廟島群島北五島生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力與景觀格局時(shí)空分布異質(zhì)性研究

殷麗婷，鄭偉，高猛，路景鈁

( 1. 中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 煙臺(tái) 264003；2. 自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引言

凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity, NPP）是指生物在單位時(shí)間內(nèi)利用光合作用所產(chǎn)生的碳減去生物因自身呼吸所消耗的部分[1]，NPP是地表碳循環(huán)的重要組成部分[2]。由Potter等[3]提出的CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型是基于數(shù)學(xué)模型對(duì)NPP進(jìn)行定量化估算最具代表性的模型之一[3-4]，利用CASA模型，一些學(xué)者在濱海濕地、高原草地、河流流域等區(qū)域開展了NPP估算和驅(qū)動(dòng)因素的分析[5-7]，但上述研究區(qū)域范圍較大，考慮的影響因素較為單一，特別是對(duì)海島NPP的時(shí)空異質(zhì)性及驅(qū)動(dòng)因素研究尚不多見。

海島生態(tài)環(huán)境兼具海洋與陸地雙重屬性，是典型的脆弱生態(tài)系統(tǒng)[8]，對(duì)人為和自然干擾敏感，是開展生態(tài)學(xué)研究的天然實(shí)驗(yàn)場[9]，其景觀格局時(shí)空分異性日趨復(fù)雜[10]。海島凈初級(jí)生產(chǎn)力在開展海島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估、生態(tài)健康評(píng)估、資源環(huán)境承載力評(píng)估等方面都是重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。已有研究[11]利用CASA模型估算了廟島群島南五島生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力空間分布，并通過相關(guān)分析方法評(píng)估了其影響因子，認(rèn)為歸一化植被指數(shù)和土地利用類型是 NPP 最主要的影響因子，但歸一化植被指數(shù)和土地利用類型本身就是CASA模型中計(jì)算NPP的主要參數(shù)，與NPP具有較高相關(guān)性。

利用 ArcGIS10.2、ENVI5.1、SPSS26等軟件，本文基于經(jīng)典CASA模型估算了2005年、2010年、2017年廟島群島北五島的NPP，從季節(jié)、島嶼、景觀類型、地形梯度等多種角度分析了NPP的時(shí)空分布異質(zhì)性；進(jìn)而分析了2005年、2010年、2017年北五島的景觀格局時(shí)空分布異質(zhì)性；探討了NPP與景觀格局時(shí)空變化之間的關(guān)系及其原因，以期為研究區(qū)生態(tài)脆弱性評(píng)估和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

2.1.1 遙感影像

廟島群島位于黃、渤海交界處，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季氣溫高、雨水多，冬季風(fēng)大、易受寒潮影響。廟島群島主要陸地部分為10個(gè)有居民島，本文研究的廟島群島北五島包括大欽島、小欽島、砣磯島、南隍城島、北隍城島，總面積大約18.51 km2。

采用2005年1月、4月、8月、11月（Landsat5 TM衛(wèi)星）、2010年 1月、4月、8月、11月（Landsat5 TM衛(wèi)星）及2017年1月、4月、8月、11月（Landsat8 OLI衛(wèi)星）12期北五島所在區(qū)域30 m 分辨率的無云影像。數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)（https://lpdaac.usgs.gov/）和中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn/），行列號(hào)120/33。借助遙感處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)處理；通過監(jiān)督分類方法得出2005年、2010年、2017年廟島群島北五島景觀類型分布圖，地表景觀分為針葉林、闊葉林、草地、耕地、建設(shè)用地5類。結(jié)合Google Earth、現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研和相關(guān)的圖集資料進(jìn)行解譯精度驗(yàn)證，解譯精度約為87%，滿足本次研究的需要。

為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文用于分析的柵格數(shù)據(jù)中柵格大小均為30 m×30 m，若不符合本文標(biāo)準(zhǔn)也都在后期處理中重采樣為30 m×30 m的柵格單元進(jìn)行分析。

2.1.2 地形

利用2011年Aster GDEM模型第二版數(shù)字高程數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn）），水平分辨率30 m，垂直分辨率20 m；通過ArcGIS10.2軟件提取出高程、坡度和坡向。

2.1.3 氣象數(shù)據(jù)

本文氣溫、降雨量數(shù)據(jù)來自于當(dāng)?shù)貧庀笳?005年、2010年、2017年度觀測數(shù)據(jù)；日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）的2005年、2010年、2017年逐日觀測數(shù)據(jù)；太陽總輻射數(shù)據(jù)來自煙臺(tái)福山氣象站的多年監(jiān)測平均數(shù)據(jù)。

