基于遥感的旱区生态系统多稳态刻画及其退化早期信号研究

发布时间：2020-07-23 02:41

【摘要】：旱区生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,由于降雨稀少、蒸发强烈、植被覆盖度低而成为生态脆弱区,极易受到气候变化和人类活动的影响,面临着各种生态环境问题,退化是其中最严重的问题之一。旱区生态系统的迟滞现象使得退化恢复非常困难,许多学者集中于研究早期信号来应对旱区生态系统的退化。当前大多数早期信号的研究是在生态系统多稳态的理论框架下进行的,尽管计算机模拟的理论模型研究表明旱区生态系统具有多稳态的特征,稳态之间会发生非线性的突变转换,然而基于真实旱区生态系统的多稳态研究案例却相对缺乏。在过去的几十年里,利用遥感指标揭示旱区生态系统退化过程机制的研究受到了越来越多的关注。遥感的优势在于其能快速地以较低成本获取长时间、大范围表征生态系统状态的参数,这为研究真实旱区生态系统的多稳态提供了可能。Berdugo et al.(2017)基于地面样点数据,对比分析了植被幂律分布指数、植被覆盖度和生态系统多功能指数(一种综合反映土壤碳氮磷循环的指数)在旱区生态系统多稳态研究和早期预警方面的适用性,发现只有生态系统多功能指数能反映旱区生态系统的双稳态特征。地面测量的生态系统多功能指标往往需要大量资金、劳力和时间,很难在大尺度范围内应用和推广。因此,本学位论文结合卫星遥感在大尺度研究中的技术优势,首先以地面生态系统多功能数据为基准,筛选适用于旱区生态系统多稳态研究的遥感指标。并进一步以非洲Sahel地区、亚洲蒙古高原为热带和温带旱区的案例地,进行生态系统多稳态刻画及其退化早期信号辨识的对比研究。得出以下主要结论:(1)增强型植被指数和降雨利用率均与生态系统多功能指数存在着显著正相关关系,二者分别可以解释多功能指数32%和44%的变异。与植被指数相比,降雨利用率受降雨的影响较弱,因而与生态系统多功能指数的相关性更强。但需要注意的是,在使用遥感降雨利用率作为生态系统多功能的指标时,须满足降雨利用率的前提假设,即(a)降雨和植被净初级生产力(或其代理指标)之间存在着一个正的显著线性关系;(b)降雨利用率和降雨的线性关系接近于0。除此之外,降雨利用率与土壤碳、氮循环指数具有显著相关性,而与磷循环指数相关性不显著。(2)遥感地表反照率与生态系统多功能指数之间存在着负相关关系。大体上,生态系统多功能指数与黑空地表反照率之间的相关性强于其与白空地表反照率的相关性。碳、氮循环指数与可见光黑空反照率的相关性强于其与近红外黑空反照率的相关性;而磷循环指数与近红外黑空反照率的相关性强于其与可见光黑空反照率的相关性。两种植被指数(归一化植被指数和增强型植被指数)均与生态系统多功能指数和碳氮循环指数呈显著正相关关系,并且相关强度要高于地表反照率与多功能指数的相关性。但需要注意的是,植被指数与磷循环指数间的相关性却不显著。在MODIS的7个窄带黑空地表反照率中,红波段黑空反照率(0.620-0.670μm,中心波长0.645μm)与生态系统多功能指数和碳、氮循环指数的相关性最强。而第七波段(2.105-2.155μm,中心波长2.13μm)与磷循环指数相关性最强。(3)非洲Sahel(热带旱区)的案例研究结果表明:三种(短波、近红外和可见光)遥感黑空地表反照率均显示Sahel地区存在两种稳态,即低反照率稳态和高反照率稳态。高、低反照率大致分别对应着低、高植被覆盖度,但植被覆盖度随着干旱梯度呈现连续变化,不能刻画研究区的多稳态特征。黑空地表反照率的两种稳态在干旱度0.67和0.82之间共同出现,高、低反照率稳态分别对应的植被类型是稀树草地和无树草地。当干旱度达到0.82时,系统的稳态表现出一个急剧的、不连续的突变上升,伴随着植被覆盖度由~67%迅速降为~6%,暗示当干旱度超过0.82时,树态会发生退化,转为草态。在反照率稳态共现区内,当干旱度增加至0.74时,两种反照率稳态的势能量发生了显著变化,即低反照率稳态势能量开始大于高反照率稳态势能量,该显著变化具有作为稳态间临界转换(即退化)早期信号的潜力,据此提取了研究范围内的脆弱区,即易发生退化的区域,提取结果与其他学者利用不同方法得到的脆弱区相一致。(4)蒙古高原(温带旱区)的案例研究结果表明:蒙古高原短波白空地表反照率的概率密度分布具有双峰特征,表明该地区可能存在高、低两种白空反照率模式。势分析模型结果显示在干旱度为0.35至0.45之间,有高、低两种白空地表反照率稳态持续性同时出现,高、低白空反照率稳态所对应的植被类型分别是草地和针叶林。反照率双稳态共现区内,当干旱度超过0.38后,低反照率稳态的势能量开始大于高反照率稳态的势能量,系统倾向于向高反照率稳态转换,暗示尽管针叶林可以在大于0.38的干旱度与草地共存,但在这样的干旱水平下,草地比针叶林更适合生存。当干旱度超过0.45时,地表反照率有一个不连续的突变增加,暗示针叶林有可能发生退化,转为草地。(5)遥感地表反照率在热带(Sahel)和温带(蒙古高原)均可以揭示多稳态的存在,且稳态转换都对应着树态向草态转变。但在两个地区,稳态共现区和临界转换的阈值却明显不同。这很有可能与温带旱区在干旱度较低(即亚湿润干旱区)的情况下,无树草原态就大片存在有关。此外,在蒙古高原和Sahel的稳态共现区内,均出现了低反照率稳态的势能量大于高反照率稳态的势能量的显著变化,暗示系统倾向于由低稳态反照率(对应的植被类型为树态)向高反照率稳态(对应着植被类型为草态)转换。因此无论是蒙古高原还是Sahel地区,低反照率稳态的势能量开始大于高反照率稳态的势能量均有潜力作为系统临界转换(退化)的早期信号。总体而言,本学位论文为真实旱区生态系统双稳态的存在提供了直接证据。通过对比不同气候背景下旱区的多稳态共现区和稳态间临界转换阈值的异同,为揭示多稳态产生机制和设计具有普遍适用性的生态系统退化早期信号提供理论基础,从而为政府和管理部门在应对旱区生态系统退化提供决策依据与科学支持。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P237
【图文】：

