基于高分辨率影像的家庭牧場(chǎng)草地利用單元?jiǎng)澐?/h1>
2014-08-02 03:54:17韓國(guó)棟閆瑞瑞王薩仁娜
東北師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2014年4期
烏 蘭，韓國(guó)棟，喬 江，袁 清，閆瑞瑞，王薩仁娜,4
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)
基于高分辨率影像的家庭牧場(chǎng)草地利用單元?jiǎng)澐?/p>
烏 蘭1，韓國(guó)棟1，喬 江2，袁 清2，閆瑞瑞3，王薩仁娜1,4
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)
利用高分辨率遙感影像ALOS和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法，對(duì)內(nèi)蒙古呼倫貝爾市境內(nèi)的典型家庭牧場(chǎng)進(jìn)行了草地利用單元?jiǎng)澐趾蜖顟B(tài)-轉(zhuǎn)換模型的構(gòu)建，在家庭牧場(chǎng)尺度上開(kāi)展了草地資源合理利用及資源優(yōu)化的配置研究.結(jié)果表明：研究區(qū)草地可劃分為兩種利用單元，第一種為廣泛分布于研究區(qū)的高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草(Leymuschinensis)+貝加爾針茅(Stipabaicalensis)草地單元，占草地面積的98%；第二種為位于5號(hào)牧場(chǎng)北部的低地灘地-草甸土-灰脈苔草(Carexappendiculata)+委陵菜(Potentillachinensis)草地單元，僅占草地面積的2%.第一種草地利用單元的狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型存在羊草占優(yōu)勢(shì)和羊草退化的兩個(gè)生態(tài)狀態(tài)，依據(jù)演替順序，第一個(gè)生態(tài)狀態(tài)包括3個(gè)植物群叢，分別為羊草+貝加爾針茅+寸草苔(Carexduriuscula)、羊草+寸草苔、羊草+糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)+寸草苔群落，面積占77%；第二個(gè)生態(tài)狀態(tài)只有糙隱子草+寸草苔1個(gè)群叢，面積占21%.說(shuō)明該區(qū)草地退化狀態(tài)不是很明顯，通過(guò)一定的恢復(fù)措施可較易轉(zhuǎn)換為羊草占優(yōu)勢(shì)的生態(tài)狀態(tài).
草地利用單元；地形；植被；土壤；ALOS；狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型
草地利用單元又稱生態(tài)地境，是為統(tǒng)一管理草地而提出的生態(tài)分類(lèi)單元，是在特定氣候、地貌、土壤特征下形成的具有特定種類(lèi)植被的地段，會(huì)對(duì)管理措施(如放牧、火燒)和自然干擾(如干旱、洪水)做出響應(yīng)[1-2].其發(fā)展大致經(jīng)歷了地境、草地地境和生態(tài)地境3個(gè)階段[3].地境也叫立地，是指森林或其他植被類(lèi)型生存的空間及其相關(guān)的自然因子的綜合[4]，最早運(yùn)用在林學(xué)領(lǐng)域，是森林群落管理的基礎(chǔ)；之后，逐漸被應(yīng)用到草地頂級(jí)植物群落研究中；目前，為了解決以Dyksterhuis的演替-退化模型[5]為代表的傳統(tǒng)頂級(jí)演替模型在應(yīng)用中的局限性，以更好地揭示草地生態(tài)系統(tǒng)的非平衡性[6]，引入了狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型[7]，從而形成了生態(tài)地境理論.不同的草地利用單元在地形、植被、土壤和生態(tài)過(guò)程的綜合作用下，植物群落或生產(chǎn)力存在較大差異，這使得草地利用和管理方式截然不同.我國(guó)傳統(tǒng)的草地類(lèi)型分類(lèi)主要考慮草地的利用現(xiàn)狀，很少?gòu)臐撛谛猿霭l(fā)管理草地，草地利用單元的提出彌補(bǔ)了這一點(diǎn).狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型通常與草地利用單元并用，表示草地植物群落所處的狀態(tài)退化與否，可預(yù)測(cè)植物群落的發(fā)展趨勢(shì).因此，合理劃分草地利用單元對(duì)揭示草地植被的形成、發(fā)展、演替規(guī)律，以及科學(xué)、有效地進(jìn)行草地資源利用和管理具有重要意義.
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就草地利用單元?jiǎng)澐诌M(jìn)行了大量的研究[8-12]，其研究思路基本相同，主要依據(jù)地形、土壤、植被等因素進(jìn)行大、中尺度的草地生態(tài)系統(tǒng)利用單元的劃分，但對(duì)于小尺度，如家庭牧場(chǎng)這一經(jīng)營(yíng)形式下的研究甚少.家庭牧場(chǎng)作為草原畜牧業(yè)生產(chǎn)的基本單位，其放牧方式以定居式連續(xù)放牧為主[13].目前，草畜矛盾的不斷加劇成為制約草原畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的阻力[14]，只有大力發(fā)展以家庭牧場(chǎng)為主的集約化經(jīng)營(yíng)模式，才能使牧民的生活水平和質(zhì)量得到提高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)牧區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.
作為草地資源調(diào)查的重要手段，遙感和GIS技術(shù)可完成草地資源信息的提取和草地資源圖的編制[15]，高分辨率遙感影像在小尺度(如家庭牧場(chǎng))的應(yīng)用能為草地資源調(diào)查和監(jiān)測(cè)提供更高精度的數(shù)據(jù)支持.為此，本研究選取呼倫貝爾市境內(nèi)的典型家庭牧場(chǎng)，采用高分辨率遙感影像ALOS和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法，對(duì)家庭牧場(chǎng)尺度的草地進(jìn)行了利用單元?jiǎng)澐?，旨在探索合理的劃分方法，為家庭牧?chǎng)尺度草地現(xiàn)狀評(píng)估、制定合理利用方案和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)，同時(shí)為時(shí)間序列上的草地變化監(jiān)測(cè)以及比較分析奠定基礎(chǔ).
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
實(shí)驗(yàn)地選擇內(nèi)蒙古呼倫貝爾市謝爾塔拉鎮(zhèn)和陳巴爾虎旗境內(nèi)的家庭牧場(chǎng)，地理位置為北緯49°14′52″～49°29′50″、東經(jīng)119°0′11″～120°5′47″，海拔592～714 m.實(shí)驗(yàn)區(qū)土地面積4 190 hm2，草場(chǎng)占96.3%；氣候?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶詺夂颍昃鶜鉁?3～-1℃，年均降水量385 mm，主要集中在6—8月；土壤為暗栗鈣土，質(zhì)地為壤質(zhì)土；植被類(lèi)型為以羊草(Leymuschinensis)和貝加爾針茅(Stipabaicalensis)為主的草甸草原以及小面積的低濕地草甸.
