瑪納斯河流域草地覆蓋度動(dòng)態(tài)變化及影響因素研究

張林,馬松梅*,張?jiān)屏?雷誠(chéng),葛本偉

(1 石河子大學(xué)理學(xué)院/干旱區(qū)景觀生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/綠洲城鎮(zhèn)與山盆系統(tǒng)生態(tài)兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 石河子 832000;2 新疆維吾爾自治區(qū)草原總站, 新疆 烏魯木齊 830049;3 新疆激光雷達(dá)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心, 新疆 烏魯木齊 830002)

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地上分布最廣的生態(tài)系統(tǒng),具有涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙和生物多樣性維持等重要的生態(tài)服務(wù)功能[1]。中國(guó)是草地資源大國(guó),天然草地面積約占國(guó)土面積的41%,居世界第二,是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障[2]。西北干旱半干旱區(qū)擁有中國(guó)85%的草地資源,自然環(huán)境脆弱,對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)十分敏感[3]?，敿{斯河流域是西北干旱半干旱區(qū)最具有代表性的內(nèi)陸河流域,是典型的山地-綠洲-荒漠系統(tǒng),是中國(guó)第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)、新疆最大的綠洲農(nóng)耕區(qū)和天山北麓的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)[4]?，敿{斯河流域天然草地資源豐富,草地面積占流域總面積的52%左右,并且從山區(qū)、山前傾斜平原到荒漠,流域草地類(lèi)型多樣[5-6],以溫性荒漠、溫性草原和高寒草甸為主,草地類(lèi)型由南向北依次呈垂直帶狀分布規(guī)律。受氣候變化和日益增強(qiáng)的人類(lèi)活動(dòng)的影響,流域草地呈不同程度的退化,草地覆蓋度下降,造成生物多樣性喪失、碳匯流失,導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能下降[7]。

植被覆蓋度(Fraction of Vegetation Coverage, FVC)是反應(yīng)生態(tài)環(huán)境總體情況與生態(tài)系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[8]。長(zhǎng)時(shí)間序列多源遙感數(shù)據(jù)為研究多尺度、大范圍的植被覆蓋和環(huán)境變化提供了有效的數(shù)據(jù)來(lái)源。其中,歸一化植被指數(shù)(NDVI)是反演地表植被覆蓋變化的最常用指標(biāo)[9],MODIS-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被覆蓋變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。目前,植被覆蓋度和環(huán)境因子的關(guān)系研究多側(cè)重兩者的相關(guān)性,忽略了環(huán)境因子對(duì)覆蓋度的空間異質(zhì)性作用[10]。地理加權(quán)回歸模型(GWR),能有效處理回歸分析中植被覆蓋度與環(huán)境因子的空間依賴(lài)性[11],這對(duì)探究局部地區(qū)植被覆蓋度對(duì)環(huán)境因子的時(shí)空響應(yīng)機(jī)制具有重要作用。例如,基于GWR模型的中國(guó)NDVI與氣候因子的關(guān)系研究,揭示了NDVI動(dòng)態(tài)特征對(duì)氣候變化響應(yīng)的空間格局[10,12]。

目前,針對(duì)瑪納斯河流域草地開(kāi)展的研究較少,僅體現(xiàn)在不同草地生態(tài)功能分區(qū)方面的研究[6]。然而,近20年,瑪納斯河流域不同草地類(lèi)型的覆蓋度如何?時(shí)空演變趨勢(shì)如何?影響不同草地類(lèi)型覆蓋度差異的關(guān)鍵環(huán)境因子有哪些?而且,針對(duì)流域三大生態(tài)區(qū)(北部荒漠區(qū)、中部綠洲區(qū)以及南部山地區(qū),圖1),環(huán)境因子對(duì)不同草地類(lèi)型覆蓋度影響的空間異質(zhì)性如何?這一系列科學(xué)問(wèn)題尚不可知。這在很大程度上限制了對(duì)瑪納斯河流域不同草地類(lèi)型覆蓋度時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制的系統(tǒng)認(rèn)知,也阻礙了對(duì)流域草地生態(tài)系統(tǒng)變化與生態(tài)修復(fù)特征的理解。研究以期為預(yù)測(cè)未來(lái)瑪納斯河流域草地覆蓋度演變提供理論基礎(chǔ),同時(shí)為瑪納斯河流域生態(tài)環(huán)境改善、植被恢復(fù)及未來(lái)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 瑪納斯河流域研究區(qū)位置(a)及草地分布圖(b)

