【摘要】：全球變化和環(huán)境變遷是第四紀(jì)地質(zhì)研究的重要問題。作為生態(tài)系統(tǒng)重要成分部分的植被對(duì)環(huán)境變化極其敏感,區(qū)域尺度植被變化與環(huán)境關(guān)系探討有助于增進(jìn)對(duì)全球植被變化機(jī)制及區(qū)域敏感性的理解,是解譯大尺度植被與全球變化關(guān)系的基礎(chǔ)。植物功能型是基于IGBP的核心計(jì)劃GCTE提出來的。植物功能型的劃分可以有效地將小尺度的植物響應(yīng)環(huán)境變化的性狀及功能參數(shù)引入到植被模型、生物地理模型、生物地球化學(xué)模型等模型中,用以研究不同尺度下植被響應(yīng)環(huán)境的定量變化,有助于更好地理解全球變化下的植被響應(yīng)及其反饋機(jī)制。雖然植物功能型的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展,但全球尺度上尚無一套統(tǒng)一的表征區(qū)域植物性狀或功能性狀系統(tǒng),仍需加強(qiáng)對(duì)區(qū)域植物性狀或功能性狀與環(huán)境關(guān)系的研究。神農(nóng)架地區(qū)地處大巴山前陸構(gòu)造帶東段,印支運(yùn)動(dòng)至燕山運(yùn)動(dòng)孕育了本區(qū)地貌骨架,后受第四紀(jì)氣候環(huán)境影響,區(qū)域地貌復(fù)雜。神農(nóng)架地區(qū)特殊的自然地理特征,是研究地質(zhì)、地貌、生物、環(huán)境的理想場(chǎng)所,也為局域尺度上研究植物功能性狀提供了良好條件。文獻(xiàn)分析表明,神農(nóng)架地區(qū)植物功能型相關(guān)研究主要圍繞植物功能型的環(huán)境背景基礎(chǔ)及植物功能型相關(guān)特征與環(huán)境關(guān)系展開。側(cè)重點(diǎn)是植物相關(guān)特征與環(huán)境關(guān)系、生態(tài)保護(hù)方面的研究以及探討神農(nóng)架地區(qū)環(huán)境變遷、氣候變化及其綜合效應(yīng)。這些研究主要集中在孢粉分析所揭示的古氣候與植被演化的關(guān)系、氣候變化的石筍記錄分析、冰期和冰川地貌的研究及區(qū)域影響、土壤及與植物的關(guān)系及其他相關(guān)研究。景觀視角的神農(nóng)架地區(qū)植物功能型特征及其地學(xué)響應(yīng)研究目前尚不多見,而對(duì)此問題進(jìn)行研究是具有較大科學(xué)價(jià)值和實(shí)際價(jià)值的。這種價(jià)值體現(xiàn)在以下方面:一是在復(fù)雜地形下可較為細(xì)致地探討植物群落與群叢層次植物性狀和植物功能性狀對(duì)生態(tài)環(huán)境的指示作用,揭示區(qū)域植被格局變化中環(huán)境的作用意義,強(qiáng)化對(duì)植被變化過程機(jī)制的理解,為更好地了解全球變化對(duì)植被作用奠定基礎(chǔ)。二是本研究旨在揭示全球變化背景下神農(nóng)架地區(qū)植物功能型格局與環(huán)境的關(guān)系,有助于推進(jìn)第四紀(jì)全球變化的研究。神農(nóng)架地區(qū)地處揚(yáng)子板塊北緣和秦嶺-大別山造山帶東段的揚(yáng)子與秦嶺兩大塊體碰撞拼合區(qū),大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、第四紀(jì)冰川地貌等因素對(duì)神農(nóng)架地區(qū)植物功能型具有較大影響,本研究可以豐富全球變化、環(huán)境變遷、植被格局等領(lǐng)域研究的內(nèi)容。三是在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造與地形保護(hù)下,本區(qū)植被受第四紀(jì)冰川影響較小,植物功能型景觀格局特征及其地學(xué)效應(yīng)的探討,將有助于解譯研究區(qū)復(fù)雜地形對(duì)植被保護(hù)作用提供的屏障機(jī)制。同時(shí),本研究深入研究神農(nóng)架地區(qū)植物功能型景觀特征、探尋與環(huán)境的關(guān)系,有利于提出有效的保護(hù)植物景觀與植物資源利用措施,對(duì)自然保護(hù)區(qū)建設(shè)和地質(zhì)公園發(fā)展及國家公園制度建立具有重要指導(dǎo)意義在研究神農(nóng)架地區(qū)土地利用類型結(jié)構(gòu)與演化的特征上,探討了植物功能型景觀格局特征;采用生態(tài)梯度與因子分析法,研究了環(huán)境因子對(duì)研究區(qū)植物功能型格局的控制作用,為定量分析地形與地質(zhì)因素對(duì)植物功能型格局影響奠定基礎(chǔ)。