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Analysis of ecosystem degradation and recovery using precipitation use efficiency and NDVI in the headwater catchment of the Yellow River basin

基于植被降水利用效率和NDVI的黄河上游地区生态退化研究



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 11 期摇 摇 2012 年 6 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
黑龙江省大兴安岭林区火烧迹地森林更新及其影响因子 蔡文华,杨摇 健,刘志华,等 (3303)…………………
基于 B鄄IBI指数的温榆河生态健康评价 杨摇 柳,李泳慧,王俊才,等 (3313)……………………………………
川西亚高山暗针叶林不同恢复阶段红桦、岷江冷杉土壤种子损耗特征 马姜明,刘世荣,史作民,等 (3323)…
老龄阔叶红松林下层木空间分布的生境关联分析 丁胜建,张春雨,夏富才,等 (3334)…………………………
内蒙古高原荒漠区四种锦鸡儿属植物灌丛沙包形态和固沙能力比较 张媛媛,马成仓,韩摇 磊,等 (3343)……
角果藜的生长动态及其生殖配置 全杜娟,魏摇 岩,周晓青,等 (3352)……………………………………………
基于 MODIS / NDVI时间序列的森林灾害快速评估方法———以贵州省为例
侍摇 昊,王摇 笑,薛建辉,等 (3359)
……………………………………
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祁连山西水林区土壤阳离子交换量及盐基离子的剖面分布 姜摇 林,耿增超,李珊珊,等 (3368)………………
水分和温度对春玉米出苗速度和出苗率的影响 马树庆,王摇 琪,吕厚荃,等 (3378)……………………………
施氮对水稻土 N2O释放及反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度的影响 郑摇 燕,侯海军,秦红灵,等 (3386)……
中国西北潜在蒸散时空演变特征及其定量化成因 曹摇 雯,申双和,段春锋 (3394)……………………………
基于植被降水利用效率和 NDVI的黄河上游地区生态退化研究 杜加强,舒俭民,张林波 (3404)……………
异速生长法计算秋茄红树林生物量 金摇 川,王金旺,郑摇 坚,等 (3414)…………………………………………
乌兰布和沙漠沙蒿与油蒿群落的物种组成与数量特征 马全林,郑庆中,贾举杰,等 (3423)……………………
不同光强下单叶蔓荆的光合蒸腾与离子累积的关系 张摇 萍,刘林德,柏新富,等 (3432)………………………
浑善达克沙地沙地榆种子雨的扩散规律 谷摇 伟,岳永杰,李钢铁,等 (3440)……………………………………
咸水灌溉对沙土土壤盐分和胡杨生理生长的影响 何新林,陈书飞,王振华,等 (3449)…………………………
外源 NO对 NaHCO3 胁迫下黑麦草幼苗光合生理响应的调节 刘建新,王金成,王摇 鑫,等 (3460)……………
呼伦贝尔草地植物群落与土壤化学计量学特征沿经度梯度变化 丁小慧,罗淑政,刘金巍,等 (3467)…………
海南稻田土壤硒与重金属的含量、分布及其安全性 耿建梅,王文斌,温翠萍等 (3477)…………………………
江苏省典型区农田土壤及小麦中重金属含量与评价 陈京都,戴其根,许学宏,等 (3487)………………………
应用稳定同位素研究广西东方洞食物网结构和营养级关系 黎道洪,苏晓梅 (3497)……………………………
利用细胞计数手段和 DGGE技术分析松花江干流部分地区的细菌种群多样性
屠摇 腾,李摇 蕾,毛冠男,等 (3505)
………………………………
……………………………………………………………………………
中国主要入海河流河口集水区划分与分类 黄金良,李青生,黄摇 玲,等 (3516)…………………………………
基于 VGPM模型和 MODIS数据估算梅梁湾浮游植物初级生产力 殷摇 燕,张运林,时志强,等 (3528)………
低温胁迫下虎纹蛙的生存力及免疫和抗氧化能力 王摇 娜,邵摇 晨,颉志刚,等 (3538)…………………………
转 Bt水稻土壤跳虫群落组成及其数量变化 祝向钰,李志毅,常摇 亮,等 (3546)………………………………
尼日利亚非洲蜂和安徽意大利蜜蜂及其杂交二代形态特征与微卫星 DNA遗传多样性
余林生,解文飞,巫厚长,等 (3555)
………………………
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北京城市公园湿地休憩功能的利用及其社会人口学因素 李摇 芬,孙然好,陈利顶 (3565)……………………
基于协整理论的经济增长与生态环境变化关系分析———以重庆市渝东南地区为例
肖摇 强,胡摇 聃,肖摇 洋,等 (3577)
……………………………
……………………………………………………………………………
感潮河网区环境合作博弈模型及实证 刘红刚,陈新庚,彭晓春 (3586)…………………………………………
专论与综述
国内外生态效率核算方法及其应用研究述评 尹摇 科,王如松,周传斌,等 (3595)………………………………
全球变化背景下的现代生态学———第六届现代生态学讲座纪要 温摇 腾,徐德琳,徐摇 驰,等 (3606)…………
问题讨论
流域环境要素空间尺度特征及其与水生态分区尺度的关系———以辽河流域为例
刘星才,徐宗学,张淑荣,等 (3613)
………………………………
……………………………………………………………………………
研究简报
不同光照强度对兴安落叶松几种主要防御蛋白活力的影响 鲁艺芳,石摇 蕾,严善春 (3621)…………………
木荷种源间光合作用参数分析 熊彩云,曾摇 伟,肖复明,等 (3628)………………………………………………
基于能值分析的深圳市三个小型农业生态经济系统研究 杨卓翔,高摇 阳,赵志强,等 (3635)…………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*342*zh*P* ¥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄06
