徐艷芳，王克林，祁向坤，岳躍民，童曉偉

1 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長沙　410125

2 中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，環(huán)江　547100

3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049

基于TM影像的白云巖與石灰?guī)r上喀斯特植被時(shí)空變化差異研究

徐艷芳1,2,3，王克林1,2,*，祁向坤1,2，岳躍民1,2，童曉偉1,2,3

1 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長沙410125

2 中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，環(huán)江547100

3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

摘要:喀斯特土壤主要由白云巖和石灰?guī)r風(fēng)化而來，植被生長及其分布究竟怎樣響應(yīng)這一特殊地質(zhì)背景？以人為干擾影響較小的喀斯特自然保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，采用監(jiān)督分類法對(duì)1990年和2011年兩期TM影像進(jìn)行植被分類，并利用景觀格局分析方法研究兩種巖性上植被變化差異。結(jié)果表明，1990年和2011年研究區(qū)內(nèi)兩種母巖上均以喬木林和喬灌為主，草灌和草叢分布少，白云巖上喬木林的面積比例大于石灰?guī)r上的比例，而草灌和草叢小于石灰?guī)r上的比例；近20年來白云巖與石灰?guī)r上草叢、草灌、灌叢和喬灌均以正向演替為主，但白云巖上正向演替比例大于石灰?guī)r上的比例；兩種巖性上植被斑塊連接性均增強(qiáng)、破碎程度均降低，白云巖上植被斑塊的破碎化程度和多樣性指數(shù)較石灰?guī)r上低，內(nèi)部連接性強(qiáng)。由此可見，喀斯特白云巖較石灰?guī)r有利于草叢、草灌的自然恢復(fù)，巖性引起的水土資源配置和養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)過程差異制約著喀斯特地區(qū)植被的時(shí)空格局。

關(guān)鍵詞：植被變化；遙感；白云巖；石灰?guī)r

我國西南地區(qū)是世界上最大的喀斯特地貌集中分布區(qū)之一，由于特殊的地質(zhì)背景和強(qiáng)烈的巖溶作用，形成地表地下二元結(jié)構(gòu)，土層淺薄且分布不連續(xù)，加上高強(qiáng)度人類活動(dòng)的干擾，植被覆蓋率低，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱[1- 2]。由于該地區(qū)裸露巖石與淺薄土層相互鑲嵌，導(dǎo)致喀斯特生境高度異質(zhì)性和土壤生態(tài)功能的空間分異，增加了植被恢復(fù)重建的難度[3]。然而，植被作為喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的主體，在維護(hù)脆弱生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)區(qū)域碳平衡和物種多樣性保護(hù)等生態(tài)服務(wù)功能方面具有重要作用[4]。因此，揭示巖性對(duì)喀斯特植被時(shí)空變化影響對(duì)于喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的功能評(píng)估和恢復(fù)重建具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的植被時(shí)空變化研究主要通過野外樣地調(diào)查與取樣，采用空間代時(shí)間的方法研究植被結(jié)構(gòu)與功能時(shí)空變化，這種方法耗時(shí)多、花費(fèi)大且空間范圍有限；另一方面，空間代時(shí)間的方法假定所有樣地除了演替的時(shí)間長短不同外，樣地的其他生物和非生物條件相同，已被一些生物地理研究所質(zhì)疑[5]。從20世紀(jì)70年代開始的陸地資源衛(wèi)星影像(Landsat MSS/TM/ETM+)迄今為止已積累了40多年的數(shù)據(jù)，為應(yīng)用長時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域植被時(shí)空變化研究提供了有效方法[6- 8]。目前喀斯特地區(qū)植被變化研究通過野外樣地調(diào)查與取樣，基本厘清了局部典型植被群落演替的順序及不同演替階段植被的物種構(gòu)成、生物量和生物多樣性的特征等[9- 12]，同時(shí)也基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)初步揭示了區(qū)域尺度典型喀斯特地區(qū)植被時(shí)空變化[13- 15]。然而，目前關(guān)于喀斯特地區(qū)區(qū)域尺度植被變化的研究更多的側(cè)重于植被類型與結(jié)構(gòu)變化及喀斯特地表形態(tài)、氣候因子以及人類活動(dòng)對(duì)植被時(shí)空變化的影響[16- 18]，忽視了決定喀斯特地區(qū)水土資源空間配置的關(guān)鍵制約因素——巖性。

