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《北京林业大学》 2018年
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中国北方典型沙区植被承载力研究

张举涛  
【摘要】:植物固沙是遏制土地荒漠化、防治风沙危害的重要措施,但是,近些年来中国北方沙区陆续出现了植被退化或者死亡的现象,究其原因,是以往植被建设存在诸多不合理之处,如:未能充分考虑当地可承载的植被规模,当地适宜的植被类型和种类,以及植被建设方式等。要解决这些问题,首先需明确相应地区的植被承载力(即在环境限制条件下能够维持生态系统稳定的植被规模)。然而,中国北方沙区的植被承载阈值、不同地区的差异等问题尚不清楚。本文以科尔沁沙地、呼伦贝尔沙地、浑善达克沙地、毛乌素沙地、腾格里沙漠南缘和古尔班通古特沙漠南缘六个沙区作为研究对象,通过划分并筛选出人为等因素干扰较少的地理单元,采用多元统计分析和经验动态建模体系分析方法(包括收敛交叉映射法CCM和多变量经验动态建模法Multivariate EDM),分析了 2000—2014年间各沙区植被的叶面积指数与水热等环境要素(如气温、降水量、实际蒸散、潜在蒸散等)的多年、年际和季节尺度上的时空分布特征,解析了环境要素与植被生长的相互关系,揭示并明确了植被对环境要素变异的响应规律及敏感时期;在此基础上,引入最大叶面积指数阈值(CCVmax)和安全叶面积指数阈值(CCVsafe),用于衡量不同内涵的沙区的植被承载力(包括植被的最大生长潜力和应对环境胁迫时能够维持植被生长的安全范围),在理论上给出了两个阈值的内涵和计算原理,尤其完善了安全叶面积指数阈值的计算方法,评估了六个沙区及典型植被群落的植被承载力空间变异,建立了两个阈值与环境要素间的关系模型,并预测了 2015—2024年间植被承载力的动态特征。主要研究结果如下:(1)2000—2014年间,在六个沙区上,植被的叶面积指数在年际和季节上大都无显著变化,植被处于相对稳定的状态。叶面积指数的空间分布格局与降水和实际蒸散关系最为密切(相关系数r最大,但各沙区不同)。叶面积指数在整个生长季上受气温驱动最强(交叉映射能力ρCCM0.75,影响面积占比大于77%),但在生长季前期受降水和实际蒸散驱动更为明显(ρCCM0.3)。叶面积指数在季节上的短期波动与实际蒸散量和降水量相关(0.05≤r≤0.3),在年际上的变化主要受年降水量和年实际蒸散影响(ρCCM0.6)。叶面积指数对环境要素变异的敏感性随季节发生变化,生长季前期正向响应,生长季后期逆向响应。东部沙区(科尔沁,呼伦贝尔和浑善达克)的叶面积指数比中西部沙区(毛乌素和腾格里南缘)对降水量和实际蒸散的变异更敏感。各沙区叶面积指数对环境要素变异的最敏感的时期大都出现在生长季前期(4月中旬至6月中旬)。(2)2000—2014年间,六个沙区的最大叶面积指数阈值介于0.36~1.03m2/m2,而安全叶面积指数阈值约0.29~0.70m2/m2,这两个阈值呈现出东高西低的分布规律。按照UNEP干旱区分类,干旱亚湿润区(科尔沁、呼伦贝尔东部和浑善达克东南部)、半干旱区(呼伦贝尔西部,浑善达克中部、毛乌素和腾格里南缘)和干旱区(浑善达克西部和古尔班通古特南缘)的最大叶面积指数阈值分别为0.7~1.0m2/m2、0.45~0.7 m2/m2、0.36~0.45m2/m2;而安全叶面积指数阈值与干燥度的关系相对较差。如果当前环境要素变异规律和生态系统受干扰程度保持不变,未来10年(2015—2024年间,)各沙区的两个阈值变化不一致,科尔沁沙地东部植被承载力有降低趋势(降幅约15%),腾格里沙漠南缘无明显变化,其他沙区大部分呈现提升趋势(增幅约15%)。(3)2000—2014年间,以榆树、黄柳和禾草等为主的稀树草原(科尔沁、呼伦贝尔东部和浑善达克东南部)、以禾草、针茅等为主的典型草原(呼伦贝尔西部,浑善达克中西部、毛乌素中东部)、以油蒿、锦鸡儿和禾草等为主的荒漠草原(毛乌素西部和腾格里南缘)和以红砂和梭梭为主的荒漠(古尔班通古特南缘)为景观的植被群落,最大叶面积指数阈值分别为0.60~0.92 m2/m2、0.48~0.77 m2/m2、0.46~0.86 m2/m2和0.39~0.56m2/m2,安全叶面积指数阈值分别为0.42~0.61m2/m2、0.39~0.51 m2/m2、0.36~0.58 m2/m2、0.33~0.39 m2/m2。结果表明,不同区域、不同植被类型的沙区生态系统,对环境要素变异的响应不同,植被承载力阈值也不同。对中国北方沙区生态系统,应采取分区域分季节的区别化经营管理,尤其是东部沙区(科尔沁、呼伦贝尔和浑善达克东南部)需要重点防护。本研究为中国沙区的防沙治沙工作及各地区差异化的生态修复及恢复工作,提供了理论基础和数据支撑,有助于修复中国沙区生态环境及实现联合国土地退化零增长目标(2030可持续发展目标SDG 15.3)。然而,社会经济因素和气候变化程度对各沙区植被承载力的影响仍不清楚。此外,本研究结果不能直接用于样地尺度的生态实践。且沙区通常使用密度和盖度作为植被建设的衡量指标,未来应建立叶面积指数与密度或盖度间建立关系模型,以便于在沙地植被建设中实践应用。未来在这些领域仍需深入研究。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:Q948

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【参考文献】
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