郭 靜，何春光，姜海波，盛連喜，李連山

（1.東北師范大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130024；2.吉林向海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，吉林 通榆 137215）

濕地廣泛分布于世界各地，是地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)類型之一.濕地植被與濕地水禽是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)功能的基礎(chǔ).水禽多樣性是濕地生物多樣性的主要體現(xiàn)，是衡量一個(gè)地區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和自然保護(hù)價(jià)值的重要指標(biāo)之一［1］.水禽多樣性的監(jiān)測(cè)與評(píng)估是開展水禽保護(hù)的基礎(chǔ)，而目前的監(jiān)測(cè)多以野外實(shí)地調(diào)查為主，以傳統(tǒng)的多樣性指數(shù)來(lái)評(píng)估其豐富程度.這種方法具有客觀、真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，但也受調(diào)查樣點(diǎn)隨機(jī)性及樣地面積的影響，存在一定的不確定性；同時(shí)，野外調(diào)查需要消耗大量的時(shí)間、人力和財(cái)力，尤其是在大面積的、人類難以接近的地區(qū)開展長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，這一問題更為突出.因此，探索一條快速、高效、相對(duì)準(zhǔn)確的水禽多樣性監(jiān)測(cè)方法，具有極為重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有時(shí)效高、覆蓋范圍大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)易于獲得.利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來(lái)研究濕地植被生產(chǎn)力的方法已被證實(shí)是可行的［2－3］，如果能夠確定濕地植被生產(chǎn)力與水禽多樣性間的關(guān)系，就使得利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來(lái)適時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估水禽的多樣性變化成為可能，這不僅可減少人力、物力，而且節(jié)省時(shí)間，減少財(cái)政資出.根據(jù)瀕危水禽、野生動(dòng)物棲息地的適時(shí)動(dòng)態(tài)信息，對(duì)評(píng)價(jià)優(yōu)先保護(hù)區(qū)、擬提出濕地保護(hù)與恢復(fù)規(guī)劃等，都將提供可靠的科學(xué)依據(jù).

松嫩平原地處中國(guó)東北的半干旱區(qū)，是我國(guó)沼澤濕地集中分布的地區(qū)之一.由于該區(qū)濕地面積大、類型多、分布廣，現(xiàn)已成為眾多水禽的聚集區(qū)，也是東亞—澳大利西亞鳥類遷徙的重要停歇地和繁殖地.該區(qū)目前分布多個(gè)以濕地水禽及其生境為保護(hù)對(duì)象的國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)，因此，濕地水禽多樣性及生境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估是目前保護(hù)區(qū)開展保護(hù)工作的重要內(nèi)容［4］.本文以吉林向海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)，通過(guò)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)分析和野外實(shí)地調(diào)查等手段，研究了濕地植被生產(chǎn)力與水禽多樣性之間的關(guān)系；探討了通過(guò)衛(wèi)星遙感影像解譯得到的歸一化植被指數(shù)（NDVI）與相應(yīng)地點(diǎn)的水禽多樣性之間存在的顯著的相關(guān)性，評(píng)估水禽多樣性的變化，為自然保護(hù)區(qū)開展?jié)竦厮荻鄻有约捌渖城闆r動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供科技支持.

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 向海自然保護(hù)區(qū)概況

向海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于吉林省通榆縣境內(nèi)，地理位置為44°55′～45°09′N，122°05′～122°31′E（見圖1），1992年被列為國(guó)際重要濕地.保護(hù)區(qū)總面積為1055km2，其中濕地面積361km2，包括水域125km2和沼澤236km2.保護(hù)區(qū)年內(nèi)降水分配不均，年平均蒸發(fā)量約為降水量的5倍.向海濕地的水源供應(yīng)主要來(lái)自于霍林河，該河流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)入吉林省的西部，全長(zhǎng)約590km，進(jìn)入向海自然保護(hù)區(qū)后，由于該區(qū)地勢(shì)平坦，發(fā)生漫流，形成“無(wú)尾河”.河道周期性泛濫的洪水產(chǎn)生了大面積的濕地，積水較淺，適于蘆葦?shù)人参锏纳?區(qū)內(nèi)有向海水庫(kù)、興隆水庫(kù)、堿地泡、付老文泡、愛國(guó)泡、黑魚泡等水庫(kù)和自然泡沼20多處.在水量豐富的年份，該區(qū)具有良好的自然環(huán)境，已成為遷徙和繁殖鳥類的重要棲息地，鳥類多樣性極為豐富［5］.

