首都圈典型区防沙治沙景观格局研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王石英 |
| 答辩日期 | 2005-08-25 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 蔡强国 |
| 关键词 | 景观格局 首都圈 动态变化 安全性 防沙治沙 GIS和RS |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 2000 年春天,北京和华北地区共经历了9次大规模和高强度的沙尘天气过程,给华北地区的交通运输、环境治理、人们的日常生活和工作带来了不利影响,个别地方甚至造成人员伤亡。2001年，京津等华北地区又遭受了10余次沙尘天气过程，2002年北京共出现17个沙尘日，2004年截至4月份受到沙尘天气影响 4次。沙尘灾害天气已成为京津和华北严重的环境问题之一。 广泛认为，近年京津和华北地区频繁发生的沙尘暴和沙尘灾害天气，应归因于拉尼拉现象等大尺度的天气变化和地表覆被退化。大部分沙尘来源于蒙古，内 蒙古，中亚，塔里木盆地和黄土高原，以及河床上沉积的泥沙。少数是当地短时狂风引起的就地起沙。通过分析历年气象数据和处理的遥感影像，浑善达克东南部、河北坝上和内蒙古后山地区等生态脆弱区破碎化沙地、裸露农地和退化草地，对京津等地的沙尘暴具有重要影响。沙尘暴和土地荒漠化有共同的影响因子，由于离京津地区相当近，这些干旱、半干旱地区的土地利用、生态系统成为近年主要的研究目标之一。当前，对沙尘灾害天气的防治主要是通过改变地面状况，调节人类自身活动的方式来实现。本文针对近年首都地区频发沙尘天气等环境问题，在大量文献综 述的基础上，广泛收集资料并加以分析，着重利用遥感影像、实地样品资料和历年气象数据，通过分析首都圈景观格局的安全性，来达到防沙治沙的目的。主要方法是在野外调查基础上，进行采样、室内分析和遥感影像判读，并对具有代表性的沙尘源区进行重点研究。在地理信息系统的支持下，分析了农牧交错区景观格局及其变化，评价了典型区域在防沙治沙景观格局上的安全性，讨论了景观恢复的具体措施和水土资源的利用模式。 本文选择的研究内容是有广泛社会影响、对经济和社会发展有重要意义的环境问题，即北京和华北地区近年频繁发生的沙尘灾害天气的治理。借助“首都圈（环北京）防沙治沙应急技术开发研究与示范项目”的支持，选定北京及其邻近上风向地区（首都圈）的景观作为研究对象，从景观稳定性角度来讨论维护首都圈生态安全和景观恢复措施，来达到减小和遏制首都地区沙尘灾害天气的目的。本文在应用层面上可以促进区域环境质量改善，为国家经济建设和社会发展服务；持续深入的研究将顺应地表物质迁移机制，以及区域对环境变化的响应模式和全球变化等重要研究方向。 首都圈范围是根据防沙治沙的研究目标，选定出直接影响首都地区的沙尘爆发、输移和防护区域。它在沙尘天气的风力活动过程上，具有侵蚀、输移和沉积的完整特征。防治的根本思路是因地制宜。因此，首先根据首都圈不同地貌、气候、地表覆盖和物质组成等环境条件，从防沙治沙景观生态安全角度区分首都圈内部差异，揭示出首都圈景观格局的现状。首都圈景观的基本格局是，南部平原区，山地水源涵养林区，中部农牧交错区和北部草原区，在此基础上划分出首都圈内详细的景观类型区。共分为乌兰察布高原荒漠草原区，浑善达克半固定沙丘区，锡林郭勒高原干草原区，镶黄-正蓝低山丘陵盆地草原旱生灌木区，坝上高原农牧交错区，赤城-丰宁-围场山地农业-白桦山杨林区，燕山山地农业-灌草丛区，怀来-延庆盆地农业-灌木草原区，华北平原农业-建筑景观区等9个景观区域。系统诊断不仅是认识首都圈景观特征的基础，也是确定非安全状态下景观建设方向的依据。在分区基础上，选取了动态变化显著、生态极为敏感、环境影响深远的农牧交错区，以张北和多伦为例，探讨了景观格局的变化特征和农牧交错区东西部差异。首都圈的长轴方向上的景观类型区和景观类型最为丰富，本文选取了长轴方向上的10个地区来代表景观类型区的总体变化，包括北京的顺义、平谷、怀柔和密云，经河北的滦平、丰宁到内蒙古的多伦、正蓝、锡林浩特和阿巴嘎县（旗、市、区）一线共10个地区，探讨了它们景观格局变化及其方式，讨论了不同类型区的区域差异。