神农架地区植物功能型景观特征及其地学响应研究

发布时间：2020-08-12 17:56

【摘要】：全球变化和环境变迁是第四纪地质研究的重要问题。作为生态系统重要成分部分的植被对环境变化极其敏感,区域尺度植被变化与环境关系探讨有助于增进对全球植被变化机制及区域敏感性的理解,是解译大尺度植被与全球变化关系的基础。植物功能型是基于IGBP的核心计划GCTE提出来的。植物功能型的划分可以有效地将小尺度的植物响应环境变化的性状及功能参数引入到植被模型、生物地理模型、生物地球化学模型等模型中,用以研究不同尺度下植被响应环境的定量变化,有助于更好地理解全球变化下的植被响应及其反馈机制。虽然植物功能型的研究已经取得了一定进展,但全球尺度上尚无一套统一的表征区域植物性状或功能性状系统,仍需加强对区域植物性状或功能性状与环境关系的研究。神农架地区地处大巴山前陆构造带东段,印支运动至燕山运动孕育了本区地貌骨架,后受第四纪气候环境影响,区域地貌复杂。神农架地区特殊的自然地理特征,是研究地质、地貌、生物、环境的理想场所,也为局域尺度上研究植物功能性状提供了良好条件。文献分析表明,神农架地区植物功能型相关研究主要围绕植物功能型的环境背景基础及植物功能型相关特征与环境关系展开。侧重点是植物相关特征与环境关系、生态保护方面的研究以及探讨神农架地区环境变迁、气候变化及其综合效应。这些研究主要集中在孢粉分析所揭示的古气候与植被演化的关系、气候变化的石笋记录分析、冰期和冰川地貌的研究及区域影响、土壤及与植物的关系及其他相关研究。景观视角的神农架地区植物功能型特征及其地学响应研究目前尚不多见,而对此问题进行研究是具有较大科学价值和实际价值的。这种价值体现在以下方面:一是在复杂地形下可较为细致地探讨植物群落与群丛层次植物性状和植物功能性状对生态环境的指示作用,揭示区域植被格局变化中环境的作用意义,强化对植被变化过程机制的理解,为更好地了解全球变化对植被作用奠定基础。二是本研究旨在揭示全球变化背景下神农架地区植物功能型格局与环境的关系,有助于推进第四纪全球变化的研究。神农架地区地处扬子板块北缘和秦岭-大别山造山带东段的扬子与秦岭两大块体碰撞拼合区,大地构造运动、第四纪冰川地貌等因素对神农架地区植物功能型具有较大影响,本研究可以丰富全球变化、环境变迁、植被格局等领域研究的内容。三是在复杂地质构造与地形保护下,本区植被受第四纪冰川影响较小,植物功能型景观格局特征及其地学效应的探讨,将有助于解译研究区复杂地形对植被保护作用提供的屏障机制。同时,本研究深入研究神农架地区植物功能型景观特征、探寻与环境的关系,有利于提出有效的保护植物景观与植物资源利用措施,对自然保护区建设和地质公园发展及国家公园制度建立具有重要指导意义在研究神农架地区土地利用类型结构与演化的特征上,探讨了植物功能型景观格局特征;采用生态梯度与因子分析法,研究了环境因子对研究区植物功能型格局的控制作用,为定量分析地形与地质因素对植物功能型格局影响奠定基础。本研究以土地利用/覆被变化研究为前提,在分析区域林地植被生长时空分异的基础上,以遥感影像为数据源,结合文献与野外调研,划分了一套适合分析复杂环境与植被关系的林地植物功能型,运用文献法、景观生态学法、RS/GIS技术空间分析法、生态梯度等数理统计分析方法,探讨神农架地区植物功能型景观特征及其与立地环境因子的关系;采用统计回归的方法分析了地形因子与地质因子对植物功能型格局影响,旨在为解译研究区复杂地形对植被在第四纪冰期中的保护作用提供一点帮助。文章立足全球变化的区域响应视角,揭示神农架地区植物功能型与环境的内在关系。在阐述研究背景的基础上,构建了研究框架;科学界定了研究区范围并揭示了其区域特征;通过文献分析,厘清了相关研究的现状与进展。