段 呈,吳 玲,*,王紹明,賀凌云

1 石河子大學生命科學學院, 石河子 832003 2 石河子大學理學院, 石河子 832003

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近30年古爾班通古特沙漠短命植物的時空格局

段 呈1,吳 玲1,*,王紹明1,賀凌云2

1 石河子大學生命科學學院, 石河子 832003 2 石河子大學理學院, 石河子 832003

基于1985—1999年的GIMMS-NDVI數(shù)據(jù)和2000—2014年的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)提取短命植物的時空格局,結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)和1985—2014年氣象站點氣溫和降水數(shù)據(jù),從不同時空尺度上分析了古爾班通古特沙漠短命植物的時空變化及其對氣候變化的響應。結(jié)果表明：(1)古爾班通古特沙漠中短命植物層片整體表現(xiàn)出物種組成簡單,優(yōu)勢度高、多樣性和覆蓋度低等特征,且層片特征主要是由優(yōu)勢物種所主導,在早春至盛夏期間,由于短暫的生活史造成層片整體在物候上有一個明顯的起伏差異。(2)沙漠中短命植物覆蓋度最高的區(qū)域為南部和中東部,北部次之,西部最少。就時間變化趨勢而言,受近30年早春溫度和冬春降水增加的影響,短命植物覆蓋的區(qū)域面積呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。(3)1985—2014年間3、4月溫度和冬春兩季降水量呈上升趨勢,而反映短命植物長勢的NDVI值與冬春兩季降水量也呈正相關(guān)性,但就相關(guān)性程度而言,冬季降水量與NDVI呈顯著性相關(guān)(P<0.05,r=0.405),而春季降水由于時滯效應并未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

短命植物；歸一化植被指數(shù)；時空格局；氣候變化；古爾班通古特沙漠

短命植物是一類生長在荒漠地帶或中生落葉林下的生活周期或年生長期很短的特殊植物類群的總稱[1]。短命植物適應“春雨型”降水和暖濕的水熱條件,以逃避干旱迅速完成營養(yǎng)周期,是中亞荒漠亞區(qū)中一類特殊的中生植物區(qū)系[2],其在我國主要分布在新疆北部,準噶爾盆地東緣是其分布區(qū)的最東界限[3]。

短命植物以其豐富的種類和重要的生態(tài)學意義而深受國內(nèi)外學者的關(guān)注。Sunmonu和Kudo[4- 5]研究了光照和溫度對短命植物生長和繁殖的影響。Yoshie[6]探討了氣候變化對短命植物展葉周期的影響。Kim等人[7]討論了山地落葉林早期林冠郁閉對短命植物生長和繁殖的影響。國外關(guān)于短命植物的研究報道還涉及,全球氣候變化對短命植物的影響及其響應機制[8],沙漠生態(tài)環(huán)境變化與短命植物生長的關(guān)系[9-10],個別短命植物生理和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征[11- 12]。國內(nèi)相關(guān)的研究報道主要以新疆北部的早春短命植物為主,涉及的領(lǐng)域有短命植物的區(qū)系特征[13],某些短命植物的生物學特性和生理生態(tài)學特征[14-15],短命植物群落與環(huán)境之間的關(guān)系[16-17],短命植物物候?qū)W[18-19]。此外,由于短命植物對于古爾班通古特沙漠早春時節(jié)沙面穩(wěn)定具有不可替代的作用[20],故已有眾多學者對古爾班通古特沙漠短命植物進行了諸多方面的研究,袁素芬等[21]通過野外調(diào)查揭示了短命植物層片年內(nèi)變化。錢亦兵等[22]研究了古爾班通古特沙漠短命植物的空間分布特征及其對沙漠生境變化梯度的響應。但關(guān)于古爾班通古特沙漠短命植物在宏觀尺度下時空格局的研究尚未見報道。因此,本文以古爾班通古特沙漠為研究區(qū)域,采用近30年的遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù),分析不同時空尺度下短命植物覆蓋的時空變化及氣候變化特征,以期探討近30年來氣候變化對古爾班通古特沙漠中短命植物時空格局的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況與范圍

