全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 3 期摇 摇 2012 年 2 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
夏季可可西里雌性藏原羚行为时间分配及活动节律 连新明,李晓晓,颜培实,等 (663)………………………
热带印度洋黄鳍金枪鱼渔场时空分布与温跃层的关系 杨胜龙,张摇 禹,张摇 衡,等 (671)……………………
洪湖水体藻类藻相特征及其对生境的响应 卢碧林,严平川,田小海,等 (680)…………………………………
广西西端海岸四种红树植物天然种群生境高程 刘摇 亮,范航清,李春干 (690)…………………………………
高浓度 CO2引起的海水酸化对小珊瑚藻光合作用和钙化作用的影响 徐智广,李美真,霍传林,等 (699)……
盖度与冠层水深对沉水植物水盾草光谱特性的影响 邹维娜,袁摇 琳,张利权,等 (706)………………………
基于 C鄄Plan规划软件的生物多样性就地保护优先区规划———以中国东北地区为例
栾晓峰,孙工棋,曲摇 艺,等 (715)
…………………………
………………………………………………………………………………
城市化对本土植物多样性的影响———以廊坊市为例 彭摇 羽,刘雪华,薛达元,等 (723)………………………
利用红外相机调查北京松山国家级自然保护区的野生动物物种 刘摇 芳,李迪强, 吴记贵 (730)……………
基于树木起源、立地分级和龄组的单木生物量模型 李海奎,宁金魁 (740)………………………………………
千岛湖社鼠种群遗传现状及与生境面积的关系 刘摇 军,鲍毅新,张摇 旭,等 (758)……………………………
气候变化对内蒙古草原典型植物物候的影响 顾润源,周伟灿,白美兰,等 (767)………………………………
中国西北典型冰川区大气氮素沉降量的估算———以天山乌鲁木齐河源 1 号冰川为例
王圣杰,张明军,王飞腾,等 (777)
…………………………
………………………………………………………………………………
植被类型对盐沼湿地空气生境节肢动物功能群的影响 童春富 (786)……………………………………………
黔西北铅锌矿区植物群落分布及其对重金属的迁移特征 邢摇 丹,刘鸿雁,于萍萍,等 (796)…………………
云南中南部季风常绿阔叶林恢复生态系统萌生特征 苏建荣,刘万德,张志钧,等 (805)………………………
筑坝扩容下高原湿地拉市海植物群落分布格局及其变化 肖德荣,袁摇 华,田摇 昆,等 (815)…………………
三峡库区马尾松根系生物量的空间分布 程瑞梅,王瑞丽,肖文发,等 (823)……………………………………
兴安落叶松林生物量、地表枯落物量及土壤有机碳储量随林分生长的变化差异
王洪岩,王文杰,邱摇 岭,等 (833)
………………………………
………………………………………………………………………………
内蒙古放牧草地土壤碳固持速率和潜力 何念鹏,韩兴国,于贵瑞 (844)…………………………………………
不同林龄马尾松凋落物基质质量与土壤养分的关系 葛晓改,肖文发,曾立雄,等 (852)………………………
不同丛枝菌根真菌侵染对土壤结构的影响 彭思利,申摇 鸿,张宇亭,等 (863)…………………………………
不同初始含水率下粘质土壤的入渗过程 刘目兴,聂摇 艳,于摇 婧 (871)…………………………………………
不同耕作措施的温室气体排放日变化及最佳观测时间 田慎重,宁堂原,迟淑筠,等 (879)……………………
外源铅、铜胁迫对不同基因型谷子幼苗生理生态特性的影响 肖志华,张义贤,张喜文,等 (889)………………
温度和盐度对吉富品系尼罗罗非鱼幼鱼鳃 Na+ 鄄K+ 鄄ATPase活力的联合效应
王海贞,王摇 辉,强摇 俊,等 (898)
……………………………………
………………………………………………………………………………
基于元胞自动机的喀斯特石漠化格局模拟研究 王晓学,李叙勇,吴秀芹 (907)…………………………………
边缘细胞对荞麦根尖铝毒的防护效应和对细胞壁多糖的影响 蔡妙珍,王摇 宁,王志颖,等 (915)……………
川中丘陵区人工柏木防护林适宜林分结构及水文效应 龚固堂,黎燕琼,朱志芳,等 (923)……………………
基于 AHP与 Rough Set的农业节水技术综合评价 翟治芬,王兰英,孙敏章,等 (931)…………………………
基于 DMSP / OLS影像的我国主要城市群空间扩张特征分析 王翠平,王豪伟,李春明,等 (942)………………
生态旅游资源非使用价值评估———以达赉湖自然保护区为例 王朋薇,贾竞波 (955)…………………………
专论与综述
基于有害干扰的森林生态系统健康评价指标体系的构建 袁摇 菲,张星耀,梁摇 军 (964)………………………
硅对植物抗虫性的影响及其机制 韩永强,魏春光,侯茂林 (974)…………………………………………………
研究简报
光照条件、植株冠层结构和枝条寿命的关系———以桂花和水杉为例 占摇 峰,杨冬梅 (984)……………………
Bt玉米秸秆还田对小麦幼苗生长发育的影响 陈小文,祁摇 鑫,王海永,等 (993)………………………………
汶川大地震灾后不同滑坡体上柏木体内非结构性碳水化合物的特性 陈摇 博,李志华,何摇 茜,等 (999)……
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*344*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄02
封面图说:难得的湿地乔木———池杉池杉为落叶乔木,高达 25 米,主干挺直,树冠尖塔。 树干基部膨大,常有屈 膝状吐吸根,池
杉为速生树,强阳性,耐寒性较强,耐干旱,更极耐水淹,多植于湖泊周围及河流两岸,是能在水里生长的极少数的大
乔木之一,故有湿地乔木之称 。 池杉原产美国弗吉尼亚沼泽地,中国于本世纪初引种到江苏等地,之后大量引种南
方各省,尤其是长江南北 水网地区作为重要造树和园林树种而大量栽种。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 3 期
2012 年 2 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 3
Feb. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(40801039);中国科学院百人计划择优项目
收稿日期:2011鄄07鄄28; 摇 摇 修订日期:2011鄄12鄄14
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: wuxq@ bjfu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201107281105
王晓学,李叙勇,吴秀芹.基于元胞自动机的喀斯特石漠化格局模拟研究.生态学报,2012,32(3):907鄄914.
