中国短花针茅荒漠草原植被的地理分布及斑块特征

Geographical Distribution and Patch Characteristics of Vegetation in the Desert Grassland of Stipa breviflora in China

摘要: 根据科学出版社2001年出版的《中国植被图集(1:1000000)》，利用地理信息系统软件(ArcGIS)进行矢量化处理，提取短花针茅荒漠草原植被的斑块信息，绘制短花针茅荒漠草原植被地理空间分布图，并以此为基础，对我国短花针茅荒漠草原植被群落的分布特点、群落的类型、及其斑块特征进行研究；结果显示：我国的短花针茅荒漠草原主要分布在内蒙古、新疆、青海、甘肃、陕西和宁夏地区；我国短花针茅荒漠草原植被总面积约为35335.34 km²，其中，甘肃分布面积最广，分布面积约为14758.82 km²，约占我国短花针茅荒漠植被总面积的41.77%；其次是内蒙古地区，分布面积约为10046.13 km²，占比约为28.43%；分布面积最小的是陕西省，分布面积为386.70 km²，占比约为1.09%。短花针茅荒漠草原的分布面积要远大于其他群系；短花针茅荒漠草原斑块数量多，面积变异系数大，破碎化严重。分析得出：高强度放牧是影响我国短花针茅荒漠草原群落斑块分布格局的主要因素。短花针茅的植被图斑主要特征是：大斑块数量较少，而小斑块数量众多，且斑块与斑块的面积差距显著，大多数斑块所处空间相距较远。

Abstract: According to the “Chinese Vegetation Atlas (1:1000000)” published by Science Press in 2001, vector processing was carried out using Geographic Information System (ArcGIS) software to extract patch information of short flowered Stipa desert grassland vegetation. A geographic spatial distribution map of short flowered Stipa desert grassland vegetation was drawn, and based on this, the distribution characteristics, types, and patch characteristics of vegetation communities in China’s short flowered Stipa desert grassland were studied. The results show that the Short flowered Stipa Desert Grassland in China is mainly distributed in Inner Mongolia, Xinjiang, Qinghai, Gansu, Shaanxi, and Ningxia regions. The total vegetation area of the Short flowered Stipa desert grassland in China is about 35335.34 km², among which Gansu has the widest distribution area, with a distribution area of about 14758.82 km², accounting for 41.77% of the total vegetation area of the short flowered Stipa desert in China. Next is Inner Mongolia, with a distribution area of approximately 10046.13 km², accounting for approximately 28.43%. The smallest distribution area is in Shaanxi Province, with a distribution area of 386.70 km², accounting for approximately 1.09%. The distribution area of the Short flowered Stipa desert grassland is much larger than that of other formations; the desert grassland of Stipa breviflora has a large number of patches, a large coefficient of variation, and severe fragmentation. Analysis shows that high-intensity grazing is the main factor affecting the distribution pattern of patches in the short flowered Stipa desert grassland community in China. The main characteristics of vegetation patches in Short flowered Stipa are that there are fewer large patches, while there are many small patches, and the area difference between patches is significant. Most patches are located far apart in space.

1. 引言

针茅属系禾本科(Gramineae)针茅族(Stipeae)中种类较多的属，是Linnaeus在1753年以3个种(S. pennata, S. juncea, S. arenacea)建立的，模式种为S. pennata。短花针茅首先发现于欧洲，1868年由Griseb发现并命名为S. breviflora ‎[1] ‎[2] 。

短花针茅草原的主要生长区域处于气候偏暖区，同时也分布在荒漠区的一些山地，其主要分布区位于我国的黄土高原区。在甘肃、宁夏、新疆的天山山脉也有分布 ‎[3] 。植被的空间分布格局常伴随着气候因子的变化，无论是植物生长，还是土壤生态学过程，都受到水分条件的限制，其生产力具有很大的季节和年际变化，因此气候变化对短花针茅荒漠草原生态系统的影响尤为突出。

短花针茅草原在生态学上具有其自身的独特性，是因为其地理位置处于草原与荒漠两大陆地生态系统的交错地带所引起的 ‎[4] ，因此其特殊的群落类型、结构和功能、及种类组成也显示出该生态系统的脆弱性 ‎[5] 。草原生态系统中对人为活动影响敏感，其中的荒漠草原对人类活动更为敏感，也是受人类活动变化影响最为明显的组成部分。

荒漠草原是草原向荒漠过渡的一种草原类型。由于其本身的脆弱性，长期的不合理人为活动极易破坏其脆弱的生态系统，容易使其向着荒漠化的方向发展，其生态屏障功能和生产力都会明显下降 ‎[6] 。它的生态系统的良性循环和可持续发展与草地生态环境是息息相关。放牧对草地群落的稳定性有着直接影响 ‎[7] ‎[8] ，因此研究短花针茅荒漠草原的地理分布特征以及斑块的分布类型，有助于研究放牧对荒漠草原退化的表现，对草地资源的合理利用、草地生物多样性的保护和畜牧业的可持续发展具有重要作用。