研究區(qū)古爾班通古特沙漠位于我國新疆準噶爾盆地中南部(44°11′—46°20′N, 84°31′—90°00′E；圖1),面積5.113萬km2[23],是我國最大的固定、半固定沙漠。古爾班通古特沙漠屬于典型溫帶荒漠,年降水量普遍不超過150 mm,沙漠腹地僅有70—100 mm,而蒸發(fā)量卻高達近2000 mm,是降水量的20—30倍[24]。古爾班通古特沙漠雖然降水少,但季節(jié)分配卻較干旱區(qū)其他沙漠均勻,冬春兩季的降水量合計占全年的30%—45%,且冬季降水以固體的形式在地表形成穩(wěn)定的積雪量,每年春季來臨,積雪融化,沙土層便得到部分的水分補給而形成較穩(wěn)定的懸濕沙層,在4—5月間,50 cm的土層平均土壤含水率可達25 g/kg以上,這是短命植物得到良好生長發(fā)育的有利條件[25]。

圖1 研究區(qū)及采樣點示意圖Fig.1 Map of the study area and sampling sites

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本文所使用的數(shù)據(jù):(1) GIMMS-NDVI數(shù)據(jù),來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”(http://westdc.westgis.ac.cn),時間分辨率15 d,空間分辨率8 km,該數(shù)據(jù)已經(jīng)過預處理可直接使用遙感圖像處理軟件進行處理分析,時間跨度從1985年到1999年。(2)MOD13Q1(https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products),由NASA的LP DAAC(Land Processes Distributed Active Archive Center)工作組負責處理和發(fā)布,軌道號h23v04, h24v04,時間分辨率16 d,空間分辨率250 m。該數(shù)據(jù)集已經(jīng)經(jīng)過了大氣校正、幾何校正等預處理,消除了太陽高度角、傳感器時間靈敏度等影響,時間跨度從2000年到2014年。(3)氣象數(shù)據(jù)由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供(https://cdc.cma.gov.cn),包括沙漠周邊7個主要氣象站(烏魯木齊、奇臺、富蘊、克拉瑪依、和布克塞爾、精河、烏蘭烏蘇、)月降水、溫度數(shù)據(jù),時間跨度從1985年到2014年。

MODIS遙感數(shù)據(jù)預處理使用NASA免費提供的MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件,預處理包括對下載的原始數(shù)據(jù)批量進行格式轉(zhuǎn)換(原始影像HDF格式轉(zhuǎn)換為TIFF格式),影像拼接和地圖投影轉(zhuǎn)換(數(shù)據(jù)自帶的Sinusoidal轉(zhuǎn)換成WGS84地理坐標系下的Geographic Lat/Lon),最后,在遙感圖像處理軟件ENVI 4.8支持下進行后續(xù)的研究區(qū)影像裁剪、波段運算等圖像處理。

1.3 研究方法

1.3.1 野外調(diào)查

于2015年5月9—25號,在古爾班通古特沙漠縱向和橫向兩條路線上進行野外抽樣調(diào)查,共設(shè)置了53個樣地(圖1),根據(jù)古爾班通古特沙漠草本層最小抽樣面積[26],每個樣地根據(jù)沙丘的高度和大小,以垂直于沙丘走向的方向設(shè)置10 m×100 m的樣方,重復兩次測量記錄每個樣方中的短命植物物種數(shù)、冠幅和蓋度平均值。此外,由于沙漠中缺乏氣象站觀測數(shù)據(jù),測定了每個樣地的土壤含水量,以便結(jié)合周邊氣象站觀測的降水數(shù)據(jù)來分析降水變化對短命植物層片的影響。由于風沙土成土過程微弱,分異差,以及短命植物根系的分布深度,土壤樣品的采集選擇在坡頂、坡中部、坡底3個部位分別分層取0—10、10—30、30—50 cm的土壤,另外,在研究區(qū)選取了3個典型區(qū)域,即人工干擾區(qū)(沙漠油田區(qū))、沙漠腹地、沙漠-綠洲過渡帶(瑪納斯河流域附近),通過典型區(qū)域的土壤含水量變化來分析降水的空間變化,土壤含水量采用鋁盒取樣烘干稱重法求出。

1.3.2 生態(tài)參數(shù)的選擇和測度

相對頻度和重要值是生態(tài)學中研究物種在群落中的地位和作用的重要數(shù)量指標,本文對調(diào)查到的植物進行了頻度和重要值的計算。具體計算公式為：相對頻度,rf=ni/N,式中ni表示某物種i出現(xiàn)的樣地數(shù),N為總的樣地數(shù)。重要值=(相對頻度+相對密度+相對蓋度)/3,計算結(jié)果可作為衡量優(yōu)勢種的依據(jù),本文計算值均為所有樣地的平均值。

