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基于GIS的陇西黄土高原落叶阔叶林潜在分布及潜在净初级生产力的模拟研究

戚鹏程  
【摘要】: 由于巨大的人口压力和不合理的人类活动,陆地表面在一个世纪以来经历了广泛且强烈的覆被变化。地表覆被变化是社会经济发展与自然环境演变的必然结果,但是过多且不合理的人类活动使地表覆被的现状大幅地偏离了其自然状态,不仅导致了生态系统生产力的锐减从而严重威胁地方经济的发展前景,而且由于改变了地表-大气之间的自然平衡而给全球尺度的碳循环、水循环、能量平衡带来巨大的负面影响,成为危及人类可持续发展的重大问题。 中国黄土高原或许是人类活动诱发地表覆被变化及继发性生态恶化的最典型地区。在经历了数个世纪的人类活动影响之后,这一地区的自然植被退化已达到十分惊人的程度。因此,进行区域规模的植被恢复和重建是当前黄土高原地区最紧要的任务之一。然而,由于对黄土高原潜在生态状况的理解不够充分,以往黄土高原植被恢复的实践经受了许多失败。因此,植被恢复和生态重建的前提性工作应当是分析掌握区内各类植被的潜在分布以及潜在植被的生态特征,也即解答“假如把人类破坏移除,各地区可以恢复为何种植被?”、“恢复后的森林将有多高的繁茂程度?”等科学问题。 以往研究中,研究者们对黄土高原植被地带性进行若干理论探讨,并对该区植被重建工作提供了许多有益的指导和建议,也为本研究提供了良好且必需的经验和基础。不过,这些宏观论断不能完全满足当前造林工程以及土地利用规划等具体实践工作的需求。当前的具体实践工作十分需要具有较高分辨率的植被潜在分布和植被潜在生产力的图件。本研究的目的是:①建立一个适合于黄土高原植被的潜在分布区模拟技术系统,以较高的分辨率,模拟陇西黄土高原落叶阔叶林(Deciduous Broadleaved Forest,DBF)群落的潜在分布;②模拟这些潜在的植被群落的净初级生产力;③在假设的未来气候情景下,模拟研究区内落叶阔叶林的潜在分布。本研究可为植树造林工程提供参照;并为土地利用与覆盖变化、区域气候模拟、固碳潜力估算等研究提供资料和依据。 该研究的创新之处在于:①本研究中包含对相关的传统研究方法的改进。以往有关黄土高原植被分布的研究中,多是采用“现状分布点廓线法”。虽然,黄土高原的植被分布大体上遵循宏观地带性;但是,环境条件的小尺度分异会导致植被分布的进一步复杂化。故而,上述方法对于描述DBF的潜在分布是不够准确的。笔者在以往学者之工作的良好基础上,从“DBF分布与众多环境因子”之间的统计关系入手,建立统计性模型,然后再将这些模型反推到经空间插值产生的环境因子栅格图层上。由此以来,模拟结果和研究结论更为准确和定量化。②发挥了地理信息系统和遥感技术的优势,提高了研究结果的分辨率和可靠性。主要体现为:选用最优的空间插值方法生成了一系列环境因子栅格图层;基于DEM,计算生成“考虑地形起伏的太阳辐射”图层;遥感提取DBF的现状分布信息等等。 本研究的简要步聚:选抒了10种影响落叶阔叶林(DBF)分布的环境因子作为预测变量,即春季降水量、夏季降水量、秋冬季降水量、春季可能蒸散量、夏季可能蒸散量、秋冬季可能蒸散量、春季降水年际变率、夏季降水年际变率、秋冬季降水年际变率、年平均生物温度。利用6种方法对这10种环境因子进行了空间插值,生成较高分辨率的栅格化图层;通过监督分类,从遥感资料中获取当前DBF(人工林、残存的天然次生林)的分布信息;然后利用5种方法(边界函数法、Logistic回归、GARP、MAXENT以及Holdridge生命地带模型),建立该植被分布的数学模型,最终产出DBF潜在分布图。继之,模拟了潜在DBF的净初级生产力(net primary productivity,NPP)。接下来,又模拟了未来气候情景下DBF的潜在分布。