局地水分空間分布與草地生態(tài)系統(tǒng)關系的初步研究

郭燕云，潘學標，王雪姣，王 森，高淑敏

（1.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆烏魯木齊 830002；2.中國農(nóng)業(yè)大學，北京 100193）

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，內(nèi)蒙古荒漠草原是草原向荒漠過渡的旱生性最強的草地生態(tài)系統(tǒng)，氣候干旱，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，在自然因素和人為活動影響下極易發(fā)生變化。

本研究區(qū)地處內(nèi)蒙古荒漠草原，氣候干旱，光照、溫度和土壤水分成為影響植物生長的關鍵因素。植被群落的地上生物量空間格局受到諸多環(huán)境因素的影響，即表現(xiàn)出了一定的尺度依賴性：在大尺度分析時海拔對其的影響會掩蓋其余地形因子的作用，而小尺度上各地形因子的影響作用能夠更好地體現(xiàn)出來。在不同地區(qū)，氣候特點、地貌類型等不盡相同，主要氣候因子（溫度和水分）哪一個對植物群落生長是主要限制因子也不盡相同；在同一地區(qū)，地形作為生境條件的綜合指示，控制了太陽輻射和降水的空間再分配，往往能營造局部小氣候[1]，改變土壤質(zhì)地，影響土壤水分和養(yǎng)分的分布，所以各種地形因子的綜合影響造就了不同性質(zhì)的草地群落，最終改變了群落地上生物量的空間格局[2-3]。

草地光譜是草地資源遙感監(jiān)測研究的基礎，其地物光譜特性是綠色植被和生境條件的綜合反映[4]。草地反射光譜是草地植被、土壤、大氣、水分等多因子作用形成的綜合反射光譜。草地植被與其他綠色植被具有類似的光譜反射特征，其反射率的大小受草地類型、種群成分、植被覆蓋度大小、植物水分多少、土壤狀況、大氣狀況等多種因素的影響。

鑒于內(nèi)蒙古荒漠草原的特殊生態(tài)地位及其在全球氣候變化中的高度敏感性和脆弱性，有效、快捷、連續(xù)、大范圍地監(jiān)測該地區(qū)的植被覆蓋狀況以及地上生物量的變化，對于科學、合理地利用草地資源，實現(xiàn)草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義，對于該地區(qū)的草地畜牧業(yè)應對氣候變化的敏感性與脆弱性評估以及科學地評估未來氣候變化對該區(qū)域的影響具有重要的基礎支撐作用。在草地遙感領域，植被指數(shù)（Vegetation Index）作為一種遙感手段已廣泛應用于植被覆蓋密度評價、產(chǎn)量估測以及自然災害預測預報等方面。植被指數(shù)是根據(jù)植被反射波段的特性計算出來的反映地表植物生長、覆蓋狀況、地表生物參數(shù)的間接指標，獲取容易且計算方便。

本研究利用小尺度的野外調(diào)查資料，采用GIS空間數(shù)據(jù)處理技術和統(tǒng)計分析等手段，試圖揭示內(nèi)蒙古荒漠草原局地生物量空間分布規(guī)律及其與環(huán)境因子的關系；另一方面，通過草地植被實測數(shù)據(jù)與對應的高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合，將不同的植被指數(shù)分別與地上部生物量及蓋度進行相關分析，研究草地植被蓋度和生物量的高光譜響應，為研究氣候變化背景下草地生態(tài)系統(tǒng)變化提供參考。

1 研究區(qū)域概況

達爾罕茂明安聯(lián)合旗地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，該旗地處中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)。年平均氣溫3.4℃，年平均降水量256 mm。主要氣候特征：春季干旱、風大沙多，夏秋季降水較為集中，冬季寒冷而干燥；光照資源豐富，但熱量不足，無霜期短促，災害性天氣頻繁；雨熱同期，全旗在6—8月雨量多達120～190 mm，占到年降水量的70%，冬春季降水較少；降水量年際變化較大，干旱頻繁，呈“十年九旱”之勢。土壤主要以栗鈣土、棕鈣土為主，土壤質(zhì)地多為沙壤，并有不同程度的礫質(zhì)化，土壤肥力較低[5-6]。