1.3.3 短命植被覆蓋分類劃分

根據(jù)統(tǒng)計的研究期所有年份NDVI平均值,采用決策樹分類法對不同短命植被覆蓋度進行了簡單的分類,具體閾值劃分分類規(guī)則如下：

高覆蓋 NDVI值累計百分比大于99%;

中等覆蓋 NDVI值累計百分比95%—99%;

低覆蓋 NDVI值累計百分比75%—95%;

稀疏或無覆蓋 NDVI值小于或等于0。

2 結(jié)果與分析

2.1 古爾班通古特沙漠中短命植物的空間分布、層片組成及物候特性

野外調(diào)查期間,一共調(diào)查了53個樣地,樣地內(nèi)共調(diào)查到33種短命植物(包括類短命植物)隸屬于15科28屬(表1),其中十字花科短命植物7種,占到調(diào)查樣地物種數(shù)的21.2%；紫草科科短命植物5種,占15.2%。在這33種短命植物中,優(yōu)勢物種為彎角四齒芥、土大戟、東方旱麥草和狹果鶴虱,其相對頻度均高于50%,尤其是東方旱麥草和土大戟兩種短命植物分布最廣,其重要值約50%。此外,相對頻度大于30%的短命植物有14種,占到所有物種總數(shù)的42.4%,在這14種短命植物中,除了3種為多年生的類短命植物外,其余11種均為一年生短命植物。另外,從表1中各物種所屬的科和重要值可以看出,古爾班通古特沙漠短命植物層片組成相對簡單且多樣性低,在這15科中,有8個科只有一種短命植物且大多數(shù)重要值較低,除了相對特殊的大戟科和莎草科,因為其科下分別所屬的土大戟和沙薹草兩個物種重要值高達約50%,具有明顯的優(yōu)勢。

此外,可以從表1看出,對于33種短命植物物種的空間分布而言,物種分布最豐富的區(qū)域是在沙漠南部,然后是東部和北部,西部區(qū)域的物種分布最少。調(diào)查期間,在西部區(qū)域只發(fā)現(xiàn)了小甘菊(Cancriniadiscoidea), 土大戟(Euphorbiaturczaninowii), 東方旱麥草(Eremopyrumorientale),和小花角茴香(Hypecoumparviflorum)4種物種,而且其生境往往是處于地勢低,土壤質(zhì)地粗糙,且高鹽堿性的地方,這可能和4種短命植物具有較強的抗旱和耐鹽堿的特性有關(guān)。而在南部和中東部區(qū)域,除了土大戟(Euphorbiaturczaninowii),疏齒千里光(Seneciosubdentatus), 東方旱麥草(Eremopyrumorientale)等優(yōu)勢物種外,還發(fā)現(xiàn)一些相對頻率較低,集中在少數(shù)科內(nèi)的物種,例如:小花荊芥(Nepetamicrantha),小果菘藍(Isatisminima),尖花天芥菜(Heliotropiumacutiflorum)等物種,這些物種往往生長于質(zhì)地較好,低鹽堿,水分較多的沙質(zhì)土壤生境中。對于短命植物的覆蓋度而言,根據(jù)我們的調(diào)查,覆蓋度最高的區(qū)域位于沙漠南部(約44°18′—44°50′N),然后是中東部(約44°50′—45°13′N, 87°32′—88°13′E)和北部(約45°13′—45°24′N),西部地區(qū)最低(約85°50′—87°30′E)。

對于古爾班通古特沙漠短命植物層片組成而言,根據(jù)其層片內(nèi)的物種,其層片組成大致可以分為兩種類型(表2)。從表2可以看出,兩種層片類型在物種組成上雖有差異但都相對簡單,層片特征差異則主要在物候方面。多物種聚集型通常物候現(xiàn)象變化由優(yōu)勢種所主導,早春時節(jié),優(yōu)勢種先于層片其他種開始萌發(fā)生長,且在繁盛期占據(jù)一定數(shù)量上的優(yōu)勢,待夏季來臨時,層片大部分物種開始逐漸衰敗；單一種群型,由于組成簡單,物候變化往往是由種群變化所主導,單一種群通常生存于平緩沙地的梭梭群落下。雖然由于物種組成的差異導致在兩種層片在物候變化上有所差異,但是總的來說短命植物的層片在早春到盛夏期間,物候上有一個明顯起伏的變化,隨著早春溫度的回升和積雪的融化,物種開始萌發(fā)生長,在5月份達到繁盛期,至酷熱的夏季來臨時,層片大部分物種開始衰敗,由于短命植物短暫的生活史造成在層片的物候方面形成一個明顯的起伏差異。

