黄土高原退耕还林还草工程生态效应及作用机理研究

论文摘要

本项研究立足于生态学国际前沿课题一生态系统恢复与重建的基本思想，以生态和经济系统极为脆弱的黄土高原为研究对象，通过跨度两年的社会调查和近一年的实地观测试验，采用宏观与微观相结合的方法进行了研究。研究定位了黄土高原生态恢复阶段，诊断了生态系统的结构和服务功能，并以此为基础分析了黄土高原生态恢复过程的主要生态效应，最后探讨了黄土高原林草工程与生态系统变化交互作用的机理。得出主要结论如下：（1）黄土高原退化生态系统阶段确定提出了黄土高原生态环境退化形成与治理的因子触发-响应机制模型，对其生态系统与干扰因子的相互作用机制和生态退化阶段进行了定位，通过初步验证，认为：黄土高原本身维持生态系统自我发展的主导力脆弱，系统演变过程受干扰因子作用而偏离生态演替顶级的趋势提前，系统生态退化处于模型的第Ⅱ阶段，需要通过适宜的人为设计，促使生态系统向自我设计的恢复方向转变。（2）黄土高原退化生态系统结构与功能定位及生态恢复的功能影响机制通过分析黄土高原生态系统的结构，定位和构建了黄土高原生态系统的生态服务功能框架，并对植被恢复影响黄土高原生态系统服务功能的途径和机理进行了探讨。认为：植被恢复对黄土高原生态系统服务功能的影响途径主要通过水土保持功能、土壤保育功能、生物多样性和气候调节来完成。植被恢复随时间尺度和空间规模的不同，表现出不同的生态效应。（3）黄土高原植被恢复的主要生态效应从黄土高原植被的水土保持功能、土壤保育功能及生物多样性维护功能出发，采用试验和观测的手段分析了黄土高原植被恢复的生态效应：水土保持效应：土壤含水量呈现季节性动态变化，不同的植被类型对土壤水分的消耗及植被对雨水的截留能力差异导致土壤平均含水量增值，表现为自然植被＞人工植被＞对照。土壤的持水性能与植被类型和植被生长年限密切相关，植被截持水量乔木＞灌木＞草本。不同植被恢复方式影响着与土壤持水性能有关的土壤物理性质的变化，其中处于长期人为干扰下的对照的土壤物理性质变劣，主要表现在容重、砂粒含量增加，田间持水量、总孔隙度和土壤渗透性能下降。人工植被和自然植被土壤的物理性质有较大改善，变化相对较大的是天然次生林土壤，表现出较强的水文调节功能。植被恢复的土壤保育生态效应：不同的植被恢复方式导致了土壤质量的显著差异。人工植被和自然植被的土壤质量均比长期干扰下的对照土壤质量高，以天然次生林为主的自然植被土壤质量相对比人工林土壤质量高。不同植被恢复方式对土壤生物学特性影响的研究表明，自然植被＞人工植被＞对照。原因在于林地较高的凋落物质量，根系生物量以及物种组成的相对丰富，形成了良好的土壤生态条件。植被恢复的生物多样性效应：不同植被恢复类型、不同恢复年限植被种群和群落的变化有所差异，随着退耕年限的增加，林分郁闭度增大，撂荒地草本覆盖度增大。自然植被、人工植被的群落多样性指数都比农地提高，群落生态效应明显。撂荒初期，表现为物种丰富度和群落多样性指数越来越高，群落生物量也明显提高。总体上，自然恢复的天然次生林生物多样性恢复最快。（4）黄土高原植被恢复的气候效应研究通过分析（1982．1～2003．12）NOAA／AVHRR GIMMS NDVI数据和气象观测、数据分析，探讨了不同中尺度、县域尺度下植被覆盖和气候要素的关系；对于小尺度采用了局地小气候观测试验进行了分析。植被覆盖变化：22年来黄土高原植被明显改善，尤其是在近3年，植被指数增幅最高，达到11．54％。春季和秋季植被恢复较快，植被指数年均增加都为7．0×10-4。不同季节以春季和秋节植被恢复较明显，春、夏季的植被决定了全年的植被分布状况。此外，其植被覆盖变化存在明显的区域差异，NDVI呈现由西北向东南递增的趋势。黄土高原植被变化与不同尺度气候因子的相关性表明：在中尺度上，植被指数与温度相关性不明显，其相关性的空间结构和植被变化的空间结构基本一致，但温度和NDVI之间为弱相关性。县域尺度上相关分析表明：除气温外，黄土高原典型生长季植被恢复对安塞年均、春季及夏季气候影响显著，以夏季响应最敏感，当生长季植被指数升高0．