基于小波变换的武夷山自然保护区NDVI与地形因子多尺度空间相关分析

以武夷山自然保护区为研究区域,用海拔、坡度、坡向和NDVI作为地形和植被景观变量,研究了地形-植被关系的尺度依赖性问题;利用小波分析工具,分别构建地形、植被因子在不同尺度上的小波方差图,然后利用小波系数计算NDVI和地形因子相关性.结果表明:武夷山自然保护区内NDVI及其地形因子均存在至少2个清晰的尺度结构,并且均是较大尺度上的小波方差更大,地形-植被二者存在的较小尺度区间比较一致,而较大的尺度区间略有差异;地形因子在中高尺度上与NDVI的相关性更强,反映了地形因子作为大的宏观制约因素对NDVI起作用;坡度和坡向与NDVI的相关性随尺度变化规律复杂并且波动性非常大.本研究有助于揭示自然保护区境内地形.植被多尺度复杂相关关系,同时也表明小波分析为揭示自然要素的多尺度空间结构提供了强有力的工具.     

基于小波变换的NDVI与地形因子多尺度空间相关分析

以西藏高原生态系统的NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）及其地形影响因子为分析对象,使用小波变换揭示了其多尺度空间格局。通过小波方差尺度图可以辨识出,在研究区域内NDVI及其地形因子存在着4、12km和25km等多尺度变异格局。小波多尺度相关分析是对普通相关的一种拓展,使用小波系数分尺度计算了NDVI及其影响因素的相关系数,并与普通相关进行了比较。结果表明,4种地形因子（海拔高度、坡度、坡向和CTI）不论是正相关还是负相关,在较小尺度上与NDVI的相关系数都比较小,一般情况是尺度增大,相关性增大。这反映了地形因子作为大的宏观制约因素对NDVI起作用。实践证明,小波分析对于揭示自然要素的多尺度空间结构和各向异性是一种强有力的工具。     

秦岭南坡红桦林土壤有机碳密度影响因素

以秦岭南坡红桦林为研究对象,利用标准地调查法获得林分、地形、土壤相关数据,分析红桦林土壤有机碳密度(SOCD)分异特征及其与林分因子和地形因子间的关系。结果表明:秦岭南坡红桦林土壤有机碳密度总体均值为(69.02±12.90)t/hm2,原始红桦林土壤有机碳密度均值为(76.21±10.83)t/hm2,次生红桦林为(65.24±12.32)t/hm2,原始红桦林土壤有机碳密度比次生红桦林高16.81%,t-检验结果显示两者存在显著差异;在不同林区间,红桦林土壤有机碳密度亦存在显著差异(P0.05)。从地形因子看,红桦林土壤有机碳密度在不同坡位和坡向间未表现出显著差异,而海拔和坡度对红桦林土壤有机碳密度有较为显著的影响。土壤有机碳密度与海拔、林龄、乔木生物量和草本生物量呈显著正相关,与坡度和林分密度呈显著负相关;主成分分析表明:特征值大于1的四个主成分对土壤有机碳密度的方差累积贡献率为85.62%,海拔、坡度、林分密度和郁闭度是影响秦岭南坡红桦林土壤有机碳密度的主要因子;通过逐步回归分析得到利用海拔、坡度、林龄、林分密度、乔木生物量和草本生物量估算红桦林土壤有机碳密度的模型:SOCD=0.015E-0.332G-0.026FD+0.304SA+0.105BA+21.673BH+36.358。     

广东山区土壤有机碳空间变异的尺度效应

研究土壤有机碳的尺度效应能够为区域生态环境保护和确定合理的土壤取样间距提供科学依据。采用土壤类型法估算了广东山区表层(0-20 cm)和全剖面(0-100 cm)土壤有机碳密度,选择4条采样带,获取采样间距为250 m的土壤有机碳密度序列,并利用离散小波变换工具对其进行多尺度分解,得到2×250 m、2²×250 m、2³×250 m、2⁴×250 m、2⁵×250 m和2⁶×250 m 6个分解尺度上的小波信息,计算小波信息方差。结果表明:土壤有机碳密度具有较强的空间异质性,其空间异质性的大小受控于不同尺度下土壤有机碳密度分布格局的主导因子影响程度;整体上在大于等于1 km的尺度,其空间异质性较强;各个样带特征尺度的差异与各样带的土壤和植被类型、地貌特征以及土地利用方式、耕作管理方式等人类活动干扰强度有关。     

