典型草原植被蓋度與栗鈣土層厚度空間異質(zhì)性的相關(guān)性研究

李巖+尚士友+柳智鑫

摘要：采用地學(xué)統(tǒng)計方法，以西烏珠穆沁典型草原3類不同地貌的3個試驗區(qū)內(nèi)栗鈣土層厚度和植被蓋度為研究對象，探討了其空間結(jié)構(gòu)和異質(zhì)性，討論了植被蓋度與栗鈣土層厚度在空間分布上的相關(guān)關(guān)系，定量揭示了兩者空間變異和協(xié)同演變的規(guī)律。通過空間分布圖的對比，可以方便快捷地找到有沙化趨勢的區(qū)域，對這些區(qū)域加以重點保護，將有利于延緩草地的沙漠化，更為通過高光譜影像解譯代表性植被的光譜數(shù)據(jù)、實現(xiàn)對栗鈣土層厚度的監(jiān)測提供了科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：典型草原；植被蓋度；栗鈣土層厚度；空間異質(zhì)性；相關(guān)性

中圖分類號： S181 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0411-08

栗鈣土層是典型草原土壤的主要組成結(jié)構(gòu)，栗鈣土層是在自然因素和人為因素的共同作用下，經(jīng)過漫長的歷史過程協(xié)同演化而來的，具有栗色腐殖層和明顯鈣積層的地帶性土壤，其厚度在10～40 cm之間。植被蓋度指示著景觀環(huán)境因子的適宜程度，是自然環(huán)境變化和人類活動所引起的景觀過程的綜合結(jié)果，因而植被蓋度不僅是群落結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)，也是土地退化特征的一個直接主導(dǎo)性表征[1]，更是指示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)。

土壤厚度和植被蓋度都存在一定的空間異質(zhì)性，即不同的空間位置上土壤厚度和植被的蓋度存在一定的差異。盡管土壤的各類特征與植物的格局不一定是完全對應(yīng)的，但它們都呈現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性，土壤與植被的空間異質(zhì)性既作為一種原因也作為一種結(jié)果在植物群落中廣泛存在著[2-5]。

空間插值法是獲取自然地理要素空間信息的主要方法之一[6-7]。幅員遼闊的典型草原上，植被蓋度和栗鈣土層厚度數(shù)據(jù)的缺乏和不均勻，使得利用空間插值法來模擬植被蓋度和栗鈣土層厚度的空間分布成為一種必然。

本研究采用地學(xué)統(tǒng)計方法，以典型草原3類不同地貌的3個試驗區(qū)內(nèi)栗鈣土層厚度和植被蓋度為研究對象，探討了其空間結(jié)構(gòu)和異質(zhì)性，討論了植被蓋度與栗鈣土層厚度在空間分布上的相關(guān)關(guān)系，定量揭示了兩者空間變異和協(xié)同演變的規(guī)律。通過空間分布圖的對比，可以方便快捷地找到有沙化趨勢的區(qū)域，對這些區(qū)域加以重點保護，將有利于延緩草地的沙漠化。

1 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)預(yù)處理

選擇內(nèi)蒙古錫林郭勒盟巴彥高勒鎮(zhèn)南部典型草原的坡地、低山丘陵、波狀高平原3類地貌的試驗樣地為研究對象，以退化較為嚴(yán)重的區(qū)域為中心，沿梯度方向十字交叉布點，間隔距離為50 m，每個方向踏查距離為2 500 m，即每個方向設(shè)試驗樣方50個，每個樣地參與數(shù)據(jù)分析的樣方數(shù)為100個。

利用SPSS軟件進行植被蓋度和栗鈣土土層層厚度的描述性統(tǒng)計分析。3個樣地數(shù)據(jù)均通過顯著水平α=0.05的K-S檢驗，數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布。使用GS+7.0軟件，進行半方差函數(shù)擬合及地學(xué)統(tǒng)計分析[8-13]，利用ArcGIS 10.2地學(xué)統(tǒng)計分析模塊進行植被蓋度和栗鈣土層厚度的變異函數(shù)建模和空間插值。

