全 文 ：第 18 卷 第 4 期
Vol. 18 No. 4
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 7 月
Jul. 2010
江河源区黑土滩退化草地秃斑与鼠洞的分形特征
林慧龙, 王钊齐, 尚占环
(兰州大学青藏高原生态系统管理国际中心,草地农业科技学院, 兰州 730020)
摘要: 近年由于自然和人为因素的双重影响, 导致三江源高寒草甸发生不同程度的退化。综合分析草地土壤斑块
(鼠洞和秃斑)形成的规律,对揭示高寒草甸退化机理极为重要。于 2009 年 7- 8 月对高寒草甸在不同退化梯度下
的标志之一 土壤斑块(鼠洞和秃斑)特征进行了调查与分析。结果表明: 重度退化区斑块多样性指数是中度退
化区的 5. 14 倍;中度退化区秃斑斑块密度为鼠洞的 2. 83 倍, 而重度退化区样线上鼠洞的个数是秃斑的 2. 8 倍; 重
度退化区中、低和亚低坡是鼠害高发区, 各坡段鼠洞总面积和鼠洞破碎度指数大体呈现反变关系,鼠洞形状和分形
维数与退化程度相关;各坡段秃斑总面积和秃斑破碎度指数并不严格呈现反变关系; 秃斑形状与退化程度相关; 在
同一退化程度的尺度范围秃斑图形具有统计自相似性,不同的退化程度构成了秃斑的等级结构。由于不同斑块对
于放牧侵蚀的功能不同,因此, 不同斑块的不同形状特征对于土壤侵蚀的意义有待进一步探索。
关键词:江河源区; 高寒草甸;退化草地; 秃斑;鼠洞; 形状指数;分形维数
中图分类号: S812. 2 文献标识码: A 文章编号: 10070435( 2010) 04047708
Features on Fractal Dimension of Barren Patch and Mouse Hole among Different
Degenerated Succession Stages on Alpine Meadow in the Source Region of the
Yangtze and Yellow River, QinghaiTibetan Plateau, China
LIN Huilong, WANG Zhaoqi, SHANG Zhanhuan
( College of Pas toral Agricul tu re Science and T ech nology, Internat ional Cen ter for Tib etan Plateau Ecosys tem
Managem ent , Lanzhou U niver sity, Lanzh ou , Gan su Prorince 730020, China)
Abstract: In recent year s, the alpine meadow in the Source Region of the Yang tze and Yellow River had di
verse deg rees o f deg radat ion due to natural and human disturbance. Comprehensive analy sis of fo rmula
t ional law for bar eground gaps ( mouse ho les and barr en patch) on the alpine meadow is crucial to reveal
the degradat ion mechanisms of alpine meadow . During JulyA ugust 2009, a survey and analysis features of
bareg round gaps ( mouse holes and barren patch) on the alpine meadow in differ ent g radient of degraded
meadow were conducted. Results indicate that the Patch diversity index in heavy deg raded meadow s is 2. 8
times than that observed in medium degraded meadow s. Barren patch density in Medium deg raded meadow
is 2. 83 than that of mouse holes, meanwhile the number o f mouse holes on the sample lines is 2. 8 times
the barren patch seen in Heavy degr aded meadow s. The mouse holes mainly o ccurr in medium, low slope
and sublow slope of heavy deg raded meadow s, w hile the relat ionship betw een to tal area and fragmentat ion
degree of mouse holes has a negat iv e correlat ion. The shape index and fractal dimension o f mouse ho les re
late the degree of degradat ion. T her e ar e no linear relat ionships betw een total area and fragmentat ion de
g ree of bar ren patch. The shape index of barren patch r elates the deg ree of degradat ion. The graphics of
barren patch have the self sim ilar ity at the same degradat ion ar ea. T he hier ar chical st ructure of barren pat
ches is const ituted among dif ferent degr adation stages. As dif ferent patches have dif ferent funct ions fo r
grazinginduced erosion, the signif icance regarding different shape characteristics o f patches fo r g razingin
duced ero sion remains further investig at ing.
