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高寒地区国家级牧场草地农业生态系统特征研究

杨予海  
【摘要】: 通过对青海省三角城种羊场草地农业生态系统中的气候、土壤、植被、植被光合效率、能流以及生态经济效益等方面进行了全面调查,结合TM影像资料,利用遥感及地理信息系统软件,对青海省三角城种羊场草地类型及其景观动态变化进行了研究,涉及遥感影像分析、地理数据库建模、草地类型波谱分析、草地资源调查等,进行了系统分析研究,取得了以下主要研究成果: 青海省三角城种羊场草地类型主要包括高寒草原、高寒草甸、高寒荒漠、沼泽化草甸等,其中高寒草原和高寒草甸所占的面积最大,在畜牧业经济和生态保护中也最为重要。植被分布和土壤吸附水状况,代表不同草地型的优势种和亚优势种植物随着海拔高度上升,依次为海韭菜、鹅绒萎陵菜→芨芨草、羊茅→冷地早熟禾、紫花针茅→矮嵩草、小嵩草,表明该羊场草地型垂直分布特征明显;海拔越高,植物高度和地上生物量越低,说明高海拔的环境条件对草地生产能力的强硬制约性;不同海拔高度,不同土壤深度土壤吸附水达到等吸附量点的时间不同,海拔越高,达到等吸附量点的时间越早,证明同一地区的吸附水含量由于海拔差异而相差很大。 在中度到重度退化进程中,草地植物群落随着退化程度的加重,其物种多样性呈减小的趋势,而建群种的重要值呈增大趋势。针茅型中度与重度退化样地植物群落物种多样性指数(a多样性指数,下同)分别为2.50、2.26,建群种的重要值分别为19.09、23.8。嵩草型中度与重度退化样地植物群落物种多样性指数分别为2.61、2.42,建群种的重要值分别为13.31、22.81。针茅型与嵩草型不同退化样地地上植物类群及总植物量季节动态均呈现明显的“单峰”曲线,其峰值同时出现在8月下旬,在植物生长季,主要植物类群地上植物量季节动态具有明显的差异。两草地型地上植物量季节积累动态曲线可用y=ea+bx(生长曲线)很好拟合。 随着草地退化程度加重,针茅型样地禾草类在草群中所占比例下降(以植物干重为测度),杂草类在草群中所占的比例上升。群落干物质积累速率下降,最终导致草地净初级生产力的降低。嵩草型中度退化样地的净初级生产力高于重度退化样地,但由于在牧草返青期放牧使中度退化样地禾草类在草群中所占的比例小于重度退化样地。针茅型中度与重度退化样地地上植物量净生产量分别为104.99g/m2.a、48.38g/m2.a,下降达53.92%;嵩草型中度与重度退化样地地上净生产量分别为144.82g/m2.a、87.96g/m2.a,下降达39.26%。针茅型与嵩草型样地地下80%以上的植物量分布在0~20cm的土层中,用y=ax+b能够很好描述两草地型在生长季各土层中的平均植物量及其所占比例。在地下40cm深的土层中,针茅型中度与重度退化样地地下植物量的净生产量及周转值分别为849.6g/m2.a、32.45%、1346.05g/m2.a、51.93%;嵩草型中度与重度退化样地地下植物量的净生产量及周转值分别为787.13g/m2.a、26.08%、1190.6g/m2.a、51.33%。地下与地上植物量的比值随着草地退化程度加重而增大。针茅型中度与重度退化样地地下与地上植物量的比值分别为16.86、51.51;嵩草型中度与重度退化样地地下与地上植物量的比值分别为24.61、27.22。 针茅型与嵩草型不同退化样地热值测定表明,群落地上部分热值大于地下部分,地上部分热值含量以牧草生长旺盛期最高,返青期最低,枯黄期次之。并且其热值含量均高于世界陆生植物的平均热值,地上、地下、全群落能量积累与植物量增长呈显著的线性正相关。草地净能空间分配率随着草地退化程度加重而减小。针茅型中度与重度退化样地分别为0.1667、0.0439;嵩草型中度与重度退化样地分别为0.2257、0.1049。随着草地退化程度的加重,植物群落地上部分对光能的转化效率减弱。两草地型对光能的转化效率:全群落,针茅型中度与重度退化样地为0.208%、0.317%,嵩草型中度与重度退化样地为0.216%、0.259%;地上部分,针茅型中度与重度退化样地分别为0.03%、0.013%;嵩草型中度与重度退化样地分别为0.04%、0.024%,地下部分,针茅型中度与重度退化样地分别为0.178%、0.303%,嵩草型中度与重度退化样地分别为0.177%、0.234%。 