2 植被蓋度及栗鈣土層厚度的空間異質(zhì)性研究

2.1 植被蓋度的空間異質(zhì)性研究

2.1.1 3類地貌試驗樣地植被蓋度的描述性統(tǒng)計分析 3個試驗樣地的描述性統(tǒng)計特征如表1所示。

從表1中看出3個試驗樣地植被蓋度平均值相差不多，坡地地貌樣地的植被蓋度的平均值高，是40.77%，波狀高平原地貌樣地植被蓋度的平均值居中，低山丘陵地貌樣地的植被蓋度最低，是32.99%。采樣時發(fā)現(xiàn)，雖然3個試驗樣地的地貌不同，但在3個樣地內(nèi)取樣時，均是以退化較為嚴(yán)重的區(qū)域為采樣中心點，這些區(qū)域大多是已經(jīng)沙化的風(fēng)蝕洼地，栗鈣土層厚度已經(jīng)消失，取而代之的是已經(jīng)沙化的沙土。3個樣地內(nèi)研究空間異質(zhì)性的調(diào)查區(qū)域的植被種類都在36種左右，且植被類型均以小型草本、蒿類、蔥屬、委陵菜屬為主，有很多一年生草本植物，且零星出現(xiàn)沙生灌木，如小葉錦雞兒。這說明嚴(yán)重退化區(qū)域的植被類型正在發(fā)生著轉(zhuǎn)變，以羊草、大針茅等為建群種的植被群落很多已被冷蒿群落取代，典型草原正慢慢向以一年生植物和灌木為主的荒漠化草原演變。變異系數(shù)（CV）表示隨機變量的離散程度，查閱相關(guān)研究資料，認為CV≤10%為弱變異性，10%0.05，樣本均符合正態(tài)分布。

2.1.2 3類地貌試驗樣地植被蓋度的空間異質(zhì)性分析 將3類地貌試驗樣地的植被蓋度數(shù)據(jù)進行空間結(jié)構(gòu)分析后得出，坡地地貌樣地和低山丘陵地貌樣地植被蓋度變異函數(shù)曲線的變化均符合球狀模型，波狀高平原地貌樣地可以采用高斯模型進行擬合，如表2所示。

3類地貌樣地的決定系數(shù)分別是0.66、0.71、0.60，擬合程度較好，表明該理論變異函數(shù)模型均能很好地反映植被蓋度的空間結(jié)構(gòu)特性。3類地貌試驗樣地半方差值理論擬合模型如圖1所示。3個試驗樣地植被蓋度的擬合模型決定系數(shù)在0.60～0.71之間，變異函數(shù)曲線變化不平穩(wěn)，這表明影響這3個樣地植被蓋度的各種生態(tài)過程在整個變程范圍之內(nèi)所起作用的重要程度大不相同。

從表2中可以看出，坡地地貌樣地的塊金值最大，較大的塊金方差表明在較小尺度上的某種過程不容忽視[16]，可以采取減小取樣間隔的方法來增加其空間結(jié)構(gòu)信息?；_值是半方差值隨步長增加到一個相對穩(wěn)定的水平上時對應(yīng)的半方差值[15-16]，基臺值越高，表示變量的空間異質(zhì)性越高。坡地地貌樣地的基臺值最高，達到了234.00，這說明坡地地貌樣地的植被蓋度的空間變異程度最大，這也驗證了坡地地貌樣地塊金值最大這個結(jié)果。用塊金值與基臺值之比來描述隨機因素在變量空間變異過程中所起的作用大小。低山丘陵地貌樣地比值最大，值為16.20%，波狀高平原地貌樣地最小，值為10.41%，坡地地貌樣地的值為11.50%。3個試驗樣地的C0/（C+C0）值均不高，這表明3個試驗樣地植被蓋度的空間異質(zhì)性主要是由于結(jié)構(gòu)性因素引起的，如氣候、地形、土壤類型等自然因素。偏基臺值與基臺值的比值稱之為結(jié)構(gòu)比[C/（C+C0）]。從表2中看出，3個試驗樣地的結(jié)構(gòu)比均大于75%，植被蓋度均表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性，3個試驗樣地內(nèi)植被蓋度由空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的80%以上。

變程表示了變量的空間相關(guān)性的作用范圍，變程值的大小受到采樣尺度的影響。當(dāng)某采樣點與已知點距離大于變程時，變量間不存在空間相關(guān)性[17-18]，該點的數(shù)據(jù)值無論用于內(nèi)插還是外推均是無效的，變程的大小同時也說明了植被蓋度空間連續(xù)性的好壞。在本研究中，波狀高平原地貌試驗樣地的變程最小，為100.46 m，低山丘陵地貌試驗樣地變程最大，達到604 m。究其原因，部分波狀高平原地貌樣地內(nèi)蓋起了大量的牛棚，雖未全部投入使用，但隨著載畜量的增加，牲畜的啃食和踐踏加大了對植被蓋度的干擾程度，破壞了植被蓋度的連續(xù)性。因此，3個試驗樣地植被蓋度的連續(xù)性好壞順序為低山丘陵地貌樣地要優(yōu)于坡地地貌試驗樣地，坡地地貌試驗樣地要好于波狀高平原地貌樣地。