封面图说: 爬升樟木沟的暖湿气流———樟木沟是中国境内横切喜马拉雅山脉南坡的几条著名大沟之一,它位于我国西藏聂拉
木县境内的希夏邦马峰东南侧,延绵 5400km的 318 国道在此沟中到达其最西头。 从聂拉木县城到樟木口岸短短的
30km中,海拔从 4000m急降至 2000m。 在大气环流作用下,来自印度洋的暖湿气流沿樟木沟不断费力地往上爬升,
给该沟谷留下了大量的降水。 尤其是在雨季到来时,山间到处是流水及悬垂崖头的瀑布,翠峰直插云霄,森林茂密
苍郁,溪流碧澄清澈,奇花异葩繁多,风景美如画卷,气势壮丽非凡。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 11 期
2012 年 6 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 11
Jun. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41001055); 中国环境科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助项目(2009KYYW10)
收稿日期:2011鄄05鄄24; 摇 摇 修订日期:2011鄄10鄄31
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: dujiaqiang@ mail. bnu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201105240681
杜加强,舒俭民,张林波.基于植被降水利用效率和 NDVI的黄河上游地区生态退化研究.生态学报,2012,32(11):3404鄄3413.
Du J Q, Shu J M, Zhang L B. Analysis of ecosystem degradation and recovery using precipitation use efficiency and NDVI in the headwater catchment of the
Yellow River basin. Acta Ecologica Sinica,2012,32(11):3404鄄3413.
基于植被降水利用效率和 NDVI的
黄河上游地区生态退化研究
杜加强1,2,*,舒俭民1,2,张林波1,2
(1. 中国环境科学研究院, 北京摇 100012; 2. 国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室, 北京摇 100012)
摘要:提出了一种植被降水利用效率和 NDVI 变化趋势分析相结合识别生态退化、生态恢复区域的方法。 利用黄河上游地区
1982—2006 年的 AVHRR NDVI数据及同期 16 个气象站的降水量数据为基础数据源,计算每个像元的降水利用效率及其变化
趋势,结合 NDVI变化辨识生态退化和生态恢复的区域范围。 结果表明,研究区域 80%处于生态恢复阶段,恢复现象较为明显
的区域主要位于东南部;生态退化显著的区域主要集中在玛多县县城,扎陵湖、鄂陵湖附近和龙羊峡库区周边。 该结果与黄河
上游地区草地退化的现状基本吻合,表明该方法可靠性较强,可以作为评估区域生态退化或生态恢复的方法。 植被降水利用效
率与 NDVI变化趋势相结合的方法可以避免仅使用降水利用效率可能产生的误判。 研究可为黄河上游地区开展生态恢复工
程,合理规划和调整生态建设布局提供科学依据。
关键词:降水利用效率;归一化植被指数(NDVI);生态退化;生态恢复;识别;黄河上游地区
Analysis of ecosystem degradation and recovery using precipitation use efficiency
and NDVI in the headwater catchment of the Yellow River basin
DU Jiaqiang1,2,*, SHU Jianmin1,2,ZHANG Linbo1,2
1 Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
2 State Environment Protection key Laboratory of Regional Eco鄄process and Function Assessment, Beijing 100012, China
Abstract: The accurate identification of areas of ecosystem degradation and an objective evaluation of the effects of
ecological restoration projects is necessary for ecological management and planning at the landscape scale. Ecological
degradation and ecological restoration are dynamic equilibrium processes, while degradation must be considered relative to
the pristine state of the ecosystem, and need to be analyzed from a time series perspective. Satellite remote sensing is widely
used in ecological monitoring and assessment, as it provides extensive coverage, good spatial and temporal continuity and a
long time鄄series dataset. This paper proposes a method for the identification of areas of ecosystem degradation and ecosystem
recovery using long time鄄series satellite remote sensing and precipitation data, which are integrated into trend analyses of the
precipitation use efficiency (PUE) and a normalized difference vegetation index (NDVI). The PUE is calculated as the