在分析青海省三角城种羊场生态系统的自然、社会经济概况的基础上,运用能值理论与方法,通过对青海省三角城种羊场2002-2006年的净能值产出率(NEYR)、能值投入率(EIR)、环境负载率(ELR)和可持续发展能值指数(ESI)等指标的计算及趋势分析得出:青海省三角城种羊场生态系统投入的能值总量为5.00×1029sej,其中可更新环境资源、不可更新环境资源、不可更新工业辅助能及可更新有机能分别占系统输入能值总量的7.39%、7.68%、35.15%和49.77%。环境资源总投入占总能值投入的15.08%。在辅助能投入中,可更新的有机能占辅助能投入总量的58.61%。在环境资源总投入中,不可更新环境资源投入占其中的50.96%。青海省三角城种羊场能值投入率(EIR)值由2002年的0.0489缓慢增长至2006年的0.734,总体在0.05~0.07间浮动。青海省三角城种羊场能值产出率(EYR)由2002年的57.4上升至2005年的83.7,总体上处于波动上升态势,表明青海省三角城种羊场经济活动的能源利用效率在逐年提高,竞争力明显增强。青海省三角城种羊场能值投入率(EIR)值由2002年的0.0489缓慢增长至2006年的0.734,总体在0.05~0.07间浮动。这表明青海省三角城种羊场经济对外开放和利用外界各类“资源”程度较低。青海省三角城种羊场环境负载率(ELR)由2002年的31.3增至2006年的71.4,总体呈波动上升趋势,表明青海省三角城种羊场经济发展对其环境系统的压力逐步增加。青海省三角城种羊场能值—货币比(EDR)呈逐年上升趋势,由2002年的1.50×1014sej/$上升至2006年的7.98×1014sej/$,这主要是青海省三角城种羊场生产总值在2002—2006年间的增长缓慢,其经济系统的开发程度降低造成的。2002-2006年青海省三角城种羊场ESI值由58.46降至21.8,呈波动下降趋势,同期青海省三角城种羊场ELR由31.3增至71.4呈快速上升趋势。由ESI=NEYR/ELR等式可知,ESI的下降是由于2002-2006年青海省三角城种羊场环境负载率(ELR)的增长速率快于同期净能值产出率(NEYR)的增长速率。 不同地被在TM影像上各波段的反射特征。通过对石山冰川、盐碱地、水库、裸地、高山草原、高寒草甸、河流、人工草地、湖泊和沼泽地10种不同地被类型及山地草原、山地草甸和高山草甸三种植被类型的波谱曲线调查研究结果发现:在TM1、TM2和TM3可见光波段,湖泊和沼泽地的反射率远远高于其它地被;而三种草地植被在可见光区的反射率差异不大,到红外光区,它们的反差才急剧加大。在TM4近红外波段,绿色植被反射率差异较大,为区分植被的理想波段。在TM5波段,高寒草甸、裸地和高寒草原的反射率远远高于其它地被。在TM6波段,各地被的反射率差异不大。 不同土壤类型的土壤线。根据土壤在红外波段和近红外波段反射率之间的线性关系,将它们的相关性线性回归得到四种土壤类型的土壤线依次为:沼泽土:NIR=0.46R +13.91,相关性0.83;暗栗钙土:NIR = 0.44 R+22.66,相关性0.78;高山草原土:NIR = 0.52R +12.62,相关性0.80;高山草甸土:NIR =0.57 R + 6.91,相关性0.90。土壤线的斜率大小排列顺序为:高山草甸土高山草原土沼泽土暗栗钙土,而截距为高山草甸土高山草原土沼泽土暗栗钙土。 对ETM遥感影像各个波段分析结果表明1、2、3波段间彼此高度相关, 4、5、7波段间有一定相关性;在波段7、5、4、3处,草地类型波谱曲线变化幅度大,宜用作草地分类;利用数字高程模型,辅助草地生态序列分布规律,结合遥感光谱特征进行了草地类型,对解决草地类型间因光谱重叠而难以区分的难题找到了可行方法。依据RVI和NDVI两个植被指数对植被生长状况与草地产草量有不同的敏感度,采用微积分方法,化整为零,按盖度区间,计算植被指数同产草量的线性方程,使遥感预测产量与草地实际产量的相关性更好。 对青海省三角城种羊场景观生态系统的系统耦合结果发现,系统耦合可根据干扰性质分为自然耦合和人为耦合。自然耦合是人为耦合的基础,系统生态生产力的提高取决于人为耦合的优化过程。


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