西烏珠穆沁典型草原植被蓋度空間異質性研究

李巖+尚士友+王曉娟+臧琛+德力格爾

摘要： 采用地學統(tǒng)計方法，以西烏珠穆沁典型草原3類不同地貌的3個試驗區(qū)內植被蓋度為研究對象，探討其空間結構和異質性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，3類地貌試驗樣地的植被蓋度均值較為接近，在32.99%～40.77%之間，其變異系數(shù)值均小于10%，屬于弱變異性范圍。3個試驗樣地植被蓋度的擬合模型決定系數(shù)在0.60～0.71之間，擬合度較好；根據(jù)C0/（C+C0）值可知，隨機因素在3個樣地植被蓋度的空間變異中所起的作用的權重順序為低山丘陵樣地>坡地樣地>波狀高平原樣地；3類不同地貌試驗樣地的結構比[C/（C+C0）]均大于75%，植被蓋度均表現(xiàn)出較強的空間相關性，且由空間自相關部分引起的空間異質性占到總空間異質性的80%以上；3個試驗樣地中植被蓋度連續(xù)性最好的是低山丘陵地貌樣地，其次是坡地地貌試驗樣地，最后是波狀高平原地貌樣地。 3個試驗樣地均表現(xiàn)出明顯的各向異性，空間格局差異明顯。經(jīng)克里金空間插值后得到3個樣區(qū)植被蓋度的空間分布圖，并對植被蓋度的分布做了定量研究。

關鍵詞： 典型草原；植被蓋度；地統(tǒng)計學；空間異質性；遙感；半方差函數(shù)；草地沙漠化治理

中圖分類號： S181 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0283-06

植被蓋度是景觀環(huán)境適宜程度的指示因子，是自然環(huán)境變化和人類活動所引起的景觀演變過程的綜合結果，因此植被蓋度不僅是群落結構的一個重要參數(shù)，也是土地退化特征的一個直接的主導性表征[1]，更是指示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標。栗鈣土層是典型草原土壤的主要組成結構，是在自然因素和人為因素的共同作用下，經(jīng)過漫長的歷史過程協(xié)同演化而來的，具有栗色腐殖層和明顯鈣積層的地帶性土壤。 植被蓋度存在一定的空間異質性，即不同的空間位置上植被的蓋度存在一定的差異，土壤與植被的空間異質性既作為一種原因也作為一種結果在植物群落中廣泛存在著[2-5]。

伴隨著近幾年遙感技術的飛速發(fā)展，利用該技術監(jiān)測植被的相關特征數(shù)據(jù)，已經(jīng)取得一定的研究成果，并已應用在實踐中。但介于目前研究技術的發(fā)展水平，直接利用快捷的遙感技術監(jiān)測栗鈣土層厚度的變化，還存在一定的障礙，因而，典型草原植被與土壤空間格局協(xié)同演變的研究在某種程度上受到了制約。

空間插值法是獲取自然地理要素空間信息的主要方法之一[6]。幅員遼闊的典型草原上，植被蓋度數(shù)據(jù)的缺乏和不均勻，使得利用空間插值法來模擬植被蓋度空間分布成為一種必然。

本研究采用地學統(tǒng)計方法，以典型草原不同地貌的3個試驗區(qū)內植被蓋度為研究對象，探討其空間結構和異質性，定量揭示兩者空間變異和協(xié)同演變的規(guī)律。通過空間分布圖，可以方便快捷地找到有沙化趨勢的區(qū)域，對這些區(qū)域加以重點保護，將有利于延緩草地的沙漠化。

1 試驗設計及數(shù)據(jù)預處理

根據(jù)Landsat5遙感影像和西烏珠穆沁旗地形圖，選取研究區(qū)位于西烏珠穆沁旗巴拉嘎爾郭勒鎮(zhèn)南部偏西方向，范圍是117°16′～117°37′E，44°25′～44°32′N。在這個區(qū)域內踏查選擇具有坡地、低山丘陵和波狀高平原地形地貌的3個試驗樣地，每個試驗樣地的面積約為25 km2。

研究區(qū)內植被主要有大針茅、羊草、星毛委陵菜、糙隱子草、麻花頭冰草、冷蒿、褐沙蒿、多根蔥、苔草、豬毛菜等，每個樣地調查樣方內出現(xiàn)植被種類在34～45種之間。

布點采樣時間為7月15日前后，連續(xù)取樣測量。為了研究草原退化區(qū)周圍植被的演變規(guī)律，以及其分布是否具有各向異性，布點時選擇退化較為嚴重的區(qū)域為中心，利用GPS定位，十字交叉布點，沿梯度方向等距離布點取樣，東西方向采集50個樣方點，南北方向采集100個樣方點，每個試驗樣地設150個樣方點，每1個植被樣方的面積定為1×1=1 m2。在每個樣方均采集以下數(shù)據(jù)：樣方所在位置的經(jīng)緯度坐標、海波高度、植被總蓋度、植被自然平均高度、地上生物量、植被類型、每種植被的分蓋度、密度及相對密度，以及栗鈣土層相關數(shù)據(jù)。3個試驗樣區(qū)在衛(wèi)星圖上的分布位置及樣地布點如圖1所示。

