化、檢測生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的有效工具［7］。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）作為應(yīng)用最廣泛的指數(shù)之一，能對較大空間范圍內(nèi)的植被生長狀況進行監(jiān)測。Boelman[8]等以由泥炭蘚組成的苔原植物種群為主要研究目標(biāo)，研究成果指出，NDVI在控制南北極苔原植物的生物量年際變動過程中具有優(yōu)異的作用。同時，NDVI 是評價植被生長狀況的重要指標(biāo)，對氣候變化極為敏感[9-10]。利用NDVI在時間和空間尺度上監(jiān)測植被生長狀況并研究其對氣溫和降水的響應(yīng)已成為當(dāng)前研究的熱點之一。馬蓉[11]等研究發(fā)現(xiàn)中國溫帶草原植被生長季NDVI 在1982—2015年總體呈增加趨勢；生長季內(nèi)，降水是最重要的影響因子。袁雷[12]等研究發(fā)現(xiàn)羌塘國家級自然保護區(qū)生長季NDVI 隨時間變化呈變好趨勢，氣溫與降水對NDVI 都有重要的正向影響。因此，有必要針對不同的研究區(qū)域，具體分析其NDVI與溫度、降水等氣象條件的相關(guān)性變化特征。

大九湖泥地區(qū)隨著人類活動的加劇和氣候變化，使得在1986—2005年該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境受到了影響，在近十幾年該地區(qū)政府出臺了一系列的保護政策，使得該地區(qū)生態(tài)得到改善。在上述長時間的變化中，對泥炭蘚沼澤植被生長狀況發(fā)生的變化研究仍然匱乏；對該地區(qū)植被指數(shù)變化對氣溫、降水響應(yīng)特征的認(rèn)識不系統(tǒng)。基于該現(xiàn)狀，本文利用Landsat 系列數(shù)據(jù)獲取時序NDVI 特征，并結(jié)合氣溫、降水資料，研究了1986—2021年大九湖泥炭蘚沼澤地區(qū)的時空變化特征，為指導(dǎo)后續(xù)對泥炭蘚沼澤植被保護提供科學(xué)依據(jù)，為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)展提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

大九湖濕地公園（109°56～110°11'E、31°34'～31°33'N）為亞高山濕地公園，位于神農(nóng)架國家級自然保護區(qū)西部。由于研究區(qū)附近隆起地形的阻隔作用，以及長時間以來的植被發(fā)育，在研究區(qū)內(nèi)形成了湖北省特有的、保存最為完整的、全球罕見的中緯度亞高山沼澤濕地，主要包括濕生泥炭沼澤、濕生草本沼澤以及湖泊等濕地類型[13]。其中，泥炭層深達2 m，尤其是研究區(qū)主要地帶（110°0′ 09.91″ E，31°29′ 30.2″ N）存在著覆蓋度接近百分百的泥炭蘚。

當(dāng)?shù)卣?986年至2001年對濕地內(nèi)的天然河道進行了矯正，加大了疏通落水孔的力度，并且實施了開溝排水工程，開通了主要的南北運河。2002年以來，當(dāng)?shù)卣恼猩桃Y導(dǎo)致外來商人將大九湖區(qū)域開發(fā)為各種經(jīng)濟作物的種植基地，使得濕地生態(tài)遭到了嚴(yán)重破壞，泥炭蘚難以再度生長[14]，最終導(dǎo)致沼澤的退化。

2006年中旬，大九湖國家濕地公園正式設(shè)立。自2008年年末開始，包括“大九湖濕地保護/修復(fù)”在內(nèi)的“大九湖濕地保護/修復(fù)/公園建設(shè)項目”等一系列政策開始實施。其中包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、開發(fā)旅游項目、生態(tài)移民搬遷等一期工程。第一期濕地恢復(fù)工程于2010年年末完成并通過國家審批。近些年，大九湖泥炭蘚濕地研究區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)用地大部分被其他土地利用類型所取代[15]，生態(tài)系統(tǒng)逐步得到恢復(fù)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用美國Landsat 陸地系列衛(wèi)星TM、ETM、OLI 數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，均下載自USGS 官網(wǎng)(https://www.usgs.gov/)，數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m。影像行列號為125，38，時間序列為1986—2021年，選取植被生長季數(shù)據(jù)。基于ENVI軟件，計算得到最大NDVI 值[16]，最后經(jīng)篩選得到36 景影像。其中，矢量數(shù)據(jù)來源于OSM 官網(wǎng)（https://master.apis.dev.openstreetmap.org/）。氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn/)月值數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。

