溫度變化下哈巴雪山寒溫性灌叢空間格局變化研究

段衛(wèi)虎，王一凱，黃 誠(chéng)，周汝良

(西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224)

溫度變化下哈巴雪山寒溫性灌叢空間格局變化研究

段衛(wèi)虎，王一凱，黃 誠(chéng)，周汝良

(西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224)

摘要：運(yùn)用ARCGIS軟件將云南省134個(gè)氣象站點(diǎn)的30年的平均溫度數(shù)據(jù)，按溫度梯度插值方法，建立哈巴雪山當(dāng)前的溫度基線場(chǎng)；依據(jù)《第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》中預(yù)測(cè)21世紀(jì)末不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下中國(guó)年均溫在低排放(B1)、中排放(A1B)、高排放(B2)升高幅度，建立不同情境下研究區(qū)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；依據(jù)《云南植被》、研究區(qū)的寒溫性灌叢的斑塊數(shù)據(jù)和當(dāng)前溫度基線場(chǎng)，建立寒溫灌叢的溫度分布曲線，并獲取最適宜溫度臨界點(diǎn)。最后結(jié)合各個(gè)情境下溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和寒溫灌叢分布臨界點(diǎn)統(tǒng)計(jì)各個(gè)情境下空間格局的分布并分析其變化趨勢(shì)。研究表明：寒溫灌叢有向上遷移的趨勢(shì)，同時(shí)分布的海拔寬度有所增加，但是分布的面積下降明顯，出現(xiàn)“擠出”效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：寒溫灌叢;插值空間;格局變化;預(yù)測(cè)

1引言

近百年，中國(guó)氣溫的上升趨勢(shì)與全球是一致的。在1951～2009年，中國(guó)地表的平均溫上升了1.38℃，變化速率為0.23℃/10a。由于氣候變暖，自1950年以來(lái)，中國(guó)絕大多數(shù)冰川面積縮小了10%以上，并且20世紀(jì)90年代后期冰川退化加速，進(jìn)而致使干旱區(qū)內(nèi)陸河流的徑流量明顯增加。據(jù)估算，青藏高原的凍土面積退化導(dǎo)致每年的釋水量達(dá)到了50～110億m3[1]。

氣候變暖對(duì)中國(guó)的生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性產(chǎn)生了明顯的影響。劉丹等[2]對(duì)黑龍江1961～2003年植被變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明氣候變暖使得興安落葉松、冷杉、云杉和紅杉等樹種的分布區(qū)域發(fā)生了北移現(xiàn)象。周曉峰等[3]研究發(fā)現(xiàn)氣溫上升使岳樺苔原過(guò)渡帶寬度增加，岳樺侵入苔原的程度加劇。戴君虎等[4]對(duì)山西五臺(tái)山的研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)高山草甸和林線過(guò)渡帶植物上移趨勢(shì)與同期氣溫上升相關(guān)密切。Moseley[5]研究發(fā)現(xiàn)云南西北地區(qū)灌木入侵高山草甸，并使得研究區(qū)群落結(jié)構(gòu)多樣性發(fā)生改變。

本文根據(jù)中國(guó)第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告中模擬估算：到21世紀(jì)末期中國(guó)在B1(低排放)、A1B(中排放)、A2(高排放)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下，平均溫度分別增加2.5℃、3.8℃、4.6℃環(huán)境下[1]，對(duì)位于滇西北哈巴雪山垂直生態(tài)系統(tǒng)中的寒溫性灌叢進(jìn)行研究，模擬寒溫性灌叢生態(tài)系統(tǒng)空間格局變化。

2研究區(qū)

哈巴雪山位于香格里拉縣東南部，是喜馬拉雅山造山運(yùn)動(dòng)及其以后第四紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響下急劇抬高的高山，經(jīng)度100°02′~100°14′，緯度27°10′~27°24′，距離香格里拉縣城120km，主峰海拔5396m，海拔最低點(diǎn)為江邊行政村，僅1550m。哈巴雪山因巨大的海拔落差，形成明顯的高山垂直氣候帶，從下到上依次為河谷中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶、高山寒帶、高山冰雪帶多種氣候帶。年均氣溫從金沙河谷的16.5℃下降到哈巴雪山的主峰—8.6℃。年降水量由526mm左右上升到1550mm左右。

