基于地理信息系統(tǒng)的貴州省草地空間分布分析

聶祥琴 楊勝會(huì) 楊琴 張淑煒 陳可可 陳關(guān)飛 程華 趙學(xué)春 董瑞 李舟 魏建洲 金寶成

摘 要：以貴州省草地為研究對(duì)象，基于貴州省30米分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)集，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)、相關(guān)分析和主成分回歸分析方法，探索了貴州省天然草地空間分布及其影響因素。發(fā)現(xiàn)貴州省草地面積約178.51萬公頃，約占貴州省國土面積1/10，主要分布于西部地區(qū)的畢節(jié)、安順、六盤水和興義等市。草地主要分布于低溫、高濕和高海拔的條件下，與人類活動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)性較小。貴州省草地是森林植被遭到人為破壞后形成的次生草地，在溫度較高、海拔較低的區(qū)域，經(jīng)過人類破壞后形成的草地，可以迅速向灌木和林地演替，在溫度較低、降水較多、海拔較高的地區(qū)正向演替困難，能夠形成比較穩(wěn)定的次生草地，形成草地主要分布于溫度較低、海拔較高，濕冷的環(huán)境空間格局。希望本研究能夠?yàn)楦玫亻_發(fā)利用貴州省草地資源提供一定的決策支持。

關(guān)鍵詞：貴州省;天然草地;群落演替;主成分回歸分析

中圖分類號(hào)：S812.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0457（2021）03-0029-07

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.03.005

A GIS Based Spatial Distribution Analysis of Grassland in Guizhou Province

NIE Xiangqin1，2，YANG Shenghui1，3，YANG Qin1，ZHANG Shuwei1，CHEN Keke1，CHEN Guanfei1，CHENG Hua4，ZHAO Xuechun1，DONG Rui1，LI Zhou1，WEI Jianzhou5 ，JIN Baocheng1*

（1.College of Animal Science，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China;2.Fujian Agriculture And Forestry University Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation，F(xiàn)ujian Agriculture And Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China;3.State Key Laboratory of Grassland Agroecosystems/College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730020，China;4.School of Life Sciences，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000，China;5.Center for Quantitative Biology/College of Science，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu 730000，China）

Abstract：

This paper took grassland in Guizhou province as research object，and the spatial distribution of natural grassland and their influencing factors were explored using GIS methods，correlation analysis and principal component analysis based on the 30-meter resolution land cover data set of Guizhou province.The results showed that the grassland of Guizhou province was about 1，785，100 hectares，accounting for about 1/10 of the territory of Guizhou province.The grassland of Guizhou province mainlydistributed in Bijie，Anshun，Liupanshui，and Xingyi.Grassland mainly distributed under the conditions of low temperature，high humidity and high altitude，and had no correlation with the intensity of human activities.The grassland in Guizhou province was the secondary grassland formed after the destruction of forest vegetation by human factors.In the regions with higher temperature and lower altitude，the grassland formed after the destruction of human beings can be quicklyreplaced by shrub and forest.However，the progressive succession was difficult for areas with low temperature，high precipitation and high altitude，forming relatively stable secondary grassland and the specific wet-cold environment spatial distributed pattern.We hoped that this study can provide decision support for the better development and utilization of grassland resources in Guizhou province.

Keywords：

Guizhou Province;natural grassland;community succession;principal component analysis

草地種類繁多，空間分布廣泛，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1-3]。草地在經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)等方面均具有較高的價(jià)值[4- 5]。草地生態(tài)系統(tǒng)向人類社會(huì)提供大量的植物資源、畜牧產(chǎn)品[6-7]。南方草地多屬于熱帶和亞熱帶濕潤氣候，水熱資源豐富，草山草坡面積大，具有發(fā)展草地農(nóng)業(yè)的巨大潛力[8]。貴州省位于中國西南部，屬于比較典型的南方草地，草地資源豐富[9-10]，草地資源類型主要有山地丘陵灌木草叢類草地、山地丘陵疏林草叢類草地、山地丘陵草叢類草地、低地草甸類草地、山地草甸類草地、平原沼澤類草地[11]。各種類型草地大多零星分布于林地、農(nóng)地、山嶺、河谷之間[12-13]。