因此,本研究利用3 S技術(shù),基于趨勢(shì)分析、地理加權(quán)回歸等方法探究瑪納斯河流域2001-2020年不同草地類(lèi)型覆蓋度時(shí)空變化特征,以及草地覆蓋度與自然環(huán)境因子的空間異質(zhì)性關(guān)系。旨在解決以下科學(xué)目標(biāo):(1)揭示近20年瑪納斯河流域不同草地類(lèi)型覆蓋度的時(shí)空分布及變化特征;(2)采用Sen趨勢(shì)分析和Manna-Kendall檢驗(yàn)研究流域不同草地類(lèi)型覆蓋度的變化趨勢(shì)特征;(3)利用GWR模型探究氣候、地形、土壤因子對(duì)流域不同草地類(lèi)型覆蓋度的空間異質(zhì)性影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域(43.1°～45.9°N,84.7°～86.7°E)地處準(zhǔn)噶爾盆地南部,地勢(shì)南高北低,海拔高度介于220～5 070 m之間,南部為天山山脈,中部為綠洲,北部為古爾班通古特沙漠(圖1a)。流域氣候具有明顯地域差異,大部分區(qū)域是溫帶大陸性氣候,降水較少,氣溫的日(年)較差大。天然草地資源十分豐富,草地面積占流域總面積的52%左右,共包括9類(lèi)草地類(lèi)型:溫性荒漠類(lèi)、低平地草甸類(lèi)、溫性荒漠草原類(lèi)、溫性草原化荒漠類(lèi)、溫性草原類(lèi)、溫性草甸草原、山地草甸類(lèi)、高寒草原類(lèi)、高寒草甸類(lèi)[5](圖1b)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

NDVI數(shù)據(jù):MOD13Q1(V006)是美國(guó)國(guó)家航空航天局地球觀測(cè)系統(tǒng)(http://ecocast.arc.nasa.gov/)16 d合成的歸一化植被指數(shù)(NDVI),分辨率為250 m。首先,利用MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件將研究所用瑪納斯河流域2001-2020年NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行影像進(jìn)行批量拼接、重投影、格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理;其次,通過(guò)ENVI軟件采用最大值合成法排除云和大氣的干擾得到逐年NDVI數(shù)據(jù);最后,利用ArcGIS 10.5對(duì)遙感數(shù)據(jù)影響進(jìn)行裁剪,得到流域年NDVI數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù):年平均氣溫和年平均降水選取中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)2001-2020年瑪納斯河流域附近的15個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1a,表1),利用ANUSPLIN氣象插值軟件對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,以獲得空間分辨率為250 m的柵格數(shù)據(jù)。

其它數(shù)據(jù):DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的SRTM產(chǎn)品數(shù)據(jù),分辨率為90 m,通過(guò)分析單元內(nèi)最高海拔與最低海拔的差獲得海拔變幅(rel),研究將其作為生境異質(zhì)性假說(shuō)的一個(gè)指標(biāo)[13];土壤數(shù)據(jù)來(lái)自世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)上層土壤(0～30 cm)的土壤含沙量、有機(jī)碳含量等19項(xiàng)。草地可分為天然和人工兩類(lèi),本研究以瑪納斯河流域天然草地為研究對(duì)象。1995年新疆1∶100萬(wàn)草地資源數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)--國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn),包括溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原等9類(lèi)草地類(lèi)型(圖1b)。