表1 古爾班通古特沙漠主要短命植物種類組成與空間分布

*表示類短命植物

表2 古爾班通古特沙漠短命植物層片特征

2.2 短命植物物候期內(nèi)NDVI值的提取及時空分析

圖2 多年4—7月的NDVI平均值Fig.2 Multi-year average NDVI from April to July

正如上節(jié)所述,從早春時節(jié)到初夏,古爾班通古特沙漠中短命植物層片存在一個明顯的物候季相變化,那么如何利用短命植物層片這種明顯的季相差在遙感影像中提取短命植物的空間分布信息?為此統(tǒng)計了近十幾年的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)從早春到初夏期間的變化,此外,為了準確反映沙漠中NDVI值的變化,排除周邊綠洲-荒漠過渡帶和西部地區(qū)的低值區(qū)域的干擾,在沙漠偏中東部區(qū)域劃出一個東西長200 km,南北寬150 km的矩形范圍作為沙漠中NDVI值的統(tǒng)計區(qū)域,從早春到初夏期間的NDVI值變化統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,在沙漠中從第97天到145天的NDVI值有一個快速的增長,在這之后16 d的NDVI值有一個明顯的下降,然后在第161天有所上升達到穩(wěn)定至第209天。中部沙漠區(qū)域在這一段時期明顯的NDVI變化可以看作主要是由短命植物所造成的,早春時節(jié)雪水的融化和溫度的回升為短命植物的萌發(fā)和生長造成了短期的適宜性環(huán)境,沙漠中的短命植物先于其他植被開始生長,而在初夏來臨之時,短命植物開始迅速衰敗,此時沙漠中其他多年生草本及灌木也開始繁盛以至于NDVI值并沒有產(chǎn)生較大的起伏變化。

根據(jù)短命植物群落的物候變化及影像中NDVI值明顯的起伏變化,如果用每年在第145天表現(xiàn)為高值的影像和之后16 d表現(xiàn)為低值影像進行相減,即在此時間段NDVI的增量值在一定程度上可以認為是短命植物長勢所造成的,那么最后在影像中表現(xiàn)為高值的區(qū)域即是短命植物覆蓋高的區(qū)域。因此,提取不同年份的短命植物空間分布信息,但之后我們發(fā)現(xiàn),影像中高值的區(qū)域在有些年份相同,但有些年份卻不同,這可能是由于短命植物的分布易受到氣候變化的影響。當然,也有可能是由于影像本身的噪聲和誤差所致,忽略這部分影響,將2000—2014年共15 a的影像相加并除以總年份15,平均后影像中高值區(qū)域的分布與多年的相同,然后根據(jù)NDVI值的累積百分比運用決策樹分類法對不同覆蓋度進行了分類,最后獲得了短命植物時空分布格局圖。另外,由于GIMMS-NDVI較低的空間分辨率,為避免影像誤差在提取1985—1999年的短命植物空間分布信息時選擇以MODIS數(shù)據(jù)的提取時期為主,同樣選擇5月底的高值影像和之后一期的低值影像進行相減,然后將15 a的影像進行相加并除以總數(shù),求取影像中的NDVI平均值后運用決策樹分類進行覆蓋度的劃分。最后,由GIMMS-NDVI和MODIS-NDVI數(shù)據(jù)提取的近30年的短命植物時空分布格局如圖3所示。

