西乌珠穆沁典型草原植被盖度空间异质性研究

李岩+尚士友+王晓娟+臧琛+德力格尔

摘要： 采用地学统计方法，以西乌珠穆沁典型草原3类不同地貌的3个试验区内植被盖度为研究对象，探讨其空间结构和异质性。经研究发现，3类地貌试验样地的植被盖度均值较为接近，在32.99%～40.77%之间，其变异系数值均小于10%，属于弱变异性范围。3个试验样地植被盖度的拟合模型决定系数在0.60～0.71之间，拟合度较好；根据C0/（C+C0）值可知，随机因素在3个样地植被盖度的空间变异中所起的作用的权重顺序为低山丘陵样地>坡地样地>波状高平原样地；3类不同地貌试验样地的结构比[C/（C+C0）]均大于75%，植被盖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到总空间异质性的80%以上；3个试验样地中植被盖度连续性最好的是低山丘陵地貌样地，其次是坡地地貌试验样地，最后是波状高平原地貌样地。 3个试验样地均表现出明显的各向异性，空间格局差异明显。经克里金空间插值后得到3个样区植被盖度的空间分布图，并对植被盖度的分布做了定量研究。

关键词： 典型草原；植被盖度；地统计学；空间异质性；遥感；半方差函数；草地沙漠化治理

中图分类号： S181 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0283-06

植被盖度是景观环境适宜程度的指示因子，是自然环境变化和人类活动所引起的景观演变过程的综合结果，因此植被盖度不仅是群落结构的一个重要参数，也是土地退化特征的一个直接的主导性表征[1]，更是指示生态系统变化的重要指标。栗钙土层是典型草原土壤的主要组成结构，是在自然因素和人为因素的共同作用下，经过漫长的历史过程协同演化而来的，具有栗色腐殖层和明显钙积层的地带性土壤。 植被盖度存在一定的空间异质性，即不同的空间位置上植被的盖度存在一定的差异，土壤与植被的空间异质性既作为一种原因也作为一种结果在植物群落中广泛存在着[2-5]。

伴随着近几年遥感技术的飞速发展，利用该技术监测植被的相关特征数据，已经取得一定的研究成果，并已应用在实践中。但介于目前研究技术的发展水平，直接利用快捷的遥感技术监测栗钙土层厚度的变化，还存在一定的障碍，因而，典型草原植被与土壤空间格局协同演变的研究在某种程度上受到了制约。

空间插值法是获取自然地理要素空间信息的主要方法之一[6]。幅员辽阔的典型草原上，植被盖度数据的缺乏和不均匀，使得利用空间插值法来模拟植被盖度空间分布成为一种必然。

本研究采用地学统计方法，以典型草原不同地貌的3个试验区内植被盖度为研究对象，探讨其空间结构和异质性，定量揭示两者空间变异和协同演变的规律。通过空间分布图，可以方便快捷地找到有沙化趋势的区域，对这些区域加以重点保护，将有利于延缓草地的沙漠化。

1 试验设计及数据预处理

根据Landsat5遥感影像和西乌珠穆沁旗地形图，选取研究区位于西乌珠穆沁旗巴拉嘎尔郭勒镇南部偏西方向，范围是117°16′～117°37′E，44°25′～44°32′N。在这个区域内踏查选择具有坡地、低山丘陵和波状高平原地形地貌的3个试验样地，每个试验样地的面积约为25 km2。

研究區内植被主要有大针茅、羊草、星毛委陵菜、糙隐子草、麻花头冰草、冷蒿、褐沙蒿、多根葱、苔草、猪毛菜等，每个样地调查样方内出现植被种类在34～45种之间。

布点采样时间为7月15日前后，连续取样测量。为了研究草原退化区周围植被的演变规律，以及其分布是否具有各向异性，布点时选择退化较为严重的区域为中心，利用GPS定位，十字交叉布点，沿梯度方向等距离布点取样，东西方向采集50个样方点，南北方向采集100个样方点，每个试验样地设150个样方点，每1个植被样方的面积定为1×1=1 m2。在每个样方均采集以下数据：样方所在位置的经纬度坐标、海波高度、植被总盖度、植被自然平均高度、地上生物量、植被类型、每种植被的分盖度、密度及相对密度，以及栗钙土层相关数据。3个试验样区在卫星图上的分布位置及样地布点如图1所示。

