黃海北部大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI空間分異及其環(huán)境解釋

李洪飛，張 華，伏 捷

(1.遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學(xué) 海洋可持續(xù)發(fā)展研究院，遼寧 大連 116029)

1 引言

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是表征植被覆蓋狀況常用的遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一，能夠反映區(qū)域植被的生長(zhǎng)發(fā)育狀況[1～4]。已有研究表明，NDVI大小及其時(shí)空分異受地形、土壤、氣候和人為活動(dòng)等多種環(huán)境因素的綜合影響[5～10]。鵝耳櫪(Carpinusturczaninowii)為樺木科(Betulaceae)鵝耳櫪屬(Carpinus)喬木，是大鹿島天然次生落葉闊葉林的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，對(duì)維持島嶼生態(tài)平衡具有重要作用[11～13]。目前我國(guó)對(duì)鵝耳櫪屬植物的群落學(xué)研究多見(jiàn)于陸地區(qū)域，研究方法常以植被群落學(xué)調(diào)查為主[14～18]，鮮有對(duì)海島環(huán)境下鵝耳櫪屬植物遙感監(jiān)測(cè)與實(shí)地調(diào)研相結(jié)合的相關(guān)研究?；诖?，本文以黃海北部大鹿島鵝耳櫪林為研究對(duì)象，選取歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為指示植被覆蓋狀況的遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，結(jié)合群落特征野外調(diào)查數(shù)據(jù)，探究大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI空間分異及其與環(huán)境因子的關(guān)系，旨在為東北暖溫帶海島鵝耳櫪林植物資源的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)大鹿島位于大洋河入?？谀霞s12.96 km的黃海中，行政隸屬于遼寧省丹東東港市大孤山鎮(zhèn)，中心坐標(biāo)為(39°45′N，123°43′E)。大鹿島呈東西走向，地勢(shì)北高南低，距大陸最近距離7.22 km，岸線長(zhǎng)度12.50 km，陸域面積4.10 km2，主要地貌類型為圓頂狀侵蝕低山丘陵；屬北溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為8.4 ℃，多年平均降水量為891 mm；土壤類型主要有棕壤和草甸土類；植被以暖溫帶天然次生落葉闊葉林為主。

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 大鹿島鵝耳櫪林環(huán)境因子調(diào)查

于2020年7～8月份，在遼寧省丹東東港市大鹿島選取9塊以鵝耳櫪為建群種的調(diào)查樣地(L1～L9)，記錄每塊樣地的經(jīng)緯度、海拔高度、坡度和坡向等基本信息，經(jīng)緯度采用易測(cè)寶T2GIS采集器測(cè)定，海拔高度及坡度和坡向均采用手機(jī)OPPO Find X提取。在每個(gè)調(diào)查樣地內(nèi)設(shè)置15 m×20 m樣方1個(gè)，測(cè)得地表至母巖層的厚度作為土層厚度，使用100 cm3環(huán)刀采集樣方內(nèi)土壤表層0～5 cm深度的原狀土體帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)得土壤毛管孔隙度。在每個(gè)調(diào)查樣地中設(shè)置1 m×1 m枯落物樣方1個(gè)，采集枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室，采用日本 Rigaku ZSX Primus Ⅱ型全自動(dòng)掃描型X射線熒光光譜儀測(cè)得枯落物營(yíng)養(yǎng)元素含量。

3.2 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源及相關(guān)分析方法

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)發(fā)布的2020年7～8月份Landsat 8衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品，空間分辨率為30 m，運(yùn)用ARCGIS10.2軟件先對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理，再用最大值合成法獲得2020年大鹿島鵝耳櫪林夏季(7～8月份)NDVI值，最后提取9個(gè)樣地所在柵格的夏季NDVI值。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)發(fā)布的GDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，運(yùn)用ARCGIS10.2軟件繪制研究區(qū)等高線及坡度分布圖。采用GIS統(tǒng)計(jì)分析方法探究大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI的空間分異情況，運(yùn)用SPSS26.0軟件完成夏季NDVI與環(huán)境因子的相關(guān)性分析。

