多尺度的三峡库区典型小流域防护林体系优化配置

摘要

三峡库区防护林体系作为长江流域重要的天然生态屏障，是区域生态-经济-社会系统的重要组成部分。防护林体系的空间优化配置是影响库区防护林体系的综合效益，特别是生态防护效益发挥的关键技术。防护林体系的构建要最终满足人们所期望的多目标、广用途、高价值的需求，确保小流域生态功能和经济社会效益的可持续发展。
　　 本研究选取三峡库区两个典型的小流域(人工和自然)，在ARCGIS9.3平台上，利用空间数据分析进行土地利用适宜性评价，在坡面尺度上构建定量化的数学模型，在群落尺度上进行实地外业调查和实地走访，在小流域尺度上综合上述各项技术和理论，运用多目标规划的理论，并利用MATLAB、LINGO9.0等工具，定量化调整小流域的植被类型结构，从坡面尺度、群落尺度和小流域尺度等多个尺度构建科学合理的研究体系，确定多尺度的小流域典型配置模型。本文运用先进的理论、方法和技术，深入探讨分别以生态林生态系统和农林复合生态系统为主的，两种典型小流域优化植被模式，主要的研究成果有：
　　 (1)小流域土地利用适宜性评价。综合考虑小流域的立地条件，选取海拔、坡度、土壤厚度、腐殖质厚度、可达性等土地利用适宜性评价因子构建科学的评价指标体系，进行科学合理的典型小流域土地利用适宜性评价，兰陵溪小流域最适宜等级面积为4.8566km2，占流域总面积的23.74%，适宜等级面积为7.314375km2，占流域总面积的35.76%，基本适宜等级面积为5.362025km2，占流域总面积的26.21%，不适宜等级面积为2.92235km2，占流域总面积的14.29%；杉木小流域最适宜等级面积为0.881392km2，占流域总面积的15.69%，适宜等级面积为2.206127km2，占流域总面积的39.26%，基本适宜等级面积为1.447277km2，占流域总面积的25.76%，不适宜等级面积为1.084004km2，占流域总面积的19.29%。
　　 (2)在坡面尺度上，研究的重点应为减少土壤侵蚀和防治水土流失，本研究对影响小流域土壤侵蚀的关键因素进行分析和比较，创新的提出植被土壤侵蚀贡献度因子，对坡面尺度土壤侵蚀评价指数进行修正，确定修正版的坡面尺度土壤侵蚀评价指数的函数，并确定小流域坡面尺度的优化配置模式和各种土地利用类型的宽度：杉木溪小流域为生态林－经济林－生态林，灌木－经济林－生态林；兰陵溪小流域当坡面为15°时，灌木－生态林－耕作－生态林，灌木－耕作－经济林－生态林，耕作－经济林－生态林，生态林－耕作－生态林；当坡面为25°时，灌木－生态林－经济林－生态林。在小流域中，耕作这种配置类型适宜在上坡位和中坡位进行布局，只有这样才能有效的防治水土流失、控制土壤侵蚀。
　　 (3)群落尺度上，通过实地外业调查和数据统计，确定小流域4种植被类型的8种典型群落优化配置模式：灌－草模式、针叶混交林模式、针阔混交林模式、混合模式、经济林复合模式、经济林－生物措施复合模式、经济林－草复合模式、经济林－耕作模式等，并确定灌木主要树种的为黄荆条、毛黄栌、檵木，生态林的主要树种马尾松、杉木、青冈栎、柏木、枫香，以及经济林的主要树种为柑桔、脐橙、板栗、茶。
　　 (4)结合多目标规划的方法论，对小流域的生态效益、经济社会效益进行货币化计算，得到小流域多目标规划的目标函数F(x)和相关的约束条件集。在30种植被配置类型中，确定小流域的理想配置模式。在ARCGIS9.3平台上，划分坡面、栅格计算、重新分类，得到小流域防护林空间优化配置图，并对兰陵溪和杉木溪两个小流域优化前后的结果进行详细的比较和分析，兰陵溪小流域优化后灌木面积为0.6970 km2，减少了1.0728 km2，生态林面积为3.8752 km2，减少了2.1119 km2，经济林面积为8.1867 km2，增加了2.93 km2，耕作面积为2.0244 km2，增加了0.2547km2，杉木溪小流域优化后灌木面积为0.4014 km2，减少了0.5791 km2，生态林的面积为1.8742 km2，增加了0.2733 km2，经济林的面积为3.3432 km2，增加了0.8799 km2。兰陵溪和杉木溪小流域优化后减少的土壤侵蚀量分别为40811.344605 t/km2·a和20488.8109 t/km2·a，综合效益增加值分别为42083148.25元和20403124.19元，各方面效益都得到了极大地提高。

目录

文摘

英文文摘

1 前言

1.1 研究目的及意义

1.2 研究进展

1.2.1 防护林相关概念

1.2.2 各个尺度防护林体系空间配置研究进展

2 研究地区概况

2.1 自然环境概况

2.1.1 地形环境

2.1.2 气候土壤

2.1.3 植被现状

2.1.4 生态问题

2.2 社会经济概况

3 研究内容、技术路线和方法

3.1 研究内容及技术路线

3.1.1 研究内容

3.1.2 研究技术路线

3.1.3 数据来源

3.2 流域范围的提取

3.2.1 空间数据预处理

3.2.2 生成无洼地DEM

3.2.3 水流流向计算和汇流积累量的计算

3.2.4 河网的提取和流域边界的划分

3.3 坡面尺度土壤侵蚀评价指数

3.3.1 坡面尺度土壤侵蚀影响因子

3.3.2 坡面土壤侵蚀评价指数与修正

3.4 群落尺度优化配置

3.5 小流域优化配置理论

3.5.1 多目标规划模型的理论

3.5.2 小流域多目标规划模型

4.结果与分析

4.1 土地利用适宜性评价体系的构建

4.1.1 评价对象和评价单元

4.1.2 评价指标体系的构建

4.1.3 评价模型的构建及三维可视化

4.2 小流域土地利用适宜性评价

4.2.1 评价对象的评价单元

4.2.2 评价指标体系的构建

4.2.3 小流域土地适宜性的评价结果

4.2.4 评价结果的三维模拟

4.3 小流域坡面尺度优化配置

4.4 小流域群落尺度优化配置

4.4.1 小流域常见群落类型

4.4.2 群落尺度典型优化配置模式

4.4 小流域优化配置

4.4.1 多目标规划模型求解

4.4.2 小流域优化结果和优化前后比较

5.结论与讨论

5.1 结论

5.2 创新

5.3 展望

参考文献

致谢