3 研究方法

3.1 NDVI信息提取

NDVI 是最常見的植被生長動態(tài)指標(biāo)之一，取值范圍在-1～1 之間。大于0 表示不同程度的植被覆蓋，越接近1植被生長狀況越良好。其計算公式如下：

式中，NIR 為近紅外波段；RED 為紅光波段；利用ENVI完成對NDVI數(shù)據(jù)的提取。

3.2 Theil-Sen median趨勢分析

Theil-Sen median 趨勢分析為非參數(shù)統(tǒng)計趨勢分析方法。該方法在分析過程中不要求數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，且不受異常值影響[17-18]。對研究區(qū)泥炭蘚沼澤進行逐像元分析，其計算公式為：

式中，n 為時間序列長度；Xj和Xi為第i年和第j年的NDVI 最大值。當(dāng)β>0 時表示植被指數(shù)呈上升趨勢，反之則為下降趨勢。

3.3 Mann-Kendall顯著性檢驗

Mann-Kendall 檢驗是一種非參數(shù)檢驗方法，該方法同樣不需要樣本服從特定的分布，不受異常值干擾[19]。將數(shù)據(jù)像元構(gòu)造為一組時間序列，判斷顯著性差異[20-21]：

式中，ZMK為單個序列的統(tǒng)計檢驗量；S統(tǒng)計量由NDVI 的前后影像數(shù)據(jù)計算得到；var(S)為S統(tǒng)計量的方差，以上為化簡后的求解公式；sgn 為邏輯判別函數(shù)符號；給定顯著性水平α為0.05。

3.4 相關(guān)與偏相關(guān)分析

植被生長對氣溫和降水的響應(yīng)存在一定的滯后性[22]，采用相關(guān)分析法分別對NDVI 與前1、2、3 個月的滑動窗口的氣溫、降水的響應(yīng)進行分析；利用偏相關(guān)分析探究研究區(qū)NDVI 對氣溫、降水的響應(yīng)[23-24]。

式中，i為樣本數(shù)；xi為第i年的植被指數(shù)值；yi為不同時序各氣象要素的值；-x為植被指數(shù)平均值；-y為各要素平均值。

式中，Rxy，z為將z影響剔除后x 與y 之間的偏相關(guān)系數(shù)。

4 研究結(jié)果分析

4.1 植被指數(shù)的年際變化

根據(jù)大九湖地區(qū)長時間的發(fā)展情況，該地區(qū)在2005年存在明顯的拐點，因此將變化趨勢分為兩部分進行研究，分別為1986—2005年開發(fā)階段，2006—2021年維護階段。

4.1.1 泥炭蘚沼澤NDVI的空間變化

采用Theil-Sen median趨勢分析與M-K統(tǒng)計檢驗方法對NDVI逐像元進行分析，得到植被變化空間分布圖。本文將研究區(qū)內(nèi)植被指數(shù)劃分為5 種變化類型，如表1。

表1 植被指數(shù)變化類型分類

表2 1986-2005年氣溫和降水與NDVI平均相關(guān)系數(shù)

表3 2006-2020年氣溫和降水與NDVI平均相關(guān)系數(shù)

其中，1986—2005年大九湖泥炭蘚沼澤植被大部分地區(qū)呈退化趨勢，在整個地區(qū)西南處以及中部呈現(xiàn)出顯著退化趨勢。顯著退化的面積約1.63 km2，約占研究區(qū)總面積的15.96%；微顯著退化的面積約4.53 km2，占比約44.42%；2006—2021年研究區(qū)內(nèi)植被整體呈改善趨勢。顯著改善的面積約4.7 km2，占比約46.07%；微顯著改善的面積約3.61 km2，占比約35.43%；1986—2021年整體來看，研究區(qū)內(nèi)中部地區(qū)有顯著退化的趨勢，其余地區(qū)大部分呈改善趨勢。顯著退化的面積約1.21 km2，占比約為11.87%；微顯著退化的面積約為1.89 km2，占比約為18.58%；微顯著增長的面積約為3.04 km2，占比約29.83%；顯著增長的面積約3.25 km2，占比約31.83%。