1.2 數(shù)據(jù)與處理
在實(shí)驗(yàn)地選取10個(gè)典型家庭牧場(chǎng)，標(biāo)記為1—10號(hào)，分布于草甸草原區(qū)(1—10號(hào))和小面積的低濕地草甸區(qū)(5號(hào)牧場(chǎng)的北部區(qū)域).為了對(duì)草地進(jìn)行利用單元?jiǎng)澐?，本研究需收集地形、植被、土壤?shù)據(jù).地形數(shù)據(jù)選取ASTER可見(jiàn)光近紅外(VNIR)子系統(tǒng)生成的DEM數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)的高程和坡度.植被數(shù)據(jù)的采集于2011年7月進(jìn)行，在每戶牧場(chǎng)隨機(jī)選取5個(gè)1 m×1 m的樣方并記錄GPS信息；統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)物種數(shù)；測(cè)定物種高度、蓋度、密度；所有植物齊地面剪下，分種記錄鮮重，帶回實(shí)驗(yàn)室65℃烘至恒重后，稱其干重.這些指標(biāo)的測(cè)定用于植物重要值的分析.同時(shí)，在每個(gè)牧場(chǎng)有代表性的地段取1個(gè)土壤剖面，按發(fā)生層自下而上逐層采樣，測(cè)定土壤厚度、結(jié)構(gòu).在各層最典型的中部位置取1 kg的土樣，放入樣品袋，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值，每個(gè)樣品重復(fù)3次.其中的影像數(shù)據(jù)處理采用ERDAS Imagine8.3和Arcgis9.3軟件進(jìn)行，土壤數(shù)據(jù)處理采用SPSS13.0軟件進(jìn)行.
1.3 草地利用單元的劃分方法
為了家庭牧場(chǎng)草地利用單元的劃分及制圖，采用2010年6月26日和9月9日的ALOS衛(wèi)星多光譜(分辨率為10.0 m)和全色(分辨率為2.5 m)共4幅Level1B1級(jí)影像數(shù)據(jù).對(duì)影像進(jìn)行幾何精校正、圖像配準(zhǔn)和融合等操作后，最終獲取了研究區(qū)2.5 m分辨率的融合影像.其中空間變換選用二次多項(xiàng)式變換，圖像重采樣選用雙線性內(nèi)插法，圖像融合采用主成分分析法.
本研究根據(jù)Bestelmeyer等[16]、Moseley等[11]的方法劃分草地利用單元，命名采用連續(xù)命名法[7]，即地形在前，土屬在中，植被群叢組最后(用“-”連接).結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，采用目視解譯與野外調(diào)查相結(jié)合的方法提取草地信息，根據(jù)土地類(lèi)型分類(lèi)[17]，將研究區(qū)分為草地與非草地(將耕地、河流、道路和裸地合并為非草地)；結(jié)合野外調(diào)查以及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定每個(gè)牧場(chǎng)內(nèi)的植物群叢，為狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型的構(gòu)建提供依據(jù)；對(duì)已勾繪的圖斑添加屬性信息，同時(shí)借助外業(yè)調(diào)查對(duì)每個(gè)圖斑進(jìn)行實(shí)地核實(shí)，對(duì)遺漏圖斑進(jìn)行補(bǔ)充并修改圖形數(shù)據(jù)和屬性信息.依據(jù)數(shù)據(jù)的綜合分析，最終確定草地利用單元的名稱.與此同時(shí)，進(jìn)行各地類(lèi)的結(jié)果上圖和面積統(tǒng)計(jì).
本研究采用Stringham[7]的方法構(gòu)建研究區(qū)狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型.模型主要由大、小方框，實(shí)、虛線構(gòu)成：小方框代表單獨(dú)的植物群落或群叢；大方框代表不同的生態(tài)狀態(tài)，其在群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)過(guò)程(如侵蝕等)進(jìn)化中存在較大差異；虛線表示群落之間轉(zhuǎn)移的通道，通過(guò)措施的促進(jìn)和氣候波動(dòng)，轉(zhuǎn)移可逆；實(shí)線表示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，只有通過(guò)加速性措施(如播種、灌叢控制或者額外的土壤添加)轉(zhuǎn)換才可逆，且需花費(fèi)大量的物力.
2 結(jié)果與分析
2.1 調(diào)查數(shù)據(jù)分析
2.1.1 地形數(shù)據(jù)
從圖1和圖2可知，該區(qū)高程差異不大，大部分地區(qū)坡度小于5°，地形較平坦，屬于高平原.5號(hào)牧場(chǎng)最北部海拔小于610 m，屬于低地灘地；此外，8號(hào)牧場(chǎng)中部海拔雖然高于670 m，但因其坡度較平緩，也屬于高平原.綜上所述，該區(qū)地形為高平原和低地灘地.
圖1 家庭牧場(chǎng)及周邊區(qū)域高程圖
圖2 家庭牧場(chǎng)及周邊區(qū)域坡度圖
2.1.2 土壤剖面特征
從表1可知，除7號(hào)牧場(chǎng)以外，各牧場(chǎng)土壤均由3層構(gòu)成，即腐殖質(zhì)層(0～62 cm)、淋溶層(42～85 cm)和淀積層(68～110 cm).土壤結(jié)構(gòu)以粒狀結(jié)構(gòu)為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度的增加而下降，且主要集中在腐殖質(zhì)層；其中1—5和9號(hào)牧場(chǎng)土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，均大于17.2 g/kg，其余牧場(chǎng)在13.4～15.12 g/kg之間，最低分布于6—7號(hào)牧場(chǎng)，為13.4 g/kg，；各牧場(chǎng)有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著差異.各牧場(chǎng)表層土壤pH值隨著土壤深度的增加均有所上升，且腐殖質(zhì)層pH值主要在6～7之間，6號(hào)和10號(hào)牧場(chǎng)除外，各牧場(chǎng)土壤pH值無(wú)顯著差異.經(jīng)綜合判定，該研究區(qū)土壤在分層、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、pH值等方面均表現(xiàn)出一致性，各牧場(chǎng)土壤是相似的.
表1 不同家庭牧場(chǎng)土壤剖面特征
注：表中方差分析結(jié)果顯著水平為P<0.05.
2.1.3 植被特征
以各物種的重要值對(duì)每個(gè)牧場(chǎng)的植被類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn)，所選10個(gè)家庭牧場(chǎng)存在4種植物群叢，按牧場(chǎng)序號(hào)排列為：羊草+貝加爾針茅+寸草苔群叢(1—5號(hào)牧場(chǎng))、羊草+糙隱子草+寸草苔群叢(6號(hào)牧場(chǎng))、糙隱子草+寸草苔群叢(7—8號(hào)牧場(chǎng))、羊草+寸草苔群叢(9—10號(hào)牧場(chǎng)).此外，在5號(hào)牧場(chǎng)低地灘地上分布的低濕地草甸內(nèi)，為灰脈苔草+委陵菜群叢(5號(hào)牧場(chǎng)).因此，研究區(qū)植被主要可分為兩種類(lèi)型：一種為羊草+貝加爾針茅草甸草原；另一種為灰脈苔草+委陵菜低濕地草甸.
續(xù)表2
2.2 草地利用單元的劃分
研究區(qū)10個(gè)家庭牧場(chǎng)可分為2種利用單元：一種是高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅利用單元；另一種是低地灘地-草甸土-灰脈苔草+委陵菜利用單元.
2.2.1 高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅草地利用單元
該利用單元廣泛分布于研究區(qū)，面積為3 966 hm2，占整個(gè)草地的98%.它包括4個(gè)植物群叢，歷史資料表明，它們屬于羊草+貝加爾針茅+苔草群叢的不同退化階段，其參考群叢為羊草+貝加爾針茅+寸草苔，如按演替的先后順序在各自牧場(chǎng)排列為：
羊草+貝加爾針茅+寸草苔群叢(1—5號(hào))→羊草+寸草苔群叢(9—10號(hào))→羊草+糙隱子草+寸草苔群叢(6號(hào))→糙隱子草+寸草苔群叢(7—8號(hào)).
