塔里木河中游胡杨胸径生长量与气候因子和NDVI的关系研究

2017-10-13 20:46林家煌黄铁成陈蜀江贾翔来风兵
生态科学 2017年2期
关键词:样木塔里木河胡杨

林家煌, 黄铁成, 陈蜀江, 贾翔, 来风兵



塔里木河中游胡杨胸径生长量与气候因子和NDVI的关系研究

林家煌1,2, 黄铁成*, 陈蜀江1,2, 贾翔1,2, 来风兵1,2

1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 乌鲁木齐 830054 2. 乌鲁木齐空间遥感应用研究所, 乌鲁木齐 830054

以塔里木河中游胡杨胸径生长量为研究对象, 运用地学统计软件的趋势分析和相关分析分析了胡杨胸径生长量与气象因子和NDVI的关系。结果表明: 采集的样木胸径大小主要集中在5—25 cm, 占总数的86.35%, 胡杨在2001—2006年、2006—2011年这两个时期胡杨胸径生长率分别为6.02%、7.08%; 固定样木的胡杨胸径生长量的增长表现为: 2001—2006年较2006—2011年差, 小直径>中直径>大直径, 高密度林>中密度林>低密度林>疏林; 胡杨胸径生长量与温度呈强正相关, 与降水量呈弱负相关;胡杨胸径生长量与年均NDVI的Pearson相关系数为0.542, 且平均NDVI变化百分比有增长趋势, 表明2001—2011年间研究区胡杨林长势总体趋于良好方向发展。

胡杨; 胸径生长量; 气象因子; 相关性

1 前言

树木生长量是森林固碳能力的重要表征, 也是气候因子变化的“记录员”, 对衡量林木及林分生产力具有重要意义。归一化植被指数是衡量植被生长状况和陆面植被覆盖的主要参数, 常被研究人员用于植被的生长状态、物候学、土地利用/土地覆被变化等领域的研究。

胡杨()别名胡桐、梧桐, 属于杨柳科杨属, 具有耐热、耐寒、耐盐碱、抗沙等特性[1]。胡杨林在我国主要分布于新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古西部等5个省区, 其分布面积占全球胡杨林面积的3/5以上, 全国91.1%的胡杨林面积集中在新疆[2]。在新疆, 胡杨林主要分布于塔里木盆地和准格尔盆地, 且集中在荒漠内陆河沿岸的冲积平原上。在塔里木河流域, 胡杨林是主要的建群种和优势树种, 对保护塔里木河流域的生物多样性、保持生态平衡以及防止沙漠化等都起着至关重要的生态保障作用。

目前对于塔里木河流域胡杨生长量的研究成果颇丰[3–6], 王振锡[3]等人通过对塔里木河流域的胡杨年轮宽度序列特征的分析, 反演了塔里木河下游54年来的水环境时空变化格局。安红燕[4]等人基于树木年轮水文学的方法, 对塔里木河下游胡杨进行研究, 表明生态输水后, 胡杨径向生长量增加明显。李秀花[5]等人利用1981—2001年间NOAA/AVHRR数据与同期的气象资料, 通过定量分析并且借助于数理统计和遥感技术, 结果显示NDVI的变化与气候变化具有显著的相关性。龚君君[6]等人以依干不及麻断面为例, 研究表明塔里木河下游的胡杨在生态输水后主干径向生长量变化大于输水前且对输水的响应具有滞后性。李熙萌[7]等人研究发现胡杨叶片呼吸作用随地下水埋深的降低而升高。韦华[8]研究表明不同坡向、坡位的巨尾桉生长量差异显著, 且阳坡能促进其生长。张平冬[9]等人研究三倍体毛白杨胸径生长量与密度的关系, 发现其胸径生长量随造林密度的减小而增大, 密度对其高生长影响较小。申瑞新[10]通过对塔里木河干流上、中游胡杨径向生长量与河道径流关系的研究, 发现径流将会对胡杨生长量产生滞后性影响。赵枫[11]等人对地下水特征与胡杨生长关系进行研究, 结果表明地下水中Cl–含量高会抑制胡杨生长。目前对胡杨的大部分研究成果集中在径向生长量、地下水埋深情况等方面, 在与生长量关系方面研究主要集中在坡向坡位、密度、河道径流等, 然而气象因子对胡杨生长有着直接或间接的影响作用, 且NDVI直接反映了胡杨生长的态势, 二者与胡杨的胸径生长量存在密切的联系, 故本文研究温度、降水、NDVI与胡杨胸径生长量的关系, 以期充实此方面的研究成果。