01时，夏季降水增加86．75mm，蒸发和风速分别下降115．77mm和0．08 m·s-1，年均风速随黄土高原年均植被指数增加0．01时下降0．09 m·s-1。黄土高原不同植被恢复局地小气候生态效应强度比较：相同年限的植被小气候效应比较表明，人工植被＞自然恢复＞对照。在局地范围内，人工植被风速和气温均低于撂荒植被，大气相对湿度高于撂荒植被。从效应强度来看，人工植被小气候条件相对优越，自然恢复植被进程较缓慢，采用人工恢复能加速植被的演替进程，可促进多样性增加，优化生态系统的服务功能。从小气候环境的稳定性角度看，人工植被在一定程度上加快了植被恢复的进程，但其土壤含水量的比例明显小于自然恢复。综合来看，自然植被和人工植被的生态效应已有所显现，但人工植被的效益还未充分发挥，在土壤水分、土壤肥力等方面存在一定的弊端，与触发一响应模型判断的结论基本一致，人工植被模式还需进一步完善。（5）黄土高原林草工程与生态系统交互作用机理研究基于DPSIR模型构建了黄土高原林草工程建设与生态系统变化交互作用框架，提出交互作用指数并进行交互作用量化以及情景分析，形成了黄土高原生态系统与林草工程交互作用分析与量化方法。研究从驱动、压力、状态、影响以及响应五个层次进行了林草工程建设与生态系统变化交互作用指标体系构建，分析了较为完整的交互作用体内外联系机制；在具体分析交互作用体内部作用过程中采用了价值分析方法和能值分析结合的形式进行参变量统一化处理，为进行不同类型、不同状态以及不同形式的参变量对比分析提供可能。以安塞为案例进行林草工程与生态系统变化交互作用的实证分析，结果表明：安塞县林草工程目前处于正效应占主导阶段；驱动影响指数IIDI为4．72＞0，表明工程实施6年系统处于收益状态；响应指数IIIR为15．398，表明系统的承载能力较强。综合各方面要素，安塞林草工程建设对生态环境影响有利于整体区域生态、环境与经济的可持续发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 导言
• 1.1 研究背景
• 1.2 立题目的和意义
• 1.3 国内外研究动态
• 1.3.1 国内外退化生态系统重建与生态恢复相关研究进展
• 1.3.2 黄土高原退耕还林工程生态恢复与重建发展及研究历程
• 1.3.3 退耕还林草工程作用机理
• 1.3.4 林草工程的生态效应
• 1.4 存在的主要问题及展望
• 1.5 拟解决的科学问题
• 1.6 研究思路与技术路线
• 第二章 林草工程生态效应及作用机理研究理论支撑
• 2.1 恢复生态学的缘起与发展
• 2.2 人类干扰与退化生态系统
• 2.2.1 退化生态系统的定义
• 2.2.2 干扰与生态系统退化
• 2.2.3 生态系统退化的过程与特点
• 2.3 生态恢复的理论基础
• 2.3.1 生态恢复的定义
• 2.3.2 退化生态系统生态恢复原理
• 2.3.3 生态恢复的目标与原则
• 2.3.4 退化生态系统生态恢复途径
• 2.3.5 生态恢复的机理
• 2.4 生态恢复过程中的生态效应理论
• 2.4.1 生态恢复的土壤效应研究研究
• 2.4.2 生态恢复的水文效应影响
• 2.4.3 生物环境效应
• 2.4.4 生态恢复的气候效应
• 2.5 生态经济学理论
• 2.6 小结
• 第三章 黄土高原生态系统与干扰因子的相互作用机制和生态退化阶段确定
• 3.1 引言
• 3.2 黄土高原因子触发-响应机制模型设计
• 3.2.1 因子触发-响应机制模型设计依据与作用机理
• 3.2.2 因子触发-响应机制模型的实践价值
• 3.3 黄土高原因子触发-响应机制模型的初步验证
• 3.3.1 验证方案
• 3.3.2 验证指标的选取
• 3.3.3 结果与分析
• 3.4 讨论
• 3.5 小结
• 第四章 黄土高原退化生态系统结构及服务功能定位
