楊 磊, 熊黑剛

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院, 烏魯木齊 830052;3.北京聯(lián)合大學(xué) 應(yīng)用文理學(xué)院, 北京100083; 4.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046)

草地具有獨(dú)特的資源優(yōu)勢(shì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，一直都是人類居住的理想場(chǎng)所，是人類社會(huì)文明和進(jìn)步的發(fā)祥地[1-2]。目前關(guān)于草地生物量研究的方法主要使用的是傳統(tǒng)的直接收獲法[3-5]，利用遙感估測(cè)法對(duì)草地生物量進(jìn)行分析的研究也較多[6-8]，還有些研究既使用了遙感方法對(duì)生物量進(jìn)行估測(cè)又對(duì)草原生物量的影響因素進(jìn)行了分析[3,6-7,9-10]。

有關(guān)阿勒泰草地的研究，俞婷[11]對(duì)阿勒泰市草原退化的原因進(jìn)行了分析，張煒[12]對(duì)阿勒泰市退牧還草工程生態(tài)效益進(jìn)行了探討；劉興元[13]依據(jù)功能分區(qū)指數(shù)，將阿勒泰牧區(qū)草地從空間上劃分為：高效經(jīng)濟(jì)、生態(tài)保護(hù)和混合功能區(qū)，然而關(guān)于整個(gè)阿勒泰地區(qū)草原的研究報(bào)道還是比較少的，只是涉及阿勒泰部分區(qū)域：如秦春艷等[14]對(duì)阿勒泰布爾津縣土地利用變化進(jìn)行了分析；趙炎等[15]、馬麗[16]分別對(duì)阿勒泰地區(qū)福?？h、富蘊(yùn)縣不同類型草地的主要物種、產(chǎn)草量、載畜量進(jìn)行了分析。而有關(guān)阿勒泰地區(qū)草原生物量的研究更是少之又少：沙依拉[17]只是通過一年(2009年)數(shù)據(jù)分析了阿勒泰山區(qū)的草原生物量在月間(6月、7月、8月、9月)的差異，也沒有包括平原地區(qū)；鈔振華[18]在2004年開展相關(guān)研究時(shí)，只計(jì)算了各個(gè)縣不同產(chǎn)草量等級(jí)的草地面積占比情況；即使毛繼榮[19]分析了阿勒泰地區(qū)1980—2011年的草原退化，但只有少量的1980年與2011年的草原生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。以上報(bào)道均未系統(tǒng)回答不同草地類型的植被特征，也未分析阿勒泰草原生物量在空間上的分布特征，而本文所用數(shù)據(jù)量覆蓋均勻分布于阿勒泰6縣1市162個(gè)大樣地、365個(gè)小樣方，針對(duì)以上問題開展相關(guān)研究，為草原生態(tài)保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿勒泰地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)最北部，地處北緯45°00′—49°11′，東經(jīng)85°31′—91°04′。東、北、西分別和蒙古、俄羅斯、哈斯克斯坦等國(guó)為鄰。阿勒泰地區(qū)隸屬伊犁哈薩克自治州，包括阿勒泰市、哈巴河縣、布爾津縣、福?？h、富蘊(yùn)縣、青河縣、吉木乃縣7縣(市)，4個(gè)地方國(guó)營(yíng)農(nóng)牧廠和兵團(tuán)第十師團(tuán)場(chǎng)。

阿勒泰地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，大氣干燥，自然降水少。西部、山地降水多，年降水量可達(dá)400～600 mm。森塔斯(阿勒泰市山區(qū))年降水量最多，高達(dá)700 mm以上，積雪深度1～2 m，成為亞洲大陸腹地的“濕島”。東南部、丘陵平原區(qū)降水少，年降水量只有150～200 mm，積雪深度30～80 cm。南部荒漠(戈壁)區(qū)年降水量約95 mm，少積雪。阿勒泰草地位于荒漠氣候控制之下，草地類型以荒漠類草地占優(yōu)勢(shì)，占全區(qū)草地面積的70%以上。草地利用上具有明顯的季節(jié)性特征，全年分為夏牧場(chǎng)、春秋場(chǎng)和冬牧場(chǎng)3種季節(jié)牧場(chǎng)，四季輪換利用，其中春秋場(chǎng)一年利用兩次。

