论文摘要
全球变暖已对人类社会、经济及其赖以生存的生态环境造成了巨大威胁。作为陆地生态系统最重要的一环,植被在防风固沙、保持水土、调节气候等方面发挥着巨大作用,但随着我国国民经济和人口的快速增长,人类活动对植被生态系统的干扰不断加强,加之气候变化的区域性差异,使得我国植被覆盖变化十分复杂。深入了解我国植被覆盖的时空变化特征、科学分析植被与气候和人类活动之间的相互关系对于国家生态环境可持续发展战略的制定与实施具有重要意义。然而,目前的研究在研究尺度、区域及时段等方面差异较大,且对全国植被覆盖变化的归因分析还不够深入。因此,本研究基于气候、土地利用及归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）数据,采用克里格插值、变化趋势分析、变异系数分析、相关性分析、多元回归和残差分析等方法,从不同时空尺度系统研究中国19822015年气候、土地利用和植被覆盖的变化特征,探讨植被覆盖变化的驱动因素,评估气候和人类活动对植被覆盖变化的相应贡献;最后,以植被覆盖显著增加的黄土高原为典型区,采用国际上常用的“观测气温减去再分析气温”（Observation Minus Reanalysis,OMR）方法分析以植被覆盖变化为主的地表过程对地表气温的影响。本文所取得的主要结果如下:（1）19822015年中国年平均气温显著上升,趋势率为0.35℃/10a（P<0.01）;各植被类型区的升温速率排序为青藏高原高寒植被区（V8）>温带荒漠区（V7）>温带草原区（V6）>亚热带常绿阔叶林区（V4）>暖温带落叶阔叶林区（V3）>热带雨林区（V5）>温带混交林区（V2）>寒温带针叶林区（V1）。中国年降水量整体无明显变化,但其在V5增加最快,而在V1减少最快。中国季节气温和降水量多呈现一定的年代际变化规律,但整体变化趋势存在很大的空间异质性。从全国平均来看,各季节气温在1998年以前升温较快,其后升温减缓,冬季甚至出现降温;秋季降水量在1998年以前明显减少,其后明显增加,这与夏季降水量的变化相反;近34 a来春季升温最快,冬季升温最慢,各季节降水量均无明显变化。在省域尺度,山西年平均气温上升最快,而海南升温最慢;海南年降水量增加最快,而湖北年降水量减少最快。总体上,研究时段内中国西北及东南沿海的多数地区气候呈现暖湿化现象,而由东北向西南延伸的带状区域呈现暖干化现象。（2）19802015年中国土地利用发生变化的区域面积约占国土总面积的17%。从净变化量来看,耕地和建设用地面积增加,草地、林地、未利用地和水域面积缩减。从年变化率来看,耕地面积在V1增加最快,而在V4缩减最快;V8建设用地扩张最快,其次为V7,再次为V4;在省域尺度,耕地面积在新疆、黑龙江和内蒙古增加较快,而在上海、北京和浙江缩减较快;建设用地在重庆、贵州和上海扩张较快,而在黑龙江最慢。总体上,中国东部地区建设用地增加明显,其主要来自于耕地;东北和西北地区耕地增加明显,其主要来自于草地和林地。可见,人类活动对植被空间分布的影响巨大。（3）与SPOT-VGT NDVI数据对比分析,认为GIMMS NDVI3g数据适用于对中国植被覆盖变化的监测和分析。基于GIMMS NDVI3g计算的年平均NDVI,研究发现19822015年全国约70%的区域植被覆盖呈增加趋势,其中黄河中下游、长江中游及淮河流域的植被覆盖增加较快,而减小较快的区域主要位于东北地区;除黑龙江和吉林外,其他省份NDVI均呈增加趋势。全国年平均NDVI趋势率为0.51×10-3yr-1（P<0.01）,其在19821990、19912004和20052015年具有“快-慢-快”的阶段性增加趋势。全国8大植被类型区的年平均NDVI趋势率排序为V3>V4>V5>V6>V7>V8>V1>V2,其范围在-0.42×10-31.55×10-3yr-1之间。此外,各季节NDVI趋势率存在很大的空间异质性,整体上以春季和秋季NDVI增加最快。总体上,中国植被生长状况的年际稳定性较好;对于植被覆盖区（排除裸地和水域等）,区域（或季节）植被覆盖状况越好,植被的年际稳定性越强。（4）中国植被覆盖状况及其变化的空间差异与气候和土地利用的时空变化关系紧密。