哈巴雪山是由森林、灌木、草甸、現(xiàn)代冰川四個(gè)一級(jí)景觀組成，是完整而典型的森林生態(tài)系統(tǒng)。哈巴雪山位于橫斷山區(qū)，此處在地質(zhì)歷史上未曾受第四紀(jì)冰川大面積覆蓋的影響，成為動(dòng)植物的避難所，被公認(rèn)為是物種保存中心和形成中心，保存著大量的中國(guó)和地區(qū)特有種，長(zhǎng)苞冷杉、大果紅杉、高山松、麗江云杉等是我國(guó)特有種，以其為優(yōu)勢(shì)種長(zhǎng)苞冷杉林、大果紅杉林、高山松林、麗江云杉林是川西南、藏東南、滇西北的特有植被類型，同時(shí)也是橫斷山針葉林的典型代表[6]。

3數(shù)據(jù)與方法

3.1　數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本文所用到的數(shù)據(jù)包括：1980～2010年云南省134個(gè)氣象站點(diǎn)30年的氣象數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心)、云南省行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)、香格里拉縣林業(yè)資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、香格里拉縣的SPOT5遙感影像數(shù)據(jù)、哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)矢量圖(數(shù)據(jù)來(lái)源于哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)管理局)。首先將帶有經(jīng)緯度坐標(biāo)的氣象站EXCEL數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARCGIS，生成矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)，并保存為可編輯的矢量點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)。應(yīng)用SPOT5遙感影像和林業(yè)資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行哈巴雪山寒溫性灌叢范圍提取。

3.2　溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取

哈巴雪山水平方向所跨的經(jīng)緯度范圍較小，但是垂直方向上海拔差異較大，并且研究區(qū)及其周邊的氣象站點(diǎn)，一般直接進(jìn)行空間插值的方法進(jìn)行插值獲取的結(jié)果與該研究區(qū)實(shí)際溫度之間存在較大差異，并由于海拔是影響山地溫度的重要因素。根據(jù)舒立福等[7]的研究資料，本文基于云南省90m分辨率的DEM數(shù)據(jù)對(duì)云南省134個(gè)氣象站點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行海拔梯度插值，并通過(guò)哈巴雪山矢量圖剪切，生成研究區(qū)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。依據(jù)《第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》中預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)末，中國(guó)年平均溫度在B1、A1B和A2不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下分別上升約2.5℃、3.8℃和4.6℃，在ARCGIS 中，在上面插值得到的溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上，分別加上2.5℃、3.8℃和4.6℃，獲得不同排放情景的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3.3　寒溫性灌叢分布區(qū)溫度分布統(tǒng)計(jì)

首先，將由林業(yè)資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和SPOT5獲取的哈巴雪山寒溫性灌叢分布矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARCGIS。應(yīng)用conversion tools—feature to raster工具，將寒溫性灌叢面狀矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與溫度數(shù)據(jù)相同分辨率的柵格數(shù)據(jù)，并應(yīng)用conversion tools—raster to point工具，將寒溫性灌叢每個(gè)像元柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)。最后應(yīng)用空間分析工具中的extract by points工具提取每個(gè)寒溫性灌叢矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的溫度柵格數(shù)據(jù)，獲取寒溫性灌叢分布區(qū)的溫度分布表格數(shù)據(jù)。

4數(shù)據(jù)分析

4.1　寒溫性灌叢分布溫度曲線

由寒溫性灌叢分布區(qū)溫度統(tǒng)計(jì)預(yù)處理獲取了8332個(gè)溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)，溫度最小值為-0.9753℃，最大值為9.7044℃，平均值為3.9302℃。利用EXCAL將哈巴雪山解譯中的寒溫性灌叢的溫度分布劃分為110個(gè)區(qū)間，間隔為0.1℃，范圍有-1～10℃，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間的溫度分布頻數(shù)。然后將每個(gè)區(qū)間的頻數(shù)除以最大頻數(shù)值，將每個(gè)區(qū)間的頻數(shù)化為0～1概率值。由于頻數(shù)概率分布成正態(tài)分布形狀，利用SPSS軟件對(duì)110區(qū)間及其對(duì)應(yīng)的頻數(shù)概率進(jìn)行非線性回歸，獲取寒溫性灌叢在溫度上的分布概率曲線函數(shù)，如下：

(1)

將哈巴雪山解譯的寒溫性灌叢溫度代入公式(1)中，得到寒溫性灌叢在各個(gè)溫度區(qū)間的分布概率(R2=0.950)。寒溫性灌叢的解譯溫度分布、預(yù)測(cè)溫度分布及其誤差的分布如圖1所示。

圖1　寒溫性灌叢實(shí)際溫度、預(yù)測(cè)溫度及其誤差分布

4.2　本世紀(jì)末寒溫性灌叢分布預(yù)測(cè)

