祁连山国家公园乔木林生态系统稳定性对气候变化的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00334

摘要/Abstract

摘要：

气候变化加剧了生态系统稳定性的不确定性。祁连山是西北干旱区重要的生态安全屏障，尤其是乔木林生态系统在涵养水源和维系生态功能方面处于核心地位。因此，识别气候变化对祁连山乔木林生态系统稳定性的影响机制，是提升祁连山生态系统适应气候变化的管理能力、维护绿洲水资源与生态安全、促进社会经济可持续发展的关键。本文以祁连山国家公园为研究区，基于1987—2021年Landsat遥感影像与高分辨率气候数据，构建乔木林生态系统的森林稳定性指数（FSI），并结合小波分析和多元线性回归，定量评估乔木林生态系统稳定性的时空格局动态变化及其对气候变化的响应。结果表明：（1）乔木林生态系统整体稳定性较高，极高稳定性面积占77.25%；（2）1991—2021年乔木林区气温和降水分别以0.024 ℃·a⁻¹和7.32 mm·a⁻¹的速率增长，同期FSI提升显著，年均增长率为0.027；（3）乔木林生态系统稳定性与升温呈正相关（FSI增幅0.09~0.30·℃⁻¹）；在大部分分析单元降水增加对乔木林生态系统稳定性的影响表现为正效应（FSI增幅为0.15/1 000 mm~0.68/1 000 mm），在分析单元Ⅰ的表现为负效应（FSI增幅为-0.26/1 000 mm）；气候弹性指数（CE）对乔木林生态系统稳定性的影响表现为负效应，CE每增加0.10，FSI降低1.00~1.75。

关键词: 生态系统稳定性, 气候变化, 乔木林生态系统, 空间异质性, 祁连山国家公园

Abstract:

Climate change has increased the uncertainty of ecosystem stability. As a key ecological barrier in northwestern arid region of China， the Qilian Mountains rely on arboreal forests for water conservation and ecological functioning. Identifying how climate change affects the stability of these forests is essential for adaptive management， safeguarding oasis water resources， and promoting sustainable development. Using Qilian Mountain National Park as the study area， we constructed a Forest Stability Index （FSI） based on Landsat imagery （1987-2021） and high-resolution climate data， and applied wavelet analysis and multiple linear regression to assess spatiotemporal patterns of forest stability and their responses to climate change. Results show that：（1） forest ecosystems were highly stable， with extremely high stability covering 77.25% of the area；（2） from 1991 to 2021， temperature and precipitation increased by 0.024 ℃ and 7.32 mm annually， while FSI rose significantly at 0.027 per year；（3） warming was positively associated with stability （FSI increase of 0.09-0.30 per ℃）， precipitation generally had positive effects （0.15-0.68 per 1 000 mm） but was negative in Unit I （-0.26 per 1 000 mm）， and the climate elasticity index （CE） showed negative effects， with each 0.10 increase reducing FSI by 1.00-1.75.

Key words: ecosystem stability, climate change, arboreal forest ecosystem, spatial heterogeneity, Qilian Mountain National Park

中图分类号:

Q945

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图/表 12

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稳定性等级	FSI 范围	CV 范围
极高稳定性	FSI≥2.0	CV≤e^-2.0≈0.135
高稳定性	1.5≤FSI<2.0	0.135<CV≤e^-1.5≈0.223
中等稳定性	1.0≤FSI<1.5	0.223<CV≤e^-1.0≈0.368
较低稳定性	0.5≤FSI<1.0	0.368<CV≤e^-0.5≈0.607
极低稳定性	FSI<0.5	CV>e^-0.5≈0.607

稳定性等级	FSI 范围	CV 范围
极高稳定性	FSI≥2.0	CV≤e^-2.0≈0.135
高稳定性	1.5≤FSI<2.0	0.135<CV≤e^-1.5≈0.223
中等稳定性	1.0≤FSI<1.5	0.223<CV≤e^-1.0≈0.368
较低稳定性	0.5≤FSI<1.0	0.368<CV≤e^-0.5≈0.607
极低稳定性	FSI<0.5	CV>e^-0.5≈0.607