主要研究内容包括以下方面:从整体上分析了神农架地区土地利用/土地覆被景观的变化,揭示了在这一背景下植被景观的变化特点;通过研究植物生长空间分异特征与规律为植物功能型的划分提供科学依据,并进一步划分研究区的植物功能型;在前述工作基础上,基于景观视角分别从景观格局特征和物候动态变化特征两个方面揭示神农架地区植物功能型景观特征;进一步分析地质地貌与植物功能型景观特征之间的内在关系,然后重点分析了神农架地区植物功能型景观特征的地学响应。通过研究,得出如下主要研究结论:第一,林地是研究区主要景观要素,土地类型空间分布有明显的自身环境特色,二十年来土地类型主要表现为耕地大量流转为林、草地、建设用地。林地占研究区总面积80%。林地在海拔上面积百分比随海拔增高呈一单峰曲线,中海拔区分布比例最大;耕地与人工表面在海拔、坡度、坡向上面积百分比与林地呈负相关;湿地与人工表面相对集中在海拔600米以下地区,湿地面积百分比随海拔增高而减少,集中于低坡度无坡向地区。土地分布表现出较强的环境约束性。上世纪最后十年耕地大量流转为林、草地、建设用地;本世纪初五年耕地大量流转为林、湿地、草与建设用地,其他用地转耕地、其他用地转林地与湿地;本世纪初后五年耕地大量流转为林、建设用地、草地与湿地。转变与全国范围内耕地增减及林地增减时间不一致,源于研究区山高坡陡,生态脆弱,地处汉水与长江分水岭,为丹江口水库与三峡水库的库区的生态屏障,库区生态建设是土地类型流转的主要驱动力。第二,植物功能型景观指数在空间上具有明显分异特征,与环境要素分布差异有空间耦合性;植物功能型景观具有连通性强、优势种明显、同类互邻性强但又呈分散分布的特征,斑块形态具有显著类型间差异。斑块尺度上,植物功能型斑块指数高低值在空间分异现象明显,与地形、人类活动强度空间分布有一定的耦合性。类型尺度上,斑块形态具类型分化,分布具有较均衡,分离度强的特点;景观尺度上,植物功能型斑块空间分布具有显著分异现象,具有斑块形态较复杂、同类斑块结点比例大,连接性强,分散度强,空间分配较均衡的特点。相似邻接比例与散布与并列指数、分离度指数整体高,说明景观具有同类斑块相互衔接而不并列相邻的现象,表现出较好的廊道作用与保护生物物种多样性的效能。第三,植物功能型生长变化有增加趋势,物候生长开始与结束时间具有提前、生长期缩短、年生长最大值变小的变化趋势,变化速率有显著地类型差异,物候变化格局具有多种变化趋势并存的现象,变化格局及植物功能型分布格局在环境因子变化梯度上呈相互分离分布。植被年生长具有显著的周期性波动现象,年间变化具有增大趋势。其中,稀疏乔木林增长速率最大,落叶针叶林最小,仅落叶阔叶灌丛、常绿针叶灌丛、草丛、稀疏乔木林四种增大在99%置信区内。年变化速率在空间上具有减小、不变与增大三种变化趋势并存的现象,但变化面积很小;模拟的物候生长季开始时间、生长季结束时间变化都具有提前,生长季变短,生长季最大值变小的趋势,生长季长度变化主要受生长季结束时间决定;生长季结束时间提前现象,与其他区域表现不一致。在空间上,物候的变化具有显著性提前、不变与推后及无显著性变化多种趋势并存的现象,以没显著性变化为主。植物功能型物候变化的空间差异,显著地受环境因子分布差异影响。对物候变化格局影响较大的因素有土壤碎石体积百分比、土层质地、土壤溶质化学性质,他们可能是通过土壤剖面构型上下层物理化学性质影响排水状况来作用植物功能型在空间上分布的。地形可能是影响空间上水热组合类型与土壤母质类型,导致土壤剖面构型变化来调节植物分布与生长变化的。植物功能型空间分布显著地受海拔高度、坡度、坡向、降雨量、最低极端气温、积温、土壤土壤剖面构型分层与其物理化学性质差异影响。第四,研究区气候要素对植物功能型格局形成与发育有明显地调控作用,植被与气候间建立了稳定的双向反馈关系。第四纪以来,研究区气候经过了多次冷暖变化旋回,植被组成成分与格局随着气候冷暖变化而发生变化。全新世大暖期以来,本地植被分布格局基本形成。在地质地形与气候长期作用下,区域气候与植物功能型格局导致植被对气候变化具有反向作用的能。