本研究以土地利用/覆被變化研究為前提,在分析區(qū)域林地植被生長時(shí)空分異的基礎(chǔ)上,以遙感影像為數(shù)據(jù)源,結(jié)合文獻(xiàn)與野外調(diào)研,劃分了一套適合分析復(fù)雜環(huán)境與植被關(guān)系的林地植物功能型,運(yùn)用文獻(xiàn)法、景觀生態(tài)學(xué)法、RS/GIS技術(shù)空間分析法、生態(tài)梯度等數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法,探討神農(nóng)架地區(qū)植物功能型景觀特征及其與立地環(huán)境因子的關(guān)系;采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法分析了地形因子與地質(zhì)因子對(duì)植物功能型格局影響,旨在為解譯研究區(qū)復(fù)雜地形對(duì)植被在第四紀(jì)冰期中的保護(hù)作用提供一點(diǎn)幫助。文章立足全球變化的區(qū)域響應(yīng)視角,揭示神農(nóng)架地區(qū)植物功能型與環(huán)境的內(nèi)在關(guān)系。在闡述研究背景的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了研究框架;科學(xué)界定了研究區(qū)范圍并揭示了其區(qū)域特征;通過文獻(xiàn)分析,厘清了相關(guān)研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展。主要研究內(nèi)容包括以下方面:從整體上分析了神農(nóng)架地區(qū)土地利用/土地覆被景觀的變化,揭示了在這一背景下植被景觀的變化特點(diǎn);通過研究植物生長空間分異特征與規(guī)律為植物功能型的劃分提供科學(xué)依據(jù),并進(jìn)一步劃分研究區(qū)的植物功能型;在前述工作基礎(chǔ)上,基于景觀視角分別從景觀格局特征和物候動(dòng)態(tài)變化特征兩個(gè)方面揭示神農(nóng)架地區(qū)植物功能型景觀特征;進(jìn)一步分析地質(zhì)地貌與植物功能型景觀特征之間的內(nèi)在關(guān)系,然后重點(diǎn)分析了神農(nóng)架地區(qū)植物功能型景觀特征的地學(xué)響應(yīng)。通過研究,得出如下主要研究結(jié)論:第一,林地是研究區(qū)主要景觀要素,土地類型空間分布有明顯的自身環(huán)境特色,二十年來土地類型主要表現(xiàn)為耕地大量流轉(zhuǎn)為林、草地、建設(shè)用地。林地占研究區(qū)總面積80%。林地在海拔上面積百分比隨海拔增高呈一單峰曲線,中海拔區(qū)分布比例最大;耕地與人工表面在海拔、坡度、坡向上面積百分比與林地呈負(fù)相關(guān);濕地與人工表面相對(duì)集中在海拔600米以下地區(qū),濕地面積百分比隨海拔增高而減少,集中于低坡度無坡向地區(qū)。土地分布表現(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)境約束性。上世紀(jì)最后十年耕地大量流轉(zhuǎn)為林、草地、建設(shè)用地;本世紀(jì)初五年耕地大量流轉(zhuǎn)為林、濕地、草與建設(shè)用地,其他用地轉(zhuǎn)耕地、其他用地轉(zhuǎn)林地與濕地;本世紀(jì)初后五年耕地大量流轉(zhuǎn)為林、建設(shè)用地、草地與濕地。轉(zhuǎn)變與全國范圍內(nèi)耕地增減及林地增減時(shí)間不一致,源于研究區(qū)山高坡陡,生態(tài)脆弱,地處漢水與長江分水嶺,為丹江口水庫與三峽水庫的庫區(qū)的生態(tài)屏障,庫區(qū)生態(tài)建設(shè)是土地類型流轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動(dòng)力。第二,植物功能型景觀指數(shù)在空間上具有明顯分異特征,與環(huán)境要素分布差異有空間耦合性;植物功能型景觀具有連通性強(qiáng)、優(yōu)勢(shì)種明顯、同類互鄰性強(qiáng)但又呈分散分布的特征,斑塊形態(tài)具有顯著類型間差異。