任世龍，宜樹(shù)華，陳建軍，秦 彧

(1.中國(guó)科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000)

植被蓋度是指一定面積的地塊上植被(綠色部分)的垂直投影面積占該地塊總面積的比例。它與植被的生物量、生產(chǎn)力之間有著密切的聯(lián)系，在地表的能量交換過(guò)程中扮演著十分重要的角色，是生態(tài)系統(tǒng)研究中的一個(gè)重要指數(shù)，也是表征草地狀況的一個(gè)重要參量。高寒草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，但在全球變暖[1-2]和過(guò)度放牧[3]的影響下，高寒草地發(fā)生了一定程度的退化。值得注意的是，氣候變暖對(duì)高寒草地的影響是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，而過(guò)度放牧短期之內(nèi)就會(huì)導(dǎo)致高寒草地的退化。全球變暖情況下，西北暖干加劇[4]，多年凍土持續(xù)退化[5]，高寒生態(tài)系統(tǒng)退化，高寒草地將發(fā)生從沼澤草甸到高寒草原的逆向演替，植被覆蓋度下降[1，6-8]。為了修復(fù)和保護(hù)高寒草地資源，圍欄封育和翻耕補(bǔ)播是兩種常用的方法[9-11]。高寒草地植被蓋度估算是了解高寒草地植被狀況和評(píng)估退化草地修復(fù)效果的一個(gè)重要方法。目前主要的估算方法有遙感估算和地面估算兩種，雖然遙感在研究大區(qū)域土地利用[12]、全球變化[13]、植物物候[14]等方面發(fā)揮了很大作用，但不能因此低估甚至放棄地面的觀測(cè)研究。地面的觀測(cè)研究不僅可以為遙感估算提供地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)，也可以為相關(guān)模型提供精確參數(shù)。

