








摘 要:扎龍國家級自然保護區是世界最大的蘆葦濕地,其植被變化對濕地的生態環境影響較大,以齊齊哈爾市域內扎龍濕地為對象,基于MODIS數據,利用像元二分模型法,運用ArcGIS 10.2軟件,分析該濕地2001—2022年植被覆蓋時空演變特征,旨在揭示扎龍濕地的植被變化趨勢,為該濕地生態保護、修復及建設提供借鑒和參考。結果表明,1)扎龍濕地東部地區植被覆蓋度優于西部,植被覆蓋等級空間變化整體呈現出波動式增加的趨勢;整體是低植被覆蓋度向高植被覆蓋度轉化,高植被覆蓋度區域面積顯著增加,中級、中低級和低級植被覆蓋度區域面積逐漸減少。2)植被覆蓋度與該區域年降水量、年均氣溫和年補水量存在著相關性。高植被覆蓋區域分別與年降水量和年補水量呈現顯著的正相關(相關系數R=0.42;R=0.62),中高植被覆蓋區域與前一年的年均氣溫存在顯著的正相關(R=0.46),且與當年年均氣溫也有一定相關性;高植被覆蓋區域也與前一年的年降水量存在一定的相關性,表現出植被覆蓋度變化滯后于降水量變化的特征。
關鍵詞:扎龍濕地; 遙感影像; 植被覆蓋度; 水文氣象; 相關性
中圖分類號:S717 文獻標識碼:A DOI:10.7525/j.issn.1006-8023.2024.04.009
The Spatiotemporal Evolution Characteristics of Vegetation Cover in Zhalong Wetland from 2001 to 2022
LI Ting1, ZHANG Dongxiang2*, ZHANG Desheng3*, SUN Qiang1, ZHU Yue1
(1.Mudanjiang Branch of Heilongjiang Academy of Forestry Sciences , Mudanjiang 157041,China;2.College of Life Sciences and Agriculture and Forestry, Qiqihar University , Qiqihar 161000,China;3.Mudanjiang Institute of Forestry and Grassland Survey and Design in Heilongjiang Province , Mudanjiang 157041,China)
Abstract: Zhalong National Nature Reserve is the largest and world-renowned wetland in China, and its vegetation changes have a significant impact on the ecological environment of the wetland. This study focuses on the Zhalong Wetland in Qiqihar City. Based on MODIS data, the pixel binary model method and ArcGIS 10.2 software were used to analyze the spatiotemporal changes in vegetation cover of the wetland from 2001 to 2022. The aim is to reveal the trend of vegetation change in Zhalong Wetland, in order to provide reference and guidance for the ecological protection, restoration, and construction of the wetland. The results show that: 1) the vegetation coverage in the eastern region of Zhalong Wetland is better than that in the western region, and the overall spatial variation of vegetation coverage level shows a fluctuating increasing trend; The overall transformation is from low vegetation coverage to high vegetation coverage, with a significant increase in the area of high vegetation coverage, while the area of intermediate, medium, and low vegetation coverage gradually decreases. 2) There is a correlation between vegetation coverage and annual precipitation, average annual temperature, and annual water replenishment in the region. The high vegetation coverage area shows a significant positive correlation with annual precipitation and annual water replenishment (R=0.42; R=0.62), while the medium high vegetation coverage area shows a significant positive correlation with the annual average temperature of the previous year (R=0.46), and also has a certain correlation with the annual average temperature of the current year; The high vegetation coverage area also has a certain correlation with the annual precipitation of the previous year, showing a characteristic that the change in vegetation coverage lags behind the change in precipitation.