Wang X X, Li X Y, Wu X Q. Pattern simulation of karst rocky desertification based on cellular automata. Acta Ecologica Sinica,2012,32(3):907鄄914.
基于元胞自动机的喀斯特石漠化格局模拟研究
王晓学1,2,3,李叙勇1,吴秀芹2,*
(1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域国家重点实验室,北京摇 100085;
2. 北京林业大学水土保持学院,北京摇 100083; 3. 中国科学院研究生院,北京摇 100049)
摘要:西南喀斯特山区的石漠化问题是目前我国西部地区最为突出的地域环境问题之一,其迅速发展已经严重影响到当地人们
的生产生活。 以导致石漠化发生发展的自然、人文因子为切入点,通过模拟影响喀斯特系统地表覆被变化的基本生态过程(如
植物定居、植物死亡、水蚀风蚀引起的土地退化以及岩石成土过程等),利用随机元胞自动机具有的简单邻域规则产生复杂空
间格局的特点,使喀斯特系统地表覆被植被鄄裸土鄄裸岩状态在一定概率下发生状态转换,并结合 RS 和 GIS 技术,构建了简单、
有效的喀斯特石漠化模拟及预测模型(KarstCA)。 以典型喀斯特石漠化地区关岭县为研究区,在自然、人文驱动因素共同影响
以及只考虑自然驱动因素情景下,KarstCA模型模拟的研究区 2007 年石漠化空间分布格局的差异主要分布在中部和南部,其主
要是不同空间范围上人类活动作用方式和强度差异所致。 在 16a中(1992—2007 年)喀斯特地区地物(植被鄄裸土鄄裸岩)丰度变
化成非线性关系,当植被覆达到 54%以上并继续增加时,裸岩发展趋势与之呈明显的负相关(P<0. 01)。 在模拟期内人类活动
对研究区石漠化的发展起到抑制作用,人类活动的正效应(植树造林等)与负效应(乱砍滥伐、过度放牧等)在一定程度上抵消
了植被总面积的剧烈变化趋势。 将地表过程耦合进元胞自动机模型,突破了以往该类研究只通过概率考虑状态转换,而对其机
理认识的不足;同时本研究考虑了自然、人文驱动因素在不同空间尺度上作用于石漠化现象的复杂性,对于探索这些因素是如
何作用于地表过程及其贡献率等研究具有一定的参考价值。
关键词:石漠化; 格局; 元胞自动机; 喀斯特地区; 关岭县
Pattern simulation of karst rocky desertification based on cellular automata
WANG Xiaoxue1,2,3, LI Xuyong1, WU Xiuqin2,*
1 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China
2 School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences; Beijing 100049, China
Abstract: Desertification in the karst mountain regions of southwest China is one of the most challenging environmental
issues in western China because of its severe negative effects on the local community. Based on natural and cultural factors
that cause rocky desertification occurrence and development, a simple, effective simulation and prediction model for karst
rocky desertification was constructed to gain an improved understanding of the process and mechanism of rocky
desertification development ( KrastCA ). This model effectively incorporated ecological processes, including plant
colonization, plant mortality, land degradation, and soil formation with the local facilitation of the plant. The random
cellular automata model, which can generate complex spatial patterns via simple rules, was employed to make state
transition between vegetation, bare soil, and rock in a certain probability. Combined with the remote sensing(RS) and
geographic information system(GIS) technology, rural settlements were extracted from TM image, and vegetation鄄bare soil鄄
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rock composition abundance images using the linear spectral unmixing approach, which is the initial state of the KrastCA
model. The typical karst areas in Guanling County were selected as the study areas. KarstCA model simulation results
performed better forecast (73. 4% accuracy) when natural and human factors were considered compared with incorporating
only natural factors (56. 7% accuracy) . This outcome suggests that the model used in this study effectively incorporated the
key ecological processes that affected rocky desertification occurrence and development. By considering both natural and
human factors and natural factor alone, KrastCA model indicated that spatial distribution differences in rocky desertification
mainly focused on the center and north of the study area in 2007, which mainly depended on the intensity and scales of
human activities. The land cover ( vegetation, bare soil, and rock) in karst regions showed nonlinearity during 1992 to
2007 (16 years) . The trend of vegetation covering 逸 54% showed a significantly negative correlation with rocky areas (P<
0. 01). This finding strengthens the importance of vegetation in combating rocky desertification. Human activities hampered
the development of rocky desertification in the study area during the simulation period. To some extent, the positive effects
of human activities ( e. g afforestation ) and the negative effects ( e. g deforestation, overgrazing, etc. ) partially
counteracted the dramatic changes in the vegetation area. However, the landscape tended to fragmentize. This study
attempted to couple the surface process model into the cellular automata model, breaking through the previous study
modeling surface process only by the state transition probability, and lack of understanding its mechanism. In addition, this
study took into account the complexity of natural and human drivers in different spatial scales to act on the rocky
desertification. The findings of this study shed light on the effects and contributions of these factors on surface processes.