針對(duì)不同草地類型，阿勒泰地區(qū)包含有高寒草甸、山地草甸、沼澤、低地草甸、溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠化草原、溫性草原化荒漠和溫性荒漠9種類型。

1.2 草地植被監(jiān)測(cè)

在阿勒泰市、吉木乃、哈巴河、富蘊(yùn)、福海、青河、布爾津6縣1市，于2014年7月16—30日進(jìn)行不同草地類型地上植被監(jiān)測(cè)：草地調(diào)查嚴(yán)格按照《草原資源與生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》NY/T1233—2006要求進(jìn)行布設(shè)，共設(shè)監(jiān)測(cè)樣地179個(gè)，去掉水蝕、風(fēng)沙等嚴(yán)重破壞的，共有162個(gè)樣地、1 m×1 m的樣方365個(gè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地理位置、海拔高度、坡向、坡位、土壤質(zhì)地、植物種類、植物高度、植物蓋度，并將樣方內(nèi)植物齊地刈割，然后稱重，再帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱干重，以獲取地上生物量數(shù)據(jù)。

1.3 生活型劃分

植物生活型是植物對(duì)綜合環(huán)境條件的長(zhǎng)期適應(yīng)，而在外貌上反映出來的植物類型[20]。研究區(qū)內(nèi)植被類型多為草原，零星喬木或者灌木，在植物群落中不是建群種或者優(yōu)勢(shì)種，多為偶然出現(xiàn)。在進(jìn)行生活型劃分時(shí),我們首先依據(jù)Whittaker[21]對(duì)維管植物通生活型的劃分依據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)刂参锷鷳B(tài)學(xué)特征，將調(diào)查到的草原植物劃分為灌木、小半灌木、多年生草本、一年生草本。下文出現(xiàn)的植被生活型縮寫情況：AH為一年生草本植物(annuals)；ABH為一、二年生植物(annuals and biennials)；PH為多年生草本(perennial herbs)；S為灌木(shrubs)；SS為半灌木(小半灌木)(sub-shrubs)。

1.4 草原生物量遙感反演

本文將阿勒泰地區(qū)草原產(chǎn)草量情況分為6個(gè)等級(jí)：(1) 產(chǎn)草量60～300 kg/hm2，(2) 產(chǎn)草量300～350 kg/hm2，(3) 產(chǎn)草量350～400 kg/hm2，(4) 產(chǎn)草量400～500 kg/hm2，(5) 產(chǎn)草量500～1 500 kg/hm2，(6) 產(chǎn)草量大于1 500 kg/hm2。

利用2014年阿勒泰地區(qū)6縣1市162個(gè)監(jiān)測(cè)樣地、365個(gè)1 m×1 m的草地樣方生物量數(shù)據(jù)，以及2014年7月底草地生物量實(shí)地調(diào)查同期NDVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)，建立實(shí)測(cè)生物量與NDVI指數(shù)回歸關(guān)系，最后借助ArcGIS 10.5，反演阿勒泰地區(qū)草原生物量空間變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類型植被組成

表1是本研究對(duì)阿勒泰地區(qū)草地物種組成情況進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果，在本次調(diào)查中，共發(fā)現(xiàn)了127種植物，隸屬于22科，70屬。就生活型構(gòu)成而言，與一、二年生植物相比，多年生草本所占比例最大。

