流域植被覆盖格局时空演变研究综述Word格式.docx
- 文档编号:16574715
- 上传时间:2022-11-24
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:40.30KB
流域植被覆盖格局时空演变研究综述Word格式.docx
《流域植被覆盖格局时空演变研究综述Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《流域植被覆盖格局时空演变研究综述Word格式.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
植被覆盖格局与水土流失有着密切的联系,合理的植被覆盖格局有助于控制水土流失。
因此水土流失研究不仅要研究水土流失对土壤理化性质及养分流失的影响,而且要从植被覆盖格局入手,探讨两者之关系。
国内许多研究从景观生态学的角度全面分析和探讨了流域的产沙机制,表明流域土壤侵蚀状况是由农、林、草地等生态系统之间产流与拦蓄两种作用相互影响的结果,其中作为地表径流滞纳区的林草植被斑块起重要作用。
根据其对黄土高原小流域进行的研究,发现农田、林地、草地等要素的配置与坡地的土壤侵蚀有密切的关系[14-16]。
国外的有关研究也认为植被覆盖格局即不同土地利用类型的组成对土壤侵蚀有重要影响,合理的植被覆盖格局将有利于水分和养分的循环,从而提高生物的生产力和改善区域生态环境问题,而不适宜的植被覆盖格局将导致水分和养分循环失调,带来水土流失等生态环境问题[17]。
黄土高原是中国乃至世界上土壤侵蚀最为严重的地区,也是引起黄河下游河道淤积的物源区。
该区土壤侵蚀和水土流失的发展方向受到不同领域学者和科学家的高度关注,并开展了卓有成效的研究工作[18-19]。
在诸多影响侵蚀的因素中,植被的根本作用得到人们的充分肯定。
2国内外研究现状
地表是否有植被及其长势好坏是干旱区生态环境质量的重要指标。
考察植被覆盖的时空变化规律能直观地反映生态环境质量随时间的变化规律,随着遥感对地观测技术的发展,利用各种遥感数据进行植被检测和植被覆盖变化的研究日益增多。
其中,具有高时间分辨率、低空间分辨率且价格低廉的遥感数据在全球及区域等大尺度植被覆盖变化研究中得到了广泛的应用,并显示出无可比拟的优越性,使过去难以实现的大尺度植被动态变化研究成为可能[20]。
常用于植被监测的卫星传感器包括NOAA-AVHRR,SPOT,SPOT-VEGETATION,MODIS,LandsatTM和ETM+(7),ASTER,SPOT4和5,IKONOS,QuickBird。
在时间系列长度上,AVHRR从1980年开始被处理和使用,SPOT-VEGETATION从1998年开始提供完成预处理的数据,MODIS从2000年开始接收数据。
由于同时具有时间系列长、周期短、覆盖范围广、成本低、波段宽等优势,AVHRR数据是目前最常用的进行长时间系列植被年际变化研究的数据源[21]。
SPOT4与SPOT5卫星载有植被探测器VEGETATION,具有较高的光谱分辨率和1km空间分辨率,重复周期1天,可以提供单一的数据集,周期短,覆盖范围广,对植被与大气敏感,尤其具有多向功能。
MODIS则是中尺度遥感的一个重要里程碑,大大提高了人类对地表覆盖观测的能力,将在今后的科学和生产中发挥重要作用[22]。
2.1植被覆盖度变化研究
近20年来,学者们开展了大量全球植被活动年际变化及其与侵蚀关系的研究,在这些研究中,遥感成为区域及更大尺度上最为重要的研究手段[23]。
宋怡、马明国[24]利用1998—2004年的SP0T-VEGETATION数据对中国西北植被覆盖变化进行了分析。