羊草+貝加爾針茅+寸草苔群叢分布于陳巴爾虎旗境內(nèi)的1—5號(hào)牧場(chǎng)，面積為1 671 hm2，占整個(gè)草地的41%(見(jiàn)圖3、圖4).從表2可知，本群叢中除了羊草、貝加爾針茅和寸草苔以外，糙隱子草、早熟禾等叢生小禾草也占有較大比例.伴生植物有變蒿、野韭、柴胡、麻花頭等，多以中旱生雜類(lèi)草為主.群落總蓋度為42.85%，草層一般高度為10～30 cm.種類(lèi)組成較為豐富，5個(gè)1 m2樣方中出現(xiàn)的植物有20余種，群落產(chǎn)草量為1 040 kg/hm2.該類(lèi)型草場(chǎng)附近有道路，周?chē)用顸c(diǎn)少，草地產(chǎn)量高，草地基況最好，是優(yōu)質(zhì)的放牧場(chǎng)和打草場(chǎng)，在8月中下旬結(jié)實(shí)季節(jié)，應(yīng)另選草場(chǎng)放牧，以避免芒針對(duì)家畜的危害.
圖3 1—4號(hào)家庭牧場(chǎng)草地利用單元
圖4 5—6號(hào)家庭牧場(chǎng)草地利用單元
羊草+寸草苔群叢位于謝爾塔拉鎮(zhèn)和陳巴爾虎旗境內(nèi)的9—10號(hào)牧場(chǎng)，面積為972 hm2，占草地總面積的24%(見(jiàn)圖5).本群叢中羊草和寸草苔是建群種，此外，糙隱子草、洽草等叢生小禾草的比例有所下降，下降最為明顯的是糙隱子草.伴生植物有變蒿、二裂委陵菜、雙齒蔥等.群落總蓋度為40.66%，草層一般高度為10～17 cm.種類(lèi)組成較豐富，5個(gè)1 m2樣方中出現(xiàn)的植物有30余種，群落產(chǎn)草量為500 kg/hm2.海拉爾河位于該草場(chǎng)南部，且有道路穿過(guò)草地.由于牲畜頻繁往返河邊飲水，以及交通線路密集等原因?qū)е虏莸禺a(chǎn)量較低，草地出現(xiàn)一定程度的退化，公路兩邊更為明顯.
羊草+糙隱子草+寸草苔群叢位于陳巴爾虎旗境內(nèi)的6號(hào)牧場(chǎng)，面積為465 hm2，占草地總面積的12%(見(jiàn)圖4).本群叢的羊草、糙隱子草明顯少于前兩種群叢，而寸草苔遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于前兩種群叢，叢生小禾草消失，出現(xiàn)二裂委陵菜、扁蓿豆、蒲公英、變蒿等旱生雜類(lèi)草和小半灌木.群落總蓋度為22.9%，草層一般高度為3～6.25 cm.種類(lèi)組成較貧乏，植被出現(xiàn)明顯的退化現(xiàn)象，5個(gè)1 m2樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物只有12種，群落產(chǎn)草量為533 kg/hm2.草場(chǎng)東部有小鎮(zhèn)，南部開(kāi)礦，草地破壞嚴(yán)重，并不斷造成草場(chǎng)大面積污染，大大減少了群落種類(lèi)組成和產(chǎn)量，應(yīng)有效控制放牧強(qiáng)度.
糙隱子草+寸草苔群叢位于謝爾塔拉鎮(zhèn)的7—8號(hào)牧場(chǎng)，面積為858 hm2，占草地總面積的 21%(見(jiàn)圖5).本群叢中糙隱子草和寸草苔的優(yōu)勢(shì)地位高于羊草，是建群種；也出現(xiàn)了變蒿、菊葉委陵菜、二裂委陵菜、麻花頭、細(xì)葉白頭翁等耐旱的旱生雜類(lèi)草；此外，還出現(xiàn)以冷蒿為代表的旱生小灌木層.這說(shuō)明本群落旱生強(qiáng)度增強(qiáng)，草地退化程度嚴(yán)重.群落總蓋度為32%，草層一般高度為2.4～7.6 cm.5個(gè)1 m2樣方中出現(xiàn)的植物約32種，群落產(chǎn)草量為500 kg/ hm2.草場(chǎng)西部為謝爾塔拉鎮(zhèn)，南部為海拉爾河，草場(chǎng)北部與公路毗鄰，由于牲畜往返飲水踐踏嚴(yán)重、周?chē)用顸c(diǎn)集中、附近交通線路密集等原因，草地嚴(yán)重退化，草地基況最差，必須對(duì)其放牧強(qiáng)度和放牧?xí)r間進(jìn)行有效管理.
2.2.2 低地灘地-草甸土-灰脈苔草+委陵菜草地利用單元
該利用單元位于陳巴爾虎旗境內(nèi)的5號(hào)牧場(chǎng)北部，面積只有70 hm2，占草地總面積的2%(見(jiàn)圖4).本群落中濕生植物較多，灰脈苔草和委陵菜是建群種；此外還有突節(jié)老鸛草、無(wú)芒雀麥、艾蒿等雜類(lèi)草.群落總蓋度為82.7%，草層一般高度為15～40 cm.5個(gè)1 m2樣方中出現(xiàn)的植物約有10種.該類(lèi)型利用單元雖然所占比例很小，但由于地形低洼，加之河流穿梭于草地，導(dǎo)致地下水位較高，植物生長(zhǎng)茂密，適合大畜放牧.
圖5 7—10號(hào)家庭牧場(chǎng)草地利用單元
2.3 狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型的建立
圖6 第一種利用單元的狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型
在高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅草地利用單元中有2種生態(tài)狀態(tài)(見(jiàn)圖6)，分別為羊草占優(yōu)和羊草退化的生態(tài)狀態(tài).羊草占優(yōu)勢(shì)的生態(tài)狀態(tài)包括羊草+貝加爾針茅+寸草苔、羊草+寸草苔和羊草+糙隱子草+寸草苔等3個(gè)群叢，三者間會(huì)發(fā)生可逆性轉(zhuǎn)移；羊草退化的生態(tài)狀態(tài)只有一個(gè)群叢，即糙隱子草+寸草苔群叢.該狀態(tài)與上一狀態(tài)相比，羊草退化現(xiàn)象非常明顯，其優(yōu)勢(shì)度明顯下降，優(yōu)勢(shì)植物由糙隱子草和寸草苔所取代.兩個(gè)不同生態(tài)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由1a和1b連接，1a是由土壤肥力，如土壤有機(jī)質(zhì)含量下降導(dǎo)致羊草退化的現(xiàn)象；1b主要指草地恢復(fù)性措施，如圍封、降低放牧強(qiáng)度或禁牧等.