斑塊尺度上,植物功能型斑塊指數(shù)高低值在空間分異現(xiàn)象明顯,與地形、人類活動(dòng)強(qiáng)度空間分布有一定的耦合性。類型尺度上,斑塊形態(tài)具類型分化,分布具有較均衡,分離度強(qiáng)的特點(diǎn);景觀尺度上,植物功能型斑塊空間分布具有顯著分異現(xiàn)象,具有斑塊形態(tài)較復(fù)雜、同類斑塊結(jié)點(diǎn)比例大,連接性強(qiáng),分散度強(qiáng),空間分配較均衡的特點(diǎn)。相似鄰接比例與散布與并列指數(shù)、分離度指數(shù)整體高,說明景觀具有同類斑塊相互銜接而不并列相鄰的現(xiàn)象,表現(xiàn)出較好的廊道作用與保護(hù)生物物種多樣性的效能。第三,植物功能型生長變化有增加趨勢(shì),物候生長開始與結(jié)束時(shí)間具有提前、生長期縮短、年生長最大值變小的變化趨勢(shì),變化速率有顯著地類型差異,物候變化格局具有多種變化趨勢(shì)并存的現(xiàn)象,變化格局及植物功能型分布格局在環(huán)境因子變化梯度上呈相互分離分布。植被年生長具有顯著的周期性波動(dòng)現(xiàn)象,年間變化具有增大趨勢(shì)。其中,稀疏喬木林增長速率最大,落葉針葉林最小,僅落葉闊葉灌叢、常綠針葉灌叢、草叢、稀疏喬木林四種增大在99%置信區(qū)內(nèi)。年變化速率在空間上具有減小、不變與增大三種變化趨勢(shì)并存的現(xiàn)象,但變化面積很小;模擬的物候生長季開始時(shí)間、生長季結(jié)束時(shí)間變化都具有提前,生長季變短,生長季最大值變小的趨勢(shì),生長季長度變化主要受生長季結(jié)束時(shí)間決定;生長季結(jié)束時(shí)間提前現(xiàn)象,與其他區(qū)域表現(xiàn)不一致。在空間上,物候的變化具有顯著性提前、不變與推后及無顯著性變化多種趨勢(shì)并存的現(xiàn)象,以沒顯著性變化為主。植物功能型物候變化的空間差異,顯著地受環(huán)境因子分布差異影響。對(duì)物候變化格局影響較大的因素有土壤碎石體積百分比、土層質(zhì)地、土壤溶質(zhì)化學(xué)性質(zhì),他們可能是通過土壤剖面構(gòu)型上下層物理化學(xué)性質(zhì)影響排水狀況來作用植物功能型在空間上分布的。地形可能是影響空間上水熱組合類型與土壤母質(zhì)類型,導(dǎo)致土壤剖面構(gòu)型變化來調(diào)節(jié)植物分布與生長變化的。植物功能型空間分布顯著地受海拔高度、坡度、坡向、降雨量、最低極端氣溫、積溫、土壤土壤剖面構(gòu)型分層與其物理化學(xué)性質(zhì)差異影響。第四,研究區(qū)氣候要素對(duì)植物功能型格局形成與發(fā)育有明顯地調(diào)控作用,植被與氣候間建立了穩(wěn)定的雙向反饋關(guān)系。第四紀(jì)以來,研究區(qū)氣候經(jīng)過了多次冷暖變化旋回,植被組成成分與格局隨著氣候冷暖變化而發(fā)生變化。全新世大暖期以來,本地植被分布格局基本形成。在地質(zhì)地形與氣候長期作用下,區(qū)域氣候與植物功能型格局導(dǎo)致植被對(duì)氣候變化具有反向作用的能。體現(xiàn)在植物與氣侯間具有長期、穩(wěn)定動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。降雨量與溫度增加會(huì)導(dǎo)致植被生長變化,生物量開始升高或下降,后卻下降或升高,至恢復(fù)到原水平為止�？赡苁菤夂蜃兓a(chǎn)生的植被生長引起區(qū)域蒸發(fā)與蒸騰作用增加,土壤水分散失,云量增加,輻射強(qiáng)度減弱,氣溫下降導(dǎo)致植被生長受到抑制。第五,地形高程、坡度、坡向與植物功能型景觀指數(shù)有顯著地相關(guān)性,體現(xiàn)了地形差異對(duì)植物分布具有顯著地控制作用。高程與斑塊面積、斑塊周長、形狀指數(shù)、分維數(shù)、相關(guān)外接圓、鄰近指數(shù)值的大小呈正相關(guān),與面積周長比率值呈負(fù)相關(guān),與植物功能型的景觀總面積、相似鄰接比例、散布與并列、Shannon's多樣性、Shannon's均勻度值呈正相關(guān),而與斑塊密度、分維度、景觀分離度、斑塊豐富度密度的變化呈負(fù)相關(guān)。與區(qū)域土地利用強(qiáng)度在海拔高度上分布相反。