基于景观格局变化的黄土丘陵沟壑区生态恢复评价与分析

摘要

黄土丘陵沟壑区地表破碎、植被覆盖率低，水土流失严重，不合理的土地利用方式使土地生态系统面临巨大压力，自然资源的掠夺性消耗，生态环境不断退化。及时了解黄土丘陵沟壑区生态系统当前状况、生态恢复的程度、生态恢复的发展方向等，可以为调整和改进区域生态恢复方案提供依据。
　　本研究以景观生态学理论、遥感(RS)和地理信息系统(GIS)分析方法为指导，尝试结合黄土高原特有的沟壑纵横的景观特点，从县域尺度和小流域尺度进行生态恢复动态监测技术和方法的研究和探讨，结合相应尺度的数据，科学的进行景观格局类型划分，通过野外实地调查，利用GIS空间分析、遥感图像处理分析和GPS的定点观测技术，对地处黄土丘陵沟壑区的彭阳县生态恢复进行评价。研究结果表明:
　　(1)景观格局基础数据分析。根据遥感影像数据源尺度效应，黄土丘陵区彭阳县域内高建堡、虎沟小流域作为研究区，县域尺度上选择30米的TM遥感影像为数据源，土地利用确定以县和一级分类划分6大类景观格类型:耕地、林地、草地、水域、城镇建设用地和未利用土地。小流域按高建堡和虎沟典型综合治理小流域生态恢复措施划分景观类型，选择2.5米高分辨率遥感影像。两个尺度的景观格局在研究时间段内均发生了巨大变化，县域尺度耕地面积由1995年83235.21hm2减少到2015年的70002.49 hm2，草地面积由1995年的89782.18 hm2减少到2015年的70002.49 hm2，彭阳县土地利用结构从以耕地及草地、未利用地为主的景观转变为以草地和耕地景观为主的高度异质化的景观生态系统。小流域尺度上，高建堡小流域从治理前坡耕地、未利用荒草地占90.8％，到混交林和水平梯田占60.99％，生态恢复景观由以坡耕地为主转换为水平梯田、灌草地和混交林为主。虎沟小流域由治理前坡耕地和未利用荒草地占88.17％到灌草地和水平梯田占66.79％，生态恢复景观由以坡耕地为主转换为水平梯田。小流域景观以水平梯田、灌草地、混交林和经果林为主。高建堡小流域生态恢复措施是荒山整地造林和坡改梯工程为主，虎沟小流域则是退耕还林（草）和坡改梯工程为主的生态恢复模式。
　　(2)小流域景观格局受地形影响，生态恢复景观在小流域内呈现出不同的分布的特点。海拔方面:两个小流域的生态恢复景观都呈现沟底、沟坡、梁峁坡、梁峁项立体治理，景观镶嵌的结构。高建堡小流域以沟坡为主占流域总面积的44.46％，梁峁坡和沟底面积次之，与小流域处在黄土丘陵沟壑区地貌吻合。虎沟小流域则以梁峁坡为主占流域总面积的42.54％，沟坡和梁峁顶面积相当，与小流域处在黄土残塬地貌吻合。坡度方面:高建堡小流域以15-25。的陡坡为主占流域总面积的42.43％，8-15°的斜坡占流域总面积的33.31％。虎沟小流域则以15-25。陡坡为主占流域总面积的45.55％，8-15。的斜坡和25-35。的急坡为主，占流域总面积的45.62％，坡度较陡。因此在斜坡和陡坡区，生态恢复景观类型分布最广，景观类型最多，混交林和水平梯田在陡坡出现明显拐点。坡向方面:半阴坡、半阳坡是景观类型分布最广，即此坡度区间景观类型最多，由于气温、降水、光照等条件在空间上具有坡度分异特征，景观类型在不同坡向的分布情况表现出较大的差异。沟底、陡坡急坡、半阴坡是今后生态恢复治理的重点区域，应采取自然恢复与人工经营相结合的措施，因地制宜、合理布局，提高生物多样性。
　　(3)小流域水土保持效益分析。结果显示:在空间分布上，高建堡小流域微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀零星镶嵌分布于峁顶、梁峁坡面、沟底位置。而由于地貌不同，虎沟小流域微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀零星分布于黄土残塬、峁顶、梁峁坡面等位置。两个小流域其他侵蚀类型分布相似，强烈侵蚀、极强烈侵蚀镶嵌于沟坡位置，而大面积的是梁峁坡面主要是梯田的位置侵蚀强度达到极强烈，侵蚀模数多在8000 t/(km2·a)以上。从坡度分析，微度侵蚀在各坡度等级上的面积占比随坡度上升而递减，更高强度等级的比例相应增加;平均侵蚀模数与坡度呈现正相关。总体上，侵蚀强度分布受坡度影响明显，随着坡度的上升，侵蚀强度增大。从生态恢复景观角度出发，水平梯田和退耕还林（草）平均侵蚀模数一直保持最低，未利用荒草地及坡耕地平均侵蚀模数较高。随着生态恢复治理时间变化，平均侵蚀模数整体减小，水土流失的状况得到控制，强烈侵蚀以上面积减小，占陡坡以上区域面积在治理后急剧减少。
　　小流域水土流失状况得到极大改善，综合治理等生态恢复工程措施的实施使小流域植被、生态很快恢复，进一步减少土壤侵蚀量，做到保水保土，减少水土流失。
　　(4)根据NDVI结果显示彭阳县1995-2015年NDVI年度变化趋势较为明显，植被覆盖度状况总体改善良好，中高覆盖度植被从1995年的346.59km2到2015年的1123.92km2，共计增加777.33km2。高覆盖度植被面积，由1995年的127.8654km2增加到2015年的330.6654km2，涨幅8％，中高覆盖度和高覆盖度植被到2015年占县域面积的43.7％，生态环境持续改善。改善区域包括轻度改善区、中度改善区以及高度改善区占彭阳县总面积的80％以上，主要集中在东北部的丘陵沟壑水土流失治理区，其中高度改善区的面积显著占全县总面积的35％左右。彭阳县以小流域的小治理带动区域的大治理，通过生态恢复措施的实施，伴随着小流域植被恢复，从时间序列上反映出植被盖度不断提高，植被的保持水土功能增强，促进了植被的进一步恢复，水土流失得到有效控制，生态恢复效果显著。
　　(5)县域生态服务价值分析。结果显示:在黄土丘陵沟壑区典型草地中，地上生物量与植被指数(NDVI)呈显著正相关，复相关系数均大于0.6，应用植被指数检测典型草原生物量是一种简单可行的方法。应用NDVI建立的生物量回归模型，模拟草地地表生物量的效果好。经过修正计算彭阳县20年生态价值，生态服务价值空间格局变化显著，处于稳步增长阶段，由1995年的82189.24万元，增加到2015年的1394353.30万元。彭阳县通过退耕还林（草）工程、水土保持及生态恢复工程使得该区域的水保生态恢复效果显著，各类生态系统的生态服务价值中，草地所占比例最大，土地利用/覆盖变及景观格局的变化相对稳定，区域土地的资源可持续利用和生态环境重建正有条不紊的进行。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究内容