地面蓋度估算方法主要包括目估法、點(diǎn)測(cè)法、儀器法和數(shù)碼照相法，而數(shù)碼照相法是目前最普遍、最有效的方法。利用數(shù)碼照片估算蓋度的主要方法是監(jiān)督分類法和模型估算法兩種。監(jiān)督分類法是較為普遍、可靠的方法，估算結(jié)果精度較高，常被用做驗(yàn)證。監(jiān)督分類法常用的軟件主要有Photoshop[15]、WinCAM[16]、ERDAS[17]等。模型估算法是利用植被、土壤像元之間RGB和HLS色彩空間的差異，通過(guò)一定的算法將其放大，使得植被與土壤像元之間的區(qū)分度變大，這種方法可以大大提高估算精度[18-21]。但是，數(shù)碼照相法針對(duì)的都是像元的藍(lán)(B)、綠(G)、紅(R)三波段的DN值，而引入近紅外波段(NIR)以代替藍(lán)(B)波段的多光譜相機(jī)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的較少。多光譜相機(jī)攝取的照片，通過(guò)假彩色合成可以突出植被信息，它可以很好地應(yīng)用于地面植被蓋度的研究，將其應(yīng)用于樣方尺度的研究類似于將衛(wèi)星傳感器放置于近地表進(jìn)行觀測(cè)，且具有更高的空間分辨率。閾值法是多光譜照片獲取植被蓋度的主要方法，其精度取決于閾值的選擇。不同時(shí)間、地點(diǎn)拍攝的照片存在著草地類型、天氣狀況、太陽(yáng)高度角等方面的差異，而將單一的閾值應(yīng)用于所有樣地的方法(舊閾值法)無(wú)法消除這些差異，常常造成高蓋度區(qū)蓋度的高估和低蓋度區(qū)蓋度的低估。為了提高多光譜照片的估算精度，本研究通過(guò)因地因時(shí)選擇閾值的方法(新閾值法)對(duì)單一閾值法進(jìn)行改進(jìn)，旨在對(duì)比新舊閾值法的優(yōu)劣以及探討多年凍土退化、圍欄封育和翻耕補(bǔ)播對(duì)高寒草地的影響。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 疏勒河流域地處祁連山西端，青藏高原東北角，為我國(guó)3大內(nèi)陸河流域之一。其上游地區(qū)(38.2°～40.0° N，96.6°～99.0° E)位于疏勒南山與托來(lái)南山之間，是疏勒河出山口以上的地區(qū)，面積約為11 348.35 km2，行政上地跨青海省海西蒙古族自治州的天峻縣和甘肅省酒泉市的肅北蒙古族自治縣，海拔介于2 100～5 750 m，平均高程約為3 900 m(圖1)。該地區(qū)屬于大陸性干旱荒漠氣候，年均溫-3.5 ℃，年降水量在100～600 mm，草地類型主要是高寒草甸和高寒草原，地表植被的整體覆蓋度較低，區(qū)域內(nèi)多年凍土廣泛發(fā)育[22-24]。土壤類型主要有高山寒漠土、高山草甸草原土、栗鈣土、淡栗鈣土和山地灰鈣土等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本研究于2011年6月17日至9月14日，采用空間序列換取時(shí)間序列的方法在疏勒河源區(qū)選取了沼澤草甸、高寒草甸、草原化草甸和高寒草原4種處于不同演替階段和演替時(shí)間互不相等的草地類型作為試驗(yàn)點(diǎn)，代表了氣候變化-凍土退化下高寒草地的一個(gè)演替方向(圖1，表1)。此外，我們選取了原生高寒草甸、退化草甸、翻耕補(bǔ)播草甸和圍欄封育草甸，分別代表人類活動(dòng)干擾下高寒草甸的不同狀況。所選試驗(yàn)點(diǎn)于2010年秋季布設(shè)了圍欄，主要為冬季牧場(chǎng)，在生長(zhǎng)季沒(méi)有放牧干擾。青海省政府曾在2005年對(duì)1號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)的某些區(qū)域進(jìn)行過(guò)翻耕補(bǔ)播。另外，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)一個(gè)100 m×100 m的圍欄，在每個(gè)圍欄內(nèi)布設(shè)1個(gè)、圍欄外布設(shè)3～4個(gè)30 m×30 m的“田”字型樣地，共設(shè)置樣地17個(gè)。樣地之間的距離視試驗(yàn)點(diǎn)的面積和優(yōu)勢(shì)植物種群的分布而定(50～200 m不等)，在該“田”字的9個(gè)交點(diǎn)上分別布設(shè)一個(gè)50 cm×50 cm樣方(圖1)，用于獲取植被普通照片和多光譜照片，每個(gè)樣地有9個(gè)樣方,共計(jì)153個(gè)樣方。本試驗(yàn)區(qū)沼澤草甸位于亞穩(wěn)定型多年凍土地區(qū)，高寒草甸位于過(guò)渡型多年凍土地區(qū)，而草原化草甸和高寒草原位于不穩(wěn)定型多年凍土地區(qū)。

1.3相片數(shù)據(jù)處理方法 本試驗(yàn)數(shù)碼照片由富士FinePix相機(jī)獲取[J35，中國(guó)，F(xiàn)ujifilm(China)]，其有效像素為1 220萬(wàn)。對(duì)于獲取的數(shù)碼照片采用WinCAM顏色軟件(WinCAM 2007a，加拿大，Regent Instruments inc.)進(jìn)行處理。該軟件是一款專業(yè)的色彩分析軟件，可以按顏色將照片中的像元分為綠色植被和裸地(包含石頭)兩類，綠色植被像元所占的比例就是該樣方的蓋度值。多光譜照片由美國(guó)農(nóng)業(yè)相機(jī)獲取(ADC，美國(guó)，Tetracam inc.),該相機(jī)具有較高的分辨率(2 048×1 536)，擁有近紅外、紅、綠3個(gè)波段(相當(dāng)于Landsat TM的2、3、4波段)，可以計(jì)算像元的歸一化差值植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R) .

