长江科学院院报

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2024 , Vol. 41 >Issue 8: 47 - 54

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb20230271

水土保持与生态修复

近20年间鄱阳湖湿地春秋季植被生物量时空动态

  • 杨梨萍 ,
  • 解秦米佳 ,
  • 李谦维 ,
  • 张晓雅 ,
  • 朱佳涛 ,
  • 高俊琴
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  • 北京林业大学 生态与自然保护学院,北京 100083
高俊琴(1978-),女,山西临汾人,教授,博士,博士生导师,主要从事湿地生态学研究。E-mail:

杨梨萍(1998-),女,重庆人,硕士研究生,主要从事湿地生态学研究。E-mail:

Copy editor: 罗 娟

收稿日期: 2023-03-21

  修回日期: 2023-05-22

  网络出版日期: 2024-08-13

基金资助

2021年中央财政湿地保护与恢复补助江西省湿地生态系统碳储量评估项目([2021]67号)

收起

Spatial and Temporal Dynamics of Plant Biomass in Poyang Lake Wetland in Spring and Autumn in Recent Two Decades

  • YANG Li-ping ,
  • XIEQIN Mi-jia ,
  • LI Qian-wei ,
  • ZHANG Xiao-ya ,
  • ZHU Jia-tao ,
  • GAO Jun-qin
Expand
  • School of Ecology and Nature Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

Received date: 2023-03-21

  Revised date: 2023-05-22

  Online published: 2024-08-13

Fold

摘要

湿地生态系统是碳密度最大的生态系统之一,摸清湿地植被生物量及其动态变化对于实现“双碳”目标具有重要意义。基于Landsat遥感影像对鄱阳湖湿地2000—2020年间春秋季的植被地上生物量进行了反演和估算,分析了植被生物量随时间的变化趋势以及空间热点区域。结果表明:①近20年间鄱阳湖湿地春季和秋季植被地上生物量分别为0.85×109~4.20×109 g和0.68×109~6.69×109 g,春季植被地上生物量随时间变化不明显,秋季植被地上生物量随时间呈上升趋势。②鄱阳湖湿地春季植被地上生物量分布热点区域面积为754.15 km2,秋季为1 085.49 km2,分别占鄱阳湖湿地总面积的21.58%和30.66%。③鄱阳湖湿地春季和秋季植被地上生物量与月均温度呈显著正相关关系。鄱阳湖湿地植被碳汇功能较强,且呈平稳甚至上升趋势,有利于碳中和目标的实现。

关键词： 植被生物量; 遥感反演; 时空分布; 热点区域; 鄱阳湖

本文引用格式

杨梨萍 , 解秦米佳 , 李谦维 , 张晓雅 , 朱佳涛 , 高俊琴 . 近20年间鄱阳湖湿地春秋季植被生物量时空动态[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(8) : 47 -54 . DOI: 10.11988/ckyyb20230271

Abstract

Wetlands possess some of the highest carbon densities among ecosystems. Understanding the dynamics and growth trends of wetland vegetation biomass is crucial for achieving the carbon peaking and carbon neutrality goals. Based on LandSat remote sensing images, we estimated the aboveground vegetation biomass in Poyang Lake wetland during spring and autumn between 2000 and 2020, and examined its development trend in different growing seasons and hotspot areas. The findings revealed that: 1) In recent two decades, aboveground vegetation biomass in spring ranged from 0.85×109 to 4.20×109 g, while in autumn from 0.68×109to 6.69×109 g. Spring biomass remained stable, whereas autumn biomass exhibited a consistent increase over time. 2) Hotspot areas for aboveground vegetation biomass in spring and autumn covered 754.15 km2 and 1 085.49 km2, respectively, representing 21.58% and 30.66% of the total wetland area. 3) Spring and autumn biomass showed a positive correlation with monthly mean temperature. The vegetation in Poyang Lake wetland serves as a robust carbon sink, aiding in the pursuit of carbon peaking and carbon neutrality.

