2017, Vol. 37文章信息
- 赵红梅, 陈晓玲, 徐冰, 冯炼
- ZHAO Hongmei, CHEN Xiaoling, XU Bing, FENG Lian.
- 年内水热条件变化对冬候鸟数量时空分布特征的影响机制
- Impact of hydro-thermal conditions on the spatio-temporal patterns of migratory bird populations
- 生态学报. 2017, 37(8): 2828-2837
- Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(8): 2828-2837
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201512272581
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文章历史
- 收稿日期: 2015-12-27
- 网络出版日期: 2016-10-29
2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 武汉 430079;
3. 清华大学环境学院, 北京 100084;
4. 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院, 北京 100875
2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing (LIESMARS), Wuhan University, Wuhan 430079, China;
3. School of Environment, Tsinghai University, Beijing 100084, China;
4. College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
鄱阳湖作为我国最大的内陆淡水湖, 其较大的水位动态性, 孕育了我国最大的内陆湖泊湿地, 是许多珍稀候鸟物种的迁徙、繁育及栖息的重要基地。为了掌握鄱阳湖越冬候鸟的数量及分布特征, 相关部门开展了大量的航空候鸟分布调查及其生境特征分析[1-4]。鄱阳湖湿地作为冬候鸟的主要栖息地, 其生态条件依赖水位变化, 2010年鄱阳湖水利枢纽工程建设设想的提出, 使得鄱阳湖水位变化对冬候鸟栖息面积的影响研究成为业界关注的重点[5-6], 并探讨了影响冬候鸟栖息地的临界水位[6]。众多研究表明：候鸟迁徙时间、数量及栖息地的变化受多种栖息环境限制因素 (如, 温度、降雨、高程、水深等) 的影响[7-9]。冬候鸟对温度的响应相对敏感, 因此气候变化 (如, 气温、降水等) 会导致某些濒危候鸟的灭绝[10], 候鸟对气候变化的脆弱性研究, 已引起广泛关注[10-13]。候鸟对气候变化的响应主要表现在候鸟群落组成的时间格局变化[14]和候鸟数量的改变[15]。气候和水文格局的综合变化将改变候鸟的时空分布特征[16], 同时改变迁徙物种的数量动态特征[17]。
湖面面积与湿地景观特征密切相关[18], 而鄱阳湖水面面积受多种因素的影响, 如长江来水及泄水、支流径流量、本地降水等。因此简单的气候变化因子对冬候鸟数量时空分布特征的影响分析, 不足以满足研究区的需求。因此本研究综合利用多源遥感数据获取水面面积动态变化数据；利用地表温度遥感反演数据, 弥补气象数据点状分布的不足。结合鄱阳湖冬候鸟环湖调查数据, 借助分区统计及多尺度相关性统计分析方法, 探索水热条件与冬候鸟数量时空分布特征的相关性；通过水文要素之间的相关性分析以及地表温度时空分布特征分析, 探索水热要素之间的耦合关系, 揭示鄱阳湖区年内水热条件变化对冬候鸟数量时空分布特征的影响机制。从而为环鄱阳湖湿地冬候鸟栖息地的保护提供决策依据。
1 鄱阳湖湿地分区与数据获取方法 1.1 湿地分区鄱阳湖是我国最大的内陆淡水湖泊, 主要由修水、赣江、抚河、信江和饶河等5条支流汇聚而成；同时受长江水量的影响：洪水期鄱阳湖承纳长江来水, 枯水期则泄水以补给长江水量。本文根据影响候鸟栖息地的主要支流, 结合行政区划, 将该区划分为7个子区域：综合作用区、修水赣江西支作用区、赣江作用区、抚河作用区、信江作用区、饶河作用区还有孤立湖泊区 (图 1)。各作用区的主要水文特征如下:
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| 图 1 分区候鸟数量分布图及流域气象站点分布图 Fig. 1 Population Distribution of migratory birds in subzones and meteorological stations in Poyang Lake watershed |
●综合作用区 (InZ) 受长江来水、五支流来水和区域降水的综合影响；从行政区划上看主要是指九江市；