本文利用MODIS NDVI、气温和降水等时间序列数据, 以塔里木河流域胡杨的生长量为研究对象, 采用相关性分析法, 探讨胡杨生长量与NDVI、气温和降水的响应关系。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

塔里木河(Tarim River)位于天山山脉以南, 塔克拉玛干沙漠北缘, 主要由阿克苏河、叶尔羌河、和田河等河流汇流而成, 地理坐标为E71°39²—93°45²、N34°20²—43°39²。属温带大陆性干旱气候, 干燥少雨多风沙, 年均气温10.6—11.5 ℃, 年积温达4100— 4300 ℃, 多年平均降水量17.4—42.8 mm, 年蒸发量2400—2900 mm。由于水土资源的过度开发利用, 导致塔里木河下游长期断流, 地下水位下降, 天然植被大面积退化, 胡杨林由20世纪50年代的5.4万hm2减少到90年代的0.67´104hm2[12]。

2.2 数据来源

影像数据: 采用MOD13Q1数据, 时间为2001年2月—2011年12月, 共252期, 时间分辨率为16 d,空间分辨率为250 m, 数据来源于NASA网站的地球观测系统EOS/MODIS数据集。下载的数据包含5个波段, 分别为NDVI、EVI、蓝、红、近红外反射率, 投影为正弦投影, 其中NDVI波段为本文影像数据, 获取的方法为16 d最大值合成。

采样数据: 选取33个固定样地, 共623棵样木, 选取生长量参数为胸径生长量, 采样周期为5年, 采样时间为2001年、2006年和2011年。在样地内对每株树木使用围尺进行胸径每木检尺。起测胸径为5 cm, 采用实际值记录, 保留一位小数。检尺后在胸径处用红色油漆划出检尺线, 线上书写样木编号, 作为样木固定标记[13]。

气象数据: 采用研究区周围的11个基本气象站点的年平均气温和年降水数据集, 时间为2001—2011年, 获取自中国气象数据网(http://data. cma.gov. cn/site)中国地面月值数据集。包括库米什、阿克苏、拜城、轮台、库车、库尔勒、阿拉尔、塔中、铁干里克、若羌、且末气象站。

数据处理: MOD13Q1数据利用ENVI/IDL进行批处理, 提取各个时期的NDVI波段值, 将投影转换为UTM 投影, 并利用波段组合(Layer Stack)工具将各个时期的NDVI数据合并为一张影像, 得到2001—2011年的NDVI时间序列数据。将采样点数据导入ArcGIS软件中, 坐标系为UTM, 以获取2001、2006、2011年的样点空间分布数据; 在ArcGIS软件中, 采用IDW(反距离权重)插值方法对年平均气温和年平均降水量进行空间插值, 利用最近邻像元法将其重采样, 重采样后的空间分辨率为250 m, 并进行波段组合, 以获取2001—2011年的气温和降水的时间序列数据。

2.3 研究方法

2.3.1 生长量分类

生长量一般可分为总生长量(V)、定期生长量(Z):Z=Vt-V-n、连年生长量():=V-V-1三种(其中:——调查时树木年龄;——间隔年;V数——年时的树干材积;V-n——年前的树干材积)。

2.3.2 相关性

Pearson相关系数用来衡量两个数据集合是否在一条线上面, 表示两个数据集合间的线性关系。其计算公式为:

式中,x为生长量,y为气象因子或NDVI,为年序号。

基于SPSS软件的回归分析及趋势线分析的方法, 对年平均气温、降水量以及NDVI进行线性拟合, 分析气象要素和NDVI的变化特征。利用趋势分析计算气象要素和NDVI的时间序列, 以时间()为自变量, 要素(y)为因变量, 建立一元回归方程: y(x)=a+b, 其中b为气温/降水变化率, 单位是℃·a–1或mm·a–1。对塔里木河流域胡杨林随机均匀设置生物量样地, 通过抽样的方法采集样木胸径数据和材积数据, 结合生长量计算公式, 分别计算胡杨的总生长量、定期生长量和定期平均生长量[14]。采用相关分析法直接计算分析胡杨胸径生长量与气候因子之间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 样木胸径及生长量分析