式中，NIR、R分別代表近紅外和紅波段的反射率，NDVI越大蓋度越大。

多光譜相機(jī)的理想拍攝條件是天頂角近于0°，太陽(yáng)天頂角不低于相機(jī)視場(chǎng)角的1/2[25]，而該相機(jī)的視場(chǎng)角約為30.6°×23.2°，因此，該相機(jī)合適的拍攝條件是太陽(yáng)天頂角大于15°，也即太陽(yáng)高度角小于75°。本試驗(yàn)的觀測(cè)期為7月中旬到9月中旬，拍攝時(shí)間介于09：00―17：00，太陽(yáng)高度角介于20°～70°，符合拍攝條件。另外，相機(jī)的拍攝高度約距離地面1.4 m，拍攝的地面區(qū)域面積約為765 mm×574 mm。由于每次拍攝時(shí)的天空明朗程度以及太陽(yáng)高度角不同，每個(gè)樣地在拍攝之前要先拍攝1次白板，用以校正NDVI值。

多光譜照片的處理通過(guò)多光譜相機(jī)自帶的軟件Pixel Wrench2 software完成，處理過(guò)程如下：1)將拍攝的*.DCM格式的照片(圖2a)導(dǎo)入軟件界面，調(diào)入32_standard.cpf處理文件；2)獲得白板的Calibrate值，將該值作為處理該樣地照片的校正閾值；3)對(duì)原始照片進(jìn)行假彩色合成，裁剪出樣方框內(nèi)的照片(圖2b)，以*.TIFF格式保存并采用數(shù)據(jù)庫(kù)中的編號(hào)命名，以便利用編寫(xiě)的程序進(jìn)行批處理。樣方蓋度可以通過(guò)設(shè)定閾值的辦法獲得，將NDVI大于等于某一閾值的像元作為植被，小于該閾值的則作為裸地，樣方的蓋度就是植被像元所占的比例。

圖1 研究區(qū)及試驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)概況Fig.1 Source region of Shule River Basin with different types of permafrost

表1 試驗(yàn)點(diǎn)基本概況Table 1 Basic overview of the landscapes

圖2 樣方照片F(xiàn)ig.2 Pictures of quadrats

1.4蓋度數(shù)據(jù)分析方法 已有研究表明，兩人以上使用WinCAM軟件處理數(shù)碼照片的植被灰度均值與真實(shí)值之間并沒(méi)有顯著差異[26]，因此本研究選取7月拍攝的普通照片，用兩人處理結(jié)果的植被蓋度均值作為該樣方的真實(shí)蓋度值。處理過(guò)程包括：1)從每個(gè)樣地隨機(jī)選取一個(gè)樣方計(jì)算閾值，利用該閾值計(jì)算出該樣地其他8個(gè)樣方的蓋度；2)從17個(gè)樣地中各隨機(jī)選擇一個(gè)樣方,獲取閾值,并求平均值，再利用該平均閾值計(jì)算出所有其它136個(gè)樣方的蓋度[22]。

對(duì)兩人WinCAM的估算結(jié)果作相關(guān)性分析，將新舊閾值法的結(jié)果分別與“真實(shí)值”作配對(duì)t檢驗(yàn)， 并用單因素方差分析方法分析不同演替階段的高寒草地蓋度差異以及人類活動(dòng)干擾對(duì)高寒草地的影響，置信水平均為0.05。本研究中的數(shù)據(jù)分析均在Minitab 16下進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)圖均在Origin 8.0下完成。

2 結(jié)果與分析

2.1兩人WinCAM結(jié)果的對(duì)比 除了2-1和2-4兩個(gè)樣地外，兩人的WinCAM處理結(jié)果比較一致，二者之間的平均差異僅為1.74%，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.931(圖3)。從總體上看，沼澤草甸蓋度最高(57.94%)，高寒草甸次之(46.28%)，再次分別為草原化草甸(27.16%)和高寒草原(10.78%)。