利用SPSS软件进行植被盖度的描述性统计分析。3个样地数据均通过显著水平α=0.05的K-S检验，数据满足正态分布。使用GS+7.0软件，进行半方差函数拟合及地统计分析[7-13]，利用ArcGIS 10.2地学统计分析模块进行植被盖度的变异函数建模和空间插值。

2 结果与分析

2.1 3类地貌试验样地植被盖度的描述性统计分析

3类试验样地的描述性统计特征如表1所示。

从表1可以看出，3个试验样地植被盖度平均值相差不多，采样时发现，3个样地内研究空间异质性的调查区域的植被种类都在36种左右，在退化较为严重的采样中心区域，植被类型均以小型草本、蒿类、葱属、委陵菜属为主，有很多一年生草本植物，且零星出现沙生灌木，如小叶锦鸡儿。这说明严重退化区域的植被类型正在发生着转变，以羊草、大针茅等为建群种的植被群落很多已被冷蒿群落所取代，典型草原正慢慢向以一年生植物和灌木为主的荒漠化草原演变。3个样地植被盖度的变异系数均小于10%，属于弱变异性[14]。从表中可以看出，低山丘陵地貌样地和波状高平原地貌样地的偏度均为正值，表明数据在右侧更为分散，坡地地貌样地的偏度为负值，表明数据在左侧更为分散[15]。坡地地貌样地波状高平原地貌样地的峰度值均略小于零，表明植被盖度的分布略呈现平峰态，低山丘陵地貌样地的峰度值大于零，表明其植被盖度分布呈现尖峰态[15]。利用K-S对样本进行正态性检验，PK-S>0.05，样本符合正态分布。

2.2 3类地貌试验样地植被盖度的空间异质性分析

将3类地貌试验样地的植被盖度数据进行空间结构分析后得出，坡地地貌样地和低山丘陵地貌样地植被盖度变异函数曲线的变化均符合球状模型，波状高平原地貌样地可以采用高斯模型进行拟合，如表2所示。endprint

从表2中可以看出，3个理论模型的决定系数分别是066、0.71、0.60，拟合程度较好，表明该理论变异函数模型能很好地反映植被盖度的空间结构特性。坡地地貌样地的块金值最大，较大的块金方差表明较小尺度上的某种过程不容忽视[16]，可以采取减小取样间隔的方法来增加其空间结构信息。基台值是半方差值随步长增加到一个相对稳定的水平上时对应的半方差值[15-16]，基台值越高，表示变量的空间异质性越高。坡地地貌样地的基台值最高，达到了234.00，这说明坡地地貌样地的植被盖度的空间变异程度最大，这也验证了坡地地貌样地块金值最大这个结果。用块金值与基台值之比[C0/（C+C0）]来描述随机因素在变量空间变异过程中所起的作用的大小，低山丘陵地貌样地比值最大，值为1620%，波状高平原地貌样地最小，为10.41%，坡地地貌样地的值为11.50%。3个试验样地的C0/（C+C0）值均不高，这表明3个试验样地植被盖度的空异质性主要是由结构性因素引起的，如气候、地形、土壤类型等自然因素。偏基台值与基台值的比值称之为结构比[C/（C+C0）]，从表2中看出，3个试验样地的结构比均大于75%，植被盖度均表现出较强的空间相关性，3个试验样地内植被盖度由空间自相关引起的空间异质性占总空间异质性的80%以上。

变程表示变量的空间相关性的作用范围，变程值的大小受到采样尺度的影响。当某采样点与已知点距离大于变程时，变量间不存在空间相关性[17-18]。变程的大小同时也说明了植被盖度空间连续性的好坏。在本研究中，波状高平原地貌试验样地的变程最小，为100.46 m，低山丘陵地貌试验样地变程最大，达到 604.00 m。究其原因，部分波状高平原地貌样地内盖起了大量的牛棚，虽未全部投入使用，但随着载畜量的增加，牲畜的啃食和践踏加大了对植被盖度的干扰程度，破坏了植被盖度的连续性。因此，3个试验样地植被盖度的连续性好坏顺序为低山丘陵地貌样地优于坡地地貌试验样地，坡地地貌试验样地优于波状高平原地貌样地。