3.1.1 样木胸径分析

根据野外采集数据可知, 采集的样木胸径大小主要集中在5—25 cm, 占总数的86.35%。2001年野外采集胸径数据显示最小值为5.0 cm, 最大值为75.5 cm, 2006年野外采集胸径数据显示最小值为5.7 cm, 最大值为76.5 cm, 2011年野外采集胸径数据显示最小值为6.1 cm, 最大值为79.0 cm。为了能更清楚分辨胡杨胸径大小的结构分布, 以10为级距对胸径进行分级, 分为6级, 根据野外实测数据统计不同等级胸径的百分比, 如表1所示:

由表1可知, 胡杨胸径大小主要集中在10 cm以下和10—20 cm这两个等级中。在10 cm以下这个等级中可以看出, 2001年、2006年和2011年所占百分比逐年减小, 在其他等级中表现出逐年增大。其中, 胸径大小在10—20 cm等级中, 2001—2006年增大最为显著, 增加了5%; 胸径大小在20—30 cm等级中, 2006—2011年增大显著, 增加了4.6%。

3.1.2 样木生长量分析

将各个年份的单株样木的胸径数据和材积数据代入1.3.1节里的经验公式进行计算, 得到各年胡杨生长量(表2所示)。由于连年生长量数值一般较小, 测定难度大, 通常采用定期平均生长量代替[15]。统计结果表明, 2001—2011年, 研究区内的33个固定样地中的623株胡杨固定样木的胸径定期生长量为16.044 m, 材积定期生长量为28.853 m3; 2001—2011年, 胡杨胸径连年生长量为1.604 m, 材积连年生长量为2.885 m3。在2001—2006年、2006—2011年这两个时期胡杨胸径生长率分别为6.02%、7.08%, 说明2001—2011年期间胡杨固定样木的生长量随年龄的增长呈上升趋势, 胡杨长势较好。

表1 不同胸径等级下的胡杨株数所占百分比

Tab.1 The percentage of different DBH classes of Populus euphratica

表2 生长量计算值和生长率统计表

图1表示的是2001—2006(图1-a)年和2006—2011(图1-b)年研究区内各个固定样木胡杨胸径生长量, 2001—2006年固定样木中胡杨胸径增长最大为8.10 cm, 胸径增长最小为0.10 cm, 平均胸径增长量为1.14 cm。2006—2011年固定样木中胡杨胸径增长最大为8.00 cm, 胸径增长最小为0.10 cm, 平均胸径增长量为1.42 cm。2006—2011年期间比2001—2006年期间胡杨固定样木胸径增长量增加明显, 说明在2006—2011年期间胡杨固定样木长势更优; 由图1-c可知, 2006—2011年与2001—2006年固定样木中胡杨胸径最大增长幅度为5.80 cm, 胡杨胸径最小增长幅度为–6.80 cm, 平均每棵胡杨胸径增长幅度为0.28 cm。

将采样点树木胸径的大小分为三个等级小直径(5—14.9 cm)、中直径(15—29.9 cm)、大直径(30 cm以上), 如图2所示。根据统计结果可知, 小、中、大直径树木在2001—2006年平均胸径生长量1.417 cm、1.165 cm、1.012 cm; 小、中、大直径树木在2006—2011年平均胸径生长量1.651 cm、1.438 cm、1.334 cm; 根据以上数据可知, 小、中、大直径树木在2001—2006年间比2006—2011年间平均胸径生长量分别小0.234 cm、0.273 cm、0.322 cm。大直径平均胸径生长量增长最小, 小直径胸径生长量增长最大。这是由于小直径胡杨属于中幼林生长期高峰期, 生长条件较好, 胡杨生长较快, 大直径胡杨属于近熟林或熟林, 胡杨生长在不断衰败中。

对样地植被密度进行分类, 分别分为疏林、低密度林、中密度林、高密度林。统计可知, 在采样株数中, 疏林地样木共计84株、低密度林样木201株、中密度林样木221株、高密度林样木117株。根据频率表统计可知2001—2006年间, 疏林、低密度林、中密度林、高密度林胡杨胸径生长量分别集中在0.3—1.0 cm、0.2—1.3 cm、0.3—1.0 cm、0.9—1.6 cm; 2006—2011年间, 疏林、低密度林、中密度林、高密度林胡杨胸径生长量分别集中在0.7—1.3 cm、0.4—1.5 cm、0.3—1.9 cm、1.1—1.6 cm。由以上数据说明, 胡杨胸径生长量增长大小呈现: 疏林<低密度林<中密度林<高密度林。高密度林主要分布在离河较近区域, 水分条件较好, 地下水位浅, 土层平均含水量较高, 林分条件较为优越, 物种丰富, 土壤有机质含量较多, 生境条件好。

