青藏高原各主要植被類型特征及環(huán)境差異

張 慧,朱文泉,*,史培軍,趙涔良,劉若楊,唐海萍,王靜愛,何邦科

1 北京師范大學(xué) 遙感科學(xué)國家重點實驗室,北京 100875 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 北京市陸表遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品工程技術(shù)研究中心,北京 100875 3 北京師范大學(xué)應(yīng)急管理部 教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院,北京 100875 4 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875 5 青海省人民政府 北京師范大學(xué)高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院,西寧 810016

環(huán)境差異造就了植被類型差異,青藏高原海拔變化引起的地形、氣候及土壤空間差異造就了其獨特的植被類型(如高寒草甸、高寒草原)及其空間變化(如植被垂直分異、干熱河谷)[1—3]。因此,青藏高原的植被類型及其特征與其生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)。受青藏高原特殊的地理環(huán)境影響,其植被類型的遙感精細(xì)分類主要存在灌叢和草地區(qū)分、草地類型細(xì)分(細(xì)分為草原、草叢、草甸等)、高山苔原-墊狀-稀疏植被(分布于森林或灌叢線以上、冰雪帶以下,由苔原、墊狀植被、稀疏植被構(gòu)成的植物群落)識別和山地垂直地帶植被識別四方面難點問題[4],單純依靠更優(yōu)的遙感數(shù)據(jù)或分類方法難以解決這些問題,需更多的分類特征參與以提高它們之間的區(qū)分度,而植被的特征與環(huán)境差異可增強(qiáng)青藏高原各植被類型的可分性、提高分類的精細(xì)程度[5—6]。此外,揭示青藏高原植被類型的特征及環(huán)境差異可為青藏高原物種多樣性研究[7—9]、地表物質(zhì)循環(huán)研究[10—11]等提供理論支持。

現(xiàn)有關(guān)于各植被類型的特征及環(huán)境差異研究大多聚焦于氣候、地形特征中的某一個或少量環(huán)境和植被特征,缺乏針對青藏高原全域范圍內(nèi)各植被類型特征和環(huán)境差異的定量與系統(tǒng)性分析。當(dāng)前相關(guān)研究可大體歸為兩大類:一是基于空間化環(huán)境或植被特征數(shù)據(jù)的非定量化植被類型差異應(yīng)用研究[5, 12—13],二是基于實測數(shù)據(jù)、針對局域小范圍的定量植被類型特征差異研究[14—15]。在基于空間化數(shù)據(jù)的定性研究方面,趙嘉瑋等[16]、楊亮等[17]發(fā)現(xiàn)了青藏高原的植被和群落類型與年平均溫度、年總降水量、土壤含水量、遙感植被指數(shù)等環(huán)境因子密切相關(guān),且其空間特征差異明顯;Xu和Zhang[5]、Zhang等[12]、賈偉等[18]的研究表明,在植被分類中使用地形特征(數(shù)字高程模型,DEM)、氣候特征(溫度和降水)、土壤特征(土壤類型)、植被特征(歸一化植被指數(shù),NDVI)等,可以更有效地識別植被分布的空間細(xì)節(jié)、提高植被類型識別精度,但這些研究并未定量分析各植被類型的環(huán)境及植被特征差異,僅將這些特征作為輔助數(shù)據(jù)以提高植被分類精度。在基于站點觀測數(shù)據(jù)的定量研究方面,楊新宇等[19]、姚喜喜等[20]、Wang等[2]基于野外實測數(shù)據(jù),對祁連山、青藏高原干旱區(qū)等局域小范圍內(nèi)植被群落的植被與環(huán)境特征差異研究結(jié)果表明,植被群落的類型和分布與草地群落蓋度、地上生物量、土壤物質(zhì)含量、土壤含水量等植被與環(huán)境特征有關(guān),且分析了對群落類型和分布的解釋度最高的特征指標(biāo),但這些研究僅反映了站點尺度而不是空間全域的特征差異。

