长时间序列不同载畜率草地植被盖度时空分布特征分析

□王萨仁娜 毕其格

植被覆盖度可以反映草地植被生长状况，是衡量地表植被的一个重要指标。在小尺度的草地生态研究中，通常采用地面实测法获取植被信息，其优点是精确度较高，缺点是耗时耗力，有时会因为缺少往年的调查数据而难以进行长时间尺度的对比研究，而遥感的优势可以提供相应的技术支持。遥感具有大尺度、时间序列数据连贯等特点。很早就有研究表明，遥感数据可以预测植被覆盖，能够用于草地植被覆盖调查。但是由于适合小尺度的高空间分辨率卫星数据价格昂贵，相关小尺度的草地遥感监测的文章很少。Landsat卫星数据具有空间分辨率较高、时间序列性强、免费共享等特点，可用于中小尺度草地的植被监测，因此，本研究利用Landsat卫星的长时间序列数据的优点，监测不同载畜率放牧草地的时空变化特征，通过植被盖度的动态变化，揭示载畜率对植被的影响，研究的目的旨在为放牧管理提供科学依据。

一、试验区概况

试验区位于内蒙古乌兰察布盟四子王旗短花针茅荒漠草原，地处北纬41°78'00″，东经111°88'00″，平均海拔1，440m。气候属于典型的中温带大陆性气候，降水量较少，春季干旱多风，夏季炎热。多年平均降水量100～300mm，多年平均蒸发量为2，343mm，蒸发量是降雨量的7～10倍，湿润度0.15～0.3，降水量主要集中在5～9月;多年平均气温3.4℃，月平均温度最高月为6、7、8三个月，≥10℃的年积温为2，200～2，500℃，无霜期175d;全年主要风向为北风和西北风，大风主要集中在春季。

试验地草地类型为短花针茅+冷篙+无芒隐子草荒漠草原，植被草层低矮，一般高度为8cm，且植被较稀疏，盖度为17%～20%，植物种类组成比较贫乏。建群种为短花针茅(Stipa breviflora)，优势种为冷蒿(Artemsia frigida)、无芒隐子草(Cleistogenes songorica Ohwi.)。主要伴生种有银灰旋花(Convolvulus ammannii Desr.)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus Novopokr.)、栉叶蒿(Artemisa pecttinata Pall.)、木地肤(Kochia prostrata Schrad.)、狭叶锦鸡儿(Caragana stenophylla Pojark.)、羊草(Leymus chinensis Tzvel.)等。试验地在放牧试验开始前经过了多年的连续放牧，草地植被处于退化状态。

试验区总面积为51.9hm2，共分为12个样地，各样地平均面积4.33hm2。样地设置4个梯度处理，3次重复。4个梯度处理分别是轻度放牧(Lightly grazed，LG)、中度放牧(Moderately grazed，MG)、重度放牧(Heavily grazed，HG)和一个对照区(Control grazed，CK))，试验各区随机选择排列;轻度、中度、重度放牧区最大载畜率分别为:0.91(LG)只羊/hm2、1.82(MG)只羊/hm2、2.71(HG)只羊/hm2，绵羊为内蒙古细毛羊。

二、数据源与研究方法

(一)数据源。Landsat卫星数据:多光谱空间分辨率为30米，可满足草地覆盖监测。由于2003、2005、2012年试验区遥感影像有较大条带，缺失部分数据，故只使用2002、2004、2006、2007、2008、2009、2010、2011、2013、2014年8月10期数据，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云(http://www.gscloud.cn);其他数据:植物样方数据:试验区2010年8月1×1植物样方调查数据，包括植物盖度、密度、高度及干重。

(二)研究方法。本研究通过对试验区10期Landsat卫星数据的植被覆盖度遥感估算，监测试验区不同载畜率放牧水平下的植被覆盖时空变化特征。

本文使用基于归一化植被指数(NDVI)的像元二分模型计算植被覆盖度。NDVI和植被覆盖度(VFC)公式如(1)和(2)所示。

NDVI计算公式:

其中，NIR为遥感数据对应的近红外波段，R为对应的红波段。

VFC计算公式:

VFC:代表植被覆盖度;NDVI:代表归一化植被指数，NDVIsoil为无植被覆盖的裸土像元值，NDVIveg代表全植被覆盖像元的最大值。

(三)数据分析软件。ENVI遥感图像处理软件，ARCGIS地理信息系统软件，Excel、SPSS统计分析软件。

三、结果与分析

依据试验区2010年地面实测植被覆盖度数据，将植被覆盖度分为5级，植被覆盖度小于15%的定为1级(低覆盖度)，15%～25%为2级(中低覆盖度)，25%～35%为3级(中覆盖度)，35%～45%为4级(中高覆盖度)，大于45%为5级(高覆盖度)。