4 結(jié)果和分析

4.1 大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI空間分異

由圖1可知，大鹿島鵝耳櫪林樣地(L1～L9)夏季NDVI值在0.65～0.74之間，均值為0.71，變異系數(shù)為4.56%，表明各樣地植被生長(zhǎng)狀態(tài)處于中等水平，夏季NDVI值差異較小。各樣地夏季NDVI值降序?yàn)椋篖8>L4>L6>L2>L1>L5>L9>L3>L7。各樣地夏季NDVI值存在一定的空間分異：夏季NDVI值相對(duì)較高的樣地，海拔高度相對(duì)處于中等水平(60～100 m)。例如：樣地L7、L3和L1的海拔高度在100～130 m范圍內(nèi)，在大鹿島中海拔相對(duì)較高，夏季NDVI值相對(duì)較低；樣地L8、L6和L2的海拔高度在60～100 m范圍內(nèi)，海拔相對(duì)處于中等水平，夏季NDVI值相對(duì)較高；樣地L9和L5的海拔高度在30～60m范圍內(nèi)，在大鹿島中海拔相對(duì)較低，夏季NDVI值相對(duì)處于中等水平，表明夏季NDVI值總體隨海拔高度的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，呈非線性變化關(guān)系。根據(jù)圖1中的等高線疏密情況可知：等高線相對(duì)稀疏、坡度較小的樣地L4的夏季NDVI值較高，而等高線相對(duì)密集、坡度較大的樣地L7和L5的夏季NDVI值較低，表明夏季NDVI值總體隨坡度的降低而增大。

圖1 大鹿島夏季NDVI空間分布

由圖2可知：大鹿島鵝耳櫪林樣地(L1～L9)坡向差異顯著，樣地L9為西北坡，L5和L7均為南坡，L3為西南坡，L1、L6和L2均為西坡，L8為東坡，L4為東北坡，其中，L8和L4為陰坡，相對(duì)冷濕；其他樣地均為陽(yáng)坡或半陽(yáng)坡，相對(duì)干熱。坡向隨夏季NDVI值降序排列為：東坡>東北坡>西坡>南坡>西北坡>西南坡>南坡，總體而言，東北坡向的夏季NDVI值高于西南坡向。

4.2 大鹿島鵝耳櫪林環(huán)境因子統(tǒng)計(jì)與分析

由表1可知：鵝耳櫪林樣地(L1～L9)海拔高度在51～130m之間，均值為95m，變異系數(shù)為30.59%，各樣地海拔高度降序?yàn)椋篖4>L7>L3>L1>L8>L2>L6>L9>L5。各樣地海拔高度均小于200m，均屬于低海拔地區(qū)，樣地間海拔高度差異較大。鵝耳櫪林樣地(L1～L9)坡度在19°～46°之間，均值為28°，變異系數(shù)為29.69%。各樣地坡度降序?yàn)椋篖7>L5>L9>L2>L8>L1>L6>L3>L4。各樣地坡度在15°～55°范圍內(nèi)，屬于陡坡和峭坡，樣地間坡度差異較大，地勢(shì)起伏較大。鵝耳櫪林樣地(L1～L9)坡向在24°～330°之間，均值為190°，變異系數(shù)為51.53%。各樣地坡向降序?yàn)椋篖9>L5>L7>L3>L1>L6>L2>L8>L4。

圖2 大鹿島坡向

表1 黃海北部大鹿島鵝耳櫪林環(huán)境特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

鵝耳櫪林樣地(L1～L9)土層厚度在8.50～20.03 cm之間，均值為12.74 cm，變異系數(shù)為26.05%，屬于中等變異水平。各樣地的土層厚度相對(duì)較薄，樣地間土層厚度差異較大。各樣地土層厚度降序?yàn)椋篖8>L4>L2>L6>L5>L3>L1>L9>L7。鵝耳櫪林樣地(L1～L9)土壤表層毛管孔隙度在23.16%～40.15%之間，均值為27.88%，變異系數(shù)為21.42%，屬于中等變異水平。各樣地土壤質(zhì)地主要為砂土，土壤毛管孔隙度均較少，儲(chǔ)水性能較差，樣地間土壤毛管孔隙度差異較大。各樣地土壤毛管孔隙度降序?yàn)椋篖8>L4>L6>L5>L1>L2>L3>L7>L9。