利用SPSS軟件進行植被蓋度的描述性統(tǒng)計分析。3個樣地數(shù)據(jù)均通過顯著水平α=0.05的K-S檢驗，數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布。使用GS+7.0軟件，進行半方差函數(shù)擬合及地統(tǒng)計分析[7-13]，利用ArcGIS 10.2地學統(tǒng)計分析模塊進行植被蓋度的變異函數(shù)建模和空間插值。

2 結果與分析

2.1 3類地貌試驗樣地植被蓋度的描述性統(tǒng)計分析

3類試驗樣地的描述性統(tǒng)計特征如表1所示。

從表1可以看出，3個試驗樣地植被蓋度平均值相差不多，采樣時發(fā)現(xiàn)，3個樣地內研究空間異質性的調查區(qū)域的植被種類都在36種左右，在退化較為嚴重的采樣中心區(qū)域，植被類型均以小型草本、蒿類、蔥屬、委陵菜屬為主，有很多一年生草本植物，且零星出現(xiàn)沙生灌木，如小葉錦雞兒。這說明嚴重退化區(qū)域的植被類型正在發(fā)生著轉變，以羊草、大針茅等為建群種的植被群落很多已被冷蒿群落所取代，典型草原正慢慢向以一年生植物和灌木為主的荒漠化草原演變。3個樣地植被蓋度的變異系數(shù)均小于10%，屬于弱變異性[14]。從表中可以看出，低山丘陵地貌樣地和波狀高平原地貌樣地的偏度均為正值，表明數(shù)據(jù)在右側更為分散，坡地地貌樣地的偏度為負值，表明數(shù)據(jù)在左側更為分散[15]。坡地地貌樣地波狀高平原地貌樣地的峰度值均略小于零，表明植被蓋度的分布略呈現(xiàn)平峰態(tài)，低山丘陵地貌樣地的峰度值大于零，表明其植被蓋度分布呈現(xiàn)尖峰態(tài)[15]。利用K-S對樣本進行正態(tài)性檢驗，PK-S>0.05，樣本符合正態(tài)分布。

2.2 3類地貌試驗樣地植被蓋度的空間異質性分析

將3類地貌試驗樣地的植被蓋度數(shù)據(jù)進行空間結構分析后得出，坡地地貌樣地和低山丘陵地貌樣地植被蓋度變異函數(shù)曲線的變化均符合球狀模型，波狀高平原地貌樣地可以采用高斯模型進行擬合，如表2所示。endprint

從表2中可以看出，3個理論模型的決定系數(shù)分別是066、0.71、0.60，擬合程度較好，表明該理論變異函數(shù)模型能很好地反映植被蓋度的空間結構特性。坡地地貌樣地的塊金值最大，較大的塊金方差表明較小尺度上的某種過程不容忽視[16]，可以采取減小取樣間隔的方法來增加其空間結構信息?；_值是半方差值隨步長增加到一個相對穩(wěn)定的水平上時對應的半方差值[15-16]，基臺值越高，表示變量的空間異質性越高。坡地地貌樣地的基臺值最高，達到了234.00，這說明坡地地貌樣地的植被蓋度的空間變異程度最大，這也驗證了坡地地貌樣地塊金值最大這個結果。用塊金值與基臺值之比[C0/（C+C0）]來描述隨機因素在變量空間變異過程中所起的作用的大小，低山丘陵地貌樣地比值最大，值為1620%，波狀高平原地貌樣地最小，為10.41%，坡地地貌樣地的值為11.50%。3個試驗樣地的C0/（C+C0）值均不高，這表明3個試驗樣地植被蓋度的空異質性主要是由結構性因素引起的，如氣候、地形、土壤類型等自然因素。偏基臺值與基臺值的比值稱之為結構比[C/（C+C0）]，從表2中看出，3個試驗樣地的結構比均大于75%，植被蓋度均表現(xiàn)出較強的空間相關性，3個試驗樣地內植被蓋度由空間自相關引起的空間異質性占總空間異質性的80%以上。

變程表示變量的空間相關性的作用范圍，變程值的大小受到采樣尺度的影響。當某采樣點與已知點距離大于變程時，變量間不存在空間相關性[17-18]。變程的大小同時也說明了植被蓋度空間連續(xù)性的好壞。在本研究中，波狀高平原地貌試驗樣地的變程最小，為100.46 m，低山丘陵地貌試驗樣地變程最大，達到 604.00 m。究其原因，部分波狀高平原地貌樣地內蓋起了大量的牛棚，雖未全部投入使用，但隨著載畜量的增加，牲畜的啃食和踐踏加大了對植被蓋度的干擾程度，破壞了植被蓋度的連續(xù)性。因此，3個試驗樣地植被蓋度的連續(xù)性好壞順序為低山丘陵地貌樣地優(yōu)于坡地地貌試驗樣地，坡地地貌試驗樣地優(yōu)于波狀高平原地貌樣地。

