若尔盖草地沙化程度的遥感监测及其植被特征与土壤养分的分析

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沙化是造成草地生态恶化和生产力下降的主要原因之一,严重威胁草地的可持续利用。若尔盖草地为长江、黄河主要水源地,近年受自然和人为因素影响沙化程度不断加剧。对该区沙化草地进行遥感监测、植被特征及土壤养分分析研究,有助于科学的认识沙化对草地的影响,为高寒草地沙化治理提供一定科学依据。本文以青藏高原东南缘若尔盖县沙化草地为研究对象,使用TM (Thematic Mapper)影像对研究区内沙化草地进行监督分类。参考国家沙化草地分级标准,制作沙化等级分类分布图,计算不同沙化程度草地面积;提取TM影像的归一化差异植被指数(NDVI, normalized difference vegetation index),与盖度建立回归模型,然后反演研究区沙化草地盖度分级分布图;同时采用遥感信息和地面调查相结合的方法,对若尔盖县不同程度的沙化草地(未沙化、轻度沙化、中度沙化、重度沙化)植被群落数量结构特征(高度、盖度、地上现存量、物种丰富、Shannon-Wiener指数、Pielou指数)和表层土壤(0-20cm)养分(pH、有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾)以及植被与土壤的相关性进行分析。以揭示了若尔盖沙化草地演替过程中植物群落特征和土壤养分含量的变化规律;并且获得沙化草地的遥感影像分类图和若尔盖沙化草地植被盖度监测模型。通过研究主要得出以下结论:(1)在ENVI4.4软件的支持下,对研究区TM遥感影像图(2010年8月,轨道号132/039)进行最大似然法监督分类和精度评价。结果显示:总分类精度(Overall Accuracy)为86.1644%,卡帕系数(Kappa Coefficient)为0.8777。未沙化草地面积为3346.00km2,轻度沙化草地面积为2201.80km2,中度沙化草地面积为349.17km2,重度沙化草地面积为67.52km2。沙化草地的面积为2600.49km2,占研究区面积的24.52%。(2)使用ENVI4.4软件提取研究区NDVI,并与植被盖度建立线性回归模型,复相关系数(R2)达到0.8675,回归模型为:y=146.3x-3.0064。在建立模型的基础上用NDVI反演研究区植被盖度,获取研究区沙化草地盖度分级分布图。精度评价的结果显示:随机抽取样方平均误差系数为13.98%,线性回归模型拟合精度为80%。说明利用该模型估测若尔盖沙化草地盖度是可行的,且在反演分级图上可以清晰地分辨盖度分布状况。(3)随着草地沙化程度的加剧,草地植被群落的盖度、高度和地上现存量均呈显著下降的趋势。与未沙化草地相比,轻度沙化草地、中度沙化草地、重度沙化草地群落盖度依次下降了26.09%、57.89%、89.22%。地上现存量较未沙化草地地上现存量分别下降了19.80%、54.15%、88.11%。不同沙化程度间草地的盖度和地上现存量的差异均达到极显著水平(p<0.01)。物种丰富度随着沙化程度加剧呈下降趋势,沙化草地植物种类变化范围在2.0-3.9种之间。相对于未沙化草地,重度沙化草地物种丰富度下降了78.01%。老芒麦(Elymus sibiricus)、四川嵩草(Kobresia. Setchwanensis)、披碱草(Elymus nutans)等优良牧草的随着沙化程度的加剧优势度下降,取而代之的是沙生苔草(Carex. Praeclara)、赖草(Leymus secalinus)等沙生植物优势度开始增加。研究结果表明沙化对草地植物群落数量特征有明显的影响。(4)不同沙化程度草地土壤(0-20cm)pH偏弱碱性,有机质和全氮的含量显著地下降。轻度沙化草地的有机质和全氮含量较未沙化草地就分别下降了64.13%(35.37g/Kg)和23.83%(0.25mg/Kg),二者差异极显著(p<0.01)。土壤速效养分中速效氮和速效钾含量变化规律性不强,只有速效磷含量呈下降趋势。(5)通过对不同沙化程度草地植被和土壤表层(0-20cm)养分基本参数进行相关性分析,结果发现盖度、地上现存量、高度、Shannon-Wiener指数与土壤表层养分相关性不明显。速效磷含量与植被指标的相关性较高,与盖度和地上现存量达到显著水平(p<0.05),相关系数为0.9284、0.9457。土壤pH值与所有植被指标呈负相关,土壤有机质和全氮含量与盖度和地上现存量相关系数比较高,均大于0.7,但未达到显著水平。综上所述,使用遥感信息同时结合地面调查来监测若尔盖草地的沙化情况,是一种行之有效的监测手段。可以清楚地掌握大面积的沙化草地分布和沙化程度,及其覆被和土壤养分状况,对若尔盖草地沙化的防治和治理有一定借鉴性。
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