2.1.3 3類地貌試驗樣地植被蓋度的空間分布 在植被蓋度空間變異理論及結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，利用克里金法對3個試驗研究區(qū)內(nèi)的植被蓋度進行空間插值分析?？死锝鸩逯捣ㄔ诶靡阎c賦予權(quán)重后求得未知點植被蓋度的同時，不僅考慮了實測點與預(yù)測點的距離，而且通過半變異函數(shù)的空間分析功能，充分考慮了實測點的空間分布與預(yù)測點的空間方位關(guān)系。

經(jīng)過前面的研究和數(shù)據(jù)分析可知，坡地樣地、低山丘陵樣地和波狀高平原樣地植被蓋度的最佳變異函數(shù)擬合模型分別是球狀模型、球狀模型和高斯模型，3個樣地的試驗數(shù)據(jù)均通過K-S檢驗，符合正態(tài)分布。對數(shù)據(jù)進行探索性分析后發(fā)現(xiàn)，3個樣地的植被蓋度均存在一階或二階趨勢，不滿足普通克里金插值法和簡單克里金插值法要求二階平穩(wěn)假設(shè)理論，因此選擇泛克里金插值法對3個試驗樣地內(nèi)植被蓋度進行空間插值。

經(jīng)過插值后得到3個試驗樣地植被蓋度的空間分布見圖2。

從圖2中可以看出，3個樣地中，植被蓋度均不太高，坡地地貌樣地的植被蓋度最高，這與前面對植被蓋度的描述性統(tǒng)計分析中得出的坡地地貌樣地植被蓋度均值最高這一結(jié)論一致；低山丘陵地貌樣地內(nèi)植被蓋度的連續(xù)性最好，坡地和波狀高平原地貌樣地內(nèi)植被蓋度的連續(xù)性較為接近，這與前面研究中得出的結(jié)論一致，即低山丘陵地貌樣地的變程最大，其余2個樣地的變程遠小于低山丘陵地貌樣地且其值較為接近；坡地地貌樣地的空間異質(zhì)性最高，這與該樣地基臺值最高這一結(jié)論相符。

對于坡地地貌樣地而言，東部區(qū)植被蓋度要明顯好于西部區(qū)，且整個樣地內(nèi)植被蓋度達到40%以上的區(qū)域在整個樣地內(nèi)占大部分范圍；植被蓋度在10%以下的區(qū)域主要集中在樣地的西部偏南一點，經(jīng)實地勘察后得知，該區(qū)域內(nèi)有很多沙斑，植株低矮、蓋度較低，甚至出現(xiàn)沙生植被。

對于低山丘陵地貌樣地而言，整個樣地內(nèi)植被蓋度主要在30%～40%范圍內(nèi)。樣區(qū)北部1個東南向帶狀區(qū)域的植被蓋度要明顯好于其他區(qū)域。經(jīng)實地勘察后得知，樣區(qū)的南部幾乎均為放牧場，牲畜對植被的干擾程度較大，北面大部分區(qū)域有蒙古柳生長，栗鈣土層較厚，少有風(fēng)蝕沙斑，植被蓋度較好。

對于波狀高平原地貌樣地而言，樣地內(nèi)大部分區(qū)域的植被蓋度在30%～40%。該樣地整體受到人為干擾程度較大，樣地東部有采石礦，西部有鐵路，樣地中北部蓋起大量牛棚，牲畜的啃食和踩踏對植被的破壞作用不可小覷，采樣時發(fā)現(xiàn)，樣地南部除風(fēng)蝕坑外還有個垃圾場。因此，波狀高平原地貌樣地在人為和自然等多種干擾因素影響下，樣地內(nèi)植被總蓋度不高。