貴州省草地空間分布與溫度和降水等自然條件有關(guān)，同時(shí)也受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素影響。一般傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，貴州天然草地為森林植被遭受人類活動(dòng)破壞后逆向演變而成[14-16]，大多數(shù)草地不穩(wěn)定，正處于向灌木和林地的演替過程之中，而只有少部分草地處于比較穩(wěn)定的次生的偏途頂極群落—“土壤頂極”，已不能恢復(fù)成森林。如果沒有人類活動(dòng)影響，在南方地區(qū)高溫度和濕度的氣候條件下，短時(shí)間內(nèi)會(huì)朝著灌木—森林的方向正向演替[17-23]，說明人類活動(dòng)應(yīng)該是南方草地空間分布的重要影響因素。貴州地形破碎，立體氣候明顯，土壤多為酸性[24]，草地類型繁多，退化嚴(yán)重[25]，巖溶區(qū)草地面積占草地總面積超過50%，其中接近40%的草地發(fā)生了輕度及以上的石漠化[26-27]，分析貴州省草地空間分布及其影響因素，有助于促進(jìn)草地生態(tài)畜牧業(yè)發(fā)展，還有利于貴州省水土保持和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)[26-28]，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。但是，目前對(duì)貴州省草地空分布影響因素的定量分析尚未見報(bào)道。

本研究以貴州草地為研究對(duì)象，基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)，獲得貴州草地空間分布，繼而分析其與溫度、降水、海拔和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素相關(guān)關(guān)系，希望能夠加深理解貴州草地分布形成機(jī)制，能夠?yàn)楦玫亻_發(fā)利用貴州省草地資源，為草地生態(tài)建設(shè)提供一定的決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省位于中國西南部，東經(jīng)103°62′～109°55′、北緯24°59′～29°23′，海拔147～2 900 m。亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候[29]，大部分地區(qū)年平均氣溫在14～16℃，降水量1 100～1 300 mm，無霜期250～300 d（中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)：http：//data.cma.gov.cn/）。土壤類型以黃壤為主[30]。以石灰?guī)r及其他碳酸鹽為主的喀斯特地貌在全省廣泛分布[31- 32]。草地資源豐富，主要有山地丘陵灌木草叢、山地丘陵疏林草叢、山地丘陵草叢、低地草甸、山地草甸、平原沼澤等草地類型[11]。

1.2 研究方法

收集數(shù)據(jù)包括草地空間分布、自然條件和人類活動(dòng)等三個(gè)方面（表1）。自然影響因素包括：氣候數(shù)據(jù)（年平均氣溫、≥10℃積溫、年平均降水量、干燥度、濕潤指數(shù)）[33-34]、土壤（年平均表層土壤溫度）、地形數(shù)據(jù)（海拔DEM）;使用人口[35]和GDP [36-39]表征人類活動(dòng)。草地空間分布來自全球地表覆蓋數(shù)據(jù)集（FROM-GLC-agg）30米分辨率土地利用數(shù)據(jù)[40-43]，在ArcMap10.8軟件中提取貴州省草地空間分布數(shù)據(jù)。

采取單因素線性相關(guān)分析、逐步回歸分析和主成分分析來探索影響貴州省草地空間分布的因素。先用Excel 2010做單因素線性相關(guān)分析，以82個(gè)縣區(qū)的草地面積比例為分析樣本，篩選出對(duì)草地面積比例影響程度較大的因素，然后用SPSS 24.0做逐步回歸分析。主成分分析利用SPSS 24.0軟件，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后對(duì)9個(gè)因子提取主成分，根據(jù)主成分的分布情況分析影響貴州省草地分布的主要因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州省草地概況

貴州省草地面積178.51萬hm2，占貴州省國土面積的10.13%（圖1）。具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性，主要分布于西部地區(qū)的畢節(jié)、安順、六盤水和興義等市，而東部的銅仁、凱里和都勻等市則分布較少。

以行政區(qū)劃縣來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，畢節(jié)市、水城縣、盤縣、大方縣、晴隆縣等5個(gè)縣市的草地面積比例超過30%（圖2），而錦屏縣、長(zhǎng)順縣、松桃苗族自治縣、江口縣、平壩縣、清鎮(zhèn)市等6個(gè)縣市的草地面積比例小于1%（圖2）。

