庙岛群岛南部岛群无居民海岛植被净初级生产力评估

王恩康， 池 源

(国家海洋局 第一海洋研究所， 山东 青岛 266061)

庙岛群岛南部岛群无居民海岛植被净初级生产力评估

王恩康， 池 源*

(国家海洋局 第一海洋研究所， 山东 青岛 266061)

无居民海岛具有显著的战略地位和重要的生态价值，植被净初级生产力(NPP)评估对维护无居民海岛生态系统稳定性和活力具有重要意义.以庙岛群岛南部岛群中螳螂岛等5个无居民海岛为研究对象，通过遥感手段，对海岛NPP总量和密度及其空间分布特征进行分析.结果显示：1) 全年NPP总量为134.22 tC·a-1，平均密度为274.13 gC·m-2·a-1，并表现出明显的季节差异，各岛NPP平均密度由大到小依次为牛砣子岛、羊砣子岛、螳螂岛、南砣子岛和挡浪岛；2) 不同地表覆盖类型NPP平均密度由大到小依次为阔叶林、针叶林、草地、建设用地和裸地，各岛NPP平均密度与裸地面积占比呈明显的负相关，区域NPP密度与海拔、坡度、坡向和归一化植被指数呈显著正相关；3) 黑松和刺槐是北方无居民海岛人工林的理想树种，持续的人工林种植是提升无居民海岛NPP的重要途径.

无居民海岛； 净初级生产力； 空间分布； 海岛人工林

根据是否属于居民户籍管理的住址登记地，我国海岛可分为有居民海岛和无居民海岛，其中无居民海岛数量众多，占全国海岛总数的90%以上[1].无居民海岛是我国海洋国土的重要组成部分，是海洋经济发展的桥头堡，是保护海洋环境的重要平台，也是捍卫国家主权、保障国防安全的重要支撑[2-4].同时，由于无居民海岛特殊的地理位置、有限的面积大小和明显的空间隔离，其生态系统具有显著的脆弱性特征，主要表现在其更容易受到外界干扰的损害，且难以通过自身调节能力和自组织能力恢复[5-7].净初级生产力(net primary productivity, NPP)作为碳循环的重要组分，是指植物去除呼吸消耗后剩余光合作用生产的有机质[8].海岛NPP不但能够表征海岛植物群落的生产能力[9]，也是反映海岛生物栖息地适宜性的基础因子，是海岛生态系统稳定性和活力的重要指标[10].当前，NPP的研究涉及草地、森林、湿地、农田等不同生态系统[11-15]，在人类活动较为剧烈的有居民海岛上也有相关研究[10]，但关于无居民海岛NPP特征及其空间分布的研究鲜见报道.

以庙岛群岛南部岛群中5个无居民海岛为研究区，基于遥感影像和气象数据，对无居民海岛NPP总量、密度及其空间分布进行分析，以期揭示典型无居民海岛NPP特征及其主要影响因子，为维护无居民海岛生态系统提供参考.

1研究区概况

庙岛群岛南部岛群位于山东半岛北侧，黄海和渤海交汇处，是我国候鸟迁徙的重要通道和停歇地，是长岛国家级自然保护区的重要组成，也是山东省长岛县的政治、人口和经济中心.挡浪岛、螳螂岛、羊砣子岛、牛砣子岛和南砣子岛是南部岛群中面积较大的5个无居民海岛(大于0.05 km2)，其余无居民海岛面积较小，植被覆盖率较低.本文以上述5个无居民海岛作为研究对象(图1).研究区所在区域为温带季风气候区，多年平均气温约为12℃，多年平均降水量约为540 mm；海岛均为基岩海岛，土壤以棕壤土为主，土壤多砾石，土质较差[16]；海岛森林均为人工林，包括以黑松为优势种的针叶林和以刺槐为主的阔叶林，海岛人工林外缘分布着天然草地，海岛周边多为裸地.5个无居民海岛中，挡浪岛和螳螂岛位于北长山岛和小黑山岛之间，其中挡浪岛上建有小型码头以开展生态旅游，同时拥有灯塔以及太阳能和风能发电设施；螳螂岛上建有简易的养殖看护房和小型风力发电设施.羊砣子岛和牛砣子岛为庙岛附属海岛，位于庙岛西侧，岛上均有养殖看护房；南砣子岛为大黑山岛附属海岛，位于大黑山岛南侧，岛上同样建有养殖看护房和小型风力发电装置.

2材料与方法

2.1数据来源与处理

采用WorldView-1卫星2013年全色波段遥感影像，空间分辨率为0.45 m.通过ArcGIS10.0软件提取海岛轮廓，得到海岛面积、周长等基本信息；进而依据人机交互解译结果，将海岛地表覆盖分为以下5类：针叶林、阔叶林、草地、裸地和建设用地(图2).2014年7月开展无居民海岛绕岛勘察，对研究区地表覆盖类型进行验证，根据验证结果校正现有数据.