Key Words: rocky desertification; spatial pattern; cellular automata; karst region; Guanling County
西南喀斯特山区的石漠化是目前我国西部最为突出的两大地域环境问题之一。 西南喀斯特山区生态系
统的严重退化,特别是水土流失加剧导致的石漠化面积的迅速扩展,已极大地制约了本地区社会经济的发展,
并严重威胁到当地人们的生存环境,而且还危及长江、珠江中下游地区的可持续发展[1]。 石漠化的发生发展
过程较为复杂,以往研究过多关注其驱动因子、监测评价手段和生态恢复策略等,而忽略了对其发生发展机理
和格局的研究。 由于不同驱动因子共同作用的过程可能导致相同的格局,而停留在现状描述层面上显然无助
理解各种驱动因子是如何作用于喀斯特系统的;从实际决策的角度来看,目前对喀斯特地区植被恢复策略因
为不能对乱砍滥发、人工植树造林等具体管理措施如何影响喀斯特石漠化过程作出明确的诊断,这势必造成
所采取的技术措施和恢复效果都存在诸多问题[2鄄3]。
严重的现实生态灾难要求决策者们应对喀斯特地区石漠化问题时,应该考虑喀斯特系统的生态恢复潜
力、喀斯特系统对人类活动的响应能力,以及人类活动干扰下的景观异质性。 因此,构建耦合自然、人文驱动
因素的喀斯特石漠化系统模型具有重要的现实意义,这是认识石漠化过程、机理和寻求有效的生态修复措施
的关键,也是探索喀斯特地区人类适应全球气候变化的有效途径。 本文主要包括两个方面的内容:(1)建立
基于一系列生态过程的喀斯特石漠化模型。 (2)自然、人文因素在不同尺度上如何耦合并促进喀斯特地区石
漠化发生发展? 人文因子对石漠化的贡献如何?
1摇 喀斯特地区植被鄄裸土鄄裸岩的状态转换
Wootton研究发现物种间交互作用、大小结构、邻域的交互影响、各种干扰等是准确预测大尺度空间格局
必须考虑的因素[4]。 本模型所考虑的基本过程(图 1)包括植被定居 w{0,+} (即由裸土状态向植被状态的转
变)、死亡 w{ +,0} (即由植被状态向裸土状态的转变过程)、土地退化 w{0,-} (即由裸土状态向裸岩状态的转变
过程)和恢复(即裸岩状态在周围环境的促进下,风化发育为裸土的过程)。 在立地尺度上,本模型是完全随
机的,也就是说,在一个时间步长上,每个立地就其给定的状态而言,不是一定会转变为另一种状态,而是以一
定概率发生。
本文将某种状态的全局密度定义为 籽i,这里 i可以是+(植被),0(裸土),-(裸岩)。 为了方便模拟繁殖和
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摇 图 1摇 喀斯特地区植被(V) 鄄裸土( S) 鄄裸岩(R)状态转变的概念
图式
Fig. 1 摇 The concept schema of the state transition between
vegetation, bare soil and rocky
局部促进作用,这里将某种状态周围其他状态的密度定
义为在给定的立地的 i 状态下发现邻域为 j 的概率,其
数学表达式为 q j| i 。 KarstCA 模型从 3 个角度来考虑邻
域构型特征及自然、人文驱动因子从不同空间尺度上作
用于石漠化现象的复杂性:
1)植物定居过程中,将其邻域结构定义为冯鄄诺依
曼(Von. Neumann)型,即只有立地单元地表覆被类型是
裸土且周围有植被时,其种子才可能在这个单元上
定居。
2)人类活动的负影响(如过度开垦耕地、乱砍滥
伐、过度放牧,采矿等),考虑到地形地势对人类活动的
限制,其邻域构型是以人类居住区为中心(本研究以
TM影像提取的居民点多边形的中心代替),一定半径的圆。
3)植物对岩石成土过程的局部促进作用,其邻域结构也是冯鄄诺依曼型,只有当裸岩单元周围 4 个元胞单
元中有 3 个单元是植被时,植被对岩石成土过程的促进作用才有可能发生。
1. 1摇 植物定居
对种子飘散的研究表明,植物种子库主要集中在植被斑块上,但也有一部分种子借助外力(动物、风力、
水力等)传播到较远的地方。 因此,假设植物种子一部分是在植被立地周围邻域范围内飘散,而剩下的一部
分则是飘散到其他地方。 用以下公式来表示植被在裸土上的定居率:
w{0,+} = (啄籽 + + (1 - 啄)q +| 0)(b - c籽 +) + pa (1)
令: 茁着 = b (2)
茁g = c (3)
式中,啄是飘到远处的种子所占比例;着是最大出芽率;g表示密度依赖强度;茁是一个正常数,它是种子的
生长速率、存活率和萌芽率三者的乘积;pa是人类活动将某区域建成植被状态的概率,其表达式为:
pa = pl 伊 parea / zarea (4)
式中,pl是人工造林(草)植被的成活率,parea是人工造林(草)植被的面积,zarea指研究区年内除已有植
被覆被区以外的总面积,即裸岩和裸土面积。 假设植树造林和退耕还林还草等工程优先进行的地区为工程相
对容易,有一定土壤厚度的区域。
1. 2摇 植物死亡
死亡事件是指由植被状态向裸土状态的转变,引起此变化的原因包括植被因密度过大引起竞争而导致的
死亡和不合理的人类活动等。 假设靠居民点越近的地方, w{ +,0} 发生的概率越大,反之则越小,人类活动对植
被的影响范围是以某阈值为半径的圆形区域,呈线性衰减。 因此,可根据立地单元与居民点的距离来确定转
换概率,这种方法也被成功应用到其他研究中[5鄄6]。 死亡事件可以表示为:
w{ +,0} = 棕 + 仪(D jk) = 棕 + Dmax - D jk + 1
移
Dmax
Djk = 1
D jk
= 棕 +
2(Dmax - D jk + 1)
Dmax(Dmax + 1)
(5)
式中, 棕表示因竞争等自然原因导致的植被死亡,仪(D jk) 表示因人类活动的负效应(如过度开垦耕地、
乱砍滥伐、过度放牧等)导致的植被死亡,D jk为每个立地单元距离居民点的距离;Dmax为人类活动对周围区域
的最大影响半径。
1. 3摇 土地退化
如果裸地上没有植被繁殖,就可能会发生风蚀或者水蚀。 裸土的退化表达式为:
909摇 3 期 摇 摇 摇 王晓学摇 等:基于元胞自动机的喀斯特石漠化格局模拟研究 摇
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w{0,-} = d (6)
这里 d是一个依赖于岩性、坡度、土壤类型、土层厚度、植被和气候特征的正常数。 假设植物种子不能在
