劉 莉,韓 美,劉玉斌,潘 彬

山東師范大學(xué),地理與環(huán)境學(xué)院, 濟(jì)南 250014

黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)濕地植被生物量空間分布及其影響因素

劉 莉,韓 美*,劉玉斌,潘 彬

山東師范大學(xué),地理與環(huán)境學(xué)院, 濟(jì)南 250014

以黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域,以野外實(shí)測濕地植被地上生物量數(shù)據(jù)、Landsat- 8影像數(shù)據(jù)和土壤各因子檢測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,通過分析各遙感因子與實(shí)測植被生物量的相關(guān)關(guān)系,建立生物量模型,進(jìn)行生物量的定量反演。通過研究生物量與土壤、水環(huán)境因子的關(guān)系,篩選影響生物量的關(guān)鍵因子,進(jìn)而分析生物量的空間分布規(guī)律。結(jié)果表明：濕地植被地上生物量的干重與各遙感因子的相關(guān)性較高；以NDVI、EVI、MSAVI、DVI、RVI、Band1、Band2、Band3、Band4、Band6共10個(gè)因子作為自變量建立的反演模型最優(yōu)；反演計(jì)算的生物量干重分為5個(gè)等級區(qū),最低的1級區(qū)和最高的5級區(qū)面積較小,為82.23、72.16 km2,分別占研究區(qū)濕地植被總面積的13.35%、11.71%。生物量干重適中的2、3、4級區(qū)所占面積較大,為211.99、136.39、113.29 km2,分別占研究區(qū)濕地植被總面積的34.41%、22.14%、18.39%；在各環(huán)境因子中水深對蘆葦生物量干重影響最大,土壤含水率對堿蓬生物量干重影響最大,水、鹽條件是導(dǎo)致優(yōu)勢種植被生物量干重出現(xiàn)空間分異的主導(dǎo)因素；植被生物量干重呈現(xiàn)由陸向海減小,由黃河河道兩岸向外遞減的趨勢。

黃河三角洲；濕地植被生物量；遙感；反演模型；空間分布

濕地與森林、海洋并稱為全球最具生產(chǎn)力的三大生態(tài)系統(tǒng),雖然與后兩者相比濕地在全球景觀生態(tài)系統(tǒng)中占有較小的比例,但卻起著無可替代的生態(tài)作用,有“地球之腎”、“物種基因庫”之稱。濕地植被生物量是指單位面積內(nèi)實(shí)存生活植被的有機(jī)質(zhì)總量,是衡量植被生產(chǎn)力水平的重要指標(biāo),更是描述濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程、評價(jià)濕地生態(tài)功能價(jià)值和濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)地處黃河下游入海口處,是以保護(hù)新生濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥類為主的濕地類型自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)于1992年10月經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)建立；1993年,被中國人與生物圈國家委員會(huì)批準(zhǔn)加入“中國人與生物圈自然保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)”；1996年,被濕地國際亞太組織批準(zhǔn)加入“東亞-澳大利西亞涉禽遷徙保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)”；2013年,被國際濕地公約秘書處列入“國際重要濕地名錄”[9]。該保護(hù)區(qū)處于河、海、陸交互地帶,長期受黃河水沙變化、尾閭擺動(dòng)及海水入侵、波浪侵蝕等復(fù)雜多變因素的交互影響,使其呈現(xiàn)生境類型多樣、空間分異明顯、新生濕地不斷增長、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等特點(diǎn),形成了其特定的植被生物量空間分布規(guī)律,具有極高的科研價(jià)值[10]。但過去關(guān)于黃河三角洲濕地的研究大多集中在濕地動(dòng)態(tài)變化[11- 13]、濕地生態(tài)評價(jià)[14-18]、濕地生物多樣性調(diào)查[19-20]及濕地生態(tài)修復(fù)[21-22]等方面。關(guān)于濕地植被生物量空間分布與環(huán)境因子關(guān)系的研究相對較少[23-24],且多側(cè)重于遙感反演模型的構(gòu)建[25-28],在模型構(gòu)建中選擇的遙感影像及參數(shù)都不盡相同,反演對象多為單一物種[23-24,27],反演精度尚有待提高[29]。到目前為止尚未見關(guān)于黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)濕地植被生物量空間分布及其與環(huán)境因子關(guān)系的相關(guān)論文發(fā)表?；诖?本文以野外實(shí)測濕地植被地上生物量數(shù)據(jù)、Landsat- 8影像數(shù)據(jù)和土壤各因子檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過分析各遙感因子與實(shí)測植被生物量之間的關(guān)系,構(gòu)建生物量反演模型,計(jì)算濕地植被的地上生物量并生成相應(yīng)的生物量空間分布圖,分析植被生物量的空間分布規(guī)律,探究其與環(huán)境因子間的相互關(guān)系。該研究對于深化濕地形成、演化、發(fā)展研究,更好地監(jiān)控自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的變化,保護(hù)新生濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥類具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[30-31]。