所有柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系為WGS-1984-Albers,分辨率為250 m。

1.3 研究方法

(1)草地覆蓋度計(jì)算

研究采用像元二分模型反演草地覆蓋度,草地覆蓋度(FVCg)為研究區(qū)純植被NDVI值(NDVIveg)和純土壤NDVI值(NDVIsoil)的加權(quán)平均和[14]。利用NDVI的頻率累積值,將累積百分比5%作為純土壤像元值,95%的為純草地像元值。

(1)

(2)Mann-Kandall突變檢驗(yàn)

Mann-Kandall突變檢驗(yàn)可通過(guò)對(duì)草地覆蓋度時(shí)序數(shù)據(jù)構(gòu)造一組秩序列,用于總體趨勢(shì)分析中的突變點(diǎn)檢驗(yàn)。在時(shí)間序列為隨機(jī)的假設(shè)下,定義統(tǒng)計(jì)量為:

(2)

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,它是按時(shí)間序列x的順序(x1,x2…xn)計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量序列,UBb=-UFk。通過(guò)UFk和UBk兩條統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)在α置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)個(gè)數(shù)及位置,可判斷該時(shí)序數(shù)據(jù)突變發(fā)生的次數(shù)及相應(yīng)的時(shí)間。

研究對(duì)近20年植被覆蓋度進(jìn)行突變檢驗(yàn),取顯著性水平α=0.05,臨界值U0.05=±1.96,將UFk和UBk兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線(xiàn)和±1.96兩條直線(xiàn)進(jìn)行繪圖,若UFk和UBk的值大于0,則表明時(shí)間序列呈上升趨勢(shì),小于0則表明呈下降趨勢(shì);當(dāng)超過(guò)臨界直線(xiàn)(±1.96)時(shí),表明上升或下降趨勢(shì)顯著;若UFk和UBk兩條曲線(xiàn)出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界線(xiàn)之間,那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間是突變開(kāi)始的時(shí)間。

(3)MK+Sen趨勢(shì)分析

研究利用MATLAB軟件,將Theil-Sen Median(Sen)趨勢(shì)分析和Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)結(jié)合,用以分析研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列逐像元草地覆蓋度的變化趨勢(shì)。

Theil-Sen Median(Sen)趨勢(shì)分析是一種穩(wěn)健的非參數(shù)趨勢(shì)分析方法[15],公式如下:

(3)

式中,FVCi和FVCj為研究時(shí)段中第i、j年對(duì)應(yīng)的草地覆蓋數(shù)據(jù)。β>0表示時(shí)間序列呈現(xiàn)上升趨勢(shì);β<0表示時(shí)間序列呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,用來(lái)判斷所得趨勢(shì)β的顯著性,主要通過(guò)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值以評(píng)估時(shí)序數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的顯著性[16],當(dāng)|Z|≥1.96,表明時(shí)間序列通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)。然后研究根據(jù)MK+Sen趨勢(shì)分析結(jié)果,并結(jié)合研究區(qū)草地覆蓋度的實(shí)際變化情況,在Arcgis 10.5中將變化趨勢(shì)分為顯著降低(β<0,p<0.05)、輕度降低(β<0,p>0.05)、輕微提升(β>0,p>0.05)、中度提升(β>0,p<0.05)、高度提升(β>0.02,p<0.05)5級(jí)用以研究分析。

(4)地理加權(quán)回歸分析

GWR模型通過(guò)對(duì)獨(dú)立抽樣的分析點(diǎn)分別進(jìn)行回歸分析模型解算,得到與空間位置一一對(duì)應(yīng)的空間回歸系數(shù),能有效處理研究區(qū)域內(nèi)部空間關(guān)系的變化。公式如下:

(4)

