城市化区域人工生态系统空间格局研究

摘要

人工生态系统是指在自然或半自然生态系统的基础上按照人类的某种或几种需求建立的，由人为控制运行或受人类强烈干预的生态系统。人工生态系统占陆地生态系统的70％以上，对地区乃至全球的影响非常大。大多数人工生态系统分布在城市区域，使得城市生态系统对区域及全球生态系统的影响很大。当前对于城市化区域人工生态系统空间分布的监测方法主要有两类:自动/半自动信息提取及手工信息提取的方法，目前自动/半自动的提取方法的精度还不高（一般为60-87％），而且遥感影像提取过程中所需要的遥感影像价格过高;随着高分辨率Google Earth遥感影像的发展，手工提取方法，成为精细尺度上城市化区域人工生态系统提取的重要途径。
　　本文在分析已有的使用Google Earth影像进行事物辨识的基础上，结合城市化区域人工系统的特征，使用Google Earth航片结合ArcGIS软件识别精细尺度上不同人工系统的空间分布特征，构建城市人工系统特征提取的取样框架并创建数据集。以三种典型的城市化区域人工生态系统——温室农业、建成区绿地及高速公路沿线乔木林为案例，探讨所构建的提取方法在提取城市化区域人工生态系统中的有效性。主要研究结论如下:
　　(1)城市化区域人工生态系统辨识体系的构建:在前人采用Google Earth影像进行手工提取经验的基础上，采用具有高分辨率及季节性变化等特点的Google Earth遥感影像及ArcGIS空间分析软件，构建了精细尺度上城市化区域人工生态系统的辨识体系。
　　(2)通过对城市化区域人工生态系统的目视解译，结合地面样地调查比较，发现通过Google Earth遥感影像的解译结果的精确度很高。对于城市化区域温室农业的可视化辨识，精度达96％;对于建成区绿地中公园绿地的辨识精度也可达96％。
　　(3)中国温室农业始自从20世纪70年代，30多年里温室农业的总面积扩张了近100倍，中国拥有的温室农业面积占世界总面积的95％。本文选取中国长三角地区作为案例，采用可视化辨识的方法识别出长三角地区7个城市31个主城区/县/县级市温室农业的分布格局并对其影响因素进行分析。结果表明，长三角地区温室农业的密度与市/县中心距离的变化在主城区或以上尺度上呈现出非常明显的近正态分布。温室农业的面积在不同面积尺度的城市上相差悬殊，即使在同一面积尺度上，温室农业的面积也相差较大。造成这些差异性的主要原因就是主城区/县/县级市之间在人口、经济及物理因素方面的差异，其中人口因素及经济因素的距离影响较大，温室农业的空间格局研究可为城市政策的制定提供支持。
　　(4)公路建设会对周围的生态环境产生较大的负面影响，而公路沿线的植被可以通过多种途径减轻这些影响，公路沿线植被所能提供的碳储量及碳汇作为一项非常重要的生态系统服务，但很少有人从道路网络水平上对某个区域道路沿线植被的碳储量和净初级生产力进行分析。本文以浙江省高速公路为例，采用Google Earth影像目视解译及分层随机取样的方法，分析高速公路沿线不同土地覆盖类别与高速公路之间的乔木林碳储量及碳吸收的差异，同时实现碳储量及固碳量的空间化。结果表明，浙江省高速公路沿线乔木林总的碳储量为149780.99 t C，碳密度为2.40 kg m-2yr-1;总的固碳量为20162.28 t Cyr-1，单位面积的NPP为0.324 kg m-2yr-1。在不同的土地覆盖类别及高速公路之间，碳密度及单位面积NPP中唯一的显著性差异表现在沿线为森林及村镇的高速公路乔木林中。而在不同的高速公路之间，高速公路沿线乔木的碳储量也存在明显的差异，造成这些差异性的主要原因是各高速公路沿线乔木林的面积不同。通过与其它森林类型比较，发现高速公路沿线乔木林的碳密度介于野外森林和城市森林之间;而高速公路沿线乔木林单位面积的NPP却高于城市森林及野外森林。因而高速公路沿线植被的管理可以作为替代能源及城市森林管理及野外森林的管理之外的另一种CO2吸收策略。
　　(5)在地区或全球尺度上，城市的扩张及相关联的土地覆盖面积的改变导致自然生境的减少，威胁生物多样性;而在城市尺度上，城市中景观的异质性营造了多样化的生境，却有利于生物多样性的保护;但是区域或全球城市生物同质性问题却又降低了城市生物多样性并影响其功能的发挥，因此需要进行深入研究，分析不同来源及不同类群的植物物种的保护原理及策略。城市绿地中，由于人为管理及微环境特征的差异，使得不同绿地对于不同的物种的生境适宜度不同，物种生存活力也呈现明显的差异。本文通过图形化公园绿地，利用分层随机取样的方法，分析建成区中不同的土地绿地类别中微生境的差异，探索建成区绿地中进行濒危植物保护的可能性。在向城市建成区引入濒危植物的过程中不仅需要考虑植物生长所需要的外部条件，还需要考虑濒危植物自身的一些特征，例如濒危植物的传粉特性及濒危植物种物种能够繁衍所需要的最小空间。
　　本次研究结果表明，道路绿地受到的人类干扰最大，所拥有的微生境类别最少，只有10种;公园绿地中所具有的主要微生境类别最多，共16种，且这些微生境类别中有一些接近自然微生境类型;商业区绿地及居民区绿地主要的微生境类别介于这两者之间，因而建成区公园成为濒危植物保护的优先区域。