ratio of cumulative NDVI to precipitation. Significantly reduced PUE and NDVI values indicate that ecological degradation
is occurring, while increasing PUE and NDVI values indicate ecological recovery. This method was applied to the headwater
catchment of the Yellow River basin in China using Advanced Very High Resolution Radiometer NDVI data from 1982 to
2006 and meteorological data from the same time period. The annual PUE value was calculated using the cumulative NDVI
and precipitation in the growing season for each pixel. A comparative analysis of the trends in PUE and NDVI was
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undertaken to detect areas of ecosystem degradation and restoration. The results show that: (i) The average PUE and NDVI
values across the region increased slightly, and the area undergoing ecosystem rehabilitation during 1982—2006 comprised
more than 80% of the study area. ( ii) The degraded area, with significantly negative trends in the PUE and NDVI values,
mainly occurred in the region surrounding Maduo County, Zaling and Eling lakes and Longyangxia Reservoir. Significant
ecosystem recovery was found in southeast part of the study area, where strong positive trends were identified in the PUE
and NDVI values. ( iii) The areas with ecosystem degradation and restoration detected in this study were consistent with the
current grassland degradation situation in the headwater catchment of the Yellow River basin, indicating that this method is
reliable and could be applied to the evaluation of the regional ecosystem. ( iv) The PUE value is partially dependent on
changes in the precipitation, so false ecosystem degradation or ecosystem recovery trends may be identified caused by rapid
increases and decreases, respectively, in the precipitation rate. For example, a decrease PUE in Xining City was partly
caused by increased precipitation. Evaluating the trends in both PUE and NDVI may avoid the errors caused by using PUE
as the only factor when evaluating ecosystem degradation and recovery. This method is simple, feasible, usable and
practical, and the required data are easily accessible. This method allows ecosystem changes to be studied at the landscape
scale, and can be used for a preliminary investigation prior to a large scale survey of ecological degradation or restoration.
The results of this study suggest that evaluating the temporal change in PUE and NDVI may provide a useful large鄄scale
indicator of landscape degradation or recovery at decadal time intervals. We recommend the broad鄄scale application of this
method, using temporal trends in the PUE and NDVI. This study provides a scientific basis for the planning and regulation
of ecological reconstruction in the headwater catchment of the Yellow River basin, China.
