气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定量研究 ——以鄂尔多斯高原为例

论文摘要

沙漠化是荒漠化的主要类型,它作为极其重要的环境和社会经济问题困扰着当今世界,威胁着人类的生存和发展。中国是世界上受沙漠化影响最为严重的国家之一,沙漠化引起的土壤质量下降、土地资源减少以及沙尘暴等问题严重制约了社会经济的可持续发展以及和谐社会的构建。近年来,尽管我国的沙漠化防治工作取得了一定的成效,但是整体上其形势依然严峻。沙漠化过程的驱动力作用研究是沙漠化研究的基础。气候变化和人类活动是导致土地沙漠化的两个主要驱动力,在不同尺度下开展气候变化和人类活动在土地沙漠化过程中相对作用的定量评价,对于沙漠化治理和沙漠化的理论研究具有重要意义。气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定量研究,是准确评价沙漠化动态过程、研究沙漠化对全球气候变化响应以及制定沙漠化防治对策与战略的基础。探索有效方法开展气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定量研究,突破目前的研究瓶颈,不仅能够丰富沙漠化科学研究的理论基础、澄清目前沙漠化研究中的一些误区,而且能为区域和国家尺度上沙漠化防治对策与战略的制定提供理论依据。本研究以鄂尔多斯高原为典型研究区,在系统分析近30年来鄂尔多斯高原气候变化和人类活动特征变化的基础上,建立沙漠化的定量监测以及沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用的定量评价方法,最终对鄂尔多斯高原沙漠化过程中气候变化和人类活动的相对作用进行多尺度研究。论文以定量研究为主线,从方法论的角度对沙漠化过程中驱动力作用研究进行突破,主要取得了以下的成果和结论：1、建立基于Landsat数据的鄂尔多斯高原沙漠化定量监测方法。从沙漠化引起的地表特征变化入手,选取NDVI、MSDI以及Albedo三个指标分别代表沙漠化地表的植被丰度、景观格局以及地表微气候条件,来进行沙漠化定量监测。针对Landsat数据特点,在提出各个指标的反演算法的基础上,综合考虑不同植被类型区以及遥感影像获取的时间,建立了基于决策树模型的沙漠化定量监测方法。根据精度检验的结果,该方法监测精度较高,可以准确地用于鄂尔多斯高原沙漠化的监测研究。2、1980-2005年间,鄂尔多斯高原沙漠化变化趋势呈一种逆转与发展同时存在,但是逆转整体大于发展的态势。在1980-1990年间,逆转的沙漠化土地在鄂尔多斯高原分布相对分散,而发展的沙漠化土地的空间分布相对较为集中,主要分布在杭锦旗东南部的温带落叶灌丛与荒漠草原的过渡区域、准格尔旗西部的温带禾草草原区域、以及鄂托克前旗南部的温带落叶灌丛区。在1990-2000年间,沙漠化逆转的土地面积略高于沙漠化发展的土地面积,明显逆转的沙漠化土地集中分布在伊金霍洛旗西北部的温带落叶灌丛与温带禾草草原的过渡区以及鄂托克前旗西部的温带落叶灌丛区；而沙漠化发展的土地主要集中在达拉特旗、杭锦旗、准格尔旗、乌审旗以及东胜。在2000-2005年,该时段年均沙漠化的逆转面积最大,逆转的沙漠化土地主要分布于鄂尔多斯高原东北部的准格尔旗、达拉特旗和东胜这三个旗县的大部分地区；而发展的沙漠化土地主要集中分布在伊金霍洛旗以及鄂托克前旗西北部的温带落叶灌丛与荒漠草原的过渡地带。3、气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用定量评价方法的建立。选择净初级生产力NPP为衡量沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用的公共指标,利用潜在NPP以及潜在NPP与实际NPP的差值来衡量气候变化和人类活动在沙漠化过程中的相对作用,通过拆分复杂的沙漠化驱动力过程,根据沙漠化逆转和发展与气候变化和人类活动引起的NPP变化趋势之间的可能情景,构建沙漠化过程中气候变化和人类活动的定量评价方法。在建立概念框架的基础上,对评价过程中所需的数据进行量化,其中用CASA模型来模拟实际NPP,并在CASA模型的基础上建立了潜在NPP的计算方法。通过对实际NPP以及定量评价结果的验证,表明本研究提出的定量评价方法可以用于沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用的评价。4、不同时间尺度下,鄂尔多斯高原沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用存在明显的差异。1980-1990年时间尺度下,气候变化是鄂尔多斯高原沙漠化逆转的主要原因,以气候变化为主导因素的逆转的沙漠化土地面积占总逆转面积的89.45%；人类活动则是沙漠化发展的主要原因,以人类活动为主导因素的发展的沙漠化土地占总发展面积的83.93%。在1990-2000年时间尺度下,人类活动是沙漠化逆转的主导因素,以人类活动为主导因素的逆转的沙漠化土地面积占总逆转面积的90.04%；而气候变化则主导了该时期的沙漠化发展,以气候变化为主导因素的发展的沙漠化土地面积占总发展面积的91.20%。在1980-2000年时间尺度下,人类活动是鄂尔多斯高原沙漠化逆转的主要原因,以人类活动为主导因素的逆转的沙漠化土地面积占总逆转面积的93.02%；而气候变化则是导致沙漠化发展的主要因素,以气候变化为主导因素的发展的沙漠化土地面积占总发展面积的85.77%。1980-2005年时间尺度下,气候变化和人类活动共同导致了鄂尔多斯高原的沙漠化逆转,其中气候变化主导的沙漠化逆转面积略大,占59.71%；而对于沙漠化发展,人类活动则是该时间尺度下的沙漠化发展的主导因素,以人类活动为主导因素的发展的沙漠化土地占总发展面积的62.35%。5、不同空间尺度下,鄂尔多斯高原沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用也存在明显的差异。在1980-2005年时间尺度下,随着空间尺度的增加,气候变化和人类活动主导的沙漠化逆转面积均呈增加的趋势,直到旗县尺度达到最大；而气候变化和人类活动主导的沙漠化发展以及评价过程中的误差面积都表现为先增加后降低的趋势,直到旗县尺度减低为0。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 社会经济可持续发展的宏观背景
