呼伦贝尔草原、湿地和森林植被对气候变化的响应

气候变化会影响区域生态系统的结构和功能。植被覆盖状况是研究不同类型植被对气候变化响应的重要指标。采用遥感与GIS技术,对1981~2012年呼伦贝尔草原不同植被类型的植被变化特征及其与气候变化因子的关系进行对比分析,以揭示植被覆盖状况对气候变化的响应规律。得出以下结论:(1)该地区的气候在1998年前后发生显著变化,在1981~1999年植被年均NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)的波动较平缓,在2000~2012年植被年均NDVI的波动较大。(2)32年间该区森林和湿地的年均NDVI增加,且年际波动较稳定,NDVI与温度呈正相关,而与降水呈负相关;但草原的年均NDVI减少,年际波动较强烈,并与降水量呈极显著正相关(P0.01),但与温度呈极显著负相关(P0.01)。研究结果表明,草原比森林和湿地对气候变化的响应更为强烈,并受降水的影响较大,加之过度放牧的影响,其对气候变化的适应性较弱。     

不同放牧强度下羊草十大针茅草地植被与土壤氮素的空间异质性分析

以河北坝上的羊草(Leymus chinensis)+大针茅(Stipa grandis)典型草原为研究对象,用方差和地统计分析相结合的方法,研究了不同放牧强度对植被和土壤氮素的空间分布格局的影响.结果表明,植被密度与土壤氮素的变异函数大多符合球状和指数模型;轻牧与中牧的植被群落密度的空间分布受随机因素的影响较大,禁牧与重牧地受空间结构性因素影响较大,但重牧区土壤氮素的空间分布受随机因素影响相对较大;放牧降低了植被密度的空间异质性,而禁牧区的空间异质性(基台值0.116 8)大于放牧区(基台值均值0.019 5);随放牧强度的增加,土壤铵态氮、硝态氮的空间异质性均呈降低-增加的趋势,且重牧明显增加了土壤铵态氮和硝态氮的空间异质性,基台值分别为5.642 0和2.681 0,大于其余3个处理铵态氮和硝态氮的均值(0.315 8和0.168 7);整体上,在相同放牧处理的植被密度与土壤硝态氮的空间分布有相近的变化趋势.     

糙隐子草种群在不同放牧强度下的小尺度空间格局

利用Ripley's K函数, 在0～100 cm的空间尺度域上定量分析了4种放牧强度--无牧(0 只/hm2羊)、轻牧(1.33 只/hm2羊)、中牧(4.00 只/hm2羊)、重牧(6.67 只/hm2羊)下糙隐子草种群的空间格局及其随尺度的变化规律;用蒙特卡罗(Monte Carlo)随机模拟方法估计了(t)的置信限.研究了放牧对糙隐子草种群空间格局的影响以及糙隐子草在不同放牧条件下的斑块大小,并进一步以放牧条件下糙隐子草的生活史特征、生态适应对策以及群落内植物种间的相互作用为基础,探讨产生和维持这些格局的机理.研究结果表明:1)放牧显著影响糙隐子草种群空间格局,即使在同一放牧强度下在不同尺度(0～100 cm)上糙隐子草种群的空间格局也显著不同;2)在0～100 cm尺度上,糙隐子草种群的空间格局在无牧条件下为均匀分布,在轻牧和中牧条件下为集聚分布.重牧条件下,糙隐子草种群的空间分布在0～42 cm尺度上为集聚分布,而在42～100 cm尺度上为均匀分布,这与其自身的生物学特性和种群对放牧压力的生态适应对策密切相关;3)不同放牧条件下,糙隐子草种群的斑块大小不同;4)放牧活动的加剧改变了群落中的各种过程,并最终代替群落中的种间竞争过程而成为决定群落内物种分布的主导过程,这为在放牧活动的干预下,退化草原群落演替规律的研究提供了理论依据.     

放牧强度对无芒隐子草小尺度空间分布特征的影响

为了研究荒漠草原无芒隐子草(Cleistogenes songorica)空间分布在不同放牧强度下不同尺度上的变化规律及其斑块特征,以内蒙古荒漠草原为研究对象,在对照区(CK)、轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG)条件下,选择2m×2m的代表性样方,记录无芒隐子草株丛的相对坐标,然后划分不同尺度并计算密度,再重新建立相对坐标并采用地统计分析方法进行分析,结果表明:荒漠草原无芒隐子草空间分布随着空间取样单元尺度的增加其缀块性减弱,CK区斑块主要在10cm×10cm尺度上,LG和HG区斑块主要呈现在20cm×20cm尺度上,而MG区在25cm×25cm尺度上的斑块性依然强烈;在LG和MG区,无芒隐子草空间分布比较复杂,空间异质性强烈;无芒隐子草空间分布主要受结构性因素主导,整体表现出随放牧强度增加异质性减弱的变化趋势。     

