本文關(guān)鍵詞：丹江流域植被格局演變及其與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系研究　出處：《西安理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,植被覆蓋及其空間分布格局對水土流失防治和水資源環(huán)境保護(hù)具有重要意義。針對丹江流域生態(tài)建設(shè)與水源保護(hù)中的關(guān)鍵問題,應(yīng)用多學(xué)科交叉的理論知識,結(jié)合RS和GIS技術(shù),并采用野外土壤/水質(zhì)調(diào)查和徑流小區(qū)模擬降雨試驗(yàn),研究丹江流域植被格局變化及其與水質(zhì)的關(guān)系。闡明了流域植被格局的時(shí)空分布特征以及演變規(guī)律;分析了流域土地利用的時(shí)空分異規(guī)律,并結(jié)合流域地形地貌特征,辨識了土地利用變化與植被格局演變之間的關(guān)系;闡明了流域不同植被和地形條件下土壤養(yǎng)分的空間分布特征,揭示了不同土地利用/植被覆被條件下土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律;構(gòu)建了丹江流域不同空間尺度下流域植被格局與河流水質(zhì)參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系,提出了丹江流域植被格局優(yōu)化措施。為丹江流域的生態(tài)安全和水環(huán)境保護(hù)提供參考。本文的主要結(jié)論如下:1)闡明了丹江流域植被格局的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律。丹江流域植被NDVI在年內(nèi)呈倒“U”型分布,最小值和最大值分別出現(xiàn)在2月(0.387)和8月(0.866);各季節(jié)植被NDVI的大小順序?yàn)?夏季秋季春季冬季,且存在顯著性差異(P0.05);2000—2010年11年間,植被NDVI總體上呈增加趨勢,變化范圍在0.61～0.73。在空間分布上,植被NDVI呈現(xiàn)出由丹江干流向山區(qū)逐漸增大的趨勢。植被NDVI的Moran's I系數(shù)為0.858,各向空間異質(zhì)性中“西北—東南向”Moran's I系數(shù)最大,為0.116。植被NDVI高-高(HH)集聚區(qū)分布在丹江流域北部的蟒嶺和南部的新開嶺,低-低(LL)集聚區(qū)主要分布在“商洛-丹鳳”盆地。植被持續(xù)嚴(yán)重退化區(qū)和持續(xù)顯著改善區(qū)面積分別占總面積的2.70%和3.46%;持續(xù)輕度改善區(qū)和持續(xù)輕度退化區(qū)分別占總面積的42.67%和40.54%,可持續(xù)性不確定區(qū)占總面積的10.64%。植被時(shí)間穩(wěn)定性區(qū)域占總面積的6.73%,植被時(shí)間穩(wěn)定性代表位置點(diǎn)僅占流域總面積的5.15%。丹江下游各子流域植被時(shí)間穩(wěn)定性較強(qiáng),上游和中游的2#、3#、5#、7#、10#和13#子流域植被時(shí)間穩(wěn)定性較弱。春季、夏季和秋季植被時(shí)間穩(wěn)定性代表位置均為4#子流域,冬季為8#子流域。從不同地形分布來看,植被時(shí)間穩(wěn)定性較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在海拔800～1000m、坡度15°～20°。2)闡明了土地利用變化與植被格局演變的響應(yīng)關(guān)系。丹江流域土地利用以草地、林地和耕地為主,面積之和占到流域總面積的90%以上。各子流域土地利用類型組合差異較大,3#和5#子流域建設(shè)用地和耕地面積占比超過25%,6#、8#、11#和13#子流域林地面積占比在40%以上,草地面積在各子流域占比均超過30%。11年間除耕地面積減少了3.729%,其余用地面積均出現(xiàn)了小幅增加。土地利用之間的轉(zhuǎn)換主要在耕地、林地和草地中進(jìn)行,建設(shè)用地基本為凈轉(zhuǎn)入,且主要來源于耕地。不同土地利用類型的植被NDVI大小順序?yàn)?林地草地耕地建設(shè)用地。與2000年相比,2010年林地、草地和耕地的植被NDVI分別提高了 12.88%、13.10%和13.33%,而建設(shè)用地僅提高了 2.89%;此外,建設(shè)用地和耕地植被NDVI的變異系數(shù)增大,林地和草地植被NDVI的變異系數(shù)降低。土地利用與植被NDVI的關(guān)系表明:低NDVI與建設(shè)用地顯著相關(guān);中、高NDVI與耕地、草地和林地顯著相關(guān)。