針對青藏高原特殊的地理環(huán)境和植被類型,非常有必要在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展各植被類型特征和環(huán)境差異的定量與系統(tǒng)性分析。為此,本研究基于空間化的環(huán)境及植被特征數(shù)據(jù),采用頻數(shù)分布統(tǒng)計方法對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,旨在定量揭示青藏高原各主要植被類型在植被、地形、土壤、氣候4個維度共計58個指標(biāo)上的差異,為利用這些環(huán)境及植被特征參與青藏高原的植被遙感精細(xì)分類、自然地帶劃分、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能評估、地表物質(zhì)循環(huán)等研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原平均海拔在4000 m以上,其生態(tài)環(huán)境隨海拔、緯度、經(jīng)度等變化而呈現(xiàn)出巨大的空間差異,這一生態(tài)環(huán)境差異進(jìn)一步導(dǎo)致了植被類型的變化(圖1)。青藏高原大部分區(qū)域氣候寒冷干燥、地形起伏大、土壤貧瘠且極度缺氧[21—22],與平原地區(qū)相比生態(tài)環(huán)境更為惡劣,這就決定了青藏高原的植被類型與平原植被類型有一定差異,青藏高原主要的植被類型是草甸、草原和高山苔原-墊狀-稀疏植被,這些植被類型對生態(tài)環(huán)境的變化更為敏感[23—24]。青藏高原具有地形起伏大且云雨多發(fā)、多種植被類型的特征相似(例如,草甸、草原與低矮灌叢)、高海拔區(qū)的植被稀疏等特點,這就決定了青藏高原遙感植被識別中存在多種問題[4]。

圖1 青藏高原2020年植被現(xiàn)狀圖[4]Fig.1 The status vegetation map for Qinghai-Tibet Plateau上圖沿用了青藏高原2020年植被現(xiàn)狀圖中的植被分類體系,是根據(jù)青藏高原植被分布特點和各植被類型遙感光譜可分性設(shè)計的分類體系;其中,植被現(xiàn)狀圖中的郁閉灌叢和稀疏灌叢合并為本文中的灌叢類型,植被現(xiàn)狀圖中的草地類型對應(yīng)本文的草叢、草甸和草原

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

1.2.1青藏高原植被類型圖

(1)1∶100萬中國植被圖

1∶100萬中國植被圖[24]是20世紀(jì)80年代基于實地調(diào)查和專家知識生產(chǎn)的植被分類圖,主要反映了20世紀(jì)末的植被覆蓋情況,其空間分辨率約為1 km。雖然各植被類型斑塊的邊緣區(qū)域可能發(fā)生了變化,但各植被類型分布的空間趨勢沒有發(fā)生變化。所以,1∶100萬中國植被圖用作合成本研究植被類型數(shù)據(jù)的本底數(shù)據(jù)。

(2)基于集成分類生產(chǎn)的青藏高原2020年植被現(xiàn)狀圖

基于集成分類生產(chǎn)的青藏高原2020年植被現(xiàn)狀圖[4]集成了多個分類產(chǎn)品的優(yōu)勢,較1∶100萬中國植被圖更能反映青藏高原的植被類型現(xiàn)狀,其原始空間分辨為250 m,本研究通過眾數(shù)聚合方法重采樣為1 km。該植被圖中植被型組的類別精度較高且其空間分辨率較高。所以,該植被現(xiàn)狀圖主要用于修正1∶100萬中國植被圖中的植被類型變化。

1.2.2環(huán)境及植被特征數(shù)據(jù)

本研究中所涉及的環(huán)境及植被特征數(shù)據(jù)主要分為植被、地形、土壤、氣候4類,共58個指標(biāo)(表1)。除土壤物質(zhì)含量(全氮、全磷、全鉀含量)數(shù)據(jù)外,所有空間化的環(huán)境及植被特征數(shù)據(jù)均下載自Google Earth Engine平臺,土壤物質(zhì)含量(全氮、全磷、全鉀含量)數(shù)據(jù)下載自GSDE(Global Soil Dataset for use in Earth System Models,http://globalchange.bnu.edu.cn/research/soilw)。所有數(shù)據(jù)均采用最近鄰方法重采樣至1 km,并計算2001—2020年共20年的均值作為特征分析數(shù)據(jù),但DEM數(shù)據(jù)和土壤物質(zhì)含量數(shù)據(jù)只有單年數(shù)據(jù),故選用單年數(shù)據(jù)作為其特征分析數(shù)據(jù)。由于土壤特征相關(guān)數(shù)據(jù)中最頂層數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性最高[26],且各土層的統(tǒng)計特征較為相似,所以,在結(jié)果分析中僅列出最頂層的特征統(tǒng)計結(jié)果。

