黄海北部大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI空间分异及其环境解释

李洪飞，张 华，伏 捷

(1.辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029；2.辽宁师范大学 海洋可持续发展研究院，辽宁 大连 116029)

1 引言

归一化植被指数(NDVI)是表征植被覆盖状况常用的遥感监测指标之一，能够反映区域植被的生长发育状况[1～4]。已有研究表明，NDVI大小及其时空分异受地形、土壤、气候和人为活动等多种环境因素的综合影响[5～10]。鹅耳枥(Carpinusturczaninowii)为桦木科(Betulaceae)鹅耳枥属(Carpinus)乔木，是大鹿岛天然次生落叶阔叶林的优势树种，对维持岛屿生态平衡具有重要作用[11～13]。目前我国对鹅耳枥属植物的群落学研究多见于陆地区域，研究方法常以植被群落学调查为主[14～18]，鲜有对海岛环境下鹅耳枥属植物遥感监测与实地调研相结合的相关研究。基于此，本文以黄海北部大鹿岛鹅耳枥林为研究对象，选取归一化植被指数(NDVI)作为指示植被覆盖状况的遥感监测指标，结合群落特征野外调查数据，探究大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI空间分异及其与环境因子的关系，旨在为东北暖温带海岛鹅耳枥林植物资源的保护提供科学依据。

2 研究区概况

研究区大鹿岛位于大洋河入海口南约12.96 km的黄海中，行政隶属于辽宁省丹东东港市大孤山镇，中心坐标为(39°45′N，123°43′E)。大鹿岛呈东西走向，地势北高南低，距大陆最近距离7.22 km，岸线长度12.50 km，陆域面积4.10 km2，主要地貌类型为圆顶状侵蚀低山丘陵；属北温带亚湿润季风气候，多年平均气温为8.4 ℃，多年平均降水量为891 mm；土壤类型主要有棕壤和草甸土类；植被以暖温带天然次生落叶阔叶林为主。

3 数据和方法

3.1 大鹿岛鹅耳枥林环境因子调查

于2020年7～8月份，在辽宁省丹东东港市大鹿岛选取9块以鹅耳枥为建群种的调查样地(L1～L9)，记录每块样地的经纬度、海拔高度、坡度和坡向等基本信息，经纬度采用易测宝T2GIS采集器测定，海拔高度及坡度和坡向均采用手机OPPO Find X提取。在每个调查样地内设置15 m×20 m样方1个，测得地表至母岩层的厚度作为土层厚度，使用100 cm3环刀采集样方内土壤表层0～5 cm深度的原状土体带回实验室，测得土壤毛管孔隙度。在每个调查样地中设置1 m×1 m枯落物样方1个，采集枯落物带回实验室，采用日本 Rigaku ZSX Primus Ⅱ型全自动扫描型X射线荧光光谱仪测得枯落物营养元素含量。

3.2 遥感数据来源及相关分析方法

NDVI数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)发布的2020年7～8月份Landsat 8卫星数字产品，空间分辨率为30 m，运用ARCGIS10.2软件先对影像进行辐射定标和大气校正等预处理，再用最大值合成法获得2020年大鹿岛鹅耳枥林夏季(7～8月份)NDVI值，最后提取9个样地所在栅格的夏季NDVI值。DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)发布的GDEMV2数字高程数据，空间分辨率为30 m，运用ARCGIS10.2软件绘制研究区等高线及坡度分布图。采用GIS统计分析方法探究大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI的空间分异情况，运用SPSS26.0软件完成夏季NDVI与环境因子的相关性分析。

4 结果和分析

4.1 大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI空间分异

由图1可知，大鹿岛鹅耳枥林样地(L1～L9)夏季NDVI值在0.65～0.74之间，均值为0.71，变异系数为4.56%，表明各样地植被生长状态处于中等水平，夏季NDVI值差异较小。各样地夏季NDVI值降序为：L8>L4>L6>L2>L1>L5>L9>L3>L7。各样地夏季NDVI值存在一定的空间分异：夏季NDVI值相对较高的样地，海拔高度相对处于中等水平(60～100 m)。例如：样地L7、L3和L1的海拔高度在100～130 m范围内，在大鹿岛中海拔相对较高，夏季NDVI值相对较低；样地L8、L6和L2的海拔高度在60～100 m范围内，海拔相对处于中等水平，夏季NDVI值相对较高；样地L9和L5的海拔高度在30～60m范围内，在大鹿岛中海拔相对较低，夏季NDVI值相对处于中等水平，表明夏季NDVI值总体随海拔高度的升高呈先升高后降低的趋势，呈非线性变化关系。根据图1中的等高线疏密情况可知：等高线相对稀疏、坡度较小的样地L4的夏季NDVI值较高，而等高线相对密集、坡度较大的样地L7和L5的夏季NDVI值较低，表明夏季NDVI值总体随坡度的降低而增大。

图1 大鹿岛夏季NDVI空间分布

由图2可知：大鹿岛鹅耳枥林样地(L1～L9)坡向差异显著，样地L9为西北坡，L5和L7均为南坡，L3为西南坡，L1、L6和L2均为西坡，L8为东坡，L4为东北坡，其中，L8和L4为阴坡，相对冷湿；其他样地均为阳坡或半阳坡，相对干热。坡向随夏季NDVI值降序排列为：东坡>东北坡>西坡>南坡>西北坡>西南坡>南坡，总体而言，东北坡向的夏季NDVI值高于西南坡向。

