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長時間序列不同載畜率草地植被蓋度時空分布特征分析

2015-01-22 10:34:36王薩仁娜畢其格
產業(yè)與科技論壇 2015年7期
關鍵詞:蓋度覆蓋度試驗區(qū)

□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重要指標。在小尺度的草地生態(tài)研究中,通常采用地面實測法獲取植被信息,其優(yōu)點是精確度較高,缺點是耗時耗力,有時會因為缺少往年的調查數據而難以進行長時間尺度的對比研究,而遙感的優(yōu)勢可以提供相應的技術支持。遙感具有大尺度、時間序列數據連貫等特點。很早就有研究表明,遙感數據可以預測植被覆蓋,能夠用于草地植被覆蓋調查。但是由于適合小尺度的高空間分辨率衛(wèi)星數據價格昂貴,相關小尺度的草地遙感監(jiān)測的文章很少。Landsat衛(wèi)星數據具有空間分辨率較高、時間序列性強、免費共享等特點,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)星的長時間序列數據的優(yōu)點,監(jiān)測不同載畜率放牧草地的時空變化特征,通過植被蓋度的動態(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依據。

一、試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內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111°88'00″,平均海拔1,440m。氣候屬于典型的中溫帶大陸性氣候,降水量較少,春季干旱多風,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、8三個月,≥10℃的年積溫為2,200~2,500℃,無霜期175d;全年主要風向為北風和西北風,大風主要集中在春季。

試驗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。試驗地在放牧試驗開始前經過了多年的連續(xù)放牧,草地植被處于退化狀態(tài)。

試驗區(qū)總面積為51.9hm2,共分為12個樣地,各樣地平均面積4.33hm2。樣地設置4個梯度處理,3次重復。4個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)和一個對照區(qū)(Control grazed,CK)),試驗各區(qū)隨機選擇排列;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,綿羊為內蒙古細毛羊。

二、數據源與研究方法

(一)數據源。Landsat衛(wèi)星數據: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年試驗區(qū)遙感影像有較大條帶,缺失部分數據,故只使用2002、2004、2006、2007、2008、2009、2010、2011、2013、2014年8月10期數據,數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云(http://www.gscloud.cn);其他數據:植物樣方數據:試驗區(qū)2010年8月1×1植物樣方調查數據,包括植物蓋度、密度、高度及干重。

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

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

NDVI計算公式:

其中,NIR為遙感數據對應的近紅外波段,R為對應的紅波段。

VFC計算公式:

VFC:代表植被覆蓋度;NDVI:代表歸一化植被指數,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)數據分析軟件。ENVI遙感圖像處理軟件,ARCGIS地理信息系統(tǒng)軟件,Excel、SPSS統(tǒng)計分析軟件。

三、結果與分析

依據試驗區(qū)2010年地面實測植被覆蓋度數據,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年植被覆蓋時空分布特征。2002年,試驗區(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,試驗區(qū)各級植被覆蓋開始呈現顯著差異(P<0.05)(圖2)。

圖1 2002~2014年植被覆蓋數據

(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平緩,在平穩(wěn)中呈現下降趨勢;MG區(qū)和HG區(qū)的低覆蓋植被波動較大,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中呈現下降趨勢,MG區(qū)和HG區(qū)則在波動中呈增加趨勢。

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)中高覆蓋植被呈現增加趨勢,而MG區(qū)和HG區(qū)則呈現顯著下降趨勢。

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

數據顯示,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、中高覆蓋植被呈現增加趨勢,而在放牧區(qū),MG和HG均呈現減少趨勢,LG區(qū)只有高植被覆蓋呈現減少趨勢。在放牧的三個處理中,LG區(qū)與其他兩個區(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)均呈現反方向發(fā)展。

從試驗前后數據變化可以發(fā)現,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最有效的管理方式;在放牧區(qū),LG區(qū)植被覆蓋也呈現正向發(fā)展狀態(tài),植被覆蓋也從試驗前以中低覆蓋為主恢復到以中覆蓋、中高覆蓋為主,因此數據說明輕度放牧不會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;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,結果顯示:試驗區(qū)植被覆蓋時空分布特征總體表現為(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、結語

在不同載畜率水平下,荒漠草原植被覆蓋呈現顯著差異(P<0.05)。試驗前,不同處理區(qū)植被覆蓋無差異;而2004年試驗開始后,不同處理區(qū)各級植被覆蓋變化較大。試驗區(qū)植被蓋度時空分布特征表現為: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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