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新疆额尔齐斯河流域植被景观格局与生物多样性空间变化规律研究

井学辉  
【摘要】: 流域是一个完整的地理单元,流域内景观格局是自然与人类活动共同作用的结果。流域景观格局的改变影响着流域内生态过程的发生、发展和变化,关系到流域及周边区域的生态安全。额尔齐斯河(简称额河)发源于阿尔泰山山地,途经山前荒漠平原向西流出境外,因此新疆阿尔泰林区的额河流域包括山地流域景观和平原河谷景观两部分。额河流域具有较高的生物多样性,对北疆生态环境和生态安全具有重要影响。以额河为主线,将额河流域山地和平原河谷作为一个整体,研究其景观时空格局和生物多样性的空间分布规律,有助于认识额河流域景观的整体生态功能,为额河流域的生物多样性保护、资源合理利用和景观生态规划等提供科学依据。本文以新疆阿尔泰林区额河流域典型的山地流域景观(小东沟)和平原河谷景观(北屯)为对象,通过外业调查、遥感影像解译、GIS分析和模型模拟相结合的方法,分析了额河流域植被在景观水平上的时空格局和生物多样性的空间变化规律。通过研究得出以下主要结论: (1)应用多个景观格局指数定量分析了额河流域北屯段和阿尔泰山小东沟林区景观的空间格局及破碎化特征。将额河流域景观划分为7大类10小类景观类型,其中包括5大类8小类植被类型。景观中5大类植被类型占总面积的比例分别为耕地16.5%、河漫滩林地2.6%、湿地1.6%、草地10.5%、荒漠52.2%。格局分析表明,河漫滩林地在景观中呈小斑块分布,其斑块最大周长、最大面积及平均面积均小于其它植被类型。河漫滩林地的斑块形状比较复杂,其平均斑块形状指数、平均斑块分维数和类型边界密度指数均高于其它植被类型。多个景观指数都表明河漫滩林地在景观中破碎化程度最高。将阿尔泰山小东沟林区景观划分成针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌木和草本5个类型。景观格局分析表明,林地是阿尔泰山小东沟林区的景观基质,阔叶林是景观中斑块形状最复杂的。 (2)利用MSS、TM和ETM+三期影像,选取斑块数、平均斑块面积、平均斑块形状指数、平均斑块分维数、多样性指数和均匀度指数,定量分析了额河流域北屯段1972~2000年景观格局的动态变化。28年间,景观内耕地面积增加了9.62%,荒漠减少了11.75%,居民地增加了0.15%,河漫滩林地和湿地则分别减少了0.44%和1.06%。28年间,景观的斑块数增加而平均斑块面积减少了,整个景观变得零散、破碎。平均斑块形状指数和平均斑块分维数的增加,揭示景观斑块形状的复杂化趋势。景观多样性和均匀度指数的增加,表明景观类型异质性程度减弱,各景观类型分布变得均匀化。不同时期各类型转移概率表明河漫滩林地的转化率最高,其主要转化方向是草地,其次是耕地。 (3)以外业调查数据为基础,选取气象、地形因子和样地点距河道远近等指标作为预测变量,通过构建回归方程,预测了额河流域北屯段乔木群落特征因子的空间分布。利用残差图评价各群落特征因子预测精度。克郎河是位于额河主河道北面的一个重要的支流。分别比较了额河及其支流克郎河上、中、下游不同景观单元之间、河流两岸不同河岸带(近、中、远河岸带)之间群落特征因子的差异。额河林分的平均胸径中游下游上游,林分蓄积量和郁闭度中游上游下游,林分平均高度、物种丰富度及Fisher多样性指数上游中游下游,各群落特征因子在上、中、下游之间差异显著。克郎河林分平均树高上游中游下游,其余5个群落特征因子上游中游下游,除物种丰富度在中游与下游差异不显著外,其余各群落特征因子在上、中、下游之间均差异显著。随与河道距离的增加,仅额河南岸Fisher多样性在近河岸带与中河岸带之间差异显著,其余河岸带内各群落特征因子差异均不显著。对额河与克郎河群落特征因子进行比较,除平均树高额河克郎河外,其余5个群落特征因子均为额河克郎河。6个群落特征因子的变化规律主要受额河与克郎河河流形态和地形特征的影响。 (4)为分析环境因子对植被分布的影响,在野外样地调查和主要环境因子测定的基础上,利用聚类和排序对额河流域阿尔泰山小东沟林区的森林植被进行了类型划分,分析了植被与环境因子的关系。