查詢《云南植被》,寒溫灌叢分布海拔主要在3800～4300m，還有一些灌叢分布在亞高山(3200～3800m)，這些灌叢大部分是由于久經(jīng)放牧形成的次生灌叢。本文主要研究海拔在3800～4300m之間的寒溫灌叢，該植被處多雪、多風(fēng)、寒冷日照常的氣候條件下，年均氣溫在3～5℃，一般均在10℃以下，最冷月在0℃以下[8]。本文將3℃和5℃代入寒溫灌叢溫度分布曲線公式(1)，取兩者概率較小者，作為判斷寒溫灌叢最適宜溫度分布概率臨界點(diǎn)。由計(jì)算可知，MIN(F(3),F(5))=0.7489。

利用ARCGIS軟件的柵格計(jì)算器工具將哈巴雪山當(dāng)前溫度場(chǎng)、B1、A1B、A2不同排放下溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算，獲得研究區(qū)不同情境下的溫度分布概率圖。然后按寒溫灌叢最適宜溫度臨界點(diǎn)0.7489劃分出不同情境下寒溫灌叢的空間分布格局變化。并用區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算情景下適宜區(qū)域的海拔的最大值、最小值、平均值、寬度，同時(shí)統(tǒng)計(jì)其適宜面積。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2、表1所示，其中0表示以當(dāng)前溫度為基準(zhǔn)，2.5、3.8、4.6分別表示在當(dāng)前溫度基準(zhǔn)上不同排放情境下，到本世紀(jì)末溫度的上升幅度。

圖2　寒溫性灌叢在當(dāng)下基準(zhǔn)溫度、B1、A1B、A2不同排放下的海拔分布

不同情景RANGE/mAREA/km20187144.552.5495113.763.855283.074.452364.42

由圖2可知，到本世紀(jì)末，不同溫室氣體排放的情境下，寒溫性灌叢的空間分布海拔最大值(MAX)、最小值(MIN)、平均值(MIN)變化一致，均出現(xiàn)升高趨勢(shì)。并且海拔最大值的上升幅度較大，平均值變化次之，最小值變化較小。由表1可知，寒溫性灌叢海拔分布寬度(RANGE)均在當(dāng)下基準(zhǔn)溫度上增加，但是空間分布面積(AREA)卻在下降，并且溫度上升幅度越大，分布面積越小。

總之，基于當(dāng)下基準(zhǔn)溫度，到本世紀(jì)末，寒溫灌叢的分布空間有上升遷移趨勢(shì)，分布寬度增加，但是由于山體空間有限，寒溫灌叢空間分布面積下降較明顯,顯示了明顯的“擠出”效應(yīng)。

5結(jié)論

(1)本文結(jié)合了生態(tài)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS的強(qiáng)大空間分析功能，進(jìn)行滇西北哈巴雪山寒溫灌叢的基于當(dāng)前溫度的未來(lái)情景變化的空間分布格局預(yù)測(cè)和變化趨勢(shì)分析。發(fā)現(xiàn)寒溫灌叢有向高海拔遷移的潛在趨勢(shì)，并且空間分布的寬度增加，但是分布的總面積會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，出現(xiàn)高山植被的“擠出”效應(yīng)。

(2)本文對(duì)寒溫灌叢的預(yù)測(cè)模型是基于不同情景下的溫度變化因子進(jìn)行的，但是由于溫度上升、極端氣候發(fā)生、病蟲害的發(fā)生及其不同土質(zhì)條件均會(huì)對(duì)寒溫灌叢的分布造成影響，因此，綜合考慮各種影響植被的生物和非生物因子，對(duì)寒溫灌叢未來(lái)空間格局和變化趨勢(shì)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，是未來(lái)氣候變化下的高山植被的空間變化研究的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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[7]舒立福，周汝良.森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警和撲救指揮數(shù)字化技術(shù)[M].昆明：云南科技出版社，2012：179~185.

[8]吳征鎰，朱彥丞.云南植被[M].北京：科學(xué)出版社，1987：535~553.

中圖分類號(hào)：Q948

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2015)04-0031-03

通訊作者：周汝良(1963—)，男，云南祥云人，教授，主要從事森林火災(zāi)、森林病蟲害的監(jiān)測(cè)預(yù)警與信息化管理，生物多樣性的監(jiān)測(cè)與信息化管理，“3S”技術(shù)的集成與開發(fā)等研究。

作者簡(jiǎn)介：段衛(wèi)虎(1988—)，男，西南林業(yè)大學(xué)碩士研究生。 田秀菊(1971—)，女，遼寧燈塔人，高級(jí)工程師，主要從事綜合氣象觀測(cè)等業(yè)務(wù)工作。

收稿日期：2015-03-18 2015-02-03