朱鹮典型栖息地植被覆盖时空特征研究

王琦, 张静, 颜文博, 吴洁

朱鹮典型栖息地植被覆盖时空特征研究

王琦1,3,, 张静2,*, 颜文博3, 吴洁2

1. 陕西理工大学生物科学与工程学院, 陕西 汉中 723001 2. 陕西理工大学历史文化与旅游学院, 陕西 汉中 723001 3. 陕西省资源生物重点实验室, 陕西 汉中 723001

植被覆盖的变化会影响动植物生境, 进而作用于生物的分布、繁殖和数量等。研究朱鹮典型栖息地的植被覆盖变化对朱鹮保护具有极为重要的意义。利用2000—2014年的MODIS NDVI数据, 采用最大像元法、线性趋势法和变异系数法, 研究了朱鹮典型栖息地植被覆盖的时空变化特征。结果显示: (1)朱鹮典型栖息地植被NDVI呈现波动性微增长的态势, 洋县和研究区呈同步变化特征, 宁陕县微增变化不明显。(2)空间上秦岭中低山和巴山浅山丘陵区植被NDVI有所增长, 生态环境有所改善。(3)朱鹮活动范围主要集中在温带落叶阔叶林带和亚热带山地针叶林带, 以低地形和中低地形为主。

NDVI; 朱鹮; 洋县

0 前言

朱鹮()属于鹳形目鹮科, 是世界上最濒危鸟类之一, 被列为国家I级重点保护动物, 世界濒危(EN)物种[1-2]。历史上, 朱鹮分布比较广泛, 如日本列岛，朝鲜半岛，中国甘肃东南部、陕西南部以及中国台湾、福建等地[3-4]。20世纪中叶以来, 随着环境问题的突出, 朱鹮野生种群相继在俄罗斯、朝鲜半岛和日本消失[5]。1981年中国科学院动物研究所在洋县境内姚家沟和金家河的海拔1200—1400 处, 发现两处朱鹮营巢地[6], 自此设立专门保护管理机构, 2005年批准为陕西汉中朱鹮国家级自然保护区。经过30余年的努力, 2012年汉中周边县区野生朱鹮达到1090 只, 其中97.2%在洋县境内[7]。首届朱鹮国际论坛上获悉全球朱鹮种群已突破3000 只, 日本和韩国朱鹮分别达到500 只左右和309 只, 国内种群数量达2600 余只, 其中野生朱鹮及放飞朱鹮突破1800 只。目前, 陕西洋县是世界上唯一的朱鹮野生种群栖息地。

目前, 野生朱鹮种群的数量和分布范围虽逐渐扩大, 但受自身繁殖能力低下和抵御天敌能力较弱的影响, 朱鹮保护工作一直受到国内外广泛关注。加强朱鹮栖息地的保护及其区外朱鹮种群的保护, 积极开展朱鹮的扩散生态学和再引入等方面的研究, 是朱鹮保护的有效途径和重要手段[7-8]。生境的丧失和破碎是生物多样性降低的主要原因[9-10], 赵洪峰等运用层次分析法研究了朱鹮新扩散区和再引入区的生境质量[11]。翟天庆等研究表明朱鹮生境在北迁, 生境中心有脱离现在保护区倾向[12]。颜文博等[13]研究表明海拔、土壤亮度、坡度、土壤绿度是影响朱鹮繁殖地分布的主要环境因子。朱鹮筑巢对高等级公路有明显的回避效应[14]。综上, 朱鹮栖息地不仅受道路、气温、土壤亮度、土壤绿度等因素的影响, 还受生态环境质量本身的影响。一般植被覆盖越好, 区域生态环境质量也会越好。而植被的分布及动态变化在一定程度上会潜在影响动物栖息地的分布与变化[15-16]。张宏杰等研究了朱鹮集群繁殖地的植物群落生态特征[17]。长期以来, 朱鹮主要栖息于汉中及其周边以栓皮栎、油松、马尾松等为主的落叶阔叶林和针阔叶混交林, 朱鹮繁殖地的植被覆盖程度适中[13], 因此朱鹮的生存和繁殖与栖息地植被状况也密切相关。NDVI不仅是反映区域植被动态变化最敏感的指标[15], 还一定程度上反映区域生态环境质量的变化[18]。基于此, 本文旨在研究朱鹮自然保护区植被覆盖的时空特征, 分析植被覆盖变化对朱鹮的繁殖及引种存在的可能影响, 为朱鹮异地引种和扩大繁殖区范围奠定一定的理论基础。

