向海湿地植被生产力与水禽多样性关系的研究

2012-09-15何春光姜海波盛连喜李连山

东北师大学报（自然科学版） 2012年4期

郭静，何春光，姜海波，盛连喜，李连山

（1.东北师范大学国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林长春 130024；2.吉林向海国家级自然保护区管理局，吉林通榆 137215）

湿地广泛分布于世界各地，是地球上最重要的生态系统类型之一.湿地植被与湿地水禽是湿地生态系统的重要组成部分，也是湿地生态系统发挥其生态服务功能的基础.水禽多样性是湿地生物多样性的主要体现，是衡量一个地区湿地生态环境质量和自然保护价值的重要指标之一［1］.水禽多样性的监测与评估是开展水禽保护的基础，而目前的监测多以野外实地调查为主，以传统的多样性指数来评估其丰富程度.这种方法具有客观、真实等优点，但也受调查样点随机性及样地面积的影响，存在一定的不确定性；同时，野外调查需要消耗大量的时间、人力和财力，尤其是在大面积的、人类难以接近的地区开展长期的监测，这一问题更为突出.因此，探索一条快速、高效、相对准确的水禽多样性监测方法，具有极为重要的科学意义和实际应用价值.

卫星遥感数据具有时效高、覆盖范围大、成本低等优点，同时易于获得.利用卫星遥感数据来研究湿地植被生产力的方法已被证实是可行的［2－3］，如果能够确定湿地植被生产力与水禽多样性间的关系，就使得利用卫星遥感数据来适时监测和评估水禽的多样性变化成为可能，这不仅可减少人力、物力，而且节省时间，减少财政资出.根据濒危水禽、野生动物栖息地的适时动态信息，对评价优先保护区、拟提出湿地保护与恢复规划等，都将提供可靠的科学依据.

松嫩平原地处中国东北的半干旱区，是我国沼泽湿地集中分布的地区之一.由于该区湿地面积大、类型多、分布广，现已成为众多水禽的聚集区，也是东亚—澳大利西亚鸟类迁徙的重要停歇地和繁殖地.该区目前分布多个以湿地水禽及其生境为保护对象的国家级湿地自然保护区，因此，湿地水禽多样性及生境的动态监测与评估是目前保护区开展保护工作的重要内容［4］.本文以吉林向海国家级自然保护区为研究区，通过卫星遥感影像数据分析和野外实地调查等手段，研究了湿地植被生产力与水禽多样性之间的关系；探讨了通过卫星遥感影像解译得到的归一化植被指数（NDVI）与相应地点的水禽多样性之间存在的显著的相关性，评估水禽多样性的变化，为自然保护区开展湿地水禽多样性及其生境情况动态变化监测与评估提供科技支持.

1 研究区概况与研究方法

1.1 向海自然保护区概况

向海国家级自然保护区位于吉林省通榆县境内，地理位置为44°55′～45°09′N，122°05′～122°31′E（见图1），1992年被列为国际重要湿地.保护区总面积为1055km2，其中湿地面积361km2，包括水域125km2和沼泽236km2.保护区年内降水分配不均，年平均蒸发量约为降水量的5倍.向海湿地的水源供应主要来自于霍林河，该河流经内蒙古自治区进入吉林省的西部，全长约590km，进入向海自然保护区后，由于该区地势平坦，发生漫流，形成“无尾河”.河道周期性泛滥的洪水产生了大面积的湿地，积水较浅，适于芦苇等水生植物的生存.区内有向海水库、兴隆水库、碱地泡、付老文泡、爱国泡、黑鱼泡等水库和自然泡沼20多处.在水量丰富的年份，该区具有良好的自然环境，已成为迁徙和繁殖鸟类的重要栖息地，鸟类多样性极为丰富［5］.