2.2 相關(guān)性分析

表層土壤溫度、年平均降水量、人口和GDP等4個(gè)因素與草地面積比例相關(guān)性不顯著（P>0.05），年平均氣溫、≥10℃年積溫、干燥度、濕潤指數(shù)和海拔高程等5個(gè)因素與草地面積比例相關(guān)性顯著（P<0.05），其中海拔高程（DEM）和濕潤指數(shù)與草地面積比例正相關(guān)，而年平均氣溫、≥10℃年積溫和干燥度與草地面積比例負(fù)相關(guān)（圖3）。

因此，選取年平均氣溫、≥10℃積溫、干燥度、濕潤指數(shù)和海拔高程等5個(gè)因素進(jìn)行線性回歸分析，通過模型的篩選，最后只有干燥度和多年平均氣溫通過檢驗(yàn)，線性回歸方程如下：

Y=72.78-48.06X1-1.79X2，

式中，Y代表草地面積百分比，X1代表干燥度，X2代表年平均氣溫，單位℃。最終回歸方程的R2為0.37，同時(shí)P<0.01，說明自變量與因變量的線性關(guān)系較密切，相關(guān)關(guān)系極顯著。

2.3 主成分回歸分析

各因素Bartlett檢驗(yàn)F值等于0.00，表明所取數(shù)據(jù)來自正態(tài)分布總體，KMO檢驗(yàn)值0.66大于0.5，說明可以進(jìn)行主成分分析。貴州省草地空間分布的各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率見表2，其中特征值大于1的主成分有三個(gè)，解釋能力分別為40.66%，28.74%和21.01%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.41%，表明這三個(gè)因子包含了絕大部分信息，其變化可以代表前述9個(gè)原始變量的變化，因此本次研究最終提取前三位主成分。

將上述三個(gè)因子進(jìn)行方差最大旋轉(zhuǎn)后的轉(zhuǎn)軸分析結(jié)果進(jìn)行大小排列（表3）。對(duì)表中負(fù)荷量大于0.5的因素分析表明，第一主成分在≥10℃積溫、年平均氣溫、表層土壤溫度、海拔高程（DEM）上有較大載荷，因此命名為溫度海拔因子。第二個(gè)主成分與干燥度、濕潤指數(shù)和年平均降水量相關(guān)，因此命名為水分因子。第三個(gè)主成分與GDP和人口有關(guān)，從GDP和人口方面反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，因此命名為人類活動(dòng)因子。

將所獲得的三個(gè)主成分作為自變量與草地面積比例在SPSS 24.0中作逐步線性回歸分析，最后第一主成分與第二主成分通過篩選，得到的線性回歸方程如下：

Y=8.80 -1.66C1+3.09 C2，

式中，Y代表草地面積百分比，C1代表第一主成分，C2代表第二主成分。最終回歸方程的R2為0.37，同時(shí)P<0.01，說明第一主成分和第二主成分與因變量的線性關(guān)系較密切，相關(guān)關(guān)系極顯著。第一主成分為溫度海拔因子，在回歸方程中與草地面積比例回歸系數(shù)為-1.66，與草地面積所占比例呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度海拔越高，草地面積越低;第二主成分為水分因子，在回歸方程中與草地面積比例回歸系數(shù)為3.09，與草地面積所占比例呈正相關(guān)關(guān)系，即水分因子越高，草地面積越高。相較于溫度海拔因子對(duì)草地面積比例的影響，水分因子對(duì)草地面積比例影響更為顯著。

3 結(jié)論與討論

本文基于全球地表覆蓋數(shù)據(jù)集（FROM-GLC-agg）30米分辨率土地利用數(shù)據(jù)[40-43]，得到貴州省草地面積約178.51萬公頃，約占貴州省國土面積1/10。該數(shù)據(jù)低于前期貴州草山草坡占全省總面積20%以上的結(jié)果[11，15，18，27，44-47]，而與主要應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)的第二次土地調(diào)查結(jié)果（163.13萬公頃）接近，甚至大于近期草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)（占全省國土面積6.54%）[10，48]。草地空間分布趨勢(shì)與之前研究一致，尤其是連片草地，均主要分布于西部地區(qū)的畢節(jié)、安順、六盤水和興義等市[44，48]（圖1）。貴州省草地破碎，地塊面積偏小，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可能會(huì)忽略較小的草地斑塊，導(dǎo)致測(cè)量草地面積偏小。草地面積和空間分布是草地生物量及生物地球化學(xué)過程計(jì)算的基礎(chǔ)[47]，對(duì)制定合理的草地資源利用和保護(hù)政策具有重要作用，未來研究應(yīng)該探索從不同學(xué)科和技術(shù)方法，提高貴州省草地面積和空間分布數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