表1 參與特征分析的環(huán)境及植被特征數(shù)據(jù)Table 1 Environmental and vegetation characteristic data participating in feature analysis

1.3 方法

為定量、系統(tǒng)地分析青藏高原各主要植被類型的特征及環(huán)境差異,本研究分兩步開展:(1)提取各主要植被類型空間分布的核心區(qū)域,以確保用于后續(xù)分析的各植被類型中無其它植被類型被混分進(jìn)來;(2)基于頻數(shù)分布統(tǒng)計方法定量分析各植被類型的特征與環(huán)境差異。

1.3.1各主要植被類型空間分布的核心區(qū)提取

本研究基于1∶100萬中國植被圖中的植被分類原則,同時參考植被類型在環(huán)境及植被特征上的可區(qū)分性,設(shè)計了本研究的植被分類體系。其中,一級類(植被型組)分為森林、灌叢、草地、沼澤、高山苔原-墊狀-稀疏植被、荒漠,二級類(植被型)將森林和草地進(jìn)一步細(xì)分,森林細(xì)分為針葉林、針闊混交林、闊葉林三類,草地細(xì)分為草原、草甸、草叢三類。

以1∶100萬中國植被圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、基于集成分類生產(chǎn)的青藏高原2020年植被現(xiàn)狀圖為修正數(shù)據(jù),綜合其兩者的植被信息,取兩植被數(shù)據(jù)的交集,合成代表現(xiàn)狀的植被分類數(shù)據(jù)(圖2)。其中,對于植被現(xiàn)狀圖分類系統(tǒng)中未細(xì)分的草地類別(草原、草甸和草叢),在篩選出植被現(xiàn)狀圖的草地類別的基礎(chǔ)上,按照1∶100萬中國植被圖中植被型信息劃分出草原、草甸和草叢類別;對于植被現(xiàn)狀圖分類系統(tǒng)中缺少的荒漠類別,在篩選出植被現(xiàn)狀圖的其他類別的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步篩選出1∶100萬中國植被圖中的荒漠類別;對于植被現(xiàn)狀圖分類系統(tǒng)中有對應(yīng)類別的森林、灌叢、沼澤和高山苔原-墊狀-稀疏植被,則直接使用植被現(xiàn)狀圖中的植被類別。

圖2 各植被類型空間分布的內(nèi)部核心區(qū)提取流程圖Fig.2 Flowchart of the internal core area extraction for each vegetation type

為保證類別的準(zhǔn)確性,本研究假定植被分類數(shù)據(jù)中各植被類型空間分布的內(nèi)部核心區(qū)準(zhǔn)確性最高,因此運用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的腐蝕操作以提取各植被類型空間分布的內(nèi)部核心區(qū)來分析其環(huán)境空間特征(圖3),具體操作是針對每一種植被類型的各個圖斑,將其邊界均向內(nèi)腐蝕1 km,然后選用腐蝕后的區(qū)域參與后續(xù)分析?；诖朔椒ㄌ崛〉母髦脖活愋涂臻g分布的內(nèi)部核心區(qū)在空間上是廣泛分布的,所以在一定程度上綜合了青藏高原不同地理位置的植被分布的特征差異。青藏高原各主要植被類型內(nèi)部核心區(qū)的像元數(shù)量如表2所示,但由于針闊混交林和草叢在青藏高原的分布面積很小,導(dǎo)致提取其內(nèi)部核心區(qū)后樣本數(shù)少于50個,因此,本研究只分析除針闊混交林和草叢外的其他植被類型的特征統(tǒng)計結(jié)果。

表2 青藏高原各主要植被類型內(nèi)部核心區(qū)的樣本數(shù)量Table 2 Sample quantity of the internal core area for each vegetation type

