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黄土高原地区植被恢复对气候的影响及其互动效应

徐丽萍  
【摘要】: 植被覆盖变化及其环境效应的研究是认识人类重大工程活动对区域环境影响的重要途径之一。研究不同尺度下植被覆盖的时空演化格局、变化过程、驱动机制和效应强度,对正确认识人类重大生态工程影响环境演变的作用机制及其效应强度具有重要的现实意义和科学价值。本研究基于实地观测资料、利用长时间序列(1982~2003)美国国家航天航空局(NASA)最新的全球植被指数变化研究(Global Inventory Modeling and Mapping Studies)数据(简称GIMMS/NDVI数据)、短时间序列(2000~2005)美国NASA近年来EOS计划的MODIS数据、长时间气候及其它辅助资料,运用趋势、相关、差分分析等多种方法,分析了黄土高原地区植被覆盖变化的时空演变特征及与气候因子的关系,揭示退耕还林还草工程实施以来,植被覆盖变化对该区气候环境的作用机制及效应。主要结论如下: (1)黄土高原地区1982~2003年植被覆盖变化特征 1982~2003年,黄土高原地区植被NDVI年际上总体表现为增加趋势,表明整个区域的植被覆盖有所好转,但局部地区也存在负变化趋势;在季节尺度上,就整个黄土高原而言,夏季和冬季平均NDVI并没有明显的变化趋势,春季和秋季NDVI呈上升趋势,其中春季NDVI增长趋势最为显著;在常年平均NDVI月变化特征上,1~8月份为NDVI上升的时段,8月份至来年1月份NDVI为下降阶段,4~9月为植被主要生长季,7~8月为植被典型生长季。8月份期间的植被覆盖度最高,因此,8月份的NDVI对黄土高原地区的植被覆盖水平具有最好的代表性。 (2)黄土高原地区2000~2005年退耕初期植被覆盖变化特征 从黄土高原地区典型生长季平均NDVI的变化分析可知,2000~2005年黄土高原地区整体植被覆盖状况呈显著增加的趋势,表明退耕还林草以来整个区域的植被覆盖有所好转,植被在恢复过程中。 (3)黄土高原延安地区1982~2003年植被NDVI与气候因子的关系 对延安地区植被而言,在年的尺度上,全年年均温、降水、相对湿度等对植被NDVI动态变化具有正效应,植被NDVI与各气候因子相关不显著;在季节尺度上,植被NDVI与降水和相对湿度的敏感性较强,温度的敏感性较弱,其中春季的降水量、夏季的相对湿度和冬季的气温对植被NDVI的影响较大。同时,降水与植被NDVI存在隔季滞后相关效应。 (4)黄土高原延安地区退耕初期2000~2005年植被NDVI与气候因子的关系 黄土高原延安地区典型生长季降水和相对湿度对植被生长具有正效应,温度对植被生长具有负效应。7月的降水、相对湿度对8月的植被生长具有正效应,说明植被生长和气候因子存在一定的时滞效应。对整个黄土高原而言也具有类似效应。 (4)黄土高原地区植被覆盖变化驱动机制及其区域气候效应 总的来说,气候因素和人为因素共同驱动形成了黄土高原地区植被覆盖的时空演化格局。近年来人为因素在大范围区域内产生较大驱动作用,同时对区域气候环境和局地小气候产生了一些影响。在区域尺度上,植被恢复的气候效应表现为大风日数减少,大气能见度好转,局部水土流失得到控制,在一定范围内遏制了土地沙漠化的扩展,高寒草甸产草量提高等方面。 (6)黄土高原地区植被恢复对局地小气候的影响及其生态效应 为验证植被恢复与重建后对局地生态环境条件的改善程度和效应强度。采用定位观测的方法,以裸露荒坡为对照对典型退耕区栽植的3种类型的人工植被(混交林、灌木林和草地)样地的小气候特征进行了监测;又对退耕地上建立的人工植被和撂荒形成的自然植被群落进行了大气温湿状况、土壤水热状况等小气候特征的观测分析,并以裸露农地为对照,比较人工植被和撂荒植被对小气候的影响效应强度;并且对郁闭度为75%和40%人工灌木林的小气候效应进行了对比,结果表明: (a)混交林、灌木林、草地光照强度日均值分别比对照小3.9×104,3.4×104,0.9×104 lx,气温日均值分别比对照低1.53,1.32,0.51℃,表土0 cm土层最高温与对照相差14.9,16.8,10.7℃;日均大气相对湿度分别比对照增加8.38 %,7.34 %,2.04 %;光照强度、气温、土壤温度、大气相对湿度及其变动幅度的大小顺序为混交林灌木林草地对照;土壤湿度及其变动幅度为灌木林混交林草地对照。各植被类型样地内的光照强度、气温、大气相对湿度和土壤温度之间均存在一定相关。各类型人工植被均起到了调节小气候,改善生态环境条件的作用。 (b)退耕还林营造人工林后,下垫面的变化引起局地水热循环的变化,具体表现为降温效应、增湿效应、改土效应和阻风效应,尤其是在植被生长旺盛的夏季,人工植被区近地层1.0m处日均气温明显下降,低于撂荒植被区2.2℃;日均相对空气湿度增大,高于撂荒植被区1.97%;日平均风速降低,日均减风效益高于撂荒植被区28%,同时,土壤导热性能提高,土壤物理性质得到改良。局地小气候环境的改善,说明人工林草工程这一措施对脆弱生态的恢复改造有明显的效果。 (c)不同郁闭度林地的地温随深度的下降而下降,郁闭度高的林地表层温度比低郁闭度的林地低,表层以下高郁闭度(75%)林地比低郁闭度(40%)林地相同层次的地温低;随高度的升高,气温逐渐上升,但郁闭度越大规律越稳定。对不同郁闭度林地的地温与气温进行相关分析,相关系数均显著。不同郁闭度林地的空气相对湿度均随高度的上升而下降,但郁闭度越大,最低值出现的时间越落后。由此可见,退耕还林草过程中应该合理密度,在恢复过程中对密植的林地进行适当截伐,以达到光、温、水的充分利用。 综上所述,本研究在一定程度上填补了缺乏对黄土高原地区植被恢复对气候及其生态效应整体影响研究的不足,从植被覆盖时空变化、与气候因子的关系、驱动机制、植被恢复产生的区域气候效应和局地小气候生态效应研究等多个方面展开了初步的尝试性研究,分析方法、分析手段、研究结论等方面也有一定程度的创新。同时也发现了一些迫切需要改进和深入研究的问题,如在植被覆盖变化与气候相互作用研究方面要同时考虑人类重大工程影响、人类重大工程环境影响还需要遥感定量研究和野外采样等,这些问题的深入研究将有助于人类认识植被覆盖变化的规律和量化人类工程措施的贡献率,为进一步科学地指导生态建设作更为细致的服务。


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