基于气象和遥感数据的气候变化对安吉小鲵生境的影响研究

潘德寿，庞毓雯，周音颖，黄雨馨，徐俊锋

(1. 安吉县湿地与野生动植物保护中心，浙江 湖州 313300； 2. 杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江 杭州 311121； 3. 浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江 杭州 311121)

安吉小鲵(Hynobiusamjiensis)属两栖纲有尾目小鲵科小鲵属，其体表光滑，头部扁平，躯干粗壮，前肢四趾，后肢五趾，无蹼，背部褐色，腹部灰褐色，通体无色斑[1].1990年，安吉小鲵首次在浙江省安吉县龙王山发现，目前已知仅分布在龙王山及临安清凉峰[2-3]，为我国特有的两栖物种，被列入国家和世界保护名录.

动物生境(即栖息地)是动物活动、繁衍的庇护所，开展生境研究是保护珍稀濒危物种的前提，对动物种群的生长、繁殖起关键作用.全球变暖风险加剧，对不同的生态系统、动植物生境带来了前所未有的威胁[4].越来越多的研究表明，温度升高等一系列气候问题已经或正在引起生物物种分布范围、形态特征、生长规律等的变化，且预计将成为生物多样性丧失的主要驱动力[5].这要求我们能够快速掌握当前保护区的资源现状，以便及时制定相应管理政策[6-7].

泥炭沼泽是安吉小鲵赖以生存的环境[8]，在当前气候背景下，沼泽植被群落面临退化、演替风险，进而威胁安吉小鲵的生长安全[7].泥炭沼泽水分依靠地表径流和大气降水补给，属于低温环境，因此降水和温度是其生态结构功能变化的根本驱动力[9].传统的环境生态监测研究依靠野外观测资料，不利于长时间周期和面状分析的需要，而遥感技术在获取、分析数据方面可提供强有力的支撑，近年来广泛应用于野生动植物生境评估研究中[10-11].遥感归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)产品多用于植被长势研究，能够反映植被生长状态以及空间分布状况，已越来越多地作为评价生境质量的指标[10]用于评估保护区的生境安全.如刘雪华等[12]基于TM影像的NDVI曲线指出秦岭2个自然保护区中生境类型基本保持稳定；税燕萍等[13]利用土地覆盖和NDVI数据评估了拉萨河流域生境质量，指出NDVI对生境质量变化的反馈更为显著；翁涛等[14]则利用更多的遥感指数产品评估了赤水桫椤保护区的保护成效；宋超等[15]通过NDVI近30年的变化规律分析了河北大海陀自然保护区中草甸植被对气候变化的响应.这些研究均基于遥感产品评估了保护区的生态状况及其对气候变化的响应，但针对珍稀濒危物种的生境安全研究仍有待提高.安吉小鲵作为一种极濒危两栖动物，其分布范围有很大的空间限制性，面对当前剧烈变化的气候条件，迫切需要开展相关生境安全研究，为保护区工作人员提供科学指导，以防止安吉小鲵数量的减少.

本研究通过气象站点插值数据以及遥感植被指数产品，分析了2000—2015年气温、降水以及逐年9月份NDVI的变化规律，探究气候变化下安吉小鲵保护区生态环境的变化，以阐明当前安吉小鲵生境的稳定性，这对保护我国濒危物种有实际意义.

1 研究区概况

浙江龙王山安吉小鲵国家级自然保护区地处浙江省安吉县的西南部(119°22′30″—119°26′15″E，30°22′30″—30°27′30″N)，总面积约7 000 hm2(图1).区域海拔314.5～1 587.4 m[16]，其中最高峰为龙王峰，海拔1 587.4 m，为浙北第一高峰，此处发育了千亩田高山泥炭沼泽，为安吉小鲵的主要生境[2,16].保护区属亚热带季风气候，年均气温12～17 ℃，年均降雨量1 700～1 900 mm，雨日165～175 d，年均无霜期为203～212 d.以东南季风为主的夏季风和以北风为主的冬季风使保护区形成了夏季多雨、冬季少雨、温湿同步、干冷同季的季风气候特点.同时，受山地地形地貌的影响，保护区内小气候特征突出[16].

注：右图底图为安吉县ASTER-GEDM.

2 材料和方法

2.1 数据源

本研究使用中国气象数据网提供的浙江省境内19个标准气象台站(图2)2000—2015年的月值气象数据，包括9月份月平均气温和年均降水量.通过USGS平台(https://lpdaac.usgs.gov/products/mod13q1v006/)下载2000—2015年的MOD13Q1产品(NDVI)，时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m.采用最大值合成方法，得到逐年9月份的NDVI数据，用于后续保护区植被长势时空变化分析.

图2 气象站点分布Fig.2 Distribution of meteorological stations

2.2 气象站点的Kriging插值

基于19个气象站点2000—2015年逐年9月均温和年降水数据，利用Arcgis 10.2.2获得温度和降水空间插值结果.

2.3 Theil-Sen Median非参数趋势分析

采用Theil-Sen Median非参数方法[19]描述气候指标和植被长势多年来的时空变化趋势.相比于传统的参数分析法，Theil-Sen Median不易受到极端值的干扰，具有较强的鲁棒性，其计算方法如下：

式中，i、j为年份，oneseti、onesetj表示对应年份的参考指标，分别为9月份月均温、年降水和9月份NDVI值，S为n年中各指标在任意两年变化的斜率的中位数.若S>0，表示指标表现出增加趋势；若S=0，表示在该段时间内指标没有变化；若S<0，则表示指标表现出减少的趋势.

