论文部分内容阅读
作为我国干旱半干旱地区关键的生态屏障,西北农牧交错带在遏制荒漠化、沙化南移和东移动方面起着重要作用。该地区生态环境脆弱、环境承载能力差、自我修复能力低且对外界干扰极其敏感,过去的几十年,不合理的人类活动给当地带来了严重的生态环境问题,包括草地退化、地下水下降、水土流失和土地荒漠化,这已严重威胁经济和社会发展的可持续性。为改善退化的生态环境,20世纪70年代以来,我国实施了一系列生态恢复工程,使得西北农牧交错带土地利用/覆被、水分利用效率以及区域水平衡发生了显著的变化。然而,生态恢复工程对该地区区域尺度水分利用效率及土壤湿度的影响机理尚不明确。基于此,本文首先分析了 1980-2015年期间西北农牧交错带土地利用/覆被时空变化特征,其次运用 BFAST（Breaks for Additive Season and Trend）方法揭示 1982-2015 年期间水分利用效率（Water Use Efficiency,简称WUE）的变化趋势及潜在干扰因素。随后,针对温度植被干旱指数（Temperature Vegetation Dryness Index,简称TVDI）特征空间干边和湿边的最优拟合方法展开研究,以期提高TVDI反演西北农牧交错带土壤水分的精确性。最后,利用改进的残差趋势分析（Residual Trend Analysis,简称RESTREND）方法区分和量化2000-2015年气候变化和人类活动对植被和土壤湿度的影响,识别由生态恢复工程下的植被恢复引起的土壤干燥风险地区。主要得出以下结论:（1）草地、荒漠和耕地是研究区主要的土地利用类型,土地利用动态变化模式以稳定不变和重复变化为主,动态变化主要发生在2000之前,2000年之后各土地利用类型趋于稳定。土地利用主要以荒漠、耕地和草地之间的相互转换为主。景观指数计算结果表明,研究区景观破碎化程度增加,景观多样性增强,斑块形状趋于规则和简单,斑块空间分布呈现离散状况。（2）生态系统WUE总体呈增加趋势,研究区50%以上WUE的趋势变化显著。平均每年有1.5%的WUE经历了趋势突变,突变时间主要集中于1990年之前和2000年之后,突变的趋势类型以先降低后增加的正向逆转趋势和中断上升趋势为主。植被变化、土地利用/覆被变化和干旱事件明显影响WUE的变化,90%以上地区的NDVI和WUE呈中度和高度正相关关系。耕地和林地WUE以增加趋势为主,荒漠和草地中存在较大面积WUE的降低趋势。土地利用类型之间的转换也影响WUE的变化。当草地变为耕地时,WUE主要呈单调上升趋势和先降低后增加的正向逆转趋势。草地变为荒漠时,WUE主要呈单调下降的变化趋势。尽管草地变为林地时的WUE也以单调上升趋势和先降低后增加趋势为主,但中断下降趋势和先降低后增加的负向逆转趋势类型所占比例也相对较大。大约52.5%的WUE趋势突变发生时间同干旱事件发生时间一致,且大部分WUE趋势突变时伴随着中等干旱事件的发生。在一定范围内,干旱强度增加会引起WUE增加。（3）应用TVDI估算土壤水分,二项式函数对温度-植被特征空间干边和湿边的拟合效果优于线性和指数函数,表现为二项式拟合干湿边的决定系数R2在3种拟合方法中最高。通过研究区5个土壤水分观测站不同深度实测土壤含水量数据对拟合结果进行评估,得出二项式函数拟合干边和湿边构建特征空间计算结果的平均绝对误差（Mean Absolute Error,简称MAE）和均方根误差（Root Mean Square Error,简称 RMSE）值最小,在 5 cm、10 cm、15 cm 和 30 cm 深度的MAE 分别为 0.46、0.46、0.47 和 0.48,RMSE 分别为 0.44、0.42、0.44 和 0.43,即采用二项式函数拟合干边和湿边计算的TVDI值精度高且对10 cm深度的土壤含水率最为敏感。（4）使用广义加性模型（Generalized Additive Model,简称GAM）对传统的残差趋势分析方法进行改进,提高了残差法分离气候和人类活动对植被和土壤湿度影响的能力。人类活动主导西北农牧交错带植被和土壤湿度变化,对NDVI（Normalized Difference in Vegetation Index,简称 NDVI）和 TVDI 的贡献率分别为57%和78%,气候因素对NDVI和TVDI的贡献率分别为43%和22%。通过量化人类活动对植被和土壤湿度变化的正负效应,获悉人类活动促进植被增加的贡献率（均值为37%）高于植被减少的贡献率（均值为20%）,而人类活动引起土壤干旱的贡献率（均值为47%）高于土壤湿润的贡献率（均值为31%）。植被扩张主要与生态恢复活动有关,生态恢复工程引起植被增加的同时,加剧了土壤水分消耗和土壤干燥,特别是研究区西北、东北、东部部分地区和南部小部分地区。本文基于生态恢复工程下的植被增加引起的土壤干湿的空间变化,识别了由植被增加引起的土壤干燥风险地区,这将有助于促进未来水资源管理和生态恢复相关政策的制定。