【摘要】：旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,由于降雨稀少、蒸發(fā)強烈、植被覆蓋度低而成為生態(tài)脆弱區(qū),極易受到氣候變化和人類活動的影響,面臨著各種生態(tài)環(huán)境問題,退化是其中最嚴重的問題之一。旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的遲滯現(xiàn)象使得退化恢復非常困難,許多學者集中于研究早期信號來應對旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的退化。當前大多數(shù)早期信號的研究是在生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)的理論框架下進行的,盡管計算機模擬的理論模型研究表明旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)具有多穩(wěn)態(tài)的特征,穩(wěn)態(tài)之間會發(fā)生非線性的突變轉(zhuǎn)換,然而基于真實旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)研究案例卻相對缺乏。在過去的幾十年里,利用遙感指標揭示旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化過程機制的研究受到了越來越多的關(guān)注。遙感的優(yōu)勢在于其能快速地以較低成本獲取長時間、大范圍表征生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù),這為研究真實旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)提供了可能。Berdugo et al.(2017)基于地面樣點數(shù)據(jù),對比分析了植被冪律分布指數(shù)、植被覆蓋度和生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)(一種綜合反映土壤碳氮磷循環(huán)的指數(shù))在旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)研究和早期預警方面的適用性,發(fā)現(xiàn)只有生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)能反映旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)特征。地面測量的生態(tài)系統(tǒng)多功能指標往往需要大量資金、勞力和時間,很難在大尺度范圍內(nèi)應用和推廣。因此,本學位論文結(jié)合衛(wèi)星遙感在大尺度研究中的技術(shù)優(yōu)勢,首先以地面生態(tài)系統(tǒng)多功能數(shù)據(jù)為基準,篩選適用于旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)研究的遙感指標。并進一步以非洲Sahel地區(qū)、亞洲蒙古高原為熱帶和溫帶旱區(qū)的案例地,進行生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)刻畫及其退化早期信號辨識的對比研究。得出以下主要結(jié)論:(1)增強型植被指數(shù)和降雨利用率均與生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)存在著顯著正相關(guān)關(guān)系,二者分別可以解釋多功能指數(shù)32%和44%的變異。與植被指數(shù)相比,降雨利用率受降雨的影響較弱,因而與生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)的相關(guān)性更強。但需要注意的是,在使用遙感降雨利用率作為生態(tài)系統(tǒng)多功能的指標時,須滿足降雨利用率的前提假設,即(a)降雨和植被凈初級生產(chǎn)力(或其代理指標)之間存在著一個正的顯著線性關(guān)系;(b)降雨利用率和降雨的線性關(guān)系接近于0。除此之外,降雨利用率與土壤碳、氮循環(huán)指數(shù)具有顯著相關(guān)性,而與磷循環(huán)指數(shù)相關(guān)性不顯著。(2)遙感地表反照率與生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)之間存在著負相關(guān)關(guān)系。大體上,生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)與黑空地表反照率之間的相關(guān)性強于其與白空地表反照率的相關(guān)性。碳、氮循環(huán)指數(shù)與可見光黑空反照率的相關(guān)性強于其與近紅外黑空反照率的相關(guān)性;而磷循環(huán)指數(shù)與近紅外黑空反照率的相關(guān)性強于其與可見光黑空反照率的相關(guān)性。兩種植被指數(shù)(歸一化植被指數(shù)和增強型植被指數(shù))均與生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)和碳氮循環(huán)指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,并且相關(guān)強度要高于地表反照率與多功能指數(shù)的相關(guān)性。