3 討論
草地利用單元通常與狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型并用，從長(zhǎng)期利用的角度考慮，有利于草地的經(jīng)營(yíng)、管理、評(píng)價(jià)、恢復(fù)和保護(hù).北美學(xué)者所運(yùn)用的分類(lèi)體系是在結(jié)合原有土地利用分類(lèi)和土壤分類(lèi)的基礎(chǔ)上劃分草地利用單元[1,12]，其植被數(shù)據(jù)可以追溯到50年前甚至更遠(yuǎn)[18-19]，從而便于狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型的建立.但是我國(guó)的研究在分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以及在植被、土壤數(shù)據(jù)的可獲取性等諸多方面存在差異，且國(guó)內(nèi)研究主要以定性描述為主.因此本研究沒(méi)有直接引用其劃分標(biāo)準(zhǔn)，但基本思路和方法仍采用了北美學(xué)者的理論觀點(diǎn).
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也引用此概念對(duì)不同草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了利用單元?jiǎng)澐值难芯?通過(guò)對(duì)呼倫貝爾市謝爾塔拉鎮(zhèn)附近的草甸草原的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)絕大部分地區(qū)在地形、土壤和植被特征上相似性很高，屬于同一利用單元.這與王明君等對(duì)呼倫貝爾草甸草原的不同退化強(qiáng)度草地屬于同一草地利用單元的研究結(jié)果相一致[9].同時(shí)，在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)將地形條件、土壤屬性以及植物群叢組上存在較大差異的草地劃分為兩種利用單元，這與紅梅等[8]、高安社等[10]對(duì)大尺度草地生態(tài)系統(tǒng)的草地地境劃分結(jié)果一致.與前人研究結(jié)果不同的是，本研究在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用高分辨率遙感衛(wèi)星ALOS和GIS技術(shù)劃分了利用單元并完成了其制圖工作，在小尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了利用單元的可視化表達(dá)，在劃分方法上是一種新的嘗試.然而，草地利用單元制圖與草地類(lèi)型制圖有所區(qū)別，因狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型將中國(guó)草地類(lèi)型的草地型以不同的狀態(tài)加以表示，因而在實(shí)際應(yīng)用中，大大降低了草地利用單元的數(shù)量，這在本研究中有所體現(xiàn).同時(shí)，草地利用單元制圖又與中國(guó)的土地類(lèi)型制圖不同，前者針對(duì)土地分類(lèi)中的草地，依據(jù)所處的氣候、地形、土壤將其分為不同的利用單元；后者在《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》國(guó)標(biāo)中將草地分為天然牧草地、人工牧草地以及其他草地[17]，其類(lèi)型數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于草地利用單元.另外，對(duì)于狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型的建立，由于探討的是不同群叢所處的狀態(tài)，從而在確定群落演替梯度時(shí)僅用了建群種的重要值，而沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行其他分析.此外，今后有望在不同草地基況的較大尺度草原生態(tài)系統(tǒng)中運(yùn)用此方法，為草地健康等級(jí)的評(píng)價(jià)提供參考，因此，具有一定的推廣性.
在劃分草地利用單元的諸多因素中，本研究注重地形和土壤因素.由于草地所處的地形地貌、坡度、坡向影響著氣候、光照，進(jìn)一步影響土壤和水分的再分配，從而間接影響植被；而土壤是在漫長(zhǎng)的歲月中通過(guò)復(fù)雜的風(fēng)化和成土過(guò)程形成的[20]，Monger等[21]指出生態(tài)地境之間的差異是由土壤的形成過(guò)程決定的，且土壤類(lèi)型的變化要滯后于植被類(lèi)型的變化，所運(yùn)用的時(shí)間可達(dá)數(shù)十年甚至更長(zhǎng).因此，在本文中，羊草占優(yōu)勢(shì)狀態(tài)存在3種植物群叢，它們所處地段土壤一致，植被不同，但屬于同一種利用單元.
4 結(jié)論
(1) 研究區(qū)草地可劃分為兩種利用單元，第一種為廣泛分布于研究區(qū)的高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅單元，面積為3 966 hm2，占草地面積的98%；第二種為位于5號(hào)牧場(chǎng)北部的低地灘地-草甸土-灰脈苔草+委陵菜單元，面積為70 hm2，僅占草地面積的2%.
(2) 對(duì)高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅利用單元構(gòu)建的狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型表明其存在2種生態(tài)狀態(tài)：分別為羊草占優(yōu)勢(shì)和羊草退化的生態(tài)狀態(tài)，兩者可通過(guò)恢復(fù)性措施轉(zhuǎn)換.第一種生態(tài)狀態(tài)包括3個(gè)植物群叢，依據(jù)演替順序分別為羊草+貝加爾針茅+寸草苔、羊草+寸草苔、羊草+糙隱子草+寸草苔群叢；第二種生態(tài)狀態(tài)中只有1個(gè)植物群叢，為糙隱子草+寸草苔群落群叢.兩種狀態(tài)所占比例分別為77%和21%，表明該區(qū)草地退化程度較低，通過(guò)一定的恢復(fù)措施可轉(zhuǎn)換為羊草占優(yōu)勢(shì)的生態(tài)狀態(tài).
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(責(zé)任編輯：方 林)
Division of ecological site based on high resolution image in family ranch scale
WU Lan1，HAN Guo-dong1，QIAO Jiang2，YUAN Qing2，YAN Rui-rui3，WANG Sa-ren-na1,4
(1. College of Ecology and Environment Science，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010019，China；2. Grassland Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Science，Hohhot 010010,China；3. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081,China；4. Inner Mongolia Key Laboratory of Remote Sensing and Geographic Information System，Hohhot 010022,China)
The reasonable utilization of grassland resource and optimal allocation of resource was conducted on family ranch scale. Xieertala Town of Hulunber City and Chenbarhu Banner are taken as the study region in this research，utilizing ALOS high resolution remote sensing image，GIS technology and field survey，the ecological site was developed. At the same time，the state-and-transition model was established. The results showed that，the study area was divided into two kinds of ecological sites. One was high plain-alluvium dark chestnut soil-Leymuschinensis+Stipabaicalensisand the area was 3 966 hm2，which accounted for 98% of the whole grassland ；The other was bottomland-meadow soil-Carexappendiculata+Potentillachinensisand the area was 70 hm2，that just accounted for 2%. There were two ecological states in the first kind of ecological site and one wasL.chinensisdominated state，the other wasL.chinensisdegraded ecological state. According to the succession theory，there were three plant communities inL.chinensisdominated state，includingL.chinensis+S.baicalensis+Carexduriuscula，L.chinensis+C.duriusculaandL.chinensis+Cleistogenessquarrosa+C.duriuscula. There was one plant community that was theC.squarrosa+C.duriusculainL.chinensisdegraded state. The area of two states was 77% and 21% respectively，which indicated that grassland degradation is not obvious in this region，and it was easier transformed toL.chinensisdominated state with some restoration.
ecological site；topography；vegetation；soil；ALOS；state-and-transition model
1000-1832(2014)04-0130-09
10.11672/dbsdzk2014-04-024
2014-04-05
科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD13B02)；教育部和內(nèi)蒙古草地資源可持續(xù)利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201003019)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011MS0607).
烏蘭(1985—)，女，蒙古族，博士研究生，主要從事草原遙感監(jiān)測(cè)和草地生態(tài)研究；通訊作者：韓國(guó)棟(1964—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事草地生態(tài)學(xué)研究.