為了更清晰地展示每個樣地內(nèi)植被蓋度在各個等級區(qū)間的面積分配情況，特制作餅圖見圖3。

由圖3可知，3個樣地內(nèi)大部分區(qū)域的植被蓋度均在30%～50%范圍內(nèi)，波狀高平原樣地幾乎可以達到90%；植被蓋度在60%以上的區(qū)域面積均很小，波狀高平原地貌樣地中，這部分面積僅占樣地總面積的0.032%，幾乎可以忽略不計；坡地地貌樣地內(nèi)，有接近50%區(qū)域的植被蓋度在30%～50%范圍內(nèi)；低山丘陵和波狀高平原地貌樣地有一半以上區(qū)域的植被蓋度介于30%～50%之間，其中，波狀高平原地貌樣地該范圍內(nèi)的面積幾乎達到樣地總面積的70%；植被蓋度達到50%以上的區(qū)域，面積最大的是坡地地貌樣地，最小的是波狀高平原地貌樣地；植被蓋度不到30%的區(qū)域中，面積最大的是低山丘陵地貌樣地，最小的是波狀高平原地貌樣地。

2.1.4 植被蓋度空間插值的精度評價 通過地學(xué)統(tǒng)計理論的克里金空間插值對3類地貌試驗樣地植被蓋度的預(yù)測性制圖的過程，就是通過對采樣點植被蓋度數(shù)據(jù)的計算和分析，得出各個空間位置的植被蓋度的相對距離和變異量，從而完成對未知點植被蓋度的預(yù)測[19]。

3個樣地植被蓋度克里金空間插值結(jié)果誤差分析見表3。

通過對3個試驗樣地植被蓋度的克里金插值預(yù)測值與試測值的對比分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)測3個樣地植被蓋度最大值的相對誤差介于2.18%～9.59%之間，均遠遠小于預(yù)測最小值的相對誤差，因此，3個樣地中對植被蓋度高值區(qū)的估計要好于對低值區(qū)的估計；除低山丘陵樣地外，其他2個樣地植被蓋度的預(yù)測均值都低于實測值；3個樣地植被蓋度均值的相對誤差介于3.48%～8.49%之間，坡地樣地植被蓋度均值的預(yù)測相對誤差最小，為3.48%，波狀高平原樣地植被蓋度均值的相對誤差最大，為8.49%。

本研究針對3類不同地貌試驗樣地做的植被蓋度預(yù)測結(jié)果與實際情況基本相符，其相對誤差可以滿足本研究的要求。

2.2 栗鈣土層厚度的空間異質(zhì)性研究

2.2.1 3類地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的描述性統(tǒng)計分析 3個試驗樣地栗鈣土層厚度的描述性統(tǒng)計特征如表4所示。從表4可看出，3個試驗樣地的栗鈣土層厚度的均值都不高，最高的坡地試驗樣地的栗鈣土層厚度均值也只有10.93 cm，最薄的是低山丘陵試驗樣地，只有5.91 cm。3個試驗樣地的變異系數(shù)分別為85.32%、144.50%和9.58%，坡地試驗樣地和低山丘陵試驗樣地的栗鈣土層厚度達到強變異程度，波狀高平原試驗樣地的栗鈣土層厚度的變異屬于弱變異范圍。采樣時發(fā)現(xiàn)，3個試驗樣地內(nèi)，均有栗鈣土層厚度為0的區(qū)域存在，這些區(qū)域已經(jīng)完全被沙化，如果得不到有效控制，風(fēng)蝕沙坑的面積將會繼續(xù)擴大。坡地樣地的坡頂多為裸露的地表，沒有栗鈣土層，只有沙土和大小不一的碎石，但坡中段及坡底段栗鈣土土層較厚，局部地區(qū)可達到50～60 cm。低山丘陵地貌試驗樣地內(nèi)，多年前有大量牧民居住地，因此對栗鈣土層和植被的干擾較大。結(jié)合前面植被蓋度的分析研究也可以看出，經(jīng)過多年的禁牧，植被可以慢慢得到恢復(fù)，但遭到破壞的栗鈣土層卻很難在短時間內(nèi)恢復(fù)。3類不同地貌試驗樣地栗鈣土層厚度試驗數(shù)據(jù)的偏度均為正值，表明試驗數(shù)據(jù)在右側(cè)更為分散。坡地試驗樣地和低山丘陵試驗樣地的峰度值均大于0，表明其栗鈣土層厚度分布均呈現(xiàn)尖峰態(tài)，波狀高平原試驗樣地的峰值小于0，表明其栗鈣土層厚度分布均呈現(xiàn)平峰態(tài)，利用K-S對樣本進行正態(tài)性檢驗，坡地地貌試驗樣地數(shù)據(jù)為近似正態(tài)，其他2個試驗樣地為偏態(tài)。