土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应——以陕北黄土丘陵沟壑区为例

土壤表层有机碳对土地利用和环境因子的变化非常敏感,并具有尺度变异特征。研究不同尺度上表层土壤有机碳的空间分布及其与土地利用与环境因子的关系对于评价黄土丘陵沟壑区表层土壤有机碳状况具有重要意义。选择黄土丘陵沟壑区安塞集水区和集水区内典型小流域——沐浴小流域作为研究区,探讨两个尺度上,表层土壤有机碳的分布特征及其与土地利用、环境因子的关系。结果表明:(1)土地利用方式对有机碳的影响在不同尺度上差异明显,对于不同利用方式下的有机碳含量,沐浴小流域从高到低依次是荒草地林地灌木林地耕地,安塞集水区则依次为林地灌木林地耕地荒草地;(2)对于不同利用方式下的土壤有机碳密度,沐浴小流域从高到低依次是荒草地林地耕地灌木林地,安塞集水区则是林地耕地荒草地灌木林地;(3)在沐浴小流域和安塞集水区两个尺度上,坡向、坡度和植被盖度均与有机碳含量和有机碳密度正相关,而相对海拔、土地利用与有机碳密度负相关;(4)在小流域尺度上,海拔高度、坡位、土地利用与有机碳含量负相关,坡位与有机碳密度负相关,但是在集水区尺度上,相关性则与此相反。     

1998—2017年祁连山南坡不同海拔、坡度和坡向生长季NDVI变化及其与气象因子的关系

祁连山是我国西北地区重要的水源涵养保护区,是我国地形第一、二阶梯分界线,对气候变化极其敏感。基于气温、降水量和归一化植被指数(NDVI)数据,使用趋势分析、小波分析和相关分析方法,结合数字高程模型(DEM)数据,从海拔、坡度和坡向的角度探讨祁连山南坡NDVI变化及其与气温和降水的关系。结果表明: 1998—2017年,祁连山南坡生长季NDVI整体呈增长趋势,增长趋势为0.023·10 a^-1。NDVI值在不同海拔、坡度和坡向上的变化存在差异性,NDVI值随海拔的升高呈先增后降趋势,海拔2700～3700 m区域的植被覆盖状况较好,＞4700 m区域的植被出现退化现象;NDVI值随坡度增加呈降低态势;NDVI值在坡向上的差异较小,但阳坡的植被覆盖状况好于阴坡。生长季NDVI与气温、降水的关系密切,生长季NDVI、气温、降水均具有14年的变化周期,而不同海拔、坡度、坡向的植被受到气温和降水的影响不同,海拔＜3700 m、＞4700 m区域、坡度＜25°区域和各坡向区域的植被均易受降水影响。     

庐山不同海拔森林土壤有机碳密度及分布特征

为阐明地处中亚热带北部的庐山森林土壤有机碳沿海拔梯度的分布特征,2010年7—8月,分别在庐山的南、北坡按200 m的高差选择6个和5个不同海拔采样点,分层(0~10、10~20、20~30、30~40和>40 cm)采集土样,测定土壤容重、有机碳含量及有机碳密度.结果表明:海拔和坡向显著影响森林土壤有机碳密度.在北坡,随海拔升高,土壤有机碳呈逐渐增加趋势,土壤有机碳含量与土壤容重和pH值呈显著负相关关系;在南坡则没有明显规律.随土层加深,土壤有机碳逐渐下降.北坡和南坡土壤有机碳密度分别为7.07~10.34 kg.m-2和6.03~12.89 kg.m-2.南坡土壤有机碳密度随海拔梯度和土层深度变化的变异性较大,原始植被的破坏和人工林的建立可能是影响土壤有机碳空间分布的重要因素之一.     

