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典型草原植被盖度与栗钙土层厚度协同演变的相关性研究

李岩  
【摘要】:本文以内蒙古乌珠穆沁典型草原为研究区域,选择具有典型草原地形特征三类地貌为实验样地,基于3S技术,以景观生态学理论和地学统计原理为指导,根据影像资料结合实地样方实验调查,采集连续3年期间对比监测的实验数据,将植被生态状况与土壤环境紧密结合在一起,将已知特点的土壤环境条件与植被景观相联系,分析不同地形地貌的草原植被要素与栗钙土层厚度的关系,对植被盖度与栗钙土层厚度的协同演变进行相关性分析,并绘制了三类不同地貌样地两个不同梯度方向上栗钙土层厚度、土壤含水量和植被盖度间的变化剖面图,直观表达了三者之间的相关性;定量研究典型草原植被盖度与栗钙土层厚度的时空变异,分析了两者在空间分布格局上表现出来的相关性;在此基础上,选用Landsat-8 TM影像数据分别计算了三个实验样地的归一化植被指数(NDVI),进而确定其植被盖度,利用空间叠加分析技术,将计算结果与实测数据经空间插值得到的结果进行对比,确定两者之间相似度,完成植被归一化植被指数(NDVI)与植被盖度间的相关性研究;论文最后重点研究了冷蒿一这种公认的最具有代表性的典型草原退化指示种的频度、密度等与栗钙土层厚度间的相关关系,并利用多元回归分析法分别建立了三类地貌实验样地内植被盖度、出现冷蒿样方的植被盖度以及出现冷蒿且栗钙土层厚度在10cm以下样方内植被盖度与植被自然平均高度、地上生物量、栗钙土层厚度及土壤含水量之间的关系模型。旨在通过高光谱影像解译代表性植被的光谱数据,实现对栗钙土层厚度的监测,进而为建立典型草原植被与土壤空间格局大尺度、快速、动态监测系统,动态展现典型草原土壤特性与植被状况的空间分布及时空变异,提供科学依据和基础数据,为沙源治理工程提供可行的技术方案。论文的主要结论如下:1.用Spearman等级相关系数研究了2012年和2013年三类不同地貌的样地的栗钙土层厚度、土壤含水量与植被各要素间的相关性。结果表明,除2013年波状高平原样地自然环境受到较大程度的人为干扰外,其余样地的栗钙土层厚度、土壤含水量与植被盖度三者间的相关性较高,达到中等相关水平。在此基础上,绘制了三类不同地貌样地两个不同梯度方向上栗钙土层厚度、土壤含水量和植被盖度间的变化剖面图,直观表达了三者之间的相关性,并结合实地勘察,对其原因进行了分析。2.利用半方差函数分别分析了三个实验样地植被盖度与栗钙土层厚度的空间结构,三类不同地貌样地的植被盖度和波状高平原样地的栗钙土层厚度属于弱变异性范围,坡地、低山丘陵样地的栗钙土层厚度属于强变异范围;坡地样地植被盖度空间变异程度最大,波状高平原地貌栗钙土层厚度的空间变异程度虽最大,可以采取减小取样间隔的方法来增加其空间结构信息;三类不同地貌样地的植被盖度和栗钙土层厚度均表现出较强的空间相关性,且由空间自相关部分引起的空间异质性占总空间异质性的80%以上;植被盖度连续性最好的是低山丘陵地貌样地,波状高平原样地的栗钙土层厚度连续性最好。三个样地的植被盖度和栗钙土层厚度均表现出了各向异性,各向同性不显著,空间分布格局较为复杂。3.通过对三个样地植被盖度和栗钙土层厚度空间分布图的对比研究,发现坡地地貌样地和低山丘陵地貌样地植被盖度和栗钙土层厚度的空间分布,表现出较大范围内的一致性,即植被盖度较大的区域内栗钙土层厚度也较厚;波状高平原地貌样地两者的分布几乎没有相关性,这与第四章相关性分析中得出的结论相一致。4.