基于灰色关联分析的水鸟与气候要素的响应关系研究

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  摘 要:该研究选取1979—2009年1月份的米埔湿地内的水鸟和7种与水鸟密切相关的气候要素,通过灰色关联分析的方法,探讨水鸟与气候要素的响应关系。结果表明:从整体来看,水鸟对于气候要素的关联性较强。其中,留鸟对本区气候适应能力相比较候鸟较强;随着时间推移,水鸟对于天然气候要素的适应逐年减弱,人为因素对于水鸟数量和种类的变化的影响越来越成为主导。另外,从不同种类水鸟与气候要素的关联程度来看,不同种类水鸟对于气候的适应程度具有一定的差异性,水鸟本身的生活习性特征决定了不同种类的水鸟对气候具有一定的适应和应对的能力,例如,擅长飞行的鹈形目对于最低能见度时数的关联性最强,擅长游泳的对于降水的关联性最小。
  关键词:水鸟;湿地;气候;响应;米埔湿地
  中图分类号 Q958 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2016)16-0012-04
  Abstrac:This paper selected different kinds of waterfowl and seven kinds of climate elements which closely related to waterfowl climatic factors in January 1979—2009,used the method of gray relational analysis. The results show that:on the whole,waterfowl have strong relevance to climate elements. The resident birds have strong adaptability to the climate compared to migratory birds in this area;Over time,the waterfowl weakened for the adaptation of natural climatic factors year by year,human factors have become dominant for the change of the number and species of waterfowl. In addition,from the different correlation of the different types of waterfowl and climatic factors,the different types of waterfowl have some differences for climate adaptation,the living habits characteristics of waterfowl determine the different ability on climate adaptation,for example,Pelecaniformes specializes flight,the number of the most relevant for minimum visibility,are good at swimming for the precipitation associated minimum.
  Key words:Waterbirds;Wetland;Climate;Response;Mai Po wetlands
  1 引言
  生态环境不仅是人类赖以生存发展的基础条件,也是整个生物群体赖以生存和延续的必要条件。水鸟作为环境的指示剂,能灵敏地反映出生态环境的变化,同时生态环境的优劣也直接影响看鸟类的种类和数量[1-3]。近年来,由于气候变化的异常,水鸟数量逐年减少,许多学者开始针对水鸟栖息地的生态环境质量展开了研究[4]。气象要素条件对于鸟类生存起着至关重要的作用,降水量对所有的鸟类直接相关,温度也是影响鸟类变化的重要因素,最大温度与涉禽类呈负相关[5-6]。随着气候变化,景观格局发生了一定变化,我国天然的淡水湿地景观类型减少,致使黑鸭等水鸟生存环境遭到威胁,野生动物的生活习惯和数量发生了较大变化,海岸水中浮游植物增多,鱼类减少,进而影响到鸟类食物的来源,导致水鸟数量减少[7-9]。在前人研究的基础上,本文试图通过定量化分析,获得米埔湿地水鸟对气象及生态气象质量动态变化的响应机理,进而提出保护鸟类的生存环境,维持生态系统的稳定性的策略,为区域生态建设工程的规划与决策提供科学依据。
