基于氣象和遙感數(shù)據(jù)的氣候變化對安吉小鯢生境的影響研究

潘德壽，龐毓雯，周音穎，黃雨馨，徐俊鋒

(1. 安吉縣濕地與野生動植物保護中心，浙江 湖州 313300； 2. 杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州 311121； 3. 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點實驗室，浙江 杭州 311121)

安吉小鯢(Hynobiusamjiensis)屬兩棲綱有尾目小鯢科小鯢屬，其體表光滑，頭部扁平，軀干粗壯，前肢四趾，后肢五趾，無蹼，背部褐色，腹部灰褐色，通體無色斑[1].1990年，安吉小鯢首次在浙江省安吉縣龍王山發(fā)現(xiàn)，目前已知僅分布在龍王山及臨安清涼峰[2-3]，為我國特有的兩棲物種，被列入國家和世界保護名錄.

動物生境(即棲息地)是動物活動、繁衍的庇護所，開展生境研究是保護珍稀瀕危物種的前提，對動物種群的生長、繁殖起關(guān)鍵作用.全球變暖風(fēng)險加劇，對不同的生態(tài)系統(tǒng)、動植物生境帶來了前所未有的威脅[4].越來越多的研究表明，溫度升高等一系列氣候問題已經(jīng)或正在引起生物物種分布范圍、形態(tài)特征、生長規(guī)律等的變化，且預(yù)計將成為生物多樣性喪失的主要驅(qū)動力[5].這要求我們能夠快速掌握當前保護區(qū)的資源現(xiàn)狀，以便及時制定相應(yīng)管理政策[6-7].

泥炭沼澤是安吉小鯢賴以生存的環(huán)境[8]，在當前氣候背景下，沼澤植被群落面臨退化、演替風(fēng)險，進而威脅安吉小鯢的生長安全[7].泥炭沼澤水分依靠地表徑流和大氣降水補給，屬于低溫環(huán)境，因此降水和溫度是其生態(tài)結(jié)構(gòu)功能變化的根本驅(qū)動力[9].傳統(tǒng)的環(huán)境生態(tài)監(jiān)測研究依靠野外觀測資料，不利于長時間周期和面狀分析的需要，而遙感技術(shù)在獲取、分析數(shù)據(jù)方面可提供強有力的支撐，近年來廣泛應(yīng)用于野生動植物生境評估研究中[10-11].遙感歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)產(chǎn)品多用于植被長勢研究，能夠反映植被生長狀態(tài)以及空間分布狀況，已越來越多地作為評價生境質(zhì)量的指標[10]用于評估保護區(qū)的生境安全.如劉雪華等[12]基于TM影像的NDVI曲線指出秦嶺2個自然保護區(qū)中生境類型基本保持穩(wěn)定；稅燕萍等[13]利用土地覆蓋和NDVI數(shù)據(jù)評估了拉薩河流域生境質(zhì)量，指出NDVI對生境質(zhì)量變化的反饋更為顯著；翁濤等[14]則利用更多的遙感指數(shù)產(chǎn)品評估了赤水桫欏保護區(qū)的保護成效；宋超等[15]通過NDVI近30年的變化規(guī)律分析了河北大海陀自然保護區(qū)中草甸植被對氣候變化的響應(yīng).這些研究均基于遙感產(chǎn)品評估了保護區(qū)的生態(tài)狀況及其對氣候變化的響應(yīng)，但針對珍稀瀕危物種的生境安全研究仍有待提高.安吉小鯢作為一種極瀕危兩棲動物，其分布范圍有很大的空間限制性，面對當前劇烈變化的氣候條件，迫切需要開展相關(guān)生境安全研究，為保護區(qū)工作人員提供科學(xué)指導(dǎo)，以防止安吉小鯢數(shù)量的減少.

本研究通過氣象站點插值數(shù)據(jù)以及遙感植被指數(shù)產(chǎn)品，分析了2000—2015年氣溫、降水以及逐年9月份NDVI的變化規(guī)律，探究氣候變化下安吉小鯢保護區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化，以闡明當前安吉小鯢生境的穩(wěn)定性，這對保護我國瀕危物種有實際意義.

1 研究區(qū)概況

浙江龍王山安吉小鯢國家級自然保護區(qū)地處浙江省安吉縣的西南部(119°22′30″—119°26′15″E，30°22′30″—30°27′30″N)，總面積約7 000 hm2(圖1).區(qū)域海拔314.5～1 587.4 m[16]，其中最高峰為龍王峰，海拔1 587.4 m，為浙北第一高峰，此處發(fā)育了千畝田高山泥炭沼澤，為安吉小鯢的主要生境[2,16].保護區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫12～17 ℃，年均降雨量1 700～1 900 mm，雨日165～175 d，年均無霜期為203～212 d.以東南季風(fēng)為主的夏季風(fēng)和以北風(fēng)為主的冬季風(fēng)使保護區(qū)形成了夏季多雨、冬季少雨、溫濕同步、干冷同季的季風(fēng)氣候特點.同時，受山地地形地貌的影響，保護區(qū)內(nèi)小氣候特征突出[16].