坡度與形狀指數(shù)、分維數(shù)、相關(guān)外接圓、鄰近指數(shù)值呈正相關(guān),與斑塊面積的關(guān)系則較為復(fù)雜,存在21?閾值;大于21?坡度上,土壤受侵蝕加大,礫石化程度增加,斑塊密度、景觀分離度增大,斑塊破碎化增加,景觀總面積、相似鄰接比例將會(huì)減少,分維數(shù)加大,景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。受坡度與高程共同影響,高海拔區(qū),相關(guān)外接圓、鄰近指數(shù)值增大,植被沿山環(huán)帶狀分布加強(qiáng)。低海拔高程區(qū),連通性變差,破碎化程度增大,與人類活動(dòng)有關(guān)。地形起伏度與斑塊分維數(shù)、相關(guān)外接圓、鄰近指數(shù)值呈正相關(guān),與植物功能型的景觀總面積、相似鄰接比例、景觀分離度、散布與并列、Shannon's多樣性、Shannon's均勻度呈負(fù)相關(guān),與分維度、斑塊豐富度密度呈正相關(guān)。與對(duì)景觀指數(shù)作用是一致的。因城口-房縣斷裂,本區(qū)北為褶皺沖斷帶,南為滑脫褶皺帶的弧形構(gòu)造帶。受神農(nóng)架、黃陵隆起影響構(gòu)造帶呈弧形向南凸出,發(fā)育-套下古生界、中新元古界的淺變質(zhì)巖系。數(shù)字模擬地形圖揭示了存在青-襄斷裂北側(cè)向南逆沖推覆與南部以褶皺作用。山體陰影、高程、坡度反映坡度高程與斷裂的關(guān)系。有些出露地層在不同地形上的面積分配具有顯著地差異性,可能是因巖性的抗風(fēng)化程度差異在一定程度上影響了區(qū)域地形。說明地質(zhì)作用是通過區(qū)域地形的控制作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)植被分布格局影響的。本文以植物功能型為分類單位而不是植物種、植被群系或植被型為研究對(duì)象,有別于以往研究。這種研究不僅為大尺度植物功能型與環(huán)境的關(guān)系提供參考,還可以為一直有爭(zhēng)議的植被類型的空間分布范圍與交錯(cuò)帶邊界的劃定提供依據(jù)。研究成果表明,本研究劃分的植物功能型生長與物候參數(shù)不僅在年內(nèi)、年間變化速率有類型間分化,從宏觀分布格局上也能反映植物在環(huán)境梯度上的分布差異與聯(lián)系,說明構(gòu)建的植物功能型體系為從宏觀上理解與解釋微觀樣方上生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)與地球化學(xué)循環(huán)的變化提供依據(jù)。當(dāng)然,植物功能型及其景觀特征可以從多學(xué)科多角度揭示,本文主要在全球變化背景下從植物功能型特征與環(huán)境(地學(xué))之間的內(nèi)在關(guān)系視角做了分析,還有待于運(yùn)用綜合比較研究方法和范式做進(jìn)一步研究。從內(nèi)在機(jī)理而言,植物功能型及其景觀特征的地學(xué)響應(yīng)應(yīng)該是一個(gè)地質(zhì)-地貌-氣候-水文-土壤-植物的耦合過程,邏輯關(guān)系非常清晰,但內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜,對(duì)這種規(guī)律的認(rèn)識(shí)和揭示還有待深入。地質(zhì)-地貌-氣候-水文-土壤-植物的耦合過程的研究和規(guī)律的揭示及人類活動(dòng)的作用和影響以及神農(nóng)架地區(qū)與神農(nóng)架林區(qū)的比較研究等問題都是下一步需要加強(qiáng)的問題。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P901
【圖文】：

研究區(qū)范圍、地形與水系圖

神農(nóng)架地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)圖（2010年）

圖 3.2 土地利用類型在不同海拔上所占面積百分比.2 在坡度上分布特征 3.2 顯示，林地在所有坡度上所占比例都超過了 63%，隨著坡度增上升趨勢(shì)。表明林地在研究區(qū)分布具有隨著坡度增加而比例增大的

【參考文獻(xiàn)】

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