基于空间小波变换的生态地理界线识别与定位

为了提高生态地理分界线识别和定位的客观性,探讨了通过空间小波变换获取多尺度模极大值定位过渡带的方法.以NDVI和降水作为小波多尺度分解的对象,应用db3小波核函数分别对49条样带的模极大值进行了多尺度检测,并在GIS中确定其地理坐标.研究结果表明:识别半干旱半湿润生态地理分界线的最佳空间尺度为20～40 km,小于这一尺度定位过程容易受到局部地表覆被因素如城市区域或地形的影响,大于这一尺度由于要素被过度平滑,造成定位不准;从定位点的聚集度分析,NDVI的定位效果好于降水,特别是在较大空间尺度上.而与综合自然地理区划方案中的半干旱半湿润分界线比较,从定位点的方向性、平均最短距离以及均衡度三项指标综合判断,小波变换对于降水过渡带的定位优于对NDVI的定位.研究证实,空间小变换与GIS结合是提高生态地理分界线识别与定位科学性的重要途径,是对专家系统划分界线方法的有力补充和完善.     

利用1:5万土壤数据库估算浙江省土壤有机碳密度及储量

土壤有机碳库作为陆地生态系统中重要的碳库之一,对于温室效应和全球变化研究具有重要意义.利用浙江省1:5万土壤数据库,对浙江省277个土种0～100cm土层的有机碳密度进行估算,分析了全省土壤有机碳密度和储量,以及各主要土壤类型有机碳密度和分布.结果表明:浙江省土壤有机碳密度值主要集中在5～10kg·m-2;山香灰土有机碳密度最高,为52.80kg·m-2,清水砂最低,为1.82kg·m-2;红壤和水稻土土类土壤有机碳储量最大,两者之和占浙江省土壤有机碳总储量的63.8%;浙江省土壤总面积为100784.19km2,土壤有机碳储量为875.42×106t,土壤有机碳平均密度为8.69kg·m-2.通过叠加数字高程模型分析,发现土壤有机碳密度随高程、坡度和坡向的变化均呈现明显的变化趋势.     

地形因子对森林景观格局多尺度效应分析

以TM影像和野外调查为数据源,3S技术为研究手段,分析了泰山的森林景观结构动态变化以及景观格局沿高程的分异。选择相对高差较大的区域设计了8个地形方位,采用3种由连续样方组成的辐射状样带,在遥感影像上进行信息采集,研究地形对森林景观格局的多尺度效应,分析了不同地形因子对森林景观分异的影响。结果表明,在景观尺度上,地形方位、海拔、山地类型是影响森林景观镶嵌格局的控制因素,坡向、坡度是重要因素,坡形、坡位是不明显因素。以TM影像为信息源,从森林景观分异和梯度分析上,首先要考虑海拔坡向指数、坡形坡位指数和海拔,并立足于地形方位。地形主要因子间存在着稳定的显著正相关,为森林分异多尺度格局提供了较强的综合解释能力。     

Spatial relationships between NDVI and topographic factors at multiple scales in a watershed of the Minjiang River,China

Improvement in vegetation cover in the upper reaches of the Minjiang River protects major freshwater sources and constructs ecological barriers in the upstream of Yangtze River located in southwest China. However, the spatially varying relationships between normalized difference vegetation index (NDVI) and topographic factors at multiple scales remain unclear. In this study, the two-dimensional discrete wavelet transform (2D-DWT) and geographically weighted regression (GWR) were combined to build a framework for examining the complex spatial relationships between NDVI and topographic factors at multiple scales. Based on the gridded datasets of NDVI and digital elevation model (DEM) of a small watershed located in the upper reaches of the Minjiang River situated in southwest China, the influence of topographic factors on NDVI variation in each grid and which topographic variables correlated most with the NDVI at each location were analyzed in this study. The grid data were decomposed into smooth and detail components using 2D-DWT. The results revealed that elevation, slope, and aspect exhibited different scale effects on NDVI in different wavelet components. In the smooth components, the spatial correlation of NDVI with elevation, slope, and south-facing index (SFI) of aspect increased with the decomposition scale, whereas topographic factors had different degrees of influence on NDVI. Elevation was found to be the most important topographic factor that determined the spatial distribution of NDVI on both sides of the valley, and SFI exhibited the highest effect on NDVI when elevation was higher than 2500 m. In the detail components, the spatial distribution of the most important topographic factor affecting the NDVI was not evident at a smaller scale, whereas it became obvious at 480 m scale. SFI was found to be more important than elevation and slope at a larger scale. These results will help in understanding the complex relationship between NDVI and topographic factors and determining the appropriate topographic location for ecological restoration.     

