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黄土高原地区植被恢复对气候的影响及其互动效应

2020-11-28阅读(207)

黄土高原地区植被恢复对气候的影响及其互动效应

论文摘要

植被覆盖变化及其环境效应的研究是认识人类重大工程活动对区域环境影响的重要途径之一。研究不同尺度下植被覆盖的时空演化格局、变化过程、驱动机制和效应强度,对正确认识人类重大生态工程影响环境演变的作用机制及其效应强度具有重要的现实意义和科学价值。本研究基于实地观测资料、利用长时间序列(1982～2003)美国国家航天航空局(NASA)最新的全球植被指数变化研究(Global Inventory Modeling and Mapping Studies)数据(简称GIMMS/NDVI数据)、短时间序列(2000～2005)美国NASA近年来EOS计划的MODIS数据、长时间气候及其它辅助资料,运用趋势、相关、差分分析等多种方法,分析了黄土高原地区植被覆盖变化的时空演变特征及与气候因子的关系,揭示退耕还林还草工程实施以来,植被覆盖变化对该区气候环境的作用机制及效应。主要结论如下:(1)黄土高原地区1982～2003年植被覆盖变化特征1982～2003年,黄土高原地区植被NDVI年际上总体表现为增加趋势,表明整个区域的植被覆盖有所好转,但局部地区也存在负变化趋势;在季节尺度上,就整个黄土高原而言,夏季和冬季平均NDVI并没有明显的变化趋势,春季和秋季NDVI呈上升趋势,其中春季NDVI增长趋势最为显著;在常年平均NDVI月变化特征上,1～8月份为NDVI上升的时段,8月份至来年1月份NDVI为下降阶段,4～9月为植被主要生长季,7～8月为植被典型生长季。8月份期间的植被覆盖度最高,因此,8月份的NDVI对黄土高原地区的植被覆盖水平具有最好的代表性。(2)黄土高原地区2000～2005年退耕初期植被覆盖变化特征从黄土高原地区典型生长季平均NDVI的变化分析可知,2000～2005年黄土高原地区整体植被覆盖状况呈显著增加的趋势,表明退耕还林草以来整个区域的植被覆盖有所好转,植被在恢复过程中。(3)黄土高原延安地区1982～2003年植被NDVI与气候因子的关系对延安地区植被而言,在年的尺度上,全年年均温、降水、相对湿度等对植被NDVI动态变化具有正效应,植被NDVI与各气候因子相关不显著;在季节尺度上,植被NDVI与降水和相对湿度的敏感性较强,温度的敏感性较弱,其中春季的降水量、夏季的相对湿度和冬季的气温对植被NDVI的影响较大。同时,降水与植被NDVI存在隔季滞后相关效应。(4)黄土高原延安地区退耕初期2000～2005年植被NDVI与气候因子的关系黄土高原延安地区典型生长季降水和相对湿度对植被生长具有正效应,温度对植被生长具有负效应。7月的降水、相对湿度对8月的植被生长具有正效应,说明植被生长和气候因子存在一定的时滞效应。对整个黄土高原而言也具有类似效应。(4)黄土高原地区植被覆盖变化驱动机制及其区域气候效应总的来说,气候因素和人为因素共同驱动形成了黄土高原地区植被覆盖的时空演化格局。近年来人为因素在大范围区域内产生较大驱动作用,同时对区域气候环境和局地小气候产生了一些影响。在区域尺度上,植被恢复的气候效应表现为大风日数减少,大气能见度好转,局部水土流失得到控制,在一定范围内遏制了土地沙漠化的扩展,高寒草甸产草量提高等方面。(6)黄土高原地区植被恢复对局地小气候的影响及其生态效应为验证植被恢复与重建后对局地生态环境条件的改善程度和效应强度。采用定位观测的方法,以裸露荒坡为对照对典型退耕区栽植的3种类型的人工植被(混交林、灌木林和草地)样地的小气候特征进行了监测;又对退耕地上建立的人工植被和撂荒形成的自然植被群落进行了大气温湿状况、土壤水热状况等小气候特征的观测分析,并以裸露农地为对照,比较人工植被和撂荒植被对小气候的影响效应强度;并且对郁闭度为75%和40%人工灌木林的小气候效应进行了对比,结果表明:(a)混交林、灌木林、草地光照强度日均值分别比对照小3.9×104,3.4×104,0.9×104 lx,气温日均值分别比对照低1.53,1.32,0.51℃,表土0 cm土层最高温与对照相差14.9,16.8,10.7℃;日均大气相对湿度分别比对照增加8.38 %,7.34 %,2.04 %;光照强度、气温、土壤温度、大气相对湿度及其变动幅度的大小顺序为混交林<灌木林<草地<对照;土壤湿度及其变动幅度为灌木林<混交林<草地<对照。