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《南京信息工程大学》 2007年
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黄淮海地区植被覆盖变化及其对气候与水资源影响研究

陈怀亮  
【摘要】: 本研究针对我国主要农耕区、经济快速发展区,以及气候和地形过渡区的黄淮海地区的植被覆盖变化及其对气候与资源的影响展开,具有重要的科学意义和应用价值。 利用较长时间序列(1981.7-2003.12)的NOAA/AVHRR GMMIS NDVI、气候及其他辅助资料,运用趋势、相关、EOF、SVD、PCA及数值模拟等多种方法,分析了黄淮海地区植被覆盖变化的时空特征及与气候因子的关系;通过对植被覆盖进行遥感分类,分析了20多年来土地覆盖类别及相互转化情况;基于植被平均NDVI资料,利用社会经济因子和气候因子,分析了植被覆盖变化的驱动力和驱动机制,并建立了驱动力模型;运用RegCM3区域气候模式,模拟了植被覆盖在大范围城镇化和农田化情况下,对气候与水资源要素变化的影响情况。主要结论如下: (1)1982-2003年黄淮海地区植被覆盖变化特征 1982-2003年,黄淮海地区植被NDVI年际上总体表现为略微增加的趋势,但局部也存在负变化趋势;植被负变化区除发生在经济快速发展区外,在部分森林等自然植被区也有明显发生。 黄淮海地区农业植被的NDVI年内变化多为双峰型(一年一熟粮作除外),而自然植被为单峰型。草原植被和一年一熟、一年水旱两熟农业植被年平均NDVI年际间上升趋势最明显,针叶林、阔叶林、灌丛等林地植被上升趋势较小,草甸植被和一年两熟农业植被的上升趋势介于两者之间。 从不同时段不同级别NDVI象元数年际变化看,高覆盖林地植被象元不断增加,而中覆盖农业和草原、草甸植被象元均有所减少,稀疏植被和低覆盖植被像元变化较小。从不同植被类型动态变化趋势象元看,林地为主的自然植被未变化象元占主导地位;草甸类自然植被和所有农业植被的未变化象元比例比增加象元比例略偏多;而草原自然植被则以增加变化趋势为主。 (2)1982-2003年黄淮海地区植被NDVI与气候因子的关系 对全区整体植被而言,全年温度、降水、相对湿度对植被NDVI动态变化具有正效应,而蒸发为负效应;年均温度是敏感性最强的气候因子,其次是年降水、年蒸发;从季尺度上看,温度、降水的敏感型最强,湿度、蒸发的敏感型稍弱。其中秋季的气候条件对全区年均NDVI的高低影响最大,其次是春季。 对农业植被而言,温度的敏感性最强,降水次之;对自然植被而言,降水的敏感性最强,其次是温度。具体分植被类型来讲,农业植被中:一年一熟粮作植被对水分的敏感性最强,温度、蒸发次之;大部分具备灌溉条件的一年两熟或者两年三熟旱作农业植被,也对温度最敏感,对降水、蒸发的敏感性要弱一些;一年水旱两熟粮作植被对温度最敏感,蒸发、降水次之。自然植被中:草原、草甸、灌丛对水分因子更敏感,针叶林、阔叶林次之;阔叶林、针叶林对温度最敏感,灌丛次之,而草原、草甸对温度的敏感性稍弱。 通过绿波、褐波推移研究,结果表明随着气候的变化,黄淮海地区植被生长季有所延长,每10年约延长10.9d。 (3)基于多源信息的黄淮海地区土地覆盖变化遥感监测与分析 基于多时相NDVI、Holdridge生命地带指标和辅助数据,采用PCA和非监督分类法,对1982、1992、2002年的植被分类均达到很准确的精度水平。分析发现区域20年间植被覆盖分布总体上没有发生明显改变,且大部分植被变化率有所减缓。其中自然植被中,针叶林变化最大,总体呈减少趋势,但减少速度趋缓;阔叶林变化次之,总体处于增加趋势,但增加速度趋缓;灌丛、草原、草甸植被整体均呈减少趋势,但变化率较小。