裸岩上萌芽。
1. 4摇 局部促进作用下的岩石成土作用
自然状态下,裸岩转为裸土是个较为漫长的过程。 在湿、热气候植被发育较好的地区,岩石成土的作用有
显著的改善[7]。 本研究将植被对喀斯特生境的岩石成土促进作用主要定义为以下 3 个方面:(1)不同植被覆
盖条件下的土壤溶液中 CO2浓度明显不同,不同的 CO2浓度将产生不同的化学势,使土壤保持了不同的溶蚀
能力,(2)有植被覆盖的地区,植被冠层和根系减少了土壤侵蚀,植被根系和枯枝落叶层具有较强的保水、保
肥能力,这就保证了土壤溶液与土壤矿物质及母质的长时间物理、化学反应,从而促进成土过程。 (3)有植被
覆盖的单元将为邻近单元提供植物生长更为有利的微生境,传播种子,促进邻近单元地物覆被状态向植被的
转化,进而促进了上述两个方面的发展。 假定由裸岩向裸土的更新速率如下:
w{ -,0} = r + fq +| - (7)
这里 r是一个正常数,表示裸岩的自然更新速率,是土壤厚度、降雨、岩性的函数。 f表示当周围元胞都是
植被的时候其所提供的局部促进作用。 这里假设只有当立地单元是裸岩,且其冯鄄诺依曼型邻域中有 3 个立
地单元是植被,才有可能发生该作用。 需要强调的是,为了能够对喀斯特地区植被局部促进作用有个清晰的
认识,同时保证模型尽可能的简单,不对植被冠层和根系减少土壤侵蚀的促进作用进行模拟。
2摇 研究区及数据处理
图 2摇 研究区位置及居民点分布
Fig. 2摇 Study area location and distribution of human settlements
2. 1摇 研究区概况
关岭自治县位于贵州省西南部,海拔 370—1850m
(图 2)。 主要以中亚热带季风湿润气候为主,累计年平
均气温为 16. 2益,年平均最高气温为 16. 9益,最低气温
15. 4益,年降水量 1205. 1—1656. 8mm。 土壤以石灰土
为主,占全县土壤面积的 70% ,土层薄,肥力低,土壤与
基岩之间缺乏风化物过渡层,容易流失。 喀斯特地貌占
全县国土面积的 82. 42% 。 全县农业人口占总人口的
90. 37% 。 农业是关岭县的支柱产业,脆弱的自然生态
环境导致农业生产条件恶劣,人口的快速增长导致关岭
县土地资源的稀缺,封闭的环境导致人们观念守旧,从
而导致关岭县社会经济系统也非常脆弱[8]。
2. 2摇 数据收集及处理
利用线性光谱分离技术研究喀斯特山区土地覆被具
有明显的优势[9]。 对 1992(p127 / 42)、1993 年(p128 / 42)
TM影像进行影像预处理、辐射定标、大气校正、地形校
正后,采用线性光谱分离技术提取植被鄄裸土鄄裸岩地物
丰度信息,为了简化模型运行,对研究区内一些占研究
区面积比例偏少的信息进行了合并处理。 如,水体信息就是这样处理的,因其面积只占研究区总面积的不到
1% ,水体特征及其空间位置并不对石漠化发生发展过程起到关键性影响。 最终通过混淆矩阵验证其分类精
度分别为 62. 31% ,57. 69% 。 将 1992 年影像提取结果作为模型初始状态参数,1993 年提取结果用作模型参
数率定。 提取 1992 年 TM影像上农村居民点信息,其具体方法详见杨存建等的研究[10],然后提取每个居民点
多边形的中心(图 2)。 喀斯特山区复杂的地势条件严重阻碍了当地经济发展及其对周边资源的开发利用,胡
宝清等对居民点分布与石漠化关系的研究表明[6],以 3000m 为半径的区域内人类活动与造成石漠化的面积
019 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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成正比。 这里取 Dmax = 3000,D jk可取[1, Dmax)的任意整数值。 以各居民点中心坐标为中心,以人类活动对周
围土地利用变化影响的最大距离为半径,求此区域内每个栅格与居民点中心的距离,代入仪(D jk) (式 5)来
表示人类活动对石漠化的负影响。 根据 1997—2008 年的关岭县造林面积和次年的实际林地统计面积来估计
该地区造林成活率以及人类活动将某一单元改造成植被状态的概率。
3摇 模型验证
KarstCA模型参数的率定参考了前人的研究成果, 例如公式 6 中 d 的求解方法参考了王费新等关于植
被鄄侵蚀动力学参数与流域气候、地形、土壤特性关系的确定方法[11],公式 1 中参数的率定参考了 kefi 等的研
究[12鄄13]。 运行 KarstCA模型模拟 1993 年植被鄄裸土鄄裸岩地被信息,然后与 1993 年 TM 影像的提出结果进行
比对,确定其他参数,反复进行该过程,调整各种参数,使结果趋于理想。 表 2 给出的本模型参数的率定结果。
模型的实际运行是在 R 2. 12. 1 软件环境下编程实现。
为了评估模型模拟的准确性,本研究采用影像结果和模拟结果逐像元比对的方法。 由于 2007 年 TM 影
像(轨道号:128 / 43,时间:2007鄄09鄄27)只有 3 个波段(4、3、2),因此不能采用前面章节采用的线性光谱分离技
术提取地物丰度信息,这里用 ENVI4. 7. 1 软件对影像进行非监督分类,分类结果的 kappa 系数为 0. 72。 假设
2007 年得到的分类结果就是实际结果,将 KarstCA模型模拟的 2007 年结果与这里的分类结果进行比对,如表
3 所示,模型模拟结果与分类结果像素间的对应关系较好,其中有 73. 41%的象元与分类结果完全一致,这表
明 KarstCA模型较好的包含了影响喀斯特地区地表覆被情况的自然、人文驱动因子,但可能还有一些决定性
的因子没有包括进来,这是未来对该模型研究需要改进和模型扩展的方向;而只考虑自然因素的情况下,有
56. 7%的象元是正确的。 另外由于分类结果的 kappa 系数不是很高,可能还存在模型模拟结果正确,而验证
数据本身分类有误的情况。 因此,在模型验证方面还需要做进一步的深入研究。
表 2摇 KarstCA模型参数
Table 2摇 KarstCA model parameters
模型参数 Parameters 值 Values 模型参数 Parameters 值 Values
t 20 or 50 a Djk 1-2999
啄 0. 1 Dmax 3000
b 0. 5 d 0. 2
c 0. 3 r 0. 05