2.2.2 3類地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的空間異質(zhì)性分析 通過對3類不同地貌試驗樣地的栗鈣土層厚度數(shù)據(jù)進行空間結(jié)構(gòu)分析后得出（表5），坡地地貌樣地和低山丘陵地貌樣地栗鈣土層厚度變異函數(shù)曲線的變化符合球狀模型，波狀高平原地貌樣地栗鈣土層厚度變異函數(shù)曲線的變化符合指數(shù)模型。決定系數(shù)分別是0.78、0.87、0.93，擬合程度較高，表明該理論變異函數(shù)模型能很好地反映栗鈣土層厚度的空間結(jié)構(gòu)特性。3類地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的半方差值理論擬合模型如圖4所示。

從圖4中可以看出，3類不同地貌類型試驗樣地中，波狀高平原試驗樣地栗鈣土層厚度的變異函數(shù)曲線變化幅度不大，較為平緩，說明在整個尺度上各種生態(tài)過程所起作用均不可忽視；坡地地貌樣地和低山丘陵地貌樣地的栗鈣土層厚度的變異函數(shù)曲線起伏較大，表明影響這2個樣地栗鈣土層厚度的各種生態(tài)過程在整個變程范圍之內(nèi)所起的作用重要程度大不相同。

表5中列出了3個試驗樣地栗鈣土層厚度的理論擬合模型和半方差分析的各個參數(shù)?？梢钥闯?，波狀高平原地貌樣地的塊金值最大，低山丘陵地貌樣地的塊金值最小；塊金值與基臺值的比值用來描述隨機因素在變量空間變異中所起作用的大小，波狀高平原地貌樣地比值最大，值為19.25%，低山丘陵地貌樣地最小，值為0.79%，坡地地貌樣地的值居中；3類地貌試驗樣地的結(jié)構(gòu)比[C/（C+C0）]均大于75%，栗鈣土層厚度均表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性。低山丘陵地貌樣地內(nèi)栗鈣土層厚度的空間相關(guān)性最強，其空間異質(zhì)性絕大部分來自自相關(guān)部分，比值已高達99.21%。以上3個參數(shù)同時說明了一個問題，在波狀高平原地貌樣地內(nèi)，隨機因素在栗鈣土層厚度的變異化過程中起到了重要作用；低山丘陵地貌樣地的栗鈣土層雖然已遭到居民、牲畜等因素的干擾，但經(jīng)過多年的遠離居民和牲畜的休養(yǎng)生息，結(jié)構(gòu)因素（如氣候、風(fēng)蝕、土壤類型等）的干擾在其異質(zhì)化過程中已經(jīng)起主要作用。較大的塊金方差表明：在50 m的采樣間距上，某種過程不容忽視，可以采用縮小取樣間隔距離的方法以豐富其空間結(jié)構(gòu)信息。

波狀高平原地貌樣地的基臺值最高，達到了124.70，這說明波狀高平原地貌樣地的栗鈣土層厚度的空間變異程度最大，這也驗證了波狀高平原地貌樣地塊金值最大這個結(jié)果。

變程的大小不僅給出了變量的空間相關(guān)性有效范圍，同時也說明了栗鈣土層厚度空間連續(xù)性的好壞。在本研究中，波狀高平原地貌試驗樣地的變程最大，達到864.00 m，坡地地貌試驗樣地變程最小，為341.00 m。因此，3類地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的連續(xù)性好壞順序為波狀高平原地貌樣地>低山丘陵地貌樣地>坡地地貌試驗樣地。變程可以用來指導(dǎo)采樣間距設(shè)計是否有效，一般的研究認為在塊金效應(yīng)不大時，可以將變異函數(shù)變程的 1/2 作為采樣間距的上限[20]。因此，對于低山丘陵地貌樣地，塊金值僅為0.70，可以將采樣距離放大至282.5 m，作為采集栗鈣土層厚度數(shù)據(jù)時取樣間隔的上限值。

2.2.3 3類地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的空間分布 在栗鈣土層厚度空間變異理論及結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，利用克里金法對3個試驗研究區(qū)內(nèi)的栗鈣土層厚度進行空間插值分析。

