黄土丘陵区燕沟流域植被生态特征及其生产力形成过程模拟

【摘要】：黄土高原是我国水土流失治理和生态环境建设的重点区域,植被生产力在一定程度上是评价植被恢复和生态治理成效的重要指标。气候和土地利用变化是全球变化的主要组成部分,也是影响植被生产力改变的主要驱动因素。目前,全球气候变化已成为不争的事实,黄土高原的土地利用格局也自国家退耕还林(草)政策实施以来发生了很大变化。因此,研究黄土高原植被生产力形成过程及其对气候和土地利用变化响应,对于明确黄土高原植被对全球变化的响应与适应性,指导该区植被建设具有重要意义。 本文以黄土丘陵区燕沟流域为例,通过对流域11种典型植物土壤理化特性、生理生态特征和群落生长动态的连续监测,探讨了不同植被类型土壤理化特征、植物叶片光合特性和结构性状以及C、N、P化学计量特征的季节变化规律;在综合考虑小流域土壤水分和地形因素对植被碳同化过程影响的基础上,以研究区DEM为基础,构建了景观尺度复杂地形条件下植被生产力形成过程模型(CT-VPP),估算了流域不同生态系统的土壤水量平衡和植被净初级生产力(NPP)的空间分布,并分析了流域不同植被类型NPP对气候和土地利用变化的响应。论文主要研究结果如下: 不同植被类型对土壤理化性质的改善程度不同,天然植被对土壤理化性质的改善作用明显高于人工植被。与农田相比,不同植被类型土壤容重降低,土壤养分含量增加,土壤含水量有所降低;天然灌木林和草地群落土壤有机质和全氮含量显著高于人工乔木和灌木林,农地和果园土壤有机质和全氮含量最低;随着土层加深,不同植被类型土壤理化性质差异减小;土壤全磷在不同植被类型和土层深度差别不明显。 燕沟流域11种典型植物叶片光合特性、结构性状和C、N、P化学计量特征表现出较大的物种间和季节变化差异。总体看来,植物的光合速率、氮素和水分利用效率在生长中期(7月)大于前期(5月)和后期(9月),蒸腾速率在生长前期大于中期和后期,而比叶重在生长后期大于前期和中期;叶片C含量表现为生长前期低于生长中期和后期,而N、P含量随季节变化规律与之相反;叶片C:N、C:P和叶片C含量随季节变化规律相似,叶片N:P随季节变化趋势相对复杂;表明了植物发育过程中前期注重投资和后期侧重防御的生长策略。 构建并验证了复杂地形条件下植被生产力形成过程模型。该模型由太阳辐射的地形校正、土壤水分平衡模拟和植物碳同化过程模拟三个模块组成。模型运行需要输入气象、土壤、植被和空间数据驱动,输出结果包括坡地太阳辐射、蒸散发、土壤含水量、植被NPP等日、月和年值的空间分布。经燕沟流域NPP实测数据和不同NPP模型模拟数据的对比验证,本模型具有较好的预测效果。模拟结果表明,燕沟流域2007年植被NPP约7681.5 t·C,不同植被类型NPP大小顺序为乔木林果园灌木林农田草地;NPP的地形分布特征为:阴坡和半阴坡大于阳坡和半阳坡,5°-15°坡大于其他坡度。 流域植被NPP对气候变化发生时期的响应敏感性不同。其中,全年和夏半年降水增加显著增加植被NPP,而冬半年降水增加对植被NPP促进作用不明显;全年、夏半年和冬半年气温增加明显降低植被NPP,其中冬半年气温增加对NPP降低作用最明显。全年或夏半年降水变化对植被NPP的影响大于温度变化,而冬半年降水变化对植被NPP的影响小于温度变化。不同植被类型对气温和降水变化响应敏感性差别明显,乔、灌木NPP对温度和降水变化的敏感性要大于草本和作物,不同坡向植被NPP对气候变化响应差异较小。 土地利用格局变化对流域植被NPP影响明显。流域退耕还林后(2007年)较退耕还林前(1997年)农田和草地面积分别减少了20.4%和10.5%,而乔、灌木林地和果园面积分别增加了13.9%、3.1%和8.7%,退耕还林后流域植被NPP约增加了10%。若以流域2007年土地利用格局为背景,25°以上坡地全部转变为乔木林或果园后流域植被NPP将分别增加11.1%或15.5%,转变为农田或草地时植被NPP将分别减少7.8%或18.9%,而转变为灌木林时植被NPP变化不大。 本研究在野外试验、文献资料整理和计算机编程的的基础上初步构建了复杂地形条件下植被生产力形成过程模型,探讨了黄土高原燕沟流域植被NPP分布及其对气候变化和土地利用变化的响应,研究结果有助于揭示黄土高原植被碳同化过程机制,明确不同植被类型对全球变化的响应与适应性差异。然而,本研究只是在小流域尺度对黄土高原植被生产力形成过程进行了模拟研究,要揭示全球变化下的黄土高原生态系统碳循环过程与格局的变化,尚需对区域尺度的植被生产过程进行模拟研究。