圖1 向海自然保護(hù)地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 研究區(qū)與調(diào)查路線

繁殖季節(jié)，鳥類的物種數(shù)目及個(gè)體數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定，其豐富度和多樣性信息最能反映棲息地的環(huán)境質(zhì)量狀態(tài).2010年和2011年的7月對(duì)研究區(qū)的鳥類進(jìn)行了一周時(shí)間的調(diào)查，調(diào)查區(qū)位于霍林河下游向海自然保護(hù)區(qū)南部鶴類核心區(qū)內(nèi)，面積384km2（16km×24km），占保護(hù)區(qū)總面積的36%.該區(qū)濕地以蘆葦沼澤為主，其他生境主要為草甸、沙丘、灌叢、榆林及少部分農(nóng)田.調(diào)查采用路線法與定點(diǎn)觀察法相結(jié)合的方法［6－7］，調(diào)查路線主要沿沼澤濕地與沙丘或干草甸交界線由東向西延伸，調(diào)查地點(diǎn)依次為堿地泡、鶴島、付老文泡、愛國(guó)壩、同發(fā)滾水壩，主要路線與觀察點(diǎn)位置見圖2.

圖2 研究區(qū)主要路線及調(diào)查點(diǎn)布設(shè)

1.2.2 水禽多樣性評(píng)價(jià)

根據(jù)《濕地公約》的定義，水禽“是指生態(tài)上依賴濕地而生存的鳥類（the birds ecologically dependent on wetlands）”，即某一生活史階段依賴于濕地，且在形態(tài)和行為上對(duì)濕地形成適應(yīng)特征的鳥類［8］.它們以濕地為棲息空間，依水而居，或在水中游泳和潛水，或在淺水、灘地與岸邊涉行，或在其上空飛行，以各種特化的喙和獨(dú)特的方式在濕地覓食［9］.從類別上主要包括傳統(tǒng)上習(xí)稱的雁鴨類、海濱鳥類和涉禽類.除了以上這些類群外，還包括水邊棲息的翠鳥類、猛禽類和雀形目中的一些鳥類.本研究中水禽多樣性評(píng)價(jià)方法主要采用Shannon－Wiener多樣性指數(shù)：

式中：H為Shannon－Wiener多樣性指數(shù)；Pi＝ni／N，表示種i的個(gè)體數(shù)在總個(gè)體N 中所占的比例［10］.

Shannon－Wiener指數(shù)是衡量生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性的一個(gè)經(jīng)典指標(biāo)，一般來(lái)講，該指數(shù)越高，生態(tài)系統(tǒng)的物種越豐富，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定，其維持、繁衍和保護(hù)物種多樣性的能力越強(qiáng).

1.2.2 植物生產(chǎn)力的估算方法

植物生產(chǎn)力是指生物在單位時(shí)間所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)的量，即生產(chǎn)的速度.目前，全面地測(cè)定生物的生產(chǎn)力還有很多困難，因此多以測(cè)定綠色植物的生長(zhǎng)量來(lái)代表植物的生產(chǎn)力［11］.植被指數(shù)法是植被質(zhì)量與數(shù)量估算普遍采用的方法之一.其中，歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）與植被空間分布密度、生物量、生產(chǎn)力等相關(guān)性很高［2，12］，一般隨生物量的增加而增大.

本文應(yīng)用植被指數(shù)法估算植被生產(chǎn)力.植被指數(shù)的獲得具體分為光譜測(cè)量及遙感數(shù)據(jù)估算兩種.