但需要注意的是,植被指數(shù)與磷循環(huán)指數(shù)間的相關(guān)性卻不顯著。在MODIS的7個窄帶黑空地表反照率中,紅波段黑空反照率(0.620-0.670μm,中心波長0.645μm)與生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)和碳、氮循環(huán)指數(shù)的相關(guān)性最強。而第七波段(2.105-2.155μm,中心波長2.13μm)與磷循環(huán)指數(shù)相關(guān)性最強。(3)非洲Sahel(熱帶旱區(qū))的案例研究結(jié)果表明:三種(短波、近紅外和可見光)遙感黑空地表反照率均顯示Sahel地區(qū)存在兩種穩(wěn)態(tài),即低反照率穩(wěn)態(tài)和高反照率穩(wěn)態(tài)。高、低反照率大致分別對應著低、高植被覆蓋度,但植被覆蓋度隨著干旱梯度呈現(xiàn)連續(xù)變化,不能刻畫研究區(qū)的多穩(wěn)態(tài)特征。黑空地表反照率的兩種穩(wěn)態(tài)在干旱度0.67和0.82之間共同出現(xiàn),高、低反照率穩(wěn)態(tài)分別對應的植被類型是稀樹草地和無樹草地。當干旱度達到0.82時,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)出一個急劇的、不連續(xù)的突變上升,伴隨著植被覆蓋度由~67%迅速降為~6%,暗示當干旱度超過0.82時,樹態(tài)會發(fā)生退化,轉(zhuǎn)為草態(tài)。在反照率穩(wěn)態(tài)共現(xiàn)區(qū)內(nèi),當干旱度增加至0.74時,兩種反照率穩(wěn)態(tài)的勢能量發(fā)生了顯著變化,即低反照率穩(wěn)態(tài)勢能量開始大于高反照率穩(wěn)態(tài)勢能量,該顯著變化具有作為穩(wěn)態(tài)間臨界轉(zhuǎn)換(即退化)早期信號的潛力,據(jù)此提取了研究范圍內(nèi)的脆弱區(qū),即易發(fā)生退化的區(qū)域,提取結(jié)果與其他學者利用不同方法得到的脆弱區(qū)相一致。(4)蒙古高原(溫帶旱區(qū))的案例研究結(jié)果表明:蒙古高原短波白空地表反照率的概率密度分布具有雙峰特征,表明該地區(qū)可能存在高、低兩種白空反照率模式。勢分析模型結(jié)果顯示在干旱度為0.35至0.45之間,有高、低兩種白空地表反照率穩(wěn)態(tài)持續(xù)性同時出現(xiàn),高、低白空反照率穩(wěn)態(tài)所對應的植被類型分別是草地和針葉林。反照率雙穩(wěn)態(tài)共現(xiàn)區(qū)內(nèi),當干旱度超過0.38后,低反照率穩(wěn)態(tài)的勢能量開始大于高反照率穩(wěn)態(tài)的勢能量,系統(tǒng)傾向于向高反照率穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換,暗示盡管針葉林可以在大于0.38的干旱度與草地共存,但在這樣的干旱水平下,草地比針葉林更適合生存。當干旱度超過0.45時,地表反照率有一個不連續(xù)的突變增加,暗示針葉林有可能發(fā)生退化,轉(zhuǎn)為草地。(5)遙感地表反照率在熱帶(Sahel)和溫帶(蒙古高原)均可以揭示多穩(wěn)態(tài)的存在,且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換都對應著樹態(tài)向草態(tài)轉(zhuǎn)變。但在兩個地區(qū),穩(wěn)態(tài)共現(xiàn)區(qū)和臨界轉(zhuǎn)換的閾值卻明顯不同。這很有可能與溫帶旱區(qū)在干旱度較低(即亞濕潤干旱區(qū))的情況下,無樹草原態(tài)就大片存在有關(guān)。此外,在蒙古高原和Sahel的穩(wěn)態(tài)共現(xiàn)區(qū)內(nèi),均出現(xiàn)了低反照率穩(wěn)態(tài)的勢能量大于高反照率穩(wěn)態(tài)的勢能量的顯著變化,暗示系統(tǒng)傾向于由低穩(wěn)態(tài)反照率(對應的植被類型為樹態(tài))向高反照率穩(wěn)態(tài)(對應著植被類型為草態(tài))轉(zhuǎn)換。因此無論是蒙古高原還是Sahel地區(qū),低反照率穩(wěn)態(tài)的勢能量開始大于高反照率穩(wěn)態(tài)的勢能量均有潛力作為系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)換(退化)的早期信號。總體而言,本學位論文為真實旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)的存在提供了直接證據(jù)。通過對比不同氣候背景下旱區(qū)的多穩(wěn)態(tài)共現(xiàn)區(qū)和穩(wěn)態(tài)間臨界轉(zhuǎn)換閾值的異同,為揭示多穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生機制和設計具有普遍適用性的生態(tài)系統(tǒng)退化早期信號提供理論基礎(chǔ),從而為政府和管理部門在應對旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化提供決策依據(jù)與科學支持。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P237
【圖文】：

