三峡库区森林生产力与碳储量对景观格局变化的响应

摘要

三峡库区是长江中下游的生态屏障，受三峡大坝工程建设影响，该区域生态环境压力日益增加、环境承载力降低、人地矛盾突出。在此背景下，本文选取工程建设重要时点1992年（前期论证）、1996年（大江截流）、2002年（水库正式蓄水）、2006年（全面建成）和2012年（全面运行），分析三峡工程建设前后库区土地利用/覆被变化，探讨库区景观格局指数的粒度效应及其对土地利用变化过程的响应，揭示1992～2012年库区森林景观格局时空演变、破碎化过程及其驱动力。同时，运用本地参数化后的Biome-BGC模型模拟三峡库区各森林类型NPP与植被层、凋落物层、土壤层碳密度，揭示库区森林生产力与碳储量对景观格局变化的响应。主要研究结论如下: (1)1992～2012年，三峡库区耕地面积减少了42.5％，林地面积增加了65％，建设用地、水域分别增加了6倍、2倍。林地主要分布在库首秦巴山地、腹地东北部大坝山区和西南部的喀斯特山地，以及库尾低山丘陵区;库区腹地北半部的平行岭谷区以耕地为主，镶嵌林地;库尾以耕地和建设用地为主，建设用地集中分布在重庆“一小时经济圈”及周边。 (2)景观格局指数随粒度变粗呈单调下降、单调上升、阶梯状上升、无明显变化、先增大后迅速下降5种变化规律，景观格局分析最适宜粒度范围为30～60m。形状指数粒度效应对土地利用变化过程的响应明显，聚集度指数、面积-边缘指数、多样性指数随土地利用变化的特征不受粒度粗细影响。1992～2012年三峡库区整体景观异质性增大、优势度降低。 (3)1992～2012年间，三峡库区森林面积与森林覆盖率逐年提升，森林景观结构比较稳定，呈现出针叶林＞灌木林＞针阔混交林＞落叶阔叶林＞常绿阔叶林的态势。森林分布不均，主要集中在库区库首和腹地西部，20年间森林景观格局空间变化呈“首尾平稳、腹地迅速增加”的趋势。森林景观斑块面积存在明显的两级分化:细碎斑块数量多面积小、100hm2以上大斑块数量少面积大，但20年间两极分化的情况明显缓解，森林景观格局由点状、零星分布向连续、成片分布，由异质、不连续向均质、连续发展。 (4)1992～2012年三峡库区森林总面积、森林平均斑块面积受平均海拔、年降水量的正向显著影响。在人为因素中，城镇化率对森林面积与平均斑块面积均有负向显著影响，林业投资完成额对森林面积与格局有显著促进作用，弹性系数分别为2.269和0.158，说明增加生态建设与保护投入能直接增加森林面积，从而缓解森林破碎化程度。另外，常住人口、建筑施工面积、林业总产值对森林面积有显著负向影响，公路里程、农村居民纯收入对森林平均斑块面积有显著负影响。 (5)1981～2014年三峡库区各森林类型NPP年际变化明显、变化规律较一致，随时间推移呈交替上下波动的曲线。三峡库区各森林类型NPP平均值由高到低依次为针叶林550.29gCm-2a-1、针阔混交林504.49gC m-2a-1、落叶阔叶林458.69gC m-2a-1、常绿阔叶林456.40gC m-2a-1、灌木林274.99gC m-2a-1。各森林类型总碳密度由高到低依次为针叶林104.76t hm-2、针阔混交林100.87t hm-2、落叶阔叶林96.98t hm-2、常绿阔叶林93.65t hm-2，灌木林80.25t hm-2。土壤碳密度、植被碳密度、凋落物碳密度占总碳密度的比重分别为62.5～83.9％,28.5％～33.4％、2.87％～4.27％。 (6)Biome-BGC模型模拟的针叶林、针阔混交林NPP略大于样地实测值、总碳密度模拟值与实测值接近。落叶阔叶林、常绿阔叶林、灌木林NPP和总碳密度比实测值偏低。模型模拟的不确定性主要是由凋落物分解、生物量周转分配过程、土壤环境初始值设定等引起的。总的来说:Biome-BGC模型对三峡库区森林生产力与碳密度的模拟反映了该研究区的实际情况。 (7)1992～2012年，受土地利用变化与极端天气的双重影响，三峡库区森林总NPP、单位NPP呈现明显的年际波动。1992、1996、2002、2006、2012年库区森林总NPP和单位NPP分别为7.827Tg C、11.338Tg C、13.346Tg、7.171Tg C、14.999Tg C和3.833tC hm-2a-1、5.437tC hm-2a-1、5.235tC hm-2a-1、2.415tC hm-2a-1、4.465tC hm-2a-1。除去极端高温天气的2006年，1992、1996、2002、2012年库区各森林类型NPP保持增长趋势，但增幅减缓。2006年由于气温异常偏高、降水量较常年同期偏少，森林总NPP与单位NPP较2002年分别下降了46.3％和53.9％。因此，森林生产力除了植物自身生理生态特征的限制外，在很大程度上还受太阳辐射、降水、土壤等环境因子以及如林业生态工程等外界人为因素的影响。 (8)1992～2012年三峡库区森林植被层、凋落物层、土壤层碳储量及总碳储量持续增加但增幅由急变缓，1992、1996、2002、2006和2012年森林总碳储量为200.845Tg C、205.128Tg C、250.084Tg C、291.699Tg C和328.421Tg C。森林碳储量的空间格局呈现东高西低、南高北低的分布格局，碳储量高值区为库首、巫山—巫溪段、石柱—武隆段以及江津南段。1992～2012年间，三峡库区森林景观格局的变化以及森林生产力和碳储量的响应过程表明森林面积的增加、森林景观格局的优化可以促进森林生产力和碳储量的提高。20年间，为了保护和恢复三峡库区的生态环境，重大林业生态工程的投入与实施使得新造林的累积、林木蓄积的提升、森林格局的改善促使了库区森林生产力和碳储量呈明显上升趋势。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景和意义