李忠峰等[25]利用1998-2004年的SP0T-VEGETATION数据对榆林地区土地覆盖变化进行了研究。
郭建坤、黄国满[25]利用1998—2003年的SPOT-VEGETATl0N数据对内蒙古地区土地覆被动态变化进行了分析。
刘亚玲等[27]利用1998—2003年的SPOT-VEGETATION数据对阴山北麓地区植被覆盖动态进行了分析。
李景刚等[28]利用1983-1999年的NOAA-AVHRR数据和2001年的SPOT-VEGETATION数据对近20年中国北方13省的耕地变化与驱动力进行了研究。
Zhou等[29]利用1981-1999年NOAA-AVHRR数据,分析了欧亚大陆和北美洲NDVI的年、季节变化过程和趋势;
Brogaard等[30]利用NOAA数据计算了1982-1999年内蒙古地区草原初级生产力,并分析了其时空变化规律;
Piao等[31]利用1982-1999年的NOAA-AVHRR数据,得出中国温带草原NDVI值呈增加趋势。
李月臣等[32]基于NOAA-AVHRR数据对北方13省(市、区)l982-1999年植被动态变化进行了分析,结果表明18a间研究区植被总体呈现增加趋势。
此外,为了更好地研究植被覆盖度的变化趋势,研究人员还采用了各种分析方法。
Lambin和Strahler[33]利用变化矢量分析法分析了非洲的土地覆盖变化。
PalmerAR和vanRooyenAF[34]利用LandsatTM数据,采用差值法、均值法和最大合成法对喀拉哈里沙漠南部的植被覆盖进行了分析。
方精云等[35]利用GIMMS数据采用累积平均法和均值法研究了1982-1999年间中国地区的植被覆盖度变化,发现我国大多数地区的植被覆盖度都呈现不同程度的增加趋势,生长季节的延长和生长加速是我国植被覆盖度增加的主要原因。
朴世龙等[36]用回归分析法,采用N0AA-AVHRR数据,研究了中国1982-1999年四季植被活动的变化,发现春季是中国植被平均覆盖度上升最快的季节。
张镱锂等[37]采用趋势线分析法和影像差异法等利用N0AA-AVHRR数据分析了三江源地区植被指数变化总态势,通过分析三江源地区植被指数变化状况及其与主要环境和人类活动因素的空间分析表明,人类活动对植被有着重要的影响,尤其是在人类活动影响区。
杨胜天等[38]利用1982-1999年的NOAA-AVHRR数据通过最大合成法和均值法等对黄河流域的植被覆盖变化情况进行研究,结果表明,一些重点生态保护区植被覆盖增长率达到1~3.8,而一些没有开展保护的生态区植被覆盖呈下降趋势,下降速率最大为3。
阎福礼等[39]利用NOAA-AVHRR数据,应用图像差分技术、生物量变化线性方程斜率和主成分分析方法,对1981-2001年中国西部地区植被变化进行了时间序列分析。
2.2植被覆盖格局变化研究
植被覆盖格局变化研究可以理解为对植被覆盖格局的时间和空间异质性的研究。
利用植被格局指数,开展不同时空尺度植被覆盖格局演变特征的定量化研究,是植被覆盖格局变化研究的一个特点。
目前研究工作主要借助FRAGSTATS软件包,从斑块类型水平和景观水平上选取景观指数进行分析[71-73]。
遥感数据的广泛应用及其与GIS相结合,成为探讨植被覆盖格局演变,揭示空间变化规律,建立植被覆盖格局演变数量模型的有效手段。
景观的数字化往往以土地利用类型图作为参照来确定景观类型。
因此,植被格局指数的计算结果不仅受到同一景观类型图所带来的幅度效应和粒度效应的影响,而且会受到不同景观分类图所带来的影响。
赵文武等[43]以延河流域1:
25万和1:
50万土地利用图为对象,通过比较不同比例尺下景观指数随粒度增加(粒度值从25~400m)的变化特征发现,除多数景观指数具有明显的粒度效应之外,不同比例尺的土地利用类型图存在进行景观指数计算的适宜粒度范围,如1:
50万土地利用图的适宜粒度范围分别是70~90m,90~120m。
杨丽等[44]以泾河流域1:
10万比例尺下的景观类型图为研究对象,探讨景观指数计算的适宜粒度范围。
结果表明,基于1:
10万的景观类型图进行景观指数计算的适宜粒度范围为30~40m。
土壤侵蚀作为黄土高原地区主要生态环境问题,其发生和发展受植被覆盖格局演变的影响较为深刻。
常规的植被格局指数和泛泛的植被覆盖格局分析显然难以揭示这种复杂的关系。
许多学者对此进行了积极探索。
陈利顶等[45]提出了“源—汇”景观理论,并构建了源汇景观空间负荷对比指数,来定性评价一个地区植被覆盖格局对生态过程影响,已在水土流失、污染物迁移研究方面得到较好的应用和发展[46-47]。
此外,游珍等[48]从坡面尺度上,提出斑块顺坡连通度、斑块等高连通度以及斑块相对位置等指数,并以黄土高原地区黄家二岔流域进行实例研究。
研究表明这些指数可以较好地评价坡面景观空间位置对土壤侵蚀过程的影响。
植被覆盖格局演变特征总是随着时空尺度的变化而变化,在相同时间尺度下,不同空间尺度的植被覆盖格局变化特征也会有所不同。
一般认为,随着空间尺度增大,不同景观类型在各时段的变化幅度变小,但景观类型之间转换的复杂性变大。
梁峁、沟坡作为流域/区域的基本构成单元,综合了土地利用演变、水系汇流、地貌发育、土壤生成/退化等过程。
黄土高原地形破碎,沟壑纵横,众多自然和人文过程都直接发生于坡面,促进和控制着土壤侵蚀的发生和发展程度,因此植被覆盖格局演变在坡面上的变化将至关重要。
在坡面上,地形通过地貌过程,对植被的自然演替及其分布格局生产影响,而人为干扰使得植被乃至土地利用格局演变过程更为复杂。
然而,受限于数据精度、观测手段等因素,常规的方法很难从空间上定量刻画坡面植被覆盖格局的多样化,进而来探究其演变规律。
但随着认识和研究的深入,在高分辨率遥感影像数据和其他环境变量数据的支持下,坡面尺度上植被覆盖格局的定量化表达精度将不断被提高,探讨坡面尺度上植被覆盖格局演变与生态过程之间的关系将成为可能。
小流域/流域是黄土丘陵沟壑区自然地貌的基本单元,研究其格局演变特征有助于理解流域内部土地利用、水文响应等过程。
许多土地利用/覆被变化研究都是从小流域/流域尺度上展开的[49-51]。
尽管小流域/流域尺度上的研究对揭示中小尺度上植被覆盖格局演变特征更为准确,然而,由于研究目的、时段和评价指标的不同,不同流域间植被覆盖格局演变特征相差较大,即便是同一流域尺度上,植被覆盖格局演变特征因植被覆盖格局分析方法不同而异,因此,如何在数据、指标选取上建立一些标准来提高研究结果的可比性,不仅对小流域/流域尺度,而且对其他尺度上的植被覆盖格局演变研究都具有重要意义。
县域是区域发展的基本单元,把握县域尺度景观格局演变的规律和驱动因素是实现区域可持续发展的重要基础。
张秋菊等[52]分析了安塞县1980-2001年间土地利用变化的特点。
发现安塞县耕地、水域与未利用地面积大幅度减少,林地、牧草地与居民点及工矿交通建设用地的快速增加,不同时期土地利用变化的结构、速度有很大差异。
王晓峰等[53]对近14年榆林北6县土地利用变化进行研究表明,耕地和未利用土地的减少最为明显,转变幅度最快的是园地和建设用地,农用地内部各地类转换剧烈,农用地和建设用地之间的转换明显。
卞德鹏等[54]分析了吴起县1950-2005年50多年来耕地数量变化的过程,发现耕地呈现明显的下降趋势。
焦峰等[55]人对黄土丘陵区县域尺度整体景观格局分析表明,人类活动对各种景观类型的优势度的影响十分显著,集中体现在坡耕地和荒坡地上,随着人类活动影响的增强,景观破碎度指数呈显著增加趋势,斑块形状受地貌形态因素的影响更为显著,集中体现在有林地和荒坡地上,其形状指数值大于其它景观类型。
