基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究

1、北京師范大學資源學院北京師范大學資源學院20062006屆博士學位論文答辯屆博士學位論文答辯 2006.5.212006.5.21基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究 辜辜 智智 慧慧導師：史培軍導師：史培軍 教授教授 陳陳 晉晉 教授教授Estimation of Grassland Degradation Based on Responses of Vegetation to Climate北京師范大學資源學院災害與公共安全研究所北京師范大學資源學院災害與公共安全研究所北京師范大學環(huán)境演變與自然災害教育部重點實驗室北京師范大學環(huán)境演變與自然災害教育部重點實驗室二零零六年五月二零零六

2、年五月-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究研究背景 草地退化是目前我國面臨的突出資源環(huán)境問題，對社會經(jīng)濟以及生態(tài)安全帶來嚴重的危害； 由于草地變化的復雜性、長期性以及影響因子的綜合性，草地退化監(jiān)測的理論與實踐已成為一個重要的研究主題； 我國投入了大量的人力物力進行草地生態(tài)環(huán)境的恢復重建，這些工程的實施也迫切需要理論指導與監(jiān)督評價標準。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究研究意義草地退化監(jiān)測與評價研究是草地優(yōu)化利用管理的基礎，具有重要的應用價值和實踐意義，既可對草地資源的合理利用提供參考依

3、據(jù)，也可對草地生態(tài)恢復重建工作提供監(jiān)督評價標準。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究研究綜述 草地退化的定義 草地退化的表征研究 草地退化的評價體系研究 草地退化的相關技術研究 存在的問題-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地退化的定義草地退化是指草地生態(tài)系統(tǒng)逆行演替的一種過程，在這一過程中該系統(tǒng)的組成、結構與功能發(fā)生明顯變化，原有的能流規(guī)?？s小，物質(zhì)循環(huán)失調(diào)，嫡值增加，打破了原有的穩(wěn)態(tài)和有序性，系統(tǒng)向低能量級轉化以及維持生態(tài)過程所必須的生態(tài)功能下降甚至喪失，或在低能量級水平上形成偏途

4、頂極，建立新的亞穩(wěn)態(tài)（李博，1997）草地退化是一個過程與狀態(tài)的結合，“草”與“地”演替的交互，人為因素與自然因素共同作用的結果。 -基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地退化的表征 植被主要表現(xiàn)為草地生產(chǎn)力下降；植物種類組成和其數(shù)量特征 發(fā)生變化；草地質(zhì)量下降 土壤主要表現(xiàn)為土壤表層硬度、容重、孔隙度、土壤有效持水量和有效養(yǎng)分等發(fā)生變化 動物畜牧業(yè)生產(chǎn)基地的生態(tài)環(huán)境惡化，生產(chǎn)力下降。此外，也是引發(fā)鼠害和蝗災的重要根源之一 微生物微生物對牧壓也很敏感，其總量隨牧壓增大而下降，一些微生物甚至可以作為判斷草地退化程度的良好指示 -基于植被對氣候

5、響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地退化的評價體系 多系統(tǒng)多指標評價體系 植被-土壤-動物-微生物評價體系 植被-土壤評價體系 單系統(tǒng)多指標評價體系 植被評價體系 土壤評價體系 單系統(tǒng)單指標評價體系 草地生產(chǎn)力；植被覆蓋度；降水利用效率；景觀異質(zhì)性等-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地退化的相關技術研究 草地植被類型及空間分布調(diào)查 草地植被覆蓋度及生產(chǎn)力評估 草地退化與環(huán)境因子的關系評價 草地退化與人為影響的研究 草地資源的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對

6、氣候響應機制的草地退化程度評價研究問題一草地退化的評價指標體系與草地退化定義脫節(jié)，僅取決于草地退化表征現(xiàn)象的判斷，而忽視了氣候條件的短期異動對草地植被生長的影響，缺乏對草地退化（演替）過程的體現(xiàn)。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究問題二草地退化評價指標獲取不易，難以進行區(qū)域尺度上的評價與監(jiān)測。遙感技術手段在一定程度上解決了對“草”的宏觀監(jiān)測需求，而無法滿足對“地”的宏觀監(jiān)測。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究問題三缺乏對草地退化評價的“基準”研究，也即是在一定自然條件下，特定區(qū)域土地

7、生態(tài)系統(tǒng)所能達到的最穩(wěn)定狀態(tài)（或系統(tǒng)生產(chǎn)力所能達到的最大潛在狀態(tài)）。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地退化動態(tài)監(jiān)測的要求 可監(jiān)測過程：即一定的時間尺度，以研究草地退化的變化過程及趨勢。 可監(jiān)測指標：指可通過各種手段實時并宏觀獲取的指標； 可比較標準：即尋求一定氣候條件（或自然條件）下的草地生產(chǎn)力最大潛在狀態(tài)，作為退化評價的“基準”；-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究研究目標從草地植被生長與氣候條件的響應關系入手，構建草地植被-氣候響應的理想“基準”模型，以評價草地退化程度及其長期