圖3 短命植物時空分布格局Fig.3 The spatio-temporal distribution pattern of ephemeral plant

從圖3可以看出,紅色表示的負值區(qū)域基本和高山森林帶、農(nóng)田、水域和戈壁等分布區(qū)域一致,黃色代表的低覆蓋分布區(qū)域則以中部區(qū)域的古爾班通古特沙漠為主。根據(jù)GIMMS-NDVI和MODIS-NDVI數(shù)據(jù)反映來看,短命植物的空間分布在整個古爾班通古特沙漠中覆蓋度最高的區(qū)域為南部和中部,北部次之,西部區(qū)域最低。從分布的區(qū)域可以看出,靠近綠洲-沙漠過渡帶附近的短命植物覆蓋度更高,這與綠洲邊緣提供的良好資源有關(guān),充足的水分和溫和的氣候條件為短命植物的生長提供了更有利的條件。此外,從不同數(shù)據(jù)所反映的短命植物分布的空間變化來看,近30年來短命植物的空間分布區(qū)域有所增加,尤其是在沙漠南部靠近綠洲區(qū)域的中等覆蓋度區(qū)域的增加。

2.3 短命植物時空變化及其影響因素分析

為了解短命植物近30年來的時空變化情況,計算了不同年份不同覆蓋度的面積。如表3所示,除了農(nóng)田、水域占大部分比例外,短命植被覆蓋度主要以中低覆蓋度為主,高覆蓋度占少數(shù)比例。此外,不同年份不同覆蓋度的面積存在不同的變化趨勢,例如,高覆蓋度的面積1985年只有3072 km2,1999年增加到4224 km2,至2014年已增加到17437 km2,在這30年期間表現(xiàn)出明顯的增加趨勢；而中等覆蓋度的面積在1985年有14976 km2,1999年增加到16640 km2,2000年為10233.688 km2,到2014年變?yōu)?4970.688 km2,雖在研究期間整體呈下降趨勢,但從不同空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的時間跨度分開來看,中等覆蓋度的面積仍表現(xiàn)出增加趨勢。雖然受到降水變化的影響,不同年份不同類別覆蓋度的面積表現(xiàn)出不同變化趨勢,但高覆蓋度的面積仍然表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,這和近30年來春季溫度的上升以及冬春兩季降水的增加有關(guān)。根據(jù)沙漠周邊主要氣象站的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計,近30年來降水和溫度變化結(jié)果如圖4所示,3月平均溫度在- 10—5℃之間變化,4月平均溫度則在5—15℃之間變化,就二者的年際間差異變化而言,3月平均溫度差異較大,最大年際間差異達12.5℃,之后隨著溫度的升高,4月份氣溫的年際間差異有所減小。此外,從平均溫度的年際變化來看,近30年期間兩個月份的平均溫度存在明顯的上升趨勢；另外,就冬春兩季的降水總量而言,二者在1985—2014年呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。從季節(jié)分布來看,春季降水量明顯高于冬季,其中1998年和2009年的兩季降水量差高達150 mm以上。從降水量的年際間差異來看,冬季降水量的起伏較穩(wěn)定,各個年份間的差異相較不大,而春季降水量則存在明顯的起伏波動,各個年份間的差異也較大,最低1989年為48.33 mm,最高年份1998年為255.71 mm,二者之差高達207.38 mm。

早春時節(jié)的溫度主要影響短命植物的萌發(fā),而短命植物群落的年際變化則主要受降水變化的影響。為了解降水量對短命植物群落的變化影響,統(tǒng)計了近30年來在沙漠偏中東部劃出的矩形范圍的NDVI值,以便和降水量做相關(guān)性分析。如圖5所示,表示短命植物長勢的NDVI值與冬春兩季的降水量表現(xiàn)出正相關(guān)性,且冬季降水相關(guān)性明顯高于春季降水,為檢驗NDVI與降水量之間的相關(guān)性,使用SPSS軟件進行相關(guān)性分析,結(jié)果表明短命植物與冬季降水存在顯著正相關(guān)性(P<0.05,r=0.405)而與春季降水存在不顯著的正相關(guān)性。另外,由于缺乏沙漠中降水數(shù)據(jù),為了解沙漠中降水的空間分布變化,測量了沙漠中土壤含水量,而春季沙漠土壤含水量則主要受降水量的影響,因此,擬通過土壤含水量的空間分布變化來了解沙漠中降水變化對短命植物空間分布的影響。根據(jù)結(jié)果所示(圖5),土壤含水量與短命植物NDVI值存在顯著正相關(guān)性(P<0.05,r=0.467),此外,由于受到植被、地形、地貌、人類活動等影響,古爾班通古特沙漠土壤含水量存在明顯的空間分布差異,選取了3種典型代表區(qū)域：人工干擾區(qū)域,沙漠腹地,沙漠-綠洲過渡帶,如圖5所示,3種典型代表區(qū)域不同分層的土壤含水量存在明顯的差異,就土壤含水量總體而言,沙漠-綠洲過渡帶各個土壤分層的含水量最高,沙漠腹地次之,人工干擾區(qū)域最低。從不同區(qū)域的不同土壤層位含水量來看,受自然因素和人為活動的影響,3個區(qū)域不同分層土壤含水量呈現(xiàn)出明顯的空間差異。