經(jīng)過前面的研究和數(shù)據(jù)分析可知，坡地、低山丘陵和波狀高平原3個試驗樣地內(nèi)栗鈣土層厚度的最佳變異函數(shù)擬合模型分別是球狀模型、球狀模型和指數(shù)模型，數(shù)據(jù)經(jīng)變換后通過K-S檢驗，符合正態(tài)分布，對數(shù)據(jù)進行探索性分析后發(fā)現(xiàn)，3個樣地的栗鈣土層厚度亦均存在一階或二階趨勢，不滿足普通克里金插值法和簡單克里金插值法要求二階平穩(wěn)假設(shè)理論，因此選擇泛克里金插值法對3個試驗樣地內(nèi)栗鈣土層厚度進行空間插值。

經(jīng)過插值后得到3個試驗樣地栗鈣土層厚度的空間分布如圖5所示。

從圖5可以看出，3個樣地中，栗鈣土層厚度均較薄，低山丘陵地貌樣地的栗鈣土層厚度最薄，這與前面對栗鈣土層厚度的描述性統(tǒng)計分析中得出的低山丘陵地貌樣地栗鈣土層厚度均值最小這一結(jié)論一致；波狀高平原地貌樣地的空間異質(zhì)性最高，這與該樣地基臺值最高這一結(jié)論相符。

對于坡地地貌樣地而言，東北-西南走向帶狀分布的栗鈣土層較其他區(qū)域略厚，整個樣地內(nèi)栗鈣土層厚度在10～20 cm 范圍內(nèi)的區(qū)域約占整個樣地的50%左右；栗鈣土層厚度在5 cm以下的區(qū)域主要集中在樣地的西部偏南一點。

低山丘陵地貌樣地內(nèi)栗鈣土層較厚的區(qū)域位于試驗樣地的東北部，呈帶狀分布，而中部和西南部的栗鈣土層厚度較薄。

波狀高平原地貌樣地內(nèi)有50%以上區(qū)域的栗鈣土層厚度在10～20 cm范圍內(nèi)。樣地東部的采石礦，西部的鐵路運輸線、中北部大量的牛棚和日益增加的載畜量等因素均對該樣地的栗鈣土厚度產(chǎn)生了較大的干擾。

為了更清晰展示每個樣地內(nèi)栗鈣土層厚度在各個等級區(qū)間的面積分配情況，特制作餅圖見圖6。

由圖6可以看出，3個樣地栗鈣土層厚度均很?。?個樣地內(nèi)沙地面積比例均不太大，最小的是波狀高平原樣地，僅為0.227%，最大的是低山丘陵樣地，也只有3.158%；坡地地貌試驗樣地內(nèi)栗鈣土層厚度主要集中在10～20 cm，這部分面積占到樣地總面積的53.055%；低山丘陵地貌試驗樣地內(nèi)，除了沙地和栗鈣土層厚度大于20 cm這2部分面積外，其他各等級區(qū)間多占的面積比例差距不大；波狀高平原地貌試驗樣地內(nèi)大部分區(qū)域內(nèi)栗鈣土層厚度在10 cm以上，約占到總面積的75%，其中在10～20 cm范圍內(nèi)的面積比例占該樣地總面積的61.421%。3個樣地中，栗鈣土層厚度大于20 cm的面積比例均很小，最大的是波狀高平原地貌試驗樣地，也僅占樣地總面積的13.200%。

2.2.4 栗鈣土層厚度空間插值的精度評價 3個試驗樣地栗鈣土層厚度克里金空間插值結(jié)果誤差分析如表6所示。

通過對3個試驗樣地栗鈣土層厚度的克里金插值預(yù)測值與實測值的對比分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)測3個樣地栗鈣土層厚度最小值的相對誤差雖均為100%，但由于其實測值均為0，因此該相對誤差對結(jié)果不產(chǎn)生影響，但對低山丘陵樣地栗鈣土層厚度的預(yù)測中丟失的低值區(qū)信息較多；預(yù)測3個樣地栗鈣土層厚度最大值的相對誤差介于0.03%～1.02%之間，與實測值非常接近，因此，3個樣地中對植被蓋度高值區(qū)的估計要遠遠好于對低值區(qū)的估計；3個樣地栗鈣土層厚度的預(yù)測均值都高于實測值；3個樣地栗鈣土層厚度均值的相對誤差介于 6.20%～16.44%之間，坡地樣地栗鈣土層厚度均值的預(yù)測相對誤差最小為6.20%，波狀高平原樣地植被蓋度均值的相對誤差最大為16.44%。