式中,yi為在位置i處的因變量值;xij(k=1,2……m)為位置i處的自變量值;(ui,vi)為回歸分析點(diǎn)i的坐標(biāo);β0(ui,vi)為截距項(xiàng);εi獨(dú)立分布的隨機(jī)誤差項(xiàng)。本研究以高斯函數(shù)確定權(quán)重,以赤池信息量準(zhǔn)則(Akaike Information Criterion,AICc)確定模型的最優(yōu)帶寬。為保障GWR模型的準(zhǔn)確度,在構(gòu)建GWR模型前通常需要進(jìn)行最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)線(xiàn)性回歸[17]。

研究以草地覆蓋度為因變量,選擇氣候、地形和土壤因子作為自變量。利用OLS模型去除因變量與自變量之間的多重共線(xiàn)性(方差膨脹因子>7.5),保留了氣溫(tem)、降水(rain)、海拔變幅(rel)、土壤含沙量(t-sand)、土壤有機(jī)碳含量(t-oc)、土壤酸堿度(t-ph)6個(gè)因子。在GWR4.08軟件中進(jìn)行建模,空間權(quán)函數(shù)選擇高斯函數(shù)(Gaussian),帶寬優(yōu)化選擇AICc信息準(zhǔn)則法(Akaike Information Criterion,AIC),利用ArcGIS 10.5進(jìn)行可視化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類(lèi)型覆蓋度的空間分布

2001-2020年,瑪納斯河流域草地覆蓋度平均值為28.78%,年均值范圍24.98%～33.84%。流域不同草地類(lèi)型覆蓋度之間存在明顯的空間差異,整體呈由43.5°N向南北兩側(cè)遞減的空間分布格局(圖2a),高值區(qū)集中在南部山地區(qū)中部與北部,包括5種草地類(lèi)型(山地草甸、溫性草甸草原、高寒草原、低平地草甸與山前溫性草原)(圖1,圖2);草地覆蓋度較低的區(qū)域分布在北部荒漠區(qū)與南部山地2 000 m以上的高海拔地區(qū),包括溫性荒漠與高寒草甸(圖1,圖2)。

圖2 2001-2020年瑪納斯河流域草地覆蓋度均值空間分布圖(a)、不同草地類(lèi)型覆蓋度平均值(b)

其中,山地草甸覆蓋度年均值最高,為64.93%～74.66%,均值67.13%(圖2),在南部山地區(qū)呈開(kāi)口向東的喇叭狀分布(圖1),分布面積占流域草地面積的3.86%(圖2b,表2)。溫性草甸草原和高寒草原年均覆蓋度分別為61.90%、51.27%,草地覆蓋度次之,分布面積占比相同,均為0.31%(圖2b,表2)。低平地草甸主要分布在流域中部溫性荒漠邊緣,草地覆蓋度均值為48.05%。高寒草甸、溫性草原、溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠年均覆蓋度差異不大,范圍為30.95%～42.35%,主要分布在天山北坡(圖2b,表2)。在流域的9類(lèi)草地類(lèi)型中,溫性荒漠覆蓋度年均值最低,但為流域分布最廣的草地類(lèi)型,集中在44°N以北區(qū)域,面積占比73.68%(圖2b,表2)。

表2 2001-2020年瑪納斯河流域不同草地類(lèi)型面積比、草地覆蓋度平均值及變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

2.2 不同草地類(lèi)型覆蓋度的時(shí)間動(dòng)態(tài)分析

2001-2020年,瑪納斯河流域草地覆蓋度呈顯著上升趨勢(shì),增長(zhǎng)速率0.003 2/20 a(p<0.05),2016年達(dá)到最大值(圖3a)。Mann-Kandall突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示,2010年是流域草地突變點(diǎn),2012年后呈顯著升高趨勢(shì)(圖3b)。從不同草地類(lèi)型覆蓋度的逐年線(xiàn)性變化分析可得,高寒草原、低平地草甸以及溫性荒漠的草地覆蓋度呈上升趨勢(shì),其中低平地草甸增加趨勢(shì)最明顯(0.011 9/20 a,p<0.05,表2);溫性草甸草原、溫性草原與高寒草甸變化較平穩(wěn),上升趨勢(shì)不顯著;而溫性草原化荒漠與山地草甸為不顯著的下降趨勢(shì)(表2)。