圖3 植被類型空間分布的核心區(qū)提取示意圖(以針葉林為例)Fig.3 Schematic diagram of the internal core area extraction for each vegetation type (Take the needleleaf forests, for example)

1.3.2基于頻數(shù)分布統(tǒng)計分析環(huán)境及植被特征

本研究基于小提琴圖來分析各主要植被類型環(huán)境與植被的頻數(shù)分布特征,小提琴圖是箱線圖和核密度圖的結(jié)合(圖4),除了具有箱線圖可比較多組數(shù)據(jù)間差異的功能外,還可展示數(shù)據(jù)分布區(qū)間內(nèi)部的情況(小提琴圖的寬度表示分布概率密度)。本研究針對每個環(huán)境或植被特征,均繪制了各植被類型對應(yīng)的小提琴圖,對比各植被類型小提琴圖所展示的四分位數(shù)(下四分位數(shù):所有樣本點數(shù)據(jù)從小到大排列后第25%的數(shù)值,上四分位數(shù):所有樣本點數(shù)據(jù)從小到大排列后第75%的數(shù)值)、離散程度、分布差異等統(tǒng)計特征,定量分析各植被類型的特征及環(huán)境差異。

圖4 青藏高原海拔特征的小提琴統(tǒng)計分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of statistical analysis based on violin plot (take altitude characteristics on Qinghai-Tibet Plateau, for example)

2 結(jié)果

2.1 各植被類型的特征及環(huán)境差異

(1)各植被類型的植被特征差異

從植被特征分植被類型統(tǒng)計結(jié)果(圖5)來看,青藏高原各植被類型的凈初級生產(chǎn)力、歸一化植被指數(shù)、裸地覆蓋度特征差異最為明顯,葉面積指數(shù)、增強(qiáng)型植被指數(shù)、樹冠植覆蓋度、生長季開始日期和生長季長度次之,非樹木植被覆蓋度和生長季結(jié)束日期的特征差異最小。對比發(fā)現(xiàn),葉面積指數(shù)在森林、草地各二級類之間的特征差異明顯;凈初級生產(chǎn)力在除針葉林與針闊混交林外的其他各植被類型之間存在特征差異;對于植被指數(shù)來說,歸一化植被指數(shù)對青藏高原各植被類型的區(qū)分度優(yōu)于增強(qiáng)型植被指數(shù),對青藏高原各植被類型的特征差異明顯;對于三個覆蓋度特征來說,樹冠植被覆蓋度和非樹木植被覆蓋度在各一級類的特征差異較為明顯,但樹冠植被覆蓋度對森林、草地植被型的區(qū)分度更好,裸地覆蓋度對除高山苔原-墊狀-稀疏植被和荒漠外的其他各植被類型的特征差異明顯;對于植被物候特征來說,三個物候特征在森林和草地之間存在特征差異,其中,生長季結(jié)束日期的特征差異最小,生長季開始日期在森林、灌叢、草地和沼澤之間的特征差異明顯,生長季長度在除草原、草甸和荒漠外的其他各植被類型之間存在特征差異。

圖5 不同植被類型的植被特征統(tǒng)計結(jié)果Fig.5 Statistical results of vegetation characteristics for different vegetation types圖中橫坐標(biāo)數(shù)字表示各植被類型,詳見圖例;生長季開始日期、生長季結(jié)束日期指標(biāo)的縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)表示從2022年1月1日起第多少天;特征差異主要比較各植被類型在數(shù)據(jù)分布和四分位數(shù)上的差異,若各植被類型之間的數(shù)據(jù)分布和四分位數(shù)區(qū)間差異越大,則說明它們的特征差異越大,其余特征差異比較方法同理

(2)各植被類型的地形特征差異

從地形特征分植被類型統(tǒng)計結(jié)果(圖6)來看,青藏高原各植被類型的海拔特征差異最為明顯,坡度次之,坡向的特征差異最小。對比發(fā)現(xiàn),海拔特征對應(yīng)的各植被類型間特征差異明顯,可區(qū)分青藏高原各主要植被類型;坡度特征對應(yīng)的部分植被類型間存在差異,數(shù)據(jù)分布較海拔特征更為離散,但對沼澤類型的區(qū)分度較高,且可以輔助草地(包含草原和草甸)與沼澤類型的區(qū)分;坡向特征對應(yīng)的各植被類型間分布差異小,對各植被類型的區(qū)分度較低。