S 812.8 [學(xué)科代碼] 230·2050
A
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烏 蘭，韓國(guó)棟，喬 江，袁 清，閆瑞瑞，王薩仁娜,4
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)
基于高分辨率影像的家庭牧場(chǎng)草地利用單元?jiǎng)澐?/p>
烏 蘭1，韓國(guó)棟1，喬 江2，袁 清2，閆瑞瑞3，王薩仁娜1,4
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)
利用高分辨率遙感影像ALOS和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法，對(duì)內(nèi)蒙古呼倫貝爾市境內(nèi)的典型家庭牧場(chǎng)進(jìn)行了草地利用單元?jiǎng)澐趾蜖顟B(tài)-轉(zhuǎn)換模型的構(gòu)建，在家庭牧場(chǎng)尺度上開(kāi)展了草地資源合理利用及資源優(yōu)化的配置研究.結(jié)果表明：研究區(qū)草地可劃分為兩種利用單元，第一種為廣泛分布于研究區(qū)的高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草(Leymuschinensis)+貝加爾針茅(Stipabaicalensis)草地單元，占草地面積的98%；第二種為位于5號(hào)牧場(chǎng)北部的低地灘地-草甸土-灰脈苔草(Carexappendiculata)+委陵菜(Potentillachinensis)草地單元，僅占草地面積的2%.第一種草地利用單元的狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型存在羊草占優(yōu)勢(shì)和羊草退化的兩個(gè)生態(tài)狀態(tài)，依據(jù)演替順序，第一個(gè)生態(tài)狀態(tài)包括3個(gè)植物群叢，分別為羊草+貝加爾針茅+寸草苔(Carexduriuscula)、羊草+寸草苔、羊草+糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)+寸草苔群落，面積占77%；第二個(gè)生態(tài)狀態(tài)只有糙隱子草+寸草苔1個(gè)群叢，面積占21%.說(shuō)明該區(qū)草地退化狀態(tài)不是很明顯，通過(guò)一定的恢復(fù)措施可較易轉(zhuǎn)換為羊草占優(yōu)勢(shì)的生態(tài)狀態(tài).
草地利用單元；地形；植被；土壤；ALOS；狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型
草地利用單元又稱生態(tài)地境，是為統(tǒng)一管理草地而提出的生態(tài)分類(lèi)單元，是在特定氣候、地貌、土壤特征下形成的具有特定種類(lèi)植被的地段，會(huì)對(duì)管理措施(如放牧、火燒)和自然干擾(如干旱、洪水)做出響應(yīng)[1-2].其發(fā)展大致經(jīng)歷了地境、草地地境和生態(tài)地境3個(gè)階段[3].地境也叫立地，是指森林或其他植被類(lèi)型生存的空間及其相關(guān)的自然因子的綜合[4]，最早運(yùn)用在林學(xué)領(lǐng)域，是森林群落管理的基礎(chǔ)；之后，逐漸被應(yīng)用到草地頂級(jí)植物群落研究中；目前，為了解決以Dyksterhuis的演替-退化模型[5]為代表的傳統(tǒng)頂級(jí)演替模型在應(yīng)用中的局限性，以更好地揭示草地生態(tài)系統(tǒng)的非平衡性[6]，引入了狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型[7]，從而形成了生態(tài)地境理論.不同的草地利用單元在地形、植被、土壤和生態(tài)過(guò)程的綜合作用下，植物群落或生產(chǎn)力存在較大差異，這使得草地利用和管理方式截然不同.我國(guó)傳統(tǒng)的草地類(lèi)型分類(lèi)主要考慮草地的利用現(xiàn)狀，很少?gòu)臐撛谛猿霭l(fā)管理草地，草地利用單元的提出彌補(bǔ)了這一點(diǎn).狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型通常與草地利用單元并用，表示草地植物群落所處的狀態(tài)退化與否，可預(yù)測(cè)植物群落的發(fā)展趨勢(shì).因此，合理劃分草地利用單元對(duì)揭示草地植被的形成、發(fā)展、演替規(guī)律，以及科學(xué)、有效地進(jìn)行草地資源利用和管理具有重要意義.
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就草地利用單元?jiǎng)澐诌M(jìn)行了大量的研究[8-12]，其研究思路基本相同，主要依據(jù)地形、土壤、植被等因素進(jìn)行大、中尺度的草地生態(tài)系統(tǒng)利用單元的劃分，但對(duì)于小尺度，如家庭牧場(chǎng)這一經(jīng)營(yíng)形式下的研究甚少.家庭牧場(chǎng)作為草原畜牧業(yè)生產(chǎn)的基本單位，其放牧方式以定居式連續(xù)放牧為主[13].目前，草畜矛盾的不斷加劇成為制約草原畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的阻力[14]，只有大力發(fā)展以家庭牧場(chǎng)為主的集約化經(jīng)營(yíng)模式，才能使牧民的生活水平和質(zhì)量得到提高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)牧區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.
作為草地資源調(diào)查的重要手段，遙感和GIS技術(shù)可完成草地資源信息的提取和草地資源圖的編制[15]，高分辨率遙感影像在小尺度(如家庭牧場(chǎng))的應(yīng)用能為草地資源調(diào)查和監(jiān)測(cè)提供更高精度的數(shù)據(jù)支持.為此，本研究選取呼倫貝爾市境內(nèi)的典型家庭牧場(chǎng)，采用高分辨率遙感影像ALOS和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法，對(duì)家庭牧場(chǎng)尺度的草地進(jìn)行了利用單元?jiǎng)澐?，旨在探索合理的劃分方法，為家庭牧?chǎng)尺度草地現(xiàn)狀評(píng)估、制定合理利用方案和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)，同時(shí)為時(shí)間序列上的草地變化監(jiān)測(cè)以及比較分析奠定基礎(chǔ).
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
實(shí)驗(yàn)地選擇內(nèi)蒙古呼倫貝爾市謝爾塔拉鎮(zhèn)和陳巴爾虎旗境內(nèi)的家庭牧場(chǎng)，地理位置為北緯49°14′52″～49°29′50″、東經(jīng)119°0′11″～120°5′47″，海拔592～714 m.實(shí)驗(yàn)區(qū)土地面積4 190 hm2，草場(chǎng)占96.3%；氣候?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶詺夂颍昃鶜鉁?3～-1℃，年均降水量385 mm，主要集中在6—8月；土壤為暗栗鈣土，質(zhì)地為壤質(zhì)土；植被類(lèi)型為以羊草(Leymuschinensis)和貝加爾針茅(Stipabaicalensis)為主的草甸草原以及小面積的低濕地草甸.