本文探讨了首都圈长轴和短轴两个方向上近期景观格局变化，论述了首都圈景观格局近期的动态特征，为深入认识首都圈景观格局奠定了基础。基于防沙治沙目的的景观安全评价，是评价不同景观类型区划下典型地区景观在防沙治沙上的安全性。本文以位于农牧交错区的丰宁和多伦地区为例，讨论了景观稳定性的评价方法，从土地适宜性、风况和水分条件等方面选取评价因子，根据层次分析法和模糊判定方法建立评价体系，并对评价方法进行可靠性校验，得到了这个区域景观在沙尘灾害天气防治上的安全等级图。最后，根据评价结果和景观类型区划拟定景观建设的具体目标。防治途径是根据景观稳定性布设防治措施，实施有效资源环境管理。本文的主要研究内容有： 1 邻域算法 邻域处理是建立在栅格基础上的一种分析方法，是一种中心栅格逐次移动的、包括中心栅格邻近定义区域内栅格值的计算方法。 以地貌分界线的处理为例，邻域方法的步骤是：（1）利用数字地形图生成 DEM，在 DEM上生成坡度图，并观察、统计坡度值的分布方式；（2）将坡度图 按临界坡度分成平地和山地两类，分类标准是提取界线成功与否的关键。小尺度 研究区中临界坡度可由经验得到；（3）利用邻域算法对坡度分类二元图进行累加；因此，（4）对累加值图进行再分类；（5）输出的边界栅格分布图中，边界线上的栅格被筛选出来，多数地方连续分布。局部地方需要用其他方法补充数据；（6）根据地貌分类的要求，可对照地貌渲染图，从中提取出合理分界线。 由于农牧交错区复杂的景观类型和镶嵌分布，用常规方法难以圈定它的具体范围。本文应用邻域算法，成功地追踪到坝上坝下地分界线，并且用邻域方法分 割出景观格局的范围。而确定农牧交错区和首都圈景观分区，是论文关于景观格局的研究能够持续进行的基础。在景观分类中，邻域算法实际上是合理地寻找景观过渡带中分类的标准，并以此提取出景观类型的边界。所以，只要能够将景观的类型合理地划分，即给定景观分类的临界值，邻域算法就可以应用到边界提取中。景观分析中的领域算法能够在农牧交错区、草地和沙地交错区、稀疏草原过渡带、谷缘线、地貌分界线的划分和提取等方面得到应用。 2 首都圈景观格局及其空间异质性 按照综合性和主导因子原则，以地貌-气候作为一级分类指标，土地利用作为二级指标，植被-土壤作为三级指标，将首都圈的景观格局分为 9 个类型区： (1) 乌兰察布高原荒漠草原区；(2) 浑善达克半固定沙丘区；(3) 锡林郭勒高原干 草原区；(4) 镶黄-正蓝低山丘陵盆地草原旱生灌木区；(5) 坝上高原农牧交错区；(6) 赤城-丰宁-围场山地农业-白桦山杨林区；(7) 燕山山地农业-灌草丛区；(8) 怀来-延庆盆地农业-灌木草原区；和(9) 华北平原农业-建筑景观区。本文还分析了它们的地貌、积温、降水、干燥度、典型植被、土壤类型、河网密度、土地利用、城镇密度和公路密度等方面的特征，简要讨论了各个分区的总体特征。 首都圈景观格局复杂，由农业-建筑景观区经农林复合区，农牧交错区向草原景观区和沙区变化。由于地貌在首都圈景观分异中具有基本作用，加上人类活动长期影响，首都圈景观可按照高原平原边界分成高原、山地、平原三大部分，高原、山地的景观分区具有不同性质的景观指数，而华北平原上建筑景观有重要作用。农牧交错区处在首都圈最脆弱的地带，既有明显的过渡特征，也受到强烈的人类活动的压力。 本章指出了草原、沙区、农牧交错区、林区等具体景观类型的范围和基本特征。由于沙尘暴主要源于生态退化的地区，在首都圈内主要是退化草地、农牧交错区，从而为防治明确了范围，揭示了基本特征，这个结论对首都圈防沙治沙具有重要的参考意义。 3 首都圈景观格局的动态变化研究 3.1 坝上高原的景观格局变化 在遥感影像的基础上，利用景观指数方法，讨论了坝上高原的景观格局及其变化。坝上高原景观类型多样，以耕地、草地、林地、沙地等类型为主，兼有坝 上高原的一些特殊类型，例如沼泽和盐碱地。近10余年，坝上高原的景观构成和面积都有明显的变化，总体上，多伦的草地面积下降，而退化草地却有上升的趋势。