2.3 3类地貌试验样地植被盖度的各向异性分析

通过空间上不同方向半方差函数图比较，可反映变量在不同方向上的变化特征。如果各个方向上的半方差图基本相同，称为各向同性，反之，则称为各向异性[17-18]。

空间异质性不仅与观测范围有关，还与方向有着密切的联系。植被盖度由于受气候、土壤、人为等干扰因素的影响导致空间变异通常是有方向性的，用各向异性表示。为了验证植被盖度的空间变异是否具有方向性，分别研究了3类不同地貌试验样地的植被盖度在 0°、45°、90°、135° 4个方向上的变异函数。不同方向的变异函数如图2、图3、图4所示。

从图2可以看出，坡地地貌试验样地植被盖度在4个方向上的半方差函数均表现出了各向异性，各向同性不明显，这说明植被盖度的半方差值具有明显的方向性，且波动很大。其中，植被盖度在0°（东-西向）、45°（东北-西南向）和90°（南-北向）方向上出现了高低起伏的情况，且变化幅度较大，这说明在这3个方向上，植被盖度变异比较剧烈，135°（西北-东南向）方向半方差值半方差值变化相对较平缓，总体呈明显的上升趋势。经实地考察可知該试验样地内，除135°（西北-东南向）方向大部分是打草场以外，其他方向上均有部分放牧场，有牧民居住，且东南部临近公路。因此，这些方向上的植被盖度的空间异质性可能主要受载畜量、土地利用类[CM（25]型等随机因素的影响。打草场内是禁牧的，草地的植被盖

度仅仅受地形地貌、风蚀等自然因素影响，因此这个方向上植被盖度的空间变异不大。数据研究结果与实际情况相符。

从图3可以看出，低山丘陵地貌试验样地植被盖度在4个方向上的半方差函数均表现出了各向异性，各向同性不明显，这说明植被盖度的半方差值具有明显的方向性，且波动很大。其中，植被盖度在0°（东-西向）、45°（东北-西南向）和90°（南-北向）方向上出现了高低起伏的情况，且变化幅度较大，这说明在这3个方向上植被盖度变异比较剧烈；135°（西北-东南向）方向半方差值半方差值变化相对较平缓，近似一条直线，总体呈明显的上升趋势。135°（西北-东南向）方向半方差函数值与其他方向的差异性很大，这说明该方向上植被盖度的变化是独立的、随机的。经实地考察可知该试验样地内，除135°（西北-东南向）方向大部分是打草场以外，其他方向上均有部分放牧场，有牧民居住。因此，这些方向上植被盖度的空间异质性可能主要受载畜量、土地利用类型等随机因素的影响。135°（西北-东南向）方向植被破坏较为严重，已禁牧多年，植被正处于恢复期，因此表现出来空间变异不明显。数据研究结果与实际情况相符。

从图4中可以看出，波状高平原地貌试验样地在4个方向上植被盖度的半方差函数变化趋势各不相同，表现出了各向异性，这说明该试验样地植被盖度的半方差值具有明显的方向性。0°（东-西向）和90°（南-北向）方向表现出了局部的各向同性，这说明这2个方向上的对植被盖度的干扰因素类似。45°（东北-西南向）方向上的变异程度最为突出，经实地考察可知，该方向恰巧是采石矿的位置，由此说明，人为因素对草原植被的干扰要强于其他自然因素，能够使植被盖度甚至是植被类型发生颠覆性变化，是影响植被各要素空间结构性发生变异的主导因素。

2.4 3类地貌试验样地植被盖度的空间分布

经过前面的研究和数据分析可知，坡地样地、低山丘陵样地和波状高平原样地植被盖度的最佳变异函数拟合模型分别是球状模型、球状模型和高斯模型，3个样地的试验数据均通过K-S检验，符合正态分布。对数据进行探索性分析后发现，3个样地的植被盖度均存在一阶或二阶趋势，不满足普通克里金插值法和简单克里金插值法要求的二阶平稳假设理论，因此选择泛克里金插值法对3个试验样地内植被盖度进行空间插值。经过插值后得到3个试验样地植被盖度的空间分布图如图5所示。endprint