体现在植物与气侯间具有长期、稳定动态变化关系。降雨量与温度增加会导致植被生长变化,生物量开始升高或下降,后却下降或升高,至恢复到原水平为止。可能是气候变化产生的植被生长引起区域蒸发与蒸腾作用增加,土壤水分散失,云量增加,辐射强度减弱,气温下降导致植被生长受到抑制。第五,地形高程、坡度、坡向与植物功能型景观指数有显著地相关性,体现了地形差异对植物分布具有显著地控制作用。高程与斑块面积、斑块周长、形状指数、分维数、相关外接圆、邻近指数值的大小呈正相关,与面积周长比率值呈负相关,与植物功能型的景观总面积、相似邻接比例、散布与并列、Shannon's多样性、Shannon's均匀度值呈正相关,而与斑块密度、分维度、景观分离度、斑块丰富度密度的变化呈负相关。与区域土地利用强度在海拔高度上分布相反。坡度与形状指数、分维数、相关外接圆、邻近指数值呈正相关,与斑块面积的关系则较为复杂,存在21?阈值;大于21?坡度上,土壤受侵蚀加大,砾石化程度增加,斑块密度、景观分离度增大,斑块破碎化增加,景观总面积、相似邻接比例将会减少,分维数加大,景观异质性增强。受坡度与高程共同影响,高海拔区,相关外接圆、邻近指数值增大,植被沿山环带状分布加强。低海拔高程区,连通性变差,破碎化程度增大,与人类活动有关。地形起伏度与斑块分维数、相关外接圆、邻近指数值呈正相关,与植物功能型的景观总面积、相似邻接比例、景观分离度、散布与并列、Shannon's多样性、Shannon's均匀度呈负相关,与分维度、斑块丰富度密度呈正相关。与对景观指数作用是一致的。因城口-房县断裂,本区北为褶皱冲断带,南为滑脱褶皱带的弧形构造带。受神农架、黄陵隆起影响构造带呈弧形向南凸出,发育-套下古生界、中新元古界的浅变质岩系。数字模拟地形图揭示了存在青-襄断裂北侧向南逆冲推覆与南部以褶皱作用。山体阴影、高程、坡度反映坡度高程与断裂的关系。有些出露地层在不同地形上的面积分配具有显著地差异性,可能是因岩性的抗风化程度差异在一定程度上影响了区域地形。说明地质作用是通过区域地形的控制作用来实现对植被分布格局影响的。本文以植物功能型为分类单位而不是植物种、植被群系或植被型为研究对象,有别于以往研究。这种研究不仅为大尺度植物功能型与环境的关系提供参考,还可以为一直有争议的植被类型的空间分布范围与交错带边界的划定提供依据。研究成果表明,本研究划分的植物功能型生长与物候参数不仅在年内、年间变化速率有类型间分化,从宏观分布格局上也能反映植物在环境梯度上的分布差异与联系,说明构建的植物功能型体系为从宏观上理解与解释微观样方上生态系统的物质生产与地球化学循环的变化提供依据。当然,植物功能型及其景观特征可以从多学科多角度揭示,本文主要在全球变化背景下从植物功能型特征与环境(地学)之间的内在关系视角做了分析,还有待于运用综合比较研究方法和范式做进一步研究。从内在机理而言,植物功能型及其景观特征的地学响应应该是一个地质-地貌-气候-水文-土壤-植物的耦合过程,逻辑关系非常清晰,但内在机理复杂,对这种规律的认识和揭示还有待深入。地质-地貌-气候-水文-土壤-植物的耦合过程的研究和规律的揭示及人类活动的作用和影响以及神农架地区与神农架林区的比较研究等问题都是下一步需要加强的问题。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P901
【图文】：

水系图,水系图,地形,范围

研究区范围、地形与水系图

土地利用结构,自然环境特征,坡度分级,环境特征

神农架地区土地利用结构图（2010年）

土地利用类型,坡度,林地

图 3.2 土地利用类型在不同海拔上所占面积百分比.2 在坡度上分布特征 3.2 显示，林地在所有坡度上所占比例都超过了 63%，随着坡度增上升趋势。表明林地在研究区分布具有随着坡度增加而比例增大的

【参考文献】