黄河三角洲植被指数与地形要素的多尺度分析

结合地理信息系统和遥感技术, 研究了黄河三角洲植被指数NDVI与一系列地形要素间的尺度依赖关系, 从而检验在较大尺度上滨海生态系统植被分布格局是否存在水分再分配的调控作用。结果表明: 1)NDVI值在4种主要群落类型间差异显著, 这种显著差异是由滨海盐生植物的生境特点决定的; 2)地表高程在所有的10个粒度尺度上均与NDVI相关关系显著, 这种显著关系在小尺度上与地下水埋深有关, 而在大尺度上可能参与水分再分配过程; 3)在750 m粒度尺度附近存在水分再分配的调控作用, 在该尺度附近地形湿润度指数(TWI)和坡度与NDVI相关达到极显著, 而且其Moran’sI指数突然增大。黄河三角洲的植被地形关系表现为不同尺度上对土壤水分和盐分的调控, 在小尺度上地形因素通过土壤表面蒸发过程影响土壤水分与盐分, 而在大尺度上地形因素主要通过地表径流对土壤水分与盐分进行再分配。     

利用1∶5万土壤数据库估算浙江省土壤有机碳密度及储量

土壤有机碳库作为陆地生态系统中重要的碳库之一,对于温室效应和全球变化研究具有重要意义.利用浙江省1∶5万土壤数据库,对浙江省277个土种0～100 cm土层的有机碳密度进行估算,分析了全省土壤有机碳密度和储量,以及各主要土壤类型有机碳密度和分布.结果表明： 浙江省土壤有机碳密度值主要集中在5～10 kg·m^-2;山香灰土有机碳密度最高,为52.80 kg·m^-2,清水砂最低,为1.82 kg·m^-2;红壤和水稻土土类土壤有机碳储量最大,两者之和占浙江省土壤有机碳总储量的63.8%;浙江省土壤总面积为100784.19 km²,土壤有机碳储量为875.42×10⁶ t,土壤有机碳平均密度为8.69 kg·m^-2.通过叠加数字高程模型分析,发现土壤有机碳密度随高程、坡度和坡向的变化均呈现明显的变化趋势.     

澜沧江中游山地不同土地利用对土壤有机碳的影响及预测

基于2011年实地采集的210个表层（0～20 cm）土壤样本,研究了澜沧江中游山地4种典型土地利用类型土壤有机碳含量的空间分布差异.利用相关性分析研究土壤有机碳含量与土地利用类型、地形因子、归一化植被指数之间的关系,采用多元线性回归模型和克里格插值模型预测澜沧江中游山地有机碳含量分布.结果表明： 研究区4种土地利用类型表层土壤有机碳含量的大小依次为：林地>灌丛>草地>农田.土地利用类型、坡向、坡度和平面曲率均是影响土壤有机碳含量的重要因素.多元回归模型比地统计学模型对山地生态系统土壤有机碳的预测效果更好.     

