祁连山地区NDVI变化的影响因素及草地生态服务功能评价

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全球气候变化对陆地生态系统影响巨大。植被是陆地生态系统的主体,是全球物质循环和能量转换最活跃的因子之一,在气候变化研究中充当“指示器”的作用。植被变化受多种因素综合影响,气候因素影响植被变化趋势和波动程度,而地形因素影响植被基础分布。在高海拔地区,温度是影响植被生长的主导因子,在干旱地区,降水为植被生长的主控因子,并且植被生长对降水的反应有一定的时间滞后性。祁连山是中国西北干旱区重要的山脉之一,地形复杂,海拔差异大,植被类型多样,对气候和人类活动敏感。在全球气候变化和生态工程实施背景下,对祁连山区植被进行监测与评价,探寻影响植被变化的主控因子,对祁连山区生态安全和植被恢复具有重要意义。本研究利用“3S”技术(即GIS,RS,GPS),结合SPOT-VGT-NDVI数据、生态区范围、植被类型数据、气象数据、地面调查数据、DEM等数据,分析了祁连山不同生态区、不同植被类型、生态工程实施不同阶段植被覆盖变化格局及其影响因素,并对祁连山区草地生态系统服务价值进行了评估。研究结果如下:(1)祁连山区植被NDVI总体偏低,东南部高于向西北部。从1998-2018年,植被NDVI呈波动上升趋势,增速为0.32%/a。森林类NDVI值和变化率最大,变异系数最小,荒漠NDVI值和变化率最小,变异系数最大。柴达木盆地荒漠生态区和帕米尔-昆仑山-阿尔金山高寒荒漠草原生态区NDVI变化率较小,仅为0.14%/a和0.27%/a,而内蒙古高原中部草原化荒漠生态区和江河源区-甘南高寒草甸草原生态区的变化率较大,分别为0.54%/a和0.57%/a。西北部低植被覆盖区面积逐渐缩小,中部中植被覆盖区逐渐增大;东南部高植被覆盖区明显增加。NDVI在0-0.2所占的比例从1998年的43.18%降至2018年的28.97%,NDVI在0.2-0.8所占的比例基本没变化,NDVI在0.8-1所占的比例从0.12%增加至12.31%。祁连山区植被NDVI变化呈整体改善,局部退化趋势。未来呈良性发展趋势和恶性发展趋势的面积分别占总面积的42.82%和26.40%,其中持续性退化的面积占25.56%。生态工程实施不同阶段NDVI增速在0.38-1.85%/a之间,增长速率依次为:环保督察后>保护中期>持续保护期>保护初期>工程实施前。低植被覆盖区所占的比例从工程实施前的39.89%降至环保督察后的31.50%,较低植被覆盖区、中植被覆盖区、较高植被覆盖区所占的比例变化较小,髙植被覆盖区所占的比例从0.15%增加至10.04%。(2)祁连山区1998-2018年平均气温的变化范围在-17.45~7.96℃之间,全域多年平均气温为-3.72℃。气温的空间分布随着经纬度变化不明显,随着海拔梯度变化明显。祁连山区1998-2018年平均降水量呈现出西低东高的特征,全域多年平均降水量为317.54mm,生长季降水量为299.03mm,生长季降水量占全年降水量的94.17%。年最大NDVI值与6月降水相关性最大,其次为7月、8月、4月,正相关性的区域分别占总面积的74.33%、71.55%、67.05%和65.33%,说明植被对降水有滞后响应效应,年最大NDVI由6月份的降水控制。不同植被类型对降水的响应有所差异,灌丛、草甸、高山植被的有效降水发生在6月之后,温性草原和荒漠的降水发生在5月之后;灌丛、草甸、温性草原、荒漠、高山植被最大NDVI值分别与7-8月、6-7月、4-8月、4-7月和3-6月的累积降水量相关性最强。年最大NDVI值与8月的正相关性最高,有93.41%的区域呈正相关性。与4月的负相关性最高,有63.79%的区域呈正相关性。与4月和6月的气温呈负相关性,与5、7、8月的空气温度呈低度正相关,相关系数不显著。(3)植被NDVI值、变化趋势随着坡度和海拔的增加呈先增加后降低的趋势,变异系数的变化规律与前二者相反。东坡(67.5-112.5°)和东南坡(112.5-157.5°)的植被NDVI较大,南坡(157.5-202.5°)和西南坡(292.5-337.5°)的植被NDVI较小。植被覆盖变化趋势在不同坡向上有差异,东南坡增长率最高,为0.34%/10a,西南坡增长率最低,为0.29%/10a。植被覆盖变异系数在北坡最大,为0.1536,在东南坡最小,为0.1328。(4)生态系统服务价值评估数据指标充足,评价区域小,结果精确性要求较高时,选择基于单位生态系统服务产品价格的方法;需要将不同区域生态系统服务功能进行比较,评价区域大,数据获取困难时,选择基于单位面积价值当量因子的方法。祁连山区天然草原生态服务功能总价值3449.42×10~8元。其中,山地草甸单位面积生态服务价值最高,为5819.82元·hm-2;温性荒漠单位面积生态服务价值最低,为10 120.21元·hm-2。高寒草甸生态服务总价值最高,为2430.61×10~8元,贡献率为70.46%;低地草甸生态服务总价值最低,为46.31×10~8元,贡献率为1.34%。各草原类型生态服务价值贡献率排序为高寒草甸>温性草原>高寒草原>山地草甸>高寒荒漠>温性荒漠>低地草甸。本论文从生态学角度、植物学角度和人类活动影响三个方面分析了祁连山区植被覆盖特征、变化趋势、稳定性、未来趋势以及植被对气候和地形的响应,探寻出影响植被生长的主控因子,估算出祁连山区草地生态系统服务价值,研究结果可提高决策者和公众对祁连山区生态安全的认知程度,对祁连山区的保护、利用、修复提供科学依据及政策建议。
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