放牧强度对短花针茅植物种群空间分布的影响

为探讨荒漠草原建群种短花针茅(Stipa breviflora)空间分布的多重分形特征及其在不同放牧强度下的响应规律,本研究以内蒙古四子王旗短花针茅荒漠草原为研究对象,设置对照(CK)、轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG)4个放牧强度,载畜率分别为每公顷每半年0、0.93、1.82和2.71个羊单位,结合变异分析和多重分形研究方法,结果表明:在不同放牧强度下,短花针茅植物种群空间分布存在多重分形特征;伴随放牧强度的增大(轻度放牧除外),短花针茅植物种群空间分布的多重分形复杂性降低:生态位宽度几乎没有变化,空间分布由聚集状态转为均匀状态,个体间的竞争强度增大;轻度放牧下短花针茅植物种群空间分布多重分形特征最为复杂:生态位宽度降低,空间分布聚集特征最明显,个体间的竞争强度最小.无论放牧强度如何变化,短花针茅植物种群在植物群落中的主导地位没有改变,空间分布的整体特征是以大概率子集空间分布为主.     

放牧率对内蒙古典型草原物种分布空间异质性的影响

本文应用统计学研究放牧率对内蒙古温带典型草原的羊草、大针茅、冷蒿和星毛委陵菜分布空间异质性的影响。结果表明:1)放牧率对典型草原物种空间分布有明显的影响。随着放牧率的增大,羊草与大针茅空间分布的随机性减小,空间自相关尺度逐渐增大。而在退化过程中入侵的冷蒿和星毛委陵菜,空间分布的随机性逐渐增大,空间自相关尺度亦呈增大趋势。在放牧率胁迫超过一定程度时,冷蒿空间分布的自相关开始下降,而星毛萎陵菜的空间分布则表现出强烈的随机性。2)格局图谱法反应出群落演替的主要矛盾,对于草原,格局图谱不受啃食和小尺度生境变化的影响,适用于不同放牧下群落之间的比较。     

不同放牧强度下羊草╋大针茅草地植被与土壤氮素的空间异质性分析

以河北坝上的羊草(Leymus chinensis)+大针茅(Stipagrandis)典型草原为研究对象,用方差和地统计分析相结合的方法,研究了不同放牧强度对植被和土壤氮素的空间分布格局的影响。结果表明,植被密度与土壤氮素的变异函数大多符合球状和指数模型;轻牧与中牧的植被群落密度的空间分布受随机因素的影响较大,禁牧与重牧地受空间结构性因素影响较大,但重牧区土壤氮素的空间分布受随机因素影响相对较大;放牧降低了植被密度的空间异质性,而禁牧区的空间异质性(基台值0.116 8)大于放牧区(基台值均值0.019 5);随放牧强度的增加,土壤铵态氮、硝态氮的空间异质性均呈降低-增加的趋势,且重牧明显增加了土壤铵态氮和硝态氮的空间异质性,基台值分别为5.642 0和2.681 0,大于其余3个处理铵态氮和硝态氮的均值(0.315 8和0.168 7);整体上,在相同放牧处理的植被密度与土壤硝态氮的空间分布有相近的变化趋势。     

荒漠草原生物量空间异质性对长期不同放牧强度的响应

研究植物群落空间异质性及其动态是认识生物多样性和生态系统稳定性维持机制的基础。本研究以拥有20年放牧历史的内蒙古荒漠草原放牧试验样地中的植物群落地上生物量为研究对象,基于地统计学分析不同放牧强度下植物群落地上生物量空间异质性。结果表明：(1)放牧显著降低了植物群落地上生物量,对变异系数未发生显著影响;(2)通过半方差函数进行拟合发现,CK,MG和HG处理植物群落地上生物量空间格局均符合指数模型,LG处理符合高斯模型,且结构比大小随放牧强度降低;(3)通过分形维数发现,随着放牧强度增大,空间分布呈现了较明显的均质化趋势;(4)结合2D和3D空间分布图看出,CK和LG处理中植物群落地上生物量为斑块化分布,MG和HG地上生物量则为梯度分布,趋于均质化。由此可见,随着放牧强度增大,植物群落地上生物量空间异质性逐渐降低。     