喀斯特地區(qū)由于受特殊的地質(zhì)背景影響，植被變化呈復(fù)雜性和多變性特征， 巖性基底是影響喀斯特生態(tài)環(huán)境差異的一個(gè)重要基礎(chǔ)條件。白云巖和石灰?guī)r在巖溶形態(tài)、巖石裂隙發(fā)育程度、土層厚度及風(fēng)化殼持水性等方面都存在顯著差異，這些差異制約著區(qū)域水土資源的空間配置和養(yǎng)分的地球化學(xué)循環(huán)過程，進(jìn)而影響植被變化[19- 20]。因此，忽視喀斯特巖性對(duì)退化喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的影響，在一定程度上影響了喀斯特區(qū)域植被變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析的客觀性，更難以正確認(rèn)識(shí)區(qū)域尺度喀斯特巖性與植被恢復(fù)時(shí)空變化的相互作用。因此，本文以人為干擾影響較小的典型喀斯特自然保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，利用不同時(shí)段的Landsat TM5影像分析不同巖性(白云巖和石灰?guī)r)條件下植被時(shí)空變化差異特征，揭示不同巖性對(duì)喀斯特植被恢復(fù)的影響，以期為該地區(qū)生態(tài)工程實(shí)施及其建設(shè)成效監(jiān)測與評(píng)估提供科技支撐。

1研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

圖1　研究區(qū)位置和巖性示意圖Fig.1　Location and lithology of the study area

研究區(qū)位于貴州茂蘭和廣西木論自然保護(hù)區(qū) (圖1)，是貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，地勢由西北向東南降低。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫15—18.7 °C，年均降雨量1530—1820 mm，降水集中分布在4—10月。區(qū)內(nèi)喀斯特地貌發(fā)育較好，地貌類型以峰叢洼地和峰叢漏斗為主，其巖性主要是由純質(zhì)石灰?guī)r與白云巖構(gòu)成。土壤為石灰土，土被不連續(xù)，多存在于巖石裂隙中。受喀斯特生境的影響和制約，原生性植被為常綠落葉闊葉混交林。茂蘭和木論保護(hù)區(qū)分別設(shè)立于1984年和1991年，保護(hù)區(qū)設(shè)立前，受到人為干擾影響，區(qū)內(nèi)分布著演替早期階段到喀斯特森林頂極群落的一系列演替階段[21]。

本區(qū)的石灰?guī)r和白云巖，幾乎為純質(zhì)的碳酸鹽類，根據(jù)化學(xué)分析，所有石灰?guī)r的CaO含量在52.59—54.33%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石灰?guī)rCaO含量的平均值(42.61%)，接近于石灰?guī)r的組成礦物方解石(CaCO2)中的CaO的理論含量(56%)，白云巖中CaO含量為30.92%—31.64%，MgO的含量為19.60—21.89%，大致與其主要組成礦物白云石[CaMg(CO3)2]中的CaO(30.4%)和MgO(21.7%)的理論含量相近似，故本區(qū)碳酸鹽巖中，含方解石和白云石在97%—99%以上，它們通過溶蝕能夠殘留下來形成土壤的Si，Al，F(xiàn)e等不溶性氧化物，一般在1%左右。研究區(qū)石灰土成土母巖是純度較高的白云巖和石灰?guī)r，能夠形成土粒的重要成分SiO2，Sl2O3和Fe2O3含量極低，石灰?guī)r僅占1.52%，白云巖上也只有2.02%，而含量最高的鈣鎂碳酸鹽類在溶蝕過程中隨水土流失[22]。

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

兩期Landsat TM5數(shù)據(jù)(1990年5月18日和2011年5月28日)來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所(http://www.ceode.cas.cn/sjyhfw/)。影像獲取時(shí)間基本相近，減少了因太陽高度角和物候差異所造成的噪聲影響。所有影像數(shù)據(jù)經(jīng)過大氣校正和幾何校正，大氣校正采用DOS3算法，每期影像選取18—25個(gè)地面控制點(diǎn)進(jìn)行幾何校正，幾何校正的均方差控制在0.5個(gè)像元之內(nèi)，所有影像采用最近鄰域法進(jìn)行30m重采樣。巖性數(shù)據(jù)來源于茂蘭喀斯特森林科學(xué)考察集[22]，并經(jīng)過數(shù)字化處理。