张北大幅度调整了耕地，大规模植树造林，景观构成上耕地的比重下降，林地和草地的比重上升，呈现出初步的良性管理特征。但是，景观格局变化仍然 表明，多伦沙地面积有明显增长，张北坡耕地数量大量增长，沼泽湿地全部消失，显示了荒漠化潜在的张力，坝上高原仍然受到荒漠化的胁迫。 在分析坝上高原景观的内部差异中，还使用了相邻分析方法。结果表明，不仅近10年来坝上高原景观格局有明显变化，内部还具有差异性。东部多伦县以 牧业为主，草地面积略为下降，同时退化草地面积小幅度增加，而沙地面积明显扩大。张北以农耕为主，没有典型沙地。景观指数分析表明，荒漠化在坝上高原东西部呈现出不同的特征。东部荒漠化明显，表现为景观破碎度增加；西部总体上得到抑制。用相邻分析方法得到的结果可揭示出沙地与其他景观的对比变化，荒漠化可以广泛地发生在众多的景观类型中，并且有三种明显的发展阶段，多伦仍在处在荒漠化发展过程中。总之，坝上高原作为一个脆弱的农牧交错带，近期景观仍有明显变化，其中东部地区显示了明显的荒漠化过程，坝上高原整体上也有一定潜在的荒漠化胁迫。因此，坝上高原是京津地区沙尘灾害天气重要的防治区域，在治理过程中，需要注意内部差异。3.2首都圈长轴方向近期景观变化 在平行于首都圈的长轴方向，即沙尘天气的移动方向上，选取了空间连续分布的顺义、平谷、怀柔、密云、滦平、丰宁、多伦、正蓝、锡林浩特和阿巴嘎等县（区、旗、市）来代表整个首都圈大范围上景观格局的变化，并在其中选取了一条620km长的样带，用来分析景观指数在长轴方向上的变化。 对首都圈长轴方向上的分析表明，京津上风向地区近期景观变化主要是景观面积上变化，景观类型没有显著的改变。农耕建筑景观区内的耕地面积有所缩减，缩减的耕地主要转化为人工建筑用地，其景观变化反映了城市化进程。水源涵养林区为农林复合区，林地数量增长，具有初步良性人工管理的特征，说明植树造林和退耕还林是水源涵养林区景观改变的主要原因。农牧交错区以耕地、草地和林地景观的变化幅度都较大。总体上，近年这些类型面积上都有显著的改变，但是不同地区改变的趋势却呈现多样化的特征。 草原区是景观面积相对变化最小的区域。作为基质的草地总体面积变化不大，各类生态稳定度的草地之间，相互转化幅度也不是很明显。总体上，草原区同样受到荒漠化的威胁。草原区是一个以草地为主的景观区，草地斑块种类和面 积占优势，但景观格局还是具有明显的多样性。景观破碎化是景观演替的初期阶段，所以草原区的生态应加强防护。农牧交错区斑块面积小，对应着较小的最大斑块指数，较高的斑块密度，数量多，种类多，形状不规则和分维数较高，景观格局的多样性指数较高。体现了农牧交错区景观破碎化的综合特征。农业-建筑景观区和水源涵养林区，它们的共同特征是斑块面积较小，多样性指数较高。和农牧交错区的景观指数比较，它们的指数变化的幅度更加剧烈。水源涵养林区还出现方向性的变化趋势，即统计上往北，斑块面积增加，类型减少，多样性指数 减少。这是由于越往北，山地区域内人类活动相对减弱，景观逐渐由林地占优势。 首都圈北部地区是沙尘暴输移和沙尘源区之一，了解上风向地区景观变化有助于生态恢复和分区治理。从顺义、平谷至阿巴嘎旗一线1980年代至2000年间 景观格局及其样带的变化说明，京津上风向地区的景观存在农耕-建筑区、水源 涵养林区、农牧交错区和草原区。位于城市附近、华北平原北缘的农耕-建筑景 观，耕地缩减，向人工建筑景观转化，景观多样性指数高；水源涵养林区林地增加明显，但郁闭林地面积有所减少，向北景观多样性呈现递减趋势；农牧交错区耕地、草地和林地都有变化，区内景观类型多样，斑块破碎，多样性指数高。但不同地区有不同的特点，坝上地区草地、沙地变化大；农林复合区内以河谷、缓坡上耕地、林地变化大。草原区景观变化的相对幅度较小，景观以草地占优势，一些地区沙地和耕地仍有扩展，大面积上还是有景观多样化的特点。并且，沿沙尘暴路径方向上景观格局虽有不同特征，但是景观区都明显受到人类活动的干扰，分别是减少耕地，增加建筑景观，植树造林，草原区开垦，过牧等，这些作用叠加在自然要素之上共同形成环境效应，目前区分两者还有相当困难。