pa 0. 03 f 0. 3
棕 0. 02
表 3摇 不同驱动因素作用下分类正确的地物占研究区的比例 / %
Table 3摇 The proportion of correct classification under the different driving factors
地被类型
Land cover type
面积
Area / %
分类正确的像元比例 The correct classification accounted for the total study area / %
考虑自然、人类活动驱动因子
Both the natural and humanities factors
只考虑自然驱动因子
Only the natural factors
植被 Vegetation 61. 9 71. 2 65. 7
裸土 Soil 11. 7 86. 3 67. 3
裸岩 Rock 26. 4 73. 0 61. 5
总计 Total 100. 0 73. 4 56. 7
4摇 自然、人文因素作用下的石漠化格局模拟及其对石漠化的贡献
KarstCA模型考虑了影响石漠化发生发展的自然、人文驱动过程,将影响喀斯特系统地被覆被状态变化
的主要生态过程都包含进来。 考虑到该模型在实际决策中的应用,很有必要区分人类活动和自然因素分别对
石漠化的贡献,尤其是人类活动对石漠化的影响,砍伐森林及过度放牧势必破坏植被覆被,而植树造林、退耕
还林还草则有利于植被覆被增加。 因此,有必要定量化研究人类活动对石漠化发生发展过程的影响,这里忽
119摇 3 期 摇 摇 摇 王晓学摇 等:基于元胞自动机的喀斯特石漠化格局模拟研究 摇
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略了其他人类活动对该过程的影响(如采石、采矿和修路等)。
在自然、人文因素共同影响以及只考虑自然驱动因素影响下,KarstCA 模型模拟的 2007 年研究区石漠化
空间格局如图 3,两种情境下模拟的石漠化空间分布格局的差异主要是在研究区中部和南部,认为原因有:1)
研究区中部(永宁镇)地势条件相对较好,这里人口较多,因此人类活动的范围和强度相对较大;而研究区南
部(花江镇和板贵乡)海拔较高,而这个地方也是该县连接其他市县的交通要道,频繁的采石活动显然加剧了
该地石漠化进程;2)研究区中部和南部都有陡坡耕种历史,其中南部较为明显,虽然近年来实施了退耕还林
还草政策,但因近年来降雨具有明显的时空变异性,其恢复效果在空间上就表现出明显差异[14];加之当地落
后的经济条件,使农户无力自发的去植树造林和改善石漠化现状,甚者还要砍伐树木做生活燃料。 因此要有
效控制该区域的石漠化现象可以通过改善生活能源结构、加大植树造林和封山育林强度和一系列的管护政策
来遏制石漠化继续发展趋势。 两个情境下模拟研究区北部的结果较好,说明导致该区域石漠化现象的驱动因
素主要是自然因素,可以通过调整农业产业结构,加大石漠化治理的投资力度来对石漠化地区进行生态修复。
从上面分析可以看出,造成石漠化的驱动因素尤其是人文因素较为复杂,加大了石漠化现象格局模拟的难度。
图 3摇 自然、人文驱动因素影响下 KarstCA模型模拟的 2007 年研究区石漠化空间分布(a),只考虑自然驱动因素下的石漠化空间格局(b)
Fig. 3摇 The spatial patterns of rocky desertification under the natural and humanities factors based on KarstCA model( a), The spatial
patterns of rocky desertification under only the natural factors based on KarstCA model(b)
对研究区过去 16 (1992—2007 年)的模拟 (图 4),在自然、人文因素共同影响下,植被面积增加了
8郾 36% ,裸岩面积减少了 20. 21% ,裸岩面积出现一个峰值(34. 41% ),而后呈十分缓慢的减少趋势;在只有自
然因素作用情景下,植被面积增加了 2. 39% ,裸土面积减少了 18. 62% ,裸岩面积增加了 6. 28% 。 从以上变化
趋势可以发现,喀斯特地区地物丰度的变化并非成线性或者此消彼长的关系,而是非线性关系,即植被面积在
植树造林等人类正效应作用下持续增加,裸土面积减小明显,裸岩面积基本上呈现出先增加后减少的趋势。
这个时期人类活动对喀斯特石漠化的发展起到了抑制作用,人类活动使研究区模拟时间内裸岩丰度下降了
1. 81% ,植被面积增加了 18. 36% 。 模拟开始时间于 1992 年,这个时期,人们已经意识到了乱砍滥伐、过度放
牧、毁林开荒等的灾难性后果,开始寻求植树造林等工程措施增加植被覆盖率以减少水土流失,而增加的植被
面积达到一定程度后,对岩石成土过程以及阻止和拦截流失的土壤起到了积极的作用。 在只考虑自然因素的
状态下,尽管植被面积有缓慢的增加(2. 34% ),但石漠化面积也呈现出增加趋势,而且增加幅度在开始几年
较为剧烈,而后稳定在 37%左右,长期的水土流失已致使石漠化地区出现了无土可流的境况。
对图 4 的进一步分析发现,当植被盖度达到一定程度的时候,裸岩的丰度开始下降(图 4),表明植被对岩
石成土的促进发挥显著的作用,用 spearman相关性检验表明,当植被达到 54%以上并继续增加时,其趋势与
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裸岩下降的趋势呈明显的负相关(P<0. 01),其可成为喀斯特地区植被的最优盖度。 图 4 也很容易看出当植
被面积小于 54%时,裸岩将长期处于一个稳定值或下降趋势十分不明显。 但这个时期对应的研究区裸土丰
度并没有增加,主要是因为该地区降雨量丰富,增加的土壤很快因水蚀被带到河流中。 裸土面积在经过迅速
的下降以后,长时间保持在一个稳定值上,主要是因为这些裸土都散布于溶痕及地势相对较低的地方富集起
来,而且这个时期的人类活动也在很明显的影响着地表覆被状态,相对于不考虑人类活动的模型模拟的裸土
丰度结果则表现出相对稍高的比例(4. 52% )。 人类活动的正效应(植树造林等)与负效应(乱砍滥伐、过度放
牧等)在一定程度上部分抵消了植被总面积的剧烈变化趋势,使增加趋势趋于缓和,但使景观更加趋于破