  2 数据来源
  以香港米埔及内后海湾拉姆萨尔湿地(简称米埔湿地)为研究区,探讨水鸟与本区气象气候要素的关系。该湿地地处亚热带季风气候区,水热条件优越,由天然浅水河口三角洲地带、鱼塘、基围、潮间带泥滩、红树林、芦苇丛及淡水池塘构成。米埔湿地以鸟类著称,每年冬季停留在这里的水鸟平均为55 000只,全年基本相同的时节,途径本地的候鸟也可达10万只。自1979年开始,香港观鸟协会几乎每年都会按湿地国际标准,根据不同种鸟类栖息环境,采用1km2网格,配以植被图和最佳调查水鸟栖息的时间,对米埔内后海湾拉姆萨尔湿地的冬季鸟类进行分区调查[10-12]。虽然每次调查的路线和方法可能有所不同,但Deep Bay areas(Deep Bay“A”-“F”)和MaiPo等区域的调查方式基本一致。区别于候鸟和游鸟,留鸟行为变化的要素较为稳定,而且对气象要素变化较为敏感。从图1可以看出,香港米埔湿地水鸟总体数量随时间推移,发生了较大的变化。
  3 灰度关联分析
  灰色系统理论是1982年由我国著名学者邓聚龙教授创立的,以部分信息已知和部分信息未知的小样本、贫信息不确定性系统为研究对象的一门系统科学新学科。它的主要内容包括以灰色朦胧集为基础的理论体系、以灰色关联空间为依托的分析体系、以灰色序列生成为基础的生成体系等[13-15]。GRA作为灰色系统理论的重要组成部分,通过参考序列与各个比较序列的距离发展趋势,找出差异性和接近性,从而得到序列之间的关联度。运用GRA的步骤大致如下:   (1)选取影响水鸟数量变化的气象气候要素因子(月平均温度、月平均降水、月平均日照、年酷热天数、年寒冷天数、热液日数、低能见度时数),构成矩阵R。并分别算出其最大值和最小值,有利于水鸟生存的要素找出该项指标最大值,取最大值作为基准,不利于水鸟生存的要素找出该项指标最小值,取最小值做基准,然后作无量纲处理(标准化)。
  (2)用有利于水鸟生存的要素分别除以最大值,用最小值除以不利于水鸟生存的要素,得到无量纲化后的矩阵B。
  4 水鸟与气候变化响应机理研究
  气候数据,本文选取香港天文台公布的1979—2009年7种气候要素,包括气温、降水、日照、酷热天数、寒冷天数、热液日数、最低能见度等要素进行水鸟与气候之间响应关系的分析。综合以上气候要素因子和相应时期的本湿地的留鸟数量和候鸟数量,以及不同种类的水鸟总量为基础数据,利用灰度关联分析模型来建立不同种类的水鸟与气候要素间的关联系数,从而确定不同种类水鸟对气候的响应特征,进而解释水鸟宏观大尺度对区域选择的规律,为今后研究水鸟迁徙和水鸟对区域大尺度选择的研究提供可参考意见。
  4.1 留鸟与气候的响应 本文选取1979—2009年1月的留鸟数据和相对应的其中反映当地气候状况的31年的气象气候要素,通过灰色关联分析方法探讨两者的关联性,进而推算出影响留鸟生存或者去留的风险因子。本文选取1979—2009年1月份留鸟数据进行研究,包括小(Egretta garzetta)、小白鹭(Tachybaptus ruficollis)、池鹭(Ardeola bacchus)、斑嘴鸭(Anas zonorhyncha)、灰胸秧鸡(Gallirallus striatus)、白胸苦恶鸟(Amaurornis phoenicurus)、黑水鸡(Gallinula chloropus)7种数量较为稳定的留鸟进行研究。经过以上方法计算可得留鸟与气候要素的关联系数表,如表1所示。