●修水、赣江西支作用区 (XGZ) 位于永修县内, 受赣江西支、修水以及区域降水的影响；与其他区域不同的是该区内大湖池、沙湖等水位受人为控制, 是我国重要的冬候鸟修水、赣江西支作用区之一；
●赣江作用区 (GRZ) 位于新建和南昌县境内, 受赣江北支、中支、南支以及区域降水的影响；堑秋湖是该区及信江作用区内特有的渔业活动类型, 改变了该区水文时空动态性, 可能会成为影响冬候鸟时空分布特征的因素之一；
●抚河作用区 (FRZ) 主要位于进贤县内, 主要受抚河来水、区域降水的影响；
●信江作用区 (XRZ) 位于余干县内, 主要受信江来水和区域降水影响；
●饶河作用区 (RRZ) 位于鄱阳县内, 主要受饶河来水和区域降水影响；
●孤立湖泊区 (IsZ) 位于南昌市区, 主要以南昌市内城市孤立湖泊湿地为主, 主要包括瑶湖、象湖、艾溪湖等。
1.2 数据获取1999—2009年鄱阳湖冬候鸟航空调查数据, 调查的时间及其代表年份见表 1；调查中的候鸟类别包括鹤、鹳、鹭、鹅、雁、鸭、鸻鹬、鸥、鸬鹚、秧鸡、、猛禽及其它等13类100余种；调查范围包括40余个子湖, 单个子湖候鸟数量的年际变化较大, 且具有一定的偶发性, 为了便于分析, 本研究将40多个子湖分别归入环鄱阳湖湿地7个分区内 (图 1)；数据的具体调查方法见相关文献[1, 3]。
| 调查日期Investigation Date | 1999-01-09 | 2001-01-09 | 2002-01-09 | 2003-01-09 | 2004-01-09 | 2005-01-09 | 2005-12-29 | 2006-12-29 | 2008-01-03 | 2009-02-13 |
| 对应年份Corresponding Year | 1998 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 |
除候鸟调查数据外, 研究中还使用了1998—2010年间 (1999年不包括在内) 鄱阳湖流域17个气象站点的气象月值数据 (图 1)。遥感影像数据包括：2000—2009年间MODIS影像数据和MODIS地表温度旬合成数据 (MODLT1T)。
1.2.1 水面积月变化数据的提取利用2000—2010年间空间分辨率为250m的615景无云覆盖的MODIS影像, 逐景提取水面面积；根据所提取的水面积, 以月为统计单位, 计算鄱阳湖区研究时段内月最大水面面积、月最小水面面积、月平均水面面积及月水面面积变率等。
1.2.2 地表温度数据的获取由地理科学数据云 (http://www.csdb.cn/) 下载2000—2009年1km空间分辨率, 日间和夜间地表温度旬合成产品 (MODLT1T) 数据。将每年36景日间旬地表温度合成数据和36景夜间旬地表温度合成数据进行融合, 利用分区矢量图掩模计算获取各分区2000—2009日夜旬地表温度平均值。本研究还选用2000—2009年枯水期Landsat TM/ETM+影像提取候鸟栖息期的地表温度。
1.2.3 支流径流量的计算五河来水及长江水与鄱阳湖的交互作用可能是影响研究区内候鸟时空分布特征的主要因素。为了探索五河来水对候鸟时空分布特征的影响, 本研究利用降水量、各流域平均径流系数[19]及流域面积来计算分区径流:
径流=降雨量×流域面积×径流系数
赣江平均径流系数为0.53, 流域面积为81600km2；抚河径流系数为0.471, 流域面积为15811km2；信江径流系数为0.612, 流域面积为15941km2；饶河径流系数为0.634流域面积为15428km2；修水径流系数为0.593, 流域面积为14784km2；；InZ是各区综合作用的结果, 故径流系数取值为上述5支流流域径流系数的均值, 而流域面积为鄱阳湖流域总面积。
2 水热要素与冬候鸟数量时空分布特征的相关性 2.1 降水、水面积变化与冬候鸟数量时间分布特征的相关性本文使用1998/2000—2009年间鄱阳湖流域17个气象站点月值数据, 结合候鸟调查数据, 分析了月降水变化与候鸟迁徙数量的相关性：降水与候鸟总量之间没有显著的相关性 (表 2)。水面面积变化与候鸟迁徙总量的影响分析表明：1月份的水面积变化与候鸟数量呈显著正相关 (表 2)。
| 项目Item | 月份Month | |||||||||||
| 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
| TP | 0.029 | 0.65 | 0.37 | -0.19 | 0.36 | 0.092 | 0.22 | -0.71 | -0.0045 | -0.27 | 0.51 | 0.22 |
| PP | 0.25 | -0.61 | -0.35 | -0.10 | 0.58 | -0.25 | 0.40 | 0.057 | -0.029 | 0.044 | -0.53 | -0.18 |
