丹江流域植被格局演變及其與水質響應關系研究.pdf

1、植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，植被覆蓋及其空間分布格局對水土流失防治和水資源環(huán)境保護具有重要意義。針對丹江流域生態(tài)建設與水源保護中的關鍵問題，應用多學科交叉的理論知識，結合RS和GIS技術，并采用野外土壤/水質調查和徑流小區(qū)模擬降雨試驗，研究丹江流域植被格局變化及其與水質的關系。闡明了流域植被格局的時空分布特征以及演變規(guī)律；分析了流域土地利用的時空分異規(guī)律，并結合流域地形地貌特征，辨識了土地利用變化與植被格局演變之間的關系；闡明了流域不同植

2、被和地形條件下土壤養(yǎng)分的空間分布特征，揭示了不同土地利用/植被覆被條件下土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律；構建了丹江流域不同空間尺度下流域植被格局與河流水質參數(shù)之間的響應關系，提出了丹江流域植被格局優(yōu)化措施。為丹江流域的生態(tài)安全和水環(huán)境保護提供參考。本文的主要結論如下：
　　1）闡明了丹江流域植被格局的時空分布特征和變化規(guī)律。丹江流域植被NDVI在年內呈倒“U”型分布，最小值和最大值分別出現(xiàn)在2月（0.387）和8月（0.866）；各季節(jié)植被ND

3、VI的大小順序為：夏季＞秋季＞春＞冬季，且存在顯著性差異（P＜0.05）；2000—2010年11年間，植被NDVI總體上呈增加趨勢，變化范圍在0.61～0.73。在空間分布上，植被NDVI呈現(xiàn)出由丹江干流向山區(qū)逐漸增大的趨勢。植被NDVI的MoralsI系數(shù)為0.858，各向空間異質性中“西北—東南向”Moran’sI系數(shù)最大，為0.116。植被NDVI高-高（HH）集聚區(qū)分布在丹江流域北部的蟒嶺和南部的新開嶺，低-低（LL）集聚區(qū)主

4、要分布在“商洛-丹鳳”盆地。植被持續(xù)嚴重退化區(qū)和持續(xù)顯著改善區(qū)面積分別占總面積的2.70％和.3.46%；持續(xù)輕度改善區(qū)和持續(xù)輕度退化區(qū)分別占總面積的42.67%和40.54%，可持續(xù)性不確定區(qū)占總面積的10.64%。植被時間穩(wěn)定性區(qū)域占總面積的6.73%，植被時間穩(wěn)定性代表位置點僅占流域總面積的5.15%。丹江下游各子流域植被時間穩(wěn)定性較強，上游和中游的2＃、3＃、5＃、7＃、10＃和13＃子流域植被時間穩(wěn)定性較弱。春季、夏季和秋季植

5、被時間穩(wěn)定性代表位置均為4＃子流域，冬季為8＃子流域。從不同地形分布來看，植被時間穩(wěn)定性較強的區(qū)域主要分布在海拔800～1000m、坡度15°～20°。
　　2）闡明了土地利用變化與植被格局演變的響應關系。丹江流域土地利用以草地、林地和耕地為主，面積之和占到流域總面積的90%以上。各子流域土地利用類型組合差異較大，3＃和5＃子流域建設用地和耕地面積占比超過25%，6＃、8＃、11＃和13＃子流域林地面積占比在40%以上，草地面積在

6、各子流域占比均超過30%。11年間除耕地面積減少了3.729%，其余用地面積均出現(xiàn)了小幅增加。土地利用之間的轉換主要在耕地、林地和草地中進行，建設用地基本為凈轉入，且主要來源于耕地。不同土地利用類型的植被NDVI大小順序為：林地＞草地＞耕地＞建設用地。與2000年相比，2010年林地、草地和耕地的植被NDVI分別提高了12.88%、13.10%和13.33%，而建設用地僅提高了2.89%；此外，建設用地和耕地植被NDVI的變異系數(shù)增大，