（1）光譜測(cè)量.2011年7月于研究區(qū)的付老文泡等5個(gè)研究地點(diǎn)分別隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)，使用手持式spectrosense光譜儀進(jìn)行測(cè)量，取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值.該儀器的測(cè)量原理是：同時(shí)利用不同波段光傳感器測(cè)量被測(cè)物的反射、輻射光譜值，利用數(shù)據(jù)采集器和相應(yīng)的處理軟件記錄、計(jì)算被測(cè)物的光譜特性.測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)隨機(jī)軟件導(dǎo)出，并可在Excel和Word等軟件直接進(jìn)行編輯統(tǒng)計(jì)，從而得到地表植被的NDVI值.

（2）遙感數(shù)據(jù)估算.歸一化植被指數(shù)（NDVI）在使用遙感圖像進(jìn)行植被研究以及植物物候研究中得到了廣泛應(yīng)用.本次研究選用2010年8月及2011年8月的Landsat／TM遙感影像.首先利用ENVI軟件對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何校正，然后將校正后的影像各個(gè)波段轉(zhuǎn)換成反射率，輸入相應(yīng)的計(jì)算公式，將公式與之前在ArcGIS軟件中選定的5個(gè)區(qū)域進(jìn)行整合，經(jīng)公式計(jì)算得到各區(qū)域內(nèi)NDVI的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差.計(jì)算公式如下：

式中：INDVI為歸一化植被指數(shù)；Bred為第三波段即紅波段的反射率；Bnir為第四波段即近紅外波段的反射率［3］.為了與水禽觀察地點(diǎn)一致且避免數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大，首先在ArcGIS軟件中選取以付老文泡等5個(gè)地點(diǎn)為中心、500m為半徑的區(qū)域，然后導(dǎo)入ENVI軟件，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的NDVI值.

1.3 數(shù)據(jù)處理和計(jì)算

數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理，用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年份不同調(diào)查地點(diǎn)水禽多樣性的變化

表1描述了近兩年向海自然保護(hù)區(qū)不同樣點(diǎn)水禽多樣性的變化情況，在5個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)中同發(fā)滾水壩及鶴島的水禽多樣性較高，付老文泡、堿地泡及愛國(guó)壩的水禽多樣性較低.總體上2011年夏與2010年同期相比，水禽數(shù)量明顯上升，種類數(shù)及多樣性指數(shù)均有所下降.這可能是由于水禽活動(dòng)范圍較廣，一些種類的水禽（如須浮鷗等）喜歡群體生活，因此隨機(jī)性較大；2011年不同種類水禽間的數(shù)量差異較大，其多樣性較上一年的有所下降.

表1 不同年份不同調(diào)查地點(diǎn)水禽多樣性的變化

2.2 不同年份不同調(diào)查地點(diǎn)植被的NDVI值

通過(guò)光譜測(cè)量及遙感影像解譯對(duì)5個(gè)研究樣點(diǎn)的植被生產(chǎn)力進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見圖3.NDVI實(shí)測(cè)值與遙感解譯值相比整體上偏高；不同地點(diǎn)間同發(fā)滾水壩的NDVI值最高，即該地區(qū)的植被生產(chǎn)力較高，且水量較充足，這除了大氣降水外，主要是上游水庫(kù)及時(shí)放水，水資源較為豐富；付老文泡由于無(wú)水，植被生長(zhǎng)較差，該地NDVI值最低，即植被生產(chǎn)力最低.根據(jù)遙感解譯結(jié)果，2011年研究地區(qū)植被生產(chǎn)力較上一年相比偏低.

圖3 不同年份不同調(diào)查地點(diǎn)植被的NDVI值

2.3 NDVI實(shí)測(cè)值與遙感解譯值之間的關(guān)系

本研究采用Pearson方法對(duì)2011年植被的NDVI實(shí)測(cè)值與遙感解譯值進(jìn)行相關(guān)性分析（見圖4），可以看出經(jīng)遙感解譯估算的NDVI值與實(shí)測(cè)的NDVI值基本相符，可以用來(lái)估算不同年份濕地植被生產(chǎn)力的變化情況.