Key words: Source Reg ion o f the Yang tze and Yellow River; Alpine M eadow ; Deg raded g rassland; Barren
patch; Mouse ho le ; Shape index; Fractal dimension
收稿日期: 20100126;修回日期: 20100408
基金项目:国家自然科学基金重点项目( 30730069)、甘肃省科技计划( 096RJZA052) 资助
作者简介:林慧龙( 1965 ) ,男,辽宁沈阳市人,教授,博士,主要从事青藏高原高寒草地生态系统管理与可持续发展的教学与研究工作, E
mail: lin huilong@ lzu. edu . cn
草 地 学 报 第 18卷
青藏高原江河源区是我国生态系统最具特点的
地区之一, 其高寒性、敏感性、脆弱性造就了世界性
的生态系统修复、维系与管理难题。作为江河源区
自然生态系统主体的高寒草甸既是支撑高原畜牧业
发展、维系农牧民生活水平的重要物质基础, 又对涵
养水源、保护生物多样性和固定碳素等生态功能起
着不可替代的作用, 其环境效应直接关系到中华民
族的生存发展和千秋万代的根本利益[ 1]。由于超载
放牧、对气候变化反应敏感,成为高寒草甸生态系统
退化最严重的地区, 形成大面积黑土滩型退化草
地,且蔓延日趋严重,引起源区生态环境的恶化。如
何从三生功能,即生态功能、生产功能和生活功能
的角度,维系与发展青藏高原高寒草甸生态系统, 长
期以来成为困扰的难题[ 2~ 8] 。
草地的斑块作为对放牧的响应, 在放牧侵蚀研
究中的作用 [ 9, 10]、退化草地恢复 [ 11]以及退化阶段评
定[ 12]等方面正日益受到广泛关注[ 13, 14] 。作为放牧
地斑块的重要类型秃斑, 在草地植被更新 [ 15]、群落
结构[ 16] 和草地生态系统物种多样性维持[ 17] 方面的
研究已广泛开展。然而, 在放牧利用下, 高寒草地几
乎无时不处于演替之中, 而其中秃斑的演替无疑是
最为明显和活跃的成分[ 18] 。因此, 研究秃斑在放牧
条件下的形成机制及其性状、格局的变化,对于深刻
认识草地退化演替的本质、规范人类的活动、指导草
地管理和改良实践、维护草地生产力和生态功能的
可持续性都具有重要的意义[ 1, 9]。黑土滩退化草
地作为青藏高原高寒草甸退化草地的特殊产物, 其
显著特征是具有较高的秃斑盖度,综合分析草地秃
斑地形成的规律,对揭示高寒草甸退化机理尤为重
要[ 9]。但对于起因于人类的生产活动、与草地性状
变化密切相关且大量存在的秃斑在草地退化中的作
用,目前却鲜见报导。
草地的秃斑和鼠洞的分形研究是对草地退化特
征研究的深化和量化, 也是草地退化研究的创新和
前缘。为此, 对高寒草甸黑土滩退化草地不同退
化阶段的秃斑和鼠洞形状特征与草地退化的关系作
初步探讨,试图通过比较深入的分析和科学的抽象,
为阐明黑土滩的形成机制提供依据。
1 材料与方法
1. 1 试验地概况
研究地点在青海省果洛藏族自治州玛沁县大武
滩的高寒草甸试验站 [ 6~ 8] , 地理坐标为 3417~ 34
27N, 1004~ 10026E, 海拔 3740~ 3780 m,为典
型的高原寒冷气候。无绝对无霜期, 年平均气温为
- 3. 9 左右, 0 积温为 914. 3 ,最冷月 1月的
平均气温为- 12. 6 , 最热月 7 月的平均气温为
9. 7 , 年均降水量 459. 2 mm, 其中 6- 9月降水量
约占全年降水量的 75%, 年蒸发量为 2471. 6 mm。
日照百分率为50%~ 65% ,年日照时数约 2576h,太
阳辐射强, 昼夜温差大; 野生牧草生长期约 110~
130 d。土壤类型以高山草甸土为主, 土层较薄, 厚
度一般为 30~ 60 cm, 母质以坡积物、残积物为主。
主要植被类型是以小嵩草( Kobresia Pygmaea)、矮
嵩草( K obr esia humili s )为建群种的高寒嵩草草甸。
1. 2 试验设计
采用以空间代替时间的研究方法, 据马玉寿
等[ 19] 对黑土滩退化草地分级标准,在试验区范围
内选择 4个典型样地, 分为中度、重度、极度退化草
地及未退化草地(对照) (表 1)。
表 1 样地概况
T able 1 The conditions of r epr esentative alpine meadow samples
样地类型
Represent ative alpine
meadow samples
坡度和坡向
Slope and aspect
植被状况
Conditions o f v eget ation
未退化草地