| Max | 0.16 | 0.06 | -0.49 | -0.49 | -0.06 | -0.2 | -0.34 | -0.56 | 0.34 | -0.53 | -0.17 | 0.27 |
| Min | -0.51 | -0.18 | -0.19 | -0.38 | -0.08 | -0.43 | -0.49 | -0.26 | -0.4 | -0.34 | -0.11 | -0.18 |
| Mean | -0.17 | -0.00 | -0.41 | -0.46 | -0.06 | -0.22 | -0.47 | -0.36 | 0.08 | -0.45 | -0.14 | 0.11 |
| Std | 0.61 | 0.58 | -0.60 | -0.29 | 0.04 | 0.31 | 0.24 | -0.39 | 0.77 | -0.30 | -0.21 | 0.58 |
| TP:温度与候鸟数量的相关系数Correlation coefficient between monthly mean temperature and population of migratory birds; PP:降水与候鸟数量的相关系数Correlation coefficient between monthly mean precipitation and population of migratory birds; Max:月最大水面积与候鸟数量的相关系数Correlation coefficient between monthly maximum water area and population of migratory birds; Min:月最小水面积与候鸟数量的相关系数Correlation coefficient between monthly minimum water area and population of migratory birds; Mean:月平均水面积与候鸟数量的相关系数Correlation coefficient between monthly mean water area and population of migratory birds；Std:月水面积变率与候鸟数量的相关系数Correlation coefficient between monthly variation of water area and population of migratory birds | ||||||||||||
补充说明：鄱阳湖湿地冬候鸟越冬期为12月—次年4月, 因此, 冬候鸟迁移数量主要受前一年度 (5—12月) 气候异常的影响 (如, 1999年1月9日冬候鸟数量可能受1998年5—12月降水变化的影响)。当候鸟迁移到鄱阳湖湿地后, 当年1—4月气候异常则成为影响冬候鸟时空分布特征的主要因素 (如, 1999年1月9日冬候鸟数量受1999年1—4月降水变化的影响)。表 2中5—12月的相关性系数由1998/2000—2008年5—12月降水和1999—2009年冬候鸟迁徙数量计算所得；1—4月的相关性系数则由1999—2009年1—4月降水和冬候鸟迁徙数量计算。
2.2 支流来水量与冬候鸟数量时空分布特征的相关性为了探索分区水文条件对候鸟时空分布的影响, 本研究利用流域降雨量计算各支流的径流量 (2.2.3部分), 并结合分区候鸟年际分布数据, 探索鄱阳湖支流径流及相对径流量对鄱阳湖湿地候鸟时空分布特征的影响 (图 2和图 3)。从径流对分区候鸟分布绝对数量的影响来看 (图 2)：综合作用区9月份径流量和及其占流域总径流的比例与该区候鸟数量呈显著正相关；信江作用区6月份径流占流域总径流的比例与该区候鸟数量亦呈显著正相关；饶河作用区内10月份径流所占比例与该区候鸟数量呈正相关；赣江作用区5月份径流量与候鸟数量呈显著正相关。从径流对分区候鸟数量所占的比例来看 (图 3)：综合作用区10月份径流比例与候鸟比例呈显著正相关；信江作用区6月份径流占流域总径流的比例与该区候鸟比例亦呈显著正相关；赣江作用区5月份径流与候鸟比例呈显著正相关；抚河流域1月份径流比例与候鸟比例则呈显著负相关。
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| 图 2 鄱阳湖湿地分区径流 (R)、径流比例 (RR) 与候鸟数量 (P) 的相关系数 (P < 0.05) Fig. 2 Correlation analysis between runoff/runoff ratio and population of migratory birds in subzone RP:径流与候鸟数量的相关系数；RRP:径流占流域总径流的比例 (RR) 与候鸟数量 (P) 的相关系数 |