表1 不同草地類型物種組成

續(xù)表1

續(xù)表1

阿勒泰地區(qū)不同草地類型物種組成不同。通過計(jì)算不同草地類型不同物種的重要值，發(fā)現(xiàn)：高寒草原以羽衣草(Alchemillasp.)、苔草、羊茅和早熟禾等為主(圖1A)；山地草甸以苔草、羽衣草、針茅、老鸛草等為建群種(圖1B)；沼澤以蘆葦(Phragmitesaustralias)、莎草等為主(圖1C)；低地草甸以蘆葦、偃麥草、拂子茅、甘草等植物為主(圖1D)；溫性草甸草原以千葉蓍、苔草、早熟禾等植物為主(圖1E)；溫性草原以苔草、針茅、羊茅為主要植物(圖1F)；溫性草原化荒漠主要是以針茅、芨芨草等植物為主(圖1G)；溫性荒漠以蒿子、駝絨藜、假木賊、木地膚等植物為主圖(1H)。

綜合以上，阿勒泰地區(qū)不同草地類型的物種組成中，高寒草原以禾本科、莎草科植物為主；山地草甸以禾本科、莎草科、薔薇科植物為主；沼澤以禾本科、莎草科植物為主；低地草甸以禾本科、豆科植物為主；溫性草甸草原以菊科、禾本科、莎草科為主；溫性草原以菊科、禾本科、莎草科為主；溫性草原化荒漠主要是菊科、禾本科為主；溫性荒漠以菊科、藜科為主。

圖1 各種草地類型中植物重要值

2.2 不同草地類型植被特征

2.2.1 不同草地類型海拔高度特征 表2是不同草地類型的海拔高度，大小依次排列為：高寒草甸>山地草甸>溫性草甸草原>溫性草原>溫性荒漠化草原>溫性草原化荒漠>溫性荒漠>沼澤>低地草甸。其中，第一等級(jí)是高寒草甸海拔最高，第二等級(jí)是山地草甸、溫性草甸草原，最低等級(jí)是溫性荒漠，這3個(gè)等級(jí)差異顯著(p<0.05)。

2.2.2 不同草地類型植被高度特征 由表3可知，阿勒泰地區(qū)草地植被高度(草群平均高度)在不同草地類型中的排序?yàn)椋赫訚?低地草甸>溫性草甸草原>山地草甸>溫性草甸>溫性草原化荒漠>溫性荒漠草原>高寒草甸>溫性荒漠。其中，植被高度最高的等級(jí)包含沼澤、低地草甸，植被高度為49.10～59.50 cm，并與其他植被類型的植被高度差異顯著(p<0.05)。

表2不同草地類型海拔高度分布范圍、平均值

m

表3 不同草地類型植被高度范圍、平均值 cm

2.2.3 不同草地類型植被蓋度特征 由表4可知，不同類型草地植被蓋度由大到小排序?yàn)椋赫訚?低地草甸>山地草甸>高寒草甸>溫性草甸草原>溫性荒漠草原>溫性草原>溫性荒漠>溫性草原化荒漠。其中，第一等級(jí)是高寒草甸、山地草甸、沼澤和低地草甸，具有較高的植被蓋度，植被蓋度在78.3%～87.5%，第二等級(jí)是溫性草甸草原植被蓋度為67.0%，第三等級(jí)為溫性草原與溫性荒漠草原，蓋度在46.9%～46.0%，植被蓋度等級(jí)最低是的溫性草原化荒漠與溫性荒漠，這4個(gè)等級(jí)差異顯著(p<0.05)。

表4 不同草地類型植被蓋度范圍、平均值 %

2.2.4 不同草地類型生物量特征 從表5可以看出，不同類型草地地上生物量由大到小排序?yàn)椋赫訚?低地草甸>溫性草甸草原>山地草甸>溫性草原>高寒草甸>溫性草原化荒漠>溫性荒漠。其中，第1等級(jí)為沼澤，擁有最高生物量為(1 606.8±95.50) g/m2(鮮重)，(521.67±33.27) g/m2(干重)；第2等級(jí)為低地草甸，生物量為(764.80±168.68) g/m2(鮮重)，(240.71±59.28) g/m2(干重)，第3等級(jí)為溫性草甸草原、山地草甸，生物量為369.42～411.09 g/m2(鮮重)，113.60～116.47 g/m2(干重)，其余類型為第4等級(jí)，生物量在57.99～153.83 g/m2(鮮重)，21.45～48.04 g/m2(干重)。以上4個(gè)等級(jí)差異顯著(p<0.05)。