圖3 兩人WinCAM處理結(jié)果的對(duì)比Fig.3 Comparison of results processed by two persons with WinCAM

2.2兩種閾值法的對(duì)比 17個(gè)樣地的閾值介于0.5～0.8(圖4)，蓋度越大閾值也越大。舊閾值法的閾值為這17個(gè)閾值的均值(0.635)。新、舊閾值法的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值的變化趨勢(shì)一致，但新閾值法的估算結(jié)果明顯更接近于真實(shí)值。用新、舊閾值法分別計(jì)算其余136個(gè)樣方的蓋度，對(duì)136個(gè)樣方的結(jié)果作配對(duì)t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新閾值法與真實(shí)值之間并無(wú)顯著性差異(P=0.219,α=0.05),而舊閾值法與真實(shí)值之間卻存在極顯著差異(P=0.001)。另外，舊閾值法在高蓋度區(qū)(≥40%)的估算結(jié)果明顯高于真實(shí)值，而在低蓋度區(qū)(≤20%)估算結(jié)果略偏低，在中等蓋度區(qū)(20%～40%)與新閾值法并無(wú)明顯差異。這是因?yàn)槠骄撝蹬c中等蓋度區(qū)的閾值相近，因此用新、舊閾值法計(jì)算出的蓋度值也就十分接近；在高蓋度區(qū)，樣地的閾值要高于平均閾值，導(dǎo)致新閾值法中NDVI值介于均值和實(shí)際閾值之間的像元被歸為裸地，而這部分在舊閾值法中被歸為植被，這就使得用舊閾值法計(jì)算的結(jié)果偏高；在低蓋度區(qū)，舊閾值法中作為土壤類、介于實(shí)際閾值和平均閾值之間的像元部分被作為植被處理，導(dǎo)致該區(qū)舊閾值法的計(jì)算結(jié)果偏低。

2.3不同演替階段植被蓋度的季節(jié)變化 不同演替階段的高寒草地植被蓋度并不相同，7月份沼澤草甸和草原化草甸、高寒草原之間差異顯著(P<0.05)，而和高寒草甸差異不顯著，到8、9月份，各草地類型間差異均減小(圖5)，4種草地類型植被蓋度均在7月達(dá)到最大，分別為沼澤草甸60%，高寒草甸40%，草原化草甸30%，高寒草原10%。但是從草地生長(zhǎng)旺季到枯草期植被蓋度顯著下降，分別為沼澤草甸30%，高寒草甸和草甸化草原低于20%，而高寒草原僅有5%。從草地類型來(lái)看沼澤草甸植被蓋度明顯高于其它3種草地(圖5)，但是沼澤草甸植被蓋度的計(jì)算誤差明顯要高于其他3種草地類型，可能是因?yàn)檎訚刹莸橛形鞑蒯圆?Kobresiatibetica)和青藏苔(Carexmoorcroftii)兩個(gè)優(yōu)勢(shì)種，西藏嵩草的蓋度相較于青藏苔草要低很多。

圖4 兩種閾值法與“真實(shí)值”的對(duì)比Fig.4 Comparison of FVC estimated by two different threshold methods and the “real” value

2.4人類活動(dòng)對(duì)植被蓋度的影響 人類活動(dòng)干擾對(duì)高寒草甸植被蓋度具有顯著影響，與原生高寒草甸相比，放牧導(dǎo)致的退化草甸的蓋度約減少10%，但差異并不顯著(P>0.05)。翻耕草甸的蓋度僅有1.62%(圖6A)，明顯低于高寒草甸和退化草甸(P<0.01)，地上植被以低蓋度的鐵棒錘(Aconitumpendulum)、馬先蒿(Pedicularisspp.)、火絨草(Leontopodiumalpinum)等雜草為主。另外，通過(guò)對(duì)比高寒草甸(圖6B)和草原化草甸(圖6B)圍欄內(nèi)外的蓋度值發(fā)現(xiàn)，雖然圍欄外略大于圍欄內(nèi)，但差異并不顯著(P>0.05)，這說(shuō)明短期之內(nèi)圍欄封育對(duì)草地狀況的改善效果不明顯?？梢?jiàn)，不適當(dāng)?shù)娜祟惢顒?dòng)會(huì)破壞高寒草地的生態(tài)環(huán)境，而草地的修復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程[25]，在生產(chǎn)力比較低的多年凍土地區(qū),圍欄封育和翻耕補(bǔ)播短期之內(nèi)并沒(méi)有顯著效果。另外,由于研究區(qū)域空間異質(zhì)性比較大,因而樣地的選擇也可能是導(dǎo)致圍欄內(nèi)植被蓋度低于圍欄外植被蓋度的原因之一。