图1 向海自然保护地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 研究区与调查路线

繁殖季节，鸟类的物种数目及个体数量相对稳定，其丰富度和多样性信息最能反映栖息地的环境质量状态.2010年和2011年的7月对研究区的鸟类进行了一周时间的调查，调查区位于霍林河下游向海自然保护区南部鹤类核心区内，面积384km2（16km×24km），占保护区总面积的36%.该区湿地以芦苇沼泽为主，其他生境主要为草甸、沙丘、灌丛、榆林及少部分农田.调查采用路线法与定点观察法相结合的方法［6－7］，调查路线主要沿沼泽湿地与沙丘或干草甸交界线由东向西延伸，调查地点依次为碱地泡、鹤岛、付老文泡、爱国坝、同发滚水坝，主要路线与观察点位置见图2.

图2 研究区主要路线及调查点布设

1.2.2 水禽多样性评价

根据《湿地公约》的定义，水禽“是指生态上依赖湿地而生存的鸟类（the birds ecologically dependent on wetlands）”，即某一生活史阶段依赖于湿地，且在形态和行为上对湿地形成适应特征的鸟类［8］.它们以湿地为栖息空间，依水而居，或在水中游泳和潜水，或在浅水、滩地与岸边涉行，或在其上空飞行，以各种特化的喙和独特的方式在湿地觅食［9］.从类别上主要包括传统上习称的雁鸭类、海滨鸟类和涉禽类.除了以上这些类群外，还包括水边栖息的翠鸟类、猛禽类和雀形目中的一些鸟类.本研究中水禽多样性评价方法主要采用Shannon－Wiener多样性指数：

式中：H为Shannon－Wiener多样性指数；Pi＝ni／N，表示种i的个体数在总个体N 中所占的比例［10］.

Shannon－Wiener指数是衡量生态系统物种多样性的一个经典指标，一般来讲，该指数越高，生态系统的物种越丰富，生态系统越稳定，其维持、繁衍和保护物种多样性的能力越强.

1.2.2 植物生产力的估算方法

植物生产力是指生物在单位时间所产生的有机物质的量，即生产的速度.目前，全面地测定生物的生产力还有很多困难，因此多以测定绿色植物的生长量来代表植物的生产力［11］.植被指数法是植被质量与数量估算普遍采用的方法之一.其中，归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）与植被空间分布密度、生物量、生产力等相关性很高［2，12］，一般随生物量的增加而增大.

本文应用植被指数法估算植被生产力.植被指数的获得具体分为光谱测量及遥感数据估算两种.

（1）光谱测量.2011年7月于研究区的付老文泡等5个研究地点分别随机选取3个样点，使用手持式spectrosense光谱仪进行测量，取样点数据的平均值.该仪器的测量原理是：同时利用不同波段光传感器测量被测物的反射、辐射光谱值，利用数据采集器和相应的处理软件记录、计算被测物的光谱特性.测量数据通过随机软件导出，并可在Excel和Word等软件直接进行编辑统计，从而得到地表植被的NDVI值.

（2）遥感数据估算.归一化植被指数（NDVI）在使用遥感图像进行植被研究以及植物物候研究中得到了广泛应用.本次研究选用2010年8月及2011年8月的Landsat／TM遥感影像.首先利用ENVI软件对遥感图像进行几何校正，然后将校正后的影像各个波段转换成反射率，输入相应的计算公式，将公式与之前在ArcGIS软件中选定的5个区域进行整合，经公式计算得到各区域内NDVI的平均值及标准差.计算公式如下：

式中：INDVI为归一化植被指数；Bred为第三波段即红波段的反射率；Bnir为第四波段即近红外波段的反射率［3］.为了与水禽观察地点一致且避免数据量过于庞大，首先在ArcGIS软件中选取以付老文泡等5个地点为中心、500m为半径的区域，然后导入ENVI软件，计算该区域内的NDVI值.

1.3 数据处理和计算

数据采用Excel软件处理，用SPSS软件进行相关性分析和回归分析.