各植被类型样地内的光照强度、气温、大气相对湿度和土壤温度之间均存在一定相关。各类型人工植被均起到了调节小气候,改善生态环境条件的作用。(b)退耕还林营造人工林后,下垫面的变化引起局地水热循环的变化,具体表现为降温效应、增湿效应、改土效应和阻风效应,尤其是在植被生长旺盛的夏季,人工植被区近地层1.0m处日均气温明显下降,低于撂荒植被区2.2℃;日均相对空气湿度增大,高于撂荒植被区1.97%;日平均风速降低,日均减风效益高于撂荒植被区28%,同时,土壤导热性能提高,土壤物理性质得到改良。局地小气候环境的改善,说明人工林草工程这一措施对脆弱生态的恢复改造有明显的效果。(c)不同郁闭度林地的地温随深度的下降而下降,郁闭度高的林地表层温度比低郁闭度的林地低,表层以下高郁闭度(75%)林地比低郁闭度(40%)林地相同层次的地温低;随高度的升高,气温逐渐上升,但郁闭度越大规律越稳定。对不同郁闭度林地的地温与气温进行相关分析,相关系数均显著。不同郁闭度林地的空气相对湿度均随高度的上升而下降,但郁闭度越大,最低值出现的时间越落后。由此可见,退耕还林草过程中应该合理密度,在恢复过程中对密植的林地进行适当截伐,以达到光、温、水的充分利用。综上所述,本研究在一定程度上填补了缺乏对黄土高原地区植被恢复对气候及其生态效应整体影响研究的不足,从植被覆盖时空变化、与气候因子的关系、驱动机制、植被恢复产生的区域气候效应和局地小气候生态效应研究等多个方面展开了初步的尝试性研究,分析方法、分析手段、研究结论等方面也有一定程度的创新。同时也发现了一些迫切需要改进和深入研究的问题,如在植被覆盖变化与气候相互作用研究方面要同时考虑人类重大工程影响、人类重大工程环境影响还需要遥感定量研究和野外采样等,这些问题的深入研究将有助于人类认识植被覆盖变化的规律和量化人类工程措施的贡献率,为进一步科学地指导生态建设作更为细致的服务。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题产生背景、目的和意义
  • 1.2 相关研究进展
  • 1.2.1 土地利用/土地覆被和植被覆盖的基本概念、定义和内涵
  • 1.2.2 土地利用/土地覆被变化环境效应
  • 1.3 遥感在大范围植被覆盖变化生态效应研究的应用
  • 1.3.1 遥感技术的发展
  • 1.3.2 遥感资料在植被覆盖变化及其生态效应研究中的作用
  • 1.4 相关研究中的一些问题
  • 1.5 研究内容和可能创新点
  • 1.5.1 选题来源及研究内容
  • 1.5.2 研究思路
  • 1.5.3 本文可能的创新处
  • 第二章 基本理论、基础资料和研究方案
  • 2.1 植被与气候研究的相关理论
  • 2.1.1 植被覆盖对气候影响反馈过程和机理的理论分析
  • 2.1.2 植被覆盖变化与气候影响的能量方程分析
  • 2.2 基础资料来源和研究方法
  • 2.2.1 资料来源
  • 2.2.2 资料选取及处理介绍
  • 2.2.3 遥感资料介绍
  • 2.3 研究方案和试验设计
  • 2.3.1 研究目标
  • 2.3.2 研究内容
  • 2.3.3 研究方案与试验设计
  • 第三章 研究区概况及植被分区
  • 3.1 研究区概况
  • 3.1.1 自然概况
  • 3.1.2 人文概况
  • 3.2 植被生态分区
  • 3.2.1 生态分区的定义
  • 3.2.2 植被分区的原则
  • 3.2.3 植被生态分区
  • 第四章 黄土高原植被覆盖的时空演化格局
  • 4.1 资料和方法
  • 4.1.1 数据来源
  • 4.1.2 数据处理方法
  • 4.2 黄土高原整体植被覆盖变化特征
  • 4.2.1 黄土高原地区植被覆盖特点
  • 4.2.2 黄土高原地区整体植被覆盖变化的时间特征
  • 4.2.3 黄土高原植被覆盖变化在空间上的差异
  • 4.3 退耕还林草工程初期黄土高原的植被变化过程
