基于多源数据的庐山国家级自然保区土地利用/覆被变化及其机理研究

来源 :江西农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:g19801218
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庐山是长江中下游大平原上的“生态交汇岛”,保存了较为完整的生态系统。庐山同时也是国家重点风景名胜区,长期受到人为活动影响,土地利用变化程度较大,给自然生态系统带来沉重的压力。在自然保护区中,植被是保护区的主要覆盖类型,植被的覆盖情况对保护区的生态环境具有重要影响。掌握保护区植被覆盖的时空变化情况,科学分析植被与气候和人类活动之间的关系,对保护区制定可持续管理措施具有重要意义。近年来,庐山竹林向周边邻近常绿阔叶林或针阔混交林边界扩张蔓延趋势日益明显,毛竹扩张严重干扰周围原始植被,并引发了森林景观破碎化、生物多样性减少、森林土壤退化等问题,严重威胁着庐山自然保护区森林生态系统稳定性和庐山森林景观格局。如何对保护区土地利用/覆被的变化情况进行动态监测,科学认知森林植被时空演变及其机理,构建森林生态保护示范模式已迫在眉睫。本论文以可持续发展理论为指导,以江西庐山国家级自然保护区为研究区域,将1988-2017近30年的遥感数据与地理国情普查、林业资源调查等多源数据进行有效融合,建立包括自然地理条件、土地利用变化、社会经济发展、林业调查数据相融合的庐山自然保护区基础数据要素空间数据库,在此基础上,对保护区长时间序列土地利用/覆盖变化及机理进行分析。宏观上针对保护区主要覆盖类型植被的覆盖情况(NDVI)进行动态监测,对庐山保护区1988-2017年18期的Landsat影像数据进行处理和分析,获取保护区近30年NDVI时间变化和空间变化情况,探究区域NDVI时空变化规律。微观上,结合高分二号和Landsat卫星数据,构建典型植被竹林的遥感定量反演模型,获取竹林演变和质心迁移趋势,分析竹林扩张对森林植被的影响。基于宏观与微观分析,结合气候、地形、人为活动等驱动因子进行相关分析,揭示保护区植被时空演变规律和机理。基于以上分析研究,建立NDVI变异性和重点野生植物保护预警机制,并对保护区的边界和功能区划界线进行了优化分析,为保护区制定管护措施提供科学依据,实现保护区的可持续经营管理,本文的主要结论如下:(1)土地利用/覆被时空分布格局基于长时间序列的Landsat遥感影像和样地数据,通过遥感的技术手段提取多层次的土地利用/覆被信息,掌握保护区的土地利用分类、NDVI特征、竹林信息的时空分布格局。基于高分二号的竹林信息定量提取,辅以纹理特征的支持向量机分类方法取得的效果最好,竹林分类生产精度和用户精度均达到90%以上。庐山土地利用/覆被变化格局中,林地、竹林、草地三种地类占保护区面积的80%以上,其中林地面积1988-2013年间持续上升,2013-2017年小幅下降。从NDVI分布上看,近30年保护区NDVI均值为0.663,整体上看庐山自然保护区NDVI值中间高,四周低,保护区边缘地区由于靠近建筑区及道路,NDVI均值较低。整体上竹林面积呈现下降趋势,以0.92/a的速度减少,从空间分布上看,总体上竹林面积核心区>实验区>缓冲区;竹林在1200-1446m高程范围内分布最少,主要分布在400-600m和600-800m高程范围内;竹林在黄棕壤分布最少,主要分布红壤和黄壤中,其中在红壤中分布的面积比例最大;竹林在坡度类型上分布面积大小排序为斜坡>陡坡>缓坡>急坡>平坡;竹林在坡向类型上分布面积大小排序为阳坡>半阳坡>半阴坡>阴坡。(2)土地利用/覆被时空演变特征通过计算土地土地利用/覆被变化动态度和转移矩阵来分析各类土地类型间的转化情况,结果表明:林地变化程度较为稳定,变化程度较为激烈的均为建设用地及裸地、竹林和耕地。林地在1988-2017年间,不发生转变的比率均在90%以上,主要转变类型为竹林和耕地;建设用地及裸地主要转变成林地和耕地;耕地主要转变为林地和竹林;竹林主要转变成林地和耕地。从保护区不同分区来看:区域土地利用/覆被类型变化综合动态度中,核心区和缓冲区的程度比较接近,变化程度较小,实验区的综合动态度较为激烈。从不同研究时期来看:1988-2013年间综合动态均呈现降低趋势,土地利用变化程度放缓;2013-2017年间区综合动态均呈现剧烈上升趋势。通过对NDVI变化情况进行一元线性回归分析,近30年来庐山NDVI整体上呈现下降趋势,以0.017/10a的趋势减少,NDVI值从1988到1993年一直下降,1993至1996年NDVI值持续上升;1996-2002年间NDVI变化幅度较少;2002-2017年呈现先降后升趋势,于2013年降入谷底后开始快速上升趋势。为了进一步分析保护区NDVI长时间序列变化趋势,通过耦合Theil-Sen Median趋势分析和Mann-Kendall显著性检验结果分析,将NDVI变化趋势分为轻微减少、显著减小、显著增加、轻微增加、基本不变五个类型,五个类型占保护区总面积比例顺序为:轻微减小>轻微增加>基本不变>显著增加>显著减少。庐山自然保护区1988-2017年间NDVI的变异系数的结果,总体上为较低变异>中等变异>高变异>较高变异>微小变异,其所占保护区面积分别为52.54%、31.02%、7.78%、7.16%和1.51%。(3)土地利用/覆被变化驱动机理通过综合一元线性回归趋势分析、Pearson相关性分析、空间叠加耦合分析等方法,对森林植被NDVI时空演变的影响机理进行了分析。在土地利用/覆被变化特征中,影响土地利用/覆被变化的驱动因子主要是人为活动,整体上核心区和缓冲区的土地利用/覆被变化动态度要低于实验区。NDVI时空演变特征中,主要影响因子为高程和人为活动,保护区NDVI均值随着高程的增加而提高,NDVI均值大小在各功能分区的分布情况为核心区>缓冲区>实验区;NDVI变异性剧烈程度为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡;NDVI趋势变化显著变化区域主要分布于缓坡中,显著减少区域主要分布于游客聚集密度较大区域和功能分区的核心区中;温度与保护区历年NDVI均值变化呈不显著正相关,降雨与保护区历年NDVI均值变化呈不显著负相关。通过加权质心模型分析竹林质心变化情况,庐山保护区近30年竹林质心演变的趋势和机理是往高海拔、坡度较低、阳坡的区域迁移,整体上往东北方向扩张。(4)保护区可持续经营管理对策基于保护区森林植被时空演变的机理,对保护区植被时空演变进行了 NDVI变异性和重点野生植物保护预警分析,从森林植被时空演变动态监管、完善森林植被保护预警机制、优化保护区边界和功能分区三个方面提出提升保护区森林植被质量对策,保持生态系统完整性,深入推动庐山国家公园建设,实现保护区的可持续经营管理。
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