• 1.1.2 全球变化与陆地生态系统研究的学术背景
• 1.1.3 气候变化和人类活动在鄂尔多斯高原沙漠化过程中相对作用研究的意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 沙漠化概念及我国沙漠化问题研究概况
• 1.2.1.1 沙漠化概念
• 1.2.1.2 我国沙漠化问题研究概况
• 1.2.2 沙漠化监测与评价
• 1.2.2.1 沙漠化监测与评价指标体系
• 1.2.2.2 沙漠化监测与评价方法
• 1.2.3 气候变化和人类活动驱动力研究
• 1.2.3.1 气候变化对沙漠化的影响
• 1.2.3.2 人类活动对沙漠化的影响
• 1.2.3.3 驱动力定量评价方法
• 1.2.4 沙漠化研究中的尺度问题
• 1.3 研究目标、内容与方法
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究思路与技术方法
• 1.3.3.1 技术路线图
• 1.3.3.2 主要数据来源
• 1.3.3.3 主要研究方法
• 1.3.4 论文结构安排
• 第二章 研究区概况及沙漠化驱动力特征研究
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 气候与水文
• 2.1.2 地形与地貌
• 2.1.3 土壤与植被
• 2.1.4 社会经济状况
• 2.2 鄂尔多斯高原的沙漠化问题
• 2.3 沙漠化驱动力系统构成
• 2.4 近30年来鄂尔多斯高原沙漠化驱动力系统特征
• 2.4.1 气候变化特征
• 2.4.1.1 降水
• 2.4.1.2 温度
• 2.4.1.3 风速
• 2.4.1.4 太阳辐射
• 2.4.1.5 干湿状况
• 2.4.2 人类活动特征
• 2.4.2.1 人类活动的显性层面
• 2.4.2.2 人类活动的隐性层面
• 本章小结
• 第三章 鄂尔多斯高原沙漠化定量监测及时空演变
• 3.1 沙漠化定量监测指标体系的确定
• 3.1.1 沙漠化定量监测指标选取的原则
• 3.1.2 沙漠化定量监测指标体系的建立
• 3.1.3 沙漠化定量监测指标的反演
• 3.1.3.1 遥感影像的选择
• 3.1.3.2 指标反演方法
• 3.2 沙漠化定量监测方法
• 3.2.1 决策树法介绍
• 3.2.2 决策树模型建立
• 3.3 沙漠化监测结果精度评价
• 3.4 鄂尔多斯高原沙漠化时空演变
• 3.4.1 1980-1990年鄂尔多斯高原沙漠化变化
• 3.4.2 1990-2000年鄂尔多斯高原沙漠化变化
• 3.4.3 2000-2005年鄂尔多斯高原沙漠化变化
• 本章小结
• 第四章 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用定量评价方法研究
• 4.1 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用定量评价方法的概念框架
• 4.2 评价所需数据的处理
• 4.2.1 沙漠化数据的处理
• 4.2.2 矢量数据的栅格化处理
• 4.2.3 NDVI数据的处理
• 4.3 实际和潜在NPP计算
• 4.3.1 实际NPP的计算
• 4.3.1.1 APAR的估算
• 4.3.1.2 光能利用率的估算
• 4.3.2 潜在NPP的计算
• 4.3.2.1 潜在NPP的FPAR计算
• 4.4 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用定量评价方法建立
• 4.5 评价方法的验证与不确定性分析
• 4.5.1 CASA模型的精度验证
• 4.5.2 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的相对验证
• 4.5.3 评价方法的不确定性
• 4.6 与其他模型方法的比较
• 本章小结
• 第五章 鄂尔多斯高原沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用的多尺度研究
• 5.1 不同时间尺度下鄂尔多斯高原沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用研究
• 5.1.1 1980-1990年和1990-2000年时间尺度下鄂尔多斯高原沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用研究
• 5.1.2 不同时间跨度下鄂尔多斯高原沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用研究
• 5.2 不同空间尺度下鄂尔多斯高原沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用研究
• 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究成果与结论
• 6.2 本研究的创新点
• 6.3 研究中存在的问题
• 6.4 未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文