注：右圖底圖為安吉縣ASTER-GEDM.

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究使用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的浙江省境內(nèi)19個標準氣象臺站(圖2)2000—2015年的月值氣象數(shù)據(jù)，包括9月份月平均氣溫和年均降水量.通過USGS平臺(https://lpdaac.usgs.gov/products/mod13q1v006/)下載2000—2015年的MOD13Q1產(chǎn)品(NDVI)，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m.采用最大值合成方法，得到逐年9月份的NDVI數(shù)據(jù)，用于后續(xù)保護區(qū)植被長勢時空變化分析.

圖2 氣象站點分布Fig.2 Distribution of meteorological stations

2.2 氣象站點的Kriging插值

基于19個氣象站點2000—2015年逐年9月均溫和年降水數(shù)據(jù)，利用Arcgis 10.2.2獲得溫度和降水空間插值結(jié)果.

2.3 Theil-Sen Median非參數(shù)趨勢分析

采用Theil-Sen Median非參數(shù)方法[19]描述氣候指標和植被長勢多年來的時空變化趨勢.相比于傳統(tǒng)的參數(shù)分析法，Theil-Sen Median不易受到極端值的干擾，具有較強的魯棒性，其計算方法如下：

式中，i、j為年份，oneseti、onesetj表示對應(yīng)年份的參考指標，分別為9月份月均溫、年降水和9月份NDVI值，S為n年中各指標在任意兩年變化的斜率的中位數(shù).若S>0，表示指標表現(xiàn)出增加趨勢；若S=0，表示在該段時間內(nèi)指標沒有變化；若S<0，則表示指標表現(xiàn)出減少的趨勢.

3 結(jié)果和分析

3.1 溫度和降水演變趨勢

由9月份月均溫插值圖(圖3)得到，安吉小鯢保護區(qū)9月份多年平均溫度為20～22 ℃，核心區(qū)的溫度較低，保護區(qū)周邊溫度較高.核心區(qū)海拔較高，為安吉小鯢的主要生境.通過非參數(shù)趨勢分析發(fā)現(xiàn)，近16年來保護區(qū)外圍溫度有降低趨勢(圖4A)，而安吉小鯢分布核心區(qū)的溫度則表現(xiàn)為升高趨勢，增溫幅度達0.007～0.017 ℃/a，高于我國大陸平均增溫幅度[20].由此可見，全球升溫對一些敏感區(qū)域產(chǎn)生的影響更大，而這也將威脅保護區(qū)內(nèi)一些瀕危動植物的生長、繁殖.從年降水量的變化(圖4B)來看，保護區(qū)內(nèi)降水呈現(xiàn)增長趨勢，增幅為21.5 mm/a.可見，保護區(qū)整體表現(xiàn)為暖濕化趨勢，且核心區(qū)溫度的升高和降水增加的程度更明顯，這將顯著影響安吉小鯢的生長活動范圍.

圖3 2000—2015年9月份年均溫度分布圖Fig.3 Average annual temperature distribution in September from 2000 to 2015

A.溫度

B.年降水量

對安吉小鯢來說，地表水文環(huán)境是其生長繁殖的關(guān)鍵環(huán)境因素，受氣候條件的影響[1].泥炭沼澤是一種特殊的濕地類型，其地表水文主要受年降水量控制[21-22].從水量平衡方程來看，對于給定區(qū)域，其水量結(jié)余為：

ΔS=(P+E1+R地表+R地下)-(q+E2+R′地表+R′地下).

式中，P為區(qū)域內(nèi)給定時段內(nèi)的降水量；E1為區(qū)域內(nèi)水汽凝結(jié)量；R地表、R地下分別為給定時段內(nèi)地表、地下流入?yún)^(qū)域的徑流量；q為區(qū)域內(nèi)人類用水量；E2為區(qū)域內(nèi)地表總蒸散量；R′地表、R′地下分別指給定時段內(nèi)地表、地下流出區(qū)域的徑流量.