1．3 研究目标

1．4 研究创新点

1．5 技术路线

第二章 研究综述

2．1 景观生态学研究

2．2 黄土高原区生态恢复与重建研究进展

2．3 RS和GIS在生态恢复重建中的应用研究

第三章 研究区概况与研究方法

3．1 自然环境现状

3．2 社会经济现状

3．3 研究方法

第四章 研究区景观基础数据库构建

4．1 数据来源与处理

4．2 生态恢复景观的遥感影像特征分析

4．3 不同尺度景观格局数据库建立

4．4 小结

第五章 小流域景观格局动态变化

5．1 研究区概况

5．2 数据处理与方法

5．3 小流域景观格局动态分析

5．4 高建堡小流域生态恢复景观格局分析

5．5 虎沟小流域景观分析

5．6 小流域景观格局动态分析

5．7 结论

5．8 小结

第六章 小流域水土保持研究

6．1 研究区概况与数据来源

6．2 研究方法

6．3 技术路线

6．4 计算各土壤侵蚀因子值

6．5 结果与分析

6．6 结论

6．7 本章小结

第七章 彭阳县植被盖度变化分析

7．1 数据处理与方法

7．2 植被盖度分级

7．3 归一化植被指数(NDVI)年度变化趋势计算方法

7．4 基于NDVI指数的彭阳县植被盖度变化

7．5 彭阳县植被盖度变化驱动因子

7．6 结论

7．7 小结

第八章 彭阳县生态服务价值分析

8．1 研究方法及数据处理

8．2 彭阳县生态系统生态服务价值计算

8．3 结论

8．4 本章小结

第九章 结论与展望

9．1 结论

9．2 本研究的不足之处

9．3 研究展望

参考文献

作者简介

致谢