Keywords: Zhalong Wetland; remote sensing images; vegetation coverage; hydrology and meteorology; relevance
0 引言
濕地具有改善環境質量、調節城市溫度、降解土壤中有毒有害物質和凈化水質等功能,是地球上土與水相互作用的獨特生態系統。扎龍濕地是中國地區最完整的濕地生態系統之一[1]。自20世紀以來,扎龍濕地環境遭到破壞,植物多樣性水平降低,植被覆蓋度減少,其生態環境保護與修復成為各界學者關注的內容。
植被是生態系統的主體,是生態系統中物質和能量的基本來源,植被在改善濕地生態環境方面發揮重要的作用[2]。植被覆蓋度為植物垂直到地面投影相對于總面積的比例,植被覆蓋度可以定義某區域植被生長態勢及生態環境的優劣。降水、溫度和補水量等要素對植被覆蓋度有重要影響,通過影響環境中溫度和水分來調控植物的生長和分布。因此,掌握植被覆蓋的年度變化,探索水文和氣象因素對其變化的影響,對濕地生態系統的環境質量評估和生態過程監管具有重要的理論和實踐意義。
目前關于植被覆蓋時空演變分析較多,但是對扎龍濕地區域植被覆蓋的變化特征研究較少[3-4]。為此,本研究以扎龍濕地為對象,分析2001—2022年,扎龍濕地植被覆蓋度的面積變化情況和不同植被覆蓋度等級內部的相互轉化情況,考慮5個不同等級植被覆蓋度〔[0,0.2)[0.2,0.4)[0.4,0.6)[0.6,0.8)[0.8,1.0)〕區域面積變化與降水、氣溫、補水量的相關性,旨在闡明植被覆蓋度在扎龍濕地區域中起到的作用,為扎龍濕地生態環境建設規劃和布局提供參考。
1 數據和方法
1.1 研究區概況
扎龍濕地是我國北部最連續和最開闊的濕地生態系統。扎龍濕地位于烏裕爾河下游,研究區內沒有明顯的河道,水流較慢,河水滿溢,是形成濕地生態系統的成因;土壤呈弱堿性,是一片永久弱堿性淡水沼澤區。扎龍自然保護區根據濕地生態狀況劃分三大區域,分別為核心區、緩沖區、試驗區[5]。
保護區有魚類46種,鳥類約260種[6],是中國大型珍稀水禽鳥類保護區,被譽為“仙鶴”的丹頂鶴在這片濕地上生活,該地被譽為“鶴的故鄉”[7]。2021年2月5日,丹頂鶴列入中國《國家重點保護野生動物名錄》一級動物。研究區內的“扎龍湖觀鳥旅游區”,被國家文化和旅游局評為“5A”級旅游景區。扎龍濕地包含植物總數已超過500種,包含69科256屬,在扎龍濕地的沼澤植被中,蘆葦(Phragmites australis)達到植被總面積80%以上[8]。
研究區位于黑龍江省齊齊哈爾市南部,東臨大慶市林甸縣,西接中心城區鐵鋒區,北達富??h龍安橋鎮,南至泰來縣大興鎮,南北跨富??h、中心城區、泰來縣,地理坐標為123°47'~124°37'E,46°52'~47°32' N[9],位于松嫩平原上,南北長80.6 km,東西寬53.9 km,總占地面積10.012 1萬hm2,呈不規則的帶狀。
1.2 數據來源及預處理
4PwJWmNSu2RL78q7UZz4Og==扎龍濕地范圍線獲取是通過扎龍濕地自然保護區功能區劃分圖與齊齊哈爾市域界線相交繪制,得到齊齊哈爾市域范圍內扎龍濕地的范圍并形成矢量邊界數據[3]。
在LAADS DAA網站上(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)下載MODIS數據,PRODUCTS選擇MOD 13Q 1序列,扎龍濕地的MODIS中國區域行列號為H26v04,下載2001—2022年的HDF(Hierarchical Data Format)數據,每年23期,共22 a影像[10],然后進行MRT(Modis Reprojection Tool)預處理,點擊ModisTool,導入每期數據,設置參數后形成tif數據。在遙感圖像處理平臺(The Environment for Visualizing Images,ENVI)中進行輻射定標、大氣校正等處理后導入ArcGIS 10.2使用范圍線批量裁剪,最大值合成法形成每一年的影像,柵格計算器計算后得到歸一化植被指數數據[11-12]。