Key words： plant biomass; remote sensing retrieval; temporal-spatial distribution; hotspot area; Poyang Lake

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

湿地生态系统是生物多样性最丰富、生产力最高、最具价值的生态系统之一,在全球碳循环中发挥着重要作用[1]。湖泊洲滩植被承载了内陆湖泊湿地生态系统大部分初级生产力,对湿地生态系统碳汇功能具有重要作用[2]。因此,精确估算湖泊洲滩植被生物量的时空动态可为湿地碳储量评估和碳汇功能提升提供数据支撑。
长时间尺度上的植被监测对于生态系统生态功能本底和稳定性评估至关重要,但人工监测耗时费力,且难以保障数据的连续性。近年来,遥感技术的发展使得大范围周期性的提取植被参数更为快速有效,为精确估算生态系统生物量提供了便利,特别是对于长时间尺度植被生物量的动态分析具有极大优势[3-4]。已有大量研究通过多源遥感影像数据、植被指数和建立回归模型等方法估算湿地植被生物量,包括运用遥感影像资料分析生态补水对白洋淀水生植被时空分布格局的影响[5]、利用遥感影像并基于归一化植被指数揭示鸭绿江河口湿地植被覆盖度的时空演化规律[6]、应用影像数据和生物量实测值建立多元线性模型估算黄河三角洲湿地植被生物量[7]等。此外,多元遥感技术可高效识别出生态系统中植被生物量比周围其他区域更加丰富和集中的区域,即植被生物量热点地区[8-9]。因此,借助遥感技术分析湿地植被的长期变化和分布特征对于评估湿地生态系统碳储量和固碳能力十分必要。
鄱阳湖湿地洲滩广布,植被生物量积累受季节性水位波动和气温影响非常大。在春秋季节,鄱阳湖水位处于平水期,同时气温较高,洲滩植被生长迅速,因此承载了鄱阳湖大部分的植被地上生产力[10]。以往的研究基于遥感数据反演了1988—2015年鄱阳湖丰水期植被变化[11]、2001—2010年退水期鄱阳湖的蚌湖植被生长变化[10],以及鄱阳湖碟形湖泊(常湖池)春季苔草生物量变化[12],建立了遥感反演模型,为准确估算鄱阳湖洲滩植被生物量积累和碳汇功能提供了基础。但鄱阳湖洲滩植被有春季和秋季两个生长季,春季南荻植物群落生长优势较高,而秋季芦苇植物群落占优势,苔草春秋两季都处于快速生长期,生物量积累较多[13]。以往研究对鄱阳湖植物生物量的关注多以水文情势角度分析,对于其季节变化关注较少,因此有必要在年尺度上对鄱阳湖湿地春季和秋季两个生长季的植被生物量进行对比研究,揭示鄱阳湖湿地植被生物量季节的动态变化及热点区域。
鉴于此,本研究基于2000—2020年Landsat遥感影像,根据波段反射率与植被指数构成的生物量反演回归模型,对鄱阳湖湿地春秋两季植被生物量进行了估算,并分析了地上植被生物量分布的热点区域,解析了植被生物量与水位、气候因子之间的关系,阐明20年间鄱阳湖湿地植被生物量的季节性时空分布特征,为鄱阳湖湿地管理和碳汇功能提升提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鄱阳湖(28°04'N—29°46'N, 115°49'E—116°46'E)位于我国江西省北部、长江中下游南岸,水位高时湖面面积可达3 283 km2,是我国最大的淡水湖泊[14]。鄱阳湖是长江流域的一个过水性、吞吐型湖泊,其水文节律随长江和五河(赣江、修水、抚河、饶河、信江)水位涨落呈现明显的季节性变化。一般情况下,11—3月份为枯水期(水位<12 m),4—6月份和9—10月份为平水期(水位13~16 m),7—8月份为丰水期(水位>17 m),平均年内水位变动幅度为11 m[15-16]。
受东南暖湿季风的影响,鄱阳湖年均温为16.3~17.5 ℃,年降雨量为1 636 mm,主要土壤类型为红壤和砖红壤,主要的洲滩植物群落为芦苇(Phragmites australis)、南荻(Triarrhena lutarioriparia)、苔草(Carex cinerascens)等[17-18]。其中苔草是鄱阳湖洲滩面积最大、分布最广的植被类型。苔草是一种多年生草本,有春季和秋季两个生长期,春草在2月份开始萌芽,3—5月份为生长期,在丰水季春草大量死亡或休眠,秋草一般在9月份退水后开始生长,直至来年水位上涨被淹没[10,19]。本研究范围包含了鄱阳湖主湖区和子湖以及绝大部分洲滩,面积为3 540.65 km2,如图1所示。
图1 研究区位置与范围

Fig.1 Location and scope of the study area

1.2 数据来源与预处理

1.2.1 遥感影像数据

本研究以2000—2020年鄱阳湖春季(3—4月份)和秋季(10—11月份)的Landsat遥感影像作为主要数据源。遥感影像从“地理空间数据云”(http://www.gscloud.cn/)平台下载,选择Landsat系列卫星数字产品、云量<10%的遥感影像,影像的空间分辨率为30 m。为保证图形分析的准确性,在进行提取和计算之前,使用ENVI5.3.1软件中的Radiometric Calibration和Quick Atmosphere Correction对遥感影像进行辐射定标和大气校正。本研究中所使用的影像数据来源如表1所示。
表1 鄱阳湖湿地春秋季地上生物量反演影像数据来源

