延安城市森林景观格局动态及驱动力研究

发布时间：2020-05-31 15:11

【摘要】：城市森林是人工景观与自然景观的复合系统,阐明城市森林景观格局有助于了解这一系统中发生的生态过程。景观格局是城市森林质量的一个重要组分,是客观评价城市森林质量水平的前提。本研究选取延安城市森林为研究对象,以景观格局动态及其驱动力为主线,结合黄土丘陵沟壑区城市森林特点和主导功能,从结构、格局、健康和功能四个维度,构建了由17个指标组成的城市森林质量评价指标体系,并采用层次分析法综合评价森林质量;运用克吕格插值预测土壤养分,采用内梅罗肥力指数综合评价土壤肥力,并阐述土壤养分与综合肥力的空间分布规律;采用亲和度与景观格局指数研究延安城市森林景观斑块镶嵌多样性和森林景观格局动态规律;采用时间序列分析研究归一化植被指数(NDVI)、植被覆盖度(FV)、遥感生态指数(RSEI)、干扰指数(DI)与集成Z得分森林指数(IFZ)的年际、季节变化和空间分异,阐明城市森林植被盖度、生态质量和森林干扰年际与季节变化规律;采用图式理论与生境可用性指标相结合的方法,在1852个总面积为168.18 km~2的天然林生境斑块中开展阈值距离评估、整体评价、组分与斑块优先排序与功能类型分析,阐明城市森林景观连接度;通过监督分类与遥感定量、植物群落调查和温湿度测定,依据相关遥感指数和景观格局指数研究土地利用/覆被变化(LUCC)与地表温度(LST)的时空关系,并在样地水平上研究绿地的树种数目(TSN)、叶面积指数(LAI)、三维绿量(LVV)和景观形状指数(LSI)与其冷岛强度(GSCI)的关系,探讨土地利用/覆被变化(LUCC)对地表温度(LST)的影响和绿地林分配置结构与绿地冷岛强度之间的关系;以功能区划和优势树种为纽带,通过1 km×1km空间网格对固碳释氧、水源涵养、保育土壤、积累营养物质、净化大气环境和生物多样性保护的年均功能价值进行空间分析,阐明延安城市森林主要生态功能价值的空间分异规律。主要结论如下:(1)经综合评价得出,延安城市森林整体质量为中等水平。城区乔灌木覆盖、城区降噪和SO_2吸收,郊区天然林面积、森林地上生物量等方面提升空间较大。(2)Regression Kriging(RK)插值预测土壤全氮(0-20 cm和40-60 cm)、有机质(0-40 cm)和速效磷(20-60 cm)精度较高,其余土壤化学特性适合Ordinary Kriging(OK)插值;研究区大部分区域综合肥力为贫瘠水平,速效氮、全氮和有机质是该区土壤综合肥力的限制因子。(3)4个季节的NDVI、FV、RSEI、DI和IFZ年际均值变化呈现类似的波动规律。在森林干扰识别上,IFZ较DI敏感,能够识别较小的干扰,两者均能识别出干扰增强区域,这些区域为延安新区、延河与杜川河沿岸。显著增强的森林干扰主要发生在夏季。1990-2017年4个季节NDVI中度及以上水平改善的面积均占到85%以上,研究区北部植被覆盖度较低。依据遥感生态指数时间序列预测得到,未来30~100年间,森林生态质量改善比较显著,春冬季改善程度强于夏秋季。(4)LST与LUCC在时空变化上具有协同性。高LST值通常分布在低植被度盖度的建设用地、农业用地和未利用地。LST与建筑指数(IBI)呈显著正相关,与归一化差值植被指数(NDVI)、植被覆盖度(FV)和修正的归一化差值水体指数(MNDWI)呈显著负相关。城市绿地可以缓解城市表面热岛,并使地表温度降低0.67~8.57°C,GSCI与LAI、TSN和LVV呈正相关,而与LSI呈负相关,且混交林GSCI高于纯林。(5)1990-2015年延安城市森林覆盖率显著改善。从森林斑块类型水平上看,辽东栎林斑块、刺槐林斑块和软阔叶林斑块所占面积居前三位,油松林斑块、侧柏林斑块、刺槐林斑块、辽东栎林斑块、桦木林斑块的面积呈增长趋势,刺槐林斑块扩张强度较大,苹果林斑块、山杏林斑块、花椒林斑块和核桃林斑块等经济林斑块呈现波动变化,辽东栎林斑块和侧柏林斑块景观核心面积比例居前两位,时间变化上呈相反走势;大部分类型森林斑块的边界密度呈不同程度的上升趋势,表明延安城市森林景观呈破碎化趋势;各类型森林斑块连接度均呈下降趋势。从景观水平上看,边界密度、面积加权邻近指数、分离的核心区密度、散布与并列指数和和辛普森多样性均呈先增后降的趋势,表明人为活动对森林景观的干扰经历了由强到弱的变化,景观连通性指数呈先降后升的变化,表明森林景观连接度由弱变强,香农均匀度指数呈现持续下降的变化,表明景观优势度在不断提高,森林景观受到一种或几种优势斑块类型支配。(6)延安城市森林斑块乔木层物种丰富度低,而灌木层和草本层较高,多数类型的森林斑块物种丰富。各类森林斑块间植物物种镶嵌多样性大于3(m=5.54357),表明延安城市森林景观植被格局较复杂,不存在明显的生态梯度。白桦山杨混交林、白桦纯林、油松纯林和三角枫山杨混交林这4种类型森林斑块为中心点,拥有该区大多数普遍种,代表了该区大多数环境类型。山杏纯林、沙棘灌木林、苹果林和辽东栎侧柏混交林4类森林斑块在景观中属于外点。其余12类森林斑块普遍分布在该区的森林景观中,占据了大多数生境空间。(7)确定出300 m为天然林生境斑块组分、斑块优先级和功能分析的最优阈值距离。识别出第一组分(C1)是整个景观中最重要的组分,并在C1中识别出维持整个景观和关键生境连接度最重要的10个斑块,其编号分别为:P5、P9、P11、P57、P67、P84、P139、P337、P352和P363,其中P67连接功能最大,P363具有最大面积的内部生境,P273具有最大的通量功能。并划分出重要组分、斑块和优先保护/扩张位点。(8)1990-2015年,LULC和森林景观类型变化的主要轨迹分别为:农田转化为建设用地、农田转化为林地、农田转化为草地和林地草地相互转化,刺槐林与其他灌木林相互转化、刺槐林转化为山杨林和侧柏林转化为刺槐林。林地是LULC的主体,辽东栎林斑块、刺槐林斑块和其他灌丛斑块则是主要的森林斑块类型。(9)距道路远近显著地影响着建设用地、农田、林地和草地的转化,尤其是铁路扩建对建设用地、农田和林地扩张有带动作用。1990-2005年森林斑块类型变化概率与40-60 cm土层肥力、坡向余弦值、到水体距离呈负相关;2005-2015年森林斑块类型变化概率与高程、0-20 cm土层肥力和坡向正弦值呈负相关,并与人口密度、GDP和居民点距离呈正相关。此外,5类土地利用/覆被类型(除未利用地外)的变化面积与宏观社会经济指标存在显著的线性相关。农民认知意识、土地管控政策、退耕还林、新区开发、强暴雨等对LULC变化的有一定影响。造林树种的选择偏好会影响森林类型改变。
【图文】：

逻辑结构图

图 1-1 研究内容的逻辑结构图Figure 1-1 Logical structure diagram of the research content10

路线图,研究技术,路线图,技术路线

研究技术路线图
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S718.5

【参考文献】