目录

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致谢

摘要

表目录

图目录

术语表

第一章 绪论

1．研究背景

1．1 土地利用及土地覆盖

1．2 城市热岛效应

1．3 生物地球化学循环

1．4 水文系统

1．5 生物多样性

2．城市化区域的人工生态系统

3．城市化区域人工生态系统空间格局的研究进展

4．本文的研究目标和内容

4．1 研究目标

4．2 研究内容

第二章 城市化区域人工生态系统辨识体系的构建

1．Google Earth遥感影像的发展现状

2．Google Earth影像在城市人工生态系统识别方面的应用

3．基于Google Earth软件的城市化区域人工生态系统辨识体系的构建

第三章 温室农业的空间格局研究

1．引言

1．1 研究背景

1．2 长三角地区作为案例的典型性

1．3 研究目标

2．研究方法

2．1 样地设置

2．2 温室农业的可视化特征提取

2．3 温室农业图形化

2．4 分布分析

2．5 驱动因素参数选择

3．结果

3．1 温室农业位点的地面验证

3．2 长三角城市温室农业的分布状况

4．讨论

4．1 温室农业位点提取的精确度

4．2 温室农业分布现状的影响因素分析

4．3 温室农业的社会、文化及环境影响分析

5．结论

第四章 浙江省公路沿线乔木的碳储量和固碳能力及其空间分布

1．引言

2．研究方法

2．1 研究区域

2．2 研究样点的遥感标记

2．3 道路绿化遥感面积统计

2．4 样地设置及数据搜集

2．5 乔木的生物量及碳储量

2．6 乔木的固碳能力

2．7 数据分析

2．8 空间分析

3．结果

3．1 高速公路沿线乔木树种调查

3．2 高速公路沿线乔木林的碳储量

3．3 高速公路沿线乔木林的固碳能力

3．4 乔木林的碳储量及固碳量在高速公路沿线的分布状况

4．讨论

4．1 碳储量影响因素分析

4．2 公路沿线乔木林的固碳能力分析

4．3 碳储量及年固碳量在浙江省公路分布不均的影响因素

5．结论

第五章 城市建成区绿地与微生境空间格局

1．引言

2．研究方法

2．1 研究区域

2．2 公园绿地的图形化

2．3 取样设计

2．4 测量

2．5 分析

3．结果

3．1 公园绿地位点的地面验证

3．2 公园绿地的分布

3．3 公圆绿地中的微生境类型

3．4 道路绿地中的微生境类型

3．5 居民区绿地的微生境类型

3．6 商业区绿地中的微生境类型

4 讨论

5 结论

第六章 结论与研究展望

1．结论

2．主要创新之处

3．研究展望

3．1 存在的问题与不足

3．2 研究展望

参考文献