  31年香港米埔湿地留鸟和7种主要气象气候要素的灰色关联度基本呈现较大的关联度,仅仅挑选每10年的关联结果进行显示和分析(表1),留鸟的数量与7种气候要素间存在一定的关联性,其中,从选取的这4年的数据来看,留鸟对于日照时数的关联度都较高,对热液日数的关联度相对较低,1979年的留鸟对降水、日照、酷热天数、热液日数和低能见度时数都表现出了较高的关联性,而2009年留鸟仅仅与气温和日照表现出了较强的关联性。由此可知,随着社会的发展,外界对水鸟及水鸟栖息地的干扰程度加大,水鸟的去留或者生存已经与气候的关系逐年降低,可能原本由自然条件所主导的水鸟的生态已经开始慢慢转向其他因素主导。另外,从均值可以看出,7种气候要素中的气温、日照与留鸟的关联性超过0.7,所以这两种气候要素可以被定义为米埔湿地内影响留鸟生存和流失的的风险因子。因此,从未来气候的变化趋势,也可以大致估算米埔湿地内留鸟的数量变化情况。
  4.2 冬候鸟与气候要素响应 根据上述的方法,同样选取本区域的冬候鸟数据进行分析,由于本区域是东亚-澳大利亚候鸟迁徙航道上,水鸟停歇和补给的重要中转站,又因为每年水鸟到达此处的时间基本上在1月份,冬候鸟来自北方,对于本区域的选择尤其受气候要素的影响较大,而且区别于留鸟的是,冬候鸟不具备通过长时间生活在此处,已经具备适应本区气候的能力,因此冬候鸟对本区的气候更具敏感性[16]。因此,选取本区域的冬候鸟和相应的7种气候要素进行分析,不仅具有十分重要的意义也具有研究的代表性。
  从表2可以看出:米埔湿地内的冬候鸟与日照、寒冷天数、气温的关联度相对较高,与降水和酷热天数的关联度相对较小;1979年冬候鸟只与酷热天数和热液日数具有强关联性,与其他气候要素均没有表现出较高的关联度;而1989年的冬候鸟则与大部分气候要素都表现出相对较强的关联度;2009年,同样冬候鸟的数量与气候要素的关联度越来越小,甚至只与气温有0.86的关联性;同样印证了上述研究中的一个结果,随着社会的发展,影响水鸟分布的因素可能正在发生转移。
  4.3 不同种类水鸟与气候要素响应 因为水鸟除了拥有其共同的习性特征外,各种类型的水鸟可能还拥有其对气象气候适应的独特的生活习性[17-20]。正由于每种水鸟都有其独特的或者相似的生活习性,因此,在应对气候变化和适应气候要素的过程中,可能与气候要素的关联程度也略有不同。为此,本文将每年1月份的水鸟按照湿地中国水鸟划分的方法进行分类,进而探讨米埔湿地内存在的不同种类水鸟对气候的响应特征。每种水鸟与7种气候要素关联系数均值如表3所示。
  水鸟对气候具有一定的依赖性,当然随着时间的推移,水鸟也会通过慢慢通过自身的生活习性,来适应气候的各种变化。鹳形目和鹤形目属于路上栖息相对较多的种类,常在浅水处或者开阔地涉行觅食,那么降水量因为对于降水、日照和热液日数的关联性相对较高,降水较大或者较少都可能影响这两者的日常活动,甚至影响它们的食物来源,所以与降水量的关联性相对较大。另外,热液日数的增加同样会影响它们的日常活动,所以其关联性也相对较高。鹈形目由于善于飞行,它与温度、热液日数和低能见度时数具有强关联性,这几种气候的变化将会使鹈形目的数量发生较为明显的变化。雁形目则与除了降水和酷热天数、关联度较小意外,与其他气候要素都表现出较强的相关性,可见雁形目受气候的影响还是较大的。目和雁形目相似的是都擅长游水,所以降雨量的大小对这两种水鸟的相关性不大。而日照、酷热天数和热液日数则是影响目的主要气候因子,这可能与目喜凉不喜热的生理特征所决定的。
  5 结论与讨论
  从整体来看,水鸟对于气候要素的关联性较强。长时间序列的留鸟和4种主要气候要素的相关性显示,水鸟与温度和最低能见度时数的相关性较强,相关性指数可以达到0.8,与日照的相关性相对较小。当然,这只是针对米埔湿地所有留鸟的共性特征而言的。不同种类的水鸟对气候变化的响应是不同的。根据灰度分析方法,研究留鸟和冬候鸟对7种气候要素的响应关系就可以看出:不同种类水鸟对于气候的适应程度具有一定的差异性,留鸟对本区气候适应能力相比较候鸟而言还是比较强的。另外,随着社会的发展,水鸟对于天然气候要素的适应逐年减弱,可能人为因素对于水鸟数量和种类的变化的影响越来越成为主导。   从单独的不同种类与气候要素的关联程度来看,水鸟本身的生活习性特征决定了不同种类的水鸟对气候具有一定的适应和应对的能力。擅长飞行的鹈形目对于最低能见度时数的关联性最强,擅长游泳的对于降水的关联性最小,而长时间栖居在河流或者沼泽岸边觅食的,则对温度、日照等气候要素的要求较高,具有较强的关联性。
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  (责编:张宏民)
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