聂祥琴 杨胜会 杨琴 张淑炜 陈可可 陈关飞 程华 赵学春 董瑞 李舟 魏建洲 金宝成

摘 要：以貴州省草地为研究对象，基于贵州省30米分辨率地表覆盖数据集，运用地理信息系统、相关分析和主成分回归分析方法，探索了贵州省天然草地空间分布及其影响因素。发现贵州省草地面积约178.51万公顷，约占贵州省国土面积1/10，主要分布于西部地区的毕节、安顺、六盘水和兴义等市。草地主要分布于低温、高湿和高海拔的条件下，与人类活动强度相关性较小。贵州省草地是森林植被遭到人为破坏后形成的次生草地，在温度较高、海拔较低的区域，经过人类破坏后形成的草地，可以迅速向灌木和林地演替，在温度较低、降水较多、海拔较高的地区正向演替困难，能够形成比较稳定的次生草地，形成草地主要分布于温度较低、海拔较高，湿冷的环境空间格局。希望本研究能够为更好地开发利用贵州省草地资源提供一定的决策支持。

关键词：贵州省;天然草地;群落演替;主成分回归分析

中图分类号：S812.8

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2021）03-0029-07

国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.03.005

A GIS Based Spatial Distribution Analysis of Grassland in Guizhou Province

NIE Xiangqin1，2，YANG Shenghui1，3，YANG Qin1，ZHANG Shuwei1，CHEN Keke1，CHEN Guanfei1，CHENG Hua4，ZHAO Xuechun1，DONG Rui1，LI Zhou1，WEI Jianzhou5 ，JIN Baocheng1*

（1.College of Animal Science，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China;2.Fujian Agriculture And Forestry University Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation，Fujian Agriculture And Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;3.State Key Laboratory of Grassland Agroecosystems/College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730020，China;4.School of Life Sciences，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000，China;5.Center for Quantitative Biology/College of Science，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu 730000，China）

Abstract：

This paper took grassland in Guizhou province as research object，and the spatial distribution of natural grassland and their influencing factors were explored using GIS methods，correlation analysis and principal component analysis based on the 30-meter resolution land cover data set of Guizhou province.The results showed that the grassland of Guizhou province was about 1，785，100 hectares，accounting for about 1/10 of the territory of Guizhou province.The grassland of Guizhou province mainlydistributed in Bijie，Anshun，Liupanshui，and Xingyi.Grassland mainly distributed under the conditions of low temperature，high humidity and high altitude，and had no correlation with the intensity of human activities.The grassland in Guizhou province was the secondary grassland formed after the destruction of forest vegetation by human factors.In the regions with higher temperature and lower altitude，the grassland formed after the destruction of human beings can be quicklyreplaced by shrub and forest.However，the progressive succession was difficult for areas with low temperature，high precipitation and high altitude，forming relatively stable secondary grassland and the specific wet-cold environment spatial distributed pattern.We hoped that this study can provide decision support for the better development and utilization of grassland resources in Guizhou province.

Keywords：

Guizhou Province;natural grassland;community succession;principal component analysis

草地种类繁多，空间分布广泛，是陆地生态系统的重要组成部分[1-3]。草地在经济、生态和社会等方面均具有较高的价值[4- 5]。草地生态系统向人类社会提供大量的植物资源、畜牧产品[6-7]。南方草地多属于热带和亚热带湿润气候，水热资源丰富，草山草坡面积大，具有发展草地农业的巨大潜力[8]。贵州省位于中国西南部，属于比较典型的南方草地，草地资源丰富[9-10]，草地资源类型主要有山地丘陵灌木草丛类草地、山地丘陵疏林草丛类草地、山地丘陵草丛类草地、低地草甸类草地、山地草甸类草地、平原沼泽类草地[11]。各种类型草地大多零星分布于林地、农地、山岭、河谷之间[12-13]。

贵州省草地空间分布与温度和降水等自然条件有关，同时也受到社会经济等因素影响。一般传统观点认为，贵州天然草地为森林植被遭受人类活动破坏后逆向演变而成[14-16]，大多数草地不稳定，正处于向灌木和林地的演替过程之中，而只有少部分草地处于比较稳定的次生的偏途顶极群落—“土壤顶极”，已不能恢复成森林。如果没有人类活动影响，在南方地区高温度和湿度的气候条件下，短时间内会朝着灌木—森林的方向正向演替[17-23]，说明人类活动应该是南方草地空间分布的重要影响因素。贵州地形破碎，立体气候明显，土壤多为酸性[24]，草地类型繁多，退化严重[25]，岩溶区草地面积占草地总面积超过50%，其中接近40%的草地发生了轻度及以上的石漠化[26-27]，分析贵州省草地空间分布及其影响因素，有助于促进草地生态畜牧业发展，还有利于贵州省水土保持和生态环境的恢复[26-28]，促进区域经济社会发展。但是，目前对贵州省草地空分布影响因素的定量分析尚未见报道。