4.1.2 泥炭蘚斑塊NDVI的年際變化

上述研究已驗證研究區(qū)NDVI 空間變化趨勢，為更好地研究該地區(qū)的NDVI 變化對泥炭蘚單一植被影響，選取該地區(qū)經(jīng)實地考察泥炭蘚覆蓋度超過90%的泥炭蘚斑塊（110°0′ 09.91″ E，31°29′ 30.2″ N）為實驗斑塊，變化情況如下：

1）1986—2005年研究區(qū)斑塊經(jīng)Theil-Sen median趨勢分析得整體為下降趨勢，MK 顯著性檢驗結(jié)果為顯著下降。可見人為的開發(fā)行為對泥炭蘚這一植被的生長產(chǎn)生了影響，使其線性下降率為-0.018/(10 a)，結(jié)果如圖4。其中，在1987年以及1998年出現(xiàn)突然下降，在1988—1990年出現(xiàn)了緩慢上升的趨勢。

2）2006—2021年該斑塊趨勢分析結(jié)果呈上升趨勢，MK 顯著性檢驗結(jié)果為微顯著上升，在經(jīng)治理后使其線性增長率為0.046/(10 a)，其中，在2009年出現(xiàn)突降，在2018年達到最大值。

3）整體分析1986—2021年該斑塊呈一定的上升趨勢，MK 顯著性檢驗結(jié)果為不顯著上升，線性增長率為0.021/(10 a)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 泥炭蘚斑塊NDVI趨勢變化

4.2 NDVI對氣溫和降水的響應(yīng)

論文分析了大九湖地區(qū)泥炭蘚沼澤地區(qū)NDVI 在時間和空間尺度上的變化。由于NDVI 除受人為因素的影響外，同時也受到氣溫和降水的制約，因此有必要對研究區(qū)內(nèi)NDVI 與氣溫和降水的響應(yīng)特征進行一步研究。

4.2.1 NDVI與氣溫和降水的滯后效應(yīng)

選取1986—2020年最大值NDVI 數(shù)據(jù)與氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)分析可得，該地區(qū)1986—2005年NDVI與氣溫和降水呈負相關(guān)關(guān)系；2006—2020年NDVI 與氣溫呈負相關(guān)關(guān)系與降水呈正相關(guān)關(guān)系。其中NDVI與前一個月氣溫相關(guān)系數(shù)最大，與降水前3 個月相關(guān)系數(shù)最大。因此，該地區(qū)NDVI滯后于氣溫1個月，滯后于降水3 個月。該結(jié)論與解晗[22]等在研究黃河流域植被指數(shù)對氣溫和降水的響應(yīng)和魏榕[23]等雅碧江流域生長季植被對氣象因子的響應(yīng)分析中一致。

4.2.2 NDVI與氣溫和降水偏相關(guān)分析

根據(jù)上述氣溫和降水響應(yīng)的滯后結(jié)論，選取前期1 月氣溫、前期3 月降水與NDVI 數(shù)據(jù)進行偏相關(guān)分析。得到結(jié)論如下：

1）1986—2005年，NDVI與降水偏相關(guān)系數(shù)以負相關(guān)為主，偏相關(guān)系數(shù)小于0地區(qū)約占72.7%。偏相關(guān)系數(shù)以負相關(guān)為主的區(qū)域主要集中在研究區(qū)中部以及北部；偏相關(guān)系數(shù)以正相關(guān)為主的地區(qū)主要分布于研究區(qū)的邊緣地帶，并且偏相關(guān)系數(shù)普遍較高。

與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)同樣以負相關(guān)為主，偏相關(guān)系數(shù)小于0的地區(qū)約占57.02%。其中以負相關(guān)為主的地區(qū)分布在研究區(qū)東部邊緣地帶以及中部地區(qū)；以正相關(guān)為主的地區(qū)分布在北部以及西部邊緣地區(qū)，邊緣地帶偏相關(guān)系數(shù)普遍較高。

2）在2006—2020年，NDVI與降水偏相關(guān)性以正相關(guān)為主，偏相關(guān)系數(shù)小于0的地區(qū)約占77%。其中以正相關(guān)為主的在整個研究區(qū)均有分布，偏相關(guān)系數(shù)大于0.5的地區(qū)在東部和西部分布較為集中；負相關(guān)的地區(qū)在研究區(qū)東部和中部呈現(xiàn)出零散分布的狀態(tài)。

與氣溫偏相關(guān)性以負相關(guān)為主，偏相關(guān)系數(shù)小于0 的區(qū)域約占65.47%。其中以負相關(guān)為主的區(qū)域在整個研究區(qū)均有分布，小于-0.5的區(qū)域集中于西部以及北部地區(qū)。以正相關(guān)為主的區(qū)域零散分布于整個研究區(qū)，大于0.5的地區(qū)在中部地區(qū)分布較多。