• 4.1 区域概况
• 4.1.1 地理位置
• 4.1.2 自然环境特征
• 4.1.3 社会经济发展概况
• 4.2 黄土高原生态系统
• 4.2.1 黄土高原生态系统的内涵
• 4.2.2 黄土高原生态系统的特点
• 4.2.3 黄土高原生态系统的结构
• 4.3 黄土高原生态系统的服务功能
• 4.3.1 黄土高原生态系统的生态功能
• 4.3.2 黄土高原生态系统的经济功能
• 4.3.3 黄土高原生态系统的社会功能
• 4.3.4 黄土高原主体生态系统服务功能框架
• 4.4 黄土高原植被恢复对生态服务功能影响的机理及途径
• 4.4.1 植被恢复的水土保持功能的效应机理
• 4.4.2 黄土高原植被恢复的土壤保育功能效应机理
• 4.4.3 植被恢复对生物多样性的效应机理
• 4.5 小结
• 第五章 黄土高原林草工程植被恢复生态效应
• 5.1 前言
• 5.2 研究方法
• 5.2.1 试验地自然概况
• 5.2.2 样地选择
• 5.2.3 研究方法
• 5.3 植被恢复的水土保持效应分析
• 5.3.1 不同植被恢复下土壤水分动态变化
• 5.3.2 不同植被类型水文生态效应研究
• 5.4 植被恢复的土壤保育效应
• 5.4.1 不同植被恢复下土壤物理性质
• 5.4.2 不同植被恢复下的土壤化学性质
• 5.4.3 土壤生物学性质
• 5.5 植被恢复的生物多样性效应
• 5.5.1 物种变化动态
• 5.5.2 植被群落特征
• 5.5.3 植被群落季节波动
• 5.5.4 植被群落物种丰富度
• 5.5.5 不同退耕还林还草植被群落间物种多样性比较
• 5.6 小结
• 第六章 黄土高原退化生态系统植被恢复气候效应
• 6.1 前言
• 6.2 基础资料来源和研究方法
• 6.2.1 植被恢复对区域气候环境影响的研究方案
• 6.2.2 局地小气候生态效应观测试验设计
• 6.3 植被恢复的不同尺度气候效应
• 6.3.1 黄土高原植被时间序列变化状况
• 6.3.2 黄土高原植被覆盖变化的空间特征
• 6.3.3 黄土高原植被恢复过程中不同尺度气候响应
• 6.4 植被恢复微域小气候生态效应分析
• 6.4.1 近地层大气动力与热力状况的日间变化
• 6.4.2 土壤的水热状况日间变化
• 6.4.3 近地层大气湿度的日间变化
• 6.4.4 人工植被和撂荒植被小气候因素效应强度比较
• 6.4.5 结论与讨论
• 6.5 小结
• 第七章 黄土高原退耕还林（草）工程与生态系统交互机理
• 7.1 前言
• 7.2 DPSIR框架模式简介
• 7.3 DPSIR框架模式交互因子作用原理及方法
• 7.3.1 交互因子作用原理
• 7.3.2 方法
• 7.4 基于DPSIR模型的交互作用指标体系构建
• 7.4.1 基于DPSIR模型的林草工程与生态系统交互作用压力指标体系
• 7.4.2 基于DPSIR模型的林草工程与生态系统交互作用状态指标体系
• 7.4.3 基于DPSIR模型的林草工程与生态系统交互作用影响指标体系
• 7.4.4 基于DPSIR模型的林草工程与生态系统交互作用响应指标体系
• 7.5 黄土高原林草工程与生态系统交互作用指标体系应用案例分析
• 7.5.1 案例区概况及林草工程现状
• 7.5.2 数据来源
• 7.5.3 数值分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.1.1 黄土高原退化生态系统阶段诊断
• 8.1.2 黄土高原退化生态系统结构与功能定位及生态恢复的功能影响机制
• 8.1.3 黄土高原植被恢复的主要生态效应
• 8.1.4 黄土高原植被恢复的气候效应
• 8.1.5 黄土高原林草工程与生态系统交互作用机理研究
• 8.2 论文特色与可能创新点
• 8.3 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介