1 數(shù)據(jù)獲取與方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 研究區(qū)位置、范圍及樣點(diǎn)分布圖 Fig.1 Location range and sample distribution map of the study area

黃河三角洲濕地保護(hù)區(qū)位于新、老黃河入?？趦蓚?cè),地理坐標(biāo)為118°32.981′—119°20.450′E,37°34.768′—38°12.310′N,總面積15.3萬hm2,其中核心區(qū)面積59419 hm2,緩沖區(qū)面積11233 hm2,實(shí)驗(yàn)區(qū)面積82348 hm2。整個(gè)保護(hù)區(qū)分兩部分,分別為1996年到現(xiàn)行黃河入?？诓糠?即圖1中的北區(qū))和1976到1996年黃河刁口河流路入海口部分(圖1中的南區(qū))。

自然保護(hù)區(qū)獨(dú)特的地理位置使其兼受河、海、陸交互作用,造就了獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn),成為研究河口濕地生態(tài)系統(tǒng)形成、演化、發(fā)展規(guī)律的重要基地。其特點(diǎn)表現(xiàn)在：(1)新生性。在黃河徑流泥沙和海洋動(dòng)力共同作用下,河口尾閭不斷淤積延伸、擺動(dòng)改道、循環(huán)演變,新生濕地不斷出現(xiàn)；(2)脆弱性。濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育層次低,處于物質(zhì)和能量、結(jié)構(gòu)和功能的非均衡狀態(tài),缺乏自我調(diào)節(jié)能力,抵抗外界干擾能力差；(3)重要性。該自然保護(hù)區(qū)是東北亞內(nèi)陸—環(huán)西太平洋和東亞—澳大利西亞兩大鳥類遷徙路線的重要中轉(zhuǎn)站、越冬地和繁殖地；(4)多樣性。自然保護(hù)區(qū)濕地生境類型多樣,有大面積的深水蘆葦、淺灘水塘、岸邊草叢、林地、農(nóng)田、水產(chǎn)養(yǎng)殖塘、淺海水域、灘涂等,為許多動(dòng)植物,特別是鳥類提供了適宜的繁殖地。保護(hù)區(qū)內(nèi)物種資源豐富,有淡水浮游植物8門、41科、97屬,291種；海洋浮游植物4門、116種；維管束植物46科、128屬、195種。魚類19目、58科、191種；兩棲動(dòng)物3科、6種；爬行動(dòng)物6科,10種；哺乳動(dòng)物7目、15科、25種；鳥類19目、64科、367種[32]。(5)空間分異性。多樣的生境類型,使?jié)竦刂脖痪哂忻黠@的空間分異性。在靠近黃河河岸的生境中,由于淡水供應(yīng)充足,土壤鹽分較低,聚集了大量的中生和濕生植被,植被蓋度大。而在靠近海灘的區(qū)域,由于地勢低洼,受海水影響強(qiáng)烈,土壤鹽度較高,僅有少量耐鹽植物存活。以下將通過植被生物量的空間差異來探討濕地植被與環(huán)境因子的關(guān)系。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

