【《某地区森林生态系统长期变化分析案例》3500字】

某地区森林生态系统长期变化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17489某地区森林生态系统长期变化分析案例 184791.1红壤区森林长期特征分析 179381.2.1趋势变化分析 1236531.2.2干扰次数分析 3254181.2.3波动性分析 494391.2森林生态系统稳定性评价 5对于森林生态系统变化监测而言，长期变化（渐变）能更有效地描述森林生态系统的状态和变化轨迹，能够表征长时间尺度的环境变化。森林景观中渐变具有普遍性和长期性，但目前多数研究侧重于突变，而非渐变。并且很少研究利用中分辨率或细尺度卫星传感器对渐变进行系统监测和评估。目前大多数森林生态系统渐变的研究主要侧重森林渐变中的某一因素（如虫害干扰、气候诱导的变化、森林生长和演替、入侵种等）以及单纯地绘制其变化过程，对森林长期的渐变过程没有详细分析。森林生态系统渐变过程是一个缓慢的过程，选择能够反映森林生态系统渐变过程的评价方面，来描述森林长时间以来的变化，可以更为全面、准确地描述红壤侵蚀区森林生态系统长期变化过程。1.1红壤区森林长期特征分析在本研究中采用三个评价方面来评价森林生态系统渐变过程，即速度、频率和方差，分别反映森林长期趋势变化、扰动次数和波动性（表5-1）。本章利用1985年和2019年的森林相交区域作为森林掩膜，目的是排除转变为其他地物类型的森林（如森林转变成建筑用地、农用地等）。表5-1研究中用的评价指标评价指标描述速度反映植被生长的快慢及趋势频率反映植被生长过程中的扰动次数方差反映植被生长过程的稳定性1.2.1趋势变化分析在物理学中，速度用来表示物体运动的快慢和方向，在数值上等于物体的位移与运动发生的时间之比。在本研究中，借助物理学的速度来表示森林长期的生长过程的快慢及趋势，即它的大小反映森林变化过程中植被生长的快慢，它的正负表示植被生长的方向[105]。森林的生长过程就好比物体的运动过程，本研究利用LandTrendr算法得到每年的拟合数据，为了提高结果的准确性，将过程分为三步计算，利用开始年份、中间年份、结束年份三个年份的拟合数据进行计算（公式6-1）。第一段计算为中间年份值减去开始年份值的差比上他们时间的差；第二段计算为结束年份值减去中间年份值的差比上他们时间的差；最后计算前两部分结果的平均数。velocity=（fitend其中fitbegin、fitmid、fitend分别表示开始年份、中间年份、结束年份的拟合数据,time1表示结束年份与中间年份的时间差，time2表示中间年份与开始年份的时间差。进一步对velocity结果进行归一化处理，得到公式6-2。velocity'=其中velocity’是velocity归一化的结果，velocitymax、velocitymin分别是velocity的最大和最小值。本文利用生长速度来描述衡阳森林35年来的趋势，由于计算结果生长速度相差很近，因此本研究速度分析不涉及森林生长速度的快慢，而是分析森林生长趋势。图5-1a显示了森林长期变化趋势的空间分布，上升趋势广泛分布，下降趋势的森林分布比较集中，主要分布在土地退化严重的区域。图5-1b为森林长期变化两种趋势的模型，大多数森林长期变化过程中的趋势都是这两种模型（这两种模型在森林长期变化趋势中占主导地位）。图5-1c为森林趋势统计图，呈下降趋势的森林占森林变化的36.19%，趋势统计表明，虽然上升趋势占森林动态变化的63.81％，但大约三分之一的森林仍然表现为下降的生长趋势，森林下降趋势的比例较高。因此在森林长期变化过程中，部分森林生态系统在红壤地区是相对脆弱和不太稳定的，易受干扰事件的影响。图5-1森林变化趋势(a)森林渐变趋势空间分布；(b)森林变化趋势模型；(c)变化趋势统计。1.2.2干扰次数分析第二个评价方面是干扰频率，单位时间内周期性变化的次数。在本研究中是指1985年至2019年间森林遭受干扰的次数[106,107]，即35年间的累计干扰次数。干扰频率一定的程度上，能够反映生态系统的脆弱性和稳定性[107]。在本文研究中使用LandTrendr算法来获得森林干扰频率。本文利用频率来描述衡阳1985至2019年间森林发生干扰的次数。图5-2显示了干扰次数的空间分布和关于干扰次数的统计。低干扰频率的分布是集中的，而高干扰频率的分布是相对离散的。