基于CASA模型的渭河流域植被净初级生产力时空模拟及分析

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植被净初级生产力是生态系统碳循环的重要环节,是调节生态过程的主要因子,直接反映了植被在自然环境条件下的生产能力和陆地生态系统的质量状况,在全球气候变化和碳平衡中扮演着重要的角色。因此,研究渭河流域植被净初级生产力时空变化特征、探究其对环境因子的响应情况及未来发展趋势,具有重要的理论与现实意义。本文基于遥感影像数据、气象观测数据、数字高程模型数据和土地利用类型数据等,以Arc GIS10.2、ENVI5.3、IDRISI SELVA等软件为技术手段,以CASA模型和均值法为研究方法,模拟了渭河流域2000、2006、2012和2018年植被净初级生产力,并分析其时空变化特征;以相关分析为研究方法,分析了渭河流域植被净初级生产力对各环境因子的响应情况;以CA_Markov模型为研究方法预测了2024和2030年渭河流域植被净初级生产力空间分布格局。得出以下主要结论:(1)时间上,渭河流域植被净初级生产力的变化趋势具有明显的规律。月际变化为1至7月逐渐增大,达到最大值115.29g C/m2a,7至12月逐渐减小,至次年1月达到最小值10.75g C/m2a。年内变化具有鲜明的季节性和周期性特征。春季NPP呈增加趋势,于夏季增至最大值382.08g C/m2a,秋季NPP呈递减趋势,于冬季降至最小值42.97g C/m2a。渭河流域年际植被净初级生产力呈逐年增加趋势,说明植被发展态势良好,陆地生态系统状况不断改善。就子流域而言,渭河宝鸡峡至咸阳流域的月均、季均和年均植被净初级生产力最大,分别为74.83g C/m2a、203.65g C/m2a、901.06g C/m2a,泾河张家山以上流域的月均、季均和年均值最小,分别为51.40g C/m2a、147.76g C/m2a、616.63g C/m2a。(2)空间上,渭河流域植被净初级生产力的分布格局具有显著的特征。整体来看,研究区东部与南部的植被净初级生产力水平高于西部与北部。具体到子流域来看,渭河干流流域植被净初级生产力最大,北洛河流域次之,泾河流域最小,且各子流域内部呈现上游植被净初级生产力高于下游的分布特征。(3)基于生态环境因子评价结果,结合生态功能分区原则,将渭河流域划分为8个生态功能区,根据各区的生态环境特征将其分别命名为防旱抗旱区、平原种植区、高原农业区、牧业发展区、水源涵养区、防风固沙区、植被保护区、水土保持区。其中,水源涵养区的植被净初级生产力最大,防旱抗旱区的植被净初级生产力最小。说明优良的生态环境和植被生长发育之间具有一定的相互促进作用,生态环境良好的区域其植被净初级生产力往往更高,植被的固碳能力更强,从而促进自由碳的良性循环,维持生态系统碳平衡,对生态环境产生积极影响。(4)渭河流域气温、降水和辐射具有显著的时空分布特征。在时间尺度上,三者的年内变化具有明显的季节性特征。春夏气温高,降水量大,太阳辐射强,秋冬气温低,降水量小,太阳辐射弱。气温年较差为27.54℃,降水量年较差为109.06mm,辐射量年内变化幅度为3.85MJ/m2。年际变化表现为气候总体呈逐年温暖湿润趋势,辐射量则基本保持稳定。在空间尺度上,东部和南部较西部和北部的气温更高、降水量更大,各子流域间的气温和降水量差异较小,流域北部辐射量显著高于南部。(5)渭河流域植被净初级生产力对环境因子的响应存在一定的差异。在时间上对气温和降水量的响应主要表现为显著正相关,且对气温的响应强于降水量,说明气温变化更易对植被的生长发育造成影响。在空间上对气温和降水量的响应主要表现为轻度正相关,对气温的响应表现为南部强于北部,对降水量的响应表现为西部强于东部。对辐射的响应主要主要表现为正相关关系,空间上呈现东、南部强于西、北部的特征。对地形因子的响应表现为随海拔不断升高,呈双峰型变化曲线;随坡度增加呈现不断增大的趋势,但增加速率不断减小;随坡向变化的差异表现在北坡、西坡植被净初级生产力较高,南坡、东坡植被净初级生产力较低。(6)渭河流域的陆地生态系统未来发展态势良好。渭河流域2024年和2030年植被净初级生产力空间分布格局预测结果表明,植被净初级生产力总体发展状况良好,且呈不断改善趋势。植被净初级生产力低值区和较低值区面积不断减小,中值区和较高值区面积呈显著增加趋势,高值区面积基本保持稳定。低值区和较低值区分布于泾河流域北部,向西、北方向不断收缩,中值区和较高值区分布于流域西部、中部及关中平原,不断向西北扩张,高值区空间分布范围基本不变,为秦岭、子午岭和六盘山等山地。
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