圖6 不同植被類型的地形特征統(tǒng)計結(jié)果Fig.6 Statistical results of terrain characteristics for different vegetation types坡向的(0°)指向正北,順時針為正值,逆時針為負(fù)值,值域為-90°—270°

(3)各植被類型的土壤特征差異

從土壤特征分植被類型統(tǒng)計結(jié)果(圖7)來看,青藏高原各植被類型的土壤溫度特征差異最為明顯,土壤含水量次之,土壤物質(zhì)含量的特征差異最小。對比發(fā)現(xiàn),不同深度各土壤特征的頻數(shù)分布統(tǒng)計特征基本一致,其中,土壤溫度在闊葉林與其他各植被類型之間、灌叢與其他各草地類型之間、高山苔原-墊狀-稀疏植被與其他各植被類型之間的特征差異明顯;土壤含水量在各草地類型之間、沼澤與其他各植被類型之間、荒漠與其他各植被類型之間的特征差異明顯;土壤物質(zhì)含量特征數(shù)據(jù)離散或組間差異較小,對青藏高原各植被類型的區(qū)分度較小,但可用于輔助部分植被類型的劃分,例如,土壤含磷總量特征可用于輔助闊葉林的劃分。

圖7 不同植被類型的土壤特征統(tǒng)計結(jié)果Fig.7 Statistical results of soil characteristics for different vegetation types

(4)各植被類型的氣候特征差異

從氣候特征分植被類型統(tǒng)計結(jié)果(圖8)來看,青藏高原各植被類型的年最低溫度和年總蒸散發(fā)特征差異最為明顯,生長季平均溫度、年最高溫度、年總降水量和飽和水氣壓差次之,潛在蒸散發(fā)的特征差異最小。對比發(fā)現(xiàn),在三個溫度特征中,年最低溫度對青藏高原各植被類型區(qū)分度高,生長季平均溫度在森林各二級類之間、荒漠與其他各植被類型之間的特征差異明顯,年最高溫度在荒漠與其他各植被類型之間的特征差異明顯,年最低溫度在闊葉林與其他植被類型之間、灌叢與其他各草地類型之間、高山苔原-墊狀-稀疏植被與其他各植被類型之間的特征差異明顯;年總降水量和年總蒸散發(fā)在森林、草地各二級類之間的特征差異明顯;潛在蒸散發(fā)對應(yīng)的各植被類型間分布差異小,特征差異較小;飽和水氣壓差對應(yīng)的各植被類型間分布差異較小,但在森林各二級類之間的特征差異明顯。

圖8 不同植被類型的氣候特征統(tǒng)計結(jié)果Fig.8 Statistical results of climate characteristics for different vegetation types

因此,針對灌叢和草地區(qū)分問題,土壤溫度、年最低溫度、年總蒸散發(fā)、凈初級生產(chǎn)力、植被指數(shù)(包含歸一化植被指數(shù)和增強(qiáng)型植被指數(shù))、樹冠植被覆蓋度七個指標(biāo)在灌叢和草地類型之間的特征差異明顯,可以提高灌叢和草地之間的區(qū)分度。針對草地類型細(xì)分的問題,海拔、土壤含水量、年總降水量、年總蒸散發(fā)、葉面積指數(shù)、凈初級生產(chǎn)力、植被指數(shù)(包含歸一化植被指數(shù)和增強(qiáng)型植被指數(shù))、樹冠植被覆蓋度、裸地覆蓋度十個指標(biāo)在草原、草甸類型上的差異明顯,可以提高草原和草甸之間的區(qū)分度。針對高山苔原-墊狀-稀疏植被識別的問題,海拔、土壤溫度、年最低溫度、凈初級生產(chǎn)力、植被指數(shù)(包含歸一化植被指數(shù)和增強(qiáng)型植被指數(shù))六個指標(biāo)在高山苔原-墊狀-稀疏植被與其他植被類型特征差異明顯,可以增強(qiáng)高山苔原-墊狀-稀疏植被與其他植被類型的區(qū)分度。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),海拔、土壤溫度、年最低溫度、年總蒸散發(fā)、凈初級生產(chǎn)力、歸一化植被指數(shù)、裸地覆蓋度七個特征對大部分植被類型的區(qū)分度較高,可增強(qiáng)青藏高原各主要植被類型的區(qū)分度,即可用于增強(qiáng)山地垂直地帶植被的區(qū)分度。

