鄱阳湖典型洲滩湿地植被地表生物量分布特征及其对土壤理化因子的响应

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植被生物量是衡量湿地生态系统服务功能变化的重要指标之一,也是研究湿地物质循环、能量流动的基础。准确估计湿地植物生物量不仅可以为生态系统碳储量及循环提供重要的参数,还能为定量测算生态资产提供重要的科学依据。因地貌和人为控湖导致水位波动模式的差异,可以将鄱阳湖洲滩湿地划分为河口三角洲洲滩湿地、未控碟形洼地洲滩湿地、受控碟形洼地洲滩湿地三种类型。针对鄱阳湖典型洲滩湿地植被地表生物量变化与局部空间尺度上由水文波动导致的土壤理化因子分布差异的关系仍需深入探索,因此开展鄱阳湖典型洲滩湿地植被地表生物量对土壤理化因子的响应研究意义重大。  本文对鄱阳湖3种典型洲滩湿地(冲积三角洲、受控碟形洼地、未控碟形洼地)主要植被群落类型土壤物理和化学因子的分布水平进行分析,获取了鄱阳湖典型洲滩湿地及其主要植被的土壤理化因子的分布特征和规律。同时利用实际采样点和植被调查图提取的Landsat影像的主要植被类型的光谱数据,基于光谱信息散度(SID)方法获取了鄱阳湖湿地2010-2016年秋冬季四种主要湿地植被的空间分布成图,实现苔草、虉草、藜蒿、南荻-芦苇植被带的识别。在此基础上,基于机器学习算法模型实现了2010-2016年秋季鄱阳湖湿地植被地表生物量(AGB)的反演,分析了近7年鄱阳湖湿地植被AGB分布特征规律。通过LASSO方法识别影响鄱阳湖典型洲滩湿地AGB分布的主要土壤理化因子,通过比较三种克里金空间插值选取其中最优的插值方法获取3种典型洲滩的主要土壤理化因子的空间分布特征。最后通过拟合结构方程模型(SEM),界定影响鄱阳湖典型洲滩湿地AGB变化的主要土壤理化因子及其潜在影响因子,获取关键性土壤理化因子对鄱阳湖典型洲滩湿地AGB变化的直接、间接以及总作用效应,从而总结了鄱阳湖典型洲滩湿地AGB对其土壤理化因子的响应关系。主要得出以下结论:  (1)基于对野外调查数据进行t值检验和相关统计分析方法,分析了未控大汉湖洲滩和受控大湖池洲滩以及赣江冲积三角洲洲滩及其主要植被群落的部分土壤物理和化学因子分布特征。土壤化学因子方面,大湖池洲滩湿地土壤碳、氮养分较其他两种洲滩高。多数土壤化学因子,均是碟形洼地洲滩湿地高于冲积三角洲洲滩湿地,其中受控大湖池洲滩含量最高的土壤化学因子最多。土壤钾的含量赣江洲滩低于大汊湖洲滩,而土壤磷的含量则相反。碟形洼地洲滩湿地和冲积三角洲洲滩湿地总氮(TN)的分布存在显著性差异(p<0.05)。未控的大汉湖洲滩和受控的大湖池洲滩之间,除速效钾(AK)和有效磷(AP),两种洲滩湿地其他化学因子均存在显著性差异。土壤物理因子的方面,碟形洼地洲滩湿地和冲积三角洲洲滩湿地高程(H)、含水率(WC)和土壤粒径参数d0.5的分布存在显著性差异(p<0.05)。未控的大汉湖洲滩和受控的大湖池洲滩之间,土壤电导率(CD)、土壤粒径参数d0.1和d0.5这3个因子存在显著性差异。  (2)基于光谱信息散度(SID)获取了近6年秋季鄱阳湖湿地主要植被的空间分布,利用142个实际采样点数据进行验证,2010、2011、2012、2014和2015五年分类准确率为59.1%~73.7%。随机森林模型RF能较好的模拟鄱阳湖湿地植被地表生物量,通过在测试集上比较4种模型的泛化能力,可以发现RF模型相对于其他三种模型(支持向量机(SVR)、前向神经网络(BPNN)和线性回归(LR))的泛化能力最好,其在测试数据集上RMSE、R2和MAE的值分别为0.21kg/m2、0.67和0.25kg/m2。同时利用实测数据验证2010-2015年(除2013)的AGB反演精度,RMSE值从0.41kg/m2到0.52kg/m2。此外,利用随机森林RF变量重要性衡量分析,发现NIR、EVI、NDVI、SWIR1、Elevation是影响AGB反演结果最重要的5个变量。从AGB反演的结果来看,鄱阳湖湿地AGB在2010-2016年间呈明显的波动状态,2011、2012、2013和2015年呈相对高值的状态,特别是2011和2015年秋季。生物量总量方面,苔草具有最大的生物量总值,其在鄱阳湖的分布面积最广,虉草生物量总值最小,藜蒿和南荻-芦苇群落其生物量总值分列二、三位。生物量密度方面,苔草平均生物量密度为1.28kg/m2,而南荻-芦苇群落因其较为高大,且茎秆粗壮,故其平均AGB密度最高,为1.39kg/m2,藜蒿和苔草接近,为1.26kg/m2,虉草的分布较为稀疏,AGB密度为0.64kg/m2。  (3)基于LASSO方法筛选出影响AGB变化的主要土壤理化因子,通过比较普通克里金和协同克里金1和协同克里金2三种插值方案选取最优插值方法获取它们的空间分布情况。对大汉湖洲滩而言,土壤pH值西部比东部要高,近水的部分滩地呈中性,而陆地北部滩地土壤偏酸性。土壤有机碳(SOC),中部有机碳含量相对较低,而东南和西北部土壤有机碳分布相对较高。土壤电导率含量由北向南呈带状递增分布。土壤粒径参数d0.9西部和东南部最高,中部其次,西南最低。对大湖池洲滩而言,土壤pH值中南部总体水平高于北部,而土壤WC中北部高于南部,CD并无明显的带状分布特征,而是呈斑块状镶嵌分布,含量水平高低不齐。对赣江洲滩而言,土壤有效磷(AP)东北部含量分布水平明显低于南部,WC则相反,南部低于北部,东南部最低,土壤粒径参数d0.1与AP分布类似,中南部土壤粒径参数d0.1大于北部。赣江的高程分布,北部低于南部,由南部向北部呈带状递减。  (4)全湖尺度上土壤的pH和WC是影响AGB变化大小的关键性土壤理化因子,影响系数分别为-0.219、-0.334。大汉湖洲滩土壤的pH和d0.9是影响AGB变化大小的关键性土壤理化因子,影响系数分别为-0.588、0.354。大湖池洲滩土壤的pH、H和WC是影响AGB变化大小的关键性土壤理化因子,影响系数分别为0.218、0.634、-0.092。赣江洲滩土壤的AP、H、d0.1和WC是影响AGB变化大小的关键性土壤理化因子,影响系数分别为0.731、0.538、-0.528和-0.282。综合各典型洲滩关键性土壤理化因子的分布频率来看,土壤的WC和土壤粒径参数以及土壤的pH是影响鄱阳湖典型洲滩湿地AGB大小的主导性土壤理化因子。
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