农业植被中,一年一熟粮作植被变化较大,总体呈略微减少趋势;一年两熟粮作植被总体处于增加趋势,增加速度趋缓;一年水旱两熟植被总体处于减少趋势,但减少速度趋大。受气候影响,区域内植被类型变化比较剧烈地区主要分布在一、二级地形阶梯交界及400mm左右年降水量线处、山东低山丘陵以及淮河下游地区;平原农作区植被类型变化较为和缓。 (4)黄淮海地区植被覆盖变化驱动力与驱动机制研究 不同植被覆盖类型,其NDVI变化的驱动力不同:一年一熟粮作区植被覆盖变化受到气候和社会经济因子的共同驱动,但以气候驱动为主;一年两熟或两年三熟旱作区植被覆盖变化受到社会经济和气候因子的共同驱动,但在主要驱动因子中,社会经济的影响更大一些;一年水旱两熟粮作植被覆盖变化主要受气候因子驱动,同时,社会经济因子也会在一定程度上影响植被NDVI的变化。以林地为主的自然植被区植被覆盖变化,主要受到气候因素驱动;灌丛和萌生矮林变化,也主要受到气候因素驱动;而草原和稀树灌木草原区植被覆盖变化则主要受到人为因素的驱动。 不同植被区,其NDVI变化的驱动机制有很大差别:对一年一熟粮作区,年均、春季、冬季温度为正驱动而夏季温度则为负驱动,秋季降水和相对湿度为负驱动,年均相对湿度、春季降水和春季相对湿度为正驱动,社会经济因子为正驱动;对于一年两熟或两年三熟旱作区植被覆盖变化,秋季相对湿度、秋季降水、耕地面积以及年末总人口为负驱动,而秋、冬季温度为正驱动;一年水旱两熟粮作区植被覆盖变化,受到年相对湿度、秋季相对湿度、秋季降水的负驱动,而粮食产量为正驱动。对于以林地为主的自然植被区植被覆盖变化,主要受到春季降水、春季湿度和年均湿度的正驱动,黄淮海地区的北部主要为干旱、半干旱区,因此春季降水偏多会利于植被生长;灌丛和萌生矮林区,秋季降水和秋季湿度对其植被NDVI变化呈负驱动;草原和稀树灌木草原区植被覆盖的变化,耕地面积、作物播种面积对之为负驱动,而其他社会经济因子则为正驱动。 总的来说,区域内各类型植被区植被覆盖变化尽管大都受到气候和人类活动的共同驱动,但主要驱动力为气候因素,人类活动在局部区域能够产生较大作用,而大范围区域植被NDVI的变化或改变,主要受气候变化的影响。 (5)植被变化对黄淮海地区气候与水资源影响的数值模拟 利用RegCM3区域气候模式,通过2001-2005年共5年数值模拟试验,模拟了黄淮海地区植被覆盖在城镇化和农田化的极端变化情况下,对气候和水资源要素影响。发现城镇化进程会造成黄淮海地区季风环流变弱、出现局地反气旋流场、降水减少、气温增加、空气湿度减小、水资源总量减少、土壤含水量减少,地表径流增加,更易发生秋旱,夏季地表径流趋于增多,直接导致局地洪涝灾害趋于严重,同时植被改变造成了土壤蓄水能力不足,土壤含水量减少又加快了植被的退化,从而导致该地区的气候异常和水资源短缺进一步加剧。而农田化进程对气候环境及水资源要素的影响与城镇化进程造成的影响趋向一致,只是其影响程度比城镇化略弱,但影响范围更大。可见,无论大范围城镇化进程还是农田化进程,均造成了气候及水资源要素的变化,使得生态环境趋于恶化。 综上,本研究填补了缺乏对黄淮海地区进行植被覆盖变化特征及其对气候和水资源影响整体研究的不足,从植被覆盖时空变化、与气候因子的关系、分类方法与动态变化规律、驱动力与驱动机制、变化影响数值模拟等涉及土地利用/覆盖研究的多个领域,开展了全面、广泛和深入的研究,分析方法、分析手段、研究结论等方面都有所创新。同时也发现了一些亟待改进的问题,如在数值模拟研究中应考虑植被与气候的相互作用等,这些问题的改进将有助于改进对植被覆盖变化规律的认识及提高其影响的数值模拟精度。
【学位授予单位】:南京信息工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P463.2

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