表3 1985—2014年間不同年份不同覆蓋分類面積統(tǒng)計

圖4 1985—2014年間溫度和降水量變化Fig.4 The change of temperature and precipitation from 1985 to 2014

圖5 短命植物時空變化影響因素相關(guān)性分析Fig.5 The correlation of affecting factors in spatio-temporal change of ephemeral plant

3 討論

3.1 古爾班通古特沙漠短命植物片層群落特征及物候特性

由于時間和調(diào)查范圍有限,本文在調(diào)查期間并未發(fā)現(xiàn)所有短命植物種類,根據(jù)前人的調(diào)查統(tǒng)計[24],古爾班通古特沙漠短命植物66種(包括類短命植物),約占到新疆北部所有短命植物總數(shù)的1/3,但據(jù)袁素芬[27]等人2005—2008年對準噶爾荒漠短命植物層片連續(xù)四年的野外調(diào)查結(jié)果,短命植物層片物種組成年際間并無明顯差異,只是受水熱條件的影響而產(chǎn)生物種蓋度、密度上的差異。此外,就短命植物層片特征及物候特性而言,袁素芬等[21]對古爾班通古特沙漠短命植物層片年內(nèi)變化的調(diào)查表明,短命植物種群頻度、物種多樣性、層蓋度和高度均以5月初為最高,至5月底則顯著下降。本研究的野外調(diào)查結(jié)果顯示,短命植物層片特征主要是由優(yōu)勢物種所主導,在早春到盛夏期間,層片整體在物候方面存在一個明顯的起伏差異,而這與前人的物候觀測并無異議[18]。

3.2 短命植物物候期內(nèi)NDVI值的提取及時空分析

根據(jù)短命植物層片物候上的季相差特征,本研究對遙感影像中反映短命植物長勢的NDVI進行了提取和空間分析,但出于數(shù)據(jù)準確性的考慮,沒有將GIMMS和MODIS的長時間序列數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一,造成在對短命植物分布的時空變化分析階段時間連續(xù)性受到干擾,但就不同時間跨度和空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)而言,反映短命植物長勢的NDVI空間數(shù)據(jù)與野外調(diào)查期間所觀察到的物候變化基本一致。此外,就整個沙漠區(qū)域的短命植物覆蓋度情況而言,沙漠內(nèi)部由于地表缺乏徑流使得短命植物的生長只能依靠大氣降水的補給,所以覆蓋度相對較低,而靠近外部的綠洲-沙漠過渡帶附近的短命植物覆蓋度更高,這與過渡帶疏松的土壤質(zhì)地以及相對稍好的水分條件有關(guān)[3]。另外,本文利用NDVI值來反映短命植物的長勢,雖然沙漠中4—7月的NDVI值變化與短命植物層片的物候變化相一致,可以看作主要是由短命植物造成的,但考慮到NDVI值自身的誤差影響以及研究區(qū)域復雜的景觀類型(荒漠-綠洲帶,固定/半固定沙地,戈壁),這些沒能消除的影響可能會導致分析的結(jié)果存在一些誤差。

