長時(shí)間序列不同載畜率草地植被蓋度時(shí)空分布特征分析

□王薩仁娜 畢其格

植被覆蓋度可以反映草地植被生長狀況，是衡量地表植被的一個(gè)重要指標(biāo)。在小尺度的草地生態(tài)研究中，通常采用地面實(shí)測法獲取植被信息，其優(yōu)點(diǎn)是精確度較高，缺點(diǎn)是耗時(shí)耗力，有時(shí)會(huì)因?yàn)槿鄙偻甑恼{(diào)查數(shù)據(jù)而難以進(jìn)行長時(shí)間尺度的對比研究，而遙感的優(yōu)勢可以提供相應(yīng)的技術(shù)支持。遙感具有大尺度、時(shí)間序列數(shù)據(jù)連貫等特點(diǎn)。很早就有研究表明，遙感數(shù)據(jù)可以預(yù)測植被覆蓋，能夠用于草地植被覆蓋調(diào)查。但是由于適合小尺度的高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)價(jià)格昂貴，相關(guān)小尺度的草地遙感監(jiān)測的文章很少。Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有空間分辨率較高、時(shí)間序列性強(qiáng)、免費(fèi)共享等特點(diǎn)，可用于中小尺度草地的植被監(jiān)測，因此，本研究利用Landsat衛(wèi)星的長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，監(jiān)測不同載畜率放牧草地的時(shí)空變化特征，通過植被蓋度的動(dòng)態(tài)變化，揭示載畜率對植被的影響，研究的目的旨在為放牧管理提供科學(xué)依據(jù)。

一、試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古烏蘭察布盟四子王旗短花針茅荒漠草原，地處北緯41°78'00″，東經(jīng)111°88'00″，平均海拔1，440m。氣候?qū)儆诘湫偷闹袦貛Т箨懶詺夂?，降水量較少，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱。多年平均降水量100～300mm，多年平均蒸發(fā)量為2，343mm，蒸發(fā)量是降雨量的7～10倍，濕潤度0.15～0.3，降水量主要集中在5～9月;多年平均氣溫3.4℃，月平均溫度最高月為6、7、8三個(gè)月，≥10℃的年積溫為2，200～2，500℃，無霜期175d;全年主要風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西北風(fēng)，大風(fēng)主要集中在春季。

試驗(yàn)地草地類型為短花針茅+冷篙+無芒隱子草荒漠草原，植被草層低矮，一般高度為8cm，且植被較稀疏，蓋度為17%～20%，植物種類組成比較貧乏。建群種為短花針茅(Stipa breviflora)，優(yōu)勢種為冷蒿(Artemsia frigida)、無芒隱子草(Cleistogenes songorica Ohwi.)。主要伴生種有銀灰旋花(Convolvulus ammannii Desr.)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus Novopokr.)、櫛葉蒿(Artemisa pecttinata Pall.)、木地膚(Kochia prostrata Schrad.)、狹葉錦雞兒(Caragana stenophylla Pojark.)、羊草(Leymus chinensis Tzvel.)等。試驗(yàn)地在放牧試驗(yàn)開始前經(jīng)過了多年的連續(xù)放牧，草地植被處于退化狀態(tài)。

試驗(yàn)區(qū)總面積為51.9hm2，共分為12個(gè)樣地，各樣地平均面積4.33hm2。樣地設(shè)置4個(gè)梯度處理，3次重復(fù)。4個(gè)梯度處理分別是輕度放牧(Lightly grazed，LG)、中度放牧(Moderately grazed，MG)、重度放牧(Heavily grazed，HG)和一個(gè)對照區(qū)(Control grazed，CK))，試驗(yàn)各區(qū)隨機(jī)選擇排列;輕度、中度、重度放牧區(qū)最大載畜率分別為:0.91(LG)只羊/hm2、1.82(MG)只羊/hm2、2.71(HG)只羊/hm2，綿羊?yàn)閮?nèi)蒙古細(xì)毛羊。

二、數(shù)據(jù)源與研究方法

(一)數(shù)據(jù)源。Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù):多光譜空間分辨率為30米，可滿足草地覆蓋監(jiān)測。由于2003、2005、2012年試驗(yàn)區(qū)遙感影像有較大條帶，缺失部分?jǐn)?shù)據(jù)，故只使用2002、2004、2006、2007、2008、2009、2010、2011、2013、2014年8月10期數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn);其他數(shù)據(jù):植物樣方數(shù)據(jù):試驗(yàn)區(qū)2010年8月1×1植物樣方調(diào)查數(shù)據(jù)，包括植物蓋度、密度、高度及干重。

(二)研究方法。本研究通過對試驗(yàn)區(qū)10期Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的植被覆蓋度遙感估算，監(jiān)測試驗(yàn)區(qū)不同載畜率放牧水平下的植被覆蓋時(shí)空變化特征。

本文使用基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)的像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度。NDVI和植被覆蓋度(VFC)公式如(1)和(2)所示。

NDVI計(jì)算公式:

其中，NIR為遙感數(shù)據(jù)對應(yīng)的近紅外波段，R為對應(yīng)的紅波段。

VFC計(jì)算公式:

VFC:代表植被覆蓋度;NDVI:代表歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil為無植被覆蓋的裸土像元值，NDVIveg代表全植被覆蓋像元的最大值。

(三)數(shù)據(jù)分析軟件。ENVI遙感圖像處理軟件，ARCGIS地理信息系統(tǒng)軟件，Excel、SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件。

三、結(jié)果與分析

依據(jù)試驗(yàn)區(qū)2010年地面實(shí)測植被覆蓋度數(shù)據(jù)，將植被覆蓋度分為5級，植被覆蓋度小于15%的定為1級(低覆蓋度)，15%～25%為2級(中低覆蓋度)，25%～35%為3級(中覆蓋度)，35%～45%為4級(中高覆蓋度)，大于45%為5級(高覆蓋度)。