表5 不同草地類型地上生物量(鮮重)范圍、平均值 g/m2

2.3 阿勒泰草原生物量空間分布特征

圖2量化了實(shí)測(cè)生物量與歸一化植被指數(shù)NDVI關(guān)系，兩者之間的關(guān)系可用冪函數(shù)來模擬：y=7695.807x1.327(R2=0.421，p<0.05)。

圖2 地上生物量與歸一化植被指數(shù)回歸模型

現(xiàn)分析阿勒泰草原生物量空間分布情況。基于均勻分布于6縣1市草原生物量數(shù)據(jù)，得到阿勒泰地區(qū)2014年生物量分布圖(圖3A)，可以看出阿勒泰地區(qū)草原生物量空間分布呈自南向北逐漸增加的趨勢(shì)，這與該區(qū)水分自南向北遞增的趨勢(shì)一致。結(jié)合行政區(qū)劃(圖3B)，福海縣、富蘊(yùn)縣、青河縣以南生物量水平較低，越向準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠方向生物量越少。

圖3 草原生物量分布

3 結(jié) 論

(1) 阿勒泰地區(qū)不同草地類型物種組成為：高寒草原以禾本科(羊茅、早熟禾等)、莎草科(苔草等)植物為主；山地草甸以禾本科(早熟禾、禾草等)、莎草科(苔草等)、薔薇科(羽衣草等)植物為主；沼澤以禾本科(蘆葦?shù)?、莎草科(莎草等)植物為主；低地草甸以禾本科(蘆葦、拂子茅、偃麥草等)、豆科(甘草等)植物為主；溫性草甸草原以菊科(千葉蓍等)、禾本科(早熟禾、羽狀針茅等)、莎草科(苔草等)為主；溫性草原以菊科(蒿子等)、禾本科(針茅、羊茅等)、莎草科(苔草等)為主；溫性草原化荒漠主要是菊科(絹蒿等)、禾本科(針茅等)為主；溫性荒漠草原以禾本科(針茅、隱子草等)、菊科(蒿子等)、藜科為主(木地膚等)；溫性荒漠以菊科(蒿子等)、藜科(駝絨藜、假木賊、木地膚等)為主。

(2) 針對(duì)不同草地類型的植被特征：① 海拔高度中，高寒草甸海拔最高，其次是山地草甸、溫性草甸草原；② 植被蓋度中，第一等級(jí)是高寒草甸、山地草甸、沼澤和低地草甸(蓋度為78.3%～87.5%)，第二等級(jí)是溫性草甸草原(67.0%)，第三等級(jí)為溫性草原與溫性荒漠草原(蓋度為46.9%～46.0%)，最低是的溫性草原化荒漠與溫性荒漠。③ 地上生物量中，第一等級(jí)為沼澤(鮮重為1 606.8±95.50 g/m2，干重為521.67±33.27 g/m2)，第二等級(jí)為低地草甸(鮮重為764.80±168.68 g/m2，干重為240.71±59.28 g/m2)，第三等級(jí)為溫性草甸草原、山地草甸(鮮重為369.42～411.09 g/m2，干重為113.60～116.47 g/m2)，其余草地類型單位面積生物量較小(鮮重為57.99～153.83 g/m2，干重為21.45～48.04 g/m2)。④ 植被高度中，沼澤、低地草甸植被最高(49.10～59.50 cm)，并與其他植被類型形成顯著差異(p<0.05)。

(3) 阿勒泰草原生物量呈現(xiàn)自南向北增加的空間分布特征，這與該區(qū)水分自南向北遞增的趨勢(shì)一致。依據(jù)行政區(qū)劃富蘊(yùn)、福海、吉木乃縣以南地表植被地上生物量水平較低，越向古爾班通古特沙漠方向生物量值越低。