3.2 生长量与气候因子的关系

借助SPSS软件进行Person相关性分析, 胸径生长量与温度的皮尔森指数为0.629, 在0.05水平(双侧)上显著相关; 胸径生长量与降水量的皮尔森指数为–0.356, 相关性微弱。

3.2.1 与温度的关系

对气象站点的年平均温度进行统计, 结果表明(图3), 研究区2001—2011年的年平均气温在10.78—11.78 ℃之间上下波动, 温度总体呈下降趋势, 下降趋势微弱。2001—2006年间, 研究区的年平均温度下降速率极小; 2006—2011年间, 研究区的温度同样表现为线性下降变化趋势, 下降速率为–0.488 ℃·5a1, 这段时期温度变化比2001—2006年的温度变化更加明显, 但前一时期温度的平均值比后一时期温度的平均值小0.08 ℃。经统计, 2001—2006年间平均积温比2006—2011年平均积温低83.6 ℃。IDW插值结果表明, 研究区年平均温度由西北向东南方向逐渐升高。总体来看, 近10年来研究区的年平均温度变化呈下降趋势, 但积温呈上升趋势。

3.2.2 与降水量的关系

图3表明, 2001年—2011年间, 研究区年均降水量在34.39—90.63 mm之间上下波动, 总体呈下降趋势, 下降速率为–1.4284 mm·a–1, 但分段分析时则呈上升趋势。2001—2006年间, 研究区的降水量上升速率为0.9018 mm·a–1, 2006—2011年研究区的降水量上升速率为0.4878 mm·a–1, 主要是由于2001—2006年时间段上的降水量年平均值比2006—2011年降水量年平均值大10.37 mm。

整体而言, 降水与温度之间是相互制约、相互影响的[16], 研究区在2001—2011年间, 当温度减小趋势越大时, 降水量增加趋势越大, 相关性分析结果表明, 温度与降水量的Pearson相关系数为–0.673, 表明温度与降水量呈负相关, 并且相关系数在0.05水平(双侧)上显著负相关。

3.3 与NDVI的关系

NDVI的增长或减少主要是由植被生长的季节性变化引起的, NDVI值大小反映了植被的生长状况。以像元为对象, 以某年1月至12月NDVI的年平均值作为该像元在该年的NDVI值, 进而生成了2001年—2011年10景的NDVI值分布图, 并叠加生成每个像元在2001年—2011年时间段上的NDVI时间序列数据。每个像元值反映了其对应的植被指数的演变趋势。通过对研究区内的每年NDVI产品像元值的平均进行分析, 发现年均NDVI与胸径生长量Pearson相关系数为0.542, 在0.05水平(双侧)上显著相关, 呈正相关。

利用两时段的NDVI影像之间差值的相对变化百分比来揭示每个像元的演变趋势, 以影像具体坐标的左上角为起点, 以相对应的行, 列像元进行计算, 像元变化百分比大于零, 表明该像元对应的植被生长状况向良好的方面进行生长, 反之表明植被生长状况变差[17]。

对固定样地NDVI变化情况统计(见表3)。2001—2006年间NDVI变化百分比平均值达+1.79%, 说明2001—2006年间, 研究区内胡杨长势一般; 2006—2011年间NDVI变化百分比平均值达+7.46%, 说明2006—2011年间, 变化强度大, 表明2001—2011年间研究区胡杨长势总体趋于良好方向发展。

4 讨论与结论

(1) 根据对研究区33个固定样地623株固定样木的调查数据统计可知, 研究区2001—2006年的胸径生长量为7.136 m, 2006—2011年的胸径生长量为8.908 m, 这两个生长时段的胸径生长率分别为6.02%、7.08%, 且胡杨胸径生长量增长大小呈现: 小直径>中直径>大直径, 疏林<低密度林<中密度林<高密度林。

(2) 在干旱区, 气象要素的波动对植被覆盖的影响十分显著, 而且区域性的植被覆盖变化差异明显。胡杨胸径生长量与气象因子的关系分析, 研究区在2001—2011年这一时期, 温度呈微弱的下降趋势, 但积温呈上升趋势, 上升速率达17.84 ℃·a–1, 2001—2006年间平均积温比2006—2011年平均积温低83.6 ℃,温度升高时, 水源区积雪融化增多, 河流补给就相对增大, 因此胡杨生长所需水分补给增多; 降水量变化呈下降趋势, 下降速率为-1.4284 mm·a–1。