主要结论如下: (1)根据均方根误差(RMSE)大小,为各类气候因子选择了最优的空间插值方法,以保证插值结果的准确性:①就各月平均气温的插值来看,1月和12月的最优插值方法为泛克里金法;2月至10月为宏观因子回归法;11月为普通克里金法。各月气温插值的RMSE可以控制在1.5℃以下。②就各月降水量的插值来看,1月的最优插值方法为反距离加权法;2月、12月的最优插值方法为宏观因子回归法;3月至8月为宏观因子回归法拟合+余项内插法;9月至11月为泛克里金法。各月降水量插值的RMSE基本可以控制在12mm以下。③就各个季节的年际降水变率的插值来看,春季、夏季的最优插值方法为宏观因子回归法;秋冬季的最优插值方法为反距率权重法。各季节年际降水变率插值的RMSE可以控制在4%以下。④就各月相对日照率的插值来看,1月、4月至6月、12月的最优插值方法为泛克里金法;2月、7月至11月的最优插值方法为普通克里金法;3月的最优插值方法为反距率权重法。各月相对日照率插值的RMSE可以控制在7%以下。 (2)利用上述产出的气温图层、相对日照图层、风速图层、实际水汽压图层及天文辐射图层,基于FAO Penman-Monteith公式,估算了研究区内各栅格上的可能蒸散量。结果表明,区内各栅格上的年可能蒸散量平均为814mm,空间上表现为东南部低,北部高,地形影响明显。另外,测试了气温、相对日照、风速、实际水汽压、天文辐射等因子的误差对可能蒸散量估算结果的影响。结果表明,对可能蒸散量估算影响最大的是天文辐射的误差,其次是气温;对估算结果影响最小的是风速误差。 (3)从Landsat影像中提取了落叶阔叶林的现状分布区。结果表明,该植被的现状分布面积为1850km~2,占研究区总面积的3.73%。 (4)各种建模方法的比较:①边界函数法、GARP、MAXENT、Holdridge生命地带模型准确性较高,Logistic回归的准确性较低;②使用Logistic回归法模拟黄土高原森林植被潜在分布,很可能会低估目标植被的潜在分布区;③GARP、MAXENT在以往研究中是用于模拟物种水平的生物分布,本研究表明此两种方法也适用于对植被类型的分布模拟:④Holdridge法使用了3个简明而有效的预测变量,适合于研究气候变化情景下的植被分布。 (5)模拟结果表明,研究区内落叶阔叶林的潜在分布区的面积约为5203 km~2,是现状分布的2.8倍。大致范围为:①马衔山以西,DBF潜在分布的北界通过积石山县和临夏县的北缘、穿过东乡县中部、广河县东北缘;②马衔山和兴隆山有DBF潜在分布,但马衔山的高海拔地带无潜在DBF;③马衔山的南部和东南部至临洮县城和渭源县城之间,有不连续分布的潜在DBF;④安定区仅有西南一角有潜在DBF;⑤陇西县、通渭县、甘谷县、秦安县、庄浪县及静宁县南端有不连续分布的潜在DBF;⑥在临夏、和政、康乐、渭源、漳县、清水、北道等县区的大部分区域,潜在DBF为连续分布。 (6)根据CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach),本区内潜在落叶阔叶林NPP年值的区域平均为528.9 gC·m~(-2),面上总量为7.56×10~6 tC;经与同类区域的观测结果以及其他算法的估算结果相比较,认为此模拟结果基本合理。 (7)同样的升温情景下,降水增加越多,DBF潜在分布区面积越大;同样的降水增幅下,温度升高越多,潜在分布区面积越小。在“气温升高3℃,降水不增加”的情景下,DBF的潜在分布区面积相当于当前潜在分布面积(5203 km~2)的1/2;这种情景下此植被只能蜷缩于研究区的东南角和高海拔地带。“气温升高1℃,降水增加30%”的情景下,DBF潜在分布区面积大约相当于当前潜在分布面积的1.2倍;这种情景下,永靖、榆中、定西、会宁以南的大部分区域可以分布DBF。


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