1.2.2植被演替階段劃分與分類

喀斯特區(qū)域植被自然演替階段分為草叢-草灌-灌叢-喬灌-喬林-頂極階段[21]，隨著喀斯特植被由草叢階段向頂極階段演替過程中，群落高度、蓋度增加，密度減小、科屬種數(shù)量和物種多樣性呈現(xiàn)先增加后遞減的趨勢[9,23]。由于各演替階段有不同的樹種組成、樹冠結(jié)構(gòu)及高度，因而在影像上具有不同的特征。根據(jù)研究區(qū)植被自然演替階段及TM影像對(duì)各演替階段的可分性，本研究將演替頂極群落與喬林階段合并歸為喬木林階段，植被群落劃分為草叢、草灌、灌叢、喬灌、喬木林5個(gè)演替階段，居民區(qū)、農(nóng)田區(qū)、水體等非植被區(qū)域歸并為一類。各演替階段群落特征見表(1)。

兩期影像數(shù)據(jù)分類訓(xùn)練樣本主要通過野外觀測和目視解譯選取，各演替階段植被類型分別選取15—20個(gè)訓(xùn)練樣本，所有影像均采用最大似然監(jiān)督分類法進(jìn)行分類。分類精度驗(yàn)證主要利用野外觀測數(shù)據(jù)以及與當(dāng)?shù)鼐用竦脑L談信息，分別隨機(jī)選取100個(gè)和121個(gè)野外調(diào)查驗(yàn)證點(diǎn)對(duì)兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分類總體精度均達(dá)85%左右，影像預(yù)處理與分類由ERDAS IMAGINE 8.5 和 ArcGIS 9.2實(shí)現(xiàn)。

1.2.3數(shù)據(jù)分析方法

(1)凈變化率

凈變化率(NCR)表示每個(gè)演替階段從開始年份到終止年份的變化，反映植被變化的動(dòng)態(tài)度。

(1)

式中,Ais是第i個(gè)演替階段開始年份的面積，Aie是第i個(gè)演替階段終止年份的面積。

表1　不同演替階段典型喀斯特植被群落特征[9，15]

(2)各階段演替轉(zhuǎn)移分析

轉(zhuǎn)移矩陣是定量化描述植被群落變化的一種方法，能反映兩個(gè)時(shí)期各演替階段面積變化情況以及每個(gè)演替階段從前一個(gè)時(shí)期向后一個(gè)時(shí)期轉(zhuǎn)移去向比率。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)形式為：

(2)

式中,A表示面積，n表示演替的階段數(shù)，i和j分別為研究期初與研究期末的演替階段序號(hào)。

1.2.4景觀格局分析

本研究選取的自然保護(hù)區(qū)植被景觀類型以喬木林為主導(dǎo)，喬灌、灌叢、草灌、草叢等景觀類型交互分布，形成一個(gè)包含了不同植被演替階段的喀斯特植被景觀實(shí)體。為了進(jìn)一步定量刻畫植被時(shí)空演變的結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征，本研究進(jìn)一步通過景觀指數(shù)來分析植被變化的景觀格局特征。基于對(duì)不同植被景觀類型斑塊平均面積的大小、形狀的規(guī)則程度以及分散與集聚程度等方面的考慮，并結(jié)合不同景觀指數(shù)之間的相關(guān)性及其含義，選取并計(jì)算斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、聚集度指數(shù)(AI)、 散布與并列指數(shù)(IJI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)等景觀指數(shù)來分別分析斑塊類型水平與景觀水平研究區(qū)植被的景觀格局變化特征[24]。

2結(jié)果與討論

2.1兩種母巖上植被的時(shí)空變化特征

兩種母巖上植被各演替階段不同時(shí)期的面積分布及其變化見圖2和表2。由此可知， 1990年和2011年研究區(qū)兩種母巖上均以喬木林和喬灌為主，草灌和草叢階段面積小。這主要是由于研究區(qū)屬于自然保護(hù)區(qū)，人為干擾少，利于植被自然恢復(fù)。白云巖上演替晚期階段的喬木林比例大于石灰?guī)r上的比例，而演替早期階段的草灌和草叢比例小于石灰?guī)r上的比例，石灰?guī)r上非植被比例大于白云巖上的比例，主要分布為居民點(diǎn)、農(nóng)田區(qū)以及裸地。1990—2011年兩種母巖上各演替階段面積變化明顯，白云巖上喬木林面積增加1404.1 hm2，喬灌減少126.0 hm2，灌叢減少694.7 hm2，草灌減少376.0 hm2，非植被地減少59.7 hm2；石灰?guī)r上喬木林面積增加565.6 hm2，喬灌略有增加，灌叢減少309.9 hm2，草灌減少213.4 hm2，非植被地增加。兩種母巖上草灌和灌叢的變化率明顯大于其他演替階段，這主要由于草灌和灌叢階段個(gè)體較小，高度和密度居中，蓋度較小，光線較強(qiáng)，這一階段生物量開始上升，物種多樣性增長，生物歸還系數(shù)提高，有利于土壤質(zhì)地的改善，促進(jìn)植被的更新[25]。石灰?guī)r上喬木林的凈變化率均大于白云巖上，這主要是由于白云巖上已有的喬木林面積比例大，能夠發(fā)生演替的面積相對(duì)較少。