基于MODIS NDVI和NOAA NDVI数据的空间尺度转换方法研究——以内蒙古草原区为例

选择内蒙古自治区的主要草原植被类型区作为研究区域,分析了2000-2003年生长季(4-10月)内月NOAA NDVI和MODIS NDVI数据之间相关性的年季变化规律。采用统计学方法,探讨了在大尺度空间范围内进行不同分辨率遥感数据之间的空间尺度转换方法,并利用2002年7、8月的NOAA NDVI和MODIS NDVI数据建立NOAA NDVI空间尺度转化模型,对该模型进行了时间尺度外推和精度验证。结果表明：针对NOAA NDVI和MODIS NDVI数据建立的空间尺度转化模型具有较好的应用效果,能够用于时间尺度外推,使MODIS和NOAA NDVI数据之间的分析比较具有科学性和有效性。     

放牧对典型草原群落特征及土壤物理性状的影响

在内蒙古典型草原建立不同放牧强度试验区,研究围栏禁牧(CK)、轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)、重度放牧(HG)和极重度放牧(EHG)对植被特征(物种组成、群落数量特征、生物量及多样性)和土壤孔隙度、含水量、容重的影响,以期确定合理放牧强度,为典型草原的可持续利用提供科学依据。研究表明:随放牧强度增大,植被的优势种由羊草、大针茅等多年生禾草演替为画眉草、尖头叶藜等一、二年生植物。放牧显著降低植被盖度、高度和生物量(P0.05)。中度放牧条件下,植被丰富度(1.46)和均匀度指数(0.83)最高,群落结构较稳定;土壤孔隙度和含水量均有增加,容重显著降低(P0.05),土壤物理状况良好。因此在内蒙古典型草原区中度放牧[340SSU·d/(hm~2·y)]是适宜的放牧强度。     

高寒草地植被盖度估算及其与冻土的关系

植被覆盖度（盖度）是水文、生态、气象等研究中的一个重要因子,目前目估是野外获取盖度的传统方法。本研究利用多光谱相机拍摄的相片,分析每一个像元的归一化指数,区分植被和土壤,以获取盖度,并与目估法进行对比,评估两种方法的优缺点。结果表明,目估盖度具有较大的主观性,而多人平均值具有一定的参考性;利用多光谱相片能够快捷准确地获取盖度;归一化植被指数取0.4作为阈值较理想;利用阈值的方法区分植被和土壤需要像元所代表的空间尺度不能超过0.2 cm。分析疏勒河上游地区盖度和多年冻土分布的关系发现,多年冻土区盖度显著高于季节冻土区和过渡区(P<0.01)。     

基于小型无人机与MODIS数据的草地植被覆盖度研究——以甘南州为例

以甘南州为研究区,采用Canon数码相机和小型无人机搭载相机在不同大小样方上获取草地植被覆盖度数码照片,结合2015年5月-10月的Terra/MODIS植被指数产品MOD13Q1,分析了增强型植被指数(EVI)和归一化植被指数(NDVI)与草地植被覆盖度之间的相关性,建立了研究区草地植被覆盖度的回归模型,并对模型进行了精度评价,筛选出甘南州草地植被覆盖度最优遥感反演模型,并对草地生长季时期覆盖度时空上的动态特征进行分析。结果表明,1)利用小型无人机搭载相机获取草地大样方植被数码照片的方法能用于地面草地覆盖度数据的获取;2)与NDVI相比,用EVI估算草地覆盖度更优,因此确定基于EVI构建的对数模型为甘南州草地植被覆盖度最优反演模型,模型精度可达88.00%;3)研究区2015年生长季草地植被覆盖度除了低平地草甸在8月达到最大值外,其它草地类型均在7月达到最大值;4)甘南州以中高植被覆盖度为主,主要分布在玛曲、碌曲、夏河以及合作四县市。整体而言,中西部和西南部区域草地覆盖度高于东部。通过精确草地植被覆盖度模型的建立,不仅有利于及时准确的了解草地植被覆盖度的时空分布状况和季节性动态变化,也有利于维护甘南州草地生态系统的持续稳定发展。     

高寒草地生长季/非生长季植被盖度遥感反演

植被盖度是刻画陆地生态系统植被覆盖的重要生态参量。以当雄县Landsat-8OLI为数据源,从10种常用植被指数中筛选出适合反演高寒草地生长季/非生长季草地植被盖度的植被指数,引入像元三分法确定端元特征值,通过不同植被指数基于像元二分模型反演植被盖度的对比分析,确定适合生长季/非生长季植被盖度最优植被指数,根据反演结果分析了研究区草地生长季/非生长季植被盖度的时空变化特征。结果表明：1）由可见光-近红外波段构建的植被指数适用生长季植被盖度反演,由短波红外构建的植被指数适用于非生长季植被盖度反演。2）基于MSACRI的像元二分模型适合非生长季植被盖度反演,基于NDVI的像元二分模型则最适用于生长季植被盖度的反演。3）研究区草地植被盖度随海拔增加呈现先增加后减少的单峰变化格局,草地集中分布于海拔4300~5100 m处。生长季植被盖度主要集中于20%~80%,非生长季绝大部分的草地盖度小于40%。研究结果可为草地生态系统碳存储、植被生产力、土壤侵蚀、生态水文等研究提供参考依据。     