1.2 數(shù)據(jù)與處理
在實(shí)驗(yàn)地選取10個(gè)典型家庭牧場(chǎng)，標(biāo)記為1—10號(hào)，分布于草甸草原區(qū)(1—10號(hào))和小面積的低濕地草甸區(qū)(5號(hào)牧場(chǎng)的北部區(qū)域).為了對(duì)草地進(jìn)行利用單元?jiǎng)澐?，本研究需收集地形、植被、土壤?shù)據(jù).地形數(shù)據(jù)選取ASTER可見(jiàn)光近紅外(VNIR)子系統(tǒng)生成的DEM數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)的高程和坡度.植被數(shù)據(jù)的采集于2011年7月進(jìn)行，在每戶牧場(chǎng)隨機(jī)選取5個(gè)1 m×1 m的樣方并記錄GPS信息；統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)物種數(shù)；測(cè)定物種高度、蓋度、密度；所有植物齊地面剪下，分種記錄鮮重，帶回實(shí)驗(yàn)室65℃烘至恒重后，稱其干重.這些指標(biāo)的測(cè)定用于植物重要值的分析.同時(shí)，在每個(gè)牧場(chǎng)有代表性的地段取1個(gè)土壤剖面，按發(fā)生層自下而上逐層采樣，測(cè)定土壤厚度、結(jié)構(gòu).在各層最典型的中部位置取1 kg的土樣，放入樣品袋，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值，每個(gè)樣品重復(fù)3次.其中的影像數(shù)據(jù)處理采用ERDAS Imagine8.3和Arcgis9.3軟件進(jìn)行，土壤數(shù)據(jù)處理采用SPSS13.0軟件進(jìn)行.
1.3 草地利用單元的劃分方法
為了家庭牧場(chǎng)草地利用單元的劃分及制圖，采用2010年6月26日和9月9日的ALOS衛(wèi)星多光譜(分辨率為10.0 m)和全色(分辨率為2.5 m)共4幅Level1B1級(jí)影像數(shù)據(jù).對(duì)影像進(jìn)行幾何精校正、圖像配準(zhǔn)和融合等操作后，最終獲取了研究區(qū)2.5 m分辨率的融合影像.其中空間變換選用二次多項(xiàng)式變換，圖像重采樣選用雙線性內(nèi)插法，圖像融合采用主成分分析法.
本研究根據(jù)Bestelmeyer等[16]、Moseley等[11]的方法劃分草地利用單元，命名采用連續(xù)命名法[7]，即地形在前，土屬在中，植被群叢組最后(用“-”連接).結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，采用目視解譯與野外調(diào)查相結(jié)合的方法提取草地信息，根據(jù)土地類(lèi)型分類(lèi)[17]，將研究區(qū)分為草地與非草地(將耕地、河流、道路和裸地合并為非草地)；結(jié)合野外調(diào)查以及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定每個(gè)牧場(chǎng)內(nèi)的植物群叢，為狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型的構(gòu)建提供依據(jù)；對(duì)已勾繪的圖斑添加屬性信息，同時(shí)借助外業(yè)調(diào)查對(duì)每個(gè)圖斑進(jìn)行實(shí)地核實(shí)，對(duì)遺漏圖斑進(jìn)行補(bǔ)充并修改圖形數(shù)據(jù)和屬性信息.依據(jù)數(shù)據(jù)的綜合分析，最終確定草地利用單元的名稱.與此同時(shí)，進(jìn)行各地類(lèi)的結(jié)果上圖和面積統(tǒng)計(jì).
本研究采用Stringham[7]的方法構(gòu)建研究區(qū)狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型.模型主要由大、小方框，實(shí)、虛線構(gòu)成：小方框代表單獨(dú)的植物群落或群叢；大方框代表不同的生態(tài)狀態(tài)，其在群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)過(guò)程(如侵蝕等)進(jìn)化中存在較大差異；虛線表示群落之間轉(zhuǎn)移的通道，通過(guò)措施的促進(jìn)和氣候波動(dòng)，轉(zhuǎn)移可逆；實(shí)線表示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，只有通過(guò)加速性措施(如播種、灌叢控制或者額外的土壤添加)轉(zhuǎn)換才可逆，且需花費(fèi)大量的物力.
2 結(jié)果與分析
2.1 調(diào)查數(shù)據(jù)分析
2.1.1 地形數(shù)據(jù)
從圖1和圖2可知，該區(qū)高程差異不大，大部分地區(qū)坡度小于5°，地形較平坦，屬于高平原.5號(hào)牧場(chǎng)最北部海拔小于610 m，屬于低地灘地；此外，8號(hào)牧場(chǎng)中部海拔雖然高于670 m，但因其坡度較平緩，也屬于高平原.綜上所述，該區(qū)地形為高平原和低地灘地.
圖1 家庭牧場(chǎng)及周邊區(qū)域高程圖
圖2 家庭牧場(chǎng)及周邊區(qū)域坡度圖
2.1.2 土壤剖面特征
從表1可知，除7號(hào)牧場(chǎng)以外，各牧場(chǎng)土壤均由3層構(gòu)成，即腐殖質(zhì)層(0～62 cm)、淋溶層(42～85 cm)和淀積層(68～110 cm).土壤結(jié)構(gòu)以粒狀結(jié)構(gòu)為主，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度的增加而下降，且主要集中在腐殖質(zhì)層；其中1—5和9號(hào)牧場(chǎng)土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，均大于17.2 g/kg，其余牧場(chǎng)在13.4～15.12 g/kg之間，最低分布于6—7號(hào)牧場(chǎng)，為13.4 g/kg，；各牧場(chǎng)有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著差異.各牧場(chǎng)表層土壤pH值隨著土壤深度的增加均有所上升，且腐殖質(zhì)層pH值主要在6～7之間，6號(hào)和10號(hào)牧場(chǎng)除外，各牧場(chǎng)土壤pH值無(wú)顯著差異.經(jīng)綜合判定，該研究區(qū)土壤在分層、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、pH值等方面均表現(xiàn)出一致性，各牧場(chǎng)土壤是相似的.
表1 不同家庭牧場(chǎng)土壤剖面特征
注：表中方差分析結(jié)果顯著水平為P<0.05.
2.1.3 植被特征
以各物種的重要值對(duì)每個(gè)牧場(chǎng)的植被類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn)，所選10個(gè)家庭牧場(chǎng)存在4種植物群叢，按牧場(chǎng)序號(hào)排列為：羊草+貝加爾針茅+寸草苔群叢(1—5號(hào)牧場(chǎng))、羊草+糙隱子草+寸草苔群叢(6號(hào)牧場(chǎng))、糙隱子草+寸草苔群叢(7—8號(hào)牧場(chǎng))、羊草+寸草苔群叢(9—10號(hào)牧場(chǎng)).此外，在5號(hào)牧場(chǎng)低地灘地上分布的低濕地草甸內(nèi)，為灰脈苔草+委陵菜群叢(5號(hào)牧場(chǎng)).因此，研究區(qū)植被主要可分為兩種類(lèi)型：一種為羊草+貝加爾針茅草甸草原；另一種為灰脈苔草+委陵菜低濕地草甸.
續(xù)表2
2.2 草地利用單元的劃分
研究區(qū)10個(gè)家庭牧場(chǎng)可分為2種利用單元：一種是高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅利用單元；另一種是低地灘地-草甸土-灰脈苔草+委陵菜利用單元.
2.2.1 高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅草地利用單元
該利用單元廣泛分布于研究區(qū)，面積為3 966 hm2，占整個(gè)草地的98%.它包括4個(gè)植物群叢，歷史資料表明，它們屬于羊草+貝加爾針茅+苔草群叢的不同退化階段，其參考群叢為羊草+貝加爾針茅+寸草苔，如按演替的先后順序在各自牧場(chǎng)排列為：
羊草+貝加爾針茅+寸草苔群叢(1—5號(hào))→羊草+寸草苔群叢(9—10號(hào))→羊草+糙隱子草+寸草苔群叢(6號(hào))→糙隱子草+寸草苔群叢(7—8號(hào)).