2.2 NPP估算

為便于與同類研究區(qū)的比較，采用與文獻(xiàn)[11]相同的方法，利用ArcGIS10.2軟件對(duì)研究區(qū)域3年4個(gè)不同月份的凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行估算，分別以4月、8月、11 月、1 月代表春、夏、秋、冬四季，計(jì)算北五島不同季節(jié)的凈初級(jí)生產(chǎn)力，進(jìn)而估算區(qū)域全年的凈初級(jí)生產(chǎn)力水平，之后對(duì)各島的凈初級(jí)生產(chǎn)力總量、密度、時(shí)間、空間分布進(jìn)行分析。植物對(duì)于光能的最大利用效率取值根據(jù)與文獻(xiàn)[11]相同。

2.3 地形因子分級(jí)

已有文獻(xiàn)[11]利用坡度、坡向?qū)PP開展相關(guān)性分析。為更全面表征研究區(qū)地形特征，本文不僅考慮單一地形因子，還考慮了地形位指數(shù)這一復(fù)雜地形因子，來對(duì)NPP在不同地形梯度上的分布規(guī)律進(jìn)行探索研究。

參考《土地利用更新調(diào)查技術(shù)規(guī)定》[12]及研究區(qū)實(shí)際情況，利用ArcGIS10.2中的重分類工具對(duì)坡向進(jìn)行重分類，將坡向分為平坡、陰坡、半陰坡、半陽坡、陽坡。

依據(jù)國際地理學(xué)聯(lián)合會(huì)地貌調(diào)查與地貌制圖委員會(huì)關(guān)于地貌詳圖應(yīng)用的坡地分類[13]和研究區(qū)實(shí)際情況，本文利用ArcGIS10.2中的重分類工具來劃分坡度等級(jí)：0°～2°為平地和微斜坡，2°～5°(不包括 2°)為緩斜坡，5°～15°(不包括 5°)為斜坡，15°～35°(不包括15°)為陡坡，35°～55°(不包括 35°)為峭坡。

地形位指數(shù)綜合了坡度和地形起伏度的特征[14]，是個(gè)無量綱的數(shù)值，地形位指數(shù)越高，坡度和高差越大，反之越小。利用ArcGIS10.2中的柵格計(jì)算器工具將高程和坡度進(jìn)行柵格計(jì)算得到地形位指數(shù)。計(jì)算公式如下：

式中，T代表地形位指數(shù)，無量綱；E、S代表某點(diǎn)的高程（單位：m）和坡度（單位：（°））；、代表區(qū)域的平均高程和坡度（各單位同上）。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)與研究區(qū)實(shí)際情況，按自然間斷點(diǎn)分級(jí)法利用ArcGIS10.2中的重分類工具將地形位指數(shù)重分類為5個(gè)級(jí)別：-6.44～-2.92，-2.92～-1.51，-1.51～-0.35，-0.35～0.70，0.70～2.28。

3 結(jié)果

3.1 北五島NPP時(shí)空異質(zhì)性

經(jīng)計(jì)算得出，2017年廟島群島北五島全年NPP總量為7 395.77 t（以碳計(jì)），NPP密度介于0～916.20 g/（m2·a）（以碳計(jì)）之間，平均密度為 399.34 g/（m2·a）（以碳計(jì)）；2010年廟島群島北五島全年NPP總量為7 472.26 t（以碳計(jì)），NPP 密度介于 0～904.37 g/（m2·a）（以碳計(jì)）之間，平均密度為 403.47 g/（m2·a）（以碳計(jì)）；2005年廟島群島北五島全年NPP總量為7 693.58 t（以碳計(jì)），NPP 密度介于 0～966.95 g/（m2·a）（以碳計(jì)）之間，平均密度為 415.42 g/（m2·a）（以碳計(jì)）。2005年、2010年、2017年廟島群島北五島的凈初級(jí)生產(chǎn)力年平均總量為7 520.54 t（以碳計(jì)），年平均密度為406.07 g/（m2·a）（以碳計(jì)）（圖 1）。從計(jì)算結(jié)果來看，2017年廟島群島北五島凈初級(jí)生產(chǎn)力總量比2005年下降了 297.80 t（以碳計(jì)），平均密度下降了 16.08 g/（m2·a）（以碳計(jì)）。