8、變化趨勢，以期對我國草地植被的恢復重建工作進行監(jiān)督和指導。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究研究區(qū)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究數(shù)據(jù)來源 氣象數(shù)據(jù)19822004年錫林郭勒盟及其周邊氣象站點逐旬的平均溫度、降水數(shù)據(jù) 遙感數(shù)據(jù)19822000年NOAA-AVHRR/NDVI逐旬數(shù)據(jù)，8km；19992004年SPOT-VGT/NDVI逐旬數(shù)據(jù)，1km； 輔助數(shù)據(jù)中國數(shù)字高程圖，90m空間分辨率；中國植被類型圖，1：1000，000；19822004年錫林郭勒盟社會經(jīng)

9、濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)；2004年錫林郭勒盟草地生產(chǎn)力勘查數(shù)據(jù)；錫林郭勒盟行政區(qū)劃圖等-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究技術路線遙感數(shù)據(jù)預處理氣象數(shù)據(jù)插值處理氣象數(shù)據(jù)插值處理植被對氣候條件響應機制研究植被與氣候條件響應“基準”模型草地退化程度逐年評價草地退化變化趨勢評價野外考察數(shù)據(jù)經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)社會調(diào)查數(shù)據(jù)草地生態(tài)恢復工程效益評價及建議驗證-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究氣象數(shù)據(jù)插值處理-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究模擬站點插值模型在站

10、點分布稀疏區(qū)域增設模擬氣象站點，通過其他自然地理因子與氣象因子的相關性反演其氣象數(shù)據(jù)，以增進研究區(qū)氣象因子的空間變異信息，提高氣象數(shù)據(jù)空間插值模型的精度。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究模擬站點的布局根據(jù)空間變異函數(shù)的要求，在實測站點密集處增設近距離模擬站點；根據(jù)插值誤差分布的無偏要求，在無站點影響區(qū)域布局模擬站點；為減少插值模型的邊緣影響，在錫林郭勒盟外圍100km范圍內(nèi)，隨機增設部分模 擬站點；-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究 新增近距離站點13個； 新增均衡站點14個； 新

11、增外圍站點9個-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究模擬站點數(shù)據(jù)反演(年降水量)a)年降水量-經(jīng)度位置b)年降水量-緯度位置c)年降水量-海拔高度d)年降水量-NDVI-max-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究插值結果比較(年降水量)-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究OK-AOK-PCK-PRB-P-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究

12、基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究插值結果比較(旬溫度) 與以DEM為協(xié)同變量的Co-Kriging方法相比，平均誤差減少0.5左右 與基于DEM回歸的智能空間插值方法相對比，平均誤差減少2 左右-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究小結 以地統(tǒng)計學分析為基礎的增設模擬氣象站點方法，利用氣象因子與其他自然因子的相關性，有效的增加了站點數(shù)據(jù)不足區(qū)域的氣象因子空間變異信息，提高了插值結果的精度。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究技術路線遙感數(shù)據(jù)預處理氣象數(shù)據(jù)插值處理植被對氣候條件響

13、應機制研究植被對氣候條件響應機制研究植被與氣候條件響應“基準”模型草地退化程度逐年評價草地退化變化趨勢評價野外考察數(shù)據(jù)經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)社會調(diào)查數(shù)據(jù)草地生態(tài)恢復工程效益評價及建議驗證-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被與氣候響應機制探討 年內(nèi)尺度探討 年際尺度探討-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被與氣候年內(nèi)響應機制的探討作為植被生長過程的指示值數(shù)，特定時間的NDVI，是植被前期和同期生長狀況累積效果的綜合反映。直接采用NDVI分析年內(nèi)時間尺度植被與氣候因子間的響應機制有可能導致錯誤的

14、結論。而NDVI變化量（即當前NDVI減去前期NDVI）可在一定程度上去除NDVI的累積影響。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究分析方面 不同草地類型 不同植被生長階段 不同氣候條件 不同滯后尺度的影響-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究小結 溫度是草甸草原植被生長的主要限制因子；在典型草原，溫度和降水與NDVI變化量的相關性隨其主要植被類型的不同而不同；荒漠草原，降水是最主要的影響因子，同期的溫度作用并不顯著； 植被生長增長階段NDVI變化量與氣象因子之間的相關性最高； 不同降水、溫

15、度條件對植被生長的影響略有不同。 降水、溫度對本地區(qū)植被生長的滯后影響在1個月左右，一般來說同期溫度、降水的影響最高；-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被與氣候年際響應機制的探討植被的生長受多種自然與人為因素的影響，同樣表征植被生長狀況的遙感植被指數(shù)也是受多種因素影響后的結果數(shù)據(jù)。而影響草地植被生長的非氣候因子如病蟲害、野火、放牧和人類活動等等，基本上對草地植被的生長都是負影響，進而造成了其遙感植被指數(shù)的降低。相同的氣候條件下相同草地植被所對應的最大生長狀態(tài)（或最大遙感植被指數(shù)）即代表著其受非氣候因子影響最小的狀態(tài)，理論上更接近于該氣候