由于县域作为一个相对独立的经济单元,自然资源、社会统计资料便于获取,因此定量化分析土地数量变化同其他影响因子之间的关系成为探讨土地利用变化驱动机制的主要途径。
然而在分析县域尺度上土地利用格局空间特征方面存在明显不足。
区域作为人口、资源、环境相互作用较强的单元,其土地利用变化研究不仅能够揭示区域社会经济和自然环境之间的相互关系,而且可以为更大尺度或全球环境变化研究提供基础。
郭丽英等[56]以LandsatTM遥感影像为基本信息,应用景观格局指数分析法,对榆林市土地利用格局变化进行了研究,结果表明,区域景观多样性在下降,景观优势度逐渐提高,而破碎化程度在增强。
植被覆盖的时空变化是自然和人类活动交互作用的结果,因此探讨植被覆盖格局变化的时空特征对认识区域土地利用/土地覆被变化具有重要意义。
信忠宝等[57]利用GIMMS和SPOT-VEGETATION两种归一化植被指数数据从更大尺度上对黄土高原地区1981-2006年期间植被覆盖的时空变化进行了研究,研究发现,黄土高原地区植被覆盖变化存在显著的空间差异,内蒙古和宁夏沿黄农业灌溉区和鄂尔多斯退耕还林还草生态恢复区的植被覆盖明显提高,而黄土丘陵沟壑区和六盘山、秦岭北坡等山地森林区植被覆盖明显退化。
区域尺度土地利用格局变化研究是全球变化研究重要内容,然而,目前该领域还存在针对性研究缺乏、空间特征分析不够深入等问题。
在景观生态学中,时间尺度是指某一现象或事件发生的(或取样的)频率或事件间隔。
植被覆盖格局演变在时间尺度上具有明显的依赖性,表现为各种干扰因素和生态演替驱动下不同景观斑块随时间的变化过程。
由于植被覆盖格局的数据多依赖于各种图形和影像资料,植被覆盖格局演变研究时间尺度的选择与遥感影像数据获取时相有很大关系。
植被覆盖格局总是处于不断变化之中,在短时间尺度上植被覆盖的季节变化特征较为明显[58],如农地盖度随季节而变化,一般在8月份达到了最大值[59]。
也可以借助长时间序列植被指数来监测区域的植被覆盖格局变化状况[60]。
在黄土高原地区,长期的、大规模的生态建设对植被覆盖格局改变的影响最为明显,许多研究都是依此背景来展开。
游珍和李占斌[61]从长时间尺度对纸坊沟流域景观格局特征进行了研究,发现从20世纪30年代以来,研究区景观格局变化经历了急剧破坏(1958年左右)、缓慢恢复(1975-1990年)、基本保持(1991-1997年)和快速恢复(1998-1999年)的4个阶段,每个阶段景观格局演变特征鲜明。
2.3植被覆盖格局对地表产流产沙影响
植被与水土流失的关系一直是人们研究的重要内容。
多数研究认为增加植被覆盖度是控制水土流失的重要举措,但不同的植被类型及其搭配组合控制水土流失的效益不同,且裸地与植被镶嵌构筑成水土流失的源-汇格局,合理的镶嵌格局可以保持水分、养分和植物种子,有利于植被的生长,进一步增强水土流失控制能力。
要想有效控制水土流失,需要合理的植被空间分布格局。
而植被与水土流失过程的关系随着尺度的不同又会发生变化,增加了其复杂性,构成了一个等级体系,要想达到有效控制水土流失的目的,必须从斑块、坡面到流域区域甚至全球的尺度理解两者之间的相互作用机制。
3.3.1单株植被/斑块尺度
大量研究表明,植被是土壤侵蚀的重要影响因素。
植被覆盖度的增加会拦截降雨,降低降雨能量,进而减少降雨侵蚀力,覆盖度对土壤侵蚀的影响关系,有些用直线形式或指数形式来表达,很多研究也探讨了有效植被盖度的问题[62],认为只有达到一定盖度之后才能起到减轻土壤侵蚀的作用。
植被能够改善表土的土壤结构、物理化学和水文性质[63]以及微地形,这些性质的改变会进一步影响水土流失,如降低土壤可蚀性、增加土壤入渗能力。