2.2 青藏高原各植被類型在環(huán)境及植被特征上的數(shù)值范圍

通過頻數(shù)分布特征分析發(fā)現(xiàn),大多數(shù)環(huán)境及植被特征對青藏高原植被都有一定的區(qū)分度,而且,箱線圖的下四分位數(shù)-上四分位數(shù)的數(shù)值范圍可以用以區(qū)分各植被類型。表3列出了青藏高原各植被類型對應(yīng)環(huán)境及植被特征的數(shù)值范圍,可以定量標(biāo)識出各植被類型的特征及環(huán)境差異,如針葉林主要分布在海拔3035—3702 m的地帶、闊葉林主要分布在海拔650—1400 m的地帶,灌叢的凈初級生產(chǎn)力主要為0.19—0.33 kg C/m2、草甸的凈初級生產(chǎn)力主要為0.10—0.23 kg C/m2。

表3 基于小提琴圖分析提取的青藏高原各植被類型環(huán)境及植被特征的數(shù)值范圍Table 3 Numerical range of environmental and vegetation characteristics on the Qinghai-Tibet Plateau extracted based on violin plot analysis

3 討論

3.1 青藏高原各主要植被類型的環(huán)境和植被特征

在一些非青藏高原范圍或青藏高原局部小范圍的植被分類研究中,采用海拔、坡度、坡向等特征參與分類[5,12,30],發(fā)現(xiàn)他們有助于提高分類精度(相較于僅采用遙感光譜特征進(jìn)行分類),但尚未對其在分類中的作用進(jìn)行系統(tǒng)、定量化的分析,對環(huán)境及植被特征差異的認(rèn)識和應(yīng)用尚不充分。同時,由于青藏高原范圍廣闊、環(huán)境差異明顯,不同區(qū)域、同一植被類型的植被與環(huán)境特征存在差異[1—3],因此,若要揭示青藏高原植被類型的特征及環(huán)境差異,需要集合青藏高原各個區(qū)域樣本進(jìn)行環(huán)境與植被特征分析,而本研究中提取的各植被類型空間分布的內(nèi)部核心區(qū)在空間上是廣泛分布的,且樣本量豐富。例如,課題組通過對青藏高原實地考察發(fā)現(xiàn),祁連山區(qū)的針葉林主要分布在海拔2800—3400 m范圍內(nèi),而在水熱條件較好的橫斷山區(qū),針葉林主要分布在海拔3500—3800 m范圍內(nèi)。因此,本研究系統(tǒng)、定量地研究了青藏高原各植被類型的植被與環(huán)境特征,在宏觀尺度上揭示不同植被類型之間的植被與環(huán)境特征差異,并發(fā)現(xiàn)大部分環(huán)境及植被特征對青藏高原部分植被類型之間的區(qū)分度較高,為解決相對復(fù)雜的青藏高原植被遙感分類問題,提供了更多差異化的分類特征,可服務(wù)于灌叢和草地區(qū)分、草地類型細(xì)分、高山苔原-墊狀-稀疏植被識別和山地垂直地帶植被識別等分類的難點問題。