  • 4.3.1 黄土高原典型生长季NDVI 的变化
  • 4.3.2 植被覆盖变化的空间分布差异
  • 4.4 黄土高原植被覆盖变化经历的阶段
  • 4.5 小结
  • 第五章 黄土高原植被覆盖变化与气候因子的关系
  • 5.1 资料来源与处理方法
  • 5.1.1 遥感数据
  • 5.1.2 处理方法
  • 5.1.3 气象资料
  • 5.2 黄土高原延安地区概况
  • 5.3 黄土高原延安地区平均NDVI 与气候因子的关系
  • 5.3.1 延安地区年平均NDVI 与年气候因子的变化趋势及相互关系
  • 5.3.2 延安地区季平均NDVI 与气候因子的变化趋势及相互关系
  • 5.4 黄土高原延安地区退耕初期植被覆盖变化和气候因子的关系
  • 5.4.1 延安地区退耕以来典型生长季NDVI 变化
  • 5.4.2 延安地区近年来当季气候因子的变化
  • 5.4.3 延安地区NDVI 与气候因子的时滞相关分析
  • 5.5 黄土高原地区退耕初期植被NDVI 和气候因子的关系
  • 5.5.1 黄土高原典型生长季平均NDVI 与气温的变化分析
  • 5.5.2 黄土高原典型生长季平均NDVI 与降水量的变化分析
  • 5.5.3 黄土高原典型生长季平均NDVI 与当季气候因子的相关分析
  • 5.6 小结
  • 第六章 黄土高原植被覆盖变化的驱动机制及区域气候影响效应
  • 6.1 黄土高原植被覆盖变化的驱动因素分析
  • 6.1.1 黄土高原植被覆盖变化的气候驱动因素
  • 6.1.2 黄土高原植被覆盖变化的人为驱动因素分析
  • 6.2 黄土高原植被覆盖变化驱动机制
  • 6.3 黄土高原植被恢复对气候影响效应的空间差异性探讨
  • 6.3.1 人类活动与天然植被
  • 6.3.2 植被变化对气候的影响
  • 6.3.3 黄土高原人工植被生态恢复的区域气候效应
  • 6.3.4 典型生态区植被恢复对气候的影响及生态证据
  • 6.4 小结
  • 第七章 人工植被影响微域小气候的生态效应
  • 7.1 小气候概述
  • 7.1.1 小气候的定义
  • 7.1.2 研究小气候效应的意义
  • 7.2 试验设计
  • 7.2.1 试验区概况
  • 7.2.2 研究项目与方法
  • 7.3 不同类型人工植被小气候日动态及生态效应
  • 7.3.1 试验观测点描述
  • 7.3.2 人工植被的光照效应
  • 7.3.3 人工植被的温度效应
  • 7.3.4 人工植被的湿度效应
  • 7.3.5 人工植被的风速效应
  • 7.3.6 不同类型人工植被对水面蒸发的影响
  • 7.3.7 不同类型人工植被小气候要素回归关系分析
  • 7.3.8 结论与讨论
  • 7.4 人工植被与自然植被小气候效应强度的比较研究
  • 7.4.1 试验样地描述
  • 7.4.2 近地层大气动力与热力状况的日间变化
  • 7.4.3 土壤的水热状况日间变化
  • 7.4.4 近地层大气湿度的日间变化
  • 7.4.5 人工植被和撂荒植被小气候因素效应强度比较
  • 7.4.6 结论与讨论
  • 7.5 不同郁闭度人工林小气候效应的比较
  • 7.5.1 郁闭度不同的灌木林地温度的日变化动态
  • 7.5.2 郁闭度不同灌木林地的湿度效应
  • 7.5.3 结论与讨论
  • 7.6 小结
  • 第八章 结论与进一步研究展望
  • 8.1 全文研究内容总结
  • 8.1.1 近年来黄土高原地区植被覆盖变化特征
  • 8.1.2 黄土高原地区植被NDVI 与气候因子的关系
  • 8.1.3 黄土高原地区植被覆盖变化的驱动机制及区域气候影响效应
  • 8.1.4 黄土高原人工恢复植被局地小气候生态效应
  • 8.2 本文的特色与创新
  • 8.3 本文研究中存在的问题和讨论
  • 8.4 本研究展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简介

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