7、林地和草地植被NDVI的變異系數(shù)降低。土地利用與植被NDVI的關系表明：低NDVI與建設用地顯著相關；中、高NDVI與耕地、草地和林地顯著相關。耕地面積增加降低植被時間穩(wěn)定性，而林地作用相反。2000—2010年土地利用的不變地類中，耕地的植被NDVI出現(xiàn)減少趨勢，林地、草地的植被NDVI出現(xiàn)增加趨勢。轉換地類中，耕地轉為草地和林地、草地轉為林地，植被NDVI呈上升趨勢；林地轉為耕地和草地，以及草地轉為耕地，植被NDVI呈下降趨勢。土地

8、利用對6種植被覆蓋度等級劃分方案的解釋度均超過了80%，其中對第5種方案的解釋度高達88.65%，為最優(yōu)方案。
　　3）闡明流域不同植被和地形條件下土壤養(yǎng)分的空間分布特征，揭示不同土地利用/植被覆被條件下土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律。丹江流域表層土壤中氨氮、硝氮和總氮的平均含量分別是1.12mg/kg、1.74mg/kg和0.47g/kg。沿丹江流域海拔梯度對氨氮和硝氮有顯著影響（p=0.001，p=0.005）。土壤養(yǎng)分空間分布受植被NDV

9、I、相對高程、地形濕度、地面粗糙度、坡度坡長因子、地表起伏度等因素影響。通過回歸Kriging插值反映出土壤養(yǎng)分含量在空間分布上由地勢較為平緩的河谷地區(qū)向山區(qū)減少。高NDVI條件下，土壤養(yǎng)分含量較低，而低NDVI條件下，土壤養(yǎng)分含量較高。固定雨強模擬降雨條件下，坡面徑流量、產沙量和養(yǎng)分流失量隨植被覆蓋度的增加而減少。與裸坡相比，覆蓋度為40%、60%和90%的坡面徑流總量分別減少了58.61%、88.85%和90.20%，產沙總量分別減

10、少了55.10%、95.25%和98.24%，養(yǎng)分流失總量分別減少了17.45%～24.02%、41.68%～59.39%和45.88%～66.02%。植被覆蓋度與養(yǎng)分流失量擬合呈指數(shù)函數(shù)關系，其表達式為y=αexa：-b（，b＞0）。
　　4）揭示了丹江流域不同空間尺度下植被格局與水質的響應關系。土地利用景觀指數(shù)與水質的回歸模型R2值在0.66～0.80之間，引入植被NDVI指數(shù)后，氨氮和總磷預測模型的R2提高了1倍，硝氮、總氮

11、和速效磷預測模型的R2提高了20%～50%。在子流域尺度，水質與CONTAG和LPI呈顯著正相關，與SHDI呈顯著負相關；低植被覆蓋度下LPI、LSI與水質呈正相關，較高和高植被覆蓋度景觀指數(shù)多與水質呈負相關。不同緩沖區(qū)，NP、LSI、IJI和SHDI隨緩沖區(qū)距離的增加而增加，LPI、CONTAG和AI隨緩沖區(qū)距離增加而減少，COHE保持穩(wěn)定；且NP、LSI、SHDI和IJI與水質呈負相關，LPI、CONTAG、AI和COHE與水質呈正

12、相關；低植被覆蓋度下與水質關系最強的景觀指數(shù)為LPI（呈正相關）和LSI（呈負關系）；高植被覆蓋度下IJI和COHE與水質的關系最密切。RDA分析表明在子流域尺度景觀指數(shù)對水質的總解釋度最好，達到65.80%，其中，LPI、SHDI和CONTAG對水質的解釋度均超過13%。植被生態(tài)效率分析表明，14個子流域生態(tài)效率平均值為0.989，其中6＃子流域效率最高，14＃子流域效率最低。從分解效率來看，技術效率較高，而規(guī)模效率較低。根據(jù)聚類分析