1.2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

本文使用的遙感影像為2014年7月20日的Landsat- 8 OLI數(shù)據(jù),OLI陸地成像儀有9個(gè)波段,空間分辨率為30米,不僅包括了ETM+傳感器所有的波段而且對原波段進(jìn)行了調(diào)整,新增了兩個(gè)波段：第1波段藍(lán)色波段(0.433—0.453 μm),用于海岸帶的觀測,第9波段短波紅外波段(1.360—1.390 μm),用于云檢測。同時(shí),OLI第5波段(0.845—0.885 μm)排除了0.825 μm處水汽吸收的影響,第8波段的范圍變窄,植被和非植被在全色圖像上反差加大,能更好的對植被進(jìn)行識(shí)別。鑒于影像具有這些特征,滿足本研究對植被指數(shù)的提取及對影像數(shù)據(jù)的要求。

1.2.2 樣點(diǎn)布設(shè)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為獲取濕地植被樣方調(diào)查數(shù)據(jù)及土壤因子監(jiān)測數(shù)據(jù),課題組于2014年8月、2015年8月進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查取樣,時(shí)值濕地植被生長旺盛的季節(jié),能夠客觀反映植被的生長情況,并與本文所采用的遙感影像基本同期。本次共布設(shè)5條樣帶53個(gè)有效樣點(diǎn)和樣方,樣帶分別按由海向陸、由黃河河道向其兩側(cè)布設(shè)(圖1),目的是搞清濕地植被生物量由海向陸、由黃河河道向兩側(cè)的變化規(guī)律。草本植物樣方設(shè)置為1 m×1 m,在植被分布比較均勻的地方,隨機(jī)扔出1 m×1 m的PE膠管,利用手持GPS定位儀記錄樣方中心位置的地理坐標(biāo),統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)的植被類型、蓋度、株高、株數(shù)等,然后齊地收割植株地上部分,立即稱其鮮重,取鮮重的1/3裝入密封袋,貼上標(biāo)簽,帶回實(shí)驗(yàn)室；每個(gè)樣點(diǎn)去其表層受人為干擾的土壤,挖取10 cm深度的土壤作為本次研究的土樣,裝入塑料袋內(nèi)貼上標(biāo)簽一并帶回實(shí)驗(yàn)室。將帶回的鮮植物放入80℃的恒溫箱中持續(xù)烘8個(gè)小時(shí)后取出稱重,再次放入烘干箱中連續(xù)烘4小時(shí),取出后稱重,直到前后兩次稱重的誤差小于1%時(shí),確定樣方植被生物量干重。土壤是植物的載體,土壤中的鹽分、養(yǎng)分、水分條件直接影響著植物物種和生物量分布。鑒于此,本研究對野外取回的53個(gè)土樣的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、水溶性鹽、pH值、土壤含水率進(jìn)行檢測,檢測方法均嚴(yán)格按照國家相關(guān)部門發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,有機(jī)質(zhì)執(zhí)行NY/T1121、氮執(zhí)行LY/T1228- 1999、磷執(zhí)行HJ 632- 2011、水溶性鹽執(zhí)行NY/T1121.16- 2006、pH值執(zhí)行NY/T 1377- 2007、土壤含水率執(zhí)行NY/T 52- 1987。需要說明的是土壤含水率本是隨機(jī)變化的指標(biāo),但考慮到研究區(qū)土壤類型僅潮土和鹽土兩類,受土壤結(jié)構(gòu)影響,一般情況下潮土的含水率總是大于鹽土,所以在本區(qū)該指標(biāo)具有相對穩(wěn)定性。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法及流程