充分的认识植被结构特征规律和地理分布，进而揭示生态因子与其之间的关系，是植被生态学的主要任务之一 ‎[9] 。本文基于中国植被图集(1:1000000)中记录的短花针茅荒漠草原，短花针茅荒漠草原 + 塔里木沙拐枣荒漠，短花针茅荒漠草原 + 红砂荒漠，短花针茅草原 + 珍珠猪毛菜荒漠，短花针茅荒漠草原 + 灌木亚菊荒漠，短花针茅荒漠草原 + 长芒草草原，短花针茅荒漠草原 + 戈壁针茅荒漠草原，短花针茅草原 + 米蒿、矮禾草草原等群系；应用地理信息系统(GIS10.8.1)等现代信息处理技术，绘制出短花针茅荒漠草原在中国区域的分布状况，针对放牧和降水等因素对短花针茅的影响，分析短花针茅荒漠草原植被的地理分布规律及其斑块特征。

2. 研究方法

2.1. 数据来源和分析方法

植被数据采用科学出版社2001年出版的《中国植被图集(1:1000000)》中提取出的短花针茅荒漠草原群系数据为基础，基于ArcGIS10.8.1软件的矢量数字化和数据栅格化等处理方法，对中国荒漠草原群落的空间分布格局进行统计分析及研究，主要研究内容有以下几点。

1) 对短花针茅草原在地理空间分布的位置，以及空间分布的图斑数量特征进行研究。

2) 结合放牧等人为因素和降水等自然因素对短花针茅草原的影响，对短花针茅的斑块形状、斑块边缘等进行研究，并预测短花针茅草原的演替模式。

2.2. 计算方法

以短花针茅荒漠草原植被地理空间分布图为基础，应用软件Arcgis10.8.1统计分析功能，计算短花针茅荒漠草原植被群落斑块的数量特征，对其斑块总面积积、斑块平均面积、斑块数、斑块面积变异系数、最小斑块面积、最大斑块面积、斑块形状指数和边缘密度进行计算，计算公式如下：

$S=\frac{A}{n}$ (2-1)

式中：S——短花针茅荒漠植被斑块平均面积；A——短花针茅荒漠植被总面积；n——短花针茅荒漠植被斑块数。

斑块边缘密度计算公式

$ED=\frac{E}{A}$ (2-2)

式中：ED——短花针茅荒漠植被斑块边缘密度；E——短花针茅荒漠植被斑块边缘长度；A——短花针茅荒漠植被总面积。

斑块形状指数计算公式(以正方形为参照几何形状)

$LSI=\frac{0.25E}{\sqrt{A}}$ (2-3)

式中：LSI——短花针茅荒漠斑块形状指数；E——短花针茅荒漠植被斑块边缘长度；A——短花针茅荒漠植被总面积。

3. 结果与分析

3.1. 短花针茅荒漠植被的空间分布及面积特征

如图1所示，我国现存的短花针茅荒漠植被空间分布以内蒙古自治区乌兰察布市为东界，约为115˚5'E，以新疆维吾尔自治区的喀什市为西界，约为74˚6'W；以新疆维吾尔自治区的克拉玛依市为北界，约为48˚0'N，以陕西省的宝鸡市为南界，约为36˚2'S。其中，在内蒙古境内分布的斑块数量最多。在陕西境内只有4个斑块分布。对照中国地势图(中国科学院中国植被图编辑委员会，2001)，从地形地貌上分析，现存短花针茅荒漠植被在新疆主要分布在昆仑山脉以南、博罗科努山的北缘；在内蒙古自治区，主要分布在阴山山脉北麓；在青海省、甘肃省、陕西省主要分布在黄河流域一带。其中短花针茅草原 + 塔里木沙拐枣荒漠和短花针茅草原 + 红砂荒漠分别只有1个斑块，短花针茅草原 + 长芒草草原只有2个斑块，短花针茅草原 + 珍珠猪毛菜荒漠、短花针茅草原 + 戈壁针茅草原、短花针茅草原 + 米蒿、矮禾草草原分别有3个、4个和5个斑块。

Figure 1. Geographical distribution of vegetation in the short flowered Stipa desert

图1. 短花针茅荒漠植被地理分布图

由表1可知，我国短花针茅荒漠植被的总面积约为35335.34 km²；其中，甘肃分布面积最广，分布面积约为14758.82 km²，约占我国短花针茅荒漠植被总面积的41.77%；其次是内蒙古地区，分布面积约为10046.13 km²，占比约为28.43%；再次是宁夏地区，分布面积约为7746.34 km²，占比约为21.92%；新疆与青海的分布面积较为接近，分布面积分别为3157.34 km²和3128.90 km²分别占我国短花针茅荒漠总面积的8.94%和8.85%；分布面积最小的是陕西省，分布面积为386.70 km²，占比约为1.09%。短花针茅荒漠草原群系的分布面积最广，面积为26471.00 km²，短花针茅草原 + 塔里木沙拐枣荒漠分布面积最小，仅有75.69 km²。

Table 1. Vegetation types and area distribution of short flowered Stipa desert (km2)

表1. 短花针茅荒漠植被类型和面积分布表(km²)