采用Landsat8卫星4个时期(2013年4月21日、8月11日、11月15日和2014年1月2日，分别代表春夏秋冬四季)无居民海岛所在区域的无云影像，空间分辨率为30 m.利用ENVI4.7软件对影像进行裁切、辐射定标、波段运算得到归一化植被指数(Normalized difference vegetation index， NDVI).无居民海岛的高程、坡度和坡向，采用2011年公布的Aster GDEM第二版DEM数据，水平分辨率30 m，通过ArcGIS10.0进行提取.

太阳辐射、降雨量、气温、相对湿度等气象数据来自长岛县气象站和烟台福山气象站.

2.2NPP估算

根据CASA模型和相关研究，采用遥感影像和气象数据估算无居民海岛NPP及其空间特征，具体方法如下[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)为x点t月净初级生产力(gC·m-2·month-1)；APAR(x，t)是指x点t月吸收的光合有效辐射(MJ·m-2·month-1)；ξ(x，t) 表示x点t月的实际光能利用率(gC·MJ-1)；PAR(x，t)为x点t月的光合有效辐射(MJ·m-2·month-1)；FPAR(x，t)为x点t月光合有效辐射吸收比例(%)；ft(t)和fw(t)分别为研究区t月的气温胁迫因子和水分胁迫因子(%)；ξmax为最大光能利用率(gC·MJ-1).通过ArcGIS10.0对不同季节的NPP及其空间分布特征进行计算，进而得到全年无居民海岛NPP总量、密度及其分布特征；采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)探讨不同季节和不同海岛NPP密度的差异.

2.3主要影响因子分析

NPP及其空间分布往往受到气候、植被、地形、土壤等环境因子的影响[10，14-15].本文为小空间尺度的研究，气温、水汽压、太阳总辐射等气象气候因子作为NPP估算的重要参数，在整个研究区具有均一性，直接影响NPP的整体特征，但对其空间分布不构成影响，这里不参与影响因子分析；由于无居民海岛可达性较差，登岛受到各种条件的限制，目前尚未能够获取无居民海岛的土壤样品，由邻近有居民海岛的土壤因子分析结果可知，研究区土壤性质表现出明显的一致性，即含水量和养分均偏低[18]，这使得土壤对NPP空间分布的影响可能较小.本次研究主要分析地表覆盖类型、植被生长状况、地形对NPP空间分布的影响.

2.3.1地表覆盖类型 以上文的地表覆盖分类为基础，分析不同地表覆盖类型中NPP总量和平均密度；采用One-way ANOVA探讨不同地表覆盖类型中NPP密度的差异性.2.3.2植被生长状况 NDVI能够准确地反映植被生长状况[19].统计无居民海岛的NDVI及其空间特征，建立每个像元NPP和NDVI的一一对应关系，通过相关分析法探讨NDVI与NPP的相关性.

2.3.3地形 采用海拔、坡度和坡向因子，同样通过相关分析法探讨地形与NPP的相关性.其中，坡向原始值为按0～360顺时针增大，正北与正南分别为0与180，按向阳性原则，进行标准化，计算公式如下：

(4)

式中，ASx与Ax分别为x点标准化坡向值与原始坡向值.

3结果

3.1NPP估算结果

3.1.1全年NPP5个无居民海岛全年NPP总量为134.22tC·a-1，NPP密度在0～656.31gC·m-2·a-1之间，平均密度为274.13gC·m-2·a-1,如图3所示.

3.1.2不同季节NPP不同季节NPP估算结果见表1和图4.夏季NPP总量最大，占全年75%以上，其次为春、秋两季，NPP总量分别占比14.8%和6.9%，而冬季仅占2.0%；One-wayANOVA结果显示，不同季节NPP密度表现出显著的差异(P<0.001)，平均密度由大到小依次为夏季、春季、秋季和冬季.

3.1.3 不同海岛NPP 不同海岛NPP估算结果见表2.各岛NPP总量由大到小依次为羊砣子岛、螳螂岛、南砣子岛、牛砣子岛和挡浪岛；NPP密度也表现出显著的差异(P<0.01)，将各岛依据平均密度由大到小排列为：牛砣子岛、羊砣子岛、螳螂岛、南砣子岛和挡浪岛.

3.2主要影响因子

3.2.1地表覆盖类型 不同地表覆盖类型中， NPP总量最大与最小分别为针叶林(占40%以上)与建设用地(仅占0.3%).NPP密度表现出显著的差异(P<0.01)，阔叶林NPP平均密度最高，其次为针叶林、草地、建设用地和裸地，如表3所示.