鵝耳櫪林樣地(L1～L9)枯落物半分解層N元素含量在0.60～1.23%之間，均值為0.89%，變異系數(shù)為24.97%，樣地間枯落物半分解層N元素含量差異較大。各樣地枯落物半分解層N元素含量降序?yàn)椋篖8>L4>L2>L1>L7>L5>L6>L9>L3。鵝耳櫪林樣地(L1～L9)枯落物半分解層Cu元素含量在0.0013～0.0021%之間，均值為0.0016%，變異系數(shù)為18.72%，樣地間枯落物半分解層Cu元素含量有一定差異。各樣地枯落物半分解層Cu元素含量降序?yàn)椋篖6>L8>L4>L2>L5>L1>L7>L9>L3。

4.3 大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

由表2可知：大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI值與坡度和坡向均呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.704和-0.724，表明坡度相對(duì)較小的陰坡更適宜鵝耳櫪的生長(zhǎng)發(fā)育。鵝耳櫪林夏季NDVI值與土層厚度和土壤毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.736和0.683，表明土層較厚、儲(chǔ)水性能較強(qiáng)的土壤更適宜鵝耳櫪的生長(zhǎng)發(fā)育。鵝耳櫪林夏季NDVI值與枯落物半分解層N和Cu元素含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.575和0.741，表明營(yíng)養(yǎng)元素N和Cu能夠促進(jìn)鵝耳櫪的生長(zhǎng)發(fā)育。土壤及枯落物因子與坡向均呈顯著負(fù)相關(guān)，表明坡向制約土壤保水保肥能力和枯落物養(yǎng)分含量，促進(jìn)水分和營(yíng)養(yǎng)元素的空間再分配，影響鵝耳櫪林的生長(zhǎng)發(fā)育。

5 結(jié)論與討論

(1)大鹿島鵝耳櫪林夏季(7～8月份)NDVI值在0.65～0.74之間，均值為0.71，低于東北林區(qū)夏季平均NDVI值(0.85～0.90)[19]，表明大鹿島鵝耳櫪林夏季植被生長(zhǎng)狀態(tài)雖然處于中等水平，但仍未達(dá)到東北林區(qū)夏季的平均水平。大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI值存在一定的空間分異，具體而言，夏季NDVI值隨海拔高度的升高總體呈先升高后降低的趨勢(shì)，隨坡度的降低而增大，東北坡向的夏季NDVI值高于西南坡向。

表2 黃海北部大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

(2)代力民等[20]的研究表明，在遼寧東部山區(qū)環(huán)境中，坡度和坡向是影響森林植被類型和分布的主導(dǎo)地形環(huán)境因子，海拔和土層厚度等因子對(duì)森林植被類型和分布的影響是有限的。本研究表明，遼寧東部海島——大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI值不僅與坡度和坡向呈顯著負(fù)相關(guān)，還與土層厚度、土壤毛管孔隙度及枯落物半分解層N和Cu元素含量呈顯著正相關(guān)，表明海島環(huán)境下，鵝耳櫪林的空間分布受地形、土壤和枯落物等環(huán)境因素的綜合影響。因此，在對(duì)黃海北部大鹿島鵝耳櫪林的經(jīng)營(yíng)管護(hù)中應(yīng)注重因地制宜，合理調(diào)配水資源，避免土壤板結(jié)，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)元素的良性循環(huán)，保護(hù)大鹿島鵝耳櫪林植物資源。

(3)本文主要對(duì)大鹿島鵝耳櫪林夏季NDVI的空間分異及其與地形(海拔高度、坡度和坡向)、土壤物理性質(zhì)(土層厚度和土壤毛管孔隙度)和枯落物半分解層N和Cu元素含量等環(huán)境因素的關(guān)系進(jìn)行了研究，而大鹿島鵝耳櫪林NDVI時(shí)空分異及其與氣候和人為活動(dòng)等其他環(huán)境因素的關(guān)系有待深入探究。