氣象數據通過中國氣象數據網下載中國地面國際交換站,然后下載2001—2022年各氣象站的氣象數據,獲得氣溫和降水量數據[4]。
年補水量數據由國家級扎龍自然保護區管理局提供。
1.3 研究方法
植被覆蓋度提取與分級是基于歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI,式中記為NDVI)數據,利用像元二分模型原理進行研究[13],公式為
Fvc=(NDVI-Nsoil)/(Nveg-Nsoil)。 (1)
式中:Fvc為植被覆蓋度;Nsoil為裸土或無植被覆蓋區域的NDVI;Nveg為完全由植被所覆蓋的NDVI。
NDVI隨著時間、季節的變化而變化,為更準確估算植被覆蓋度,參考相關文獻[14-16],NDVI年累積變化頻率為95%定為Nveg,累積頻率95%以上的植被覆蓋度為1;NDVI累積頻率為5%定為Nsoil,累積頻率5%以下的植被覆蓋度為0。利用該公式在ArcGIS 10.2軟件中操作,計算和繪制植被覆蓋度Fvc。將植被覆蓋度劃分為5個等級,[0,0.2)級別為低植被覆蓋區,[0.2,0.4)級別為中低植被覆蓋區,[0.4,0.6)級別為中植被覆蓋區,[0.6,0.8)級別為中高植被覆蓋區,[0.8,1.0]級別為高植被覆蓋區。
2 結果與分析
2.1 不同等級植被覆蓋度變化特征
2.1.1 植被覆蓋度的空間分布變化特征
通過對歸一化植被指數數據進行處理得出研究區的植被覆蓋度,根據研究區實際情況,結合生態環境質量評價標準。運用ArcGIS 10.2軟件繪制植被覆蓋度分級圖。
由圖1可知,高植被覆蓋區覆蓋面積最大,隨時間變化總體面積增加,在22 a間高植被覆蓋區覆蓋了研究區的大部分地區。2001年當年呈現小面積零散分布現象,在2002—2004年該區域分布逐漸集中,到2004年達到一個峰值后,2005年突然零碎化,隨后呈現整體面積增加狀態,中東部和東北部植被覆蓋呈現連片集中分布,有由試驗區、邊緣區向扎龍核心區轉移的現象,試驗區、邊緣地區整體分布較為分散。2016年后覆蓋區域趨于集中分布。
中高植被覆蓋區覆蓋面積高于中植被覆蓋區,且變化明顯,其總體分布面積呈現先減少后增加的變化趨勢,在整個范圍內分布較為集中。在西南部(濱州鐵路線)和北側有少部分集中區域,南部、龍湖、仙鶴湖周圍附近分布較多。中植被覆蓋區面積較大,主要分布于中低植被覆蓋區邊緣,集中在西南部(濱州鐵路線)附近的蘆葦場和建設用地(301國道和中引總干渠)周邊區域,呈條帶狀分布。2005、2006、2015年中植被覆蓋區較多且零散,較為破碎,其余的年份中植被覆蓋區相對集中。
低植被覆蓋區和中低植被覆蓋區的分布面積均較小,主要分布在研究區中部偏北的克欽湖水面及周邊村莊區域。其中,低植被覆蓋區植被覆蓋度由零星化變為集中化,逐漸呈面狀分布。而中低植被覆蓋區主要集中在研究區中北部(301國道、翁海、克欽湖周邊)和西部的建設用地周邊,主要分布于低植被覆蓋區邊緣,呈現小面積零散分布,北部變化趨勢尤為顯著。
2.1.2 不同等級植被覆蓋度的面積變化特征
計算2001—2022年各等級植被覆蓋度區域面積,對5個等級的植被覆蓋度區域面積進行統計,如圖2所示。
由圖2可以看出,在此期間植被覆蓋度在低植被覆蓋區和中低植被覆蓋區面積小且變化相對平穩,面積整體略呈下降趨勢。發生顯著變化主要體現在中植被覆蓋度、中高植被覆蓋度、高植被覆蓋區域,其中,中植被覆蓋度區域總體面積變化呈下降趨勢,2022年面積達到最低,為103 km2,同2001年相比下降56 km2,下降率達35.22%。中高植被覆蓋度面積變化主要呈先下降后上升趨勢,2011年面積最小,為198 km2,2001年面積值為280 km2,2022年面積最大,為290 km2,同2001和2011年相比分別上升3.57%、46.46%。高植被覆蓋度面積增加程度最為明顯,變化整體為波動上升,2001年面積為316 km2,2022年面積為482 km2,同2001年相比上升166 km2,上升率達52.53%,上升浮動相對較大。
從分級面積變化的總體情況得出,中高度和高度植被覆蓋區域的面積增加,表明扎龍濕地的植被長勢良好,呈現良性發展的趨勢。
