温度变化下哈巴雪山寒温性灌丛空间格局变化研究

摘要：运用ARCGIS软件将云南省134个气象站点的30年的平均温度数据，按温度梯度插值方法，建立哈巴雪山当前的温度基线场;依据《第二次气候变化国家评估报告》中预测21世纪末不同经济发展情景下中国年均温在低排放（B1）、中排放（A1B）、高排放（B2）升高幅度，建立不同情境下研究区的温度场数据;依据《云南植被》、研究区的寒温性灌丛的斑块数据和当前温度基线场，建立寒温灌丛的温度分布曲线，并获取最适宜温度临界点。最后结合各个情境下温度场数据和寒温灌丛分布临界点统计各个情境下空间格局的分布并分析其变化趋势。研究表明：寒温灌丛有向上迁移的趋势，同时分布的海拔宽度有所增加，但是分布的面积下降明显，出现“挤出”效应。

关键词：寒温灌丛;插值空间;格局变化;预测

中图分类号：Q948

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2015）04-0031-03

1引言

近百年，中国气温的上升趋势与全球是一致的。在1951～2009年，中国地表的平均温上升了1.38℃，变化速率为0.23℃/10a。由于气候变暖，自1950年以来，中国绝大多数冰川面积缩小了10%以上，并且20世纪90年代后期冰川退化加速，进而致使干旱区内陆河流的径流量明显增加。据估算，青藏高原的冻土面积退化导致每年的释水量达到了50～110亿m3[1]。

气候变暖对中国的生态系统和生物多样性产生了明显的影响。刘丹等[2]对黑龙江1961～2003年植被变化进行研究，结果表明气候变暖使得兴安落叶松、冷杉、云杉和红杉等树种的分布区域发生了北移现象。周晓峰等[3]研究发现气温上升使岳桦苔原过渡带宽度增加，岳桦侵入苔原的程度加剧。戴君虎等[4]对山西五台山的研究发现该地区高山草甸和林线过渡带植物上移趋势与同期气温上升相关密切。Moseley[5]研究发现云南西北地区灌木入侵高山草甸，并使得研究区群落结构多样性发生改变。

本文根据中国第二次气候变化国家评估报告中模拟估算：到21世纪末期中国在B1（低排放）、A1B（中排放）、A2（高排放）经济发展模式下，平均温度分别增加2.5℃、3.8℃、4.6℃环境下[1]，对位于滇西北哈巴雪山垂直生态系统中的寒温性灌丛进行研究，模拟寒温性灌丛生态系统空间格局变化。

2研究区

哈巴雪山位于香格里拉县东南部，是喜马拉雅山造山运动及其以后第四纪构造运动的强烈影响下急剧抬高的高山，经度100°02′～100°14′，纬度27°10′～27°24′，距离香格里拉县城120km，主峰海拔5396m，海拔最低点为江边行政村，仅1550m。哈巴雪山因巨大的海拔落差，形成明显的高山垂直气候带，从下到上依次为河谷中亚热带、北亚热带、暖温带、中温带、寒温带、高山寒带、高山冰雪带多种气候带。年均气温从金沙河谷的16.5℃下降到哈巴雪山的主峰―8.6℃。年降水量由526mm左右上升到1550mm左右。

哈巴雪山是由森林、灌木、草甸、现代冰川四个一级景观组成，是完整而典型的森林生态系统。哈巴雪山位于横断山区，此处在地质历史上未曾受第四纪冰川大面积覆盖的影响，成为动植物的避难所，被公认为是物种保存中心和形成中心，保存着大量的中国和地区特有种，长苞冷杉、大果红杉、高山松、丽江云杉等是我国特有种，以其为优势种长苞冷杉林、大果红杉林、高山松林、丽江云杉林是川西南、藏东南、滇西北的特有植被类型，同时也是横断山针叶林的典型代表[6]。

3数据与方法

3.1数据来源及预处理

本文所用到的数据包括：1980～2010年云南省134个气象站点30年的气象数据（数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心）、云南省行政区划矢量数据、香格里拉县林业资源二类调查数据、香格里拉县的SPOT5遥感影像数据、哈巴雪山自然保护区矢量图（数据来源于哈巴雪山自然保护区管理局）。首先将带有经纬度坐标的气象站EXCEL数据导入ARCGIS，生成矢量点数据，并保存为可编辑的矢量点气象数据。应用SPOT5遥感影像和林业资源二类调查数据进行哈巴雪山寒温性灌丛范围提取。

3.2温度场数据获取

哈巴雪山水平方向所跨的经纬度范围较小，但是垂直方向上海拔差异较大，并且研究区及其周边的气象站点，一般直接进行空间插值的方法进行插值获取的结果与该研究区实际温度之间存在较大差异，并由于海拔是影响山地温度的重要因素。根据舒立福等[7]的研究资料，本文基于云南省90m分辨率的DEM数据对云南省134个气象站点的温度数据进行海拔梯度插值，并通过哈巴雪山矢量图剪切，生成研究区的温度场数据。依据《第二次气候变化国家评估报告》中预测，到21世纪末，中国年平均温度在B1、A1B和A2不同的经济发展模式下分别上升约2.5℃、3.8℃和4.6℃，在ARCGIS中，在上面插值得到的温度场基础上，分别加上2.5℃、3.8℃和4.6℃，获得不同排放情景的温度场数据。