黄土高原盆地土壤有机质与影响因子的空间多尺度关系

不同影响因子对土壤有机质含量的影响存在尺度依赖性。以太原盆地土壤有机质为研究对象,于盆地上、中、下部分别设置采样带,应用多元经验模态分解(multivariate empirical mode decomposition,MEMD),分析了盆地内不同部位土壤有机质与影响因子(高程、坡度、地形湿度指数、土壤容重、砂粒、壤粒、黏粒和光谱主份等)在表征尺度的相关性,并预测了采样尺度上土壤有机质含量,旨在研究黄土高原盆地区内土壤有机质与相关因子的空间多尺度关系。研究结果表明:(1)利用MEMD法可将盆地内不同部位处的土壤有机质空间序列分解为不同表征尺度,盆地上、中和下部的表征尺度分别为6、8和7个。研究区域内,尺度约1000 m处是土壤有机质的主要表征尺度,且盆地内垂直河流方向的有机质序列主要表征尺度沿河流方向表现分散。(2)土壤有机质和影响因子的空间多尺度关系表明,高程与土壤有机质的关系主要表现在大尺度,而坡度、地形湿度指数与盆地中、下部土壤有机质的关系较明显。土壤容重与有机质在不同位置的不同表征尺度存在显著差异。土壤质地中,壤粒含量与有机质的多尺度关系最为明显。光谱主份1在全部样带中所有表征尺度上均与有机质显著相关。(3)采用MEMD法对有机质的预测精度高于基于原始数据的逐步多元回归结果。综上,研究结果可为黄土高原盆地区内土壤数字制图、土壤田块的合理设计与有机质的精确预测提供理论依据。     

Spatial scaling of ecosystem C and N in a subtropical savanna landscape

Widely occurred woody encroachment in grass‐dominated ecosystems has the potential to influence soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) pools at local, regional, and global scales. Evaluation of this potential requires assessment of both pool sizes and their spatial patterns. We quantified SOC and TN, their relationships with soil and vegetation attributes, and their spatial scaling along a catena (hill‐slope) gradient in the southern Great Plains, USA where woody cover has increased substantially over the past 100 years. Quadrat variance analysis revealed spatial variation in SOC and TN at two scales. The larger scale variation (40–45 m) was approximately the distance between centers of woody plant communities and their adjoining herbaceous patches. The smaller scale variation (10 m) appeared to reflect the local influence of shrubs on SOC and TN. Litter, root biomass, shrub, and tree basal area (a proxy for plant age) exhibited not only similar spatial scales, but also strong correlations with SOC and TN, suggesting invasive woody plants alter both the storage and spatial scaling of SOC and TN through ecological processes related primarily to root turnover and, to a lesser extent litter production, as mediated by time of occupancy. Forb and grass biomass were not significantly correlated with SOC and TN suggesting that changes in herbaceous vegetation have not been the driving force for the observed changes in SOC and TN. Because SOC and TN varied at two scales, it would be inappropriate to estimate SOC and TN pools at broad scales by extrapolating from point sampling at fine scales. Sampling designs that capture variation at multiple scales are required to estimate SOC and TN pools at broader scales. Knowledge of spatial scaling and correlations will be necessary to design field sampling protocols to quantify the biogeochemical consequences of woody plant encroachment at broad scales.     

黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应

研究了黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应特征,分析了退耕还林草对土壤有机碳的近期影响和长期效应。结果表明,1)从黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应整体而言,相对于坡耕地,退耕还林和退耕撂荒具有显著的土壤碳增汇效应,而退耕还草、退耕还果没有明显土壤碳增汇效应。以天然草地土壤有机碳密度为目标,撂荒地表层土壤有机碳增汇潜力可达8.3 t/hm2。2)以10a为界,退耕还林草的近期土壤碳增汇效应不明显,而10a后土壤碳增汇效应逐渐明显,退耕还林、还灌、撂荒和坡耕地的固碳效应差异显著。3)在评估黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应时应当注重长期固碳效应。4)退耕还林草的土壤固碳效应主要受还林草方式及年限的影响,二者分别可解释55.6%和24.1%的有机碳变异性;地形因子可解释8.5%的有机碳变异性。在评估该区退耕还林的土壤固碳效应时应当充分考虑退耕年限和地形因子的影响。5)人工刺槐林地、人工柠条林地以及撂荒地深层土壤(100—200 cm)有机碳密度占2 m土体有机碳密度的35%—40%,而且随着植被恢复深层土壤有机碳密度显著增加。6)在估算黄土丘陵区退耕还林土壤固碳效应时应该考虑深层碳累积。如果按1 m土层的土壤有机碳密度计算,会严重低估退耕还林草的土壤固碳量。