关键词:
灌木林
冠层覆盖度
地上生物量
随机森林模型
气候变化
人类活动
摘要:
在全球气候变化进程加快和人类活动影响日益加大的背景下,区域植被也在发生深刻的变化。灌木植被是干旱地区的优势植被类型,气候变化引起的灌木植被动态变化严重影响其维持干旱地区生态安全的功能。我国西北地区拥有全国约80%的干旱和半干旱地区,分布着大量自然形成和人工种植的灌木林,对西北地区生态系统的稳定发挥重要的作用。然而西北地区灌木林分布、结构与功能的时空变化以及其驱动机制尚不明确。因此,有必要探明西北地区灌木植被的分布、结构与功能的时空动态,并分析造成灌木植被变化的主导因素。本研究基于30m空间分辨率的Landsat卫星遥感数据,采用支持向量机分类法的初步土地利用分类和最大似然法的二次分类,确定了2000-2020年西北地区灌木林的分布情况。基于高分影像获取的冠层覆盖度数据和野外实地采样数据,构建了估算西北地区灌木林冠层覆盖度的随机森林模型和灌木林地上生物量统计模型。并基于气候区划和行政区划,分析气候因子和人类活动因子对灌木植被的影响。主要结果如下:
(1)西北地区各期灌木林识别精度中,基于支持向量机方法,西北地区7种地类Kappa系数均大于0.61,分类结果为具有高度一致性。基于最大似然法二次分类的灌木林识别精度各期结果为2020(73.8%),2015(70.5%),2010(69.5%),2005(71.2%),2000:(75%),目标对象灌木林,五期识别的总体精度为72%。
(2)西北地区西部灌木林总体往东迁移,东部灌木林总体往西南部迁移。灌木林总面积持续增加,2000-2020年共增加了36.767百万公顷。半干旱区分布的灌木林面积最多,其占比为60.27%,湿润区占比最小,仅为0.11%。以6省的行政区划中内蒙古分布的灌木林面积占比最大,为38.96%。
(3)用以预测西北地区灌木林冠层覆盖度所构建的随机森林模型,验证集具备良好的验证效果(R2=0.756)。基于样地数据,构建的灌木标准株地上生物量与冠幅体积的异速生长模型,训练集R2为0.752,验证集R2为0.730。基于样地数据结合随机森林模型的冠层覆盖度-地上生物量统计模型(R2=0.822),拟合效果良好。
(4)灌木林冠层覆盖度范围为8.73%-64.02%,基于像元统计的灌木林地上生物量范围为68.10 kg-1070.67 kg。两者在连续五期中,最大值的表现趋势是2000-2005年下降,2005-2015年持续上升,2015-2020年间下降。最小值具有整体下降的趋势,表现为2000,2005和2010年三期的最小值明显大于2015和2020年的最小值。
(5)西北地区灌木林的总地上生物量显著增加,由2000年31.747百万吨增加至2020年102.683百万吨。总量最大为2020年半干旱区,值为53.604百万吨,总量最小为2010年的湿润区,值为0.010百万吨。单位面积灌木林地上生物量值最低为2005年半干旱地区,值为1.806吨/公顷,2015年湿润区的最大,为3.402吨/公顷
(6)西北地区灌木林分布面积的增加与降水总量的增加和部分地区的气温减小有关。灌木林在县区水平上地上生物量的变化由经济与放牧因素共同主导。