1 研究区概况

陕西汉中朱鹮国家级自然保护区横跨洋县和城固县, 其主体在洋县, 总面积为37549 hm2, 地处秦岭南坡中段的中山带地区。本研究涉及范围主要包括汉中市辖区内的9县2区和安康市的宁陕县, 区域内地貌类型以山地为主, 南有巴山, 北有秦岭, 汉江穿流而过, 山地面积广, 河谷盆地面积少, 森林覆盖率超过60%。由南向北从北亚热带向南暖温带过渡, 年均温12—14 ℃, 年平均降水量900—1000 mm。植被为落叶阔叶林和常绿阔叶林, 优势树种有马尾松和栓皮栎[13], 本文定义为朱鹮典型栖息地, 见图1。其中, 宁陕县城关镇寨沟村是全国第一个朱鹮异地野化放飞试验基地, 地处秦岭南坡中段, 历史上也曾有朱鹮的分布, 其生态环境和自然环境同洋县十分相似。

图1 研究区植被类型(a)和DEM图(b)

Figure 1 Vegetation type(a) and DEM(b) in typical habitat of Crested Ibis

2 数据来源与处理

2.1 数据来源

文中NDVI数据来源于美国国家航空航天局(NASA)MODIS数据产品的MOD13Q1数据集, 研究时间尺度为2000—2014年, 空间分辨率为250 m× 250 m, 时间分辨率为16 天。运用MODIS数据处理工具MRT(MODIS Reprojection Tools)对原始数据进行格式和投影转换, 然后用最大合成法(MVC)[19]合成年NDVI数据。

2.2 研究方法

2.3.1 线性拟合法

式中, B为斜率, 反映逐像元NDVI的年际变化状况。为年份,=15。当Bslope>0时, 表明植被NDVI随时间的推移, 呈上升趋势; 反之, 植被NDVI呈下降趋势[20-21]。

2.3.2 变异系数

C·V=( STD/ Mean)×100% (2)

式中, C·V是用来比较植被NDVI离散程度的指标; STD是第年植被NDVI的标准差, Mean是第年植被NDVI的平均值。C·V值越大, 数据离散的程度也越大; 反之, 越小[21]。

3 结果与分析

3.1 植被NDVI的时间变化特征

从时间序列来看, 朱鹮典型栖息地整个研究区植被NDVI呈波动性微上升趋势, 洋县和宁陕县两个野生朱鹮保护站植被NDVI也呈现波动性微上升趋势, 见图2。整个研究区最大NDVI为0.9049, 宁陕县最大NDVI为0.9237, 洋县最大NDVI为0.8931, 均在2010年达到最高植被覆盖。但三者最小NDVI并不在同一时间点, 整个研究区最小NDVI为0.8571, 宁陕县最小NDVI为0.8911, 洋县最小NDVI为0.8386, 分别位于2001年、2008年和2002年。从变化趋势来看, 整个研究区和洋县的年际变化趋势基本同步, 年增长率为0.2%; 宁陕县年NDVI增长率为0.1%, 明显低于整个研究区和洋县。表明整个研究区植被覆盖情况良好, 生态环境质量持续上升。从内部空间来看, 洋县比宁陕县植被生长情况要好, 生态环境质量也较好。可能在于该时段区域气温和降水均呈微弱增加趋势, 且降水量的增加对区域植被覆盖作用更明显[22]。