3 结果和分析

3.1 温度和降水演变趋势

由9月份月均温插值图(图3)得到，安吉小鲵保护区9月份多年平均温度为20～22 ℃，核心区的温度较低，保护区周边温度较高.核心区海拔较高，为安吉小鲵的主要生境.通过非参数趋势分析发现，近16年来保护区外围温度有降低趋势(图4A)，而安吉小鲵分布核心区的温度则表现为升高趋势，增温幅度达0.007～0.017 ℃/a，高于我国大陆平均增温幅度[20].由此可见，全球升温对一些敏感区域产生的影响更大，而这也将威胁保护区内一些濒危动植物的生长、繁殖.从年降水量的变化(图4B)来看，保护区内降水呈现增长趋势，增幅为21.5 mm/a.可见，保护区整体表现为暖湿化趋势，且核心区温度的升高和降水增加的程度更明显，这将显著影响安吉小鲵的生长活动范围.

图3 2000—2015年9月份年均温度分布图Fig.3 Average annual temperature distribution in September from 2000 to 2015

A.温度

B.年降水量

对安吉小鲵来说，地表水文环境是其生长繁殖的关键环境因素，受气候条件的影响[1].泥炭沼泽是一种特殊的湿地类型，其地表水文主要受年降水量控制[21-22].从水量平衡方程来看，对于给定区域，其水量结余为：

ΔS=(P+E1+R地表+R地下)-(q+E2+R′地表+R′地下).

式中，P为区域内给定时段内的降水量；E1为区域内水汽凝结量；R地表、R地下分别为给定时段内地表、地下流入区域的径流量；q为区域内人类用水量；E2为区域内地表总蒸散量；R′地表、R′地下分别指给定时段内地表、地下流出区域的径流量.

泥炭沼泽中的水量结余主要来自大气降水，随着保护区内降水量的增加，地表截留水分增多，这将促进喜水植被发育而抑制旱生植被生长，导致植被群落演替，给沼泽中安吉小鲵的生长繁殖带来风险.为了保证动物生境的安全，一方面要保证区域生物多样性稳定，另一方面要维持其生境的空间分布格局.因此气候条件是安吉小鲵可持续发展的基础要素，仍需对保护区的气候状况进行分析.

3.2 NDVI演变趋势

图5 2000—2015年9月份NDVI变化趋势Fig.5 Trend of NDVI changes in September from 2000 to 2015

本研究统计了保护区2000—2015年NDVI变化趋势，从植被生长角度探究气候变化对保护区生态安全的影响.如图5所示，保护区的植被生长状况整体表现为减少趋势，即绿度减弱，其降幅为每年0.000 3.核心区的植被减少更为明显，这与前文的温度、降水空间分布格局相似.16年来，保护区暖湿化的发展趋势，不但没有促进植被生长，反而减缓了其生长进程，这与沼泽植被的生长适宜条件有关，沼泽中的优势物种泥炭藓生长更倾向于冷湿的环境[23-24].而这种植被生长状况减弱的趋势将直接导致安吉小鲵生长活动空间压缩，进而影响种群繁殖，威胁物种的保护.因此保护区管理人员应当关注植被群落的稳定性和多样性，以稳定安吉小鲵栖息地的生态环境.

4 讨论

本研究基于2000—2015年气象数据和遥感植被产品分析了安吉小鲵国家级自然保护区内气温、降水和植被长势的变化趋势，结果表明，保护区的气温和降水均有增加，增幅分别为0.007～0.017 ℃/a和21.5 mm/a，呈现暖湿化趋势，且保护区的核心区升温明显、降水增加多.气候条件的改变使植被生长呈减弱趋势，这与泥炭沼泽优势种泥炭藓喜冷湿有关.这种不利于泥炭沼泽植被发育的气候演变趋势将导致保护区生态状况变差，进而导致安吉小鲵生长、繁殖作用减弱.

4.1 局部暖湿化进程对安吉小鲵生境的影响

本研究发现安吉小鲵国家保护区面临暖湿化发展趋势，在此背景下，区域总体储水量增加，但未来的水量平衡发展方向未知.从短期来看，随着地表径流的增多，地下水位的抬升，能够推动沼泽发育，有利于安吉小鲵生长；但长远而言，气候暖湿变化将影响沼泽植被群落的生长过程、适宜类型等，且未来水资源短缺的潜在风险在加剧，因此需要保护区工作者保持警惕.此外，本研究在分析气候变化过程时，只选取了气温和降水数据，对评估区域水量平衡而言是不够的，后续研究应该加入更多的水文要素参与分析.

4.2 植被群落演变对安吉小鲵生境的影响

气候变化可通过改变植物群落结构、生理特性等[25]对野生动物的食物、栖息地和种群繁育产生影响[26].安吉小鲵生活于泥炭沼泽优势种泥炭藓下的腐殖质层中，产卵季节进入水坑[1-2]，其生存对泥炭藓依赖度极高.而目前气候变化的背景已导致泥炭沼泽面积锐减，也使沼泽植被群落发生演替，安吉小鲵的生存空间进一步缩小，濒临灭绝.本研究通过遥感植被指数的变化规律粗略反映了保护区内植被减少的趋势，符合泥炭藓退化过程，这将导致安吉小鲵栖息地锐减.为更精细地评估植被群落演替对安吉小鲵生境的影响，应当引入更多生态指标，结合遥感大范围观测的优势进行生态系统监测，以指导保护区管理人员采取人工干预方式恢复保护区中的泥炭藓群落，起到保护安吉小鲵的作用.