5 結(jié)語

論文利用Theil-Sen median趨勢分析和Mann-Kendall 顯著性檢驗方法，分析其時序變化，并結(jié)合研究區(qū)氣象資料，分析近36 a來大九湖泥炭蘚沼澤植被指數(shù)的時空演變規(guī)律，得到主要結(jié)論為：

1）1986—2005年研究區(qū)植被指數(shù)主要呈退化趨勢；2006—2021年研究區(qū)植被指數(shù)主要呈改善趨勢。經(jīng)Theil-Sen median 趨勢分析和M-K 統(tǒng)計檢驗方法對NDVI 逐像元進行分析，得到植被變化結(jié)果為1986—2005年顯著退化的面積約占研究區(qū)總面積的15.96%，微顯著退化的面積約44.42%；2006—2021年顯著改善的面積約占46.07%，微顯著改善的面約占35.43%。可見自1986年開始的一系列開發(fā)活動以及2002年政府的招商引資對該地區(qū)的植被指數(shù)產(chǎn)生了巨大的影響，使得整個研究區(qū)60.38%區(qū)域的植被呈現(xiàn)出退化趨勢；直到2006年政府提出建立大九湖國家濕地公園，至2021年已有約81.5%的區(qū)域植被呈改善趨勢，并且優(yōu)于開發(fā)之前。

2）1986—2005研究區(qū)泥炭蘚斑塊NDVI顯著下降；2006—2021年該斑塊NDVI為微顯著上升。其中，經(jīng)一元回歸分析可得1986—2005年其線性下降率為-0.018/（10a）；2006—2021年其線性增長率為0.046/（10 a）。在研究區(qū)整體植被指數(shù)變化的趨勢下，泥炭蘚這單—物種也受到了的影響，其中1986—2005年受該區(qū)域開發(fā)活動影響明顯，使其植被指數(shù)顯著下降；而自2006—2021年，盡管大九湖政府已建立大九湖濕地公園，使得研究區(qū)大面積地區(qū)植被指數(shù)得到了顯著改善，而對泥炭蘚這單一物種恢復(fù)程度不如研究區(qū)其他區(qū)域。

3）該地區(qū)NDVI 對氣溫、降水響應(yīng)存在滯后效應(yīng)，分別滯后于氣溫1個月，滯后于降水3個月。通過對研究區(qū)NDVI與前1、2、3、個月降水?dāng)?shù)據(jù)逐像元進行相關(guān)性分析可得1986—2005年以及2006—2020年NDVI與降水前3個月相關(guān)系數(shù)絕對值最大，與氣溫前一個月相關(guān)系數(shù)絕對值最大，該結(jié)論與現(xiàn)有研究基本一致。

4）相比氣溫因子，1986—2020年研究區(qū)的NDVI對降水的響應(yīng)更強，與降水的相關(guān)性和偏相關(guān)性也較高，與現(xiàn)有的研究結(jié)論基本一致。而在研究區(qū)降水的相關(guān)性更強，這與泥炭蘚沼澤以泥炭蘚為主要物種有著密不可分的關(guān)系，作為低等植物，無法通過根部從土壤中吸收水分，泥炭蘚從而進化出依靠葉片獲取水分的能力，使其對降水更為依賴，導(dǎo)致該區(qū)域與降水有著更高的相關(guān)性。

6 展望

本文分析了近36 a來大九湖泥炭蘚沼澤植被指數(shù)的時空演變規(guī)律，能夠為今后大九湖泥炭蘚沼澤地區(qū)維持沼澤地區(qū)的水量平衡，結(jié)合泥炭蘚的生物特性開展恢復(fù)等生態(tài)工作提供可行方向。但本文的研究尚且存在一定的局限性。首先，由于缺乏研究區(qū)實測數(shù)據(jù)，無法對研究結(jié)果進行定量的精度評價；其次，氣象資料與NDVI 數(shù)據(jù)在空間分辨率上存在差異，相關(guān)分析存在一定的不確定性；最后，由于時間的關(guān)系，本文只結(jié)合相關(guān)政策分析了NDVI年際變化的趨勢，后續(xù)可以結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)具體分析人類活動對該區(qū)域植被變化的影響方式、影響規(guī)律和驅(qū)動機制。