Nondegraded meadow 15,正南 South
以嵩草为优势种, 杂草较少,总盖度达 80%~ 95%以上,基本无秃斑
Kobres ia is the dom inant species and ruderal few. Whole coverage is over 80%~ 95% and Barren Pat ch is few
中度退化草甸
Medium degraded
meadow
11,西北
Northwest
嵩草属植物较多, 总盖度达 60%~ 75% , 其他植被成分有: 黄帚橐吾( L igulari a v irgaurea) , 鹅绒委陵菜( Potentil la
anser i na) ,甘肃马先蒿( Pedi cul aris kansuensis )等
K obresiais is the dominant species. Whole coverage is 60%~ 75% . T he ot her species are Ligular ia virgaurea, Po tentil
la anserina , Pedicular is kansuensis and so on
重度退化草甸
Heavy degraded
meadow
12. 5,东北
Northeast
以杂类草为主, 毒草比例较大,总盖度为 40%~ 50% ,优势种为冷蒿( A rtemi sia f r igida. )、白苞筋骨草(A j uga l upu
liua Max im . )、铁棒锤( A coni tum antho ra)、乳白香青( A naphali s l actea)、狼毒( Stell era chamaej asme L. )、摩苓草
( Mori na coulter i ana)等
Ruderal is the dominant species and poison g rass is secondary. Whole coverage is 40%~ 50% . The dom inant species
are A rtemis ia f r igi da Milld. , A j ugal upul iua M axim. , A naphali s l actea, Stel lera chamaej asme , Mori na coulter iana
and so on
极度退化草甸
Ex treme degraded
meadow
17,正南 South
秃斑几近连通, 约 90%的草皮表层被剥蚀, 心土裸露,土壤粗骨性强
The barren pat ch nearly connected. About 90% of the grass surfa ce has been denuded. Subsoil expo sed and ha s a
character istic o f st rong and thick
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第 4期 林慧龙等:江河源区 黑土滩退化草地秃斑与鼠洞的分形特征
由于未退化草地基本没有秃斑,而极度退化草
地的秃斑几近联通, 表土为暗褐色,因而呈现大面积
黑土滩景观。2009年 7- 8月在中度和重度退化样
地沿海拔梯度用样线法[ 20] 分高、中、亚低、低坡放置
样线(表 2) , 3次重复, 通过目视法分异秃斑和鼠洞,
计测秃斑和鼠洞的几何特征, 测定方法参照林慧龙
和王钊齐的方法[ 21] 。
表 2 不同海拔坡段样线的设置
T able 2 The installation o f example line along elevat ion
重度退化 H eavy degraded meadow
坡段
Slope zon e
海拔
Elevation, m
地理坐标
Geographic coordinates
中度退化 Medium degrad ed meadow
坡段
S lope zone
海拔
Elevat ion, m
地理坐标
Geograp hic coordinates
高坡
H igh slope
38203870 N342224E 1001235~
N342725E 1001246
高坡
High s lope
38203870 N342729E1001232~
N342724 E1001232
中坡
M iddle slop e
37903820 N342726E 1001243~
N342224E 1001235
中坡
Middle s lope
37853820 N342733E1001231~
N342729 E1001232