比如小尺度的气候变化和天气现象，就综合体现了两者的共同作用。 总之，近期研究区的景观有明显变化，其中有人类活动的强烈影响，显示了景观破碎化特征，反映了荒漠化的胁迫。 4 首都圈典型地区景观变化的驱动力初步分析 干旱少雨，水分不足是地表覆被变化的重要原因；气候风蚀力指数从东南向西北增大，坝上高原明显高于坝下地区，无论在全年还是在风力最强劲的季节， 在苏尼特右旗附近有一个高值中心，并且指数值随着干旱季节里风力增强而增 强。首都圈内的低值中心出现在全年风力最微弱的承德附近。风蚀气候侵蚀力反映了风蚀在首都圈由南向北增大的特点，其指数梯度变化方向和沙尘暴移动路径吻合，显示了首都圈风力侵蚀以坝上地区为主的事实。 近年强烈不合理的人类活动严重加剧了地表覆被的不利变化，土地利用的强度过大，在400mm等降水量线以北还有大面积的耕地分布，草场退化的主要原 因是牲口数量激增后对草地的过度放牧。耕地过度利用的结果是有机质含量减 低，地表粗化，加上旱季缺乏适宜的防护措施，容易发生风蚀。人口数量不是导致土地退化或沙尘天气频发的直接因素，人口、土地退化、荒漠化和沙尘天气之间不具有明显线性对应关系。当地观测到的沙尘天气有可能是当地爆发的，或外地爆发的，甚至外地爆发后移动过来，并由当地局部扬尘叠加在一起中间的一种情况。而人类日益增强的经济活动显然对植被退化和土地退化密切相关。 5 首都圈景观安全及景观建设途径 为了最大程度实现水土资源的可持续利用，在景观重建或恢复中应该考虑当前土地和水资源利用的实际状况。环境评价是为了实施环境保护，为决策者提供 依据。GIS 在沙尘暴的防治中使基于栅格单元的定性评价成为可能，算法简便，可进行多进程多目标的运算，以地图方式表达的结果易于理解和应用。 以横跨河北和内蒙古的地区丰宁县和紧邻的多伦县为例，本文分析了北京上风向农牧交错区因风蚀带来的土地退化。在地理信息系统的支持下，主要采用地 形、植被、风速和风向，土壤类型、土地利用类型、沙地分布、水源和村庄等因素评价了该地区在防沙治沙上景观的安全性。根据退化程度，当前土地利用分为农用地、保护用地、退化地和严重退化地四种类型，用层次分析方法对每种类型各因子进行生态安全评价。在此基础上，得到了景观安全评价等级图，结果表明多伦大部分地区和丰宁坝上土地的可持续利用程度较低，其分布与半固定沙丘、退化草地和坡耕地相一致，丰宁北部河谷地区中也较低，是防治的重点区域。 首都圈北部是北京风沙天气的最邻近的沙源地，范围广阔，包括退化草地、春季翻耕和裸露的农田、河漫滩等不同类型的风沙源地。总体上干燥度、大风日 数和沙尘日数和风蚀气候侵蚀力从南至北增大，坝上是风蚀危害最严重的地区，是沙尘的主要源区，也是重点防治区域。在此基础上，按照景观类型区详细讨论了沙尘源区治理和景观恢复的具体措施。防止沙尘灾害天气比较有效的措施有封育、移民、开发、转型等。按照景观类型区中典型的退化草原、多水型农牧交错区、缺水型农牧交错区、接坝山地、坝下河谷盆地和华北平原区，分别论述了沙尘灾害天气的防治措施。本文还简要探讨了农牧交错区主要的水土资源高效利用模式和节水灌溉技术，相应的模式可推广到同一种景观类型区上的其他地区，其结论对防沙治沙具有积极的推动作用。 本文研究内容中，首都圈范围内防沙治沙的研究，以景观指数方法和相邻分析方法描述首都圈环境状况，首都圈景观格局的动态变化研究，以及景观分析中 的邻域算法是同类研究中缺少或不足，是本文主要的创新点。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-12-16 |
| 源URL | [http://192.168.22.105/handle/311030/1018]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王石英. 首都圈典型区防沙治沙景观格局研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院研究生院. 2005. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。