丹江流域植被格局演变及其与水质响应关系研究

发布时间：2017-12-20 20:29

  本文关键词：丹江流域植被格局演变及其与水质响应关系研究　出处：《西安理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：植被是陆地生态系统的主体,植被覆盖及其空间分布格局对水土流失防治和水资源环境保护具有重要意义。针对丹江流域生态建设与水源保护中的关键问题,应用多学科交叉的理论知识,结合RS和GIS技术,并采用野外土壤/水质调查和径流小区模拟降雨试验,研究丹江流域植被格局变化及其与水质的关系。阐明了流域植被格局的时空分布特征以及演变规律;分析了流域土地利用的时空分异规律,并结合流域地形地貌特征,辨识了土地利用变化与植被格局演变之间的关系;阐明了流域不同植被和地形条件下土壤养分的空间分布特征,揭示了不同土地利用/植被覆被条件下土壤养分迁移规律;构建了丹江流域不同空间尺度下流域植被格局与河流水质参数之间的响应关系,提出了丹江流域植被格局优化措施。为丹江流域的生态安全和水环境保护提供参考。本文的主要结论如下:1)阐明了丹江流域植被格局的时空分布特征和变化规律。丹江流域植被NDVI在年内呈倒“U”型分布,最小值和最大值分别出现在2月(0.387)和8月(0.866);各季节植被NDVI的大小顺序为:夏季秋季春季冬季,且存在显著性差异(P0.05);2000—2010年11年间,植被NDVI总体上呈增加趋势,变化范围在0.61～0.73。在空间分布上,植被NDVI呈现出由丹江干流向山区逐渐增大的趋势。植被NDVI的Moran's I系数为0.858,各向空间异质性中“西北—东南向”Moran's I系数最大,为0.116。植被NDVI高-高(HH)集聚区分布在丹江流域北部的蟒岭和南部的新开岭,低-低(LL)集聚区主要分布在“商洛-丹凤”盆地。植被持续严重退化区和持续显著改善区面积分别占总面积的2.70%和3.46%;持续轻度改善区和持续轻度退化区分别占总面积的42.67%和40.54%,可持续性不确定区占总面积的10.64%。植被时间稳定性区域占总面积的6.73%,植被时间稳定性代表位置点仅占流域总面积的5.15%。丹江下游各子流域植被时间稳定性较强,上游和中游的2#、3#、5#、7#、10#和13#子流域植被时间稳定性较弱。春季、夏季和秋季植被时间稳定性代表位置均为4#子流域,冬季为8#子流域。从不同地形分布来看,植被时间稳定性较强的区域主要分布在海拔800～1000m、坡度15°～20°。2)阐明了土地利用变化与植被格局演变的响应关系。丹江流域土地利用以草地、林地和耕地为主,面积之和占到流域总面积的90%以上。各子流域土地利用类型组合差异较大,3#和5#子流域建设用地和耕地面积占比超过25%,6#、8#、11#和13#子流域林地面积占比在40%以上,草地面积在各子流域占比均超过30%。11年间除耕地面积减少了3.729%,其余用地面积均出现了小幅增加。土地利用之间的转换主要在耕地、林地和草地中进行,建设用地基本为净转入,且主要来源于耕地。不同土地利用类型的植被NDVI大小顺序为:林地草地耕地建设用地。与2000年相比,2010年林地、草地和耕地的植被NDVI分别提高了 12.88%、13.10%和13.33%,而建设用地仅提高了 2.89%;此外,建设用地和耕地植被NDVI的变异系数增大,林地和草地植被NDVI的变异系数降低。土地利用与植被NDVI的关系表明:低NDVI与建设用地显著相关;中、高NDVI与耕地、草地和林地显著相关。耕地面积增加降低植被时间稳定性,而林地作用相反。2000—2010年土地利用的不变地类中,耕地的植被NDVI出现减少趋势,林地、草地的植被NDVI出现增加趋势。转换地类中,耕地转为草地和林地、草地转为林地,植被NDVI呈上升趋势;林地转为耕地和草地,以及草地转为耕地,植被NDVI呈下降趋势。土地利用对6种植被覆盖度等级划分方案的解释度均超过了 80%,其中对第5种方案的解释度高达88.65%,为最优方案。3)阐明流域不同植被和地形条件下土壤养分的空间分布特征,揭示不同土地利用/植被覆被条件下土壤养分迁移规律。丹江流域表层土壤中氨氮、硝氮和总氮的平均含量分别是1.12mg/kg、1.74 mg/kg和0.47 g/kg。沿丹江流域海拔梯度对氨氮和硝氮有显著影响(p=0.001,p=0.005)。土壤养分空间分布受植被NDVI、相对高程、地形湿度、地面粗糙度、坡度坡长因子、地表起伏度等因素影响。通过回归Kriging插值反映出土壤养分含量在空间分布上由地势较为平缓的河谷地区向山区减少。高NDVI条件下,土壤养分含量较低,而低NDVI条件下,土壤养分含量较高。固定雨强模拟降雨条件下,坡面径流量、产沙量和养分流失量随植被覆盖度的增加而减少。与裸坡相比,覆盖度为40%、60%和90%的坡面径流总量分别减少了 58.61%、88.85%和90.20%,产沙总量分别减少了 55.10%、95.25%和 98.24%,养分流失总量分别减少了 17.45%～24.02%、41.68%～59.39%和45.88%～66.02%。植被覆盖度与养分流失量拟合呈指数函数关系,其表达式为:y=ae-bx(a,b0)。4)揭示了丹江流域不同空间尺度下植被格局与水质的响应关系。土地利用景观指数与水质的回归模型R2值在0.66～0.80之间,引入植被NDVI指数后,氨氮和总磷预测模型的R2提高了 1倍,硝氮、总氮和速效磷预测模型的R2提高了 20%～50%。在子流域尺度,水质与CONTAG和LPI呈显著正相关,与SHDI呈显著负相关;低植被覆盖度下LPI、LSI与水质呈正相关,较高和高植被覆盖度景观指数多与水质呈负相关。不同缓冲区,NP、LSI、IJI和SHDI随缓冲区距离的增加而增加,LPI、CONTAG和AI随缓冲区距离增加而减少,COHE保持稳定;且NP、LSI、SHDI和IJI与水质呈负相关,LPI、CONTAG、AI和COHE与水质呈正相关;低植被覆盖度下与水质关系最强的景观指数为LPI(呈正相关)和LSI(呈负关系);高植被覆盖度下IJI和COHE与水质的关系最密切。RDA分析表明在子流域尺度景观指数对水质的总解释度最好,达到65.80%,其中,LPI、SHDI和CONTAG对水质的解释度均超过13%。植被生态效率分析表明,14个子流域生态效率平均值为0.989,其中6#子流域效率最高,14#子流域效率最低。从分解效率来看,技术效率较高,而规模效率较低。根据聚类分析对丹江14个子流域的投入产出冗余进行分类,在此基础上将14个子流域划分成投入不足和投入过剩2个植被优化调整方向,共4个类型,并提出相应的植被覆盖和空间结构优化措施。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：Q948;X52

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1 杨R，

本文编号：1313318