书名：脆弱区气候变化与生态保护修复成效评估研究
作者：李海东
ISBN：978-7-5111-4182-8
出版社：中国环境出版集团
出版日期：2019.12
“第一篇 脆弱区气候变化生态响应”主要包括:(1)雅鲁藏布江流域海拔高差达7 000多m,气候条件复杂、生态系统类型多样,植被格局空间变化显著。流域植被类型包括针叶林、阔叶林、灌丛、荒漠、草原、草丛、草甸、高山植被等11个植被型组,21个植被型,其中米林宽谷的植被型最多,自下游至上游的山南宽谷、日喀则宽谷及马泉河宽谷随着海拔梯度的变化,植被类型多样性总体呈下降趋势。随着海拔的增加,植被型组和植被型的个数均呈先增加后减少的趋势,以海拔3 000～4 000 m和4 000～5 000 m最多,流域植被格局的垂直地带性显著。不同海拔梯度近15年植被指数(NDVI)的年际变化趋势与各植被类型的相似,均呈显著增长态势。<3 500 m海拔梯度NDVI变化的增长速率最大。7—9月和10—12月<4 500 m海拔梯度NDVI的生长期较长。阔叶林和针叶林近15年NDVI的增长速率较大,灌草过渡、灌丛、草甸、草原、高山植被的增长速率较小。1—3月的灌丛,4—6月的草甸和草原,7—9月的阔叶林、灌草过渡、灌丛、草甸和高山植被,10—12月的阔叶林、针叶林、灌草过渡、灌丛、草原和高山植被近15年的NDVI变化均呈显著增长趋势。流域NDVI变化具有显著的海拔梯度性和植被垂直地带性。流域植物返青期提前的区域占流域总面积的61.3%,推迟的区域占38.7%;植物枯黄期提前的区域占45.3%,推迟的区域占54.7%。雅鲁藏布江流域植物生长季长度存在缩短现象,年变化率的像元平均值为-0.47 d/a。自下游至上游,流域植物返青期逐渐推迟,枯黄期逐渐提前,植物生长季长度总体上呈缩短趋势。随着海拔的增加,雅鲁藏布江流域植物生长季长度和年变化率总体上呈缩短和降低趋势。(2)雅鲁藏布大峡谷国家级自然保护区处于东喜马拉雅构造结,是全球气候和构造作用最为强烈的地区。大峡谷自林芝地区米林县派镇到墨脱县巴昔卡村(海拔155 m)长达496.3 km,最深达5 382 m,是地球上最深的峡谷,被称为世界第一大峡谷。该区域是印度洋暖湿气流进入青藏高原腹地的大通道,沿通道方向形成一条向高原延伸的“湿舌”,拥有世界最完整的山地生态系统垂直带谱,是世界上山地生物多样性最丰富也最具特色的地区之一。1993—2013年,在全球气候变化背景下,保护区年均NDVI值增加了 17.58%,以较低海拔的阔叶和针叶林占主导的区域最显著。植被变化率随着高程的增加而显著性地降低,海拔3 000 m左右是一个转折点。气温升高是导致年均NDVI增长的主要因素,而年降水量和NDVI变化没有明显的相关性。研究结果可以为制定适应气候变化方案和提升生物多样性保护水平提供科学依据。(3)阿尔泰山地森林草原生态功能区是《全国主体功能区规划》中明确的8个水源涵养型重点生态功能区之一,植被生态系统对气候变化的反应敏感而脆弱。1999—2018年阿尔泰生态功能区NDVI整体呈缓慢下降趋势,变化率为-0.002/10a;从季节变化来看,春季和夏季NDVI值呈上升趋势,变化率分别为0.001/10a和0.002/10a,生长季和秋季NDVI值呈下降趋势,变化率分别为-0.001/10a和-0.013/10a。北部阿尔泰山与西南部萨吾尔山区NDVI值较高,南部准噶尔盆地NDVI值较低;就年均NDVI值而言,11.41%的区域像元值增加,64.93%的区域像元值保持不变,23.66%的区域像元值减小。不同植被类型的NDVI值变化具有差异性。沼泽植被年均NDVI值最高(0.295 7),其次是针叶林NDVI值(0.287 4),高山植被和荒漠植被年均NDVI值最低(分别为0.111 6和0.103 7),从变化趋势来看,沼泽植被生长状况明显改善,变化率为0.011/10a,高山植被退化趋势明显,变化率为-0.012/10a。