Table 1 Sources of image data for retrieval of aboveground biomass in Poyang Lake wetland in spring and autumn

季节 日期 数据集来源
2000-04 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2001-03 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2003-03 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2004-03 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2005-03 Landsat4-5 TM卫星数字产品
2006-04 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2009-03 Landsat4-5 TM卫星数字产品

春季		 2010-03 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2012-04 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2013-03 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2014-03 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2015-03 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2016-03 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2018-03 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2019-03 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2020-03 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2000-11 Landsat4-5 TM卫星数字产品
2001-10 Landsat4-5 TM卫星数字产品
2002-11 Landsat4-5 TM卫星数字产品
2003-10 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2004-10 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2005-10 Landsat4-5 TM卫星数字产品
2006-11 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2009-10 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
秋季 2010-10 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2012-10 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2013-10 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2014-10 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2015-10 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2016-10 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2017-10 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品
2018-10 Landsat8 OLI_TIRS卫星数字产品
2019-10 Landsat7 ETM SLC-off卫星数字产品

1.2.2 气象数据

本研究中使用的气象数据(月均气温和降水量)来源于联合国粮食及农业组织官方网站(https://www.fao.org/soils-portal/data-hub/en/),使用的鄱阳湖水位数据来源于大陆表面数据和服务中心网站(https://hydroweb.theia-land.fr/hydroweb/view/L_poyang?lang=en)。

1.3 生物量反演

本研究采用前人在鄱阳湖湿地构建的归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)生物量反演回归模型,对鄱阳湖春季和秋季的植被生物量进行反演,反演公式如下[20]:
N D V I = ρ N I R - ρ R E D ρ N I R + ρ R E D ;
B i o m a s s = 6   944.6 N D V I - 602.96 。
式中:ρNIR、ρRED分别为波段Band 4(NIR)、波段Band 3(Red)的反射率;Biomass为植被地上生物量(鲜重)。在鄱阳湖湿地通过实测数据对该模型进行验证,验证结果显示决定系数R2为0.878 3[20],表明植被地上生物量反演模型精度较高,模型可用。
为保证遥感反演获取的植被生物量数据准确,本研究于2022年8月采用网格法并结合交通可达性,进行了野外实地调查和样品采集,获取了鄱阳湖湿地14个点位42个植被生物量数据,并将该实测生物量数据与2022年8月鄱阳湖湿地影像反演的植被生物量进行线性拟合,用以对遥感反演得到的地上植被生物量进行验证。实地调查采样时,在每个样地随机选定10 m×10 m植被样方,利用GPS记录样方中心位置的地理坐标。在10 m×10 m样方的对角线两侧和中间选取3个1 m×1 m小样方,对每个小样方中随机的50 cm×50 cm内植被地上生物量进行收割,并进行称重。3个小样方中的平均生物量为该样地的生物量,作为遥感影像反演的生物量验证数据。植物样品采集点如图2所示,植被类型以苔草和芦苇为主。
图2 植物生物量采样点

Fig.2 Sampling sites for plant biomass

采用均方根误差(RMSE)和决定系数R2判定植被生物量反演模型的精度,计算公式分别为[21]:
R M S E = 1 n ∑ i = 1 n y i - y ' i 2 ;
R 2 = ∑ i = 1 n y ' i - y - ∑ i = 1 n y i - y - 2 。
式中:n为样本数量;yi和y'i分别为实测植被生物量和遥感反演的植被生物量; y -为实测植被生物量的平均值。
验证结果显示,决定系数R2为0.950 1,均方根误差RMSE(Root Mean Square Error)为0.200 7,表明用于遥感反演植被生物量的模型精度较高,实测生物量和反演生物量之间的验证结果如图3所示。
图3 反演生物量与实测生物量之间的拟合效果

Fig.3 Linear fitting between retrieved biomass and measured biomass

1.4 数据分析与制图

本研究采用遥感图像处理软件(ENVI 5.3)进行遥感影像处理和反演,利用地理信息系统软件(ArcGIS 10.2)制作鄱阳湖不同季节植被地上生物量分布图。采用相关分析建立鄱阳湖植被地上生物量与气候因子的相关关系,并使用科学绘图软件sigmaplot 12.5(Systat Software Inc., US)制作散点图和线性拟合图。