圖5 不同演替階段植被蓋度季節(jié)變化Fig.5 Seasonal changes of grassland FVC in different successional stages

圖6 人類活動(dòng)對(duì)植被蓋度的影響Fig.6 Influence of human activities on FVC

3 討論

基于多光譜照片的閾值法是評(píng)估植被蓋度的一種全新、有效的方法[22]，其精度取決于閾值的選擇。但本研究中，不同的樣地有不同的閾值，蓋度越大閾值也越大，而且總體閾值偏大，這可能是由于陰影和WinCAM軟件的分類誤差造成的。隨著蓋度的增大，葉片間的間隙和陰影部分增多，這部分的NDVI值較大(如圖7中紅框圈出的陰影部分NDVI值為0.717)，在提取多光譜照片時(shí)被算作植被，而在WinCAM處理過(guò)程中被作為裸地。這可能是因?yàn)樵诟呱w度的沼澤草甸等地方，葉片間隙和陰影部分依然是植被，只是這些植被長(zhǎng)的比較矮，但其NDVI值依然較大，而WinCAM是通過(guò)顏色區(qū)分的，黑色的陰影部分被劃作裸地。另外，WinCAM的處理結(jié)果有一定的主觀性，特別是對(duì)于處于枯草期的草地，因?yàn)槿搜蹖?duì)于綠色的判斷是有誤差的，如黃綠色的枝葉很可能被判為非植被，但這部分仍可能進(jìn)行光合作用，在多光譜照片中仍做綠色植被(圖8)，這使得枯萎期的估測(cè)值較真實(shí)值偏低[16]，也會(huì)導(dǎo)致閾值的偏高。要削弱這兩部分所帶來(lái)的影響，使計(jì)算的蓋度值接近真實(shí)值，閾值必然會(huì)相應(yīng)增大，而如何剔除陰影部分的影響以及WinCAM的分類誤差，還需進(jìn)一步研究。

從9月上旬開(kāi)始，高寒草地普遍處于衰敗期，植被蓋度均逐漸減小，不同的草地類型變化速率不同，沼澤草甸和高寒草甸的衰退速率要慢于草原化草甸和高寒草原。這可能與其群落特征以及土壤含水量有關(guān)，不同的群落特征，物種的持水能力和根系的發(fā)達(dá)程度均有差異。另外，蓋度越高的地方，土壤的持水能力也越強(qiáng)[27-28]，而充足的水分有利于植物生長(zhǎng)，構(gòu)成一個(gè)良性循環(huán)。高寒草甸和沼澤草甸以嵩草和苔草為主，根系發(fā)達(dá)，且水分條件較好，植被衰退較緩慢；而草原化草甸和高寒草原則主要是針茅，植被覆蓋較低，土壤水分含量少，生根也較淺，植被衰退較快。