圖2　1990年和2011年植被各演替階段空間分布圖Fig.2　Spatial distributions of vegetation successional stages in 1990 and 2011

階段Stage1990年白云巖Dolomite石灰?guī)rLimestone2011年白云巖Dolomite石灰?guī)rLimestone1990—2011NCR白云巖Dolomite石灰?guī)rLimestone喬木Forest/%59.747.170.558.2+18.1+23.5喬灌Tree-shrub/%23.324.422.324.6-4.2+0.7灌叢Shrub/%8.912.43.66.3-59.7-49.0草灌Grass-shrub/%4.26.11.21.9-69.8-68.7草叢Grass/%2.14.01.02.8-54.0-28.8其他Other/%1.86.01.46.2-25.2+2.5

2.2兩種母巖上植被變化速率的差異

由表3和表4可知，近20年來兩種母巖上植被演替速率總體趨于緩慢，喬木林保持穩(wěn)定的比例達(dá)80%以上，白云巖上喬木林保持穩(wěn)定的比例大于石灰?guī)r上。從各階段正向演替速率看，在演替的高級(jí)階段，1990—2011年兩種巖性上各階段向喬木林階段演替的過程中，喬灌演替為喬木速率最快，白云巖上喬灌演替為喬木林的年均演替速率3.1%，石灰?guī)r上年均演替速率為2.7%；而兩種巖性上由灌叢到喬木林的正向演替速率比較慢，白云巖和石灰?guī)r上灌叢演替為喬木林的年均演替速率分別為1.6%和1.3%。在演替的初級(jí)階段，兩種巖性上非植被地的演替速率差異也較大，白云巖上非植被地演替為草叢、草灌的年均演替速率分別為0.6%和0.8%，而石灰?guī)r上分別為0.4%和0.3%。從各階段逆向演替速率看，1990—2011年石灰?guī)r上的草灌和草叢更容易退化成非植被地，白云巖上草灌和草叢退化成非植被的年均速率為0.2%和0.3%。石灰?guī)r草灌和草叢退化成非植被的年均速率為0.5%和0.7%。因此，研究區(qū)白云巖較石灰?guī)r上更利于草灌草叢等處于演替初級(jí)階段的植被恢復(fù)，而石灰?guī)r上群落不夠穩(wěn)定，容易發(fā)生退化，尤其是處于演替低級(jí)階段的草灌草叢易退化成裸地。

表3　1990—2011年白云巖上植被各演替階段面積轉(zhuǎn)移矩陣

表4　1990—2011年石灰?guī)r上植被各演替階段面積轉(zhuǎn)移矩陣

2.3兩種母巖上植被演替方向的差異

圖3　白云巖與石灰?guī)r上植被總體演替方向分布　Fig.3　The distributions of vegetation succession direction on dolomite and limestone