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| 图 3 鄱阳湖湿地分区径流/径流比例与候鸟数量比例的相关性 (P < 0.05) Fig. 3 Correlation analysis between runoff/runoff ratio and population ratio of migratory birds in subzone RPR：径流与分区候鸟数量所占比例 (PR) 的相关系数；RR-PR:径流占流域总径流的比例 (RR) 与分区候鸟数量所占比例 (PR) 的相关系数 |
对于整个流域而言, 6月份和12月份的气温异常均会对冬候鸟迁徙数量造成一定影响, 其中6月份气温异常与候鸟数量呈正相关 (0.65), 12月份气温异常与候鸟数量呈显著负相关 (-0.71)(表 2)；6月上旬夜均温 (第16个旬夜均温) 和7月上旬日均温 (第19个旬日均温) 与候鸟数量呈显著负相关 (图 4)。
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| 图 4 景观尺度和分区尺度地表温度与候鸟数量的相关性 (P < 0.05) 对比图 Fig. 4 Correlation analysis between land surface temperature and population of migratory birds in landscape and sub-zone levels 横坐标为日序列, 其中n×10(n=1, 2, 3, …) 表示1年内第[n-1×10+1]th~n×10th个旬日均温; n×10+5(n=1, 2, 3, …) 表示1年内[n-1×10+1th~n×10th]个旬夜均温 |
针对修水、赣江西支作用区的分析发现：2月下旬夜均温与区内候鸟分布数量呈显著负相关；而3月上旬夜均温以及9月中旬日均温与区内候鸟分布数量呈显著正相关 (图 4)。饶河作用区内, 7月上旬日均温及12月上旬夜均温与区内候鸟分布数量呈显著负相关 (图 4)。赣江作用区, 1月下旬夜均温、6月中旬夜均温、11月中旬夜均温与区内候鸟分布数量呈显著正相关；3月中旬日夜均温与区内候鸟分布数量则呈显著负相关 (图 4)。信江作用区内, 6月下旬夜均温、7月中旬日均温以及12月下旬夜均温与区内候鸟分布数量呈显著正相关 (图 4)。抚河作用区内, 11月中旬夜均温与区内候鸟分布数量呈显著正相关 (图 4)。综合作用区内, 7月上旬日均温以及12月上旬日均温与区内候鸟分布数量呈显著负相关 (图 6)。
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| 图 6 2000—2010年间月降水量与鄱阳湖湿地月水面面积变化 Fig. 6 Monthly Precipitation and Water Area Change of Poyang Lake from 2000 to 2010 |
根据上述相关性分析发现, 在环鄱阳湖湿地区域尺度和环鄱阳湖湿地分区尺度下, 影响冬候鸟数量时空分布特征的水热条件具有一定的年内分异, 且水面面积、降水及径流等水文要素对冬候鸟的影响时间各不相同。为了分析上述分异的原因, 本研究就各水文要素之间的相关性进行深入探讨。
3.1 水文要素之间耦合关系流域降雨量与同期鄱阳湖水面面积的相关性仅为0.47, 而与次月水面面积的相关性为0.5913(表 3)。五支流流域降雨量与同期鄱阳湖月均水面面积的相关性亦不明显, 其相关系数为0.32—0.47；但降雨量对次月鄱阳湖月均水面面积的影响相对较大, 其相关系数为0.51—0.62(表 3)。赣江来水对鄱阳湖湿地次月平均水面面积的影响较大。
| InZ | FRZ | NCZ | XRZ | RRZ | GRZ | |
| 次月Next Month | 0.5913 | 0.5103 | 0.5855 | 0.5494 | 0.5424 | 0.6169 |
| 当月Current Month | 0.4700 | 0.3244 | 0.4759 | 0.3825 | 0.3842 | 0.4748 |
| 当月，指月降水量与当月水面面积之间的相关系数；次数，指月降水量与次月水面面积之间的相关系数; InZ:综合作用区Integrated Zone；FRZ:抚河作用区Fu River Zone；NCZ:修水、赣江西支作用区，即自然保护区Natural Conservation Zone；XRZ：信江作用区Xin River Zone；RRZ：饶河作用区Rao River Zone；GRZ；GRZ：赣江作用区Gan River Zone | ||||||
为了探索长江来水对鄱阳湖湿地水面面积变化的影响时间, 本研究按月份分析了不同分区降雨量与鄱阳湖湿地水面面积的关系。1月份、6—9月份以及12月份流域及各子流域降水量与鄱阳湖湿地水面面积的相关性不大 (图 5), 说明该时间段内鄱阳湖水面面积的变化主要受长江来水的影响。2—3月和5月份流域降水量对当月鄱阳湖湿地水面面积的影响高于对次月水面面积的影响；4月和10月份流域降水量对次月鄱阳湖湿地水面积的影响较大 (图 5)。
