新疆东部高原植被分布的多尺度分析

新疆东部高原植被分布的多尺度分析

植被与环境关系的研究已成为植被生态的重要领域之一。不同表面环境的因素导致了地表植物和植被分布的多样性。同时，植物的形成和发展也影响到了环境的因素。植物及其组成和环境在长期自然历史的发展中相互充分作用、协调发展，形成了植物及其组成部分的生物和生态特征，这是植被与环境综合关系的反映。从植被与气候环境的关系看,气候是决定地球上植被类型及其分布的最主要因素,植被则是地球气候最鲜明的反映和标志(张新时,1993;周广胜和王玉辉,1999)。陆地生态系统不同气候带的植被类型及其分布规律,主要受水热条件两个主导因子控制。这方面的研究多数是在区域分异明显的大区域范围内进行,如我国主要植被类型与气候的关系研究(李斌和张金屯,2003;徐文铎和常禹1992;李霞等,2007),植被带的划分(Fangetal.2002)等。但在同一地区的相同气候带条件下,同样具有不同的植被类型和分布特征,再简单地用水热条件作为主导因子去解释其原因,将是非常困难的。在相同气候带下,探讨土壤、地形等环境因子与植被及其组成的关系将更有意义。区域尺度主要采用植被数量分析方法、遥感和地理信息技术等方法对其它的环境因子(如土壤、地貌、高程、坡度、坡向等)与植被的关系进行研究,认为多种多样的基质类型、生态条件,形成了复杂多样的生态类型(陈仲新和张新时,1996;Lioubimtseva&Defourny,1999;王国宏和杨利民,2001;陈玉福和董鸣,2001;岳天祥和刘纪远,2003;朱晓勤等,2006)。然而,这些研究多在同一空间分辨率或尺度上进行,国内针对同一研究区,从不同空间分辨率和空间尺度上研究植被与环境因素的关系未见报道。鄂尔多斯因降水稀少,植被稀疏。水分在鄂尔多斯地区具有重要的生理生态意义,它不仅影响了植物的个体发育,并限制了植被的分布。因此,有大量的关于鄂尔多斯植被与水分关系的研究,土壤水与植物盖度关系,土壤水与植物演替关系,植物对水分胁迫的适应等方面的研究(廖汝棠等,1993;郑元润,1998;郭柯等,2000;肖春旺等,2002;王海涛等,2007),这些研究多采用室内实验或野外调查的方法。从干旱区的水资源分布的角度,在区域尺度上,从野外观测实验出发模拟和预测区域土壤水分布特征,并用于指导土地利用(牛振国等,2002,2003;杨佩国等,2007),基于单纯的土壤水与大气降水关系的模拟,由于缺乏考虑区域地表基质、地形和地貌对水的源和汇的影响,模拟和预测得到的水资源分布的可靠性需要进一步验证。而区域水文地质环境对干旱和半干旱区植被的生长和荒漠化发展有重要的作用(侯印伟和王常明,1992),鄂尔多斯地区由于生态保护的需要和矿产能源产业发展的需要,该区地质水文方面做了深入的研究(武选民和杨六岗,1998;包为民,1998;侯光才等,2006;王德潜等,2005),积累了大量的研究成果,地质水文研究多从地下水分布、盆地岩性、构造角度出发,或从水文站的资料来研究河流的产流特征,这些研究中,水资源分布与植被分布的关系方面研究少见报道。关于植物分布与可利用水资源的研究,宏观尺度上的系统分析并不多见,仅见张新时先生1994年从地质水文的角度论述了毛乌素沙地可用水资源与生态模式的研究(张新时,1994),从理论的角度阐述了水资源分布和土地利用方式的关系。进一步加强植被可用水资源的分布和形成规律,不同尺度下植被分布与水资源分布的关系研究,加强对区域生态环境背景的认识,对于植被的合理利用、恢复重建和抚育管理具有重要的理论指导意义。本研究利用最新的2005年生长季的LANDSAT-TM遥感数据求得植被指数,根据植被指数分析鄂尔多斯植被分布规律。在不同尺度下,分析植被分布与气候因素、植被分布与地质水文因素、植被分布与地表基质岩性等的关系。1鄂尔多斯高原的草原景观鄂尔多斯高原及周边地区位于我国地势的第二阶梯,西连西北内陆盆地,东接山西黄土高原。高原四周多被山地环绕,高原主体与周围山地之间是断陷盆地相连。鄂尔多斯新生代以来持续的差异升降运动形成了现今中部高原耸立、周边断陷盆地环套、山地围绕的地貌景观。按照大的地貌单元划分,可以分为中间的高原、四周的断陷盆地和周缘的山地。鄂尔多斯高原处于草原-荒漠的过渡区域,从东到西分布有典型草原、荒漠草原乃至草原荒漠;土壤类型主要是东部的栗钙土带,西部为棕钙土和灰钙土,及其高原北部和南部大面积分布的风沙土。2图像分级分类研究中采用1:400的数字化的植被类型图反应植被类型分布,采用NDVI值的高低来表示不同植被盖度分布状况。