1.3.1 數(shù)據(jù)處理

遙感解譯是研究大區(qū)域植被生物量最先進(jìn)、快捷的方法。本次采用2014年 7月20日的 Landsat- 8 OLI影像,因研究區(qū)地形平坦,無需地形校正,只進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正和圖像不規(guī)則裁剪等處理,提取的遙感信息為各波段的反射率、各植被指數(shù)。Landsat- 8 OLI遙感影像共有11個(gè)波段,其中1—6波段對濕地植被較為敏感,因此選取了1—6波段進(jìn)行各樣點(diǎn)的反射率提取,并選取差別較大的植被指數(shù)NDVI、EVI、MSAVI、DVI、RVI作為構(gòu)建反演模型的指標(biāo)[33],各指標(biāo)名稱及計(jì)算公式[29]見表1。

表1 本文所用植被光譜指數(shù)表

ρNIR:近紅外波段,ρRED:是紅外波段,ρBLUE:藍(lán)波段

1.3.2 模型構(gòu)建

多元線性回歸模型是當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上自變量與因變量之間是線性關(guān)系時(shí)所進(jìn)行的回歸分析[34]。本研究以多種植被指數(shù)作為自變量,植被生物量作為因變量建立多元線性回歸模型。設(shè)y為因變量(即本研究的生物量),x1,x2,…,xk為自變量(即本研究的植被指數(shù)),并且自變量與因變量之間為線性關(guān)系時(shí),多元線性回歸模型為：

y=b0+b1x1+b2x2+…+bkxk+μ

(1)

式中,b0為常數(shù)項(xiàng),b1,b2,…,bk為回歸系數(shù),μ為隨機(jī)誤差。

1.3.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是研究隨機(jī)變量之間相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)方法,相關(guān)系數(shù)的大小表示變量之間的相關(guān)性強(qiáng)弱[33-34]。本研究利用相關(guān)系數(shù)對遙感因子與植被生物量進(jìn)行分析。計(jì)算公式為:

(2)

式中,R為相關(guān)系數(shù),xi、yi為自變量與因變量在各樣點(diǎn)的值,n為樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

1.3.4 預(yù)測吻合度

預(yù)測吻合度作為預(yù)測精度的一個(gè)衡量指標(biāo)[35],其值越大,對應(yīng)的預(yù)測模型精度越高,可用于檢驗(yàn)生物量模型的精度,計(jì)算公式為：

(3)

1.3.5 平均殘差系數(shù)

平均殘差系數(shù)是預(yù)測值與實(shí)測值相對誤差系數(shù)的累積之和與觀測次數(shù)的比值[36],能很好的反映實(shí)測值與預(yù)測值的吻合度,也可用于驗(yàn)證生物量模型的精度,計(jì)算公式為：

(4)

1.3.6 技術(shù)路線

主要包括野外采樣、實(shí)驗(yàn)室分析、遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)建和濕地生物量反演等部分。其中野外采樣包括土壤樣品采集和地上植被信息采集,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室處理分析,得到植被生物量干重及土壤鹽分、養(yǎng)分、水分?jǐn)?shù)據(jù)；遙感影像預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正及影像裁剪,然后提取植被指數(shù)；模型構(gòu)建過程中先對各遙感因子與植被生物量干重進(jìn)行相關(guān)性分析,之后選取相關(guān)性大的遙感因子與43個(gè)樣點(diǎn)的植被生物量建立一元線性、一元非線性和多元線性回歸模型,預(yù)留10個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn),篩選出最優(yōu)模型對植被生物量進(jìn)行反演,生成研究區(qū)濕地生物量空間分布圖,總體技術(shù)路線見圖2。

圖2 生物量建模流程圖Fig.2 Biomass modeling flowchart

2 生物量反演與精度檢驗(yàn)