亚低坡
Sub low s lope 37633790
N342726E 1001246~
N342726E 1001243
亚低坡
Sublow s lope 37763785
N342734E1001230~
N342733E 1001231
低坡
L ow slope
37543763 N342726E 1001247~
N342726 E1001246
低坡
Low slope
37633776 N342735E1001236~
N342734E 1001230
1. 3 测算指标
1. 3. 1 斑块密度[ 22] : PD i= N i / A i 式中, PD i 为 i
类斑块的密度, N i 为 i类斑块的个数, A i 为 i类斑
块的总面积。i= 1, 2, 1代表禿斑, 2 代表鼠洞斑块,
下同。
1. 3. 2 斑块破碎度指数[ 22] F= A i
A i
,其中, A i 为 i
类斑块的平均面积, A i 为 i类斑块的总面积。i= 1,
2。F 越小,表明斑块越破碎。
1. 3. 3 斑块形状指数 D 通过计算斑块形状与相
同面积的圆之间的偏离程度来测量其形状的规整程
度。计算公式为 [ 21] :
D= 2 A / P
式中, P 为斑块周长; A 为斑块面积。斑块形状
指数 D越接近于 1,表示斑块形状与圆越相近。否
则,斑块形状与圆形相差越大,形状越不规则。
1. 3. 4 斑块分形维数 FD 定量刻画斑块形状的
复杂程度。计算公式为[ 21] :
FD= 21n(
P
4
) / In( A )
1. 3. 5 顺坡方向连通度 Ci 草地被 i类斑块分割
的程度。计算公式为 [ 22] :
C i=
j
l ij / L
式中, L 为样线长度, lij为样线上 i类第 j个斑
块穿越样线的长度。i= 1, 2。
1. 3. 6 斑块的 ShannonWiener多样性指数 若以
斑块顺坡方向连通度作为斑块出现概率的近似, 则
斑块的 ShannonWiener 多样性指数可按下式计算:
H= -
j
C j InC j
C j 为样线上第 j个斑块的顺坡方向连通度。
1. 4 数据分析
不同退化阶段、不同坡位、不同类型斑块(鼠洞
或秃斑)的形状指数和分形维数的独立样品 T 检验
( Independent Samples Ttest ) 和单因素方差分析
( OneWay ANOVA )使用 SPSS 12. 0软件完成。
2 结果与分析
2. 1 对鼠洞和秃斑几何形状的统计描述
表 3是鼠洞几何形状的统计描述。中度退化区
只是在低坡处才有鼠洞出现, 顺坡方向连通度仅为
6. 19% ,而重度退化区由高坡渐次向低、亚低和中坡
扩展,顺坡方向连通度依次由 5. 97% 渐次增大为
18. 11%、19. 87%、26. 77%, 中、低和亚低坡是重度
退化区鼠害高发区。各坡段鼠洞个数、总面积和鼠
洞破碎度指数大体呈现反变关系, 即鼠洞总面积越
大,破碎度越小,表明鼠洞越破碎。根据系统理论,
个体之和的作用小于整体, 说明鼠洞总面积越大,鼠
洞的功能减弱。经方差分析, 鼠洞图形形状指数具
有方差齐次性,多项式比较显示中度退化区和重度
退化区鼠洞形状指数差异显著, 表明鼠洞形状与退
化程度相关, 即退化程度造成鼠洞斑块与外界的物
质、能量交换活跃程度有较大差别; 多重比较显示,
在 0. 05和 0. 01水平下不同退化程度不同坡段差异
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草 地 学 报 第 18卷
显著,其中在中度退化区低坡、重度退化区高坡鼠洞
形状指数与重度退化区低、亚低和中坡的差异显著
( P< 0. 05) , 表明中度退化区低坡和重度退化区高
坡鼠洞图形较重度退化区低、亚低坡和中坡紧密,
即与外界的物质、能量交换相对不活跃。根据形状
和功能的一般性原理 [ 20] ,紧密型形状在单位面积中
的边缘比例小, 有利于保蓄能量、养分和生物;反之,
松散型形状的鼠洞易于促进斑块内部与外部环境的
相互作用, 尤其是与外界的物质、能量交换活跃。鼠
洞图形分形维数具有随鼠洞总面积增加而增加的趋
势,说明随鼠洞总面积的增加,鼠洞图形形状越来越
复杂。经方差分析, 鼠洞图形分形维数具有方差齐
次性,多项式比较显示中度退化区和重度退化区鼠
洞分形维数差异显著, 表明鼠洞图形分形维数与退
化程度相关, 表明中度退化区鼠洞的类型格局较重
度退化区的简单; 多重比较显示,在 0. 05和 0. 01水
平下不同退化程度不同坡段差异显著, 但中度退化
区低坡和重度退化区高坡分形维数均值低于重度退
化区中、亚低和低坡的,表明鼠害的扰动在重度退化