羊草+貝加爾針茅+寸草苔群叢分布于陳巴爾虎旗境內(nèi)的1—5號(hào)牧場(chǎng)，面積為1 671 hm2，占整個(gè)草地的41%(見(jiàn)圖3、圖4).從表2可知，本群叢中除了羊草、貝加爾針茅和寸草苔以外，糙隱子草、早熟禾等叢生小禾草也占有較大比例.伴生植物有變蒿、野韭、柴胡、麻花頭等，多以中旱生雜類(lèi)草為主.群落總蓋度為42.85%，草層一般高度為10～30 cm.種類(lèi)組成較為豐富，5個(gè)1 m2樣方中出現(xiàn)的植物有20余種，群落產(chǎn)草量為1 040 kg/hm2.該類(lèi)型草場(chǎng)附近有道路，周?chē)用顸c(diǎn)少，草地產(chǎn)量高，草地基況最好，是優(yōu)質(zhì)的放牧場(chǎng)和打草場(chǎng)，在8月中下旬結(jié)實(shí)季節(jié)，應(yīng)另選草場(chǎng)放牧，以避免芒針對(duì)家畜的危害.
圖3 1—4號(hào)家庭牧場(chǎng)草地利用單元
圖4 5—6號(hào)家庭牧場(chǎng)草地利用單元
羊草+寸草苔群叢位于謝爾塔拉鎮(zhèn)和陳巴爾虎旗境內(nèi)的9—10號(hào)牧場(chǎng)，面積為972 hm2，占草地總面積的24%(見(jiàn)圖5).本群叢中羊草和寸草苔是建群種，此外，糙隱子草、洽草等叢生小禾草的比例有所下降，下降最為明顯的是糙隱子草.伴生植物有變蒿、二裂委陵菜、雙齒蔥等.群落總蓋度為40.66%，草層一般高度為10～17 cm.種類(lèi)組成較豐富，5個(gè)1 m2樣方中出現(xiàn)的植物有30余種，群落產(chǎn)草量為500 kg/hm2.海拉爾河位于該草場(chǎng)南部，且有道路穿過(guò)草地.由于牲畜頻繁往返河邊飲水，以及交通線路密集等原因?qū)е虏莸禺a(chǎn)量較低，草地出現(xiàn)一定程度的退化，公路兩邊更為明顯.
羊草+糙隱子草+寸草苔群叢位于陳巴爾虎旗境內(nèi)的6號(hào)牧場(chǎng)，面積為465 hm2，占草地總面積的12%(見(jiàn)圖4).本群叢的羊草、糙隱子草明顯少于前兩種群叢，而寸草苔遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于前兩種群叢，叢生小禾草消失，出現(xiàn)二裂委陵菜、扁蓿豆、蒲公英、變蒿等旱生雜類(lèi)草和小半灌木.群落總蓋度為22.9%，草層一般高度為3～6.25 cm.種類(lèi)組成較貧乏，植被出現(xiàn)明顯的退化現(xiàn)象，5個(gè)1 m2樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物只有12種，群落產(chǎn)草量為533 kg/hm2.草場(chǎng)東部有小鎮(zhèn)，南部開(kāi)礦，草地破壞嚴(yán)重，并不斷造成草場(chǎng)大面積污染，大大減少了群落種類(lèi)組成和產(chǎn)量，應(yīng)有效控制放牧強(qiáng)度.
糙隱子草+寸草苔群叢位于謝爾塔拉鎮(zhèn)的7—8號(hào)牧場(chǎng)，面積為858 hm2，占草地總面積的 21%(見(jiàn)圖5).本群叢中糙隱子草和寸草苔的優(yōu)勢(shì)地位高于羊草，是建群種；也出現(xiàn)了變蒿、菊葉委陵菜、二裂委陵菜、麻花頭、細(xì)葉白頭翁等耐旱的旱生雜類(lèi)草；此外，還出現(xiàn)以冷蒿為代表的旱生小灌木層.這說(shuō)明本群落旱生強(qiáng)度增強(qiáng)，草地退化程度嚴(yán)重.群落總蓋度為32%，草層一般高度為2.4～7.6 cm.5個(gè)1 m2樣方中出現(xiàn)的植物約32種，群落產(chǎn)草量為500 kg/ hm2.草場(chǎng)西部為謝爾塔拉鎮(zhèn)，南部為海拉爾河，草場(chǎng)北部與公路毗鄰，由于牲畜往返飲水踐踏嚴(yán)重、周?chē)用顸c(diǎn)集中、附近交通線路密集等原因，草地嚴(yán)重退化，草地基況最差，必須對(duì)其放牧強(qiáng)度和放牧?xí)r間進(jìn)行有效管理.
2.2.2 低地灘地-草甸土-灰脈苔草+委陵菜草地利用單元
該利用單元位于陳巴爾虎旗境內(nèi)的5號(hào)牧場(chǎng)北部，面積只有70 hm2，占草地總面積的2%(見(jiàn)圖4).本群落中濕生植物較多，灰脈苔草和委陵菜是建群種；此外還有突節(jié)老鸛草、無(wú)芒雀麥、艾蒿等雜類(lèi)草.群落總蓋度為82.7%，草層一般高度為15～40 cm.5個(gè)1 m2樣方中出現(xiàn)的植物約有10種.該類(lèi)型利用單元雖然所占比例很小，但由于地形低洼，加之河流穿梭于草地，導(dǎo)致地下水位較高，植物生長(zhǎng)茂密，適合大畜放牧.
圖5 7—10號(hào)家庭牧場(chǎng)草地利用單元
2.3 狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型的建立
圖6 第一種利用單元的狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型
在高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅草地利用單元中有2種生態(tài)狀態(tài)(見(jiàn)圖6)，分別為羊草占優(yōu)和羊草退化的生態(tài)狀態(tài).羊草占優(yōu)勢(shì)的生態(tài)狀態(tài)包括羊草+貝加爾針茅+寸草苔、羊草+寸草苔和羊草+糙隱子草+寸草苔等3個(gè)群叢，三者間會(huì)發(fā)生可逆性轉(zhuǎn)移；羊草退化的生態(tài)狀態(tài)只有一個(gè)群叢，即糙隱子草+寸草苔群叢.該狀態(tài)與上一狀態(tài)相比，羊草退化現(xiàn)象非常明顯，其優(yōu)勢(shì)度明顯下降，優(yōu)勢(shì)植物由糙隱子草和寸草苔所取代.兩個(gè)不同生態(tài)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由1a和1b連接，1a是由土壤肥力，如土壤有機(jī)質(zhì)含量下降導(dǎo)致羊草退化的現(xiàn)象；1b主要指草地恢復(fù)性措施，如圍封、降低放牧強(qiáng)度或禁牧等.