態(tài)系統(tǒng)雙多穩(wěn)態(tài)概念模型。兩條實線分別表示植被狀態(tài)和貧瘠（退個穩(wěn)態(tài)的邊界。虛線箭頭表示系統(tǒng)由植被狀態(tài)退化為貧瘠狀態(tài)（根據(jù)改）。系統(tǒng) 多穩(wěn)態(tài) 的理論框架下，各國學者提出了一系列生態(tài)系，例如 Scheffer et al（2009）和 Kéfi et al（2014）分別總結(jié)了期信號（表 1.1）。受到了越來越多的重視。然而，無論是關(guān)于其所依賴的生態(tài)系統(tǒng) 多穩(wěn)態(tài) 理論的研究均處于計算機模擬現(xiàn)實技術(shù)和控制方程模擬生態(tài)系統(tǒng)的退化過程，進而識別可能有的一些案例研究也充滿爭議（Kéfietal.,2007;Maestreetal.這些早期預警信號在真實生態(tài)系統(tǒng)退化過程中的實用性和有Hastings & Wysham, 2010; Boettiger & Hastings, 2013）。因此，

圖 1.3 技術(shù)路線圖1.4.2 論文結(jié)構(gòu)本文共分為六章，各章節(jié)內(nèi)容如下：第一章：緒論。闡述論文的選題背景和意義，綜述國內(nèi)外旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)退化早期信號的研究進展，總結(jié)了遙感理論與技術(shù)在旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與評估中的應用現(xiàn)狀。并進一步闡明了當前旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)研究中存在的主要問題，以及遙感技術(shù)可以提供的支持。在此基礎(chǔ)上，提出了本學位論文的研究目標與擬解決的關(guān)鍵科學問題。并圍繞研究目標確定了論文的主要研究內(nèi)容，制定論文的總體技術(shù)路線，最后給出了本文的組織結(jié)構(gòu)。第二章：遙感植被指標（植被指數(shù)和降雨利用率）與旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多功能的關(guān)系評估。Berdugo et al.（2017）基于地面樣點數(shù)據(jù)，對比分析了植被冪律分布

發(fā)現(xiàn)只有生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)能反映干旱生態(tài)系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)特性（如圖2.1）。地面測量的生態(tài)系統(tǒng)功能指標往往需要大量資金、勞力和時間，很難在大尺度范圍內(nèi)應用和推廣。因此，本學位論文結(jié)合衛(wèi)星遙感在大尺度研究中的技術(shù)優(yōu)勢，首先以地面生態(tài)系統(tǒng)多功能數(shù)據(jù)為基準，篩選適用于旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)研究的遙感指標。并進一步以非洲 Sahel 地區(qū)、亞洲蒙古高原為熱帶和溫帶旱區(qū)的案例地，進行生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)刻畫及其退化早期信號辨識的對比研究。本章將系統(tǒng)評估植被指數(shù)、降雨利用率這兩種常用的遙感指標與旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)多功能的關(guān)系。圖 2.1 植被冪律分布指數(shù)（Power law range, PLR）、植被覆蓋度（Total cover）和生態(tài)系統(tǒng)多功能指數(shù)（Multifunctionality）隨干旱梯度的變化（Berdugo et al., 2017）生態(tài)系統(tǒng)的價值在于其多功能性，比如土壤水分養(yǎng)分保持、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性維持等，生態(tài)系統(tǒng)多功能性的監(jiān)測對于區(qū)的保護和管理具有十分重要的意義。許多研究致力于發(fā)展可以衡量生態(tài)系統(tǒng)功能的指標，比如水分養(yǎng)分截留能力、植被生產(chǎn)力、養(yǎng)分循環(huán)指數(shù)等。但是這些基于地面測量的生態(tài)系統(tǒng)功能指標往往需要大量資金、勞力和時間的支持，很難在大尺度范圍內(nèi)應用和推廣。而通過遙感技術(shù)，可以快速、以較低成本，獲取大范圍的地表參數(shù)，如各種植被指數(shù)（NDVI,EVI, SAVI 等）、植被覆蓋度、地表反照率、表層土壤水分等，它們與干旱、半干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)過程密切相關(guān)（Lamchin et al., 2015; Becerril-Pi a et al., 2015;Tripathy et al., 1996; Hanna et al.

【參考文獻】

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本文編號：2766737