区低、亚低、中坡加剧, 导致鼠洞图形复杂度加大。
表 3 鼠洞几何形状的统计描述
T able 3 Descript ive Statistics o f mouse ho le geometry
坡段 Slope zone
中度退化 Medium deg raded meadow
低坡
Low slope
重度退化 Heavy deg raded meadow
高坡
High slope
中坡
M iddle slope
亚低坡
Sublow slope
低坡
L ow slope
个数 Number 12 25 44 26 13
总面积 T ot al area, m2 1. 78 6. 13 8. 26 4. 15 2. 83
斑块密度 Pat ch densit y, Number m- 2 6. 74 4. 08 5. 33 6. 27 4. 59
平均面积 Average area, m2 0. 15 0. 13 0. 25 0. 20 0. 19 0. 19 0. 16 0. 13 0. 22 0. 20
破碎度指数 Fragmentat ion deg ree, % 8. 43 4. 08 2. 30 3. 86 7. 77
形状指数 Shape index 0. 60 0. 10ab 0. 65 0. 09a 0. 58 0. 11b 0. 56 0. 09b 0. 53 0. 12b
分形维数 Fracta l dimension 1. 11 0. 04ab 1. 08 0. 03b 1. 13 0. 08a 1. 13 0. 05a 1. 15 0. 07a
顺坡方向连通度 Connection extent along the slope, % 6. 19 5. 97 26. 77 19. 87 18. 11
注: 同行中具有不同标记字母的差异显著(P< 0. 05) , 下同
Not e: M eans wit h diff erent lett ers in t he same line indicate significant differences at P< 0. 05, the same as below
表 4是秃斑几何形状的统计描述。中度退化区
秃斑主要发生在低和亚低坡处, 顺坡方向连通度分
别仅为 2. 27%和 1. 60% ,而重度退化区秃斑的个数
是中度退化区的 9倍,依次发生在低、高、中和亚低
坡, 顺坡方向连通度依次为 11. 56%、6. 98%、
5. 31%和 2. 17%。各坡段秃斑总面积和秃斑破碎
度指数并不严格呈现反变关系。经方差分析, 秃斑
形状指数具有方差齐次性, 多项式比较显示中度退
化区和重度退化区秃斑形状指数差异显著, 中度退
化区秃斑形状指数大于重度退化区,表明退化越严
重,秃斑越松散, 特别是在重度退化的低和亚低
坡,表明退化越严重, 秃斑与外界的物质、能量的交
换越活跃, 这也与秃斑地土壤侵蚀的地貌特征相一
致;多重比较显示,在 0. 01和 0. 05水平下不同退化
程度不同坡段秃斑形状指数差异显著, 表明秃斑形
状与所处坡段相关(表 4)。其中, 在重度退化区随
着坡段的升高秃斑变得越紧密, 与外界的物质、能
量交换相对不活跃。经方差分析,秃斑图形分形维
数不具有方差齐次性; 按方差非齐性多项式比较显
示中度退化区和重度退化区秃斑分形维数差异显
著,分形维数均值总体上呈现了中度退化区的低于
重度退化区, 表明退化程度越严重,秃斑的复杂程度
增高,可能指示不同的退化程度构成了秃斑的等级
结构[ 22]。按方差非齐性多重比较同一退化程度不
同坡段下秃斑图形分形维数差异不显著, 表明在同
一退化程度的尺度范围秃斑图形具有统计自相似性
( Self sim ilar ity) [ 22] (表 4)。
2. 2 鼠洞和秃斑的斑块密度和破碎度指数比较
2. 2. 1 中度退化区鼠洞和秃斑斑块密度和破碎度
指数比较 中度退化区秃斑斑块密度为 19. 05(个
m- 2 ) , 是鼠洞斑块密度的 2. 83 倍。鼠洞的破碎
度指数远低于秃斑, 其中秃斑低坡的破碎度指数是
鼠洞的 4. 19倍。表明中度退化区鼠洞较秃斑破碎。
2. 2. 2 重度退化区鼠洞和秃斑密度和破碎度指数
比较 重度退化区鼠洞和秃斑的斑块密度分别为
5. 05和 7. 57(个 m- 2 ) ;破碎度指数分别为 0. 93%
和 2. 56% ,显然鼠洞较秃斑破碎。
2. 2. 3 两类退化草地总体上鼠洞和秃斑密度和破
碎度指数比较 两类退化草地总体上鼠洞和秃斑的
斑块密度分别为 5. 18和 8. 82(个 m- 2 ) ;破碎度指
数分别为 0. 83%和 1. 96% ,显然鼠洞较秃斑破碎。
480
