绿洲—荒漠带防护林与自然植被的防风效应及其优化配置模式研究
【摘要】：在西北干旱区,绿洲-荒漠过渡带为防风固沙的前沿地带,分布有大面积的自然植被和防护林,对阻止沙漠移动、保护绿洲生态安全起至关重要的作用。
本文在准噶尔盆地南缘农八师莫索湾垦区和下野地垦区的绿洲-荒漠过渡带,根据自然植被的不同生境类型设置8个实验样地,选取17条防护林带段,进行防护林结构和自然植被物种的调查、风速温度的测定及土样的采集,做以下方面的研究：运用数码相机FUJIFILM FinePix S5000和图像处理软件Photoshop7.0对该区防护林带的疏透度进行数字化测定,构建林带疏透度与其它结构因子的主导因子模型,探讨防护林的防风效应；通过物种多样性调查,研究该区早春自然植被的物种组成及分布,构建自然植被覆盖度与相对风速的数学模型,预测不同相对风速下的有效植被覆盖度；研究该区防护林与自然植被协同后对风速、温度及土壤的影响,构建防护林与其外围自然植被协同配置的模型,建立过渡带最小相对风速条件下防护林与自然植被协同配置的优化模式,并对不同相对风速条件下二者协同配置的优化模式进行预测。
得到以下主要结论：
1)在误差范围为0.01-0.06时,结合数码相机利用Photoshop软件对疏透度进行数字化测定能够达到较高的精度,可实现疏透度快速、精确的测定；疏透度的主导因子模型显示林带疏透度与平均枝下高、平均冠高(平均高度)和冠层面积存在极显著关系,而冠部疏透度与胸高断面积存在极显著关系；林带疏透度与相对风速的正弦值呈显著的二次抛物线函数关系,据此得到过渡带防护林的最适疏透度在0.35-0.37之间。
2)过渡带的自然植被无论是从物种种类数上还是从其盖度上都是以灌木为主,并以梭梭为建群种,而且不同区域物种的丰富度指数、多样性指数和均匀度指数差异都较大；对自然植被的平均高度、覆盖度、地势起伏度与0.5m和1.5m两高度处的平均风速进行线性相关分析,发现只有地势起伏度与两高度处的平均风速呈极显著正相关关系,但相关系数显示两高度处的平均风速随植被平均高度和覆盖度的增大有减小的趋势；通过前人的建模思路构建的自然植被覆盖度与相对风速之间的数学模型表明,二者存在负指数函数关系,并预测了不同相对风速下的有效植被覆盖度。
3)在有障碍物存在时,风会表现出显著的规律性,即在0.5m和1.5m两高度处,防护林与自然植被协同后对风速起到了减弱作用,对于疏透结构的林带,风的减弱程度为自然植被内部自然植被与防护林之间防护林外部,对于紧密结构的林带,当风速较小时,风的减弱程度为自然植被与防护林之间自然植被内部防护林外部；风速与温度的变化趋势相反,风速越大,温度越低；风对不同土壤颗粒产生了较大影响,其中对中砂粒影响最为显著；防护林带的冠层体积、胸高断面积、株行距和自然植被的平均高度、覆盖度协同后与相应两高度处的相对风速存在极显著相关关系,据此通过Matlab软件编程运算得到最小相对风速和不同相对风速条件下二者协同配置的优化模式。
【关键词】：防护林 自然植被 疏透度 有效植被覆盖度 协同配置优化模式 【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S727.2
【目录】：
- 摘要5-6
- Abstract6-14
- 第一章 文献综述14-20
- 1.1 植被防护效应的研究进展14-15
- 1.1.1 植被与荒漠化14
- 1.1.2 植被与土壤风蚀14-15
- 1.1.3 植被与风沙动力学15
- 1.2 植被防护效应的研究方法15-17
- 1.2.1 野外调查和定位观测15-16
- 1.2.2 室内分析和风洞模拟16-17
- 1.3 防护林空间配置的研究进展17-19
- 1.3.1 区域尺度防护林的空间配置模式17-18
- 1.3.2 小流域尺度防护林的空间配置模式18
- 1.3.3 防护林体系的林种、林分结构18-19
- 1.4 防护林空间配置的研究方法19-20
- 第二章 研究区域与研究方法20-25
- 2.1 研究区概况20
- 2.2 数据采集方法20-24
- 2.2.1 防护林结构的调查22-23
- 2.2.2 自然植被物种的调查23
- 2.2.3 风速温度的测定23
- 2.2.4 土样的采集23-24
- 2.3 数据处理方法24-25
- 2.3.1 物种多样性指数的计算24
- 2.3.2 自然植被覆盖度与相对风速关系模型的建立24
- 2.3.3 相对风速的计算24-25
- 第三章 疏透度的数字化测定25-28
- 3.1 数字化测定的原理25
- 3.2 数字化测定的步骤25
- 3.3 疏透度的计算公式25-26
- 3.4 疏透度测定的精度分析26-28
- 第四章 绿洲-荒漠过渡带防护林的防风效应28-33
- 4.1 林带各结构因子的聚类分析28-29
- 4.2 疏透度与其它结构因子的主导因子模型29-30
- 4.3 疏透度与相对风速的关系30-33
- 第五章 绿洲-荒漠过渡带早春自然植被的物种组成及防风效应33-39
- 5.1 各样地物种的组成及其盖度百分比33-35
- 5.2 各样地物种的多样性指数35
- 5.3 自然植被调查指标与风速的关系35-36
- 5.4 自然植被覆盖度与相对风速关系模型的建立36-39
- 第六章 绿洲-荒漠过渡带防护林与自然植被协同配置的优化模式39-49
- 6.1 防护林与自然植被的协同作用对风速的影响39-42
- 6.2 防护林与自然植被的协同作用对空气温度的影响42-43
- 6.3 防护林与自然植被的协同作用对土壤的影响43-46
- 6.4 防护林与自然植被协同配置模式的构建46-49
- 第七章 讨论与建议49-55
- 7.1 绿洲-荒漠过渡带防护林的疏透度数字化测定及防风效应49-50
- 7.1.1 疏透度的数字化测定49
- 7.1.2 疏透度的主导因子模型49-50
- 7.1.3 最适疏透度50
- 7.2 绿洲-荒漠过渡带早春自然植被的物种组成及防风效应50-52
- 7.2.1 自然植被的物种组成与分布50-51
- 7.2.2 自然植被的防风效应51
- 7.2.3 有效植被覆盖度51-52
- 7.3 绿洲-荒漠过渡带防护林与自然植被协同配置的优化模式52-55
- 7.3.1 协同防护效应52-53
- 7.3.2 协同配置的优化模型53-55
- 参考文献55-61
- 致谢61-62
- 作者简介62-63
- 导师评阅表63
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