對于海拔變化跨度大、環(huán)境差異明顯的整個青藏高原來說,并不是所有特征都能體現(xiàn)植被類型之間的特征差異。在非青藏高原范圍或青藏高原局部小范圍可以體現(xiàn)植被類型差異的坡向、土壤物質(zhì)含量等特征,在青藏高原整體范圍內(nèi)的差異則較小。例如坡向特征,在山地植被分類中,坡向是區(qū)分植被類型的重要特征之一,但本研究發(fā)現(xiàn),在青藏高原全域范圍內(nèi)各植被類型的坡向特征相似性很高(圖6),這可能與研究的空間尺度有關(guān),本研究是基于1 km的空間分辨率開展研究,在1 km以上的宏觀尺度上可能難以體現(xiàn)出不同植被類型之間坡向特征差異。各植被類型的坡向、土壤物質(zhì)含量等特征在青藏高原全域范圍內(nèi)的宏觀尺度上差異較小,按氣候、海拔等分區(qū)統(tǒng)計這些特征的頻數(shù)分布特征可能會呈現(xiàn)出更明顯的特征差異。這些特征雖然無法適用于宏觀尺度上的青藏高原植被分類,但可用于輔助局域范圍的青藏高原植被精細(xì)分類。

另外,對于植被與環(huán)境特征指標(biāo)的選擇上,應(yīng)盡量選擇遙感上容易獲取且能更準(zhǔn)確獲取的特征指標(biāo),即能準(zhǔn)確反映不同植被類型之間的特征差異。例如,土壤物質(zhì)含量數(shù)據(jù)一般是通過實測數(shù)據(jù)插值得到的空間柵格化的數(shù)據(jù),僅通過遙感數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確反演,即使在土壤類型、植被類型等數(shù)據(jù)的輔助下反演得到的數(shù)據(jù)其精度和準(zhǔn)確性一般較低,進(jìn)而導(dǎo)致了分植被類型進(jìn)行特征統(tǒng)計結(jié)果中數(shù)據(jù)分布離散、反映植被特征差異的能力差等問題(圖7)。

3.2 應(yīng)用價值及展望

青藏高原各主要植被類型的特征及環(huán)境差異研究可用于各網(wǎng)格單元的生態(tài)環(huán)境模擬,這對宏觀尺度上(1 km及以上)青藏高原的植被精細(xì)分類、自然地帶劃分、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能評估、地表物質(zhì)循環(huán)研究等都具有重要意義。在青藏高原植被精細(xì)分類中,環(huán)境及植被特征差異可作為分類特征來提高植被精細(xì)分類精度。青藏高原自然地帶劃分主要依據(jù)植被區(qū)系與類型、水熱條件、地形差異等植被和環(huán)境要素差異[22, 37—39],本文揭示的高原各主要植被類型的特征及環(huán)境差異可為青藏高原自然地帶劃分提供劃分依據(jù)。在生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能評估中,已有研究表明草原、草甸、沼澤生態(tài)環(huán)境狀況(包含水質(zhì)、凈初級生產(chǎn)力、碳儲量和棲息地質(zhì)量四個方面)的差異與生態(tài)系統(tǒng)功能的差異高度相關(guān)[40—41],環(huán)境及植被特征差異研究是進(jìn)行生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能評估的基礎(chǔ)。地表物質(zhì)循環(huán)及能量交換的相關(guān)研究表明,地表C、N、水循環(huán)受氣溫、降水、土壤溫度、植被覆蓋類型等環(huán)境及植被因素的控制[42],本文揭示的青藏高原各主要植被類型的環(huán)境及植被特征,可為構(gòu)建高精度的高寒山地水文模型、碳氮循環(huán)模型等提供參考[10, 11, 43]。

本研究針對青藏高原全域,分析了單個特征對青藏高原各植被類型的區(qū)分度,在實際應(yīng)用中可針對研究區(qū)內(nèi)部的特點分區(qū)選擇特征、多特征聯(lián)合參與應(yīng)用。例如,針對橫斷山區(qū)植被分類問題,其植被分布特點是植被的垂直地帶性分布明顯、各植被類型斑塊破碎且混雜分布等,依據(jù)其植被分布特點,可以聯(lián)合海拔、坡度、坡向、年最低溫度、凈初級生產(chǎn)力等多個特征開展分類。