3.3寒温性灌丛分布区温度分布统计

首先，将由林业资源二类调查数据和SPOT5获取的哈巴雪山寒温性灌丛分布矢量数据导入ARCGIS。应用conversiontools―featuretoraster工具，将寒温性灌丛面状矢量数据转换为与温度数据相同分辨率的栅格数据，并应用conversiontools―rastertopoint工具，将寒温性灌丛每个像元栅格数据转换为对应的矢量点数据。最后应用空间分析工具中的extractbypoints工具提取每个寒温性灌丛矢量点数据对应的温度栅格数据，获取寒温性灌丛分布区的温度分布表格数据。

4数据分析

4.1寒温性灌丛分布温度曲线

由寒温性灌丛分布区温度统计预处理获取了8332个温度点数据，温度最小值为-0.9753℃，最大值为9.7044℃，平均值为3.9302℃。利用EXCAL将哈巴雪山解译中的寒温性灌丛的温度分布划分为110个区间，间隔为0.1℃，范围有-1～10℃，并统计每个区间的温度分布频数。然后将每个区间的频数除以最大频数值，将每个区间的频数化为0～1概率值。由于频数概率分布成正态分布形状，利用SPSS软件对110区间及其对应的频数概率进行非线性回归，获取寒温性灌丛在温度上的分布概率曲线函数，如下：

F（t）=0.872*e-（t-3.810）29.308（1）

将哈巴雪山解译的寒温性灌丛温度代入公式（1）中，得到寒温性灌丛在各个温度区间的分布概率（R2=0.950）。寒温性灌丛的解译温度分布、预测温度分布及其误差的分布如图1所示。

图1寒温性灌丛实际温度、预测温度及其误差分布

4.2本世纪末寒温性灌丛分布预测

查询《云南植被》，寒温灌丛分布海拔主要在3800～4300m，还有一些灌丛分布在亚高山（3200～3800m），这些灌丛大部分是由于久经放牧形成的次生灌丛。本文主要研究海拔在3800～4300m之间的寒温灌丛，该植被处多雪、多风、寒冷日照常的气候条件下，年均气温在3～5℃，一般均在10℃以下，最冷月在0℃以下[8]。本文将3℃和5℃代入寒温灌丛温度分布曲线公式（1），取两者概率较小者，作为判断寒温灌丛最适宜温度分布概率临界点。由计算可知，MIN（F（3），F（5））=0.7489。

利用ARCGIS软件的栅格计算器工具将哈巴雪山当前温度场、B1、A1B、A2不同排放下温度场数据按照公式（1）进行计算，获得研究区不同情境下的温度分布概率图。然后按寒温灌丛最适宜温度临界点0.7489划分出不同情境下寒温灌丛的空间分布格局变化。并用区域统计工具计算情景下适宜区域的海拔的最大值、最小值、平均值、宽度，同时统计其适宜面积。统计结果如图2、表1所示，其中0表示以当前温度为基准，2.5、3.8、4.6分别表示在当前温度基准上不同排放情境下，到本世纪末温度的上升幅度。

由图2可知，到本世纪末，不同温室气体排放的情境下，寒温性灌丛的空间分布海拔最大值（MAX）、最小值（MIN）、平均值（MIN）变化一致，均出现升高趋势。并且海拔最大值的上升幅度较大，平均值变化次之，最小值变化较小。由表1可知，寒温性灌丛海拔分布宽度（RANGE）均在当下基准温度上增加，但是空间分布面积（AREA）却在下降，并且温度上升幅度越大，分布面积越小。

总之，基于当下基准温度，到本世纪末，寒温灌丛的分布空间有上升迁移趋势，分布宽度增加，但是由于山体空间有限，寒温灌丛空间分布面积下降较明显，显示了明显的“挤出”效应。

5结论

（1）本文结合了生态学、统计学和GIS的强大空间分析功能，进行滇西北哈巴雪山寒温灌丛的基于当前温度的未来情景变化的空间分布格局预测和变化趋势分析。发现寒温灌丛有向高海拔迁移的潜在趋势，并且空间分布的宽度增加，但是分布的总面积会出现下降趋势，出现高山植被的“挤出”效应。

（2）本文对寒温灌丛的预测模型是基于不同情景下的温度变化因子进行的，但是由于温度上升、极端气候发生、病虫害的发生及其不同土质条件均会对寒温灌丛的分布造成影响，因此，综合考虑各种影响植被的生物和非生物因子，对寒温灌丛未来空间格局和变化趋势进行更加准确的预测，是未来气候变化下的高山植被的空间变化研究的趋势。

参考文献：

[1]第二次气候变化国家评估报告编写委员会.第二次气候变化国家评估报告[M].北京：科学出版社，2011.

[2]刘丹，那继海.1961～2003年黑龙江主要树种的生态地理分布变化[J].气候变化研究进展，2007，3（2）：100～105.

[3]周晓峰，王晓春.长白山岳桦―苔原过渡带动态与气候变化[J].地学前缘，2002，9（1）：227～231.

[4]戴君虎，潘.五台山高山带植被对气候变化的响应[J].第四纪研究，2005.25（2）：226～231.

[5]MoseleyRK.HistoricallandscapechangeinnorthwesternYun-nan[J].China.mountainResearthandDevelopment，2006，26：214～219.

[6]陶晶.云南哈巴雪山自然保护区生物多样性及保护研究[D].北京：中国林业科学研究院，2010：8～11.

[7]舒立福，周汝良.森林火灾监测预警和扑救指挥数字化技术[M].昆明：云南科技出版社，2012：179～185.

[8]吴征镒，朱彦丞.云南植被[M].北京：科学出版社，1987：535～553.