3 討論
草地利用單元通常與狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型并用，從長(zhǎng)期利用的角度考慮，有利于草地的經(jīng)營(yíng)、管理、評(píng)價(jià)、恢復(fù)和保護(hù).北美學(xué)者所運(yùn)用的分類(lèi)體系是在結(jié)合原有土地利用分類(lèi)和土壤分類(lèi)的基礎(chǔ)上劃分草地利用單元[1,12]，其植被數(shù)據(jù)可以追溯到50年前甚至更遠(yuǎn)[18-19]，從而便于狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型的建立.但是我國(guó)的研究在分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以及在植被、土壤數(shù)據(jù)的可獲取性等諸多方面存在差異，且國(guó)內(nèi)研究主要以定性描述為主.因此本研究沒(méi)有直接引用其劃分標(biāo)準(zhǔn)，但基本思路和方法仍采用了北美學(xué)者的理論觀點(diǎn).
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也引用此概念對(duì)不同草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了利用單元?jiǎng)澐值难芯?通過(guò)對(duì)呼倫貝爾市謝爾塔拉鎮(zhèn)附近的草甸草原的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)絕大部分地區(qū)在地形、土壤和植被特征上相似性很高，屬于同一利用單元.這與王明君等對(duì)呼倫貝爾草甸草原的不同退化強(qiáng)度草地屬于同一草地利用單元的研究結(jié)果相一致[9].同時(shí)，在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)將地形條件、土壤屬性以及植物群叢組上存在較大差異的草地劃分為兩種利用單元，這與紅梅等[8]、高安社等[10]對(duì)大尺度草地生態(tài)系統(tǒng)的草地地境劃分結(jié)果一致.與前人研究結(jié)果不同的是，本研究在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用高分辨率遙感衛(wèi)星ALOS和GIS技術(shù)劃分了利用單元并完成了其制圖工作，在小尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了利用單元的可視化表達(dá)，在劃分方法上是一種新的嘗試.然而，草地利用單元制圖與草地類(lèi)型制圖有所區(qū)別，因狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型將中國(guó)草地類(lèi)型的草地型以不同的狀態(tài)加以表示，因而在實(shí)際應(yīng)用中，大大降低了草地利用單元的數(shù)量，這在本研究中有所體現(xiàn).同時(shí)，草地利用單元制圖又與中國(guó)的土地類(lèi)型制圖不同，前者針對(duì)土地分類(lèi)中的草地，依據(jù)所處的氣候、地形、土壤將其分為不同的利用單元；后者在《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》國(guó)標(biāo)中將草地分為天然牧草地、人工牧草地以及其他草地[17]，其類(lèi)型數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于草地利用單元.另外，對(duì)于狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型的建立，由于探討的是不同群叢所處的狀態(tài)，從而在確定群落演替梯度時(shí)僅用了建群種的重要值，而沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行其他分析.此外，今后有望在不同草地基況的較大尺度草原生態(tài)系統(tǒng)中運(yùn)用此方法，為草地健康等級(jí)的評(píng)價(jià)提供參考，因此，具有一定的推廣性.
在劃分草地利用單元的諸多因素中，本研究注重地形和土壤因素.由于草地所處的地形地貌、坡度、坡向影響著氣候、光照，進(jìn)一步影響土壤和水分的再分配，從而間接影響植被；而土壤是在漫長(zhǎng)的歲月中通過(guò)復(fù)雜的風(fēng)化和成土過(guò)程形成的[20]，Monger等[21]指出生態(tài)地境之間的差異是由土壤的形成過(guò)程決定的，且土壤類(lèi)型的變化要滯后于植被類(lèi)型的變化，所運(yùn)用的時(shí)間可達(dá)數(shù)十年甚至更長(zhǎng).因此，在本文中，羊草占優(yōu)勢(shì)狀態(tài)存在3種植物群叢，它們所處地段土壤一致，植被不同，但屬于同一種利用單元.
4 結(jié)論
(1) 研究區(qū)草地可劃分為兩種利用單元，第一種為廣泛分布于研究區(qū)的高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅單元，面積為3 966 hm2，占草地面積的98%；第二種為位于5號(hào)牧場(chǎng)北部的低地灘地-草甸土-灰脈苔草+委陵菜單元，面積為70 hm2，僅占草地面積的2%.
(2) 對(duì)高平原-沖積物暗栗鈣土-羊草+貝加爾針茅利用單元構(gòu)建的狀態(tài)-轉(zhuǎn)換模型表明其存在2種生態(tài)狀態(tài)：分別為羊草占優(yōu)勢(shì)和羊草退化的生態(tài)狀態(tài)，兩者可通過(guò)恢復(fù)性措施轉(zhuǎn)換.第一種生態(tài)狀態(tài)包括3個(gè)植物群叢，依據(jù)演替順序分別為羊草+貝加爾針茅+寸草苔、羊草+寸草苔、羊草+糙隱子草+寸草苔群叢；第二種生態(tài)狀態(tài)中只有1個(gè)植物群叢，為糙隱子草+寸草苔群落群叢.兩種狀態(tài)所占比例分別為77%和21%，表明該區(qū)草地退化程度較低，通過(guò)一定的恢復(fù)措施可轉(zhuǎn)換為羊草占優(yōu)勢(shì)的生態(tài)狀態(tài).
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(責(zé)任編輯：方 林)
Division of ecological site based on high resolution image in family ranch scale
WU Lan1，HAN Guo-dong1，QIAO Jiang2，YUAN Qing2，YAN Rui-rui3，WANG Sa-ren-na1,4
(1. College of Ecology and Environment Science，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010019，China；2. Grassland Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Science，Hohhot 010010,China；3. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081,China；4. Inner Mongolia Key Laboratory of Remote Sensing and Geographic Information System，Hohhot 010022,China)
The reasonable utilization of grassland resource and optimal allocation of resource was conducted on family ranch scale. Xieertala Town of Hulunber City and Chenbarhu Banner are taken as the study region in this research，utilizing ALOS high resolution remote sensing image，GIS technology and field survey，the ecological site was developed. At the same time，the state-and-transition model was established. The results showed that，the study area was divided into two kinds of ecological sites. One was high plain-alluvium dark chestnut soil-Leymuschinensis+Stipabaicalensisand the area was 3 966 hm2，which accounted for 98% of the whole grassland ；The other was bottomland-meadow soil-Carexappendiculata+Potentillachinensisand the area was 70 hm2，that just accounted for 2%. There were two ecological states in the first kind of ecological site and one wasL.chinensisdominated state，the other wasL.chinensisdegraded ecological state. According to the succession theory，there were three plant communities inL.chinensisdominated state，includingL.chinensis+S.baicalensis+Carexduriuscula，L.chinensis+C.duriusculaandL.chinensis+Cleistogenessquarrosa+C.duriuscula. There was one plant community that was theC.squarrosa+C.duriusculainL.chinensisdegraded state. The area of two states was 77% and 21% respectively，which indicated that grassland degradation is not obvious in this region，and it was easier transformed toL.chinensisdominated state with some restoration.
ecological site；topography；vegetation；soil；ALOS；state-and-transition model
1000-1832(2014)04-0130-09
10.11672/dbsdzk2014-04-024
2014-04-05
科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD13B02)；教育部和內(nèi)蒙古草地資源可持續(xù)利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201003019)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011MS0607).
烏蘭(1985—)，女，蒙古族，博士研究生，主要從事草原遙感監(jiān)測(cè)和草地生態(tài)研究；通訊作者：韓國(guó)棟(1964—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事草地生態(tài)學(xué)研究.
S 812.8 [學(xué)科代碼] 230·2050
A
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