多稳态,旱区,概念模型,生态系统

态系统双多稳态概念模型。两条实线分别表示植被状态和贫瘠（退个稳态的边界。虚线箭头表示系统由植被状态退化为贫瘠状态（根据改）。系统多稳态的理论框架下，各国学者提出了一系列生态系，例如 Scheffer et al（2009）和 Kéfi et al（2014）分别总结了期信号（表 1.1）。受到了越来越多的重视。然而，无论是关于其所依赖的生态系统多稳态理论的研究均处于计算机模拟现实技术和控制方程模拟生态系统的退化过程，进而识别可能有的一些案例研究也充满争议（Kéfietal.,2007;Maestreetal.这些早期预警信号在真实生态系统退化过程中的实用性和有Hastings & Wysham, 2010; Boettiger & Hastings, 2013）。因此，

技术路线图,旱区,生态系统,多稳态

图 1.3 技术路线图1.4.2 论文结构本文共分为六章，各章节内容如下：第一章：绪论。阐述论文的选题背景和意义，综述国内外旱区生态系统多稳态、生态系统退化早期信号的研究进展，总结了遥感理论与技术在旱区生态系统监测与评估中的应用现状。并进一步阐明了当前旱区生态系统多稳态研究中存在的主要问题，以及遥感技术可以提供的支持。在此基础上，提出了本学位论文的研究目标与拟解决的关键科学问题。并围绕研究目标确定了论文的主要研究内容，制定论文的总体技术路线，最后给出了本文的组织结构。第二章：遥感植被指标（植被指数和降雨利用率）与旱区生态系统多功能的关系评估。Berdugo et al.（2017）基于地面样点数据，对比分析了植被幂律分布

幂律分布,生态系统,植被覆盖度,植被

发现只有生态系统多功能指数能反映干旱生态系统的双稳态特性（如图2.1）。地面测量的生态系统功能指标往往需要大量资金、劳力和时间，很难在大尺度范围内应用和推广。因此，本学位论文结合卫星遥感在大尺度研究中的技术优势，首先以地面生态系统多功能数据为基准，筛选适用于旱区生态系统多稳态研究的遥感指标。并进一步以非洲 Sahel 地区、亚洲蒙古高原为热带和温带旱区的案例地，进行生态系统多稳态刻画及其退化早期信号辨识的对比研究。本章将系统评估植被指数、降雨利用率这两种常用的遥感指标与旱区生态系统多功能的关系。图 2.1 植被幂律分布指数（Power law range, PLR）、植被覆盖度（Total cover）和生态系统多功能指数（Multifunctionality）随干旱梯度的变化（Berdugo et al., 2017）生态系统的价值在于其多功能性，比如土壤水分养分保持、气候调节、生物多样性维持等，生态系统多功能性的监测对于区的保护和管理具有十分重要的意义。许多研究致力于发展可以衡量生态系统功能的指标，比如水分养分截留能力、植被生产力、养分循环指数等。但是这些基于地面测量的生态系统功能指标往往需要大量资金、劳力和时间的支持，很难在大尺度范围内应用和推广。而通过遥感技术，可以快速、以较低成本，获取大范围的地表参数，如各种植被指数（NDVI,EVI, SAVI 等）、植被覆盖度、地表反照率、表层土壤水分等，它们与干旱、半干旱区的生态系统过程密切相关（Lamchin et al., 2015; Becerril-Pi a et al., 2015;Tripathy et al., 1996; Hanna et al.

【参考文献】