兩種母巖上植被整體演替方向的分布和植被各階段演替方向的分布見圖3和圖4。由圖3可知，兩種母巖上植被整體主要保持穩(wěn)定不變，正向演替的比例約20%，逆向演替的比例相對(duì)較小。這主要是由于研究區(qū)為保護(hù)區(qū)，演替晚期階段的植被分布較多，群落趨于穩(wěn)定，演替速率趨于緩慢。白云巖上總體正向和逆向演替比例均小于石灰?guī)r上，保持穩(wěn)定不變的比例大于石灰?guī)r上，這主要是由于白云巖上喬木林面積分布較大，能夠發(fā)生演替的面積較少。石灰?guī)r上植被逆向演替的比例大主要可能是由于研究區(qū)石灰?guī)r上植被分布的區(qū)域海拔較高，坡度大，土層淺薄，植被恢復(fù)相對(duì)緩慢；同時(shí)地勢低平的區(qū)域在劃分為保護(hù)區(qū)前相比白云巖區(qū)有較多農(nóng)田分布。由植被各階段演替方向的分布(圖4)看，兩種巖性上草叢、草灌、灌叢和喬灌這四個(gè)階段均以正向演替為主，白云巖上正向演替的比例大于石灰?guī)r上的比例，其中草灌和草叢正向演替所占比例最大，分別為83.6%和82.0%。兩種巖性上各階段正向演替的面積對(duì)總體正向演替面積貢獻(xiàn)最大的均為喬灌，比例達(dá)40.0%以上，其次是灌叢，比例達(dá)22.2%以上。對(duì)逆向演替來說，白云巖上喬灌逆向演替的面積對(duì)總體逆向演替面積的貢獻(xiàn)比例大于石灰?guī)r上，但其他階段對(duì)總體逆向演替面積的貢獻(xiàn)比例均小于石灰?guī)r上(圖5)。由此可見，研究區(qū)兩種巖性上植被總體保持不變，發(fā)生正向演替的主要是喬灌和灌叢，白云巖上更利于草叢和草灌的正向演替。

圖4　兩種母巖上植被各階段演替方向分布Fig.4　Distributions of each succession stages′ direction on the two rock type

圖5　各階段不同演替方向?qū)傮w不同演替方向總面積的貢獻(xiàn)比例Fig.5　The contribution percentages of each stage to the sum area of different succession direction

2.4兩種母巖上植被景觀格局變化特征

為了進(jìn)一步反映研究區(qū)景觀整體格局變化，借助于景觀格局分析軟件Fragstats4.2,計(jì)算出兩種母巖上景觀水平與斑塊類型水平特征指數(shù)。從景觀水平的指數(shù)變化(表5)來看，兩種母巖上斑塊數(shù)量和斑塊密度均減少，平均斑塊面積和聚集度指數(shù)均增加，但白云巖上斑塊的破碎化程度和多樣性指數(shù)較石灰?guī)r上均低但內(nèi)部連接性強(qiáng)，這主要是由于喬木林在白云巖上比例大且集中分布，而石灰?guī)r分布零散，喬木林的比例相對(duì)較少。從斑塊類型水平的指數(shù)變化(表6，表7)來看，兩種巖性上喬木林的斑塊數(shù)量均減少，平均斑塊面積和聚集度指數(shù)明顯大于其他演替階段類型，白云巖上喬木林的平均斑塊面積和聚集度指數(shù)均大于石灰?guī)r上。近20年來草灌灌叢的斑塊數(shù)、斑塊面積均減少，聚集度指數(shù)也明顯減小，說明研究區(qū)植被趨于正向演替，由草灌、灌叢向喬木林、喬灌等植被演替高級(jí)階段發(fā)展。因此，景觀格局分析進(jìn)一步表明，近20年來研究區(qū)植被在逐漸恢復(fù)。