NDVI的求解:植被分布用鄂尔多斯TM数据的植被指数求解,采用传统的归一化植被指数(NDVI),NDVI用2005年5月到7月的7景TM数据求解拼接而成。由于TM数据的成像时间不一致,所以NDVI求解后的分级分类处理必须以其中某一个时间为标准,在研究中采用TM12833和TM12834为标准(TM12833和TM12-834的成像时间为同一天),分级分类标准如表1所示,其它图像根据它们与TM12833和TM12834的重叠区的影像灰度直方图的对比,进行调整,一般来说,在中低植被覆盖的区域,NDVI值与植被盖度成正比,由于鄂尔多斯植被盖度较小,可以来用NDVI值的大小反应植被覆盖程度。各NDVI按照NDVI<–0.01,–0.01<NDVI≤0.03,0.03<NDVI≤0.1,0.1<NDVI≤0.15,0.15<NDVI≤0.3,0.3<NDVI≤0.4,NDVI>0.4分成7级,在沙覆盖区对应的基本土地覆盖类型依次为水域、流动沙地、半固定沙地、固定沙地、低植被覆盖草原(毛乌素沙地对应低植被滩地)、高植被覆盖草原(毛乌素沙地对应低植被滩地)和农田。降雨量、平均气温等值线生成:1960~1990年30a来全国的各个气象站点的按旬的降雨量、平均气温和日照时数。年总日照数据(h):用覆盖鄂尔多斯及周边的气象站点的观测数据,利用Arcgis的SpatialAnalyst模块的空间插值功能,把离散的点状数据插值成面状数据,并生成等值线。地质、水文、地形等矢量数据:搜集到覆盖整个鄂尔多斯地区1:25万的数字化地形图;1:50万鄂尔多斯数字化水文地质图;1:130万鄂尔多斯数字化地貌图;毛乌素沙地北部1:25万数字化地质图。将NDVI分级和气象要素等值线、地形、地貌、地质水文等数据统一到同一坐标系下,利用地理信息系统空间分析方法分析植被分布与各环境因素的关系。3研究结果3.1植被覆盖率的分布与气候因素之间的关系3.1.1鄂尔多斯高原西部草原u3000中ndvi的分布随等值线的变化区域NDVI与气候因素(年均降水和年均温为(1960~1990年)30a的平均值)的关系分析表明:NDVI的分布与年均降雨量分布表现出相同的趋势,鄂尔多斯的年均降雨从东南到西北逐渐减少,NDVI也呈现从东南到西北逐渐减少的趋势(除了鄂尔多斯北面和西面的河套灌溉平原外)(图1),也就是随着降雨量的增加,NDVI也相应地增加。在鄂尔多斯盆地北面的东胜附近,降雨等值线向西北凸出,等值线凸出部分的高值NDVI分布也随等值线向西北凸出。经分析NDVI分布受温度影响的规律不明显。鄂尔多斯高原主要的地带性植被有高原东中部的典型草原、中西部的荒漠草原和西部的草原荒漠;非地带性植被包括沙地植被、低湿地植被和盐化植被(李博,1990)。从图1可以看出,分布在东胜、东胜以东的东部黄土丘陵区和毛乌素沙地典型草原,表现为高盖度特点;分布在高原西部的桌子山山前倾斜平原及库布齐沙漠上的荒漠草原表现为低植被覆盖;而高原中部,桌子山以东的高平原上的荒漠草原植被盖度介于典型草原和草原荒漠之间。可见在区域尺度上植被盖度的分布与对应的植被类型相符,与降水趋势相一致。降雨等值线凸出的北面却存在长条状的流动沙地(库布齐沙地东偏南向的长条状延伸),与降雨趋势不符。另外盆地的中央部分NDVI低值所占面积比例较大,即毛乌素沙地的NDVI也与降雨等值线趋势不相吻合。需进一步分析植被盖度分布与地貌和地质水文等环境因素的关系。3.2阴山山地u3000中高ndvi空间分布河流沟谷主要分布在北面和东面由鄂尔多斯内部高原区向黄河主河道汇流的河流和季节性河流形成的冲积区;冲积平原主要是高原北面的黄河及其河道附近形成的冲洪积灌溉平原;丘陵主要分布在东胜以及东胜以东的黄土丘陵区(准格尔旗的全部和伊金霍洛旗的部分区);沙地主要是毛乌素沙地(乌审旗的全部、鄂托克旗和鄂托克前旗的东面部分区域);沙漠主要是西北部的库布齐沙漠(达拉特旗和杭锦旗的大部分);高原和波状高原主要是分布在鄂尔多斯中部和西部的高原区。从图2可以明显地看出,冲积平原、河流沟谷和丘陵地貌条件下,中高NDVI分布比例明显高于沙地、高平原、波状高原和沙漠地貌区;而低NDVI分布与此相反。丘陵区和沙地主要分布为高植被盖度的典型草原,而高平原、波状高原和沙漠区主要为低植被盖度的荒漠草原和草原荒漠植被。3.3植被分布与地质水文条件之间的关系3.3.1沙区区域地质情况以上分析中可以看出,在区域尺度上,研究区植被分布主要受降水和地貌的影响,呈从东南到西北逐渐减少的趋势。