基于STARFM的草地地上生物量遥感估测研究——以甘肃省夏河县桑科草原为例

遥感数据具有实时、动态、大范围等特点,在草地资源监测与管理研究中获得了广泛应用。然而,单一的遥感植被指数无法同时满足草地地上生物量观测中时空分辨率的需求。因此,本研究基于时间序列Landsat NDVI和MODIS NDVI数据,结合时空融合算法（spatial and temporal adaptive reflectance fusion model, STARFM）,生成了2000-2016年高时空分辨率的植被指数数据集（NDVI_STARFM,时间分辨率为16 d,空间分辨率为30 m）,并基于2013-2016年地面实测草地地上生物量数据,构建了夏河县桑科草原高寒草地地上生物量遥感反演模型,分析了2000-2016年研究区草地地上生物量生长状况和变化趋势。结果表明：1）基于NDVI_STARFM的最优估测模型为乘幂模型,其R²为0.58,均方根误差（root mean square error, RMSE）为795.62 kg·hm^-2,模型的表现能力次于Landsat NDVI最优估测模型（R²=0.76,RMSE=634.83 kg·hm^-2）,而优于MODIS NDVI最优估测模型（R²=0.24,RMSE=937.79 kg·hm^-2）;2）基于NDVI_STARFM最优估测模型对各样区草地地上生物量总产的估测精度优于MODIS NDVI而次于Landsat NDVI,总体精度达84.05%;3）2000-2016年来,夏河县研究区草地地上生物量总体呈现增加趋势,其中90%左右的区域年增量大于30 kg·hm^-2,草地地上生物量呈现减少趋势的区域仅占2.30%。     

天然草地与改良草地地上生物量空间分布及其群落结构特征

应用数理统计模型的解析方法,探讨退化天然草地和补播苜蓿的改良草地地上生物量的空间分布规律及其群落结构特征。结果表明,2种草地的主要植物种地上生物量的空间分布与γ分布模型具有很好的吻合性。改良草地的平均生物量极显著的高于天然草地（P〈0.001）,而平均物种数与平均物种多样性指数极显著的低于天然草地（P〈0.001）。2种草地的组成植物种的空间异质性指数与其平均生物量之间均存在着负相关。天然草地的生物量随着物种数的增加而增大,而改良草地随着物种数的增加,生物量逐渐减少。     

Grassland quality response to climate change in Xinjiang and predicted future trends北大核心CSCD

Grassland is a major vegetation type in Xinjiang Province,and is an important component of carbon source-sink calculations. It is therefore important to ecological management decisions to understand the factors driving changes in grassland quality and likely future trends in those changes. We used geographic information maps to eliminate the interference of human activities and determine changes in grassland status and areas of stable grassland from 1980 to 2020,and analyzed changes in grassland quality and its response to climate change using data such as normalized vegetation index（NDVI）,vegetation net primary productivity（NPP）,and meteorological data,among others. We here estimate changes in grassland quality in Xinjiang and predict grassland quality changes from 2021 to 2040 using the Thornthwaite Memorial model and other models. We found that：1） The grassland quality in Xinjiang was generally increasing,with a statistically significant rate of ongoing increase. The grassland cover and quality in mountainous areas of Xinjiang was high,while that at the desert edge was low. 2）The main driving forces for grassland quality changes in Xinjiang are temperature and precipitation. The correlation between grassland quality and precipitation was positive. Temperatures exceeding a certain limit were found to inhibit grassland quality. Sensitivity to temperature and precipitation decline was found to be greater when vegetation cover was lower. 3）The grassland quality and its temporal and spatial changes in Xinjiang can be reflected by climatic productivity. The lower the grassland cover,the stronger was the link between grassland quality and climate factors. 4）Under currently predicted climate change scenarios,the quality of low-cover grassland will be improved in the future,while the quality of other categories will tend to decrease. This information on grassland quality in Xinjiang and its predicted future trends can assist in formulating ecological protection measures and in other ways,such as compilation of carbon stock inventories. © 2022 Editorial Office of Acta Prataculturae Sinica. All rights reserved.     

