中国北方重点牧区草地群落时空格局及其演变研究——以新疆伊犁地区为例

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人类活动随着人口的增长,对全球环境变化的影响逐渐增大,人类不合理的草地利用,导致了全球草地生态系统被破坏。伊犁地区草地生态系统脆弱,草地退化的直接体现是草地群落结构发生改变,直接制约着草地畜牧业的发展,威胁边疆牧区人民的生活。因此,研究伊犁地区的草地群落的空间格局及演变规律,有利于草地退化修复工作的进一步落实,改善牧区的生态环境,提高牧民的生活水平。鉴于此,本文以新疆伊犁地区为例,采用 GIS技术,基于实测样点调查数据(群落指标数据和土壤指标数据)、遥感数据(DEM和NDVI)和气候数据(气温、降水和湿润度等),建立了空间化模型,实现了评价指标的空间化;从草地群落结构成因驱动、空间格局变化、趋势变化及退化表现等方面对草地群落进行了相关研究,包括草地群落指标与生态要素间的相关及回归分析、评价指标的空间格局分析、评价指标的动态变化趋势及显著性分析、对草地类型定量化判别、草地类型的转移及其成因分析,以期为伊犁地区草地退化的修复工作提供技术支撑以及为其他区域的草地群落研究提供研究方法的借鉴。  伊犁地区草地群落研究的结论主要有:  (1)草地群落指标与生态因子显著相关,草地群落指标与海拔、年均气温、年均降水、≥10℃年积温、湿润度和NDVI建立数学回归模型是可行的。其中①草地平均总盖度、草地土壤容重、草地土壤全氮含量、草地土壤全磷含量和草地土壤有机碳含量与各评价指标全部呈极显著相关(P<0.01);②草地平均高度与海拔、≥10℃年积温和湿润度呈显著相关(P<0.05),与年均气温、年均降水和NDVI呈极显著相关(P<0.01);③草地地上生物量与海拔、年均气温和≥10℃年积温呈显著相关(P<0.05),与年均降水、湿润度和NDVI呈极显著相关(P<0.01);④草地地下生物量与海拔、年均气温、≥10℃年积温和NDVI呈显著相关(P<0.05),与年均降水和湿润度呈极显著相关(P<0.01);⑤草地土壤全碳含量与年均降水和湿润度呈显著相关(P<0.05),与海拔、年均气温、≥10℃年积温和 NDVI呈极显著相关(P<0.01)。  草地群落指标和生态评价因子的线性拟合结果表明:①草地土壤有机碳含量与湿润度的最佳拟合模型是S型曲线模型;②地下生物量与≥10℃积温、草地土壤容重与湿润度间的最佳拟合模型是倒数模型;③草地平均高度与年均气温、草地土壤容重与年均降水、草地土壤全碳含量与NDVI、草地土壤全氮含量与NDVI、土壤有机碳与NDVI间的最佳拟合模型是指数模型;④其余评价因子与生态因子间的最佳模型是二项式模型。  (2)草地群落指标的空间化结果真实地反映了伊犁地区各评价指标的实际分布情况,空间化结果精度较高。①空间化结果与实测结果的协相关系数除地下生物量偏小(R2=0.28),其他8个评价指标的协相关系数全部大于0.5;②空间化结果与实测结果的相对偏差(Bias),全部小于10%;③空间化结果与实测结果的相对精度全部大于67%;④空间化结果与实测结果的均值估测精度达全部大于90%。各评价指标的空间化结果较好的反映了伊犁地区各评价指标的现实空间分布状况,可以弥补当前草地群落指标空间化研究不足的缺陷。  (3)2000~2013年时空格局分析,草地群落年际变化差异显著,草地土壤容重年际变化最小,地下生物量年际变化波动最大;2000~2013年草地群落指标趋势分析表明,除地下生物量和土壤容重呈上升趋势外,其余指标全部呈下降趋势,但是上升和下降趋势不显著,极显著相关区域主要集中在察布查尔锡伯自治县北部和昭苏县东部特克斯河两侧沿岸区域,但区域面积所占比重小;2000~2013年不同评价指标其空间波动的敏感区不同,受降水量变化及人类活动干扰强度(过度放牧、不同的轮作方式)的影响,主要集中在伊犁河以及巩乃斯河两侧沿岸、昭苏县县域北部的伊什格力克山南坡及南部的哈尔克他乌山北坡。  (4)根据半峰值原理,确定各评价指标定量化识别草地类型的阈值范围,依据确定的阈值范围,建立决策树,定量化识别草地类型,分析不同草地类型评价指标的分布特征。定量化分析识别的结果与遥感解译结果对比,空间上分布趋势一致,数值上误差较小,各类草地的精度都达到75%以上,结果真实可靠;与传统地面实际考察及遥感解译相比,可以节省大量人力和财力。  (5)1980s~2000年期间,伊犁地区草地退化严重,最直接的表现就是草地类型的转入转出中,草地类型的减少,非草地类型的增加;2000~2010年期间,草地退化有所好转,草地类型的转入转出中,草地面积增加,非草地面积减少,但局部地区草地还在退化。
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