研究樣地 E111°12′5″～111°13′5″，N41°21′5″～41°21′40″，建群種為克氏針茅 （Stipa krylovii Roshv.）、羊草［Leymus chinensis（Trin.）Tzvel］、冰草［Agropyron cristatum（L.）Gaertn］和蒿類，常見種有冷蒿（Artemisia frigid Willd.）、阿爾泰狗娃花［Heteropappus altaicus （Willd.）］、堿韭（Allium mongolicumm Regel.）、 二裂葉 委 陵 菜（Potentilla bifurca L.）、糙隱子草［Cleistogenes squarrosa（Trin.）Keng］、 芨 芨 草 ［Achnatherum splendens（Trin.）Nevski］、馬藺［Iris lactea Pall.Var.chinensis（Fisch.）Koidz.］、豬毛菜（Salsola collina Pall.）、達烏里龍膽（Gentiana dahurica Fisch.）、燈心草蚤綴（Arenaria juncea Bieb.）。偶見種有旱麥瓶草（Silene jenisseensis Willd.）、糙蘇 （Phlomis umbrosa Turcz.）、百里香（Thymus mongolicus Ronn.）等。

2 試驗設計與研究方法

2.1 試驗設計

本研究在內(nèi)蒙古達爾罕茂明安聯(lián)合旗希拉穆鎮(zhèn)的牧區(qū)水科所的草地水土保持生態(tài)監(jiān)測試驗基地，選擇面積為1000 m×1000 m的樣地，研究樣地的海拔在1598～1638 m（圖1），呈西南至東北走向的緩坡。每隔200 m選擇1個樣點進行測定，共計測定36個樣點，每個樣點1 m×1 m。測定項目包括每個樣點經(jīng)緯度、海拔高度；1 m2樣方內(nèi)植被蓋度、地上部生物量，0～50 cm的土壤含水量；草地植被高光譜數(shù)據(jù)。探討相同氣候背景下地表土壤水分的空間差異及其對草地的影響，以及對實測高光譜變量與牧草生物量和蓋度之間進行相關性分析。

2.2 數(shù)據(jù)測定

草地植被生物量的測定：采用刈割法測定其地上部生物量（包括凋落物），稱其鮮重后于105℃殺青0.5 h，再80℃烘干8 h后獲得干重值。

蓋度測定：目測法測定1 m2樣方內(nèi)植被蓋度。

土壤含水量測定：通過“土鉆法”測定土壤重量含水量，測定土層范圍為0～50 cm，每10 cm測定1個土層。數(shù)據(jù)分析中的土壤含水量用體積含水量來表示。

光譜數(shù)據(jù)的采集：使用的儀器為美國ASD野外光譜輻射儀 FieldSpec HH（350～1050 nm），該儀器采用25°的前視場角鏡頭，光譜測量范圍為350～1050 nm，光譜分辨率為3 nm，采樣間隔為1.4 nm，數(shù)據(jù)間隔為1 nm；每個樣點測量前都用白板（標準板）進行校正；取20次測量的平均值作為觀測樣點的光譜數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel2003對數(shù)據(jù)進行處理分析；用美國ASD公司提供的數(shù)據(jù)處理軟件ViewSpec Pro對地面高光譜數(shù)據(jù)進行處理，輸出每個樣點的反射率；用ArcGis10.1對樣點數(shù)據(jù)作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分與植被空間分布特征及其關系

圖2顯示出研究區(qū)域0～50 cm土層土壤平均含水量的空間變化，由西至東土壤含水量呈遞減趨勢，西部土壤含水量較高，最高點可達到28.92%以上，該樣點對應生物量（干質(zhì)量）是805.34 g/m2；而東部的含水量基本都在5.7%以下，土壤含水量最低點僅有2.93%，其對應生物量（干質(zhì)量）也僅有68.67 g/m2。說明在相同的氣候區(qū)域，由于地形的因素導致降水二次分配，水分聚集到地勢較低的區(qū)域，導致高地勢區(qū)土壤干燥，植被可利用水分缺乏，植株低矮，生物量很低。

圖3、圖4、圖5分別是各樣點（1 m2樣方內(nèi)）地上部生物量鮮質(zhì)量、干質(zhì)量值以及干鮮比的空間分布圖?？梢钥闯?，從西到東各樣點的生物量鮮質(zhì)量和干質(zhì)量值呈明顯遞減的趨勢；干鮮比可以反映出植物體含水量，干鮮比越大，植物體含水量越小，東部樣點的干鮮比明顯大于西部樣點，且與海拔的走勢較為一致，即沿西南至東北走向逐漸增大，說明地形對牧草含水量也有一定的影響，地形通過影響降水的二次分配，影響土壤水分含量，進一步影響牧草生長狀況及植物體含水量。