4.2 大鹿岛鹅耳枥林环境因子统计与分析

由表1可知：鹅耳枥林样地(L1～L9)海拔高度在51～130m之间，均值为95m，变异系数为30.59%，各样地海拔高度降序为：L4>L7>L3>L1>L8>L2>L6>L9>L5。各样地海拔高度均小于200m，均属于低海拔地区，样地间海拔高度差异较大。鹅耳枥林样地(L1～L9)坡度在19°～46°之间，均值为28°，变异系数为29.69%。各样地坡度降序为：L7>L5>L9>L2>L8>L1>L6>L3>L4。各样地坡度在15°～55°范围内，属于陡坡和峭坡，样地间坡度差异较大，地势起伏较大。鹅耳枥林样地(L1～L9)坡向在24°～330°之间，均值为190°，变异系数为51.53%。各样地坡向降序为：L9>L5>L7>L3>L1>L6>L2>L8>L4。

图2 大鹿岛坡向

表1 黄海北部大鹿岛鹅耳枥林环境特征统计结果

鹅耳枥林样地(L1～L9)土层厚度在8.50～20.03 cm之间，均值为12.74 cm，变异系数为26.05%，属于中等变异水平。各样地的土层厚度相对较薄，样地间土层厚度差异较大。各样地土层厚度降序为：L8>L4>L2>L6>L5>L3>L1>L9>L7。鹅耳枥林样地(L1～L9)土壤表层毛管孔隙度在23.16%～40.15%之间，均值为27.88%，变异系数为21.42%，属于中等变异水平。各样地土壤质地主要为砂土，土壤毛管孔隙度均较少，储水性能较差，样地间土壤毛管孔隙度差异较大。各样地土壤毛管孔隙度降序为：L8>L4>L6>L5>L1>L2>L3>L7>L9。

鹅耳枥林样地(L1～L9)枯落物半分解层N元素含量在0.60～1.23%之间，均值为0.89%，变异系数为24.97%，样地间枯落物半分解层N元素含量差异较大。各样地枯落物半分解层N元素含量降序为：L8>L4>L2>L1>L7>L5>L6>L9>L3。鹅耳枥林样地(L1～L9)枯落物半分解层Cu元素含量在0.0013～0.0021%之间，均值为0.0016%，变异系数为18.72%，样地间枯落物半分解层Cu元素含量有一定差异。各样地枯落物半分解层Cu元素含量降序为：L6>L8>L4>L2>L5>L1>L7>L9>L3。

4.3 大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI与环境因子的相关性分析

由表2可知：大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI值与坡度和坡向均呈显著负相关，相关系数分别为-0.704和-0.724，表明坡度相对较小的阴坡更适宜鹅耳枥的生长发育。鹅耳枥林夏季NDVI值与土层厚度和土壤毛管孔隙度呈显著正相关，相关系数分别为0.736和0.683，表明土层较厚、储水性能较强的土壤更适宜鹅耳枥的生长发育。鹅耳枥林夏季NDVI值与枯落物半分解层N和Cu元素含量呈显著正相关，相关系数分别为0.575和0.741，表明营养元素N和Cu能够促进鹅耳枥的生长发育。土壤及枯落物因子与坡向均呈显著负相关，表明坡向制约土壤保水保肥能力和枯落物养分含量，促进水分和营养元素的空间再分配，影响鹅耳枥林的生长发育。

5 结论与讨论

(1)大鹿岛鹅耳枥林夏季(7～8月份)NDVI值在0.65～0.74之间，均值为0.71，低于东北林区夏季平均NDVI值(0.85～0.90)[19]，表明大鹿岛鹅耳枥林夏季植被生长状态虽然处于中等水平，但仍未达到东北林区夏季的平均水平。大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI值存在一定的空间分异，具体而言，夏季NDVI值随海拔高度的升高总体呈先升高后降低的趋势，随坡度的降低而增大，东北坡向的夏季NDVI值高于西南坡向。

表2 黄海北部大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI与环境因子的相关性分析

(2)代力民等[20]的研究表明，在辽宁东部山区环境中，坡度和坡向是影响森林植被类型和分布的主导地形环境因子，海拔和土层厚度等因子对森林植被类型和分布的影响是有限的。本研究表明，辽宁东部海岛——大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI值不仅与坡度和坡向呈显著负相关，还与土层厚度、土壤毛管孔隙度及枯落物半分解层N和Cu元素含量呈显著正相关，表明海岛环境下，鹅耳枥林的空间分布受地形、土壤和枯落物等环境因素的综合影响。因此，在对黄海北部大鹿岛鹅耳枥林的经营管护中应注重因地制宜，合理调配水资源，避免土壤板结，促进营养元素的良性循环，保护大鹿岛鹅耳枥林植物资源。

(3)本文主要对大鹿岛鹅耳枥林夏季NDVI的空间分异及其与地形(海拔高度、坡度和坡向)、土壤物理性质(土层厚度和土壤毛管孔隙度)和枯落物半分解层N和Cu元素含量等环境因素的关系进行了研究，而大鹿岛鹅耳枥林NDVI时空分异及其与气候和人为活动等其他环境因素的关系有待深入探究。