表1 植被覆盖度等级划分表

(一)2002～2014年植被覆盖时空分布特征。2002年，试验区所在的荒漠草原在连续放牧作用下，草地处于退化状态(图1)。试验区植被以中低覆盖为主，其次是低覆盖度及中覆盖度植被，中高、高覆盖度植被较少。CK、LG、MG和HG区中低覆盖植被面积分别为60.0%、74.8%、70.1%、68.3%，低覆盖植被面积分别为16.2%、12.0%、20.1%和16.1%，中覆盖植被面积依次为18.8%、11.3%、8.64%和15.4%，中高覆盖植被面积依次为4.11%、1.73%、1.09%、0.09%，高覆盖植被面积依次为0.78%、0%、0.03%和0%，各小区均无显著差异。

2004至2014年，试验区各级植被覆盖开始呈现显著差异(P＜0.05)(图2)。

图1 2002～2014年植被覆盖数据

(二)各级植被覆盖变化趋势。

1.低覆盖植被。CK区与LG区的低覆盖植被变化波动平缓，在平稳中呈现下降趋势;MG区和HG区的低覆盖植被波动较大，总体也呈下降趋势。

2.中低覆盖植被。2004至2014年，CK区与LG区的中低覆盖植被在波动中呈现下降趋势，MG区和HG区则在波动中呈增加趋势。

3.中覆盖植被。2004至2014年，CK区植被成小幅下降趋势，而其他三个区均呈增加趋势。

4.中高覆盖植被。2004至2014年，CK和LG区中高覆盖植被呈现增加趋势，而MG区和HG区则呈现显著下降趋势。

5.高覆盖植被。2004至2014年，CK区植被在波动中呈增长趋势，LG、MG和HG区则在波动中呈下降趋势。

数据显示，CK区与放牧区的植被覆盖变化趋势有较大差异。CK区高覆盖、中高覆盖植被呈现增加趋势，而在放牧区，MG和HG均呈现减少趋势，LG区只有高植被覆盖呈现减少趋势。在放牧的三个处理中，LG区与其他两个区有较大差异，其中高覆盖植被呈增加趋势，中低覆盖植被呈减少趋势，而MG、HG区均呈现反方向发展。

从试验前后数据变化可以发现，未放牧的CK区植被覆盖呈正向发展，即植被覆盖显著增加(P＜0.05)，说明禁牧是植被恢复最有效的管理方式;在放牧区，LG区植被覆盖也呈现正向发展状态，植被覆盖也从试验前以中低覆盖为主恢复到以中覆盖、中高覆盖为主，因此数据说明轻度放牧不会对草地盖度有逆向影响作用，适度的放牧有益于植被的恢复;从不同梯度放牧处理的植被差异可以看出，中度和重度放牧极大地影响了植被的正向发展，两个处理区的植被除了在降水量多的2004、2008和2013年盖度较大外，其他年份均与试验前的植被无显著差异。

对2004～2014年各处理区植被覆盖做了方差分析，结果显示:试验区植被覆盖时空分布特征总体表现为(表2):高覆盖植被面积依CK＞LG＞MG＞HG的顺序递减;中高覆盖植被面积依CK＞LG＞MG＞HG的顺序递减;中覆盖植被面积依LG＞HG＞MG＞CK的顺序递减;中低覆盖植被面积依MG＞HG＞LG＞CK的顺序递减;低覆盖植被面积依HG＞MG＞LG＞CK的顺序递减。各处理区植被随着载畜率的加大，盖度呈现递减趋势。

图2 植被覆盖年际变化趋势图

表2 2004～2014年植被覆盖均值对比

同列不同字母在0.05水平上差异显著。

四、结语

在不同载畜率水平下，荒漠草原植被覆盖呈现显著差异(P＜0.05)。试验前，不同处理区植被覆盖无差异;而2004年试验开始后，不同处理区各级植被覆盖变化较大。试验区植被盖度时空分布特征表现为:高覆盖和中高覆盖植被面积百分比依CK＞LG＞MG＞HG的顺序递减;中覆盖植被面积依LG＞HG＞MG＞CK的顺序递减;而中低覆盖植被面积依MG＞HG＞LG＞CK的顺序递减;低覆盖植被面积依HG＞MG＞LG＞CK的顺序递减。随着载畜率的加大，植被盖度逐渐降低。

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