多年凍土退化是高寒生態(tài)系統(tǒng)退化的一個(gè)主要誘因，研究發(fā)現(xiàn)，由于氣候變暖，多年凍土退化將引起高寒草地從沼澤草甸到高寒草原的逆向演替，導(dǎo)致高寒草地植被蓋度降低[29]。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。但是由于交通道路的原因，本研究未能獲取極穩(wěn)定和穩(wěn)定多年凍土區(qū)高寒草地植被蓋度的觀測(cè)資料。研究表明，穩(wěn)定多年凍土區(qū)植被生長(zhǎng)的限制因素主要為溫度[26]，在降水量不變的情況下，溫度升高有利于植被生長(zhǎng)，所以多年凍土退化導(dǎo)致高寒草地植被蓋度下降的觀點(diǎn)并不全面。獲取極穩(wěn)定和穩(wěn)定多年凍土區(qū)高寒草地植被蓋度的觀測(cè)資料，客觀評(píng)估多年凍土退化對(duì)高寒草地影響是本研究下一步的主要工作。

圖7 陰影處的NDVIFig.7 NDVI in shadows

圖8 處于枯萎期的草地Fig.8 Withering grassland

人類活動(dòng)對(duì)高寒草地有很大的影響，過(guò)度放牧?xí)鸶吆莸赝嘶驹囼?yàn)區(qū)退化草甸的蓋度與原生高寒草甸相比下降并不明顯，可能是因?yàn)樵搮^(qū)域用作5月和9月的轉(zhuǎn)場(chǎng)牧場(chǎng)，因此放牧導(dǎo)致的退化并不顯著,沒(méi)有對(duì)草地造成大的破壞，但實(shí)際的載畜量還需要進(jìn)一步調(diào)查。圍欄封育和翻耕補(bǔ)播是修復(fù)退化草地的兩種主要方法。據(jù)研究，禁牧2～3年后植被蓋度及生物量均明顯增加[30-33]，而耕翻施肥可能所需時(shí)間較長(zhǎng)，需5～7年草地才能基本恢復(fù)[31,34-35]。植被的恢復(fù)狀況與當(dāng)?shù)丨h(huán)境密切相關(guān)，但由于本研究區(qū)為多年凍土區(qū)，且較為干旱，禁牧的時(shí)間不足1年，所以禁牧改良的效果并不明顯，植被蓋度沒(méi)有明顯的變化，具體的效果顯現(xiàn)時(shí)間還需進(jìn)一步的觀測(cè)數(shù)據(jù)予以支撐。另外，雖然青海省政府曾在2005年對(duì)本地區(qū)進(jìn)行過(guò)一次翻耕補(bǔ)播，但效果并不好，植被沒(méi)有明顯恢復(fù)，蓋度較低，這可能是因?yàn)榉麑?dǎo)致了地表蒸散量增加和土壤含水量下降[36]，從而不利于植被的生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

蓋度是反映高寒草地變化的一個(gè)重要參量，也是評(píng)價(jià)退化草地修復(fù)效果的重要指標(biāo)。地面尺度研究蓋度已發(fā)展了很多方法，用多光譜相機(jī)進(jìn)行蓋度估算有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本研究用多光譜相機(jī)研究了疏勒河源區(qū)高寒草地對(duì)氣候及人類活動(dòng)的響應(yīng)，并改進(jìn)了多光譜照片蓋度估算的閾值法，發(fā)現(xiàn)因時(shí)因地設(shè)置閾值能更大提高估算精度。氣候變暖環(huán)境下，多年凍土退化，高寒草地發(fā)生逆向演替，該觀點(diǎn)和本研究結(jié)果一致，但這種觀點(diǎn)并不全面，因?yàn)闇囟鹊纳呖赡軙?huì)導(dǎo)致極穩(wěn)定多年凍土區(qū)的植被狀況變好。過(guò)度放牧也會(huì)導(dǎo)致草地退化，但從植被蓋度的角度看，本研究區(qū)退化草甸的蓋度與原生高寒草甸相比下降并不明顯。禁牧和翻耕補(bǔ)播是修復(fù)退化草地的兩個(gè)主要方法，但在本研究區(qū)圍欄封育的效果不明顯，翻耕補(bǔ)播甚至?xí)?dǎo)致植被蓋度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于較低的水平。

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