利用聚类分析将阿尔泰小东沟林区的木本植物群落划分为6个类型(灌丛、欧洲山杨(Populus tremula)林、苦杨(Populus laurifolia)林、疣枝桦(Betula pendula)林、西伯利亚落叶松(Larix sibirica)林和西伯利亚落叶松与西伯利亚冷杉(Abies sibirica)、云杉(Picea obovata)的针叶混交林)。DCCA排序表明,海拔和坡向等地形因子以及土壤类型、土壤全氮、土壤全磷、土壤水分含量和大石砾含量等土壤因子是影响阿尔泰林区植被分布的主要因子,林区不同群落类型的分布格局主要是由地形和土壤因子的共同作用所控制的。 (5)为探讨地形对额河流域阿尔泰山小东沟植被类型分布的影响,借助于GIS将阿尔泰山小东沟影像分类图分别与坡度、坡向、剖面曲率和海拔图叠加,定量分析了各植被类型分布与地形的关系。根据遥感解译把研究区植被斑块类型划分为针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌木和草地。各植被类型的最佳生境(地形)因子组合如下:针叶林分布最多的地形条件是斜/陡坡(15~35°)、西北坡、剖面曲率0~3°、海拔1 800~2 000m;阔叶林分布最多的地形条件是斜/陡坡、西北坡、剖面曲率5~10°、海拔1 400~1 600m;针阔混交林分布最多的地形条件是斜/陡坡、北坡、剖面曲率5~10°、海拔1 600~1 800m;灌木分布最多的地形条件是斜/陡坡、西坡、剖面曲率5~10°、海拔1 400~1 600m;草本分布最多的地形条件是斜/陡坡、南坡、剖面曲率5~10°、海拔1 200~1 400m。 (6)利用野外样方调查数据,选取两个物种多样性指数,分析了小东沟北坡物种多样性随海拔梯度的变化规律。小东沟林区物种丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数均为乔木层灌木层草本层。不同生活型的物种两个多样性指数沿海拔梯度乔木层和灌木层都表现为先升高再降低的单峰趋势,多样性的峰值均出现在海拔1 600~1 800m。草本层两个多样性指数沿海拔升高,略微有所上升,变化不明显。乔、灌、草总的物种多样性指数均呈现先升高后降低的单峰趋势。海拔1 600~1 700m范围内的针阔群落交错带具有较高物种多样性,从而出现乔木层、灌木层及群落总的物种多样性峰值。 (7)通过选取气象、地形和NDVI植被指数作为预测变量,构建了阿尔泰山小东沟乔木物种丰富度预测模型,利用残差图评价预测精度。将乔木物种丰富度预测图分别与坡度、坡向和海拔图叠加,分析不同地形条件影响乔木物种丰富度空间分布的规律。小东沟乔木物种丰富度主要集中在3~4,占研究区总面积的70.28%。坡度0~5°乔木物种丰富度出现频率最高的数值是3,其余坡度条件下,乔木物种丰富度出现频率最高的数值是4;乔木物种丰富度在西坡和西北坡出现频率最高的数值是3,其余坡向乔木物种丰富度出现频率最高的数值均是4;海拔梯度上,小东沟乔木物种丰富度出现频率最高的数值呈现先增加后减少的单峰型趋势。残差类型统计表明,较强和中等预测水平面积占总面积的94.62%,表明预测效果较好。 (8)以ETM+遥感影像和乔木样地生物量抽样调查数据为基础,选取RVI、NDVI、SAVI、DVI和IPVI等植被指数,分析了植被指数与乔木地上生物量之间的相关性,并构建了基于植被指数的生物量回归模型,利用残差图评价预测精度。在所选取的植被指数中,生物量与NDVI植被指数关系最显著。生物量残差图中较强和中等预测面积分别为66.60%和30.31%。将生物量空间分布预测图分别与坡度、坡向和海拔图叠加分析表明:小东沟林区乔木地上部分的生物量以斜/陡坡(15~35°)最高,平/缓坡(0~15°)次之,急/险坡(35°)最低。小东沟林区东南、南坡的生物量较低,其余坡向的生物量较高。海拔梯度上,生物量空间分布呈现先增加后减少的单峰型趋势,不同海拔段之间生物量以低海拔的生物量最低,中海拔的最高,高海拔生物量居中。


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