分析单元	分析单元面积/km²	乔木林			景观多样性
分析单元	分析单元面积/km²	面积/km²	覆盖率/%	面积占比/%	香农多样性指数	辛普森多样性指数	香农均匀度	平均形状指数	平均斑块周长/km	边界密度/(km·km^-2)	乔木林斑块数/个	乔木林斑块密度/(个·km^-2)	平均斑块面积/km²	最大斑块指数/%	平均最近邻距离/km	平均连续度指数
合计	9 509.93	1 652.25	17.37	100.00	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
Ⅰ	1 774.07	287.41	16.20	17.40	1.34	0.68	0.61	1.75	2.22	2.85	2 341	1.32	0.12	21.23	0.15	0.58
Ⅱ	789.82	172.01	21.78	10.41	1.37	0.69	0.66	1.81	2.28	4.07	1 453	1.84	0.12	9.79	0.13	0.57
Ⅲ	178.67	52.82	29.57	3.20	1.25	0.66	0.64	1.84	3.35	4.68	256	1.43	0.20	35.03	0.13	0.59
Ⅳ	1 141.45	190.34	16.68	11.52	1.19	0.60	0.57	1.77	2.13	3.41	1 808	1.58	0.10	11.59	0.13	0.58
Ⅴ	323.31	41.79	12.92	2.53	1.26	0.64	0.60	1.80	2.06	2.77	435	1.35	0.09	9.27	0.17	0.60
Ⅵ	258.03	23.68	9.18	1.43	0.90	0.44	0.43	1.64	1.51	1.73	301	1.17	0.08	12.76	0.18	0.59
Ⅶ	3 626.77	795.94	21.95	48.17	1.34	0.70	0.61	1.77	2.55	3.30	4 865	1.34	0.16	15.63	0.13	0.57
Ⅷ	1 417.81	88.27	6.23	5.34	1.22	0.65	0.56	1.69	1.39	1.55	1 651	1.16	0.05	3.53	0.17	0.57

分析单元	分析单元面积/km²	乔木林			景观多样性
分析单元	分析单元面积/km²	面积/km²	覆盖率/%	面积占比/%	香农多样性指数	辛普森多样性指数	香农均匀度	平均形状指数	平均斑块周长/km	边界密度/(km·km^-2)	乔木林斑块数/个	乔木林斑块密度/(个·km^-2)	平均斑块面积/km²	最大斑块指数/%	平均最近邻距离/km	平均连续度指数
合计	9 509.93	1 652.25	17.37	100.00	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
Ⅰ	1 774.07	287.41	16.20	17.40	1.34	0.68	0.61	1.75	2.22	2.85	2 341	1.32	0.12	21.23	0.15	0.58
Ⅱ	789.82	172.01	21.78	10.41	1.37	0.69	0.66	1.81	2.28	4.07	1 453	1.84	0.12	9.79	0.13	0.57
Ⅲ	178.67	52.82	29.57	3.20	1.25	0.66	0.64	1.84	3.35	4.68	256	1.43	0.20	35.03	0.13	0.59
Ⅳ	1 141.45	190.34	16.68	11.52	1.19	0.60	0.57	1.77	2.13	3.41	1 808	1.58	0.10	11.59	0.13	0.58
Ⅴ	323.31	41.79	12.92	2.53	1.26	0.64	0.60	1.80	2.06	2.77	435	1.35	0.09	9.27	0.17	0.60
Ⅵ	258.03	23.68	9.18	1.43	0.90	0.44	0.43	1.64	1.51	1.73	301	1.17	0.08	12.76	0.18	0.59
Ⅶ	3 626.77	795.94	21.95	48.17	1.34	0.70	0.61	1.77	2.55	3.30	4 865	1.34	0.16	15.63	0.13	0.57
Ⅷ	1 417.81	88.27	6.23	5.34	1.22	0.65	0.56	1.69	1.39	1.55	1 651	1.16	0.05	3.53	0.17	0.57

分析单元	气温变化速率/(℃·a⁻¹)	气温标准差/℃	降水变化速率/(mm·a⁻¹)	降水标准差/mm
Ⅰ	0.016	0.40	6.88	116.46
Ⅱ	0.033	0.47	9.76	187.85
Ⅲ	0.036	0.51	7.70	145.90
Ⅳ	0.035	0.50	7.48	131.52
Ⅴ	0.032	0.47	2.91	76.45
Ⅵ	0.028	0.42	6.47	96.07
Ⅶ	0.016	0.35	5.53	103.75
Ⅷ	0.015	0.42	8.62	152.68
乔木林区	0.024	0.42	7.32	135.68
全区	0.0036	0.10	1.43	27.67