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《清华大学》 2016年
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中国典型草地覆被变化与下垫面气候因子关系研究

李周园  
【摘要】:20世纪80年代到21世纪初,中国草地在自然和人为因素作用下,经历了复杂而深刻的生态环境变化,亟待对研究草地生态变化及其区域环境效应开展深入研究。本论文选择中国典型的三类草地作为实证案例,包括青海省黄河源玛多高寒草地、内蒙古自治区四子王旗干旱草地和呼伦贝尔温带草地,利用遥感分类和定量反演方法,对过去20余年(1988~2011)三类草地地表覆被变化,以及同时期下垫面气候要素的时空动态变化,进行宏观监测和分析研究。通过对地表覆被变化监测了解到,高寒草地在2000年以后植被出现恢复趋势,草地面积比例增加约23%。干旱草地高覆盖度和低覆盖度草地在过去20余年内交替升降,面积比例在42%上下波动,温带草地在2000年后出现比较明显的生态退化趋势,面积比例下降约16%。研究利用遥感定量反演,选择4项下垫面气候因子中关键变量,指示地表—气候系统中结构和功能性质,计算其平均水平,包括(1)归一化植被指数(NDVI)(0.26±0.13)、(2)地表反照率(α)(0.18±0.03)、(3)地表辐照温度(T_s)(306.2±8.2K)和(4)地表蒸散发(ET)(2.03±1.11cm/day),展示其时空格局动态变化。根据变量时间序列动态结果,定义归纳了地表覆被结构和下垫面气候功能动态作用中发生的滞后效应、趋同效应、趋异效应和缓冲效应。研究还分别计算了三类草地NDVI–α、α–T_s、T_s–ET、ET–NDVI这4组成对变量的Pearson线性回归系数,分析其在空间上的相关性。不同草地各组变量对之间的相关性的正负性一致且均呈显著相关。其相关关系反映了,生态气候学理论中区域地表—气候系统之间因果回路过程客观存在,通过实证加强了对回路关键环节之间一般规律的认识。研究指出,系统结构性和功能性变量之间,在时间维度上存在不同步性,而在空间维度上具有强相关性。研究进一步对各关键变量之间的因果性开展量化分析。利用各变量动态过程不同阶导数之间的相关性,定义并构造了量化因果作用贡献的指标。因果贡献量化结果显示,草地生态系统中,相比较非植被下垫面(0.495±1.081)而言,植被下垫面与气候子系统耦合程(1.116±0.639)度更密切。对于不同类型草地生态系统,地表生态系统与区域气候系统耦合特征不同。对于具有冷湿气候特点和较高植被覆盖度的温带草地、高寒草地,下垫面结构子系统(NDVI–α)和功能子系统(T_s–ET)其内部联系相对疏松,子系统之间耦合密切,整体上间接因果作用较强,响应延迟,反馈过程滞后;对于具有干热气候特点和较低植被覆盖的干旱草地,子系统内部关联密切,子系统之间耦合疏松,整体上直接因果作用较强,响应同步,反馈过程立即迅速。研究综合提炼了区域生态系统的“区位—结构—功能”三元论,为适应和减缓气候变化下草地资源规划和管理提供了系统化的理论框架。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S812

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