3.3 氣候變化對短命植物時空變化的影響

已有研究表明,短命植物的層片結(jié)構(gòu)、蓋度、密度等易受到降水變化的影響[28],而短命植物層片年際間的動態(tài)變化則主要受到冬春季節(jié)水熱條件變化的影響[27]。就短命植物層片與溫度的關(guān)系而言,早春溫度主要影響短命植物的物種萌發(fā),而當年萌發(fā)的植株數(shù)目則決定當年短命植物層片物種數(shù)的多少,如果溫度的變化使得物種萌發(fā)受限,勢必會影響層片的物種數(shù)量和多樣性。古爾班通古特沙漠每年冬季存在穩(wěn)定的降雪量,待早春季節(jié)融化后可形成較穩(wěn)定和濕潤的土壤懸濕層[25],因此,每年3、4月的溫度變化對短命植物物種的萌發(fā)生長影響至關(guān)重要。另據(jù)張海波[29]等人2007年的研究表明,荒漠短命植物種子的低溫層處理上下限為0—10℃,若溫度長期持續(xù)在較低條件下,會引發(fā)種子的萌發(fā)時間滯后,使其植物種群結(jié)構(gòu)、蓋度、密度等受到影響。根據(jù)研究期間氣象站的氣溫數(shù)據(jù)顯示,雖然有些年份3月平均溫度在0℃以下,但近30年來3月份的平均溫度總體表現(xiàn)為上升趨勢,這為短命植物的物種萌發(fā)提供了較好的條件。至4月份春季氣溫逐漸回升后,水分條件則成為限制短命植物生長發(fā)育的主要因素,據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示近30年來冬春兩季的降水量明顯增加,而Li[30]等研究表明,西北干旱區(qū)近50年來降水顯著增加的主要原因是春夏兩季降水的明顯增多,春夏時節(jié)降水的增加對短命植物的生長而言是有利的條件。對于近30年來反映短命植物長勢的NDVI值與冬春兩季降水量的相關(guān)性程度而言,春季4、5月正是短命植物生長的繁盛期,此時的降水對于塑造短命植物層片特征具有強烈的影響,而NDVI與此階段降水量表現(xiàn)出的弱相關(guān)性可能是和降水量滯后性有關(guān),且影像中提取的NDVI值反映的是短命植物繁盛期與衰敗期的長勢之差,這就可能造成NDVI與春季降水量表現(xiàn)出明顯的時滯效應。除滯后效應外,降水的時間分布也影響著短命植物群落的變化,本文求取3、4、5月的3個月份降水量的平均值作為春季平均降水量,從春季降水量的年際變化可以看出,不同年份間的春季降水波動較大,這與不同年份的降水時間分配有關(guān)。此外,短命植物的生長對于偶然性降水具有極大的敏感性和適應性,在極端干旱的條件下,短命植物種子會通過休眠來逃避物種滅絕,待環(huán)境中合適的水條件出現(xiàn)時便會出現(xiàn)爆發(fā)性的萌發(fā),這種非一次性萌發(fā)機制可造成種群的變化從而影響層片結(jié)構(gòu)特征[28]。

另外,有研究表明,早春表層土壤水分在個體沙丘表面的分異直接影響到短命植物的分布[16]。受自然因素和人為活動的影響,本文選取的3個典型區(qū)域不同層位土壤含水量存在明顯的空間差異,但從影響因素角度分析可知,在人工干擾嚴重區(qū)域氣候變化不再是主導因素。近幾十年,由于人類活動引發(fā)的土地利用和覆蓋變化(LUCC)已經(jīng)導致短命植物自然生境受到影響,尤其是在沙漠-綠洲過渡帶,出現(xiàn)大量的自然植被景觀破碎化情況,雖然氣候變化是制約短命植物時空分布變化的主要因素,但在局部區(qū)域受人類活動干擾所引發(fā)的空間分布變化也不容忽視。因此,今后對于影響短命植物時空分布變化的因素研究還需要將人類活動的影響考慮其中,以便更好的分析其動態(tài)變化趨勢。

4 結(jié)論

綜上所述,可以得出以下結(jié)論：

(1)古爾班通古特沙漠短命植物層片整體表現(xiàn)出物種組成簡單,優(yōu)勢度高、多樣性和覆蓋度低等特征,且層片特征主要是由優(yōu)勢物種所主導,在早春至盛夏期間,由于短暫的生活史造成層片整體在物候上有一個明顯的起伏差異。

(2)古爾班通古特沙漠短命植物覆蓋分布格局存在明顯的時空差異,從空間分布來看,覆蓋最高的區(qū)域位于沙漠南部和中東部,北部次之,西部最少,而這一分布規(guī)律與野外調(diào)查的物種豐富度和覆蓋度的結(jié)果一致；就時間變化趨勢而言,受近30年早春溫度和冬春降水增加的影響,短命植物整體表現(xiàn)出良好的趨勢,覆蓋的區(qū)域面積呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。