表1 植被覆蓋度等級劃分表

(一)2002～2014年植被覆蓋時(shí)空分布特征。2002年，試驗(yàn)區(qū)所在的荒漠草原在連續(xù)放牧作用下，草地處于退化狀態(tài)(圖1)。試驗(yàn)區(qū)植被以中低覆蓋為主，其次是低覆蓋度及中覆蓋度植被，中高、高覆蓋度植被較少。CK、LG、MG和HG區(qū)中低覆蓋植被面積分別為60.0%、74.8%、70.1%、68.3%，低覆蓋植被面積分別為16.2%、12.0%、20.1%和16.1%，中覆蓋植被面積依次為18.8%、11.3%、8.64%和15.4%，中高覆蓋植被面積依次為4.11%、1.73%、1.09%、0.09%，高覆蓋植被面積依次為0.78%、0%、0.03%和0%，各小區(qū)均無顯著差異。

2004至2014年，試驗(yàn)區(qū)各級植被覆蓋開始呈現(xiàn)顯著差異(P＜0.05)(圖2)。

圖1 2002～2014年植被覆蓋數(shù)據(jù)

(二)各級植被覆蓋變化趨勢。

1.低覆蓋植被。CK區(qū)與LG區(qū)的低覆蓋植被變化波動(dòng)平緩，在平穩(wěn)中呈現(xiàn)下降趨勢;MG區(qū)和HG區(qū)的低覆蓋植被波動(dòng)較大，總體也呈下降趨勢。

2.中低覆蓋植被。2004至2014年，CK區(qū)與LG區(qū)的中低覆蓋植被在波動(dòng)中呈現(xiàn)下降趨勢，MG區(qū)和HG區(qū)則在波動(dòng)中呈增加趨勢。

3.中覆蓋植被。2004至2014年，CK區(qū)植被成小幅下降趨勢，而其他三個(gè)區(qū)均呈增加趨勢。

4.中高覆蓋植被。2004至2014年，CK和LG區(qū)中高覆蓋植被呈現(xiàn)增加趨勢，而MG區(qū)和HG區(qū)則呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

5.高覆蓋植被。2004至2014年，CK區(qū)植被在波動(dòng)中呈增長趨勢，LG、MG和HG區(qū)則在波動(dòng)中呈下降趨勢。

數(shù)據(jù)顯示，CK區(qū)與放牧區(qū)的植被覆蓋變化趨勢有較大差異。CK區(qū)高覆蓋、中高覆蓋植被呈現(xiàn)增加趨勢，而在放牧區(qū)，MG和HG均呈現(xiàn)減少趨勢，LG區(qū)只有高植被覆蓋呈現(xiàn)減少趨勢。在放牧的三個(gè)處理中，LG區(qū)與其他兩個(gè)區(qū)有較大差異，其中高覆蓋植被呈增加趨勢，中低覆蓋植被呈減少趨勢，而MG、HG區(qū)均呈現(xiàn)反方向發(fā)展。

從試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)變化可以發(fā)現(xiàn)，未放牧的CK區(qū)植被覆蓋呈正向發(fā)展，即植被覆蓋顯著增加(P＜0.05)，說明禁牧是植被恢復(fù)最有效的管理方式;在放牧區(qū)，LG區(qū)植被覆蓋也呈現(xiàn)正向發(fā)展?fàn)顟B(tài)，植被覆蓋也從試驗(yàn)前以中低覆蓋為主恢復(fù)到以中覆蓋、中高覆蓋為主，因此數(shù)據(jù)說明輕度放牧不會(huì)對草地蓋度有逆向影響作用，適度的放牧有益于植被的恢復(fù);從不同梯度放牧處理的植被差異可以看出，中度和重度放牧極大地影響了植被的正向發(fā)展，兩個(gè)處理區(qū)的植被除了在降水量多的2004、2008和2013年蓋度較大外，其他年份均與試驗(yàn)前的植被無顯著差異。

對2004～2014年各處理區(qū)植被覆蓋做了方差分析，結(jié)果顯示:試驗(yàn)區(qū)植被覆蓋時(shí)空分布特征總體表現(xiàn)為(表2):高覆蓋植被面積依CK＞LG＞MG＞HG的順序遞減;中高覆蓋植被面積依CK＞LG＞MG＞HG的順序遞減;中覆蓋植被面積依LG＞HG＞MG＞CK的順序遞減;中低覆蓋植被面積依MG＞HG＞LG＞CK的順序遞減;低覆蓋植被面積依HG＞MG＞LG＞CK的順序遞減。各處理區(qū)植被隨著載畜率的加大，蓋度呈現(xiàn)遞減趨勢。

圖2 植被覆蓋年際變化趨勢圖

表2 2004～2014年植被覆蓋均值對比

同列不同字母在0.05水平上差異顯著。

四、結(jié)語

在不同載畜率水平下，荒漠草原植被覆蓋呈現(xiàn)顯著差異(P＜0.05)。試驗(yàn)前，不同處理區(qū)植被覆蓋無差異;而2004年試驗(yàn)開始后，不同處理區(qū)各級植被覆蓋變化較大。試驗(yàn)區(qū)植被蓋度時(shí)空分布特征表現(xiàn)為:高覆蓋和中高覆蓋植被面積百分比依CK＞LG＞MG＞HG的順序遞減;中覆蓋植被面積依LG＞HG＞MG＞CK的順序遞減;而中低覆蓋植被面積依MG＞HG＞LG＞CK的順序遞減;低覆蓋植被面積依HG＞MG＞LG＞CK的順序遞減。隨著載畜率的加大，植被蓋度逐漸降低。

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