2.1 生物量模型建立

在建立回歸模型之前為提高反演擬合的精度將水域、道路等非植被覆蓋區(qū)做了剔除處理,之后用SPSS進(jìn)行各遙感因子與植被生物量干重的相關(guān)性分析,繪制遙感因子與植被生物量相關(guān)系數(shù)圖(圖3),從中選取相關(guān)性大的遙感因子與植被生物量建立一元線性、一元非線性、多元線性回歸模型,見表2(一元線性、一元非線性最優(yōu)模型及多元線性較優(yōu)和最優(yōu)模型)。

圖3 遙感因子與植被生物量相關(guān)系數(shù)圖 Fig.3 The correlation coefficient of remote sensing factors and vegetation biomass

由表2列出的一元線性、一元非線性最優(yōu)模型及多元線性較優(yōu)和最優(yōu)模型可見,在一元線性回歸模型中,以DVI為自變量建立的模型平均殘差系數(shù)為0.38,預(yù)測吻合度達(dá)56.58%,模型最優(yōu)；在一元非線性回歸模型中,以DVI為自變量建立的logistic曲線模型平均殘差系數(shù)為0.32,預(yù)測吻合度達(dá)58.39%,模型最優(yōu)；在多元線性回歸模型中,以NDVI、EVI、MSAVI、DVI、RVI、Band1、Band2、Band3、Band4、Band5作為自變量建立的模型,其平均殘差系數(shù)為0.09,預(yù)測吻合度達(dá)85.85%,模型精度較高,模型最優(yōu)。一元線性和一元非線性模型是基于單波段或單一植被指數(shù)對生物量進(jìn)行的反演,但在植被覆蓋度不均勻時(shí)其精度和靈敏度會(huì)降低,不能真實(shí)、準(zhǔn)確的反映生物量信息。多元線性回歸模型可將多個(gè)波段與多種植被光譜指數(shù)作為反演模型的指標(biāo),能在一定程度上提高生物量估算的精度和可靠性[5,37]。將表2中的多元最優(yōu)回歸模型代入ENVI5.1中的BandMath進(jìn)行計(jì)算,生成植被生物量干重空間分布圖并按自然間斷點(diǎn)分類法(NaturalBreaks)劃分等級(表3,圖4，圖5)。 由表3可見,生物量干重最低的1級區(qū)和最高的5級區(qū)面積小,分別為82.23、72.16km2,各占整個(gè)濕地植被面積的13.35%、11.71%；較高的2、3、4級區(qū)所占面積較大,為211.99、136.39、113.29km2,占34.41%、22.14%、18.39%；濕地生物量高值區(qū)集中于河道兩側(cè)及農(nóng)田和林地周圍的溝渠中,低值區(qū)多分布于水分條件差,土壤鹽分高的灘涂、荒地區(qū)。通過ArcGIS的分類統(tǒng)計(jì)算出整個(gè)研究區(qū)濕地植被地上生物量干重約為454916.14t。

2.2 生物量模型精度檢驗(yàn)

由于一元線性和一元非線性模型精度低,所以僅對上述建立的多元線性回歸模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)合建模時(shí)保留的10個(gè)樣點(diǎn),采用預(yù)測吻合度與平均殘差系數(shù)作為模型精度檢驗(yàn)的指標(biāo),其中平均殘差系數(shù)越小,預(yù)測吻合度越高,表明模型精度越高,預(yù)測結(jié)果越準(zhǔn)確,檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表2 生物量反演模型

式中a=Band1,b=Band2,c=Band3,d= Band4,e= Band5,f= Band6,g=NDVI,h=DVI,i=RVI,j=MSAVI,k=EVI

表3 黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)濕地不同分級植被生物量干重統(tǒng)計(jì)

B：植被生物量干重

表4 生物量MLRM模型精度檢驗(yàn)

從表4可以看出,生物量MLRM模型的平均殘差系數(shù)為0.09,預(yù)測吻合度為85.85%,說明模型精度較高,可用于本研究區(qū)進(jìn)行生物量反演。