就季节变化而言,生长季中针叶林NDVI值最大(0.575 2),春季灌丛NDVI值最大(0.313 5),夏季针叶林NDVI值最大(0.645 2),秋季沼泽NDVI值最大(0.409 7)。不同海拔梯度NDVI也有差异性,NDVI变化率随着海拔升高逐渐降低。阿尔泰生态功能区年均气温呈上升趋势,倾向率为0.18℃/10a,年均气温为4.6℃,最高为2007年(6.0℃),最低为2010年(3.0℃);生长季气温呈下降趋势,倾向率为-0.16℃/10a,平均气温为18.6℃;春季气温呈上升趋势,倾向率为0.02℃/10a,平均气温为12.2℃;夏季气温呈上升趋势,倾向率为0.23℃/10a,平均气温为21.4℃;秋季气温呈下降趋势,倾向率为-0.1℃/10a,平均气温为9.7℃。北部山区气温较低,降水量较大;南部荒漠气温较高,降水量相对较少。阿尔泰生态功能区春季和秋季NDVI与气温呈显著正相关(R=0.656,0.660,p<0.01),夏季NDVI与降水量呈显著正相关(R=0.465,p<0.05),秋季NDVI与降水量呈显著负相关(R=-0.572,p<0.01)。4—10月的月均NDVI变化与前3个月气温、降水量存在不同程度滞后性。不同植被类型、海拔高度的NDVI与不同季节气温和降水量存在一定相关性。年均NDVI与气温和降水量相关性为正的区域像元比分别为10.29%、69.31%;生长季NDVI与气温和降水量相关性为正的区域像元比为62.92%、36.22%;春季NDVI与气温和降水量相关性为正区域像元比分别为39.11%、48.65%;夏季NDVI与气温和降水量相关性为正区域像元比分别为49.58%、30.41%;秋季NDVI与气温和降水量相关性为正区域像元比分别为49.58%、30.41%。(4)气候变暖和人类活动增加正在给生态脆弱地区的水资源安全造成巨大的威胁,亟待辨识造成这种变化的驱动因素,提出有效的气候变化风险管理措施。以内蒙古高原达里诺尔内陆湖流域为例,综合运用遥感、野外调查和灰色关联分析等方法,分析了 1976—2015年达里诺尔流域湖泊面积的变化情况,并结合气温、降水与流域NDVI变化情况,研究了湖泊变化的影响因素。1976—2015年达里诺尔流域的湖泊面积显著减少(p<0.01),1976年的湖泊面积为242.3 km~2,40年内减少了 28.1 km~2,变化率为-0.69 km~2/a;面积最大的达里诺尔湖,1976年湖泊面积为223.7 km~2,2015年面积为191 km~2,40年内减少了 14.6%,呈现比流域湖泊总面积更显著的减少趋势(变化率为-0.77 km~2/a)。1976—2015年流域湖泊总面积的变化与NDVI、年均气温变化呈负相关,与年降水量呈正相关。浑善达克沙地生态保护修复工程实施,造成达里诺尔流域植被盖度的增加,通过蒸发作用间接影响了地下水对内陆湖的有效补给,导致地下水对达里诺尔湖的补给能力下降。(5)自2000年以来,我国政府高度重视青藏高原生态保护和修复工程,实施了植树造林、草地恢复、退耕还林等一系列生态工程,植被绿度得到有效提升。青藏高原被认为是研究气候变化生态响应的理想区域,而不断增加的人类活动不但加剧了气候变化的不利影响,还可能造成局部地区植被退化,但从另一方面来讲,可以利用气候变暖的正效益,实施高寒脆弱区生态保护修复工程。基于此,本研究选择人口相对密集的拉萨地区和人口相对较少的嘉黎县作为研究对象,以NDVI作为植被盖度的指标,辨识了气候因子和人为因素对高寒脆弱区植被变化的影响。