表5　兩個(gè)時(shí)期白云巖與石灰?guī)r上景觀水平指數(shù)分布

表6　1990年白云巖與石灰?guī)r上斑塊類型水平指數(shù)分布

表7　2011年白云巖與石灰?guī)r上斑塊類型水平指數(shù)分布

2.5不同巖性上植被變化差異原因分析

上述研究結(jié)果表明，不同喀斯特巖性(白云巖、石灰?guī)r)上植被的時(shí)空變化，演替的速率與方向以及景觀格局均存在時(shí)空差異，這可能是由于兩種母巖在巖溶形態(tài)、巖石裂隙發(fā)育程度、土層厚度及風(fēng)化殼持水性等方面的差異引起。巖性差異制約著喀斯特區(qū)域水土資源的空間配置和養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)過程，進(jìn)而影響不同巖性上植被變化的時(shí)空差異。首先，從水土資源空間配置方面來看，一方面，巖性不同，形成的表層巖溶帶、土壤結(jié)構(gòu)和植被類型也不同，巖溶發(fā)育程度和規(guī)模也不同，其控制著系統(tǒng)的輸入、輸出和傳輸過程, 影響著系統(tǒng)的水文特性，不同的碳酸鹽巖巖溶水系統(tǒng)具有不同的下滲和產(chǎn)流方式以及蓄水調(diào)水的能力，以石灰?guī)r為主的地下水系統(tǒng)具有一定規(guī)模的地下空間，地下河水系發(fā)育，水土垂直漏失嚴(yán)重[26]。另一方面，白云巖的風(fēng)化過程以物理風(fēng)化為主，物理崩解提供的巖石碎塊更有利于化學(xué)風(fēng)化的進(jìn)行，再加上白云巖中晶間孔隙均勻，有利于整體溶蝕作用的進(jìn)行，而石灰?guī)r在受力時(shí)節(jié)理裂隙分布極不均勻，易形成巖石裂縫和洞穴系統(tǒng)，表現(xiàn)為差異性溶蝕作用顯著，這些差異決定了溶蝕殘留物在地表具有不同的堆積與丟失方式[19]。石灰?guī)r區(qū)土粒易聚集在巖體的裂隙和地下空隙系統(tǒng)中，而白云巖中溶蝕殘余物質(zhì)能相對(duì)均勻的分布于地表，白云巖地區(qū)的土層厚度往往大于石灰?guī)r地區(qū)，成土速度較灰?guī)r巖組快，土體分布較連續(xù)，裸地相對(duì)要少，而石灰?guī)r地區(qū)石漠化現(xiàn)象更嚴(yán)重[27]。

其次，從養(yǎng)分的地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)過程來看，喀斯特區(qū)域元素地球化學(xué)遷移形成了富鈣偏堿的地球化學(xué)環(huán)境，并制約元素遷移的質(zhì)和量[20]，從元素營養(yǎng)方面影響植物變化。由于巖性的不同，化學(xué)元素含量存在差異，又因巖石風(fēng)化過程中90%以上的物質(zhì)隨水帶走，能夠殘留下來形成土壤的一般在1%左右，而Ca、Mg的大量遷移使土壤偏堿性，并制約著很多元素，尤其是Fe、Mn、Cu、Zn等微量元素的存在狀態(tài)和有效性[28- 29]。白云巖區(qū)土壤為中性偏弱酸性，石灰?guī)r區(qū)為中性偏堿，石灰?guī)r區(qū)土壤有更高的鈣、鎂含量。在堿性條件下， 土壤中的 N 礦化快, 而 P 、Fe、 Mn等營養(yǎng)元素的生物有效性比在酸性土壤中更差，嫌鈣植物在這類土壤上生長則會(huì)出現(xiàn)缺P 和Fe癥狀。酸性土壤中由于 pH 低，鈣生植物在生長過程中需要吸取大量的 Ca2+、Mg2+作為營養(yǎng)，但酸性土壤不能保證供應(yīng)，因而鈣生植物生長不良或甚至于不能生長。上述差異特別是鈣鎂元素之外的含量差異，在形成土壤過程中可能得到了放大，因而對(duì)植物的影響更明顯[30]。已有研究表明，喀斯特區(qū)域植物分布與巖性有更為直接的關(guān)系，植物對(duì)土壤元素的吸收、富集有一定的選擇性，植物元素的含量與分布和元素的地球化學(xué)行為密切相關(guān)[31]。因此，不同巖性條件下喀斯特植被恢復(fù)與演變存在時(shí)空差異，在喀斯特區(qū)域并不是一經(jīng)封山育林就能完全自然恢復(fù)，它受到地質(zhì)背景的限制，在實(shí)施生態(tài)恢復(fù)工程時(shí)，必須考慮巖性的差異對(duì)植被恢復(fù)的影響，因地制宜的采取生態(tài)建設(shè)與保護(hù)措施。

3結(jié)論

喀斯特地區(qū)受特殊的地質(zhì)背景影響，白云巖和石灰?guī)r在巖溶形態(tài)、裂隙發(fā)育程度、土層厚度及風(fēng)化殼持水性等方面都存在顯著差異，這些差異制約著區(qū)域水土資源的空間配置和養(yǎng)分過程，進(jìn)而影響植被變化。本文基于兩期Landsat TM5數(shù)據(jù)，選擇人為干擾少的茂蘭和木論保護(hù)區(qū)，對(duì)比分析了喀斯特區(qū)白云巖與石灰?guī)r上植被時(shí)空變化特征，主要研究結(jié)論如下：

(1)1990—2011年研究區(qū)的兩種母巖上均以喬木林和喬灌為主，草灌和草叢的面積分布少，隨著演替恢復(fù)時(shí)間的增長，兩種母巖上低級(jí)階段的植被群落逐漸被高級(jí)階段群落取代，植被群落趨于穩(wěn)定，演替速率逐漸減緩。