3.2 植被NDVI的空间变化特征

朱鹮典型栖息地植被NDVI多年平均值的空间取值范围为0.3506—0.9619, 呈现南北高, 中间低, 见图3(a)。2000—2014年植被NDVI变异系数的空间取值范围为0.4613—231.11, 呈现中部高, 南北低, 见图3(b)。研究区植被NDVI空间平均值为0.8734, NDVI指数整体较高。通过分段显示, NDVI小于0.7的区域, 占研究区总面积的0.92%; NDVI介于0.7—0.8的区域, 占其总面积的7.0%, 主要集中在汉江河谷盆地区; NDVI介于0.8—0.9之间的, 占总面积的53.07%, 超过其一半, 主要分布在巴山浅山区和秦岭低山区, 但巴山浅山区植被分布广。NDVI大于0.9的, 占总面积的39.0%, 主要分布在秦岭中高山区和巴山中山区, 但秦岭中高山区植被分布广。主要在于巴山浅山低山面积广, 秦岭中山和高山面积广。植被NDVI变异系数的空间平均值为3.41%, NDVI的离散程度较小, 表明, 2000—2014年NDVI的变化不明显。NDVI变异系数小于5%的面积, 占总面积的84.68%, 主要集中在秦岭和巴山的低海拔以上区域。NDVI变异系数介于5%—10%的, 占总面积的14.40%, 主要集中在汉江河谷盆地周边的浅山丘陵区, NDVI变异系数大于10%的, 占其总面积的0.92%, 主要集中在汉江河谷盆地城镇及其周边区域。总体来看, 研究区植被生长情况良好, 植被覆盖多年变化不明显。受城镇化及人类活动的影响, 汉江河谷盆地区植被变化较为显著。

图2 朱鹮典型栖息地植被NDVI年际变化

Figure 2 Interannual variation of NDVI in typical habitat of Crested Ibis

朱鹮典型栖息地植被NDVI年际变化趋势的空间取值范围为-0.03850—0.02745, 空间平均值为0.00217, 见图4(a)。在显著性0.05的水平上, 呈现嘉陵江上游和汉江源头区显著上升, 汉中盆地区显著下降, 见图4(b)。空间上, 83.20%面积的植被NDVI呈现微增长趋势; 仅有16.80%面积的植被NDVI呈现微下降趋势。其中, 显著性下降的区域面积仅占总面积的1.14%; 显著性上升的区域面积占总面积的26.43%, 集中分布在嘉陵江上游、汉江源头区、西乡县和洋县的低山丘陵区, 主要原因是20世纪90年代以来, 国家积极开展了嘉陵江上游水土保持工作和21世纪初南水北调中线工程生态环境的高度重视[23]。因此, 近年来, 朱鹮典型栖息地生态环境日益改善, 也为朱鹮的繁衍生长提供了良好的区域环境。

此外, 文中对比分析了洋县和宁陕县两个自然保护区植被NDVI情况, 洋县植被NDVI年际变化趋势的空间平均值为0.0023, 宁陕县为0.0010。整体来看, 近年来洋县植被生长情况良好, 生态环境改善情况略高于整个研究区, 明显强于宁陕县。宁陕县植被覆盖情况较好, 整体变化不明显。表明, 为了保证野生朱鹮栖息地的生态环境质量, 国家及地方一直不断地努力恢复植被, 改善区域生态环境。