3 生物量分布規(guī)律及其影響因子分析

3.1 濕地植被生物量空間分布規(guī)律

圖4 北部植被生物量干重空間分布圖 Fig.4 The space distribution of north wetland vegetation dry weight

從圖4看出,自然保護(hù)區(qū)刁口河入海口分區(qū)植被生物量干重呈現(xiàn)出南多北少,東多西少的分布趨勢。其中北部低值區(qū)分布在近海的淤泥質(zhì)海灘,南部高值區(qū)分布在遠(yuǎn)離海岸的灌叢沼澤和草本沼澤區(qū),東部高值區(qū)分布在生境改善恢復(fù)區(qū)內(nèi),植被生長受到人類活動(dòng)影響顯著；西部低值區(qū)多分布在生態(tài)保育區(qū)內(nèi),受人類活動(dòng)影響較小。一千二管理站中的黃河故道,植被生物量干重呈現(xiàn)由河道兩岸向外側(cè)遞減的趨勢。

從圖5看出,黃河76a以前入?？趨^(qū)的生物量干重整體上呈現(xiàn)由海向陸增加的趨勢,除了黃河故道兩側(cè)為高值區(qū)外,其余大面積為低值區(qū)。1976—1996年的黃河故道和96年后新生河道兩側(cè)的植被生物量都比較高,其中前者的植被生物量略高于后者,這與河道流路的早晚有關(guān)。綜上,植被生物量干重呈現(xiàn)由黃河河道向兩側(cè)、由陸向海遞減的空間分布格局。

3.2 植被生物量空間分布的影響因素

3.2.1 株高對植被生物量的影響

馮忠江[24]等指出,黃河三角洲蘆葦植株高度與水深成正相關(guān),并解釋植被在進(jìn)行光合作用時(shí)為了獲得更多的CO2,不斷的透出水面增長高度,因此可用蘆葦高度的變化反映水深狀況,分析蘆葦高度和蘆葦生物量的相關(guān)性能間接反映水深與蘆葦生物量的關(guān)系。

圖5 南部植被生物量干重空間分布圖Fig.5 The space distribution of south wetland vegetation dry weight

在SPSS中對蘆葦、堿蓬生物量濕重、干重與植株高度的相關(guān)性進(jìn)行分析,得出蘆葦濕重與植株高度的相關(guān)系數(shù)R=0.480,蘆葦干重與植株高度的相關(guān)系數(shù)R=0.782,說明蘆葦生物量與植株高度呈中度正相關(guān)關(guān)系,水深對蘆葦生物量的影響顯著；堿蓬濕重與植株高度的相關(guān)系數(shù)R=0.278,堿蓬干重與植株高度的相關(guān)系數(shù)R=0.193,說明堿蓬生物量與植株高度呈輕度正相關(guān),線性關(guān)系較弱,即堿蓬高度或者說水深對堿蓬生物量的貢獻(xiàn)不是特別明顯。

3.2.2 土壤因子對植被生物量的影響

通過優(yōu)勢種植被蘆葦和堿蓬的生物量干重與土壤各因子的相關(guān)性分析,得到如表5所示相關(guān)系數(shù)。

表5 蘆葦、堿蓬生物量干重與各土壤因子的相關(guān)系數(shù)

從表5可以看出,蘆葦干重與水溶性鹽總量、pH值成負(fù)相關(guān),與有機(jī)質(zhì)、氮、磷、含水率成正相關(guān)。從相關(guān)系數(shù)上看,蘆葦生物量干重與磷的相關(guān)性最小,與有機(jī)質(zhì)、氮的相關(guān)性次之,與土壤含水率的相關(guān)性最大。表明磷對蘆葦生物量干重影響甚微,有機(jī)質(zhì)和氮影響較弱,土壤含水率影響最大。保護(hù)區(qū)內(nèi)的土壤為潮土和鹽土,潮土比鹽土含水率高,蘆葦更適應(yīng)在堿性弱、含水率高的潮土中生長。