3.2. 短花针茅荒漠植被的斑块特征

对我国短花针茅荒漠植被的斑块特征进行计算分析，其结果如表2所示。

Table 2. Characteristics of vegetation patches in the desert of Stipa breviflora

表2. 短花针茅荒漠植被斑块特征

续表

从生物学角度分析，斑块面积大小对生态系统主要有两个方面的影响：一是对生态系统营养物质分配和内部能量的影响，二是对生态系统物种数量的影响。这是因为不同大小的斑块具有不同大小的边缘和内部的比例；相比于小斑块，大斑块边缘所占的比例小，斑块边界上的光照和温度等气候因素明显不同于斑块内部，因此面积小的斑块中生长的植物就容易在边缘上死亡，还可能引起边缘周围和边缘上的植物种子雨散布到斑块内部，进而改变斑块内部的物种组成，其植被斑块被别的植被侵占 ‎[10] 。

斑块的面积越大，斑块中的物种多样性就越丰富，面积越小，越易受到外部环境的影响。斑块的边缘由于受外部环境的影响，拥有着更多变的环境，而且斑块内部的稳定程度也由边缘长度决定。边缘的形状越紧密，越有利于保存能量、养分和生物。已有研究表明，这种边缘效应可能够影响到斑块内部几米或几公里处的生物环境和生物，而且斑块越小，其边缘效应的影响越明显 ‎[11] 。在自然发展过程中，斑块常常为不规则形状，而人为造就的斑块一般表现为规则的几何形状。

在表2中可以得出短花针茅荒漠草原群系斑块数量最多有179个斑块，而短花针茅草原 + 塔里木沙拐枣荒漠和短花针茅草原 + 红砂荒漠群系在我国分布极少，仅有一个斑块，其次短花针茅草原 + 长芒草草原、短花针茅草原 + 珍珠猪毛菜荒漠、短花针茅草原 + 戈壁针茅草原和短花针茅草原 + 米蒿、矮禾草草原群系斑块数量也不多，斑块数量分别为2、3、4和5个斑块，短花针茅草原 + 灌木亚菊荒漠群系斑块数量为32个。

短花针茅荒漠植被斑块面积最大出现在短花针茅荒漠草原中，为1066.04 km²，面积最小也出现在短花针茅荒漠草原中，为5.19 km²。平均面积最大的为短花针茅草原 + 灌木亚菊荒漠，达到了202.06 km²。其中面积变异系数最大的群系是短花针茅荒漠草原，斑块面积差别较大，面积变异系数为133.49%，受人为因素影响较大。

短花针茅草原 + 塔里木沙拐枣荒漠群系的边缘密度最大，不利于保存能量、养分和生物，短花针茅草原 + 红砂荒漠群系的斑块形状指数最小，为1.34，最为接近正方形，形状最为规整。短花针茅草原 + 塔里木沙拐枣荒漠和短花针茅草原 + 红砂荒漠群系只含有一个斑块，都分布在甘肃地区，样本较少，根据景观指数可以得到的信息较少。

综合分析可概括出我国现存短花针茅荒漠植被景观的斑块特征：小斑块多，大斑块少，斑块面积大小差别悬殊，多数斑块间的距离较大。

4. 结论

荒漠草原是草原向荒漠过渡的一类草原，是草原植被中最干旱的一类草原，极易向荒漠甚至沙漠方向演替和发展。短花针茅荒漠草原作为荒漠草原的主要植被之一，分布地域广，斑块面积小，数量众多，植被景观破碎化现象严重。斑块的边缘密度较大，容易受到外部的影响。放牧人为因素和温度水分等因素干扰较强。在全球变暖的趋势以及过度放牧的人为影响下，影响最大的是放牧强度，持续放牧会引起退化演替。在表中显示，短花针茅荒漠草原斑块数量多，形状指数较大，一般为不规则形状，面积异变系数大破碎化严重。相比其他群系，短花针茅荒漠草原斑块数量众多有179个斑块，大多数短花针茅荒漠植被都是存在于短花针茅荒漠草原群系中。

结合前人研究，可以得出短花针茅荒漠草原斑块破碎化严重是持续高强度放牧的结果，因此持续性的高强度放牧会使短花针茅草原斑块破碎化更加严重，以至于退化为其他的群系。当短花针茅草原出现退化，冷蒿是短花针茅草原退化的标志，会逐渐地取代短花针茅草原。

相较于之前的文献，本文采用新版Arcgis软件，对斑块的处理更加细致，分辨率更加清晰，统计的方面更为全面。同时还有一些不足之处需要改进，降水以及放牧对短花针茅草原都有一定程度上的影响，但是一般考虑的都是单因素的影响，很少有同时考虑两方面的共同影响。本研究对这两方面还应该有更详细的研究，更全面准确地研究短花针茅草原图斑特点。

荒漠化的迅速发展，不仅危及当地人民的生存发展，而且对我国生态安全和社会经济发展构成严重威胁。研究荒漠草原中的短花针茅草原，对恢复荒漠草原的生物多样性、促进草地生产力的增长，恢复草原生态，推动荒漠草原植被的快速恢复以及可持续发展，筑牢祖国北方生态安全屏障具有重要意义和作用。