3.3 植被NDVI的分区统计

从行政区划来看, 留坝县和宁陕县植被NDVI平均值最高, 分别为0.9024和0.9014; 宁强县和汉台区平均值最小, 分别为0.8556和0.8332, 见表1。汉台区和洋县变异系数最大, 分别为9.56%和7.16%; 宁陕县和留坝县变异系数最小, 分别为2.69%和2.51%。从表1可以看出, 宁陕县植被覆盖情况良好, 内部多为温带落叶阔叶林, 植被类型较为简单, 差异不大; 洋县和城固县植被NDVI并不高, 也有相关研究证实中等程度的植被覆盖是朱鹮繁殖的最适宜区[13], 但其内部为温带落叶阔叶林、温带针叶林、亚热带草丛、亚热带针阔叶混交林等植被, 植被类型复杂多样且栽培植被面积广, 差异明显。从地形特征值来看, 汉台区、洋县、勉县和城固县地形变异系数较大, 分别为48.1%, 44.9%, 44.0%和43.5%, 洋县和宁陕县高程差最明显。因此, 洋县的垂直地带性较为复杂, 朱鹮栖息地核心区有丰富的植物资源。现有野生朱鹮分布区以洋县为主, 宁陕县和城固县为辅, 主要活动于海拔450—1200 m之间的丘陵区、平坝区和低山区, 活动地点随季节而变化[24]。

图3 朱鹮典型栖息地植被NDVI平均值(a)和变异系数(b)的空间分布

Figure 3 Spatial distribution(a) and coefficient of variation(b) of vegetation NDVI in typical habitat of Crested Ibis

图4 朱鹮典型栖息地植被NDVI年际变化趋势(a)及其显著性(b)空间分布

Figure 4 Spatial distribution of interannual change trend(a) and its significance(b) in typical habitat of Crested Ibis

结合图1研究区的地形特征, 运用GIS空间统计法得到海拔在450—1200 m的面积占研究区总面积的65%, 这一海拔是朱鹮主要活动及生存的范围, 其分布范围的大小决定了朱鹮活动区域的大小。海拔在450—1200 m的区域面积分别占洋县、宁陕县总面积的82.5%和26.6%, 洋县朱鹮活动范围明显大于宁陕县, 说明洋县比宁陕县更适合朱鹮的生存, 一定程度上也证实了洋县是朱鹮生存的最佳环境。通过对洋县和宁陕县地形和植被覆盖的研究, 对于具有相似环境的区域进行朱鹮的异地野化放飞具有重要意义, 这样有利于朱鹮生存环境的扩大和朱鹮数量的增加。

表1 各县区NDVI统计特征值

3.4 不同植被类型的NDVI统计

朱鹮的繁衍生长不仅与栖息地的植被NDVI有关, 还与栖息地的植被类型有关。已有研究表明, 朱鹮栖息地植被多以栓皮栎和马尾松为主, 海拔多是中低山或浅山丘陵区[25]。从图5可以看出, 亚热带山地针叶林、亚热带竹林竹丛、温带草丛草甸、温带落叶阔叶林和亚热带针阔叶混交林的NDVI值较高, 栽培植被NDVI值低。较高的NDVI为朱鹮的繁衍生长提供了良好的生境。但植被类型在一定程度上决定了朱鹮繁衍生长的营巢选址, 温带落叶阔叶林以栓皮栎为代表, 亚热带山地针叶林以马尾松为代表, 因此, 植被NDVI越高并不一定是朱鹮繁衍的最佳环境, 但朱鹮繁衍需要良好的生态环境基础。

3.5 植被NDVI对朱鹮数量的影响

自1981年陕西洋县重新发现朱鹮野生种群以来, 朱鹮保护站加强管理, 朱鹮野生种群数量攀升, 但个别年份受反常气温和严重干旱的影响, 导致朱鹮繁殖失败。据不完全统计, 1999—2003年共繁殖259 只幼鸟, 见图6。2000年朱鹮繁殖数有所下降, 2001和2002年朱鹮繁殖数有所上升, 但是从植被NDVI来看, 2000年和2003年植被NDVI值较高, 有改善倾向。整体来看, 植被覆盖并不是影响朱鹮繁殖生长的主要因素。

