引入森林三维结构的土壤侵蚀模拟与空间归因研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王紫薇 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 杨小唤 ; 蔡红艳 |
| 关键词 | 森林三维结构 参数赋值优化 CSLE模型 GEDI 江西省 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一。根据水利部发布的《2023 年中国水土保持公报》，2023 年我国土壤侵蚀总面积达262.76×104 km2（其中水力侵蚀面积约为107 万km2），约占我国陆地面积的28%，对生态环境造成了严重影响。准确模拟区域土壤侵蚀的空间分布是掌握土壤侵蚀状况、制定科学防治策略的关键依据。因此，亟需高效准确的土壤侵蚀模拟模型来获取区域尺度的土壤侵蚀数据，为后续水土保持防治工作筑牢坚实的数据基础。目前，在监测区域土壤侵蚀的方法中，中国土壤流失方程（Chinese Soil Loss Equation，CSLE）是基于我国各地的观测资料构建，应用较为广泛，在中国具有良好的适用性。然而，现有的区域尺度土壤侵蚀模型的参数赋值主要考虑了森林冠层的植被信息，忽略了植被的垂直结构，特别是近地表植被信息，导致模拟结果与现实情况不完全一致，后续的土壤侵蚀研究存在偏差。在森林地区，森林三维结构参数（叶面积指数和植被覆盖度）的分层数据可以更详细反映不同层次植被对土壤侵蚀的影响。因此，提高区域尺度土壤侵蚀数据获取的准确性，对因地制宜制定土壤侵蚀防治的宏观决策和生态资源保护具有重要意义。 全球生态系统动力学调查（Global Ecosystem Dynamics Investigation，GEDI）提供了全球范围内森林三维结构参数的精确观测数据。本研究基于GEDI 点数据，提出了植被覆盖度分层拆解方法，绘制了空间分辨率30 米、垂直分辨率5 米的森林三维结构参数（含叶面积指数和植被覆盖度）的空间连续分层数据集。随后，基于森林三维结构参数的分层数据和采样数据，模拟了不同植被类型的林下植被层的三维结构，并根据不同植被层的水土保持效益，优化了CSLE 模型中的植被覆盖与生物措施因子（B 因子）的赋值，模拟了区域尺度森林土壤侵蚀的空间分布信息。针对优化后的土壤侵蚀数据，采用地理探测器，从省级、区域和县区三个尺度定量识别了影响土壤侵蚀空间分布的主要影响因素，并分析了不同因素之间对土壤侵蚀的交互作用。同时，采用地理加权回归模型，分析了主要影响因素的空间分布特征。本研究的主要结论如下： （1）研究模拟了空间分辨率为30 米、垂直分辨率为5 米的森林地区三维结构参数（含植被覆盖度（COVER）和叶面积指数（PAI））的空间连续分层地图。模型表现良好。江西省平均PAI 为3.45，平均COVER 约为74%。大部分森林高度约在25 米以下。随垂直高度增加，PAI 和COVER 呈上升趋势，在5 ~ 10m 处达到峰值，随后逐渐下降。与以往的研究相比，本研究提出的分层数据制图方法，可以提供区域尺度30 米空间分辨率、5 米垂直分辨率的森林三维结构参数的分层数据，是应用GEDI 参与分层数据模拟的一次良好尝试。 （2）研究优化了B 因子赋值，解决了目前土壤侵蚀模型参数赋值未考虑近地表植被和叶面积指数信息，模拟结果不能准确揭示土壤侵蚀空间分布的问题，并成功识别出了一些在以往评估方法中未被发现的土壤侵蚀区域，提高了土壤侵蚀模拟数据的准确性。优化后的江西省森林地区B 因子均值由0.0034 变为0.0096，受地形和植被类型的综合影响，随海拔和坡度的增加而减小，在江西省东北和南部山区的小部分常绿针叶林的B 因子为0。土壤侵蚀模数由38 t⋅km-2⋅a-1（86.6%的森林不存在土壤侵蚀）变为166.7 t⋅km-2⋅a-1（28.2%的森林不存在土壤侵蚀），在江西省北部森林集中区的土壤侵蚀较高。优化后的评估结果与实际情况更为吻合，能够更准确地描绘区域尺度森林土壤侵蚀的空间信息。 （3）江西省森林土壤侵蚀受地形、植被、土壤、降水、人类活动等多种因素的综合作用，不同区域内影响因子的解释力存在明显差异。地形和森林三维结构是江西省森林土壤侵蚀的主要影响因子，随着地势抬升、地形复杂度增加，影响森林土壤侵蚀的主要因子从地形因素到森林三维结构逐渐转变且影响力渐趋显著。地形粗糙指数和森林三维结构的交互作用，对森林土壤侵蚀具有最强解释力，其解释力约为32.8~56.7%。地形粗糙指数对大部分森林地区的土壤侵蚀的影响为正影响，在北部的森林边缘地区的影响较强。森林三维结构对江西省土壤侵蚀的负向影响基本覆盖全区，从南部到北部其负向作用不断加强，且林下植被对土壤侵蚀的负向作用趋于显著。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 162 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217328]  |
| 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 | 王紫薇. 引入森林三维结构的土壤侵蚀模拟与空间归因研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
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。