3.2.2NDVI和地形 NPP与NDVI、海拔、坡度和坡向均呈显著正相关，其中与NDVI的相关系数高达0.886；同时，NDVI与海拔、坡度和坡向也均表现出显著的正相关关系，如表4所示.

注：**指在0.01水平(双侧)上显著相关.

4讨论与结论

4.1讨论4.1.1NPP结果探讨 将本文计算的NPP平均密度与其他区域进行对比(见表5)，可以发现，本研究区NPP平均密度略低于全国平均密度324 gC·m-2·a-1，低于广东省、江苏省、盘锦市等沿海地区，高于甘肃、青海、西藏.由此可得，庙岛群岛南部岛群的无居民海岛NPP平均密度略低于全国的平均水平，高于同纬度的西部地区，但低于东部大陆沿海地区.

4.1.2主要影响因子探讨 本研究区以剥蚀山丘为主要地貌特征，存在淡水资源缺乏、土壤贫瘠等问题，加上大风、寒潮等自然扰动，植物生长条件较为恶劣，使得原生林木发育较差，现有林木均为人工林，包括针叶林和阔叶林，分别以黑松和刺槐为优势种.本文结果显示针叶林和阔叶林的平均密度分别达483.40 gC·m-2·a-1与336.74 gC·m-2·a-1，表明了黑松和刺槐具有较高的净初级生产力，对提升海岛生态系统稳定性具有重要作用，可作为北方无居民海岛人工林建设的理想树种.

对于有居民海岛而言，城乡建设深刻影响着海岛的地表覆盖和NPP空间特征，已有研究表明，随着建设用地面积占比的上升，有居民海岛NPP平均密度明显下降[10].对于无居民海岛而言，人类开发活动较少，建设用地面积很小，对海岛NPP影响不大；然而，不同海岛裸地面积占比具有差异，挡浪岛、南砣子岛、螳螂岛裸地面积较大，而牛砣子岛、羊砣子岛植被茂密，裸地面积较小.图5显示了各岛NPP平均密度与裸地面积占比(Proportion of Bare Land， POB)呈明显的负相关，线性拟合系数达0.950.

在大区域或大地形梯度的研究中，地形因子通过改变气候因子进而影响植被生长[25]，但本研究区的无居民海岛面积较小，地形梯度也不甚明显.地形主要通过影响地表覆盖类型进而影响NPP，海拔或坡度较低的区域分布于海岛边缘，多为裸地；随着海拔和坡度的上升，地表覆盖类型转变为草地或林地，NPP也明显上升.坡向经标准化处理后，越接近南向数值越高，也容易获得更多的太阳辐射，从而促进植物发育[26].NDVI与NPP具有较强的显著正相关关系，鉴于其获取通道的便捷性，NDVI可作为无居民海岛净初级生产力长期监测的重要指标.

受面积制约，无居民海岛NPP总量较小，但由于其被人类开发利用的程度较低，部分海岛林木茂盛，拥有较高的NPP平均密度，而有的海岛林木覆盖率较低，裸地面积较大，海岛裸地一部分是由出露岩石构成，同时拥有一定面积的裸土地.无居民海岛开发压力相对较小，可以成为海岛NPP的重要提供基地；同时，部分无居民海岛尚有较大的NPP提升空间，可通过继续开展人工林种植来实现海岛NPP的提升，进而增强无居民海岛生态系统稳定性.

4.2结论

1) 庙岛群岛南部岛群中螳螂岛等5个无居民海岛全年NPP总量为134.22 t C·a-1，NPP密度在0～656.31 g C·m-2·a-1之间，平均密度为274.13 g C·m-2·a-1.NPP总量和平均密度表现出明显的季节差异，春季、夏季、秋季和冬季NPP总量分别占14.8%、76.4%、6.9%和2.0%.

2) 按各岛NPP总量由大到小排序，依次为羊砣子岛、螳螂岛、南砣子岛、牛砣子岛和挡浪岛；按NPP平均密度由大到小排序，则为牛砣子岛、羊砣子岛、螳螂岛、南砣子岛和挡浪岛.

3) 就地表覆盖类型而言， NPP总量最大和最小的分别是针叶林和建设用地；将地表覆盖类型按NPP平均密度由大到小排序，则依次为阔叶林、针叶林、草地、建设用地和裸地.各岛NPP平均密度与裸地面积占比呈明显的负相关；区域NPP平均密度与海拔、坡度、坡向和NDVI均呈显著正相关.

4) 黑松和刺槐是北方无居民海岛人工林建设的理想树种，持续的人工林种植是提升无居民海岛NPP的重要途径.

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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.

国家海洋局海洋公益性行业科研专项经费项目(201505012); 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2015G13)．

1000-1190(2017)02-0195-08

P76; X87

A

*通讯联系人. E-mail: chiyuan1988@163.com.