Ziegler和Giambelluca[64]在KahoOlawe岛测定了土壤的物理和水文性质,评价了植被恢复对产流和加速侵蚀的影响,饱和导水率和土壤吸附力的数据证明植被恢复区和裸地区入渗能力有显著差异。
植被斑块的分布通常伴有坡面上微地形的改变,往往在植株上坡向形成小土堆,从而打破了坡面的连续性。
植被覆盖格局从对水土流失有着直接或者间接的作用。
不同的植被类型,有不同的分层结构,各个层次的形态等特征也有显著差异,进而对水土流失的影响会有不同。
针对单株植被的小环境,Bohe等人[65]以植株为中心向外到裸地,对表土性质和溅蚀进行了观测,对比了半干旱地区3种常绿有刺灌丛植被的减蚀效果,结果表明它们的减流减沙方式有所不同。
冠层相对稠密的Sipa草丛,具有屏蔽效应,削弱了降雨侵蚀力,减少了溅蚀;
Casermeiro等人[66]在西班牙马德里对29个自然小区进行了模拟降雨观测,结果表明植被盖度是主要的减流减蚀因子。
植被的结构也很重要,尤其具有分层结构的植被群落比单层植被更能保护土壤,减轻水蚀程度。
GonzalezHidalgo等人[67]在西班牙内陆选择两个试验点,分析了植被覆盖和泥沙输移的关系,结果表明植被的个体结构,以及植被之间的组合搭配是泥沙输移的重要影响因子,控制着侵蚀的过程和格局。
斑块尺度的研究表明要想有效的控制水土流失,必须结合当地环境条件合理选择物种及其搭配,尤其要注意植被的垂直结构和形态特征。
3.3.2
坡面尺度
坡面是地理过程发生发展的重要地理单元,也是流域/区域的基本构成单元。
坡面的物质构成和坡面上物质和能量的流动一直是生态学家、地理学家研究的重要对象,尤其土壤侵蚀研究一直把注意力放在坡面上,而且对坡面的观测具有可操作性,是数据的重要来源。
坡面的坡度、坡向以及土壤性质对植被生长和分布格局都有很大的影响作用,对产流和土壤侵蚀也有着直接影响,坡面上的植被类型、植被在坡面上的位置对水土流失也有直接的控制作用,而水土流失过程和格局又反过来影响植被生长和分布。
Sanhez等人[68]在委内瑞拉安第斯山地区用径流小区法选择4种植被类型对土壤侵蚀进行了定量研究,结果表明不同植被类型及其管理措施对土壤侵蚀的影响程度不同。
Cerda[69]在西班牙东南部山区的人工降雨试验研究表明极端降雨条件下坡位对侵蚀速率没有影响;
由于局部的高入渗特征,使得在整个坡面尺度上没有产流;
坡面内植被是土壤侵蚀和产流的最重要控制因素。
Lopez-Bermudez等人[70]在西班牙Muria利用径流小区研究了地中海半干旱气候下的土壤侵蚀与植被之间的关系。
两年的观测结果表明,在常绿带刺灌丛的控制下,山坡尺度的产流和土壤流失量较低。
Fullen[71]在英国Shropshire布设了10个径流观测小区,用以分析草地的产流侵蚀效应和对土壤有机质的影响。
结果表明,伴随着草地覆盖的增加,侵蚀速率在不断降低。
侵蚀速率与坡度没有很好的相关性,说明即使在陡坡条件下这种措施也起到了有效的作用。
在植草措施小区里土壤有机质显著增加,2a后平均0.39%,4a后平均0.78%。
土壤可蚀性显著降低,试验证明将裸地植草是一种有效的水保措施。
植被的存在往往影响侵蚀产沙过程,影响侵蚀运移的土壤颗粒组成。
Martinez-Mena等人[72]在西班牙东南部,建立了两种径流小区,一种是自然植被覆盖,另一种人工除去自然植被(扰动小区)。
通过4a的泥沙取样,表明两种小区的径流对泥沙的运输都具有选择性。
植被覆盖对泥沙的粒径分布有显著的影响,尤其在高雨强的降雨事件中更为明显。
最大30min降雨强度I30在40mm/h处是扰动小区产沙粒径分布产生变化的临界值,超过这个值后,团聚体被破坏,径流中携带的砂粒将会增加10%~20%,而有植被覆盖的小区产沙粒径没有随雨强变化而变化。