據(jù)估算結(jié)果，2005年、2010年、2017年春季（4月）NPP 平均總量為 387.50 t（以碳計(jì)），平均密度為 20.67 g/（m2·月）（以碳計(jì)）；夏季（8 月）NPP 平均總量為1813.50 t（以碳計(jì)），平均密度為 96.72 g/（m2·月）（以碳計(jì)）；秋季（11 月）NPP 平均總量為 216.81 t（以碳計(jì)），平均密度為 11.56 g/（m2·月）（以碳計(jì)）；冬季（1 月）NPP 平均總量為 92.25 t（以碳計(jì)），平均密度為4.92 g/（m2·月）（以碳計(jì)）?？梢钥闯霰蔽鍗u的 NPP 分布呈明顯的季節(jié)分異性，夏季平均總量占比達(dá)到72.25%，春季、秋季NPP 總量分別占比 15.44%和 8.64%，冬季僅占3.68%。

這主要與北五島的氣候有關(guān)，廟島群島北五島屬于季風(fēng)性氣候，植被生長主要依賴降雨，幾乎無外部水源和徑流；夏季氣溫高且雨水充足，光照充足，冬季氣溫低且降雨量??；故而其NPP分布呈明顯的季節(jié)分異性。建議加強(qiáng)海島節(jié)水蓄水工作，利用山勢將夏季降雨蓄積，在干旱季節(jié)適度澆灌。

5個(gè)海島2005年、2010年、2017年的NPP年平均密度估算結(jié)果見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，北五島 NPP 年平均密度空間差異性顯著，砣磯島年平均密度最大，達(dá)500.14 g/（m2·a）（以碳計(jì)），北隍城島年平均密度最小，達(dá) 327.24 g/（m2·a）（以碳計(jì)）；從各島 NPP 年平均密度來看，砣磯島與南隍城島年平均密度較高，小欽島、北隍城島、大欽島年平均密度較低。建議重點(diǎn)在NPP年平均密度較低的島嶼加強(qiáng)綠化工程建設(shè)，保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

3.2 北五島景觀格局時(shí)空異質(zhì)性分析

圖1 2005年、2010年、2017年廟島群島北五島 NPP密度分布Fig.1 NPP dencity distribution of northern islands of Mialdao Archipelago in 2005, 2010 and 2017

表1 北五島各島 NPP 估算結(jié)果Table1 NPP estimation results of each island

圖2 2005年、2010年、2017年廟島群島北五島景觀類型分布Fig.2 Landscape type distribution of the northern islands of Miaodao Archipelago in 2005, 2010 and 2017

經(jīng)分析得出，2005年、2010年、2017年廟島群島北五島景觀類型主要以林地為主，林地年均面積約占北五島土地總面積的57.72%，其中針葉林占比大于闊葉林，其次為建設(shè)用地（圖2）。研究時(shí)間內(nèi)各景觀類型平均面積由大到小依次為：針葉林、闊葉林、建設(shè)用地、草地、耕地，其中針葉林平均面積最大，達(dá)到6.31 km2（圖3）。從各景觀類型的變化趨勢看，針葉林與耕地先下降后上升，針葉林面積2017年較2005年增加了1.30 km2，而耕地則是減少了0.90 km2；闊葉林、建設(shè)用地與草地先上升后下降，草地與建設(shè)用地面積2017年較2005年各增加了0.19 km2與0.44 km2，而闊葉林則是減少了1.02 km2。從各景觀類型分布來看，林地多分布于山地，耕地多分布在林地之間，靠近林地，建設(shè)用地分布在山底平原中部，草地多分布在耕地與建設(shè)用地之間。

4 討論

4.1 NPP估算結(jié)果比較

將本研究計(jì)算的廟島群島北五島NPP密度結(jié)果與采用相同方法的國內(nèi)其他研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。與廟島群島南部島群相比，高于池源等[11]估算的340.19 g/（m2·a）（以碳計(jì)）；與全國大陸生態(tài)系統(tǒng)相比，高于陶波等[15]估算的 342 g/（m2·a）（以碳計(jì)）、朱文泉等[16]的 324 g/（m2·a）（以碳計(jì)），與顧娟等[17]估算的全國平均水平（393.75 g/（m2·a）（以碳計(jì)））基本相當(dāng)；與國內(nèi)大陸部分地區(qū)相比，高于黃河三角洲[18]、青海[19]等同緯度地區(qū)。由此可得，北五島NPP與全國的平均水平基本相當(dāng)，高于同緯度西部地區(qū)[19-21]。

4.2 結(jié)合地形因子分析不同景觀格局NPP的分布及原因

結(jié)合不同地形因子對(duì)2005年、2010年、2017年廟島群島北五島NPP年平均密度估算結(jié)果進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4。