碎化。
图 4摇 KarstCA模型模拟的植被鄄裸土鄄裸岩变化
Fig. 4 摇 The temprol patterns of rocky desertification under the natural and humanities factors based on KarstCA model the rocky
desertification under only the natural factors based on KarstCA model
5摇 结论
(1) 针对目前喀斯特石漠化研究中存在的问题,以导致石漠化发生发展的自然、人文因子为切入点,通过
模拟影响喀斯特系统地表覆被变化的基本生态过程(如植物定居、植物死亡、水蚀风蚀引起的土地退化以及
岩石成土过程等),建立了简单、有效的喀斯特石漠化模拟及预测模型(KarstCA)。 KarstCA 模型较好的考虑
了人类活动(植树造林、封山育林等的正效应和乱砍滥伐、过度放牧等的负效应)对石漠化空间格局的影响。
(2) 采用 2007 年影像分类结果和 KarstCA模型模拟结果逐像元比对发现,在考虑自然、人文因素的情景
下,KarstCA模型模拟结果有 73. 4%是正确的,而只考虑自然因素的情况下,有 56. 7%是正确的,说明模型较
好的包含了石漠化发生发展的关键生态过程。 模型的验证方面还需要做进一步的深入研究。
(3) 在自然、人文驱动因素共同影响以及只考虑自然驱动因素情况下,KarstCA 模型模拟 2007 年石漠化
空间分布格局的差异主要分布在研究区中部和南部,其主要与不同空间范围上人类活动作用方式和强度的差
异所致。 在 16a中(1992—2007 年)喀斯特地区地物丰度变化成非线性关系,当植被覆被达到 54%以上并继
续增加时,裸岩发展趋势与之呈明显的负相关。 在模拟期内人类活动对研究区石漠化的发展起到抑制作用,
人类活动的正效应(植树造林等)与负效应(乱砍滥伐、过度放牧等)在一定程度上部分抵消了植被总面积的
剧烈变化趋势,但使景观趋于破碎化。
本文仅对 KarstCA模型在自然、人文因子作用下的石漠化格局及其对石漠化的贡献模拟做了介绍,对于
该模型在决策(如生态移民、发展规模采石(矿)业等)和生态修复中的应用有待深入研究。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 3 February,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Behavioural time budgets and diurnal rhythms of the female Tibetan gazelles in the Kekexili National Nature Reserve
LIAN Xinming, LI Xiaoxiao, YAN Peishi, et al (663)
………………
……………………………………………………………………………
The relationship between the temporal鄄spatial distribution of fishing ground of yellowfin tuna (Thunnus albacares) and themocline
characteristics in the tropic Indian Ocean YANG Shenglong, ZHANG Yu, ZHANG Heng, et al (671)…………………………
Characteristics of algous facies of planktonic algae in lake honghu and its response to habitat
LU Bilin, YAN Pingchuan, TIAN Xiaohai, et al (680)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
Tide elevations for four mangrove species along western coast of Guangxi, China LIU Liang, FAN Hangqing, LI Chungan (690)……
Effects of CO2 鄄induced seawater acidification on photosynthesis and calcification in the coralline alga Corallina pilulifera
XU Zhiguang, LI Meizhen, HUO Chuanlin,et al (699)
……………
……………………………………………………………………………
Impacts of coverage and canopy water depth on the spectral characteristics for a submerged plant Cabomba caroliniana
ZOU Weina, YUAN Lin, ZHANG Liquan, et al (706)
………………
……………………………………………………………………………
Prioritizing biodiversity in conservation planning based on C鄄Plan:a case study from northeast China
LUAN Xiaofeng,SUN Gongqi,QU Yi,et al (715)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
Effects of urbanization on indigenous plant diversity: a case study of Langfang City, China
PENG Yu, LIU Xuehua, XUE Dayuan, et al (723)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
Using infra鄄red cameras to survey wildlife in Beijing Songshan National Nature Reserve LIU Fang, LI Diqiang, WU Jigui (730)……