采樣點與預(yù)測點間距離的大小、采樣點數(shù)目多少以及采樣點的分布情況之間都影響其預(yù)測值的大小，采樣點與預(yù)測點的距離越近，采樣點數(shù)目越多，則預(yù)測結(jié)果的相對誤差越小，精度就越高[20-21]。不論是植被蓋度還是栗鈣土層厚度，波狀高平原樣地的預(yù)測相對誤差均大于其他2個樣地，在以后的研究過程中，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾硬蓸狱c的數(shù)目，并盡可能使其均勻分布，可以減少預(yù)測的相對誤差[20-21]。

本研究針對3類不同地貌試驗樣地做的栗鈣土層厚度預(yù)測結(jié)果與實際情況基本相符，其相對誤差可以滿足本研究的要求。

2.3 植被蓋度與栗鈣土層厚度空間分布對比研究

為了更直觀地了解植被蓋度與栗鈣土層厚度的相關(guān)性，將3個試驗樣地植被蓋度與栗鈣土層厚度空間分布進行對比。

從圖7至圖9中可以看出，坡地樣地和低山丘陵樣地內(nèi)植被蓋度與該樣地栗鈣土層厚度間的相關(guān)性是比較顯著的，植被蓋度較大區(qū)域栗鈣土層厚度也較厚。坡地樣地栗鈣土層厚度在5 cm以下的區(qū)域主要集中在樣地的西部偏南一點，與該樣地內(nèi)植被蓋度在10%以下的區(qū)域位置一致，東北部植被蓋度在50%的區(qū)域內(nèi)，栗鈣土層厚度也較深，可以達到20 cm；低山丘陵地貌樣地內(nèi)栗鈣土層較厚的區(qū)域位于試驗樣地的東北部，呈帶狀分布，這與該樣地內(nèi)植被蓋度在40%以上區(qū)域位置一致，中西部植被蓋度和栗鈣土層厚度均較薄。植被蓋度與該樣地栗鈣土層厚度的空間分布表現(xiàn)出了較強的一致性。這是因為較大的植被覆蓋度不僅可以為土壤保留較多的水分，同時也減少了下面土壤水分的蒸發(fā)，減緩甚至是防止了植被下土壤的風(fēng)蝕風(fēng)化。采樣時發(fā)現(xiàn)，坡地樣地西南部幾乎均為放牧場，區(qū)域內(nèi)有很多小型沙斑，土壤已完全沙化，植株低矮、蓋度較低，沙生植被已經(jīng)出現(xiàn)。低山丘陵樣地中南部牲畜對植被的干擾程度較大，北面大部分區(qū)域有蒙古柳生長，栗鈣土層較厚，少有風(fēng)蝕沙斑，植被蓋度亦較好。

對比波狀高平原樣地植被蓋度克里金插值圖像，可發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)植被蓋度和栗鈣土層厚度分布間除極小范圍內(nèi)略顯一致性外，幾乎沒有表現(xiàn)出兩者間的相關(guān)性，大部分區(qū)域的栗鈣土層厚度介于10～20 cm之間，植被蓋度卻主要集中在30%～40%之內(nèi)。這個結(jié)果與該樣地內(nèi)植被受到較大人為干擾密不可分。該樣地的中北部蓋起大量的牛棚，隨著載畜量的增加，牲畜對植被的踐踏和啃食強度隨之增強，植被遭到破壞。西面鐵路線和東北的采石礦也對周邊的植被和栗鈣土層造成了較大程度的影響。但由此也可以看出，植被是探測草原環(huán)境改變中最敏感的因素，在同樣的干擾因素影響下，植被蓋度對環(huán)境作用的反應(yīng)速度要快于栗鈣土層厚度。因此，在周邊干擾因素的持續(xù)作用下，植被蓋度不僅是群落結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)，也是土地退化特征的一個直接的主導(dǎo)性表征，更是指示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)。

3 結(jié)論

本研究采用傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)和地學(xué)統(tǒng)計相結(jié)合的方法，以典型草原3類典型地貌的試驗樣地內(nèi)的植被蓋度和栗鈣土層厚度為研究對象，利用半方差函數(shù)討論了其空間結(jié)構(gòu)，研究了其空間異質(zhì)性及各向異性，最后通過ArcGIS 10.2地學(xué)統(tǒng)計分析模塊，采用克里金插值法對植被蓋度和栗鈣土層厚度的變異函數(shù)進行了建模和空間插值，討論了其空間分布情況，并對3個試驗樣地的植被蓋度和栗鈣土層厚度空間插值的精度進行了評價。通過以上研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）3類地貌試驗樣地的植被蓋度均值較為接近，在 32.99～40.77 cm之間。其變異系數(shù)CV值均小于10%，屬于弱變異性范圍。