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| 图 5 研究区分区月降水量与当月/次月鄱阳湖湿地水面面积相关性 (P < 0.05): Fig. 5 Correlation analysis between monthly precipitation and water area of current and next month +表示对应分区降水与次月水面面积的相关性 |
鄱阳湖流域6月份降水量最大 (图 6), 但6月份流域降水与水面面积相关性不高 (图 5)；但受长江来水的顶托水面面积7—8月份达到最大值 (图 6)；10—12月份降水量最少, 但10月份降水对11月份水面面积的影响较大, 同时受鄱阳湖向长江泄水的影响, 其水面面积12月份达到最小值 (2005年除外)(图 6)
3.2 水热要素之间耦合关系为了探索水热要素之间的相关性, 本研究选用, 提取候鸟栖息期地表温度, 并获取同期土地利用/覆盖分类专题图, 进而计算冬候鸟栖息期不同地表类型的表面温度, 并计算了2000—2009年间冬候鸟栖息期内, 不同土地利用/覆盖类型的日间地表温度的均值 (表 4)。日间, 水体的表面温度较其他地表覆盖/类用类型的表面温度要低, 若研究区域内水面面积较大, 将会降低日间研究区域的地表均温, 同时提高夜间研究区域的地表均温。
| 河滩/沙地River Beach | 湖滩Lake beach | 农田Cropland | 林地Forest | 城区Urban | 水体Water |
| 10.79 | 8.84 | 9.88 | 9.34 | 9.72 | 7.37 |
针对区域尺度下的环鄱阳湖湿地而言, 6月和12月气温、6月上旬夜均温和7月上旬日均温及1月份水面积变化是区域尺度冬候鸟数量时空分布特征的主要影响因素。6月份气温与冬候鸟数量呈正相关, 而6月上旬夜均温则与冬候鸟数量呈负相关:6月气温偏高, 但6月上旬夜地表温度偏低, 说明水面积较小 (表 4), 则湿地生物量偏高, 可为冬候鸟越冬提供足量的食料；7月上旬日均地表温度偏低, 说明水面积较大, 而6月上旬水面积较小, 说明6月份水面积变率较大；6月份降水与候鸟数量呈负相关 (表 2), 说明6月份较大的水面积变率来源于长江来水；综合6、7月份水热要素与候鸟数量的相关性, 不难发现6月份长江来水成为影响冬候鸟时空分布的主要因素。
综合12月和1月的水热条件与候鸟数量的相关性, 12月份气温及最大水面积与候鸟数量成负相关, 1月份水面积变率与候鸟数量呈正相关：12月最大水面积越小, 说明鄱阳湖出水量大, 长江下游相对干旱, 则鄱阳湖流域具有一定的区域优越性, 可吸引较多地候鸟来此栖息；若而1月份水面积变率较大, 说明五大支流来水相对较大, 可为冬候鸟提供足量的养料, 进而吸引大量候鸟；气温作为影响冬候鸟迁徙的驱动因素, 12月气温变率越大, 候鸟迁徙数量越大。
4.2 分区尺度影响机制综合作用区内和饶河作用区内候鸟栖息地沿出入湖河道分布, 其影响因素的作用时间大致相同, 7月上旬日均温越高, 说明该时段内水面面积较小, 长江来水相对较少, 使得该时段内鄱阳湖水面积并未达到峰值, 长江流域处于相对干旱状态；若9、10月份径流量或径流比例较高, 则会在此区域内孕育出相对优越的湿地环境, 进而吸引较多的冬候鸟到此越冬；12月上旬日夜均温较高, 说明该区此时段内气温亦偏高, 候鸟迁移数量偏低。
修水、赣江西支作用区内候鸟迁徙数量所占比例最高 (图 1), 由于该区水位受人为控制, 径流及降水对本区的候鸟迁移数量并未造成显著影响；候鸟迁移时段内 (2月下旬和3月上旬), 夜间温度对候鸟栖息环境的影响明显；同时养料孕育期的9月中旬日均温对候鸟迁移数量亦有明显影响 (图 6)：温度越高, 越有利于区域生物量的积累, 为后期候鸟迁移提供食粮。
候鸟栖息地临近的赣江作用区和信江作用区内, 受堑秋湖这一特殊农业类型的影响, 5月份和6月份径流量越大, 湛秋湖的面积和数量越多, 进而导致6、7月份夜均温偏高, 渔业发展可为冬候鸟提供足够的食料；若候鸟迁移后, 温度适宜 (1月份和11月中旬、12月下旬份夜均温), 则该区候鸟数量增多。
5 结论多云多雨地区夜间热红外影像可在一定程度上补充日间影像监测水面积资料的不足。鄱阳湖湿地6—9月份昼夜地表温度数据可反映同期水面积的变化。传统的相关性统计分析方法可用于水热要素的相关性分析, 却无法揭示水热要素之间的耦合关系。本研究将相关性统计分析方法与地表温度的空间格局分析相结合, 探索研究区内水热要素的耦合关系, 揭示了水热要素对冬候鸟数量是时空分布特征的影响机制：(1) 区域尺度上, 水文条件的年内变异是影响鄱阳湖冬候鸟数量时空分布特征的决定因素, 候鸟迁徙期, 尤其是12月份气温是影响鄱阳湖湿地冬候鸟数量时空分布特征的驱动因素；(2) 分区尺度上, 鄱阳湖支流径流量对冬候鸟迁徙数量的影响, 其作用时间随区域农业活动的变化而产生一定的分异。
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