第 4期 林慧龙等:江河源区 黑土滩退化草地秃斑与鼠洞的分形特征
表 4 秃斑几何形状的统计描述
Table 4 Descr iptiv e Stat istics of barr en patch geometr y
坡段
Slope zone
中度退化 Medium degraded meadow
高坡
High s lope
中坡
Middle slope
亚低坡
Sublow s lope
低坡
Low slope
重度退化 Heavy degraded meadow
高坡
High s lope
中坡
M iddle s lope
亚低坡
Sublow slope
低坡
Low slope
个数 Number 3 2 4 3 22 9 3 5
总面积 Total ar ea, m2 0. 09 0. 03 0. 17 0. 34 2. 78 1. 18 0. 32 0. 87
斑块密度 Patch den sity, N umber m- 2 33. 33 66. 67 23. 53 8. 82 7. 91 7. 63 9. 38 5. 75
平均面积 Average area, m2 0. 03 0. 01 0. 02 0. 00 0. 04 0. 02 0. 12 0. 07 0. 13 0. 09 0. 13 0. 06 0. 11 0. 10 0. 17 0. 07
破碎度指数 Fragmentation degree, % 33. 33 66. 67 23. 53 35. 29 4. 68 11. 02 34. 38 19. 54
形状指数 Shape index 0. 75 0. 49a 0. 70 0. 10ab 0. 77 0. 06a 0. 68 0. 07ab 0. 62 0. 08bc 0. 60 0. 12 bc 0. 56 0. 10c 0. 51 0. 09c
分形维数 Fractal dimension 1. 06 0. 02 1. 10 0. 05 1. 05 0. 03 1. 08 0. 03 1. 11 0. 04 1. 12 0. 07 1. 14 0. 04 1. 15 0. 04
顺坡方向连通度
Connection extent along the slope, %
0. 29 0. 23 1. 60 2. 27 6. 98 5. 31 2. 17 11. 56
2. 3 鼠洞和秃斑形状指数的比较
2. 3. 1 中度退化区鼠洞和秃斑形状指数的比较 中
度退化区样线上鼠洞的个数与秃斑的相当,鼠洞形状
指数均值为 0. 60, 变异系数 17. 31%; 秃斑的形状指
数均值为 0. 73,变异系数 9. 25%。经独立样品 T 检
验,显示鼠洞和秃斑形状指数差异显著,说明在中度
退化区秃斑的形状远较鼠洞形状紧密,表明鼠洞与
外界的物质、能量交换较秃斑活跃。
2. 3. 2 重度退化区鼠洞和秃斑形状指数的比较 重
度退化区样线上鼠洞的个数是秃斑的 2. 8倍,鼠洞的
形状指数均值为 0. 58, 变异系数 18. 52%。秃斑的形
状指数均值为 0. 60,变异系数 15. 97%。经独立样品
T 检验,显示鼠洞和秃斑形状指数差异不显著。
2. 3. 3 两类退化草地总体上鼠洞和秃斑形状指数的
比较 两类退化草地总体上鼠洞的形状指数最大为
0. 84,最小 0. 19, 平均为 0. 59, 变异系数 18. 34%。
样线上鼠洞的个数是秃斑的 2. 4倍。秃斑的形状指
数最大为 0. 81, 最小 0. 41, 平均为 0. 63, 变异系数
16. 80%。经独立样品 T 检验, 显示鼠洞和秃斑形状
指数差异显著。表明秃斑与外界的物质、能量交换较
鼠洞活跃。
2. 4 鼠洞和秃斑分形维数的比较
2. 4. 1 中度退化区鼠洞和秃斑分形维数的比较 中
度退化区鼠洞分形维数均值为 1. 11, 变异系数
3. 99%; 秃斑的分形维数均值为 1. 07, 变异系数
2. 83%。经独立样品 T 检验, 显示鼠洞和秃斑分形
维数差异显著, 说明在中度退化区鼠洞图形较秃斑复
杂,秃斑显示了相对较简单的格局。
2. 4. 2 重度退化区鼠洞和秃斑分形维数的比较 重
度退化区鼠洞的分形维数均值为 1. 12, 变异系数
5. 79%。秃斑的分形维数均值为 1. 12, 变异系数
4. 2%。经独立样品 T 检验,显示鼠洞和秃斑分形维
数差异不显著。
2. 4. 3 两类退化草地总体比较 两类退化草地总体
上鼠洞的分形维数最大为 1. 52, 最小 1. 01, 平均为
1. 12,变异率 5. 63%。秃斑的分形维数最大为 1. 23,
最小 1. 03, 平均为 1. 10, 变异率 4. 39%。经独立样
品 T 检验,显示鼠洞和秃斑分形维数差异不显著。