2 结果与分析

2.1 不同年份不同调查地点水禽多样性的变化

表1描述了近两年向海自然保护区不同样点水禽多样性的变化情况，在5个调查样点中同发滚水坝及鹤岛的水禽多样性较高，付老文泡、碱地泡及爱国坝的水禽多样性较低.总体上2011年夏与2010年同期相比，水禽数量明显上升，种类数及多样性指数均有所下降.这可能是由于水禽活动范围较广，一些种类的水禽（如须浮鸥等）喜欢群体生活，因此随机性较大；2011年不同种类水禽间的数量差异较大，其多样性较上一年的有所下降.

表1 不同年份不同调查地点水禽多样性的变化

2.2 不同年份不同调查地点植被的NDVI值

通过光谱测量及遥感影像解译对5个研究样点的植被生产力进行了测量，结果见图3.NDVI实测值与遥感解译值相比整体上偏高；不同地点间同发滚水坝的NDVI值最高，即该地区的植被生产力较高，且水量较充足，这除了大气降水外，主要是上游水库及时放水，水资源较为丰富；付老文泡由于无水，植被生长较差，该地NDVI值最低，即植被生产力最低.根据遥感解译结果，2011年研究地区植被生产力较上一年相比偏低.

图3 不同年份不同调查地点植被的NDVI值

2.3 NDVI实测值与遥感解译值之间的关系

本研究采用Pearson方法对2011年植被的NDVI实测值与遥感解译值进行相关性分析（见图4），可以看出经遥感解译估算的NDVI值与实测的NDVI值基本相符，可以用来估算不同年份湿地植被生产力的变化情况.

2.4 不同年份水禽多样性与NDVI之间的关系

图5、图6分别反映了2010年夏、2011年夏5个样地的水禽多样性指数与归一化植被指数（NDVI）之间的关系.可以看出：各样点的Shannon－Wiener指数与对应的NDVI值基本呈正相关，但相关性不显著.原因可能与水禽统计的随机误差有关；也可能是由于当地的人为干扰，包括捕鱼、放牧、开荒等导致鸟类飞离，使水鸟的多样性与植被状况不符.

图4 2011年夏NDVI解译值与实测值关系

图5 2010年夏水禽多样性与植被NDVI关系

图6 2011年夏水禽多样性与植被NDVI关系

3 讨论

水禽多样性是构成湿地生物多样性的重要组成部分，已成为确定国际重要湿地的决定性标准之一.水禽往往在植被区停歇、建巢、照顾雏鸟，在水域区捕食、饮水、躲避天敌，植被与水是湿地的主要组成成分，与水禽的生存、分布密切相关，是水禽活动的主要限制因子.向海自然保护区位于吉林省西部，区内河流少、土壤盐碱化程度高，是土壤退化相当敏感区及土地荒漠化极敏感区［13］.对向海湿地2010年数据的统计分析，以及2011年数据的验证分析表明：水禽多样性指数与NDVI整体上呈正线性相关，但线性相关性不够明显，即根据遥感影像只能估计水禽多样性的大致情况而不能对其进行准确判断.影响这种结果的主要因素可能是由于天气、交通等因素限制，以及水禽活动具有一定随机性；同时各样点调查时间的不一致性，所统计各研究地点的水禽数据不是十分准确所导致的.

另外，外界干扰也对水禽多样性的调查产生了影响.例如各调查样点周围农田斑块面积、道路覆盖情况等不同，导致不同调查样点的干扰形式和强度不一样［14］，有的地方植被生长状况和水文条件较好，但外界干扰较多，如放牧、捕鱼等，鸟类受干扰后离开，导致调查数据不能反映生境的真实情况.

及时准确地掌握濒危水禽多样性、野生动物栖息地的动态信息，对评价优先保护区、拟提出湿地保护与恢复规划等，都将提供可靠的科学依据.本研究利用卫星遥感影像研究了湿地植被及生境条件，建立关系模型来间接评估湿地水禽的多样性，方法简便省时，但目前涉及此方面的国内外研究很少，尚没有较成功的方法体系，因此仍有必要在减少外界因素限制的前提下进一步开展研究和探讨.

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