经过对三个样地植被盖度和栗钙土层厚度的定量研究发现,植被盖度在60%以上的区域面积均很小,坡地样地有接近50%区域的植被盖度在40%-50%范围内;低山丘陵和波状高平原地貌样地有一半以上区域的植被盖度介于30%~40%之间,波状高平原样地有90%区域植被盖度在30%~50%范围内。三个样地内沙地所占面积比例均不大,但栗钙土层厚度大于20cm的面积比例也均很小,面积比例最大的是波状高平原地貌实验样地,也仅占样地总面积的13.200%;坡地样地内有53.055%的区域其栗钙土层厚度介于在10-20cm之间,低山丘陵样地内,除了沙地和栗钙土层程度大于20cm这两部分面积外,其它各等级区间多占的面积比例差距不大;波状高平原地貌实验样地内大部分区域内栗钙土层厚度在10 cm以上,约占到总面积的75%,其中在10-20cm范围内的面积比例占该样地总面积的61.421%。5.利用归一化植被指数(NDVI)分别计算出2013年三类不同地貌实验样地的植被盖度,并将此计算结果与每个样地实测实验样方数据经空间插值得到的植被盖度空间插值结果进行对比,分析结果表明,三个实验样地两者之间的相似率分别为93.6%、94.3%和92.3%。由此表明,两种方法在计算植被盖度上具备较高的一致性。6.栗钙土层厚度在1Ocm以下时,不论是出现冷蒿的样方的频数还是冷蒿出现的总密度,均远远大于其它土层厚度等级区间。由此说明随着土壤厚度的减少,土壤因子在典型草原植被生长和物种的演变中的作用越来越显著。当栗钙土层厚度在10cm以下时,土壤对植被生长和物种的演变起主导作用,当栗钙土层厚度大于10cm时,生态因子的协同作用起主导作用。因此,当栗钙土层厚度减少到10cm以下时,要加大对栗钙土层的保护力度,从而减缓典型草原的退化进程。7.利用逐步进入法,分别以三类地貌实验样地内植被盖度Y、出现冷蒿样方的植被盖度YL以及出现冷蒿且栗钙土层厚度在10cm以下样方内植被盖度YLL为因变量,以对应样方的栗钙土层厚度x1、土壤含水量x2、地上生物量x3、植被自然平均高度x4为自变量,建立多元回归模型如下:(1) 坡地地貌样地,Y1=9.992+0.343x1+3.105x2+0.046x3; YIL=18.894+0.279x1+2.167x2+0.028x3,Y1LL=8.028+0.736x1+3.797x2+0.036x3。(2)波状高平原样地,Y3=15.833+0.186x1+1.534x2+0.06x3+0.135x4; Y3L=22.989+1.343x2+0.055x3;Y3LL=16.869+1.198x1+1.964x2+0.049x3。(3)低山丘陵样地Y2=21.606+0.425x1+0.95x2+0.048x3;出现冷蒿的样方植被总盖度、栗钙土层厚度小于10 cm且出现冷蒿的样方植被总盖度与栗钙土层厚度、土壤含水量、地上生物量和植被自然平均高度x4间表现为线性关系不显著,拟合模型不能通过显著性检验,因此所以不能拟合出多元线性模型,自变量与因变量间表现为非线性关系,其具体模型还需进一步研究。8.坡地地貌样地和高平原地貌样地内,在栗钙土层厚度小于10 cm且出现冷蒿的样方中植被总盖度的拟合模型的决定系数R2,均大于出现冷蒿样方植被总盖度的拟合模型的决定系数,从统计学意义上讲,这说明栗钙土层厚度小于10cm且出现冷蒿的样方植被总盖度的拟合模型对总体变异的解释程度更高。这同时证明以栗钙土层厚度小于10cm这个界限来对出现冷蒿的样方进行划分是有实际研究意义的。


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