本研究雖然在一定程度上揭示了青藏高原各主要植被類型的特征及生態(tài)環(huán)境差異,但受到植被分類數(shù)據(jù)、環(huán)境及植被特征數(shù)據(jù)等方面的限制,未來可從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn):1)獲取更高質(zhì)量的植被分類數(shù)據(jù)。本研究中為提高各植被類別的準(zhǔn)確性,選擇了各主要植被類型核心區(qū)用于特征分析,導(dǎo)致原本分布面積較小的針闊葉混交林和草叢類別中可用于特征分析的像元數(shù)過少,其特征統(tǒng)計結(jié)果可信度較低。2)獲取更高質(zhì)量的環(huán)境及植被特征空間化數(shù)據(jù)。受限于大尺度土壤溫度、土壤含水量、降水量等空間化數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間分辨率,它們主要反映了1 km及以上空間尺度的植被特征空間差異,模糊了其對應(yīng)特征的局地細(xì)節(jié)特征,在更精細(xì)空間尺度的上應(yīng)用需考慮其植被分布特點進(jìn)行特征分析和選擇。同時,受限于遙感物候數(shù)據(jù)在青藏高原西北部地區(qū)的物候有效提取率低,各植被類型參與統(tǒng)計分析的樣本量減少,這可能是導(dǎo)致物候特征在各植被類型之間差異小的主要原因。未來研究中可結(jié)合更高空間分辨率、更高精度的相關(guān)空間化數(shù)據(jù)產(chǎn)品,以進(jìn)一步細(xì)化各植被類型的特征及環(huán)境差異分析。

4 結(jié)論

本研究針對青藏高原特殊的地理環(huán)境和植被類型,選用植被、地形、土壤、氣候4個維度共計58個空間化的指標(biāo),通過使用頻數(shù)分布統(tǒng)計方法對這些空間特征數(shù)據(jù)開展了定量分析,獲得了以下新認(rèn)識:

(1)凈初級生產(chǎn)力、遙感植被指數(shù)(包含歸一化植被指數(shù)和增強(qiáng)型植被指數(shù))、樹冠植被覆蓋度、土壤溫度、年最低溫度、年總蒸散發(fā)7個指標(biāo)在灌叢和草地類型之間的特征差異明顯,葉面積指數(shù)、凈初級生產(chǎn)力、遙感植被指數(shù)(包含歸一化植被指數(shù)和增強(qiáng)型植被指數(shù))、樹冠植被覆蓋度、裸地覆蓋度、海拔、土壤含水量、年總降水量、年總蒸散發(fā)10個指標(biāo)在草原、草甸類型上的差異明顯,凈初級生產(chǎn)力、遙感植被指數(shù)(包含歸一化植被指數(shù)和增強(qiáng)型植被指數(shù))、海拔、土壤溫度、年最低溫度6個指標(biāo)在高山苔原-墊狀-稀疏植被與其他植被類型特征差異明顯。

(2)遙感歸一化植被指數(shù)、裸地覆蓋度、海拔、土壤溫度、年最低溫度、年總蒸散發(fā)、凈初級生產(chǎn)力7個指標(biāo)對青藏高原各類型植被的區(qū)分度較高。

(3)針對青藏高原全域范圍內(nèi)的單個特征來說,大部分環(huán)境及植被特征對青藏高原植被類型區(qū)分度較高,可提高灌叢和草地之間、各草地類型之間、高山苔原-墊狀-稀疏植被與其他植被類型等多組植被類型之間的可區(qū)分性,有助于解決青藏高原植被精細(xì)分類主要存在的灌叢和草地區(qū)分、草地類型細(xì)分、高山苔原-墊狀-稀疏植被識別和山地垂直地帶植被識別四個難點問題。

本研究揭示的青藏高原各主要植被類型的特征及環(huán)境差異,可用于模擬青藏高原各網(wǎng)格單元的生態(tài)環(huán)境,從而可為宏觀尺度上(1 km及以上)青藏高原的植被精細(xì)分類、自然地帶劃分、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能評估、地表物質(zhì)循環(huán)研究等提供理論依據(jù)。同時,在實際應(yīng)用中,可針對研究區(qū)內(nèi)部的特點分區(qū)選擇特征、多特征聯(lián)合參與應(yīng)用。