圖3 2001-2020年瑪納斯河流域草地覆蓋度的變化趨勢(shì)(a)與M-K突變檢驗(yàn)(b)

MK+Sen分析結(jié)果表明,從空間上看,近20年瑪納斯河流域草地覆蓋度以提升為主,提升面積占草地面積的75.39%。其中,高度提升區(qū)面積占比3.80%,分布草地類(lèi)型為低平地草甸類(lèi)、溫性荒漠和高寒草原;中度提升區(qū)占比23.07%,分布于高度提升區(qū)周?chē)?主要草地類(lèi)型為低平地草甸、溫性荒漠與高寒草原;輕度提升區(qū)分布最為廣泛,占比48.52%,草地類(lèi)型為溫性荒漠草原、溫性荒漠與高寒草甸(圖4a)。下降區(qū)域的面積占比24.31%,輕度降低區(qū)占22.67%,顯著降低區(qū)則破碎化分布于輕度降低區(qū)周?chē)?占比1.65%(圖4a)。

圖4 2001-2020年瑪納斯河流域草地覆蓋度變化趨勢(shì)(a)及不同草地類(lèi)型覆蓋度變化顯著性統(tǒng)計(jì)(b)

溫性荒漠草原、高寒草原、溫性荒漠、低平地草甸、溫性草原與高寒草甸6類(lèi)草地類(lèi)型提升區(qū)域面積大于降低區(qū)域面積,其中溫性荒漠提升面積最廣,占草地面積的31.37%,而低平地草甸與高寒草原提升效果最顯著,草地覆蓋度提升面積占自身草地類(lèi)型的86%以上(圖4b)。山地草甸、溫性草原化荒漠、溫性草甸草原覆蓋度的降低區(qū)域面積高于提升區(qū)域面積,其中山地草甸覆蓋度降低面積占比1.35%,退化最為嚴(yán)重。

2.3 不同草地類(lèi)型覆蓋度對(duì)氣候、地形因子的空間異質(zhì)性響應(yīng)

本研究中,GWR模型具有最大R2(R2=0.73)、最小AICc,其解釋程度較OLS模型提高21.59%,AICc值(-16 638.15)顯著小于OLS模型AICc(-11 740.36)。利用GWR模型準(zhǔn)確揭示了瑪納斯河流域環(huán)境因子對(duì)不同草地類(lèi)型覆蓋度的空間異質(zhì)性影響。

GWR模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,模型的最優(yōu)帶寬為1 025.82,年平均降水、土壤有機(jī)碳含量對(duì)草地覆蓋度主要為正向影響;年平均氣溫、海拔變幅、土壤酸堿度、土壤含沙量對(duì)草地覆蓋度主要為負(fù)向影響(表3)。從整體格局看,各個(gè)因子與草地覆蓋度的影響表現(xiàn)出明顯的空間差異(表4,圖5)。對(duì)流域北部與中部的草地類(lèi)型來(lái)說(shuō),氣溫對(duì)草地覆蓋度的影響是中間低兩邊高,除了與流域北部的溫性荒漠為正相關(guān)外,氣溫與大部分草地類(lèi)型覆蓋度為負(fù)相關(guān);流域南部草地類(lèi)型與氣溫為正相關(guān),相關(guān)性由西向北逐漸增強(qiáng)。年平均降水的回歸系數(shù)在流域自南向北呈“正-負(fù)”相間分布規(guī)律,除流域中部溫性荒漠與高海拔溫性草原外,其它草地類(lèi)型與年平均降水均為正相關(guān)。海拔變幅對(duì)草地覆蓋度的影響強(qiáng)度為北低南高,對(duì)北部與中部的溫性荒漠、低平地草甸等草地類(lèi)型為負(fù)相關(guān),對(duì)南部山地區(qū)的大多數(shù)草地類(lèi)型覆蓋度為正相關(guān)。3種土壤因子的回歸系數(shù)變化規(guī)律相似,由東向西逐漸增加。其中,土壤含沙量與土壤酸堿度除對(duì)西部溫性荒漠為正向影響外,對(duì)其它草地類(lèi)型覆蓋度均為負(fù)相關(guān)。而土壤有機(jī)碳含量對(duì)草地覆蓋度的影響大多為正相關(guān)。從整體格局來(lái)看,流域北部草地覆蓋度受到降水和海拔變幅的控制作用更為顯著,中部草地主要受氣溫和降水的影響更顯著,南部草地主要受氣溫、降水、土壤含沙量的影響(圖5,表4)。