就拉萨地区而言,1999年拉萨城区周边20 km缓冲区的面积是2 045 km~2,其中,1999—2013年植被盖度增加区域和植被盖度减少区域的面积比例分别为91.4%和8.5%,城市扩张导致城区周边植被盖度减少。主要道路20 km以内的植被盖度减少的比例高于城市周边,表明相较于城市扩张的影响,道路建设和养护对区域植被盖度减少的影响更显著。拉萨地区年均NDVI值的变化趋势与农村劳动力数量、当年造林面积呈正相关,与牲畜数量呈负相关。嘉黎县除当年造林面积外,NDVI值的年际变化与人为因素之间也存在类似的相关关系。总体来说,人类活动在大区域尺度上对植被变化造成的影响很小,并没有逆转气候变暖引起的高寒脆弱区植被绿度增加的主要趋势。1999—2013年,拉萨地区和嘉黎县NDVI值的年际变化均呈显著性增长趋势,变化率分别为0.001 6 a~(-1)和0.002 4 a~(-1)。相较于拉萨地区,嘉黎县季节NDVI值的增加受气候变化的影响更大,气温升高和降水量变化对植被绿度的影响更显著。“第二篇 生态保护修复成效评估研究”主要包括:(1)生境胁迫条件下高寒河谷不同类型沙地植被恢复潜力定量评价,是开展青藏高原退化沙化生态系统植被恢复亟须解决的瓶颈问题和决策依据。选择河滩流动沙地、河岸流动沙地和山坡流动沙地3种类型试验样地作为研究对象,结合不同类型沙地的植被演替阶段划分和生境特点,采用层次分析法和模糊综合评价方法,通过构建植被恢复潜力评价指标与标准体系,建立了高寒河谷流动沙地植被恢复潜力综合评价模型。结合2008—2014年的植被恢复试验结果,验证与探讨了该模型的评价精度与适用性。山坡流动沙地植被恢复潜力等级为强,河滩流动沙地植被恢复潜力等级为较强,河岸流动沙地植被恢复潜力等级为较弱。气象条件、地形条件和土壤状况决定了生境胁迫条件下植被恢复具备的先天条件,恢复措施则决定了其具备的后天条件。通过强有力的人工促进植被恢复措施既可直接提高寒河谷流动沙地植被恢复潜力,亦可间接改变土壤状况,从而提升植被恢复效果。(2)在雅鲁藏布江中游河谷2008年建立的山坡流动沙地植被恢复试验地,分别在丘间地和迎风坡2个类型,随山坡高程增加布设了 4条调查样带,调查了 160个样方的植被恢复物种组成与生长状况,分析了物种丰富度、α多样性和β多样性随微地形改变的变化特征。2011年山坡流动沙地恢复植被共有14种,隶属9科12属。香农-维纳(Shannon-Wiener)指数在4个调查样带之间的变化较大,辛普森(Simpson)指数和Pielou均匀度指数的变化较小,α多样性指数总体上表现为随物种丰富度的增大而增加。丘间地的群落相似性大于迎风坡,在群落梯度上丘间地的物种多样性恢复效果较好。局部微地形、恢复植物种的选择是影响山坡流动沙地物种多样性恢复的主要因素,可通过设置沙障改变局部微地形,或采用沿等高线人工脚踩回头撒播的方法等,以提高山坡流动沙地植被恢复的物种多样性。开展了不同地面处理措施下各流动沙丘恢复植被的植物种组成和生长状况的野外实地调查,分析物种丰富度、α多样性和β多样性的变化特征,结合2011年、2016年对实验地植物优势种的抽样调查,探讨分析了不同处理条件下沙地植被恢复现状。2008年以来的河滩流动沙地植被恢复的存活植物种数可达10种,花棒、籽蒿和藏沙蒿在个体数量与生长状况上均优于其他植物种,且不同处理措施间植物的生长与物种多样性存在一定的差异,秸秆沙障植物物种数量最多,而植株生长状况空白对照较好,物种多样性则表现为:石方格及塑料方格>秸秆沙障>无处理措施。花棒、籽蒿和藏沙蒿可以作为河滩流动沙地植被早期演替阶段的先锋植物。在植被恢复过程中,秸秆沙障既能保证物种多样性的水平,又利于植物生长,在人类活动干扰较为严重的区域,可以铺设石方格及塑料方格,以提高植物多样性,从而促进植被生态系统的稳定,增强沙地植被恢复潜力。(3)裸露沙地、稀疏草本、灌草过渡和灌丛群落是高寒沙地植被演替的主要阶段。