(3) 由于采样点地处荒漠地区胡杨林生长较为稀疏, 覆盖度较低, 平均胸径生长量与相应的年均NDVI二者具有微弱的正相关性。平均NDVI变化百分比为+3.53%, 表明2001—2011年平均NDVI变化趋于良好方向发展。

(4) 塔里木河流域是我国最大的内陆河流域, 以冰川融水和积雪融水补给为主, 冰川融水约占其总径流的38.5%[18]。流域总体生态格局为绿洲系统, 冰川融水对包括胡杨在内的植被系统具有重要的控制作用, 当地的温度和降水对其也有相应的控制作用。气温影响着冰川积累与消融, 河流流量对气候变化非常敏感, 特别是气温, 气温变化1℃可引起流量127mm的变化[19], 且塔里木河径流量随气温的升高呈指数增加的变化趋势[20], 整个塔里木河流域导出雪线高度分布受热量条件控制, 呈现纬度地带性、经度地带性[21], 1961—2006年塔里木河流域内冰川的物质平衡波动主要受控于温度的变化[22]。根据以上前人研究结果发现, 温度的升高加快了塔里木河水源区的水循环过程, 引起冰川消融量变化的主要原因是温度的变化, 径流对温度变化的敏感性显著, 因此对气象因子与生长量关系的研究显的更加重要。由于冰川融水数据资料缺乏, 作者基于现有温度降水数据进行分析, 因而并未对冰川融水进行相关分析, 有待后续进一步研究。

表3 2001—2011年固定样地NDVI变化情况统计

Tab.3 The statistical table of NDVI changes of fixed sample during 2001-2011

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The correlation research onDBH growth in responseto climatic factors and NDVI in the middle reaches of the Tarim River

LIN Jiahuang1,2, HUANG Tiecheng1,2, CHEN Shujiang1,2, JIA xiang1,2,LAI Fengbing1,2

1. College of Geography Science and Tourism,Xinjiang Normal University, Urümqi 830054,China 2. Urumqi Institute of Spatial Remote Sensing Applications,Urümqi 830054,China

We took the DBH growth ofin the middle reaches of the Tarim River as research subject, and the relationships between mass growth ofDBH and meteorological elements and NDVI were analyzed by using the research methods of trend analysis and correlation analysis of geo-statistics software. The results showed that the DBH of the collected samples were mainly concentrated in the range from 5 to 25 cm, which was accounted for 86.35% in the total amount. The growth rates ofDBH were 6.02% and 7.08% during the periods of 2001-2006 and 2006-2011 respectively. The increasing DBH growth of fixed samplewas worse during 2001-2006 than that during 2006-2011; small diameter was more than medium diameter and large diameter in order. The growth rate in high density forest was more than that in medium density forest, low density forest and open forest in order. There is a strongly positive correlationbetween DBH growthofand air temperature, but itwas negatively correlated with precipitation. The Pearson correlation coefficient between DBH growthofand average annual NDVI was 0.542. The percentage change of the average NDVI was in an increasing trend, which showed that growth vigor ofwas in better condition in the study area from 2001 to 2011.

; DBH growth; meteorological factors; correlation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.024

Q948

A

1008-8873(2017)02-164-07

2016-07-02;

2016-08-18

国家自然科学基金项目(31460167); 塔克拉玛干西部别里库姆沙漠胡杨沙堆发育模式及其在荒漠监测中的作用(41661002)资助

林家煌(1991—), 男, 福建泉州人, 硕士研究生, 主要从事资源环境遥感的研究, E-mail: linjiahuang121@163.com

黄铁成, 男, 助理研究员, 主要从事资源环境遥感教学和科研工作, E-mail: huangtiechengl@163.com

林家煌, 黄铁成, 陈蜀江, 等. 塔里木河中游胡杨胸径生长量与气候因子和NDVI的关系研究[J]. 生态科学, 2017, 36(2): 164-170.

LIN Jiahuang, HUANG Tiecheng, CHEN Shujiang, et al. The correlation research onDBH growth in response to climatic factors and NDVI in the middle reaches of the Tarim River[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 164-170.

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镇赉县人工杨树5 年间胸径蓄积量变化情况探讨
家风伴我成长
胡杨颂
致敬,塔里木河