扎龍濕地的年平均植被覆蓋度呈現增加趨勢,如圖3所示,2012年達到最大值,平均值為0.73,比2001年增加0.1,提高16%,其次是2009、2021年,平均值均為0.72,提升14%,再其次是2004、2013、2020、2022年,平均值均為0.71,提升13%。在22 a間,2001、2005、2015年的植被覆蓋度處于較低水平,其中,2001年最低,值為0.63,其次是2005年,值為0.65,2015年為0.67,推測是由于降水量少,干旱缺水,以及部分年份發生火災所致。自2001年發生火災以來,政府實施了水資源管理和補充政策,植被有所恢復,然而,2005年再次發生火災,持續時間長,火燒面積大,導致蘆葦面積和生物量變少,濕地植被退化,是植被覆蓋度有所減少的主要原因。而2015年植被覆蓋率較低,降雨量減少可能是主要因素。在這22 a中,植被覆蓋度整體增加,可能是多年來,由于政策引導、人工補水和減少人類活動等人為因素提升植被覆蓋面積,而期間植被覆蓋度降低主要是受到干旱等自然因素的影響。
2.2 植被等級轉化分析
為進一步體現不同年份與各等級植被覆蓋度時空演變情況,計算扎龍濕地2001—2022年植被覆蓋轉移矩陣,統計對各等級的植被覆蓋度在相鄰年份面積轉入和轉出情況量,轉移矩陣數據如圖4所示。
高植被覆蓋區的轉入多于轉出,說明植被覆蓋優化,植被長勢變好,如果低植被區和中低植被區的轉入多于轉出,說明植被覆蓋劣化,植被長勢變差。通過對圖4數據分析可知,每年不同等級植被的面積總轉入轉出變化量體現的是植被覆蓋度變化波動的大小,2001—2002年間的變化量最大,變化面積為546.44 km2,其次是2004—2005年,變化面積為448.25 km2,然后是2002—2003年,變化面積為416.94 km2。變化面積大是因為2001年發生火災,減少約133.33 km2的蘆葦地,2001、2002、2003年濕地分別補水0.35、3.5、1.1億m3。2006—2022年研究區內植被覆蓋轉移面積較為穩定,在280~400 km2波動。其中2021—2022年變化面積為398.25 km2,高植被覆蓋區轉入面積達160.56 km2,僅次于2001—2002年的193.5 km2,居第二位。
植被覆蓋度向0.4~0.6級的中度植被覆蓋區、0.6~0.8級的中高植被覆蓋區和0.8~1.0級的高植被覆蓋區轉化,比植被覆蓋度向0~0.2級的低植被區和0.2~0.4級的中低植被覆蓋區轉化面積大。植被覆蓋度各級變化多數是等級相近的覆蓋度相互轉化。
相鄰年份各級植被覆蓋度面積變化值均在280~550 km2,其中2001—2002年變化幅度最大,變化值為546.44 km2,其次是2004—2005、2002—2003年,變化值分別為448.25 km2和416.94 km2,其余的相鄰年份變化幅度在280~400 km2,植被覆蓋等級變化整體較為穩定。
2.3 植被覆蓋度與水文氣象要素的相關性
2.3.1 降水量與植被覆蓋度的相關性分析
由表1可知,植被覆蓋度與該地區年降水量存在著相關性。其中,高植被區域覆蓋度與年降水量呈顯著的正相關,相關系數R為0.42,而低植被區域覆蓋度和中低植被區域覆蓋度與年降水量呈顯著的負相關關系,相關系數R分別為-0.53和-0.56。中植被區域覆蓋度與當年降水量也存在一定相關性。同時還發現,低植被和中植被這2個區域覆蓋度還與前一年的年降水量呈顯著的負相關,R分別為-0.51和-0.55。同時,高植被區域覆蓋度也與前一年的年降水量存在一定的相關性。在一定程度上,表現出植被覆蓋度變化滯后于降水量變化的特征,這可能是由于濕地地勢平緩,徑流緩慢所致。
2.3.2 年均氣溫與植被覆蓋度的相關性分析
由表2可知,植被覆蓋度與該地區年均氣溫也存在相關性。其中,中高植被區域覆蓋度與前一年的年均氣溫存在顯著的正相關,R=0.46,且與當年年均氣溫也有一定相關性;而中植被區域覆蓋度則與之呈顯著的負相關,R=-0.47,且與當年年均氣溫也呈顯著的負相關關系(R=-0.50)。
2.3.3 年補水量與植被覆蓋度的相關性分析