對所有樣點的土壤水分數(shù)據(jù)與生物量（干質(zhì)量）之間作相關性分析，結(jié)果表明，隨著土層深度增加，土壤含水量與生物量（干質(zhì)量）之間的相關性越好，即40～50 cm土層的土壤含水量越高，地上部生物量越大，生物量與40～50cm土層土壤含水量呈顯著正相關（圖6），而與表層土壤（0～5 cm）的含水量關系不大。

此外，對樣點的0～50 cm土層土壤平均含水量數(shù)據(jù)與對應樣點的植物體含水量數(shù)據(jù)進行相關性分析，如圖7所示，植物體含水量隨著土壤含水量的增加而增加至最大。

3.2 草地植被特性的高光譜響應

為了精確地體現(xiàn)荒漠草原不同生物量及蓋度的草地的反射光譜的差異，本研究通過原始光譜曲線和一階導數(shù)光譜曲線提取了高光譜特征變量，借鑒前人研究結(jié)果，利用4個基于高光譜的植被指數(shù)變量，對各樣點的牧草生物量和蓋度與高光譜特征變量之間進行相關性分析。

基于高光譜的植被指數(shù)變量：（1）VI1=Rg/Rr，綠峰反射率（Rg）與紅谷反射率（Rr）的比值植被指數(shù)，其中綠峰反射率，即波長510～560 nm范圍內(nèi)最大的波段反射率，紅谷反射率，即波長640～680 nm范圍內(nèi)最小的波段反射率；（2）VI2=（Rg-Rr）/（Rg+Rr），綠峰反射率(Rg)與紅谷反射率（Rr）的歸一化差植被指數(shù)；（3）比值植被指數(shù)RVI=NIR/R，是近紅外波段的反射率與紅色波段反射率的比值；（4）歸一化植被指數(shù)NDVI=（NIR-R）/（NIR+R），本研究分別選擇850 nm（NIR）和650 nm（R）波段對應的反射率。

表 1、表 2 是 4 種植被指數(shù) VI1、VI2、RVI、NDVI與蓋度、生物量的擬合方程，擬合是從36個調(diào)查樣點中選取了其中23個樣點的高光譜及植被數(shù)據(jù)。從表1、表2中可以看出，對于高光譜特征變量估算牧草蓋度和生物量來說，以比值植被指數(shù)RVI和歸一化植被指數(shù)NDVI能獲得較好的擬合結(jié)果（圖8），且比值植被指數(shù)RVI和歸一化植被指數(shù)NDVI對于草地生物量的擬合都能取得較好的效果，R2分別為0.6268、0.5542；而歸一化植被指數(shù)NDVI對于草地蓋度擬合效果較好，R2達到0.5127。

表1 不同植被指數(shù)與蓋度的擬合方程

表2 不同植被指數(shù)與生物量的擬合方程

4 討論與結(jié)論

試驗結(jié)果表明：在相同的氣候區(qū)域，由于地形的因素導致降水二次分配聚集到地勢較低的區(qū)域，導致高地勢區(qū)土壤干燥，植被可利用水分缺乏，植株低矮，生物量很低，植物體含水量很?。粚λ袠狱c的土壤水分數(shù)據(jù)與生物量（干質(zhì)量）之間作相關性分析，結(jié)果顯示，隨著土層深度增加，土壤含水量與生物量（干質(zhì)量）之間的相關性越好，草地生物量與40～50 cm土層土壤含水量呈顯著正相關，而與表層土壤（0～5 cm）的含水量關系不大。此外，對于高光譜特征變量估算牧草蓋度和生物量來說，以比值植被指數(shù)RVI和歸一化植被指數(shù)NDVI能獲得較好的擬合結(jié)果。

本項研究由于人力物力有限，所選擇的地域及樣點數(shù)量有限，如果能夠利用盡可能多的數(shù)據(jù)資料或者進行多年的調(diào)查采集數(shù)據(jù)，結(jié)果可能對于后續(xù)的研究更有參考價值。此外，草地高光譜數(shù)據(jù)的采集在9月初進行，9月部分牧草已進入枯黃期，有干草存在，對高光譜數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生影響；同時，由于本研究在荒漠草原進行，對于荒漠草原來說，有些樣點的植被覆蓋度較小，草地的反射光譜中包含了大部分的土壤信息，因此對于荒漠草原來說，利用高光譜特征變量進行草地生物量和蓋度的估算，還需要更多的觀測工作并對資料進行多層次分析，找到適用于荒漠草原草地生物量和蓋度的高光譜特征變量及估算方程，以實現(xiàn)未來對草地的定量分析及動態(tài)監(jiān)測，應對氣候變化。

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