其中,气温升高是近34 a来中国植被覆盖增加的主要气候因素,而春季气温上升的影响贡献较大。在不同地区,植被覆盖对气温和降水变化的响应有很大差异,如干旱和半干旱地区的植被覆盖对降水变化较敏感。中国绝大多数地区植被变化受气候和人类活动的共同影响,二者对中国近34 a来生长季NDVI增加趋势的贡献分别约为40%和60%。中国8大植被类型区生长季NDVI均呈增加趋势,其中人类活动的贡献率排序为V6>V3>V2>V5>V4>V1>V7>V8,其范围在081%之间。在省域尺度上,由人类活动引起的生长季NDVI变化趋势率在山西最大(1.77×10-3yr-1),在上海最小(-0.32×10-3yr-1);全国多数省份的植被覆盖变化主要受人类活动的影响（贡献率>50%）,其中人类活动对上海植被覆盖的减小影响最大。总体上,人类活动对近34 a来中国植被覆盖的增加具有积极作用,而且其贡献大于气候变化。（5）黄土高原中东部地区的OMR气温在19822015年呈快速下降趋势,表明土地利用变化（如植被覆盖变化和城市化）等地表过程对该地区的地表气温产生了很大的降温作用。在黄土高原非城市化区域,植被覆盖及其长期变化均会影响地表气温,而且影响程度随空间尺度大小而变化。在整个黄土高原,植被覆盖状况越好、植被覆盖增加越快,越有利于缓解地表气温的上升;在生态地理分区尺度,植被覆盖的增加同样可缓解半干旱区和半湿润区的地表升温,但会促进干旱区的地表气温上升。对于非城市化区域,植被覆盖状况及其长期变化对近34 a来黄土高原地表气温变化的影响为-0.02℃/10a,其对干旱区、半干旱区和半湿润区地表气温变化的影响分别为0.04、-0.01和-0.07℃/10a;相对于退耕还林前,退耕还林后黄土高原植被覆盖的增加已导致区域平均地表气温下降了0.05℃。可见,近34 a来黄土高原植被覆盖的明显增加已对整个区域的地表气温变化产生了一定的降温作用。综上所述,中国植被覆盖在近34 a来整体呈增加态势,但存在明显的阶段性和很大的空间异质性,气候和人类活动的共同作用是导致这一变化特征的主要原因。其中,人类活动对植被覆盖同时具有正、反两面的影响,比如退耕还林还草等生态工程引起的植被增加和城市化导致的植被减少;降水仅对干旱、半干旱地区的植被覆盖变化影响较大,而气温升高,尤其是春季气温的显著上升,则是促进我国植被覆盖增加的主要气候因素。整体上,人类活动对中国植被覆盖增加的贡献比气候变化的贡献大,而大面积植被覆盖增加已对黄土高原的气候变暖产生了一定的抑制作用。然而,由于气候、土壤水分和土地利用/覆盖类型等的限制,黄土高原干旱地区的植被覆盖增加促进了该区地表气温的上升,而这可能会导致该区水资源短缺问题进一步恶化。鉴于此,我国的植被建设活动可能更应该集中在供水量较为充足的湿润和半湿润地区。本研究对植被-气候-人类活动之间的关系的认识,可以促进对生态系统可持续发展中人类活动作用重要性的深入理解,并为我国正在进行的生态文明建设提供相关理论支撑。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 金凯
导师: 王飞
关键词: 中国,植被覆盖,气候变化,土地利用,人类活动
来源: 西北农林科技大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 生物学
单位: 西北农林科技大学
基金: 国家自然科学基金“次降雨特征与植被变化对半干旱黄土区土壤水分补充的协同影响”(41771558),中国科学院“国际合作局对外合作重点项目”(16146KYSB20150001),欧盟委员会Horizon2020项目“基于中欧农业生产与环境恢复的交互式土壤质量评价”(635750),中国科学院西部之光人才培养计划联合学者项目“黄土高原侵蚀坡地退耕还林草综合评价与可持续对策研究”(院[2013]165),国家重点研发计划“黄土高原水土流失治理与生态产业协同发展技术集成与模式”(2016YFC0501707)
分类号: Q948
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