泥炭沼澤中的水量結(jié)余主要來自大氣降水，隨著保護區(qū)內(nèi)降水量的增加，地表截留水分增多，這將促進喜水植被發(fā)育而抑制旱生植被生長，導(dǎo)致植被群落演替，給沼澤中安吉小鯢的生長繁殖帶來風(fēng)險.為了保證動物生境的安全，一方面要保證區(qū)域生物多樣性穩(wěn)定，另一方面要維持其生境的空間分布格局.因此氣候條件是安吉小鯢可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)要素，仍需對保護區(qū)的氣候狀況進行分析.

3.2 NDVI演變趨勢

圖5 2000—2015年9月份NDVI變化趨勢Fig.5 Trend of NDVI changes in September from 2000 to 2015

本研究統(tǒng)計了保護區(qū)2000—2015年NDVI變化趨勢，從植被生長角度探究氣候變化對保護區(qū)生態(tài)安全的影響.如圖5所示，保護區(qū)的植被生長狀況整體表現(xiàn)為減少趨勢，即綠度減弱，其降幅為每年0.000 3.核心區(qū)的植被減少更為明顯，這與前文的溫度、降水空間分布格局相似.16年來，保護區(qū)暖濕化的發(fā)展趨勢，不但沒有促進植被生長，反而減緩了其生長進程，這與沼澤植被的生長適宜條件有關(guān)，沼澤中的優(yōu)勢物種泥炭蘚生長更傾向于冷濕的環(huán)境[23-24].而這種植被生長狀況減弱的趨勢將直接導(dǎo)致安吉小鯢生長活動空間壓縮，進而影響種群繁殖，威脅物種的保護.因此保護區(qū)管理人員應(yīng)當關(guān)注植被群落的穩(wěn)定性和多樣性，以穩(wěn)定安吉小鯢棲息地的生態(tài)環(huán)境.

4 討論

本研究基于2000—2015年氣象數(shù)據(jù)和遙感植被產(chǎn)品分析了安吉小鯢國家級自然保護區(qū)內(nèi)氣溫、降水和植被長勢的變化趨勢，結(jié)果表明，保護區(qū)的氣溫和降水均有增加，增幅分別為0.007～0.017 ℃/a和21.5 mm/a，呈現(xiàn)暖濕化趨勢，且保護區(qū)的核心區(qū)升溫明顯、降水增加多.氣候條件的改變使植被生長呈減弱趨勢，這與泥炭沼澤優(yōu)勢種泥炭蘚喜冷濕有關(guān).這種不利于泥炭沼澤植被發(fā)育的氣候演變趨勢將導(dǎo)致保護區(qū)生態(tài)狀況變差，進而導(dǎo)致安吉小鯢生長、繁殖作用減弱.

4.1 局部暖濕化進程對安吉小鯢生境的影響

本研究發(fā)現(xiàn)安吉小鯢國家保護區(qū)面臨暖濕化發(fā)展趨勢，在此背景下，區(qū)域總體儲水量增加，但未來的水量平衡發(fā)展方向未知.從短期來看，隨著地表徑流的增多，地下水位的抬升，能夠推動沼澤發(fā)育，有利于安吉小鯢生長；但長遠而言，氣候暖濕變化將影響沼澤植被群落的生長過程、適宜類型等，且未來水資源短缺的潛在風(fēng)險在加劇，因此需要保護區(qū)工作者保持警惕.此外，本研究在分析氣候變化過程時，只選取了氣溫和降水數(shù)據(jù)，對評估區(qū)域水量平衡而言是不夠的，后續(xù)研究應(yīng)該加入更多的水文要素參與分析.

4.2 植被群落演變對安吉小鯢生境的影響

氣候變化可通過改變植物群落結(jié)構(gòu)、生理特性等[25]對野生動物的食物、棲息地和種群繁育產(chǎn)生影響[26].安吉小鯢生活于泥炭沼澤優(yōu)勢種泥炭蘚下的腐殖質(zhì)層中，產(chǎn)卵季節(jié)進入水坑[1-2]，其生存對泥炭蘚依賴度極高.而目前氣候變化的背景已導(dǎo)致泥炭沼澤面積銳減，也使沼澤植被群落發(fā)生演替，安吉小鯢的生存空間進一步縮小，瀕臨滅絕.本研究通過遙感植被指數(shù)的變化規(guī)律粗略反映了保護區(qū)內(nèi)植被減少的趨勢，符合泥炭蘚退化過程，這將導(dǎo)致安吉小鯢棲息地銳減.為更精細地評估植被群落演替對安吉小鯢生境的影響，應(yīng)當引入更多生態(tài)指標，結(jié)合遙感大范圍觀測的優(yōu)勢進行生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測，以指導(dǎo)保護區(qū)管理人員采取人工干預(yù)方式恢復(fù)保護區(qū)中的泥炭蘚群落，起到保護安吉小鯢的作用.