隨著時(shí)間的推移，人類改造自然的能力越來越強(qiáng)，對(duì)自然資源的需求也越來越大，導(dǎo)致人類對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾越來越強(qiáng)，因此各年份NPP 平均密度在不同地形梯度下隨時(shí)間的推移總體呈下降態(tài)勢。

圖3 2005年、2010年、2017年廟島群島北五島各景觀類型面積變化Fig.3 Changes of landscape types in the northern islands of Miaodao Archipelago in 2005, 2010 and 2017

圖4 2005年、2010年、2017年不同地形梯度NPP年平均密度Fig.4 The mean density of NPP of 2005, 2010 and 2017 on different topographic relief gradients

將地形因子與景觀類型結(jié)合對(duì)NPP進(jìn)行研究，計(jì)算不同地形梯度下2005年、2010年、2017年不同景觀類型NPP年平均密度估算結(jié)果，如圖5。

由圖5可知，從地形位指數(shù)角度分析，第1至第4梯度上五類景觀NPP平均密度變化曲線均呈現(xiàn)上升態(tài)勢，第4至第5梯度上，各景觀變化較為平緩。在坡度上，林地NPP平均密度變化曲線基本處于上升態(tài)勢，其他3類景觀NPP平均密度變化曲線較為一致，先上升后下降。

這是因?yàn)樵谄降貐^(qū)域人類活動(dòng)頻繁，隨坡度、高差的上升，人類活動(dòng)強(qiáng)度減小，各景觀NPP平均密度基本為上升態(tài)勢，但隨著坡度、高差的上升，植被的生存條件也發(fā)生著一定變化，到達(dá)一定程度后會(huì)抑制植被的生長，因此各景觀NPP平均密度在上升到一定程度后出現(xiàn)不同程度平緩或下降態(tài)勢。這與田惠文等[22]的研究結(jié)果相同，廟島群島北五島NPP高值出現(xiàn)在坡度大、地形位指數(shù)高、人類活動(dòng)較少的山地區(qū)域，低值主要在坡度小、地形位指數(shù)低、人類活動(dòng)密集的平地區(qū)域。

在坡向上看，除了林地外，其他3類景觀NPP平均密度變化曲線均較為平緩；在平地區(qū)域林地NPP平均密度較低。

這應(yīng)該與各坡向區(qū)域內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度不同有關(guān)，平坡是有居民海島人類活動(dòng)最為密集、強(qiáng)烈的區(qū)域，所以NPP較低。半陰坡NPP林地平均密度最大，總體來看從陰坡到陽坡林地NPP分布逐漸減小，這是因?yàn)殛幤率芴栒丈鋾r(shí)間少，水分不易蒸發(fā)，因此處于陰坡的植被較為茂密，而在陽坡，太陽照射時(shí)間長，水分蒸發(fā)快，也更適宜于人類生產(chǎn)生活[23-24]，不利于植被生長；而在半陰坡水分蒸發(fā)較陽坡緩慢，受光照影響較強(qiáng)于陰坡，所以半陰坡林地NPP平均密度最大。

綜上所述，坡向、坡度、地形位指數(shù)3 類地形因子通過影響植物自身生長條件和人類活動(dòng)間接影響到北五島NPP 平均密度；各年份NPP 平均密度在不同地形梯度下隨時(shí)間的推移總體呈下降態(tài)勢。

與池源等[11]分析的結(jié)果相比，主要差異如下，池源等認(rèn)為坡度較小利于植被生長并且坡向越向南，NPP數(shù)值應(yīng)越高，而本文研究結(jié)果認(rèn)為，隨著坡度的上升，人類對(duì)自然區(qū)域改造的難度越大，因此坡度較大的區(qū)域各年份NPP平均密度較大；但坡度等地形因素增加到一定程度后，植被的生長條件也會(huì)受到限制，因此在坡度最高的區(qū)域NPP平均密度增長放緩。另外北坡是陰坡，南坡是陽坡，受太陽照射和水分條件影響，總體上看從陰坡到陽坡NPP分布逐漸減小。

4.3 NPP與景觀格局時(shí)空分布異質(zhì)性之間的關(guān)系及原因分析

不同景觀格局NPP估算結(jié)果如表2，從表2中可以看出不同景觀類型中，闊葉林和針葉林NPP平均密度較大；2005年以來針葉林、建設(shè)用地和草地的面積有所上升，耕地、闊葉林面積有所下降，草地和闊葉林NPP平均密度有所下降，針葉林NPP平均密度有所上升，耕地、建設(shè)用地NPP平均密度基本不變。各景觀格局NPP平均密度由大到小依次為：闊葉林、針葉林、耕地、草地、建設(shè)用地。

