荒漠草原植被地上净初级生产力分布格局及其对降水波动的响应

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中文摘要：降水波动在区域植被生产力塑造过程中扮演着重要角色，也是草原生态系统生产力格局变化的主要驱动因子。荒漠草原在气候上处于半干旱与干旱过渡区，其生产力变化对降水波动的响应更为敏感。乌拉特后旗荒漠草原不仅处于气候过渡带，而且也是荒漠草原向荒漠过渡的区域，这种多气候类型和多生态系统交汇以及重叠的表现特征使得该区域成为北方荒漠草原-荒漠过渡带研究的典型代表区之一。研究该区生产力分布特点及对降水波动的响应，对于该荒漠草原由荒漠向草原过渡还是由草原向荒漠退化的发展过程具有非常重要的意义。本研究依托尺度分析，将乌拉特后旗荒漠草原分为荒漠植被区（简称荒漠区），荒漠-荒漠草原过渡区（简称过渡区）和荒漠草原植被区（简称荒漠草原区）。以MODIS13Q1分辨率250m×250m的NDVI影像为数据源，利用实测的地面植被光谱-生产力模型为反演模型，对乌拉特后旗不同分区2000-2015年植被生产力格局进行反演，结合多年降雨实测数据，研究该区域不同尺度下植被生产力格局及其对降水波动的响应。主要结论如下: (1)多年降水特征显示，降水主要集中在夏季6-8月。年降水与生长期降水多年变化均呈增加趋势，且生长期降水波动更大。多年降水波动不明显，存在5-8年的主周期变化和11-18年的次周期变化。从年内降水格局来看，夏季降水增幅较大;且最大降水年内分布近16年波动更大。矢量降水比生长期降水更能反映年内最大降水分布情况。 (2)地面光谱-生产力模型显示使用实地测量的窄波段NDVI来估计ANPP，这项研究的新颖性在于提高了模型相对精确度并提出了不同分区的地面光谱模型。在乌拉特后旗荒漠草原不同区域，地上光谱生物量模型均为线性方程，且荒漠区方程为y=492.07x-28.332;过渡区最佳拟合方程为y=484.12x-24.439;草原区最佳拟合方程为y=395.49x-12.103;而整体区最佳拟合方程为y=427.31x-17.446。 (3)不同区域植被生产力格局显示，当年植被地上净初级生产力(ANPP)格局整体遵循西北低-东南高的特点，不同分区变化一致，无尺度分异;根据不同生产力分级变化趋势相似性，可将不同生产力等级归纳为四类，分别为:生产力低值区＜20g/m2，生产力中值区20-30g/m2，生产力中值区40-50g/m2，生产力高值区＞40g/m2。 (4)不同分区内植被生产力分级显示荒漠草原植被生产力低值区面积小，景观破碎度低;植被生产力中值区面积最广，景观破碎度大，植被生产力高值区面积小，景观破碎度高。破碎度小的生产力低值区为对信息和物质能量流动作用最小的区域，而中值区为荒漠草原物质能量流动最大的区域。 (5)从景观尺度来看，降水增加使荒漠草原景观破碎度增加，大斑块减少且各斑块比邻概率和出现概率均增加，说明降水增加引起荒漠草原生产力增加表现在生产力斑块数量和密度的增加上，这更有利于物质能量流通。从分区景观指数变化幅度可知，荒漠区景观对较差降水波动具有一定耐受力，对降水由较差转好响应明显;过渡区对不同降水变化均有一定耐受力，当降水变差或变好时，该区域植被生产力变化适中;荒漠草原区对较差降水波动响应最明显，而降水转好对其影响变化不大。 (6)从景观类型尺度看，降水增加使不同分区内＜30g/m2区域各景观指数均减少，其中降水较差到降水中等的变化对这一等级影响最为明显;＞40g/m2区域景观指数均有增加，降水较好到降水最好的变化对这一等级区域影响最明显;30-40g/m2区域变化介于两者之间，各级降水变化均对这一区域有明显影响。说明生产力低值区植被对较差降水耐受力强，但降水条件转好后生产力恢复有限;生产力高值区植被对较好降水和较差降水均响应明显;生产力中值区则变化介于两者之间，抗干扰能力最强。 (7)荒漠草原生产力变化对降水格局变化响应，说明年内最大降水分布与生产力大小关系最密切;其中5-8月累积降水对生产力变化影响最大。所以，本研究在分析荒漠草原近45年降水特征基础上，利用实测光谱-生产力模型对乌拉特后旗荒漠草原不同尺度植被生产力格局进行反演，并对植被生产力格局以及其对降水波动的响应进行研究，得出荒漠草原不同尺度植被生产力格局分布特征以及不同尺度下植被生产力格局对降水波动的响应规律，为研究荒漠草原退化与演变规律提供理论依据。

作者：

刘良旭

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关键词：

荒漠草原地面植被净初级生产力分布格局降水波动响应规律

授予学位：

博士

学科专业：

生态学

导师：

赵学勇

学位年度：

2017

学位授予单位：

中国科学院大学

语种：

中文

中图分类号：