2. 5 斑块多样性指数比较
斑块的ShannonWiener 多样性指数计算结果见
表 5、表 6。
表 5 中度退化区斑块多样性指数
T able 5 Patch div ersity index along elevat ion
in Medium degr aded meadow
高坡
H igh slope
中坡
Middle slope
亚低坡
Sublow s lope
低坡
Low slope
总体
T otal
1. 69 1. 40 6. 62 25. 81 35. 52
表 6 重度退化区斑块多样性指数
T able 5 Patch div ersity index along elevat ion
in Heavy deg raded meadow
高坡
H igh slope
中坡
Middle slope
亚低坡
Sublow s lope
低坡
Low slope
总体
T otal
35. 41 50. 87 40. 42 55. 89 182. 58
中度退化区斑块多样性指数明确地反映了一个
从低坡向高海拔逐渐减小的空间梯度(表 5) , 说明斑
块类型在中度退化区沿高坡至低坡呈均衡化趋势分
布。而重度退化区并不呈现这一规律(表 6)。在重
度退化区,破碎化程度越高,其不定性的信息含量也
越大,计算出的多样性值也就越高。整体上,重度退
化区斑块多样性指数是中度退化区的 5. 14倍,表明
重度退化区斑块结构组成复杂程度远较中度退化
区高。
481
草 地 学 报 第 18卷
3 讨论
3. 1 秃斑地的热岛效应对土壤有机碳的环境效
应研究亟待开展
未退化高寒草甸由草皮层、土壤层和冻土层形成
了固有的水、热循环模式(图 1A) , 由于过度放牧等因
素(图 1B)促进了秃斑的形成。破碎化成为退化高寒
草甸的景观特征(图 1C) , 高寒草甸景观由单一、均质
和连续的整体(图 1A)趋向于复杂、异质和不连续的
斑块镶嵌体(图 1C、D) ,体现了长期的人类活动影响
的结果。秃斑犹如嵌置在高寒草地上的病灶,改变
了原有的水、热循环模式, 其土壤蓄水能力变差 [ 23] ,
温度对高寒草甸生态系统土壤有机碳吸收和排放产
生很大影响[ 24]。据杜岩功等 [ 12]报道,退化高寒草甸
的生长季表土均温比适牧高寒草甸高 0. 36 , 这可
能是由于放牧家畜在高寒草甸上形成的 秃斑, 由
于土壤压实,土壤的容积热容量增加,导热率增加,热
扩散率也增大 [ 25]。导致 秃斑产生更多的长波辐
射,其热岛效应 不仅加剧了长期适应高寒地区生
态环境的天然植被的水分蒸散, 降低了牧草的蓄水
量,影响牧草的正常发育, 也势必改变土壤有机碳的
转化模式。实际上, 在高寒草甸由原生高寒嵩草草甸
退化到 秃斑地, 秃斑地逐渐扩大为黑土滩的
退化过程中, 导致表层土总有机碳由 47. 47 g kg- 1
下降到 17. 63 g kg- 1 [ 26] , 流失达 62. 86% , 王俊峰
等[ 27, 18]观测了青藏高原高寒草甸生长期内土壤 CO2
的排放, 发现严重退化的高寒草甸 CO 2 的排放通量
是未退化的 1. 11- 1. 78 倍。但秃斑地的热岛效
应对土壤有机碳的环境效应研究未见报道。
3. 2 土壤结构优先于植被盖度, 是解说高寒草地放
牧侵蚀的主要方面
中度退化区在秃斑顺坡方向连通度分别为
0. 29%、0. 23%和 1. 6%的高坡、中坡和亚低坡均没
有鼠洞出现,说明秃斑的出现早于鼠洞。从鼠害发生
的动因解说,首先是由于放牧过度, 引起秃斑的大量
出现(秃斑顺坡方向连通度> 2%) ,秃斑及其热岛效
应引起了原生高寒草甸固有的水、热循环模式(图
1)的改变, 从而破坏了原有的土壤结构,使得鼠害得
以大量侵入(图 2)。
众所周知, 全球约 80% 的土壤侵蚀发生在草
地[ 29]。但放牧导致的土壤侵蚀研究 ( Grazingin
duced ero sion) 还停留在植被侵蚀关系上[ 30] , 甚至
在模拟放牧草地土壤侵蚀时, 也是以放牧强度植被
盖度土壤侵蚀 3者之间的关系为依据 [ 31, 32] , 即通常
将放牧草地的植被盖度作为土壤侵蚀的唯一解释变
量。Thor nes[ 32] 提出: 放牧侵蚀与草地盖度呈负相
关, 侵蚀量随盖度的降低而线性增长, 在盖度低于
30%而呈现指数式增长。通过本试验观测发现: 侵蚀
量随盖度变化的研究仍然没有脱离土壤侵蚀研究传
统方法的羁绊,在高寒嵩草草甸放牧侵蚀量首要受土
壤结构的制约,土壤结构优先于植被盖度, 是矛盾的
主要方面。
3. 3 秃斑的顺坡方向连通度对渗透过程的临界阈作用
中度退化区斑块以面积小、离散性高为主要特
征; 重度退化区随着秃斑的大量出现, 顺坡方向连通