堿蓬干重與土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷和pH值成正相關(guān),而與水溶性鹽總量和土壤含水率成負(fù)相關(guān)。堿蓬是強(qiáng)耐鹽堿的植物,因而堿蓬干重與pH值成正相關(guān),而與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)?？傮w來看,蘆葦生物量干重和堿蓬生物量干重受土壤含水率影響最大,土壤含水率對蘆葦生長具有一定的促進(jìn)作用,對堿蓬生長具有一定的抑制作用。

4 結(jié)論

(1)黃河三角洲濕地保護(hù)區(qū)位于新、老黃河入海口兩側(cè),由于長期受黃河水沙變化、尾閭擺動(dòng)及海水入侵、波浪侵蝕等復(fù)雜多變因素的交互影響,使其呈現(xiàn)生境類型多樣、空間分異明顯、新生濕地不斷增長、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等特點(diǎn),形成了特定的植被生物量空間分布規(guī)律,成為研究河口濕地生態(tài)系統(tǒng)形成、演化、發(fā)展規(guī)律的重要基地。

(2)本文以野外實(shí)測濕地植被地上生物量數(shù)據(jù)、Landsat- 8影像數(shù)據(jù)和土壤各因子檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過分析各遙感因子與實(shí)測植被生物量之間的關(guān)系,構(gòu)建生物量反演模型,計(jì)算濕地植被的地上生物量并生成相應(yīng)的生物量空間分布圖,分析植被生物量的空間分布規(guī)律,探究其與環(huán)境因子間的相互關(guān)系。該研究對于深化濕地形成、演化、發(fā)展研究,更好地監(jiān)控自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的變化,保護(hù)新生濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥類具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

(3)運(yùn)用一元線性、一元非線性和多元線性回歸建模,分析了判定系數(shù)大小、模型精度,得出以NDVI、EVI、MSAVI、DVI、RVI、Band1、Band2、Band3、Band4、Band6為自變量,以植被生物量干重為因變量建立的10元線性回歸模型判定系數(shù)最大,擬合精度最高。

因?yàn)橐辉€性和一元非線性模型是基于單波段或單一植被指數(shù)對生物量進(jìn)行的反演,此兩種方法在植被覆蓋度不均勻時(shí)其精度和靈敏度會(huì)降低,不能真實(shí)、準(zhǔn)確的反映生物量信息。多元線性回歸模型是將多個(gè)波段與多種植被光譜指數(shù)作為反演模型的指標(biāo),能在一定程度上提高生物量估算的精度和可靠性。同時(shí),本文在建立回歸模型之前將水域、道路等非植被覆蓋區(qū)做了剔除處理,也在一定程度上提高了估算精度。

(4)研究區(qū)濕地植被地上生物量干重約為454916.14 t,因分布不均,自低到高劃為5級,最低的1級區(qū)和最高的5級區(qū)面積小,為82.23、72.16 km2,分別占整個(gè)濕地植被面積的13.35%、11.71%；較高的2、3、4級區(qū)所占面積較大,為211.99、136.39、113.29 km2,占34.41%、22.14%、18.39%；高值區(qū)集中在河道、溝渠兩側(cè),低值區(qū)分布于水分條件差,土壤鹽分高的灘涂、荒地區(qū)。這是因?yàn)楹拥?、溝渠兩?cè)的生境中,淡水供應(yīng)充足,土壤鹽分較低,聚集了大量的中生和濕生植被,植被蓋度大。而在靠近海灘的區(qū)域,由于地勢低洼,受海水影響強(qiáng)烈,土壤鹽度較高,僅有少量耐鹽植物存活。