Individual tree biomass model by tree origin, site classes and age groups LI Haikui, NING Jinkui (740)……………………………
Population genetics of Niviventer confucianus and its relationships with habitat area in Thousand Island Lake region
LIU Jun, BAO Yixin, ZHANG Xu, et al (758)
…………………
……………………………………………………………………………………
Impacts of climate change on phenological phase of herb in the main grassland in Inner Mongolia
GU RunYuan,ZHOU Weican, BAI Meilan, et al (767)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Atmospheric nitrogen deposition in the glacier regions of Northwest China: a case study of Glacier No. 1 at the headwaters of Urumqi
River, Tianshan Mountains WANG Shengjie, ZHANG Mingjun, WANG Feiteng, et al (777)……………………………………
Effects of vegetation type on arthropod functional groups in the aerial habitat of salt marsh TONG Chunfu (786)……………………
The plant community distribution and migration characteristics of heavy metals in tolerance dominant species in lead / zinc mine
areas in Northwestern Guizhou Province XING Dan,LIU Hongyan,YU Pingping,et al (796)……………………………………
Sprouting characteristic in restoration ecosystems of monsoon evergreen broad鄄leaved forest in south鄄central of Yunnan Province
SU Jianrong,LIU Wande,ZHANG Zhijun,et al (805)
……
………………………………………………………………………………
Distribution patterns and changes of aquatic communities in Lashihai Plateau Wetland after impoundment by damming
XIAO Derong, YUAN Hua, TIAN Kun, et al (815)
………………
………………………………………………………………………………
Spatial distribution of root biomass of Pinus massoniana plantation in Three Gorges Reservoir area, China
CHENG Ruimei, WANG Ruili, XIAO Wenfa, et al (823)
……………………………
…………………………………………………………………………
Differences in biomass, litter layer mass and SOC storage changing with tree growth in Larix gmelinii plantations in Northeast
China WANG Hongyan, WANG Wenjie, QIU Ling, et al (833)…………………………………………………………………
Soil carbon sequestration rates and potential in the grazing grasslands of Inner Mongolia
HE Nianpeng, HAN Xingguo, YU Guirui (844)
………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Relationships between litter substrate quality and soil nutrients in different鄄aged Pinus massoniana stands
GE Xiaogai, XIAO Wenfa, ZENG Lixiong, et al (852)
……………………………
……………………………………………………………………………
Compare different effect of arbuscular mycorrhizal colonization on soil structure
PENG Sili, SHEN Hong, ZHANG Yuting, et al (863)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
The infiltration process of clay soil under different initial soil water contents LIU Muxing, NIE Yan, YU Jing (871)…………………
Diurnal variations of the greenhouse gases emission and their optimal observation duration under different tillage systems