(3)古爾班通古特沙漠近30年來3、4月溫度和冬春兩季降水均呈上升趨勢,而反映短命植物長勢的NDVI值與冬春兩季降水量也呈正相關(guān)性,但就相關(guān)性程度而言,冬季降水量與NDVI呈顯著性相關(guān)(P<0.05,r=0.405),而春季降水由于時滯效應并未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

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Analysis of spatio-temporal patterns of ephemeral plants in the Gurbantünggüt Desert over the last 30 years

DUAN Cheng1, WU Ling1,*, WANG Shaoming1, HE Lingyun2

1ShiheziUniversity,CollegeofLifeScience,Shihezi832003,China2ShiheziUniversity,CollegeofSciences,Shihezi832003,China

Ephemeral plants are a special plant synusia in the Gurbantünggüt Desert, which has attracted attention from ecologists due to its diverse species and significant role in ecology. To our knowledge, no research has analyzed the spatio-temporal patterns of ephemeral plants on a large-scale. Taking the Gurbantünggüt Desert —located in the central region of the Junggar Basin, northwest China—as the study area, and using remote sensing data, meteorological data, and field survey, this study explored the dynamic change in ephemeral plant cover in response to climate change on different spatio-temporal scales over the last 30 years. The results showed that, as far as the ephemeral plants synusia in the Gurbantünggüt Desert is concerned, the vegetation cover is low with simple community composition, high dominance, and low diversity, and the whole synusia undergoes an evident fluctuation in phenological change from early spring to summer. In addition to the phenological change in the ephemeral plant synusia, the normalized difference vegetation index (NDVI) in the desert also clearly fluctuates from early spring to summer, which is related to the life cycle of ephemeral plants. Using the phenological change characteristics of the ephemeral plant synusia, we extracted the NDVI during the phenological phases of ephemeral plants, and analyzed the spatio-temporal change of ephemeral plant cover from 1985 to 2014. In terms of spatial distribution, the highest cover area was in the south of the desert, followed by the mid-east and northern regions, with the western area showing the lowest cover area. With respect to temporal tendency, statistical analysis of the cover area showed that the ephemeral plant cover had a gradually increasing trend, which was attributable to an increase in temperature and precipitation during the research period. The highest cover area was in the oasis-desert ectone, which was due to the agricultural land located in this area. The artificial oases can supply sufficient surface water, which is beneficial for the growth of ephemeral plants. Conversely, the central desert region showed a low cover distribution pattern, which may be related to the lack of surface runoff and deep groundwater; the growth of ephemeral plants in the desert is completely reliant on atmospheric precipitation recharge. With respect to climate change, the spring temperature and precipitation showed an obvious increase from 1985 to 2014, and there was also an increase in winter precipitation. These notable increases in precipitation and temperature are of benefit to ephemeral plants. For yearly variation, the linear correlation coefficient indicated that NDVI was positively correlated with spring precipitation and winter precipitation. However, in terms of correlation coefficients, the NDVI was significantly positively correlated with winter precipitation (P< 0.05,r= 0.405), whereas spring precipitation showed a weak positive correlation due to a time-lag effect. Moreover, according to an analysis of spatial differentiation of soil water content, climate change was not the key factor affecting the spatio-temporal change of ephemeral plants, but that the impact of human disturbance on the spatial distribution of ephemeral plants in local areas should be taken into consideration when assessing the large-scale spatio-temporal distribution of ephemeral plants. Therefore, in order to obtain a more accurate analysis of the dynamic change trends of ephemeral plants, future research will focus on human influence in local areas.

ephemeral plants; normalized difference vegetation index; spatio-temporal pattern; climate change; Gurbantünggüt Desert

國家青年科學基金項目(31300406);新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團社會發(fā)展科技攻關(guān)與成果轉(zhuǎn)化計劃項目(2015AD023)

2015- 12- 28; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 10- 19

10.5846/stxb201512282592

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lingw@shzu.edu.cn

段呈,吳玲,王紹明,賀凌云.近30年古爾班通古特沙漠短命植物的時空格局.生態(tài)學報,2017,37(8):2642- 2652.

Duan C, Wu L, Wang S M, He L Y.Analysis of spatio-temporal patterns of ephemeral plants in the Gurbantünggüt Desert over the last 30 years.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2642- 2652.