2 结果与分析

2.1 鄱阳湖植被地上生物量时空分布特征

2000—2020年,鄱阳湖春秋季植被地上生物量呈现明显的时间和空间上的异质性(图4)。从空间上来看,无论是春季还是秋季,鄱阳湖湿地植被地上生物量集中分布在西南部和东南部,呈现南高北低、西高东低的趋势。
图4 鄱阳湖湿地春季和秋季植被地上生物量时空分布特征

Fig.4 Spatial and temporal distribution of aboveground biomass in Poyang Lake wetland in spring and autumn from 2000 to 2020

从时间尺度上来看,无论是春季还是秋季,鄱阳湖湿地植被地上生物量都呈现了明显的年际波动,且波动幅度较大。春季植被地上生物量最小值出现在2005年,为0.85×109 g,最大值出现在2020年,为4.20×109 g,平均为2.50×109 g。秋季植被地上生物量最小值出现在2000年,为0.68×109 g,最大值出现在2018年,为6.69×109 g,平均值为3.37×109 g。总体而言,秋季鄱阳湖湿地植被地上生物量较春季更大,平均高出0.87×109 g。
2000—2020年鄱阳湖湿地春季植被地上生物量波动于历年平均值上下,变化趋势线与历年平均值基本重合,整体趋势较为平稳(图5(a))。秋季植被地上生物量整体呈现逐年上升的趋势,2012年以前整体处于平均值以下,2012年以后整体处于平均值以上,上升趋势明显,增速约为0.188×109 g/a(图5(b))。
图5 鄱阳湖湿地春秋季植被地上生物量年际动态

Fig.5 Inter-annual changes of aboveground biomass in spring and autumn in Poyang Lake wetland

2.2 鄱阳湖湿地植被地上生物量分布热点区域分析

对2000—2020年鄱阳湖湿地植被地上生物量分布特征进行分析,以植被地上生物量常年处于年平均值以上的区域为生物量分布的热点区域,结果如图6所示。可以看出,无论是春季还是秋季,鄱阳湖湿地植被地上生物量热点区域主要分布于湖泊东南部分的洲滩区域,西北区域分布较少。图6中a、b、c 3个区域分别是江西省鄱阳湖国家级自然保护区、江西南矶山省级自然保护区和江西都昌候鸟自然保护区的大致范围。可以看出,3个保护区涵盖了大部分的植被地上生物量分布热点区域,但仍有一部分植被地上生物量热点区域位于保护区范围之外,如图6中的d区域。
Fig.6 鄱阳湖湿地植被地上生物量分布热点区域
Hotspots of aboveground biomass in Poyang Lake wetland 春季和秋季的植被生物量热点区域在鄱阳湖湿地的地理分布特征基本相同,但相对春季而言,秋季的植被地上生物量热点区域范围更大,春季植被热点区域面积为764.15 km<sup>2</sup>,占鄱阳湖湿地总面积的21.58%,秋季植被热点区域面积为1 085.49 km<sup>2</sup>,占鄱阳湖湿地总面积的30.66%(<a href="javascript:;" class="mag_content_a mag_xref_table" onclick="clickTabXref(this,'T2')" rid="T2">表2</a>),说明鄱阳湖湿地秋季植被生长在空间上更为均匀。
表2 鄱阳湖湿地植被地上生物量分布热点区域面积

Table 2 Hotspot areas of aboveground biomass in Poyang Lake wetland

季节 热点区域
面积/km2		 占总面积
比例/%		 季节 热点区域
面积/km2		 占总面积
比例/%
春季 764.15 21.58 秋季 1 085.49 30.66

2.3 鄱阳湖湿地植被地上生物量与气候因子的关系

相关性分析(图7)表明,鄱阳湖湿地植被地上生物量与月均气温之间有显著的正相关关系,方程为y=-119.59+31.26x(R=0.58,P<0.001),植被地上生物量与降水量、水位之间无显著相关关系。
Fig.7 鄱阳湖湿地植被地上生物量与气候因子的关系
Relationship between aboveground biomass and climate factors in Poyang Lake wetland

