变化环境下科尔沁沙地水文植被相互作用机理与模型研究

Horqin sandy land occurred in multi-year precipitation reduction, grazing sizes continuously increases and vegetation significantly decreases over the past three decades. Identifying its causes of vegetation trends and the pattern of interactions between hydrology and vegetation that are closely related to desertification is prerequisite for a better control of desertification processes in the future. Remotely sensed vegetation index and ground-based meteorological data would be used to quantitatively attribute the vegetation trends and disintegrate the effects of precipitation and potential evapotranspiration (PET) on vegetation change, as well as explore the roles of human activities in ecohydrological processes. Furthermore, an ecohydrological model which involves the vegetation dynamic processes would be developed to distinguishing the effects of different meteorological factors on vegetation change. The parameterized scheme of human behavior would be added to the ecohydrological model to simulate the ecohydrological processes with human activity’s interferences, such as herding and reforestation. Results could answer three scientific questions: the dominant factors of vegetation change, the duration and intensity thresholds of grazing sizes that could cause irreparable damage of environment and whether reforestation could benefit for desertification restoration. The project would make great contribution to provide scientific evidence for protecting and repairing the ecological environment.

近30年来科尔沁沙地呈现多年降雨连续偏小、畜牧量持续增加、植被显著退化趋势，掌握变化环境下科尔沁沙地植被变化过程及水文植被相互作用规律对未来更好地防治荒漠化十分必要。基于数据挖掘技术，利用植被指数与地面观测气象数据，揭示植被生长和气象要素的变化规律，量化气候变化和人类活动对水文植被耦合系统下植被变化的相对贡献程度；考虑水文植被相互作用机制，构建适用于科尔沁地区的生态水文模型，解析不同气象因子对蒸散发和植被变化的作用效果；模拟多年降雨偏小、持续放牧、退耕还林情景下水文植被相互作用过程，辨析典型气候变化和人类活动驱动下科尔沁沙地生态水文过程的演变规律。成果力图回答科尔沁沙地植被变化主导因素、引发生态环境不可修复破坏的放牧持续时间和强度阈值、退耕还林究竟是否利于荒漠化修复等关键科学问题，为荒漠化地区生态环境保护和修复提供科学依据。

荒漠化是中国北方最主要的环境问题之一，其防治工作十分迫切。科尔沁沙地是中国面积最大的荒漠沙地，掌握其在气候变化和人类活动影响下植被变化过程及生态水文间的相互作用规律对未来更好地进行荒漠化防治十分必要。因此，论文基于遥感观测植被指数与地面观测气象数据，定量分析科尔沁沙地植被变化趋势，区分气候变化和人类活动对植被变化的贡献程度。依托考虑植被动态的生态水文模型进一步解析不同气候因子对植被变化的作用效果，探究人类活动对荒漠区生态水文过程的影响规律。.以科尔沁沙地所在的西辽河流域为研究区，采用线性趋势分析和分段线性突变点检验方法分析了植被指数NDVI以及降雨、气温在1982-2011年的变化趋势，并建立了基于实测NDVI与降雨、气温的非线性回归模型。结果表明，尽管气候要素变化趋势在空间上大致相同，植被变化存在较大的空间变异性。以自然植被为主的流域北部植被显著退化，并在2000年存在显著突变点，突变点前后植被均呈现不显著的上升趋势。以农田为主的流域南部植被发生显著的绿化。82.7%的植被退化可以归因为气候变化（1999-2011年多年降雨减少）而不是显著增加的畜牧量，67%的植被绿化可以归因于农耕管理等人类活动的影响，而不是显著升高的气温。.选取西辽河流域典型单元，基于细胞自动机模型CATGraSS，构建了适用于该区水文-植被耦合过程的生态水文模型（WaVEM），模拟了1964-2013年该单元在气候变化下的生态水文过程。利用控制变量法分解降雨及潜在蒸散发对植被变化的贡献。通过情景假设模拟放牧对生态水文过程的影响。结果表明，降雨变化不显著而气候显著变暖的背景下，实际蒸发量和叶面积指数（LAI）未发生显著变化。降雨变化以及潜在蒸散发的变化分别可以解释实际蒸散发变化的73%和40%，解释植被变化的73%和32%。降雨变化是区域蒸散发和植被生长变化的主导因素。在灌木区长期高强度的放牧对植被生物量的损失较大，但对水文过程的影响并不显著。草地的生长对地下水侧向流动强度变化十分敏感，灌木生长则并不敏感。