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《华中农业大学》 2011年
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气候变化背景下三峡库区植被覆盖动态及其土壤侵蚀风险研究

吴昌广  
【摘要】:全球气候变化严重干扰了自然生态系统的动态平衡,如何减缓气候变化带来的负面影响,实现社会、经济和环境的可持续发展,已成为各国科学家和政府共同关注的问题。三峡库区是长江中下游的生态屏障、我国重要的水资源战略储备库,在促进东西部地区经济交流以及西部大开发中占有十分重要的地位。同时,三峡库区处于山地生态系统和水域生态系统的过渡区,自然生态环境具有先天的脆弱性、不稳定性,外部环境变化极易造成生态系统退化。本文在全球气候变化背景下,将三峡库区历史气候资料、多源遥感数据、基础地理信息和外业调查资料等有机、高效地整合起来,采用多学科交叉与渗透、多技术手段融合,从“气候—植被—土壤侵蚀”多方位、多视角出发,对三峡库区的生态环境进行集成研究,探索三峡库区气候演变趋势、植被覆盖动态变化、土壤侵蚀风险时空分布特征及森林植被生态效益,揭示三峡库区生态环境对全球气候变化的响应机制,为库区植被生态恢复与水土保持等生态环境建设提供科学的参考依据。本研究取得以下主要结论和成果: (1)利用三峡库区境内22个气象站点1960-2006年逐月降水量和平均气温数据,基于气候倾向率、Mann-Kendall非参数检验、滑动t检验等气候统计方法,对三峡库区近47年的气候变化趋势进行了分析。结果表明:1960-2006年,三峡库区气温无显著上升趋势,增温率仅为0.04℃/10a,春、夏、秋、冬四季气温变化率分别为0.02℃/10a、-0.09℃/10a、0.11℃/10a、0.13℃/10a,其中冬季气温变化通过了0.05水平的Mann-Kendall检验。气温变化具有明显阶段性,滑动t检验揭示三峡库区1997年气温存在突变现象,在1960-1996年间气温呈显著下降趋势,1997年以后气温开始迅速回暖。1960-2006年,三峡库区降水倾向率为-8.81mm/10a,变化过程中无明显的突变特征。春、夏、秋、冬四季降水变化率分别为-4.37mm/10a、7.12 mm/10a、-13.19 mm/10a、1.62 mm/10a。从整体气候趋势来看,在1960~2006年三峡库区气候从“冷湿型”向“暖干型”转变。 (2)利用三峡库区及周边44个气象站点资料,基于反距离加权、样条函数、普通克里格和普通协同克里格等4种空间插值方法,对库区的降水量、气温进行空间插值模拟与交叉检验。交叉检验结果表明,考虑海拔因子的普通协克里格法对三峡库区降水、气温的空间插值效果最好。对三峡库区年降水量插值显示,大部分区域的年降水量在1000~1300mm之间,在巴东南部有一个强降水中心,降水量最高达1743mm,兴山北部地区是降水低值区,降水量小于1000mm;根据三峡库区气温空间插值显示,库区年均气温在空间上具有较大的差异,最高年均气温为18.81℃,最低年均气温仅为8.74℃,在重庆段河谷地区存有三个高温中心,年均气温超过18℃。 (3)利用1999-2009年SPOT-VEGETATION逐旬NDVI数据,通过最大合成与均值迭代滤波法去除影像中的异常值,合成逐月NDVI数据,分析了三峡库区近1la的植被覆盖变化趋势。研究结果表明,利用1999年1月~2009年12月的SPOT-VEGETATION逐旬NDVI数据,通过均值迭代滤波法处理去除影像中的异常低值,再利用最大合成法获得逐月NDVI数据,分析三峡库区近11年来植被覆盖的动态变化趋势。研究结果表明,1999-2009年,三峡库区植被覆盖整体呈显著上升趋势,年均NDVI增幅为0.088,上升了17.19%。其中,春、秋两季对库区植被覆盖状况的改善贡献最大,季均NDVI增幅分别为0.132、0.110,上升了29.96%、15.99%。在不同植被类型中,林地、灌草地及耕地NDVI均呈明显上升趋势,其中耕地增幅最大为0.099,上升了20.97%。这种变化趋势在空间上存在差异,三峡库区年均NDVI有91.32%像元呈显著上升趋势,而显著降低像元数占0.23%。春季NDVI呈显著上升趋势的像元占库区总像元数的83.84%,而冬季大部分区域的NDVI无显著变化,NDVI显著增加的像元仅占32.12%。综上所述,这种时空异质性可能是由于城市建设、农业耕作方式、局部气候特征以及不同植被对气候变化响应等综合因素作用的结果。 (4)利用1999-2009年SPOT-VEGETATION NDVI数据,并结合同期三峡库区的逐月气温和降水数据,分别从年、季节和月3个时间尺度分析库区植被覆盖变化对气候变化的响应。研究结果表明:近11年来,气候变化对三峡库区植被生长有较弱的正效应,其中气温是驱动植被NDVI变化的主要因子。年均NDVI与同期气温变化呈明显正相关(P0.1),而与同期降水无明显相关。在季节水平上,春、冬两季植被NDVI变化对同期气温的敏感性较大,夏、秋两季较小。从月NDVI变化来看,3、4月份植被NDVI与同期气温的关系最为密切,10月植被NDVI与同期降水呈明显的负相关(P0.1)。在空间水平上,不同区域的植被NDVI对气温、降水变化的敏感性有明显差异,且同一区域的植被NDVI在不同季节对气温、降水变化响应也不一样。大部分区域的植被生长与同期气温、降水变化均无显著相关。时滞分析表明,三峡库区植被NDVI对气温、降水的响应有一定时滞性,但在不同生长时段,植被NDVI对气候变化响应的时滞不同。 (5)通过系统回顾土壤侵蚀性因子的计算方式,并根据三峡库区区位特征和数据获取条件,选出适宜库区土壤侵蚀性因子的定量估算方法,并对相关方法作出相应调整。本次最后分别采用修正几何平均粒径模型、日雨量R值估算模型、NDVI指数模型、非累积流量算法及Wener经验公式对三峡库区土壤可蚀性因子K、降雨侵蚀力因子R、植被覆盖因子C、地形因子LS及水土保持措施因子P进行了估算。通过与现有资料对照,上述估算方法结果可靠,并适用于三峡库区土壤侵蚀因子的快速提取。 (6)基于RUSLE、地形位指数、空间重心转移模型以及分形理论,借助地理信息系统技术,评估了三峡库区1999年和2009年的土壤侵蚀风险及其空间分布特征。研究结果表明:近11年来,三峡库区土壤侵蚀风险有明显降低,中度以上土壤侵蚀面积从3.22万km2减少到2.44万km2;库区平均土壤侵蚀模数从4528.42t·km-2·a-1下降到3986.97 t.km-2·a-1,土壤侵蚀量减少了73.92×106t。地形因子对三峡库区土壤侵蚀强度时空分布的约束作用十分突出,各土壤侵蚀强度类型在地形梯度上的分布格局呈显著变化。近11年来,中度侵蚀在地形位上有扩张趋势,而极强度和剧烈侵蚀的地形位受到挤压,土壤剧烈侵蚀重心向库区东部迁移,表明该地区是水土流失治理的重点区域。此外,中度以下侵蚀图斑的分维值有所上升,而强度以上侵蚀图斑的分维值均有降低,尤其极强度侵蚀分维值下降最大,表明经过大规模水土保持综合治理和植被恢复,三峡库区土壤侵蚀风险得到有效控制并开始向稳定态势方向发展。 (7)采用三峡库区森林资源二次清查数据和社会公共数据,根据林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》,定量评估了三峡库区森林生态系统在涵养水源、保育土壤、固碳释氧3方面服务功能的经济价值。研究结果表明,三峡库区森林生态系统有效地达到了调节气候、保持土壤、减少洪涝等生态效益,为三峡工程安全运行提供了强大的生态屏障。其中,涵养水量为236.44亿t·a-1,调节水源价值为1444.84亿元·a-1,净化水质价值为494.17亿元·a-1,涵养水源总价值为1939.00亿元·a-1;固土量为0.99亿t·a-1,固土价值为9.27亿元·a-1,保肥价值为67.26亿元·a-1,保育土壤总价值为76.57亿元-a-1;固碳量为967.84万t·a-1,固碳价值为116.14亿元·a-;释氧量为2103.80万t·a-1,释氧价值为210.38亿元·a-1,固碳释氧总价值为326.73亿元·a-1。三峡库区森林生态系统服务功能的总价值为2342.30亿元·a-1,是同期三峡库区GDP 509.44亿元的4倍多。单位面积生态服务价值量排序:常绿阔叶林杉木林竹林温性松林针阔混交林经济林落叶阔叶林针叶混交林马尾松林柏木林灌木林。 综上所述,自21世纪以来,三峡库区气候有较为显著变暖趋势,而气候干化特征尚不明显。近11年来,三峡库区植被覆盖整体呈显著上升趋势。三峡库区植被生长与气候因子间的关系较为复杂。气候变化总体上对库区植被生长有较弱的正效应。而随着植被覆盖的进一步增加,三峡库区土壤侵蚀有明显下降趋势。其中,三峡库区森林生态系统在缓解气候变化、保护水土资源起着巨大的作用,是维护三峡库区生态安全的重要屏障。
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