1．2相关研究进展

1．2．1三峡库区土地利用变化

1．2．2景观格局

1．2．3森林生产力与碳储量

1．2．4存在问题

1．3研究目标、内容与技术路线

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

1．3．3技术路线

第二章研究区概况

2．1地理位置

2．2自然环境概况

2．2．1地形地貌

2．2．2气候

2．2．3土壤

2．2．4植被

2．3社会经济概况

第三章三峡库区森林景观格局演变

3．1研究方法

3．1．1数据来源

3．1．2遥感影像解译分类

3．1．3空间粒度推绎

3．1．4数据分析

3．2 1992～2012年三峡库区土地利用/履被变化

3．3景观格局粒度效应及其对土地利用变化过程的响应

3．3．1景观格局空间粒度效应

3．3．2景观格局空间粒度效应对土地利用变化过程的响应

3．3．3耕地、林地空间粒度效应对土地利用变化过程的响应

3．41992～2012年三峡库区森林景观格局演变

3．4．1森林景观格局时间演变过程

3．4．2森林景观格局空间演变过程

3．4．3森林景观斑块面积分级分析

3．4．4森林景观破碎度指数分析

3．5小结

第四章三峡库区森林景观格局演变驱动力分析

4．1研究方法

4．1．1面板数据模型简介

4．1．2模型构建

4．2三峡库区森林景观格局演变驱动力分析

4．2．1森林面积的影响因素

4．2．2森林平均斑块面积的影响因素

4．3小结

第五章三峡库区森林净初级生产力与碳密度

5．1研究方法

5．1．1 Biome-BGC模型简介

5．1．2模型运行

5．1．3模型验证

5．2三峡库区森林NPP年际变化

5．2．1各森林类型NPP年际变化

5．2．2针叶林NPP年际变化

5．2．3针阔混交林NPP年际变化

5．2．4落叶阔叶林NPP年际变化

5．2．5常绿阔叶林NPP年际变化

5．2．6灌木林NPP年际变化

5．3三峡库区森林NPP年际变化影响因子

5．3．1森林NPP年际变化与气温

5．3．2森林NPP年际变化与降水量

5．3．3森林NPP年际变化与气温和降水量

5．4三峡库区森林碳密度

5．4．1各森林类型碳密度

5．4．2各区(县)森林碳密度

5．4．3模型模拟结果的比较性检验

5．5小结

第六章土地利用变化对三峡库区森林NPP和碳储量的影响

6．1研究方法

6．1．1森林NPP

6．1．2森林碳储量

6．2三峡库区森林NPP动态变化

6．2．1森林总NPP和单位NPP

6．2．2森林NPP的空间变化

6．3三峡库区森林碳储量动态变化

6．4小结

第七章结论与讨论

7．1结论

7．2讨论

参考文献

在读期间的学术研究

致谢