本研究以贵州草地为研究对象，基于地理信息系统技术，获得贵州草地空间分布，继而分析其与温度、降水、海拔和社会经济等因素相关关系，希望能够加深理解贵州草地分布形成机制，能够为更好地开发利用贵州省草地资源，为草地生态建设提供一定的决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省位于中国西南部，东经103°62′～109°55′、北纬24°59′～29°23′，海拔147～2 900 m。亚热带湿润季风气候[29]，大部分地区年平均气温在14～16℃，降水量1 100～1 300 mm，无霜期250～300 d（中国气象数据共享网：http：//data.cma.gov.cn/）。土壤类型以黄壤为主[30]。以石灰岩及其他碳酸盐为主的喀斯特地貌在全省广泛分布[31- 32]。草地资源丰富，主要有山地丘陵灌木草丛、山地丘陵疏林草丛、山地丘陵草丛、低地草甸、山地草甸、平原沼泽等草地类型[11]。

1.2 研究方法

收集数据包括草地空间分布、自然条件和人类活动等三个方面（表1）。自然影响因素包括：气候数据（年平均气温、≥10℃积温、年平均降水量、干燥度、湿润指数）[33-34]、土壤（年平均表层土壤温度）、地形数据（海拔DEM）;使用人口[35]和GDP [36-39]表征人类活动。草地空间分布来自全球地表覆盖数据集（FROM-GLC-agg）30米分辨率土地利用数据[40-43]，在ArcMap10.8软件中提取贵州省草地空间分布数据。

采取单因素线性相关分析、逐步回归分析和主成分分析来探索影响贵州省草地空间分布的因素。先用Excel 2010做单因素线性相关分析，以82个县区的草地面积比例为分析样本，筛选出对草地面积比例影响程度较大的因素，然后用SPSS 24.0做逐步回归分析。主成分分析利用SPSS 24.0软件，对原始数据进行标准化，然后对9个因子提取主成分，根据主成分的分布情况分析影响贵州省草地分布的主要因素。

2 结果与分析

2.1 贵州省草地概况

贵州省草地面积178.51万hm2，占贵州省国土面积的10.13%（图1）。具有很强的空间异质性，主要分布于西部地区的毕节、安顺、六盘水和兴义等市，而东部的铜仁、凯里和都匀等市则分布较少。

以行政区划县来进行统计，毕节市、水城县、盘县、大方县、晴隆县等5个县市的草地面积比例超过30%（图2），而锦屏县、长顺县、松桃苗族自治县、江口县、平坝县、清镇市等6个县市的草地面积比例小于1%（图2）。

2.2 相关性分析

表层土壤温度、年平均降水量、人口和GDP等4个因素与草地面积比例相关性不显著（P>0.05），年平均气温、≥10℃年积温、干燥度、湿润指数和海拔高程等5个因素与草地面积比例相关性显著（P<0.05），其中海拔高程（DEM）和湿润指数与草地面积比例正相关，而年平均气温、≥10℃年积温和干燥度与草地面积比例负相关（图3）。

因此，选取年平均气温、≥10℃积温、干燥度、湿润指数和海拔高程等5个因素进行线性回归分析，通过模型的筛选，最后只有干燥度和多年平均气温通过检验，线性回归方程如下：

Y=72.78-48.06X1-1.79X2，

式中，Y代表草地面积百分比，X1代表干燥度，X2代表年平均气温，单位℃。最终回归方程的R2为0.37，同时P<0.01，说明自变量与因变量的线性关系较密切，相关关系极显著。

2.3 主成分回归分析

各因素Bartlett检验F值等于0.00，表明所取数据来自正态分布总体，KMO检验值0.66大于0.5，说明可以进行主成分分析。贵州省草地空间分布的各主成分的特征值、贡献率和累积贡献率见表2，其中特征值大于1的主成分有三个，解释能力分别为40.66%，28.74%和21.01%，累计贡献率达到90.41%，表明这三个因子包含了绝大部分信息，其变化可以代表前述9个原始变量的變化，因此本次研究最终提取前三位主成分。

将上述三个因子进行方差最大旋转后的转轴分析结果进行大小排列（表3）。对表中负荷量大于0.5的因素分析表明，第一主成分在≥10℃积温、年平均气温、表层土壤温度、海拔高程（DEM）上有较大载荷，因此命名为温度海拔因子。第二个主成分与干燥度、湿润指数和年平均降水量相关，因此命名为水分因子。第三个主成分与GDP和人口有关，从GDP和人口方面反映经济发展水平，因此命名为人类活动因子。