表3 瑪納斯河流域草地不同環(huán)境因子正值、負(fù)值作用區(qū)域面積百分比

表4 基于草地類(lèi)型的不同環(huán)境因子GWR空間回歸參數(shù)平均值統(tǒng)計(jì)

圖5 瑪納斯河流域草地覆蓋度與不同環(huán)境因子的GWR空間回歸參數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

(1)瑪納斯河流域不同草地類(lèi)型覆蓋度的時(shí)空變化特征

2001-2020年,瑪納斯河流域草地覆蓋度均值(28.78%),高于全疆(2000-2019年)植被覆蓋度均值(25.5%/20 a)[18]。南部山地區(qū)草地類(lèi)型豐富,分布有7種草地類(lèi)型,其中山地草甸、溫性草甸草原和高寒草原因區(qū)域水熱條件較好,草地生長(zhǎng)潛力大,草地覆蓋度較高(圖4a)。其中,山地草甸覆蓋度最高(表2),達(dá)67.13%,這與山地草甸自身群落蓋度的植物特性有關(guān)[19],相關(guān)研究表明流域南部山地草甸具有研究區(qū)草地類(lèi)型中最高的群落蓋度(91%)與牧草產(chǎn)量(10 509 kg·hm2)[6]。流域山地草甸在南部山地區(qū)呈開(kāi)口向東的喇叭狀分布(圖1),占流域草地面積的3.86%,對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)功能的發(fā)揮和生態(tài)安全建設(shè)具有重要作用。然而,根據(jù)本研究,近20年山地草甸退化面積大于提升面積(圖4b),草地覆蓋度降低區(qū)域面積占自身草地類(lèi)型面積的58.87%,退化嚴(yán)重,過(guò)度放牧活動(dòng)、不合理利用草地資源和濫用水資源可能在很大程度上導(dǎo)致山地草甸類(lèi)發(fā)生嚴(yán)重退化[20-21],也使得生態(tài)服務(wù)功能不斷下降,加強(qiáng)山地草甸的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)流域生態(tài)安全和草地修復(fù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此,根據(jù)本研究,對(duì)清水河鄉(xiāng)、塔西河鄉(xiāng)、旱卡子灘鄉(xiāng)進(jìn)行退牧還草、人工種草等工程建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義,這也是目前瑪納斯縣生態(tài)修復(fù)治理的重點(diǎn)工程。

溫性荒漠是流域分布最廣的草地類(lèi)型,占流域面積的73%以上,且具有較高的生產(chǎn)力指數(shù)與生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值[6],近20年覆蓋度呈顯著增加趨勢(shì)(表2),增長(zhǎng)速率為0.003 7/20 a(p<0.05),提升面積大于退化,這有利于流域草地生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。整體來(lái)看,流域多數(shù)草地類(lèi)型覆蓋度呈增加趨勢(shì),提升面積占草地面積的75.39%?？赡苁且?yàn)?011年瑪納斯?jié)竦乇患{入國(guó)家濕地公園建設(shè)試點(diǎn),成為國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)范圍,濕地的改善使流域東部草地覆蓋度得到顯著提升。