16、條件下該類型草地植被生長的“理想（基準）”狀態(tài)。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究分析方面 植被生產(chǎn)力表征參數(shù)選?。?NDVI-Max, NDVI-Range, TI-NDVI 影響植被生長力的氣候參數(shù)選??； 不同時間段的溫度、降水組合 植被-氣候歷史最大響應模型的構建 -基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究NDVI-Max VS NDVI-RangeNDVI-Range = NDVI-Max ( = 0，NDVI-Min，NDVI-SOS)-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究

17、基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究氣候參數(shù)的選取-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被-氣候歷史最大響應模型構建1002003004005006000.00.10.20.30.40.5NDVI-RangePrecipitation(mm)R=0.52 P0.00011002003004005006000.00.10.20.30.40.5R=0.90 P0.003NDVI-RangePrecipitation(mm)-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究-基于植被對氣候響應機制的

18、草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究小結 NDVIR可作為各草地類型植被生產(chǎn)力的表征，生長季（增長階段）累積溫度與年降水量對植被生產(chǎn)力有著較大的影響； 選取的各草地類型不同氣候條件下歷史最大 NDVIR與其對應氣候因子的關系，與前面的研究成果基本一致，基本證明了構建植被-氣候歷史最大響應模型的可行性和可靠性。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究技術路線遙感數(shù)據(jù)預處理氣象數(shù)據(jù)插值處理植被對氣候條件響應機制研究植被與氣候條件響應植被與氣候條件響應“基準基準”模模型型草地退化程度逐年評價草地退化變化趨勢評價野外考察數(shù)據(jù)

19、經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)社會調(diào)查數(shù)據(jù)草地生態(tài)恢復工程效益評價及建議驗證-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地退化程度評價及其驗證構建基于區(qū)域數(shù)據(jù)的不同草地類型被-氣候歷史最大響應模型，作為不同氣候條件下草地退化評價的“基準”，根據(jù)實際草地生產(chǎn)力偏離“基準” 的程度來評價草地退化的程度。這一指標體現(xiàn)了非氣候因素對草地植被生長影響的程度，可作為草地生態(tài)恢復重建工作中人為活動調(diào)控的參考依據(jù)。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被-氣候歷史最大響應模型(降水)-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研

20、究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被-氣候歷史最大響應模型(溫度)-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被理想生長狀態(tài)反演-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地退化程度的評價a)同等氣候條件下草地退化的程度對比；b) 同等非氣候因素影響的草地退化程度對比；c)不同氣候條件不同非氣候影響壓力下的草地退化程度對比501001502002503003500.00.10.20.30.40.5NDVIPrecipitation(mm)NDVIRe-NDVIRa植被指數(shù)損失草地退化程

21、度評價草地退化程度評價-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地退化變化趨勢分析(a)為非氣候因素影響減弱的情況;(b)為非氣候因素影響加劇的情況。(a)(b)-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究結果驗證-基于植被對氣候響應

22、機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究結果驗證國家環(huán)保局公布草地退化面積比例：1985年48.81%；1999年65%以上 。本文評價結果：1985年約93%左右；1999年約78% 。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究小結 基于植被-氣候歷史最大響應模型的草地退化程度評價可準確的表述草地植被在同等氣候條件或同等非氣候影響壓力下的退化程度； 錫林郭勒盟退化草地面積占草地總面積的7090%，草地生產(chǎn)力相對于基準狀態(tài)下降了2035%，但從多年變化趨勢來看，全盟的草地退化面積有減小的趨勢，平均的退化程度也是如此，

23、這與錫盟二十年來實施草畜產(chǎn)權到戶的進程有著密切的關系。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究技術路線遙感數(shù)據(jù)預處理氣象數(shù)據(jù)插值處理植被對氣候條件響應機制研究植被與氣候條件響應“基準”模型草地退化程度逐年評價草地退化變化趨勢評價野外考察數(shù)據(jù)經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)社會調(diào)查數(shù)據(jù)草地生態(tài)恢復工程效益評價及建議草地生態(tài)恢復工程效益評價及建議驗證-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究草地恢復重建工作的評價與建議通過較短時間序列的遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，建立近年來錫林郭勒盟草地植被-氣候歷史最大響應模型，評價草地植被退化的相對變化趨勢，并結合20世紀90年代末草地退化程度評價結果，對退化草地的可恢復程度進行了評價。-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被-氣候歷史最大響應模型(降水)-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究植被-氣候歷史最大響應模型(溫度)-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究-基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究基于植被對氣候響應機制的草地退化程度評價研究在19992004年持續(xù)干旱的自然條件以及 2001年起基