由表3可知,植被覆蓋度與扎龍地區年補水量同樣存在相關性。其中,高植被區域覆蓋度與年補水量呈顯著的正相關(R=0.62),而低植被、中低植被和中植被區域覆蓋度則分別與年補水量呈極顯著和顯著的負相關關系,R分別為-0.82、-0.64、-0.59。各等級植被覆蓋度區域與前一年補水量沒有相關性。
3 結論與討論
1)從時間變化趨勢來看,扎龍濕地的整體植被覆蓋度正在向好的方向發展。這與趙東林等[17]、王一等[18]、郝源等[19]和Fan等[20]植被覆蓋度變化研究結論相似。22 a間植被覆蓋度在0.8~1.0級高植被覆蓋區面積顯著增加,增加了52.53%,0.6~0.8級中高植被覆蓋區增加3.57%。0~0.2級低植被覆蓋區、0.2~0.4級中低植被覆蓋區和0.4~0.6級中植被覆蓋區面積分別減少34.39%、54.05%和35.22%;植被覆蓋相互轉化情況為低等級向高等級的轉化,其中0.4~0.6級、0.6~0.8級和0.8~1.0級3個植被覆蓋度等級的轉化顯著,轉化方式主要為相鄰等級覆蓋度之間的轉化,等級相差較大轉化面積小。各級面積變化情況為0~0.2級低植被覆蓋區和0.2~0.4級中低被覆蓋區總體面積所占比重小,其面積變化小,變化趨勢不明顯,0.8~1級面積呈現先增長而后趨于平穩,在所有等級中占優勢地位。表明隨時間變化生態環境轉好,這與自1998年提出并執行的退耕還林還草政策,隨后提出的生態保護紅線等保護生態環境的政策[21]有關,是扎龍濕地的生態環境修復效果逐漸顯現的主要因素。
2)空間變化趨勢為總體植被覆蓋分布情況為自東向西遞減,南部地區高于北部地區,以八支干渠為分界線,植被覆蓋西側低于東側。植被覆蓋相對較高的等級明顯向核心區域集中。鐘子豪等[22]研究植被覆蓋度的時空演變與驅動因素相關性,發現人為因素和自然因素是影響植被覆蓋度空間分布的主要因素。人為因素是本研究區內植被覆蓋度分布變化主要影響因素,2001年及隨后的幾年研究區內植被覆蓋度低主要是由于人為破壞所致,近些年人們對扎龍濕地環境的保護意識加強,植被覆蓋逐漸升高,分布逐漸集中。邊緣區、試驗區人類活動較為頻繁,核心區內人為干擾較少,因此植被覆蓋度相對集中的表現是從核心區開始逐漸顯現[23]。
3)植被覆蓋度與該區域年降水量、年均氣溫和年補水量存在著相關性。其中高植被覆蓋區域與年降水量呈顯著的正相關(R=0.42),低和中低植被覆蓋度區域面積呈顯著負相關,表明水體的消長對植被覆蓋有影響,植被覆蓋度變化不僅與當年降水量相關,高植被覆蓋區域也與前一年的年降水量存在一定的相關性,存在滯后于降水量變化的特征,這是由于扎龍濕地地勢低洼,降水形成徑流后流動緩慢,冬季冰封期后降水資源存留等因素,產生降雨量對于濕地植被覆蓋度的滯后性。高植被覆蓋區域與年補水量呈顯著的正相關(R=0.62)。濕地主要植物蘆葦為水生植物,生長發育耗水量大[24-25],補水量增加,蘆葦生長區域擴大,另外含水量增加,植被的生長期會逐漸提前,生物量增加[26],從而逐漸出現高植被覆蓋度區域增加的現象。降水量和補水量對研究區的影響略高于年均氣溫[4]。中高植被覆蓋區域與前一年的年均氣溫存在顯著的正相關(R=0.46),且與當年年均氣溫也有一定相關性,表現溫度升高對于整個濕地植被生長有促進作用。
本研究以前人研究為基礎,以扎龍濕地為研究對象,通過運用遙感影像提取NDVI數據,分析22 a間植被覆蓋演變規律,研究植被覆蓋時空變化特征和轉移矩陣變化情況,然后通過水文氣象數據定量分析降水、溫度和年補水量3個驅動因子與植被覆蓋度的相關性,定量探討了各影響因子對植被覆蓋度的影響程度。根據研究結果,研究區年均植被覆蓋度逐漸上升,高植被覆蓋度占比也越來越高,表明生態修復取得了一定的成效。由于扎龍濕地重要的生態作用,在后續的保護與開發中,應協調生態保護與人類活動的關系,科學合理地保護扎龍濕地生態環境。
此外,植被覆蓋變化的影響因素較多,本研究只考慮了水文氣象要素的影響效應,對于地形等因子所帶來的具體影響沒有考慮,在后續的研究中,綜合其他因子進行更加詳細的研究是一個值得關注的研究方向。
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