(5)研究區(qū)濕地植被生物量干重呈現(xiàn)由陸向海、由黃河河道向兩側(cè)遞減的趨勢。植被生物量干重的空間分布格局與各環(huán)境因子有很大的關(guān)系,水深對優(yōu)勢種蘆葦生物量干重影響最大,土壤含水率對優(yōu)勢種堿蓬生物量干重影響最大。水、鹽條件是導(dǎo)致優(yōu)勢種植被生物量干重出現(xiàn)空間分異的主導(dǎo)因素。

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Spatial distribution of wetland vegetation biomass and its influencing factors in the Yellow River Delta Nature Reserve

LIU Li, HAN Mei*, LIU Yubin, PAN Bin

School of Geography and Environment, Shandong Normal University, Ji′nan 250014, China

The Yellow River Delta Nature Reserve is selected as the research area, and the wetland vegetation biomass data measured in the field, landsat- 8 image data acquired from the United States Geological Survey (USGS), and soil factor test data obtained by laboratory test were used as the data sources. The wetland vegetation biomass model has been established, and the quantitative biomass inversion model has been conducted by analyzing the correlation coefficient between Landsat- 8 images, vegetation indices, and biomass measured in the field. By studying the relationship between the wetland vegetation biomass and soil water environmental factors, the key factors affecting the vegetation biomass were selected, and the spatial distribution rules of wetland vegetation biomass were analyzed in the Yellow River Delta Nature Reserve. The results showed that the correlation between dry weight of wetland vegetation aboveground biomass and remote sensing factors (band and vegetation indices) is relatively higher. The optimal inversion model is established using 10 factors as independent variables, including 5 vegetation indices (normalized difference vegetation index, NDVI; environmental vulnerability index, EVI; modified soil-adjusted vegetation index, MSAVI; difference vegetation index, DVI; and ratio vegetation index, RVI) and 5 bands (Band1, Band2, Band3, Band4, and Band6). The dry weight of wetland vegetation biomass is obviously divided into five classes according to the inversion calculation in the Yellow River Delta Nature Reserve. The least dry weight of wetland vegetation biomass is categorized as Class 1, and the highest dry weight of wetland vegetation biomass is categorized as Class 5, both of which occupied small areas. Class 1 and Class 5 areas are 82.23 km2accounting for 13.35% and 72.16 km2accounting for 11.71% of the total area of wetland vegetation in the study area, respectively. Furthermore, the area of the other classes (Class 2, Class 3, and Class 4) is larger than Class 1 and Class 5, and their dry weight of wetland vegetation biomass is moderate. Moreover, Class 2, Class 3, and Class 4 areas are 211.99 km2accounting for 34.41%, 136.39 km2accounting for 22.14%, and 113.29 km2accounting for 18.39% of the total area of wetland vegetation in the study area, respectively. Among the environmental factors that affect the wetland vegetation biomass in the Yellow River Delta Nature Reserve, water depth has the greatest effect on the dry weight ofPhragmitesaustralisbiomass. In addition, soil water has the greatest effect on the dry weight ofSuaedaglaucabiomass. The complex interactions of river water, groundwater, and seawater led to the spatial variation of salinity. Water and salt conditions are the leading factors causing the spatial differences of the predominant dry weight of vegetation biomass in the Yellow River Delta Nature Reserve. The dry weight of vegetation biomass in the Yellow River Delta Nature Reserve tends to decrease from land to ocean from the river course of the Yellow River to both riverbanks.

Yellow River Delta; wetland biomass; remote sensing; inversion model; spatial distribution

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41371517)；山東省科技攻關(guān)計(jì)劃(2013GSF11706)

2015- 08- 24; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201508241763

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hanmei568568@126.com

劉莉,韓美,劉玉斌,潘彬.黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)濕地植被生物量空間分布及其影響因素.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(13):4346- 4355.

Liu L, Han M, Liu Y B, Pan B.Spatial distribution of wetland vegetation biomass and its influencing factors in the Yellow River Delta Nature Reserve.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4346- 4355.