2.4 不同年份水禽多樣性與NDVI之間的關(guān)系

圖5、圖6分別反映了2010年夏、2011年夏5個(gè)樣地的水禽多樣性指數(shù)與歸一化植被指數(shù)（NDVI）之間的關(guān)系.可以看出：各樣點(diǎn)的Shannon－Wiener指數(shù)與對(duì)應(yīng)的NDVI值基本呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著.原因可能與水禽統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)誤差有關(guān)；也可能是由于當(dāng)?shù)氐娜藶楦蓴_，包括捕魚、放牧、開荒等導(dǎo)致鳥類飛離，使水鳥的多樣性與植被狀況不符.

圖4 2011年夏NDVI解譯值與實(shí)測(cè)值關(guān)系

圖5 2010年夏水禽多樣性與植被NDVI關(guān)系

圖6 2011年夏水禽多樣性與植被NDVI關(guān)系

3 討論

水禽多樣性是構(gòu)成濕地生物多樣性的重要組成部分，已成為確定國(guó)際重要濕地的決定性標(biāo)準(zhǔn)之一.水禽往往在植被區(qū)停歇、建巢、照顧雛鳥，在水域區(qū)捕食、飲水、躲避天敵，植被與水是濕地的主要組成成分，與水禽的生存、分布密切相關(guān)，是水禽活動(dòng)的主要限制因子.向海自然保護(hù)區(qū)位于吉林省西部，區(qū)內(nèi)河流少、土壤鹽堿化程度高，是土壤退化相當(dāng)敏感區(qū)及土地荒漠化極敏感區(qū)［13］.對(duì)向海濕地2010年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以及2011年數(shù)據(jù)的驗(yàn)證分析表明：水禽多樣性指數(shù)與NDVI整體上呈正線性相關(guān)，但線性相關(guān)性不夠明顯，即根據(jù)遙感影像只能估計(jì)水禽多樣性的大致情況而不能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確判斷.影響這種結(jié)果的主要因素可能是由于天氣、交通等因素限制，以及水禽活動(dòng)具有一定隨機(jī)性；同時(shí)各樣點(diǎn)調(diào)查時(shí)間的不一致性，所統(tǒng)計(jì)各研究地點(diǎn)的水禽數(shù)據(jù)不是十分準(zhǔn)確所導(dǎo)致的.

另外，外界干擾也對(duì)水禽多樣性的調(diào)查產(chǎn)生了影響.例如各調(diào)查樣點(diǎn)周圍農(nóng)田斑塊面積、道路覆蓋情況等不同，導(dǎo)致不同調(diào)查樣點(diǎn)的干擾形式和強(qiáng)度不一樣［14］，有的地方植被生長(zhǎng)狀況和水文條件較好，但外界干擾較多，如放牧、捕魚等，鳥類受干擾后離開，導(dǎo)致調(diào)查數(shù)據(jù)不能反映生境的真實(shí)情況.

及時(shí)準(zhǔn)確地掌握瀕危水禽多樣性、野生動(dòng)物棲息地的動(dòng)態(tài)信息，對(duì)評(píng)價(jià)優(yōu)先保護(hù)區(qū)、擬提出濕地保護(hù)與恢復(fù)規(guī)劃等，都將提供可靠的科學(xué)依據(jù).本研究利用衛(wèi)星遙感影像研究了濕地植被及生境條件，建立關(guān)系模型來(lái)間接評(píng)估濕地水禽的多樣性，方法簡(jiǎn)便省時(shí)，但目前涉及此方面的國(guó)內(nèi)外研究很少，尚沒有較成功的方法體系，因此仍有必要在減少外界因素限制的前提下進(jìn)一步開展研究和探討.

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