(2)瑪納斯河流域草地覆蓋度驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

氣候因子(氣溫、降水)影響瑪納斯河流域草地覆蓋度的主要環(huán)境因子(圖5)。流域中部溫性荒漠、低平地草甸的覆蓋度受降水影響較大,相關(guān)研究也表明水分條件是草地生長(zhǎng)的主要限制因子,降水的增加能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[22]。新疆位于西北干旱區(qū),在水分不足的區(qū)域如荒漠草原,由于蒸發(fā)量增加,土壤水分常處于虧缺狀態(tài),水分條件將成為草地生長(zhǎng)的關(guān)鍵限制因素[23]。氣溫是影響南部山地不同草地類(lèi)型(溫性草原、山地草甸、高寒草原與溫性草甸草原)覆蓋度的主導(dǎo)因子(圖5,表4),這主要是由于地形通過(guò)改變熱量、水分顯著影響草地覆蓋度,熱量成為草地生長(zhǎng)的限制因子,體現(xiàn)在南部山地區(qū)的草地覆蓋度隨海拔上升呈不同程度的下降趨勢(shì)(圖3a)。土壤因子對(duì)植被覆蓋度具有重要影響,土壤含沙量是影響南部山地區(qū)北部高寒草甸和溫性草原的主導(dǎo)因子,土壤含沙量越高,越不利于植被生長(zhǎng)。土壤理化性質(zhì)影響植物群落物種組成,間接影響植被覆蓋度[24]。研究表明[25],草地的退化實(shí)際上是植被-土壤系統(tǒng)的退化,植被和土壤是一種相互依賴(lài)相互制約的影響,土壤持水量隨草地植被退化而減少,土壤酸堿度的變化是造成高寒草地退化的重要原因,因此,在植被的恢復(fù)中,不能忽視土壤對(duì)植被的影響。GWR模型準(zhǔn)確揭示了不同環(huán)境要素(氣候、地形、土壤)對(duì)草地活動(dòng)的控制作用及其分布區(qū)域,說(shuō)明GWR模型在探究干旱區(qū)、半干旱區(qū)流域草地覆蓋度驅(qū)動(dòng)因素的空間差異性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3.2 結(jié)論

本研究利用趨勢(shì)分析、突變檢驗(yàn)等方法分析了瑪納斯河流域近20年不同草地類(lèi)型覆蓋度時(shí)空變化,并利用GWR模型揭示了自然環(huán)境要素對(duì)不同草地類(lèi)型覆蓋度的空間異質(zhì)性影響。結(jié)論如下:

(1)流域草地覆蓋度在空間上呈現(xiàn)由43.5°N向南北兩側(cè)遞減的空間分布特征,高值區(qū)集中在海拔1 500～2 000 m的南部山地區(qū),9種草地類(lèi)型覆蓋度依次為山地草甸>溫性草甸草原>高寒草原>低平地草甸>高寒草甸>溫性草原>溫性荒漠草原>溫性草原化荒漠>溫性荒漠。

(2)近20年流域整體草地覆蓋度呈顯著增加趨勢(shì),流域西部的溫性荒漠提升面積最廣,而山地草甸退化最為嚴(yán)重,加強(qiáng)草地覆蓋度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)草地修復(fù)具有價(jià)值。

(3)自然環(huán)境因子與草地覆蓋度的影響表現(xiàn)出明顯的空間差異性,但本研究在影響因素建模過(guò)程中,未考慮人為因素(如放牧、旅游、農(nóng)業(yè)水土開(kāi)發(fā)等)的定量分析,因此將人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)因子合理納入GWR模型,探究其對(duì)草地覆蓋度的影響,也是研究今后進(jìn)行的重點(diǎn)內(nèi)容。

致謝:感謝國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)--國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)提供1995年新疆1∶100萬(wàn)草地資源數(shù)據(jù)支撐。