長時間序列不同載畜率草地植被蓋度時空分布特征分析

□王薩仁娜 畢其格

植被覆蓋度可以反映草地植被生長狀況，是衡量地表植被的一個重要指標。在小尺度的草地生態研究中，通常采用地面實測法獲取植被信息，其優點是精確度較高，缺點是耗時耗力，有時會因為缺少往年的調查數據而難以進行長時間尺度的對比研究，而遙感的優勢可以提供相應的技術支持。遙感具有大尺度、時間序列數據連貫等特點。很早就有研究表明，遙感數據可以預測植被覆蓋，能夠用于草地植被覆蓋調查。但是由于適合小尺度的高空間分辨率衛星數據價格昂貴，相關小尺度的草地遙感監測的文章很少。Landsat衛星數據具有空間分辨率較高、時間序列性強、免費共享等特點，可用于中小尺度草地的植被監測，因此，本研究利用Landsat衛星的長時間序列數據的優點，監測不同載畜率放牧草地的時空變化特征，通過植被蓋度的動態變化，揭示載畜率對植被的影響，研究的目的旨在為放牧管理提供科學依據。

一、試驗區概況

試驗區位于內蒙古烏蘭察布盟四子王旗短花針茅荒漠草原，地處北緯41°78'00″，東經111°88'00″，平均海拔1，440m。氣候屬于典型的中溫帶大陸性氣候，降水量較少，春季干旱多風，夏季炎熱。多年平均降水量100～300mm，多年平均蒸發量為2，343mm，蒸發量是降雨量的7～10倍，濕潤度0.15～0.3，降水量主要集中在5～9月;多年平均氣溫3.4℃，月平均溫度最高月為6、7、8三個月，≥10℃的年積溫為2，200～2，500℃，無霜期175d;全年主要風向為北風和西北風，大風主要集中在春季。

試驗地草地類型為短花針茅+冷篙+無芒隱子草荒漠草原，植被草層低矮，一般高度為8cm，且植被較稀疏，蓋度為17%～20%，植物種類組成比較貧乏。建群種為短花針茅(Stipa breviflora)，優勢種為冷蒿(Artemsia frigida)、無芒隱子草(Cleistogenes songorica Ohwi.)。主要伴生種有銀灰旋花(Convolvulus ammannii Desr.)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus Novopokr.)、櫛葉蒿(Artemisa pecttinata Pall.)、木地膚(Kochia prostrata Schrad.)、狹葉錦雞兒(Caragana stenophylla Pojark.)、羊草(Leymus chinensis Tzvel.)等。試驗地在放牧試驗開始前經過了多年的連續放牧，草地植被處于退化狀態。

試驗區總面積為51.9hm2，共分為12個樣地，各樣地平均面積4.33hm2。樣地設置4個梯度處理，3次重復。4個梯度處理分別是輕度放牧(Lightly grazed，LG)、中度放牧(Moderately grazed，MG)、重度放牧(Heavily grazed，HG)和一個對照區(Control grazed，CK))，試驗各區隨機選擇排列;輕度、中度、重度放牧區最大載畜率分別為:0.91(LG)只羊/hm2、1.82(MG)只羊/hm2、2.71(HG)只羊/hm2，綿羊為內蒙古細毛羊。

二、數據源與研究方法

(一)數據源。Landsat衛星數據:多光譜空間分辨率為30米，可滿足草地覆蓋監測。由于2003、2005、2012年試驗區遙感影像有較大條帶，缺失部分數據，故只使用2002、2004、2006、2007、2008、2009、2010、2011、2013、2014年8月10期數據，數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云(http://www.gscloud.cn);其他數據:植物樣方數據:試驗區2010年8月1×1植物樣方調查數據，包括植物蓋度、密度、高度及干重。

(二)研究方法。本研究通過對試驗區10期Landsat衛星數據的植被覆蓋度遙感估算，監測試驗區不同載畜率放牧水平下的植被覆蓋時空變化特征。

本文使用基于歸一化植被指數(NDVI)的像元二分模型計算植被覆蓋度。NDVI和植被覆蓋度(VFC)公式如(1)和(2)所示。

NDVI計算公式:

其中，NIR為遙感數據對應的近紅外波段，R為對應的紅波段。

VFC計算公式:

VFC:代表植被覆蓋度;NDVI:代表歸一化植被指數，NDVIsoil為無植被覆蓋的裸土像元值，NDVIveg代表全植被覆蓋像元的最大值。

(三)數據分析軟件。ENVI遙感圖像處理軟件，ARCGIS地理信息系統軟件，Excel、SPSS統計分析軟件。

三、結果與分析

依據試驗區2010年地面實測植被覆蓋度數據，將植被覆蓋度分為5級，植被覆蓋度小于15%的定為1級(低覆蓋度)，15%～25%為2級(中低覆蓋度)，25%～35%為3級(中覆蓋度)，35%～45%為4級(中高覆蓋度)，大于45%為5級(高覆蓋度)。