黄河源区高寒草甸群落高度遥感模拟与评价

草层高度是反映草地生长状况的重要指标之一,与草地地上生物量的监测及载畜力的评估具有紧密联系。目前,对我国天然草地群落高度的监测尚缺乏精确的遥感方法。本研究以黄河源区高寒草甸为研究区,分别基于MODIS植被指数、冠层高度模型以及草地冠层高光谱反射率,构建了高寒草甸草地群落高度的估算模型,并对模型精度进行了评价。结果表明,1)12种MODIS植被指数中,NDVI对草层高度的变化最为敏感,其4种回归模型的R~2均较低,介于0.203~0.241,NDVI指数模型(y=0.789e~(3.186x),R~2=0.241)的拟合效果最好,但反演误差较大(RMSE=4.2cm,CVRMSE=45.7%);2)冠层高度模型在黄河源地区高寒草甸试验区的反演精度较低(RMSE=5.8cm,CVRMSE=62.1%),实际应用误差较大;3)高寒草甸群落高度与519.4-583.17nm波段之间的冠层光谱反射率存在显著负相关关系(P0.05),基于光谱位置变量R′510.59的线性模型(y=~(-1)56.375x+20.384)相对最优(R~2=0.489,RMSE=3.5cm),较适合反演高寒草甸群落的草层高度。     

Remote Sensing of Spatial and Temporal Vegetation Patterns in Two Grazing Systems

One constraint that range scientists must face in grazing studies is the lack of accurate and repeatable techniques for discriminating grazing effects from both temporal variability and spatial heterogeneity of vegetation. Both forms of variability contribute to inconsistent grazing system effects on vegetation response and forage production in semiarid ecosystems. Remote sensing may be an efficient tool for detecting differences in spatial and temporal patterns of grazing impact on vegetation. The purpose of this study was to evaluate the spectral data derived from satellite images as a tool for comparing grazing system impacts on spatial and temporal vegetation patterns. We evaluated the effect of two grazing systems, “Continuous” (C) and “Two-Paddocks Rest-Rotation” (TPRR), on vegetation cover from 1996 to 2006 in a semiarid ecosystem of Argentina. We compared grazing effects on vegetation cover using two indices derived from the Normalized Difference of Vegetation Index (NDVI) data from Landsat Thematic Mapper images. We observed a slight advantage in NDVI improvement for the TPRR over the C. Even though, in both grazing systems, an upward vegetation trend occurred only in areas located far from the watering points, TPRR showed higher relative vegetation cover near the watering point than C. We consider this methodology an important step for monitoring vegetation changes and making management decisions in livestock systems of semiarid regions because grazing system impacts may be compared for both spatial and temporal vegetation patterns. However, we think that the key next step is to develop procedures that discriminate between forage and nonforage components.     

玛曲高寒草甸放牧强度的遥感监测

为给玛曲县高寒草甸草-畜平衡和草地资源的可持续利用提供科学依据,本研究利用遥感技术,结合2016年地面实测数据和同时期的MODIS影像资料,分别建立了研究区草地地上生物量和植被指数(NDVI)、相对放牧强度间的回归模型以及不同相对放牧强度和NDVI值之间的幂回归模型。结果表明,6-9月调查点NDVI和地上生物量间存在较好的相关性,即随着NDVI值的增加生物量呈上升趋势,且9月份的拟合(R2=0.510 2)达到了极显著水平;实测地上生物量和相对放牧强度之间有很好的拟合关系(R2=0.965 1),随着放牧强度的增加地上生物量呈下降趋势;相对放牧强度和植被指数间相关性较好(R2=0.631),即随着NDVI值的变小,相对放牧强度逐渐增强,当相对放牧强度增强到一定程度时,NDVI对其响应不灵敏。     

草地生态系统中植被冠层截留的研究进展

草地植被冠层截留是草地生态系统对降水再分配的主要过程，属于草地生态系统蒸散发的组分之一。由于草地植被冠层截留常在草地生态系统水量平衡研究中被忽略而导致蒸散发组分的划分中存在误差。因此，讨论草地植被冠层截留对草地生态水文学的研究具有重要的理论意义和实用价值。本论文通过对目前草地植被冠层截留研究的现状和存在问题，从草地植被冠层截留的测定方法和主要的影响因素（环境因子和植被特征）2方面论述草地植被冠层截留的研究进展。分析发现，草地植被冠层截留的影响因素研究主要集中在降水特征、气象条件、放牧和植被特征等方面，各因素的综合影响研究仍然非常缺乏，测定方法的准确性有待评估。