耕地面積增加降低植被時(shí)間穩(wěn)定性,而林地作用相反。2000—2010年土地利用的不變地類中,耕地的植被NDVI出現(xiàn)減少趨勢,林地、草地的植被NDVI出現(xiàn)增加趨勢。轉(zhuǎn)換地類中,耕地轉(zhuǎn)為草地和林地、草地轉(zhuǎn)為林地,植被NDVI呈上升趨勢;林地轉(zhuǎn)為耕地和草地,以及草地轉(zhuǎn)為耕地,植被NDVI呈下降趨勢。土地利用對6種植被覆蓋度等級劃分方案的解釋度均超過了 80%,其中對第5種方案的解釋度高達(dá)88.65%,為最優(yōu)方案。3)闡明流域不同植被和地形條件下土壤養(yǎng)分的空間分布特征,揭示不同土地利用/植被覆被條件下土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律。丹江流域表層土壤中氨氮、硝氮和總氮的平均含量分別是1.12mg/kg、1.74 mg/kg和0.47 g/kg。沿丹江流域海拔梯度對氨氮和硝氮有顯著影響(p=0.001,p=0.005)。土壤養(yǎng)分空間分布受植被NDVI、相對高程、地形濕度、地面粗糙度、坡度坡長因子、地表起伏度等因素影響。通過回歸Kriging插值反映出土壤養(yǎng)分含量在空間分布上由地勢較為平緩的河谷地區(qū)向山區(qū)減少。高NDVI條件下,土壤養(yǎng)分含量較低,而低NDVI條件下,土壤養(yǎng)分含量較高。固定雨強(qiáng)模擬降雨條件下,坡面徑流量、產(chǎn)沙量和養(yǎng)分流失量隨植被覆蓋度的增加而減少。與裸坡相比,覆蓋度為40%、60%和90%的坡面徑流總量分別減少了 58.61%、88.85%和90.20%,產(chǎn)沙總量分別減少了 55.10%、95.25%和 98.24%,養(yǎng)分流失總量分別減少了 17.45%～24.02%、41.68%～59.39%和45.88%～66.02%。植被覆蓋度與養(yǎng)分流失量擬合呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,其表達(dá)式為:y=ae-bx(a,b0)。4)揭示了丹江流域不同空間尺度下植被格局與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系。土地利用景觀指數(shù)與水質(zhì)的回歸模型R2值在0.66～0.80之間,引入植被NDVI指數(shù)后,氨氮和總磷預(yù)測模型的R2提高了 1倍,硝氮、總氮和速效磷預(yù)測模型的R2提高了 20%～50%。在子流域尺度,水質(zhì)與CONTAG和LPI呈顯著正相關(guān),與SHDI呈顯著負(fù)相關(guān);低植被覆蓋度下LPI、LSI與水質(zhì)呈正相關(guān),較高和高植被覆蓋度景觀指數(shù)多與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)。不同緩沖區(qū),NP、LSI、IJI和SHDI隨緩沖區(qū)距離的增加而增加,LPI、CONTAG和AI隨緩沖區(qū)距離增加而減少,COHE保持穩(wěn)定;且NP、LSI、SHDI和IJI與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān),LPI、CONTAG、AI和COHE與水質(zhì)呈正相關(guān);低植被覆蓋度下與水質(zhì)關(guān)系最強(qiáng)的景觀指數(shù)為LPI(呈正相關(guān))和LSI(呈負(fù)關(guān)系);高植被覆蓋度下IJI和COHE與水質(zhì)的關(guān)系最密切。RDA分析表明在子流域尺度景觀指數(shù)對水質(zhì)的總解釋度最好,達(dá)到65.80%,其中,LPI、SHDI和CONTAG對水質(zhì)的解釋度均超過13%。植被生態(tài)效率分析表明,14個(gè)子流域生態(tài)效率平均值為0.989,其中6#子流域效率最高,14#子流域效率最低。從分解效率來看,技術(shù)效率較高,而規(guī)模效率較低。根據(jù)聚類分析對丹江14個(gè)子流域的投入產(chǎn)出冗余進(jìn)行分類,在此基礎(chǔ)上將14個(gè)子流域劃分成投入不足和投入過剩2個(gè)植被優(yōu)化調(diào)整方向,共4個(gè)類型,并提出相應(yīng)的植被覆蓋和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：Q948;X52

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本文編號：1313318