将所获得的三个主成分作为自变量与草地面积比例在SPSS 24.0中作逐步线性回归分析，最后第一主成分与第二主成分通过筛选，得到的线性回归方程如下：

Y=8.80 -1.66C1+3.09 C2，

式中，Y代表草地面积百分比，C1代表第一主成分，C2代表第二主成分。最终回归方程的R2为0.37，同时P<0.01，说明第一主成分和第二主成分與因变量的线性关系较密切，相关关系极显著。第一主成分为温度海拔因子，在回归方程中与草地面积比例回归系数为-1.66，与草地面积所占比例呈负相关关系，即温度海拔越高，草地面积越低;第二主成分为水分因子，在回归方程中与草地面积比例回归系数为3.09，与草地面积所占比例呈正相关关系，即水分因子越高，草地面积越高。相较于温度海拔因子对草地面积比例的影响，水分因子对草地面积比例影响更为显著。

3 结论与讨论

本文基于全球地表覆盖数据集（FROM-GLC-agg）30米分辨率土地利用数据[40-43]，得到贵州省草地面积约178.51万公顷，约占贵州省国土面积1/10。该数据低于前期贵州草山草坡占全省总面积20%以上的结果[11，15，18，27，44-47]，而与主要应用卫星遥感技术的第二次土地调查结果（163.13万公顷）接近，甚至大于近期草地资源调查数据（占全省国土面积6.54%）[10，48]。草地空间分布趋势与之前研究一致，尤其是连片草地，均主要分布于西部地区的毕节、安顺、六盘水和兴义等市[44，48]（图1）。贵州省草地破碎，地块面积偏小，卫星遥感数据可能会忽略较小的草地斑块，导致测量草地面积偏小。草地面积和空间分布是草地生物量及生物地球化学过程计算的基础[47]，对制定合理的草地资源利用和保护政策具有重要作用，未来研究应该探索从不同学科和技术方法，提高贵州省草地面积和空间分布数据的准确性。

之前研究认为贵州天然草地为森林植被遭受人类活动破坏后逆向演变而成[14-16]，大多数草地不稳定，正处于向灌木和林地的演替过程之中，而只有少部分草地处于比较稳定的次生的偏途顶极群落—“土壤顶极”，已不能恢复成森林。如果没有人类活动影响，在南方地区高温度和湿度的气候条件下，短时间内会朝着灌木—森林的方向正向演替[17-23]，说明人类活动应该是南方草地空间分布的重要影响因素。但是，本研究运用单因素线性相关分析和主成分回归分析方法，探索了贵州省天然草地空间分布的影响因素，发现草地分布与水分因子关系最大，温度因子和海拔高程因子次之，草地主要分布于低温高湿的地区，而与人类活动的相关性较小。

贵州省草地空间分布的决定因素是水分条件和温度，倾向于分布在高湿—低温的环境。许鹏等[49]提出非生物因素、生物因素、人类活动综合影响草地的论点，非生物因素对草地具有决定性的影响，水热条件在非生物因素中具有重要地位，决定着显域性的地带性草地的形成;地形和土壤基质对水热的再分配是决定隐域性与显域性草地非地带性形成的关键。水热条件也是作为草地高级分类单位的主导因素[50]，辛玉春等[51]、潘竟虎等[52]的研究进一步表明草地的分布受到水热及地形对水热再分配的影响。贵州省为丘陵地貌，海拔差异大，高海拔地区温度低，又能够有足够的水分保证，导致贵州草地呈现高海拔地区草地分布较多，而低海拔地区草地分布较低的现状。

形成以上空间分布格局的可能原因是贵州省的草地是森林植被遭到人为因素的破坏后而形成的次生草地，森林遭受破坏后，草地开始发生次生演替。在温度较高、海拔较低的区域，经过人类破坏之后形成的草地，则可以迅速向灌木和林地演替，而在温度较低、降水较多、海拔较高的地区正向演替成森林比较困难[22-23，53-55]，例如有研究表明美国东部低纬度弃耕地演替成50%林地植被覆盖所需时间为8～12年，中纬度需要16～25年，高纬度需41～60年[56]，短时间内不能演替成以高大乔木为优势的森林群落，形成比较稳定的次生草地，发展成为比较稳定的次生的偏途顶极群落—“土壤顶极”草地群落，最终形成的草地主要分布于温度较低、海拔较高、湿冷的环境空间格局。

贵州省草地面积178.51万公顷，约占贵州省国土面积1/10。具有很强的空间异质性，主要分布于西部地区的毕节、安顺、六盘水和兴义等市。通过单因素线性相关分析和主成分回归分析方法，探索草地空间分布影响因素，我们发现贵州省草地主要分布于低温、高湿的气候条件下，而与人类活动强度相关性较小。猜测形成以上空间分布格局的可能原因是：贵州省的草地是森林植被遭到人为因素的破坏后而形成的次生草地，在温度较高、海拔较低的区域，经过人类破坏之后形成的草地，则可以迅速向灌木和林地的演替，而在温度较低、降水较多、海拔较高的地区正向演替困难，成为比较稳定的次生草地，因此形成草地主要分布于温度较低、海拔较高，湿冷的环境的空间。

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