之前研究認(rèn)為貴州天然草地為森林植被遭受人類活動(dòng)破壞后逆向演變而成[14-16]，大多數(shù)草地不穩(wěn)定，正處于向灌木和林地的演替過程之中，而只有少部分草地處于比較穩(wěn)定的次生的偏途頂極群落—“土壤頂極”，已不能恢復(fù)成森林。如果沒有人類活動(dòng)影響，在南方地區(qū)高溫度和濕度的氣候條件下，短時(shí)間內(nèi)會(huì)朝著灌木—森林的方向正向演替[17-23]，說明人類活動(dòng)應(yīng)該是南方草地空間分布的重要影響因素。但是，本研究運(yùn)用單因素線性相關(guān)分析和主成分回歸分析方法，探索了貴州省天然草地空間分布的影響因素，發(fā)現(xiàn)草地分布與水分因子關(guān)系最大，溫度因子和海拔高程因子次之，草地主要分布于低溫高濕的地區(qū)，而與人類活動(dòng)的相關(guān)性較小。

貴州省草地空間分布的決定因素是水分條件和溫度，傾向于分布在高濕—低溫的環(huán)境。許鵬等[49]提出非生物因素、生物因素、人類活動(dòng)綜合影響草地的論點(diǎn)，非生物因素對(duì)草地具有決定性的影響，水熱條件在非生物因素中具有重要地位，決定著顯域性的地帶性草地的形成;地形和土壤基質(zhì)對(duì)水熱的再分配是決定隱域性與顯域性草地非地帶性形成的關(guān)鍵。水熱條件也是作為草地高級(jí)分類單位的主導(dǎo)因素[50]，辛玉春等[51]、潘竟虎等[52]的研究進(jìn)一步表明草地的分布受到水熱及地形對(duì)水熱再分配的影響。貴州省為丘陵地貌，海拔差異大，高海拔地區(qū)溫度低，又能夠有足夠的水分保證，導(dǎo)致貴州草地呈現(xiàn)高海拔地區(qū)草地分布較多，而低海拔地區(qū)草地分布較低的現(xiàn)狀。

形成以上空間分布格局的可能原因是貴州省的草地是森林植被遭到人為因素的破壞后而形成的次生草地，森林遭受破壞后，草地開始發(fā)生次生演替。在溫度較高、海拔較低的區(qū)域，經(jīng)過人類破壞之后形成的草地，則可以迅速向灌木和林地演替，而在溫度較低、降水較多、海拔較高的地區(qū)正向演替成森林比較困難[22-23，53-55]，例如有研究表明美國東部低緯度棄耕地演替成50%林地植被覆蓋所需時(shí)間為8～12年，中緯度需要16～25年，高緯度需41～60年[56]，短時(shí)間內(nèi)不能演替成以高大喬木為優(yōu)勢(shì)的森林群落，形成比較穩(wěn)定的次生草地，發(fā)展成為比較穩(wěn)定的次生的偏途頂極群落—“土壤頂極”草地群落，最終形成的草地主要分布于溫度較低、海拔較高、濕冷的環(huán)境空間格局。

貴州省草地面積178.51萬公頃，約占貴州省國土面積1/10。具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性，主要分布于西部地區(qū)的畢節(jié)、安順、六盤水和興義等市。通過單因素線性相關(guān)分析和主成分回歸分析方法，探索草地空間分布影響因素，我們發(fā)現(xiàn)貴州省草地主要分布于低溫、高濕的氣候條件下，而與人類活動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)性較小。猜測(cè)形成以上空間分布格局的可能原因是：貴州省的草地是森林植被遭到人為因素的破壞后而形成的次生草地，在溫度較高、海拔較低的區(qū)域，經(jīng)過人類破壞之后形成的草地，則可以迅速向灌木和林地的演替，而在溫度較低、降水較多、海拔較高的地區(qū)正向演替困難，成為比較穩(wěn)定的次生草地，因此形成草地主要分布于溫度較低、海拔較高，濕冷的環(huán)境的空間。

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