度从 2. 17%增加到 11. 56% (表 4) , 鼠洞相携大量发
生, 顺坡方向连通度从 5. 97%巨增到 26. 77%。如果
秃斑的热岛效应不能得到有效遏制,则鱼鳞坑状秃
斑会大量呈现(图 1D) ,即使停止放牧,在昼夜热胀冷
缩、融冻剥离和风蚀水蚀的作用下[ 10] ,鱼鳞坑状秃斑
不断扩大和联通, 最后出现大面积裸露地, 即形成灾
难性后果成片的黑土滩(图 1E)。即斑块从高度
离散状态突然转变为高度联通状态,这是一个从量变
到质变的过程。渗透理论最突出的要点就是当达到
某一临界密度时,渗透物能够突然从媒介材料的一端
到达另一端,实现从量变到质变的过程 [ 33]。秃斑的
顺坡方向连通度是否对这种渗透过程起着临界阈的
作用,有待进一步研究。至少有一点可以确定,由于
突破了秃斑发生的临界阈, 使得鼠害大量发生,从而
模糊了鼠洞图形与秃斑图形的界限,使得二者在重度
退化区的形状指数和分形维数差异不显著。上述讨
论自然会联想到能量、物质和生物在斑块中的运动与
斑块联通之间的许多问题。对于这些生态学过程而
言, 是否存在某一临界联通度, 从而产生类似于渗透
过程 [ 22]的突变或阈值现象? 其在放牧侵蚀[ 9] 中的意
义又是什么? 如草地土壤斑块(鼠洞和秃斑)格局与
放牧侵蚀过程的研究往往体现在斑块格局对土壤侵
蚀的影响上。斑块格局对放牧侵蚀的影响往往表现
在 3个方面。一是不同斑块大小,包括不同类型斑块
面积所占比例和每类斑块破碎度; 二是斑块的形状,
由于不同斑块对于土壤侵蚀的功能不同,因此不同斑
块的不同形状对于土壤侵蚀都有不同的意义;三是斑
块的排列顺序,尤其是在沿坡面方向的排列顺序不
同, 对土壤侵蚀的影响也不同。但专门针对放牧侵蚀
发生的机制和影响因素的实际研究还比较缺乏[ 9]。
斑块(鼠洞和秃斑)格局与过程的相互作用将是下一
步研究的重点。由于不同斑块对于土壤侵蚀的功能
不同,因此不同斑块的不同形状特征对于土壤侵蚀的
意义也有待进一步探索。
482
第 4期 林慧龙等:江河源区 黑土滩退化草地秃斑与鼠洞的分形特征
图 1 秃斑的热岛效应在放牧侵蚀风险控制中的地位示意图
F ig . 1 The schematic of heat island effect of barr en patch in t he r isk cont rol of g razing induced ero sion
4 结论
4. 1 斑块类型在中度退化区沿高坡至低坡呈均衡
化趋势分布。重度退化区斑块多样性指数是中度退
化区的 5. 14倍,表明重度退化区斑块结构组成复杂
程度远较中度退化区高。两类退化草地(中度、重度
退化)总体上鼠洞和秃斑斑块密度相当, 但鼠洞较秃
斑破碎; 鼠洞和秃斑形状指数差异显著。表明秃斑
与外界的物质、能量交换较鼠洞活跃。但分形维数
差异不显著。
4. 2 低、亚低和中坡是重度退化区鼠害高发区, 鼠
洞个数、总面积、顺坡方向连通度依次增大,破碎度
指数减小,表明鼠洞越破碎,鼠洞的功能减弱。鼠洞
图形复杂度加大, 呈松散型形状,易于发生鼠洞斑块
内部与外部环境的能量、物质和生物方面的交换。
483
草 地 学 报 第 18卷
图 2 高寒草甸秃斑和鼠洞出现的先后顺序
F ig . 2 The emerging sequence of barr en patches
and mouse ho les in alpine meadow
注:箭头的粗细代表土壤侵蚀的强度。
Note: Arrow thickness repres ents the intensity of the soil erosion.
4. 3 在同一退化程度的尺度范围秃斑图形具有统
计自相似性。退化程度越严重, 秃斑的复杂程度增
高,秃斑与外界的物质、能量的交换越活跃, 这也与
秃斑地土壤侵蚀的地貌特征相一致。能够指示不同
的退化程度构成的秃斑等级结构。
4. 4 中度退化区秃斑密度是鼠洞的 2. 83 倍, 秃斑
的形状远较鼠洞形状紧密, 表明鼠洞与外界的物
质、能量交换较秃斑活跃。鼠洞图形远较秃斑复杂,
表明中度退化区秃斑的类型格局较鼠洞的简单。鼠
洞只在低坡处才出现,且鼠洞较破碎,低坡秃斑的破
碎度指数是鼠洞的 4. 19倍。这成为秃斑在高寒草
甸退化序列上先于鼠洞出现的有力证据。
4. 5 重度退化区样线上鼠洞的个数是秃斑的 2. 8
倍,由于突破了秃斑发生的临界阈,使得鼠害也大量
发生,表现在鼠洞和秃斑的斑块密度相当,鼠洞较破
碎,从而模糊了鼠洞图形与秃斑图形的界限, 使得二
者在重度退化区的形状指数和分形维数差异不显著。
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