（2）坡地地貌試驗樣地、低山丘陵地貌試驗樣地、波狀高平原地貌試驗樣地植被蓋度的變異函數(shù)曲線分別可用球狀函數(shù)、球狀函數(shù)和高斯函數(shù)來擬合，決定系數(shù)分別是0.66、0.71和0.60；坡地樣地植被蓋度的塊金值和基臺值均是3個樣地中最高的，這說明了該樣地植被蓋度的空間變異程度最大，可以采取減小取樣間隔的方法來增加其空間結(jié)構(gòu)信息；C0/（C+C0） 值的大小順序是低山丘陵樣地>坡地樣地>波狀高平原樣地，因此，隨機因素在3個樣地植被蓋度的空間變異中所起的作用大小順序同上；3類不同地貌試驗樣地的結(jié)構(gòu)比 [C/（C+C0）] 均大于75%，植被蓋度均表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性，且由空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性占到總空間異質(zhì)性的80%以上；3個試驗樣地中植被蓋度連續(xù)性最好的是低山丘陵地貌樣地，其次是坡地地貌試驗樣地，最后是波狀高平原地貌樣地。

（3）坡地地貌試驗樣地和波狀高平原地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的均值較為接近，分別是10.93 cm和10.47 cm，低山丘陵地貌試驗樣地的栗鈣土層厚度均值最小，僅為 5.91 cm。坡地地貌試驗樣地和低山丘陵地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的變異系數(shù)CV均大于75%，屬于強變異范圍，波狀高平原地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的變異系數(shù)CV小于10%，屬于弱變異范圍。

（4）坡地和低山丘陵地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的變異函數(shù)曲線可用球狀函數(shù)來擬合，波狀高平原地貌試驗樣地栗鈣土層厚度的變異函數(shù)曲線的最佳擬合模型是指數(shù)函數(shù)，決定系數(shù)分別是0.78、0.87和0.93；波狀高平原地貌栗鈣土層厚度的塊金值和基臺值均是3個樣地中最高的，這說明了該樣地栗鈣土層厚度的空間變異程度最大，可以采用降低取樣間隔距離的方法以豐富其空間結(jié)構(gòu)信息；C0/（C+C0）值的大小順序是：波狀高平原樣地>坡地樣地>低山丘陵樣地，因此，隨機因素在3個樣地栗鈣土層厚度的空間變異中所起的作用的大小順序同上；3類不同地貌的試驗樣地的結(jié)構(gòu)比[C/（C+C0）]均大于75%，栗鈣土層厚度均表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性，且由空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性占到總空間異質(zhì)性的80%以上；3個試驗樣地中栗鈣土層厚度連續(xù)性最好的是波狀高平原地貌樣地，其次是低山丘陵地貌試驗樣地，最后是坡地地貌樣地。

（5）3類地貌試驗樣地的植被蓋度和栗鈣土層厚度均表現(xiàn)出了各向異性，各向同性不顯著，空間分布格局較為復(fù)雜。

（6）通過對3個樣地植被蓋度的定量研究發(fā)現(xiàn)，3個樣地內(nèi)大部分區(qū)域的植被蓋度均在30%～50%范圍內(nèi)，波狀高平原樣地幾乎可以達到90%；植被蓋度在60%以上的區(qū)域面積均很小，波狀高平原地貌樣地中，這部分面積僅占樣地總面積的0.032%，幾乎可以忽略不計；坡地地貌樣地內(nèi)，有接近50%區(qū)域的植被蓋度在30%～50%范圍內(nèi)；低山丘陵和波狀高平原地貌樣地有一半以上區(qū)域的植被蓋度介于30%～50%之間，其中，波狀高平原地貌樣地該范圍內(nèi)的面積幾乎達到樣地總面積的70%；植被蓋度達到50%以上的區(qū)域，面積最大的是坡地地貌樣地，最小的是波狀高平原地貌樣地；植被蓋度不到30%的區(qū)域中，面積最大的是低山丘陵地貌樣地，最小的是波狀高平原地貌樣地。