2.3 3類地貌試驗樣地植被蓋度的各向異性分析

通過空間上不同方向半方差函數(shù)圖比較，可反映變量在不同方向上的變化特征。如果各個方向上的半方差圖基本相同，稱為各向同性，反之，則稱為各向異性[17-18]。

空間異質性不僅與觀測范圍有關，還與方向有著密切的聯(lián)系。植被蓋度由于受氣候、土壤、人為等干擾因素的影響導致空間變異通常是有方向性的，用各向異性表示。為了驗證植被蓋度的空間變異是否具有方向性，分別研究了3類不同地貌試驗樣地的植被蓋度在 0°、45°、90°、135° 4個方向上的變異函數(shù)。不同方向的變異函數(shù)如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2可以看出，坡地地貌試驗樣地植被蓋度在4個方向上的半方差函數(shù)均表現(xiàn)出了各向異性，各向同性不明顯，這說明植被蓋度的半方差值具有明顯的方向性，且波動很大。其中，植被蓋度在0°（東-西向）、45°（東北-西南向）和90°（南-北向）方向上出現(xiàn)了高低起伏的情況，且變化幅度較大，這說明在這3個方向上，植被蓋度變異比較劇烈，135°（西北-東南向）方向半方差值半方差值變化相對較平緩，總體呈明顯的上升趨勢。經(jīng)實地考察可知該試驗樣地內，除135°（西北-東南向）方向大部分是打草場以外，其他方向上均有部分放牧場，有牧民居住，且東南部臨近公路。因此，這些方向上的植被蓋度的空間異質性可能主要受載畜量、土地利用類[CM（25]型等隨機因素的影響。打草場內是禁牧的，草地的植被蓋

度僅僅受地形地貌、風蝕等自然因素影響，因此這個方向上植被蓋度的空間變異不大。數(shù)據(jù)研究結果與實際情況相符。

從圖3可以看出，低山丘陵地貌試驗樣地植被蓋度在4個方向上的半方差函數(shù)均表現(xiàn)出了各向異性，各向同性不明顯，這說明植被蓋度的半方差值具有明顯的方向性，且波動很大。其中，植被蓋度在0°（東-西向）、45°（東北-西南向）和90°（南-北向）方向上出現(xiàn)了高低起伏的情況，且變化幅度較大，這說明在這3個方向上植被蓋度變異比較劇烈；135°（西北-東南向）方向半方差值半方差值變化相對較平緩，近似一條直線，總體呈明顯的上升趨勢。135°（西北-東南向）方向半方差函數(shù)值與其他方向的差異性很大，這說明該方向上植被蓋度的變化是獨立的、隨機的。經(jīng)實地考察可知該試驗樣地內，除135°（西北-東南向）方向大部分是打草場以外，其他方向上均有部分放牧場，有牧民居住。因此，這些方向上植被蓋度的空間異質性可能主要受載畜量、土地利用類型等隨機因素的影響。135°（西北-東南向）方向植被破壞較為嚴重，已禁牧多年，植被正處于恢復期，因此表現(xiàn)出來空間變異不明顯。數(shù)據(jù)研究結果與實際情況相符。

從圖4中可以看出，波狀高平原地貌試驗樣地在4個方向上植被蓋度的半方差函數(shù)變化趨勢各不相同，表現(xiàn)出了各向異性，這說明該試驗樣地植被蓋度的半方差值具有明顯的方向性。0°（東-西向）和90°（南-北向）方向表現(xiàn)出了局部的各向同性，這說明這2個方向上的對植被蓋度的干擾因素類似。45°（東北-西南向）方向上的變異程度最為突出，經(jīng)實地考察可知，該方向恰巧是采石礦的位置，由此說明，人為因素對草原植被的干擾要強于其他自然因素，能夠使植被蓋度甚至是植被類型發(fā)生顛覆性變化，是影響植被各要素空間結構性發(fā)生變異的主導因素。

2.4 3類地貌試驗樣地植被蓋度的空間分布

經(jīng)過前面的研究和數(shù)據(jù)分析可知，坡地樣地、低山丘陵樣地和波狀高平原樣地植被蓋度的最佳變異函數(shù)擬合模型分別是球狀模型、球狀模型和高斯模型，3個樣地的試驗數(shù)據(jù)均通過K-S檢驗，符合正態(tài)分布。對數(shù)據(jù)進行探索性分析后發(fā)現(xiàn)，3個樣地的植被蓋度均存在一階或二階趨勢，不滿足普通克里金插值法和簡單克里金插值法要求的二階平穩(wěn)假設理論，因此選擇泛克里金插值法對3個試驗樣地內植被蓋度進行空間插值。經(jīng)過插值后得到3個試驗樣地植被蓋度的空間分布圖如圖5所示。endprint