基于大量调查划分了西藏高寒河谷沙地不同植被的演替阶段,利用美国ASD Field Spec3光谱仪野外测量了各演替阶段的高光谱信息,对比分析了主要优势沙生植物种群的高光谱特征以及不同演替阶段的光谱差异性。籽蒿、花棒、藏白蒿、藏沙蒿、杨柴、棘豆、砂生槐和固沙草等作为植被演替阶段划分的关键优势沙生植物种,其光谱特征具有明显的差异性,主要体现在红边位置、红边形状、红谷和纤维素吸收波段处。裸露沙地在向稀疏草本、灌草过渡和灌丛群落阶段的植被演替过程中,群落的植被盖度增加,裸地面积减少,光谱反射率整体上持续增强,叶绿素吸收造成的红谷特征强化,近红外水分吸收谷增强,土壤背景光谱特征逐渐减弱,且不同演替阶段优势沙生植物种群的光谱一致性变化较大。(4)三维激光点云数据具有精度高、密度大、获取速度快等特点,利用获取的山坡沙地三维激光点云数据生成高精度数字高程模型(DEM),并完成了坡度、坡向及地形湿度指数的提取。首先选取适于研究区地形的点云滤波方法,对点云数据进行滤波处理,完成了地面点云的提取;通过不规则三角网内插算法生成了 DEM。然后利用DEM,结合ArcGIS软件与地形因子的计算方法,提取了研究区的坡度、坡向以及地形湿度指数(TWI)。通过从原始点云数据中提取植被点云,并对植被点云进行处理,获得了研究区植被的特征参数。首先对原始点云数据进行了高程归一化处理,消除了地形起伏对非地面点云的影响;然后对点云数据进行滤波处理,获得非地面点云数据,通过对非地面点云进行聚类,并设置特征条件对聚类后的点云块进行提取,满足特征条件的点云块即为植被点云。利用植被特征参数计算方法与LiDAR360软件对植被点云进行处理,得到了研究区植被的特征参数。结合计算得到的地形因子与植被特征参数,研究了地形与植被恢复之间的关系。首先在研究区内选取10个调查样方,并统计样方内的地形信息与植被信息,从总体上分析各个样方的地形与植被恢复情况。然后分析高程、坡度、坡向及地形湿度指数对植被分布的影响,得到研究区内植被分布的地形特征,以及适于植被生长的样方具有的地形特征。“第三篇 适应气候变化的生态保护修复对策”主要包括:(1)气候变化会导致自然保护区主要保护对象、潜在边界或关键生境发生迁移或灭失,直接影响自然保护区的生态服务功能,甚至威胁国家生态安全。本书分析了气候变化对我国自然保护区的影响、风险管控现状和面临的问题,从加强自然保护区气候变化影响监测、风险预警与管控科学研究,构建应对气候变化风险的适应性管理技术体系,建立健全管控机制,开展试点示范,开展应对气候变化风险的国际合作与交流等方面提出了对策,以期为我国在应对气候变化新形势下加强自然保护区适应性管理提供决策参考。(2)气候变化导致生物多样性丧失、生态系统服务降低和区域生态安全屏障功能受损,已经威胁到我国国土生态安全格局和生态脆弱区域的可持续发展。做好生物多样性应对气候变化风险工作,既是生物多样性适应性管理的必要措施,也是减缓气候变化的重要途径。本书还分析了国内外生物多样性应对气候变化的形势,剖析了中国生物多样性保护应对气候变化存在的主要问题,从制定国家方案、加强能力建设、开展试点示范、强化科技支撑等方面提出了中国生物多样性应对气候变化风险的适应性管理策略。(3)风沙灾害对重要空港、铁路(公路)等交通要道的安全运营构成了直接威胁,严重影响了青藏高原国家生态安全屏障保护与建设。本书基于前期研发的高寒沙地植被生态恢复成长成套关键技术,提出了高寒沙地植被生态保护修复对策,即尽快编制和发布青藏高原高海拔沙地生态恢复技术导则、利用三维激光雷达和高光谱遥感等新技术开展重点区域生态安全动态监控、开展青藏高原植被演替与生态修复潜力评估、实施脆弱区国土空间生态保护修复成效定位观测工程,以期为“加强生态文明建设,构建国家生态安全屏障”工作提供强有力的科技支撑。