但从局部分析,不难看出北部库布齐沙漠和中部毛乌素沙地不符合上述规律。大面积沙漠化是以大面积的沙源存在为前提,毛乌素沙地主要是“古沙翻新”的作用,由于毛乌素沙地浅表地层多为河湖相沉积和第四纪风积相,易为风蚀和水蚀活化成沙(孙继敏等1995)。从图1可以看出,库布齐沙地北缘的沙地与绿洲(河套盆地农区)之间存在一条明显的界限此界限以北为农田区和绿色植被大量分布区,以南为沙区,大面积的沙区再往南,又存在一条界限,以南为植被大量分布区。从东西方向来看,以110°E以西临近的河流为界,西边为大面积沙区,沙区内河流穿过的河道附近无任何农田或植被分布;而东面仅有零星沙地分布,东边零星分布的沙区和河流穿过的河道附近有大面积农田或植被分布(图3)。初步判断这与大气降水无关,可能与东西两侧地层的不同渗水性有关,结合地貌和地质构造,具体分析如下:判断沙区位置为东西走向的区域性线形构造,大量文献研究确定其为区域性大断层,至今还活动明显,断层的北盘为下降盘,南盘为上升盘(周承刚,1999;邓起东等,1999;王守则等,2005;李建彪,2006)。由于断层的不断活动,南盘不断上升,南高北低,因而在北盘沉积了巨厚层(650m以上)第四系沉积物,并形成了多期冲洪积扇(周承刚,1999);南盘由于不断上升,因而在地形上陡然升高,形成天然迎风坡,为沙漠化的形成创造了良好的物质基础和风力条件,沿断层形成了条带状的库布齐沙漠,这可能是库布齐沙漠沿断层存在的内在原因。结合已有研究分析(周承刚,1999;王守则等,2005;李建彪,2006),110°E东西两侧的不同植被分布,确因两侧岩性不同而造成。110°E西侧的河流为罕台川河,沿罕台川河存在一条北偏东向的正断层,西北盘为上盘,东南盘为下盘。下盘为第四系上更新统粉土、粘土与中细砂互层;上盘为全新统,岩性为含砾粗砂、中砂。由于上下盘岩性的差异,造成了水文地质条件的不同,下盘由于有隔水性较好的粉土和粘土存在,因而水位较浅,易于植物的生长。上盘由于无隔水层存在,垂向渗透性好,地下水位埋深较大,不利于植物生长,因而形成了以罕台川河为界,东西两侧明显不同的植被分布和景观特征。3.3.2植被分布与基质理解植被分布与环境因子的关系是农牧业生产模式规划的前提,在以上的研究分析中,得出区域大尺度上,植被的分布与年均降水关系密切,同时跟区域构造和水文密切相关;中小尺度上,需要进一步分析植被分布与各个环境因素的关系。在干旱半干旱地区,土壤水分对植被类型的空间分布有很重要的影响(Fengetal.,2002;Kimuraetal.,2005)。在毛乌素沙地,土壤水分是植物生长、植被恢复的主要影响因子(郭柯等2000)。干旱和半干旱区小尺度的土壤水受浅表地下水分布影响很大(何世水和葛生年,1986;杨建锋,1999;王根绪和程国栋,2000)。浅表地下水在毛乌素沙地主要受地形和基质的影响(土壤和近地表基岩)(张新时,1994)。在毛乌素沙地选取108º00′~110º00′E,39º20′~40º00′N作为研究区(主要包括锡尼镇,四十里梁,阿勒腾席热镇,新街镇部分和东胜市区西部),综合研究植被分布与基质的关系。从图4可看出,农田主要分布在第四系湖积物、第四系冲积物、侏罗系砂岩和砂质泥岩形成的基质上;滩地主要分布在第四系湖积物、第四系冲积物和白垩系砂岩、粉砂岩形成的基质上;总的来说第四系湖积物和第四系冲积物等渗水性差的基质上,高植被覆盖的农田和滩地分布的比例较大。流动沙地在第四系风积物、第三系砾砂岩、白垩系细粉砂岩等渗水性强的基质分布比例较大。从图5看出,农田和滩地在各处的第四系湖积物地块上分布比例大,而且基本每一块湖积相地层上都有分布。第四系风积物基质上,基本没有任何植被分布,这可能与第四系风积物地层的水的渗透性较强有关。农田和滩地等高植被覆盖区的分布不仅与地层属性密切相关,也与地层的地貌组合有关,从图5可以看出,农田和滩地多分布在地形凹陷部分,尤其集中分布于凹陷的湖相沉积。4研究区植被盖度分布在干旱半干旱地区,土壤水分对植被类型的空间分布有很重要的影响(Fengetal.,2002;Kimuraetal.,2005)。区域尺度上(整个鄂尔多斯来看),植被盖度的分布与年均降水关系密切。由于东胜及其以东主要是分布为栗钙土为主的丘陵地貌,也是主要的典型草原分布区(李博,1990),且该区域降水为鄂尔多斯降水最多的区域(350~450mm),栗钙土及其砒砂岩母质较灰钙土、风沙土更能有效