TIAN Shenzhong, NING Tangyuan, CHI Shuyun, et al (879)
……………
………………………………………………………………………
Effects of exogenous pb and cu stress on eco鄄physiological characteristics on foxtail millet seedlings of different genotypes
XIAO Zhihua,ZHANG Yixian,ZHANG Xiwen,et al (889)
…………
…………………………………………………………………………
Combined effect of temperature and salinity on the Na+ 鄄K+ 鄄ATPase activity from the gill of GIFT tilapia juveniles (Oreochromis
niloticus) WANG Haizhen, WANG Hui, QIANG Jun, et al (898)………………………………………………………………
Pattern simulation of karst rocky desertification based on cellular automata WANG Xiaoxue, LI Xuyong, WU Xiuqin (907)…………
The role of root border cells in protecting buckwheat root apices from aluminum toxicity and their effect on polysaccharide contents
of root tip cell walls CAI Miaozhen, WANG Ning, WANG Zhiying, et al (915)…………………………………………………
The suitable stand structure and hydrological effects of the cypress protection forests in the central Sichuan hilly region
GONG Gutang, LI Yanqiong, ZHU Zhifang, et al (923)
………………
……………………………………………………………………………
Comprehensive evaluation of agricultural water鄄saving technology based on AHP and Rough Set method
ZHAI Zhifen,WANG Lanying, SUN Minzhang, et al (931)
………………………………
………………………………………………………………………
Analysis of the spatial expansion characteristics of major urban agglomerations in China using DMSP / OLS images
WANG Cuiping, WANG Haowei, LI Chunming, et al (942)
……………………
………………………………………………………………………
Evaluation of non鄄use value of ecotourism resources: a case study in Dalai Lake protected area of China
WANG Pengwei, JIA Jingbo (955)
……………………………
…………………………………………………………………………………………………
Review and Monograph
Assessment indicators system of forest ecosystem health based on the harmful disturbance
YUAN Fei, ZHANG Xinyao, LIANG Jun (964)
……………………………………………
……………………………………………………………………………………
Role of silicon in regulating plant resistance to insect herbivores HAN Yongqiang, WEI Chunguang, HOU Maolin (974)……………
Scientific Note
Relationships among light conditions, crown structure and branch longevity: a case study in Osmanthus fragrans and Metasequoia
glyptostroboides ZHAN Feng,YANG Dongmei (984)………………………………………………………………………………
Effects of maize straw with Bt gene return to field on growth of wheat seedlings
CHEN Xiaowen, QI Xin, WANG Haiyong, et al (993)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Studies of non鄄structural carbohydrates of Cupressus funebris in cifferent landslides after Wenchuan Earthquake
CHEN Bo, LI Zhihua, HE Qian,et al (999)
………………………
………………………………………………………………………………………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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第 32 卷摇 第 3 期摇 (2012 年 2 月)
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