图5 不同植被类型的NDVI

Figure 5 NDVI of different vegetation types

4 讨论

本文对2000—2014年朱鹮典型栖息地植被NDVI的研究, 旨在分析朱鹮典型栖息地的生态环境质量, 为进一步研究朱鹮就地放飞和异地引种提供一定的理论基础。其主要结论如下: (1)朱鹮典型栖息地植被NDVI呈现波动性微增长的态势, 空间上秦岭中低山和巴山浅山丘陵区植被NDVI有所增长, 生态环境改善。(2)朱鹮活动范围主要集中在温带落叶阔叶林和亚热带山地针叶林, 洋县植被类型的多样和宁陕县良好的生态环境, 为朱鹮的栖息和繁殖提供了良好的生态条件。

Figure 6 Breeding quantity of Crested Ibis

文中从植被覆盖的角度研究了朱鹮典型栖息地的生境, 因朱鹮繁殖数据收集困难, 未能进一步定量研究朱鹮数量和植被覆盖之间的内在联系。已有研究证实了植被覆盖最低和最高均不利于朱鹮的繁衍生长, 文中温带落叶阔叶林的植被NDVI为0.8984, 亚热带山地针叶林的植被NDVI为0.9020, 温带落叶阔叶林的植被NDVI低于亚热带山地针叶林植被NDVI, 是朱鹮最适宜生存的植被类型分布区。朱鹮的繁衍生长不仅受气候、生态环境和人类活动影响, 还受植被类型的树种、树高以及距离人类居住地远近的影响。未来势必要加强朱鹮异地放飞生态环境和植被覆盖方面的研究。

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Spatial-temporal characteristics of vegetation cover in typical habitat of Crested Ibis

WANG Qi1,3, ZHANG Jing2,*, YAN Wenbo3, WU Jie2

1. School of Biological Science and Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, China 2. School of History and Tourism, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, China 3. Bioresources Key Laboratory of Shaanxi Province, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, China

The change of vegetation coverage affected the habitat of animals and plants, and then affected its distribution, reproduction and quantity and so on. It is of great importance to study the change of vegetation coverage in typical habitat of Crested Ibis. Using MODIS-NDVI dataset, the spatiotemporal characteristics of vegetation coverage in typical habitat of Crested Ibis were studied by using maximum pixel method, linear trend method and coefficient of variation during the period 2000-2014. The results showed: (1)NDVI of vegetation in typical habitat of Crested Ibis showed a trend of fluctuating and slight increase. NDVI of vegetation in Yangxian showed a synchronous change with NDVI of vegetation in the whole research area, while NDVI of vegetation in Ningshan County showed no obvious change.(2)Spatially, NDVI of vegetation increased in the middle and low mountains of Qinling Mountains and the shallow hilly areas of Bashan Mountains, which showed improvement of ecological environment. (3)Crested Ibis mainly lived in temperate deciduous broad-leaved forest zone and subtropical mountain coniferous forest zone, mainly in low and medium-low terrain.

NDVI; Crested ibis; Yangxian

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.025

Q948.1

A

1008-8873(2019)05-193-07

2018-11-17;

2019-07-02

陕西省科技厅项目(2015SZS-15-09); 陕西理工大学朱鹮保护与研究协同创新中心经费资助; 陕西理工大学人才启动项目(SLGRC2019-23)

王琦(1970—), 男, 陕西汉中人, 副教授, 硕士导师, 陕西省动物学会常务理事, 主要从事野生动物保护及生理生态学研究, E-mail: wangqi6@163.com

张静, 女, 博士, 副教授, 主要从事资源环境评价与GIS研究, E-mail: zj2003y@126.com

王琦, 张静, 颜文博,等. 朱鹮典型栖息地植被覆盖时空特征研究[J]. 生态科学, 2019, 38(5): 193-199.

WANG Qi, ZHANG Jing, YAN Wenbo, et al. Spatial-temporal characteristics of vegetation cover in typical habitat of Crested Ibis[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 193-199.