表1 植被覆蓋度等級劃分表

(一)2002～2014年植被覆蓋時空分布特征。2002年，試驗區所在的荒漠草原在連續放牧作用下，草地處于退化狀態(圖1)。試驗區植被以中低覆蓋為主，其次是低覆蓋度及中覆蓋度植被，中高、高覆蓋度植被較少。CK、LG、MG和HG區中低覆蓋植被面積分別為60.0%、74.8%、70.1%、68.3%，低覆蓋植被面積分別為16.2%、12.0%、20.1%和16.1%，中覆蓋植被面積依次為18.8%、11.3%、8.64%和15.4%，中高覆蓋植被面積依次為4.11%、1.73%、1.09%、0.09%，高覆蓋植被面積依次為0.78%、0%、0.03%和0%，各小區均無顯著差異。

2004至2014年，試驗區各級植被覆蓋開始呈現顯著差異(P＜0.05)(圖2)。

圖1 2002～2014年植被覆蓋數據

(二)各級植被覆蓋變化趨勢。

1.低覆蓋植被。CK區與LG區的低覆蓋植被變化波動平緩，在平穩中呈現下降趨勢;MG區和HG區的低覆蓋植被波動較大，總體也呈下降趨勢。

2.中低覆蓋植被。2004至2014年，CK區與LG區的中低覆蓋植被在波動中呈現下降趨勢，MG區和HG區則在波動中呈增加趨勢。

3.中覆蓋植被。2004至2014年，CK區植被成小幅下降趨勢，而其他三個區均呈增加趨勢。

4.中高覆蓋植被。2004至2014年，CK和LG區中高覆蓋植被呈現增加趨勢，而MG區和HG區則呈現顯著下降趨勢。

5.高覆蓋植被。2004至2014年，CK區植被在波動中呈增長趨勢，LG、MG和HG區則在波動中呈下降趨勢。

數據顯示，CK區與放牧區的植被覆蓋變化趨勢有較大差異。CK區高覆蓋、中高覆蓋植被呈現增加趨勢，而在放牧區，MG和HG均呈現減少趨勢，LG區只有高植被覆蓋呈現減少趨勢。在放牧的三個處理中，LG區與其他兩個區有較大差異，其中高覆蓋植被呈增加趨勢，中低覆蓋植被呈減少趨勢，而MG、HG區均呈現反方向發展。

從試驗前后數據變化可以發現，未放牧的CK區植被覆蓋呈正向發展，即植被覆蓋顯著增加(P＜0.05)，說明禁牧是植被恢復最有效的管理方式;在放牧區，LG區植被覆蓋也呈現正向發展狀態，植被覆蓋也從試驗前以中低覆蓋為主恢復到以中覆蓋、中高覆蓋為主，因此數據說明輕度放牧不會對草地蓋度有逆向影響作用，適度的放牧有益于植被的恢復;從不同梯度放牧處理的植被差異可以看出，中度和重度放牧極大地影響了植被的正向發展，兩個處理區的植被除了在降水量多的2004、2008和2013年蓋度較大外，其他年份均與試驗前的植被無顯著差異。

對2004～2014年各處理區植被覆蓋做了方差分析，結果顯示:試驗區植被覆蓋時空分布特征總體表現為(表2):高覆蓋植被面積依CK＞LG＞MG＞HG的順序遞減;中高覆蓋植被面積依CK＞LG＞MG＞HG的順序遞減;中覆蓋植被面積依LG＞HG＞MG＞CK的順序遞減;中低覆蓋植被面積依MG＞HG＞LG＞CK的順序遞減;低覆蓋植被面積依HG＞MG＞LG＞CK的順序遞減。各處理區植被隨著載畜率的加大，蓋度呈現遞減趨勢。

圖2 植被覆蓋年際變化趨勢圖

表2 2004～2014年植被覆蓋均值對比

同列不同字母在0.05水平上差異顯著。

四、結語

在不同載畜率水平下，荒漠草原植被覆蓋呈現顯著差異(P＜0.05)。試驗前，不同處理區植被覆蓋無差異;而2004年試驗開始后，不同處理區各級植被覆蓋變化較大。試驗區植被蓋度時空分布特征表現為:高覆蓋和中高覆蓋植被面積百分比依CK＞LG＞MG＞HG的順序遞減;中覆蓋植被面積依LG＞HG＞MG＞CK的順序遞減;而中低覆蓋植被面積依MG＞HG＞LG＞CK的順序遞減;低覆蓋植被面積依HG＞MG＞LG＞CK的順序遞減。隨著載畜率的加大，植被蓋度逐漸降低。

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