在森林长期变化过程中，干扰频率为4次占比最高，占总频率的28.33%。干扰次数大于6次的占比最少，占1.66%。干扰频率分别为5次(11.28%)和6次(6.98%)的森林主要分布在水土流失和人类活动频繁的地区，其生态系统是不稳定的。森林生态系统越稳定其遭受的扰动会越少，因为其自身有一定的抵抗能力，扰动量级没有达到其抵抗阈值是不会发生扰动的。图5-2森林干扰频率：(a)森林渐变干扰次数的空间分布；(b)干扰次数的统计。1.2.3波动性分析第三个评价方面是方差，衡量源数据与其平均值之间的方差，反映了森林生长过程的离散性[108,109]。方差越大，数据的离散性越大。方差不仅表达了样本偏离均值的程度，而且揭示了样本内部的离散度[109]。在本研究中，我们将森林的离散度分为四个等级：低离散度、中等离散度、高离散度和极高离散度。方差是使用年源数据与年平均值之间的差值的平方平均值计算的，公式如下所示：s2=1其中xi表示第i年的源数据，¯xi表示第i年的均值，n表示总共的年份。本文用方差来描述森林的波动性，代表长期变化的离散性。图5-3a显示了35年森林长期变化离散性的空间分布，图5-3b和5-3c显示了35年间平均生长曲线和森林离散性统计。将平均生长曲线与森林生长变化曲线进行比较，得到衡阳地区森林35年间生长的离散性。如空间分布图可知，低离散性分布广泛；极高的离散性主要分布在森林边缘和人居环境，少数分布在水土流失区；中、高度离散森林主要分布在极高离散区周围。在研究区森林变化过程中，48.46%的森林处于低离散度状态，只有6.55%的森林处于极高离散度状态。高离散度(高离散度和极高离散度)是远远低于低离散度(低离散度和中离散度)的，因此森林长期变化过程中离散性程度相对较低。图5-3森林变化方差：(a)森林渐变离散性空间分布；(b)森林变化均值曲线，通过计算每年森林的DSVI平均值，代表森林的平均生长状态；(c)变化离散性统计。QUOTEDSVI=NDVI(SWIR/NIR)QUOTE=ρNIR(ρNIR-ρRed)ρSWIR1(ρNIR+ρRed)1.2森林生态系统稳定性评价干扰是森林生态系统中普遍存在的现象,是森林变化的驱动力。森林生态系统稳定性是指受干扰后森林保持原来状态的能力。森林生态系统的稳定性包括四个方面，即抵抗力（Resistance）、恢复力或弹性（Resilience）、持久性（Persistence）和变异性（Variability）。维持森林生态系统的稳定不仅能实现森林的功能，还能保持生态系统间的动态平衡。本文研究区选择的是典型红壤区，由于自然灾害、不合理的开发、降水的时空分布不均及红壤性质上的酸性和黏性等特点，该区域普遍遭受着水土流失的影响，并且林下水土流失是区域水土流失的重要来源之一，也是水土流失防治的难点。因此评价红壤区森林生态系统稳定性能够了解森林生长环境质量（水土流失、病虫害等）和生态系统服务（碳含量储备、防沙防风等）等情况，有利于保护生物多样性、预防森林病虫害、防止土地退化，对实现森林的可持续发展具有重大意义。根据本文第四、五章的研究内容，从两个方面来评价森林生态系统的稳定性。第一个方面是森林干扰与恢复变化，干扰是森林空间异质性产生的主要来源，也是决定森林生态系统组成和结构的主要外部驱动力。森林恢复是森林遭到干扰后回到稳定状态的过程，森林恢复到稳定状态所用时间越短，恢复能力越强。在本研究中，发现35年以来衡阳地区的森林遭受较高程度的干扰事件相对比较少，主要分布人类活动频繁和水土流失严重区域地方。人类活动对森林生态环境的影响非常大，严重可能会造成森林难以恢复的后果，使森林环境脆弱和稳定性下降[110]。水土流失对森林的影响短期看不出来，是一个长期的过程，严重的水土流失会使森林生长随着土壤侵蚀而下降，并且通常无法恢复到受干扰前的水平。因此规范人类行为和加强水土流失的防御可以提高森林生态系统的稳定性。衡阳红壤区大多数森林自身抵抗力较强，能够靠自身的恢复能力到稳定状态，其生态系统整体较稳定，局部较脆弱。第二方面是森林长期变化过程中的生长趋势、干扰频率和波动性。变化幅度大的干扰事件发生率是远少于森林内部细微干扰，衡阳红壤区森林内部发生着许许多逐渐和细微的变化，这些变化难以从影像中看出，需要一定的指标来评估。本研究利用速度、频率和方差三个指标来描述红壤区森林长期变化的过程。由研究结果可知，衡阳地区的森林在长期生长过程中，大多数森林生态系统都比较稳定，呈上升的趋势且森林生长的波动性较低，遭遇扰动后有一定的抵抗力和弹性，能