自然植被小区中,植被会减少50%的产生侵蚀的降雨能量,75%的产生径流的能量,阻止了团聚体的破坏,以及粗颗粒的运移。
并且指出对有植被覆盖的小区,雨滴是主要的侵蚀因子,而对无植被覆盖的小区,雨滴和径流都是侵蚀的动力。
近年来许多研究表明水分和泥沙的源-汇植被驱动格局与坡面物质流动协同发展,调控着坡面上物质的空间配置[73]。
Reid等人[74]根据植被覆盖的不同将斑块分成3种类型,冠层斑块(在木本植被冠层正下方)、冠层斑块之间的植被斑块、冠层斑块之间的裸露斑块。
裸露斑块的产流和侵蚀速率最高,其次是冠层之间的植被斑块,最小的是冠层斑块。
结果表明,对产流和产沙而言,3种不同的斑块类型起到了不同的作用,裸露斑块起到了源的作用,而其他两种斑块类型起到了汇的作用,在较小尺度下,这种径流和泥沙的输移过程具有重要的生态意义(可以获取水源)。
格局控制过程,过程影响格局,格局与过程是景观生态学研究的核心内容之一,构建反映生态过程的格局指数一直是景观生态学家的重要研究方向。
Imeson和Prinsen[75]认为裸地-植被镶嵌格局可以指示水土流失源-汇格局的幅度、空间分布和连通性,提出了4种景观格局指数,用来表征水土流失格局和过程,将景观格局和由其控制的生态过程联系起来。
坡面尺度的不同植被类型、裸地-植被斑块镶嵌格局、植被的条带格局对坡面生态管理具有重要意义,尤其在干旱半干旱地区,是坡面植被恢复格局设计的重要参考。
2.3
流域/区域尺度
流域/区域尺度植被与环境因子、与水土流失的关系更加复杂,更多的受到了地貌特征的影响。
因此多数研究是从不同地貌部位的植被及其分布格局、不同植被覆盖类型及其格局的水土流失效应方面进行探讨。
Guerrero-Campo等人[76]在西班牙东北部通过植被调查发现,海拔高度和坡向决定了植物群落的空间格局,这些格局与土壤和土壤侵蚀特征以及某些植被特征有紧密的联系。
较高的多年生植被控制着谷底,灌丛主要控制着山坡和山顶。
有效水分、土壤深度和土壤颗粒的下移决定了这种植被隔离格局。
许炯心[77]和Xu[78]以黄土高原为例研究了降雨-植被-侵蚀的关系,找出了对植被覆盖度和土壤侵蚀强度及其两者关系有很大影响的临界降雨量,为植被恢复和生态建设提供了重要依据。
另外,许多研究也表明流域尺度的植被空间变异对水土流失过程和格局会产生很大影响,加上降雨的时空变异使得二者之间关系更加复杂。
由于大尺度调查的难度,遥感和地理信息系统技术成为获取和分析数据的重要手段,许多研究根据植被光谱特征提出了反映植被覆盖度的植被指数,并构建植被与环境因子的关系模型,土壤侵蚀预报模型中植被指数的参数化也是重要的研究内容。
为了服务于流域/区域管理,许多研究提出了流域/区域水土流失预报模型,用于模拟不同土地利用/覆盖情景下的水土流失效应。
流域水土流失预报与评价模型可以作为植被覆盖格局优化设计的重要工具,使得格局与过程紧密联系起来,可以深化对景观生态学的认识。
基于数据的可获得性和模型的简单易用性,经验模型得到了很快的发展和广泛应用。
VanRompaey等人[79]引入了SEDEM模型(SedimentDeliveryModel),在RUSLE土壤侵蚀预报模型的基础上加入了泥沙输移的模拟,较好的预测了输入河流的泥沙量,并且可以模拟土壤侵蚀与泥沙沉积的空间分布。
此模型可以模拟不同土地利用/覆盖格局和水土保持措施的水土流失效应,在其他地区的应
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 流域 植被 覆盖 格局 时空 演变 研究 综述
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)