與池源等[10]的研究結(jié)果相比，本文計(jì)算的各景觀類型NPP平均密度均略高于池源等[10]計(jì)算的平均密度，這是因?yàn)楸疚牡钠骄芏仁怯?005年、2010年和2017年的結(jié)果進(jìn)行平均計(jì)算而得，而2005年以來除耕地、建設(shè)用地NPP平均密度基本不變以外，草地和闊葉林NPP平均密度有所下降，針葉林NPP平均密度則是先下降后有所上升。

因?yàn)榻?jīng)典CASA模型中植物對(duì)于光能的最大利用效率取值是根據(jù)景觀格局分類而劃定的[16,25]，所以景觀格局的劃分對(duì)NPP的估算有著重要作用。從空間上分析，景觀格局的空間分布影響著NPP的空間分布，結(jié)合前文4.2節(jié)的分析和各景觀類型NPP平均密度來看，NPP高值出現(xiàn)在人類活動(dòng)較少的山林區(qū)域，低值主要在人類活動(dòng)密集的建設(shè)用地區(qū)域；從時(shí)間上分析，景觀格局的時(shí)間變化一定程度上影響了NPP總量和平均密度的時(shí)間變化。2005年以來建設(shè)用地的面積有所上升，闊葉林面積有所下降，草地和闊葉林NPP平均密度有所下降，表明人類對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾越來越強(qiáng)，一定程度上加劇了2005年以來北五島NPP總量和平均密度下降的態(tài)勢。

5 結(jié)論

利用 ArcGIS10.2、ENVI5.1、SPSS26等軟件，本文基于經(jīng)典CASA模型估算了2005年、2010年、2017年廟島群島北五島的NPP，從季節(jié)、島嶼、景觀類型、地形梯度等多種角度分析了NPP的時(shí)空分布異質(zhì)性；分析了2005年、2010年、2017年北五島的景觀格局時(shí)空分布異質(zhì)性；探討了NPP與景觀格局時(shí)空變化之間的關(guān)系及其原因。主要結(jié)論包括：

2005年、2010年、2017年廟島群島北五島的凈初級(jí)生產(chǎn)力年平均總量為7 520.54 t/a（以碳計(jì)），年平均密度為 406.07 g/（m2·a）（以碳計(jì)），北五島 NPP 與全國的平均水平基本相當(dāng)，高于同緯度西部地區(qū)。2017年較2005年總量下降了297.80 t（以碳計(jì)），平均密度下降了 16.08 g/（m2·a）（以碳計(jì)）；北五島 NPP 年平均密度空間差異性較為顯著。

2005年、2010年、2017年期間，1月、4月、8月、11月北五島 NPP 平均總量各為 92.25 t（以碳計(jì)）、387.50 t（以 碳 計(jì) ）、1813.50 t（以 碳 計(jì) ）、 216.81 t（以碳計(jì)），平均密度各為 4.92 g/（m2·月）（以碳計(jì)）、20.67 g/（m2·月）（以碳計(jì)）、96.72 g/（m2·月）（以碳計(jì)）、11.56 g/（m2·月）（以碳計(jì)），表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征。

各景觀類型NPP平均密度隨坡度和高差的增大先上升后出現(xiàn)平緩下降態(tài)勢；坡向?qū)α值豊PP影響較大，半陰坡林地NPP平均密度最大；不同地形梯度的NPP年平均密度隨時(shí)間推移大體呈下降態(tài)勢；坡向、坡度、地形位指數(shù)對(duì)NPP平均密度的影響均較敏感。

廟島群島北五島景觀類型主要以林地為主，各景觀類型平均面積由大到小依次為：針葉林，闊葉林，建設(shè)用地，草地，耕地；不同景觀類型中，NPP平均密度由大到小依次為闊葉林，針葉林，耕地，草地，建設(shè)用地；景觀格局是NPP的重要影響因素之一，NPP高值出現(xiàn)在人類活動(dòng)較少的山林區(qū)域，低值主要在人類活動(dòng)密集的建設(shè)用地區(qū)域；建設(shè)用地的擴(kuò)大一定程度上加劇了2005年以來北五島NPP總量和平均密度下降的趨勢。

致謝：本研究過程中得到自然資源部第一海洋研究所石洪華博士的指導(dǎo)和幫助。