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东北地区农林交错带土地利用变化及其对区域气温影响模拟研究

刘廷祥  
【摘要】:东北地区是全球范围内短时间经历人类活动高强度作用的区域之一,特别是耕地和森林分布格局发生了巨大的变化,形成了具有典型变化过程和格局特征的农林交错带。该变化显著地改变了地表覆被状态,并对区域气候系统要素及地表-大气之间的相互作用产生了重要的影响,进而改变了区域降水、温度等的分布格局。对这一格局和过程变化的研究不仅在区域土地利用/覆被变化(LUCC)和气候变化领域具有代表性,并为更大尺度的全球变化研究提供典型案例,而且服务于东北区域发展。 本文在总结和评述国内外LUCC研究及其气候效应研究的基础上,以东北地区农林交错带为研究对象,获取了包括1950年代、1970年代和2010年的东北土地利用时空数据序列,并选择嫩江流域农林交错带为典型研究区,从土地利用变化分析和WRF(Weather Research Forecast)模式数值模拟两个方面系统地研究了农林交错带土地利用格局变化及其区域气温变化效应。本文的主要内容和结论包括: (一)东北地区农林交错带的空间分布在过去几十年里发生了显著的变化。本文首先以东北地区为基本研究区,利用基于遥感影像和地形图获取的土地利用数据在东北地区划分出不同的生态交错带,进而主要分析了东北地区农林交错带的时空变化与特征。在东北地区,农林交错带主要分为林缘农林交错带和林间农林交错带,两者的差异取决于区域地貌和气候特征,并形成了不同的土地利用格局;农林交错带中主要的生态问题是水土流失问题,农林交错带的自然环境决定了农业开发中土地系统的脆弱性。 (二)农林交错带的景观特征与其他类型的生态交错带之间具有显著的差异,不同地区的农林交错带区域景观剖面表现出不同的土地利用格局。在东北地区不同位置的典型农林交错带中提取了五个景观剖面,分析了不同地区农林交错带横剖面上的土地利用分布格局。结果显示不同地区农林交错带的土地利用格局和过程具有明显的差异。引入景观生态指数计算方法和两个主要的环境因素,对比了大兴安岭东部农林交错带与其他生态交错带之间景观异质性的差异及其时空变化。分析结果表明:(1)坡度2.5~7.5°之间是耕地和林地的主要转换区;(2)从1978~2010年,边界密度(ED)和核面积指数(CPL)的变化表明坡度在2.5~10°的地区林地景观的破碎化程度最高。(3)ED曲线峰值两侧在1978~2010年间的变化表明,森林砍伐具有向着更大坡度地区移动的趋势。(4)区域上不同的生态交错带在干燥度指数上有明显差异,农林交错带中的耕地在区域上所有耕地中的湿润程度最高。 (三)在GIS技术支持下,本文对WRF模式输出的不同分辨率尺度上的气温值进行了空间尺度分析。利用气象站观测值与不同分辨率尺度输出结果之间对比,分析表明随着分辨率的提高,站点观测值与WRF模式输出值之间的偏差越来越小。随着分辨率的增加,越来越多的细节被刻画出来,但3km和1km之间信息量的增加有限。在尺度下推中,本文以影响地方气温最显著的因子-高程为例,用高分辨率的DEM将9km分辨率的气温分布下推到3km分辨率;与WRF模式在3km分辨率上的输出结果对比,表明尺度下推结果能够反映出3km尺度上的气温变化趋势,但在空间分布细节上的变化较粗糙。而基于栅格重采样的尺度上推则相对具有更高的精确度。以1km分辨率的气温分布为因变量,以经度、纬度、海拔高度和地形因素为自变量,分析了气温与这些因素之间的关系。其中地形因素为坡度和坡向的综合影响。回归产生的残差分布反映了植被、土壤、小尺度大气过程对气温分布格局的贡献。 (四)对嫩江流域过去60年7月平均气温的时间序列分析表明,其整体上具有上升趋势和局部的波动变化,并存在5~12年和21年的周期变化。不同土地覆被条件下基于WRF模式的温度变化敏感性分析表明,嫩江流域农林交错带1950s~1970s的土地覆被变化具有增温效应,而1970s~2010年的土地覆被变化具有降温效应。其中,与气温相比,地表温度对土地覆被类型转变更加敏感,变化的程度明显更显著。同时,土地覆被变化带来的增温或降温效应在区域整体上比较显著,而在不同土地覆被类型转变区上的差异并不十分显著。对土地覆被变化和气温变化的综合模拟分析表明,1978年比1951年气温稍有上升,但上升幅度比土地覆被变化导致的增温效应小,因此气候系统可能具有降温的背景;而2010年比1978年气温显著上升,结合该时期土地覆被变化的降温效应,说明气候系统整体增温的背景趋势更强烈。


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