3 讨论

受水位波动影响,鄱阳湖洲滩植被有春季和秋季两个生长季,对比春季和秋季植被生物量的时空变化,对评估鄱阳湖湿地植被固碳能力具有重要意义。研究结果表明,鄱阳湖湿地春秋季植被地上生物量处于0.68×109~6.69×109 g之间,与以往的采样结果和遥感反演结果处于同一范围[20],反演结果具有较高的可靠性。以往的观测数据表明,鄱阳湖区域在春季4月份开始涨水,在秋季9月份开始退水,湿地植被分布面积随着鄱阳湖水位的上升逐渐减少[22]。因此在春季和秋季鄱阳湖水位较低,满足洲滩植物生长需求,芦苇、南荻群落和苔草群落处于生长高峰期,承载了鄱阳湖大部分的植被生产力[10,23]。
鄱阳湖湿地植被地上生物量呈现明显的空间异质性,整体上呈现南高北低、西高东低的分布特征,主要受到地形因素的影响。鄱阳湖湖盆整体由东南向西北倾斜,因此春秋季平水期,水体主要集中分布在湖泊的西北部,东南部则成为洲滩,利于湿生植物类群的生长[24-25]。在局部地区,春季和秋季的生物量分布特征也存在差异,例如,在春季,鄱阳湖湿地的北部湖口植被地上生物量较大,而在秋季,湖口地区直到2015年之后才逐渐有植被分布,这可能与鄱阳湖枯水期延长和气候变化相关[23,26]。
水位变化是吞吐型湖泊最有代表性的水文特征之一[27]。本研究中鄱阳湖春秋两季的植被地上生物量与水位关系较弱,而与月均气温呈显著的正相关关系。这说明在春秋两季,鄱阳湖处于平水期,水位较为稳定,植被地上生物量积累受气温影响更显著。以往的研究同样表明当水位低于16 m时,鄱阳湖湿地植被分布面积与水位的关系不明显[22]。本研究中鄱阳湖水位处于10.483~13.971 m之间,洲滩水位变化幅度更小,因此对植被生物量的影响有限。春秋季同为平水期,秋季植被地上生物量较春季要高,主要受到气候因子的影响。一方面,秋季较春季更多地受到夏季大量降水和高水位退水的后续影响,土壤养分更丰富;另一方面秋季气温较春季更高,结果也证实了植被地上生物量与气温呈显著正相关关系[28]。2000—2020年鄱阳湖春季植被地上生物量变化趋势较为平稳,但秋季植被地上生物量呈明显上升趋势,这和秋季退水期提前、温度较高有关,也和洲滩植被类型变化有关。一方面,退水期提前,此时温度较高,有利于洲滩植物快速萌发生长,生长周期更长[29-30];另一方面,鄱阳湖洲滩植物物种多样性呈现明显的季节性特征,从春季到秋季,香蒲和芦苇等大型挺水植物群落的生物量增加,且逐渐向湖心扩张,分布面积逐渐增加[13,31],因此鄱阳湖秋季植被生物量呈逐年上升趋势,在一定程度上有利于鄱阳湖湿地碳汇功能的提升。
鄱阳湖湿地春季和秋季植被生物量分布热点区域在空间上具有相似性(图6),这可能与湿地微地形有关,在湖盆中地势较高的区域在退水期会更早地裸露,从而为洲滩植物提供更早的萌发期和更长的生长时间,进而积累更高的生物量[29-30,32]。2000—2020年鄱阳湖湿地秋季植被生物量分布的热点区域较春季范围更大,为部分秋冬季鄱阳湖迁徙候鸟提供了更多的食物来源[32]。鄱阳湖湿地植被地上生物量热点区域大部分被江西省鄱阳湖国家级自然保护区、江西南矶山国家级湿地自然保护区和江西都昌候鸟自然保护区3个自然保护区涵盖[33],但仍有一部分的热点区域处于保护区范围之外,建议制定有效的保护管理措施,巩固提升鄱阳湖湿地碳汇功能。

4 结论

本研究采用Landsat遥感影像对鄱阳湖湿地2000—2020年间春秋两季的植被地上生物量进行了反演估算,分析了其随时间的变化趋势以及空间热点区域,为评估鄱阳湖湿地植物碳汇提供数据支撑。经反演估算,2000—2020年间鄱阳湖湿地春秋季植被地上生物量分别为0.85×109~4.20×109 g(平均2.50×109 g)和0.68×109~6.69×109 g(平均3.37×109 g),春季植被地上生物量变化趋势平稳,秋季植被地上生物量随时间呈上升趋势。整体上,鄱阳湖湿地生态系统植被碳汇功能呈增加趋势,且热点区域主要分布于湖泊东南部的洲滩区域。未来应进一步关注鄱阳湖湿地对极端干旱事件或退水期提前的响应,为鄱阳湖湿地碳汇功能的稳定性提供支撑。

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