区域尺度环境因素与植被特征的关系研究——以呼伦贝尔草原为例

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作为欧亚大陆草原的重要组成部分,研究环境因子与植被动态之间关系对认识呼伦贝尔草原生态系统运行机制具有十分重要的意义。本文通过样带调查,对不同草地管理方式下生物量、生物多样性以及土壤性质比较研究,同时验证放牧最优化假说,功能平衡假说等,旨在探索可持续草地管理方式。在此基础上通过分类回归树筛选出非生物因子中影响植被特征和生物量的主要因子,利用结构方程模型定量化这些影响作用的大小。基于得到的主要影响因子,利用广义加性模型把这些主要影响因子和植被特征建模,以预测不同管理模式下植被特征随着主要影响因子的未来变化趋势。结合遥感技术手段,分析了40年来(1973-2013)该区域温度、降水以及干燥度的时空变化格局。利用GIMMS遥感产品,分析呼伦贝尔1982-2006年以来的NDVI时空动态,进而分析对应时间序列气候要素与植被指数之间的关系。利用样带调查和遥感产品分析相结合,以期探索影响呼伦贝尔草地植被动态的主要因子,为草地可持续发展提供理论依据。主要结论如下:  1)研究了不同草原管理方式下植被特征和土壤性质之间的关系,发现,地上生物量(aboveground biomass,AGB)和地下生物量(Belowground biomass,BGB)在放牧方式下低于围封和刈割,但是根冠比(Root/shoot,R/S)结果相反;不放牧对AGB和BGB有明显提高作用,与生物多样性及土壤养分一样,刈割和围封是有效的草地保护措施。  2)通过分类回归树(Classification And Regression Tree,CART)分析,发现与AGB关系较密切的因子有经度、纬度、土壤有机碳(Total organic carbion,TOC)和土壤含水量(Soil water content,SWC);影响BGB的主要因子有TOC、总磷(Total phosphorus,TP)、速效磷(Available phosphorus,AP)和容重(Bulk density,BD);影响R/S的主要因子有纬度、总氮(Total nitrogen,TN)、BD、TOC和AP。影响AGB最大的是经度,总效应是0.633;影响BGB最大的是土壤总有机碳,总效应是0.532,其次是土壤容重;影响R/S最大的是经度,总效应是-0.872。根据结构方程模型(Structural equation modeling,SEM)得出的结论,经纬度对生物量的影响比较大,即水热对生物量具有较大的影响,因此接下来分析温度、降水与生物量的关系。发现,随着温度升高,AGB和BGB都是降低的,而随着降水的增加,AGB和BGB都是升高的。讨论水热对土壤养分的影响,发现,随着降水增加,土壤TOC和TN是增加的,而随着温度的升高,土壤TOC和TN是降低的。  3)通过广义加性模型(Generalized additive models,GAM)预测AGB,BGB,凋落物和盖度随着典型变量的变化趋势,发现AGB随着降雨的增加而增加,BGB呈现相反趋势,BGB随着TOC总体上呈现增加趋势;BGB,凋落物和盖度随着AP的增加而增加,符合功能平衡假说。  4)1973-2013年,时间序列上呼伦贝尔区域年降雨量变化不明显,而年均温度趋势上升明显(P<0.05),就干燥度而言,呈现下降趋势,但是趋势也不显著。  5)1982-2006年,时间序列上,距平分析表明呼伦贝尔区域NDVI均值呈显著下降趋势(P<0.01),且森林,草甸和湿地均呈现显著下降趋势,而草原变化不明显,这可能与采取的有效的草地管理措施有关。空间上,植被指数变幅表明中东部呈下降趋势,而西部植被向好趋势明显,1982-2006以来最大变幅达到96.73%。
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