(2)白云巖與石灰?guī)r上喬木林大部分保持穩(wěn)定不變，白云巖上喬木林保持不變的比例較大；草叢、草灌、灌叢和喬灌均以正向演替為主，而逆向演替比例小于石灰?guī)r上。

(3)景觀格局變化上，近20年來兩種巖性上植被斑塊數(shù)量和密度均減少、景觀連接性和聚集度均增強(qiáng)，白云巖上植被景觀破碎化程度和多樣性指數(shù)較石灰?guī)r上低、內(nèi)部連接性強(qiáng)。

(4)喀斯特白云巖較石灰?guī)r有利于草叢、草灌的自然恢復(fù)，巖性引起的水土資源配置和養(yǎng)分地球化學(xué)循環(huán)過程差異制約著喀斯特地區(qū)植被的時(shí)空格局，在實(shí)施生態(tài)工程時(shí)，必須考慮不同巖性條件下的植被恢復(fù)的時(shí)空差異特征，因地制宜的采取生態(tài)建設(shè)與保護(hù)措施。

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Spatial and temporal vegetation changes under geological settings of dolomite and limestone based on TM images

XU Yanfang1,2,3, WANG Kelin1,2,*, QI Xiangkun1,2, YUE Yuemin1,2, TONG Xiaowei1,2,3

1InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofScience,Changsha410125,China

2HuanjiangObservationandResearchStationforKarstEcosystem,ChineseAcademyofSciences,Huanjiang547100,China

3UniversityofChineseAcademyofScience,Beijing100049,China

Abstract：Karst topography has high susceptibility to degradation due to human disturbance. During the last decade, much effort has been made to recover the vegetation in the region of southwest China characterized by karst topography. However, the recovery varies regionally. This study was aimed to assess the impacts of bedrocks on vegetation dynamics. Soil in the karst region of southwest China was mainly derived from limestone and dolomite bedrocks. A natural reserve was selected as the study area to examine the geological control on vegetation change. We classified the Landsat TM5 data recorded in 1990 and 2011 using a supervised classification method for stages of succession of natural vegetation and image characteristics of karst region. We then analyzed spatial patterns to identify the differences in vegetation change rate and direction for two different rock types (limestone and dolomite). In both cases, results showed that the vegetation mainly consisted of forest and tree-shrub mixture in 1990 and 2011. Compared to forest and tree-shrub mixture, the areas covered by grass-shrub mixture and grass were small. The forest cover over dolomite bedrock was higher than that over limestone bedrock, while the grass and grass-shrub mixture covers over dolomite bedrock were lower than those over limestone bedrock. Steady forest cover existed in the areas with limestone and dolomite bedrock regions. In regions characterized by dolomite bedrock, the steady forest cover was higher than that in limestone, and the tree-shrub mixture cover increased slowly in both regions. Grass, grass-shrub mixture, shrub, and tree-shrub mixture vegetation-types were all in the period of positive succession and the percentages of positive succession of these four cases over dolomitic bedrock were higher than that in the areas with limestone bedrock. The connectivity was increased and the fragmentation was decreased in areas with limestone and dolomite bedrock. While, the level of fragmentation and diversity was lower in case of dolomite bedrock than that in case of limestone bedrock. The underlying mechanisms include varying soil depth, soil chemical properties, hydrology, etc. between the two types of bedrocks. The results implied that for grass-shrub mixture and shrub, natural recovery may be more suitable in areas with dolomite bedrock than in areas with limestone bedrock.

Key Words:vegetation change; remote sensing; dolomite; limestone

DOI:10.5846/stxb201409031749

*通訊作者Corresponding author.E-mail: kelin@isa.ac.cn

收稿日期:2014- 09- 03;

修訂日期:2015- 07- 27

基金項(xiàng)目:中國科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃重大項(xiàng)目(KZCX2-XB3- 10)；國家科技支撐計(jì)劃 (2010BAE00739-02)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471445)

徐艷芳，王克林，祁向坤，岳躍民，童曉偉.基于TM影像的白云巖與石灰?guī)r上喀斯特植被時(shí)空變化差異研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(1):180- 189.

Xu Y F, Wang K L, Qi X K, Yue Y M, Tong X W.Spatial and temporal vegetation changes under geological settings of dolomite and limestone based on TM images.Acta Ecologica Sinica,2016,36(1):180- 189.