Key Words: precipitation use efficiency; NDVI; ecosystem degradation; ecosystem recovery; identify; the headwater
catchment of the Yellow River basin
生态退化是目前全球所面临的重大环境问题,严重威胁着经济的可持续发展和人类的生存[1鄄2]。 中国是
世界上生态退化最为严重的国家之一[3鄄4],生态退化已引起了社会各界的广泛关注,并成为当前生态学研究
的热点之一[5鄄6]。 尽管生态退化的定义和内涵尚无统一的认识,但其主要包括沙漠化、荒漠化、生物多样性损
失、生态功能破坏、水域生态退化等表现形式[2,7鄄8],本质上是生物生产力、恢复能力随时间演替而降低、衰退
的一个过程和状态[1,8鄄9]。 有关生态退化区域的空间分布仍存在争议,阻碍了进一步的深入研究[1,10]。 面对
具有全球影响的生态退化问题,生态恢复成为必然选择[3,11]。 中国是较早开展生态恢复实践和研究的国家之
一[3],已经批准和实施了大批保护与生态恢复工程。 但这些恢复工程生态效果的监测与评价,却缺乏相应的
成熟方法[3,12]。 在景观尺度上,科学地识别生态退化范围、客观地评价生态恢复工程效果,是全面掌握生态系
统状况、及时发现生态退化趋势、为完善生态恢复工程提供反馈信息的前提和基础。 生态退化与生态恢复均
是一个动态平衡的过程[9,13],具有地域性和相对性[8],需要从时间序列角度进行研究。 卫星遥感数据以其覆
盖范围广、时空连续性好[14]、数据序列长等特点,为研究大尺度生态变化提供了可能。
水分是决定干旱和半干旱地区植被组成、分布及其生长状态的主要因素[1,15];归一化植被指数(NDVI)则
是评估植被状况最有效的参数之一[14,16],国内外学者围绕着植被与降水量的关系开展了大量研究和实践应
用[1,4,10鄄11,14鄄29]。 植被降水利用效率(Precipitation Use Efficiency, PUE)是在植被水分利用效率的基础上发展
而来[27,29],提供了景观尺度生态功能的直接测量[18]。 对于相同的降水量,退化景观比非退化景观产生更多
的径流,生成更少的生物量[1,10,18,23,27,29],即生态退化可能引起单位降水量植被生产力的降低[1],得到减少的
PUE。 野外场地实验也证实了退化草地具有减少的 PUE[20鄄21]。 PUE被认为能够去除降水波动而导致的植被
生产力的年际波动,是反映生态退化的潜在指标[1,15,17鄄18,22,27]。 该方法的主要不足是 PUE 与降水量具有很强
的相关性[1,28],降低了作为生态退化指标的可靠性,仅采用 PUE 来评价生态退化 /生态恢复可能将降水量大
量增加或减少导致的 PUE 降低或增加误读为生态退化或生态恢复。 国内已有文献介绍了 PUE 的理论基
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础[27],但应用实例相对较少。 本文以黄河上游地区为研究区域,采用 PUE和 NDVI变化趋势分析相结合的方
法,评估区域 1982—2006 年的生态退化 /生态恢复状况,识别生态退化区域,验证该方法的可行性,并为该区
域合理规划和开展生态恢复项目、调整工程格局提供依据。
1摇 研究区域和研究方法
1. 1摇 区域概况
本文研究区域包括黄河流域民和以上集水区域,面积 17. 91 万 km2,地理位置为 95. 33毅—103. 54毅E,
31. 61毅—38. 67毅N。 研究区域多年平均的年均气温变化范围为-15—10 益,降水量为 250—760 mm;区域地形
复杂,地势总体上西高东低,西部玛多县等地海拔在 4200 m以上。 土壤为草甸土、草毡土、黑毡土、寒钙土、褐
土等。 植被类型主要包括温带典型草原、高寒草甸、高寒草原以及荒漠草原,少量灌木、森林等,以草地为主。
由于自然条件严酷、气候恶劣,研究区域生态系统结构相对简单,系统内物质、能量和信息流动缓慢,生态
系统十分脆弱和敏感。 研究区域是黄河流域重要的水源供给区,包括多处三江源自然保护区的核心区,区域
生态系统的严重退化,将影响到包括黄河中下游广大地区在内的整个黄河流域。
1. 2摇 研究方法
PUE一般采用植被净初级生产力或地上净初级生产力与降水量来计算。 NDVI 与 NPP 具有较强的相关
性[1,4,18,24鄄26],特别是生长季累积 NDVI,在估算 NPP 方面较为可靠[18],故采用生长季累积 NDVI 代替 NPP 计
算 PUE[1,4,18,25鄄27]。 研究区域生态系统水分的获取和消耗主要发生在生长季,采用生长季累积 NDVI与生长季
降水量的比值来计算 PUE,记为 PUENDVI。 由于 PUENDVI 受到降水量波动的影响[28],采用 NDVI 变化趋势对
PUENDVI 的判定结果进行约束是有必要的。 为了定量描述气候要素和 NDVI、PUENDVI 的变化趋势,采用线性
回归系数来表征气候和植被要素的变化趋势;采用要素与年份的相关系数来确定变化是否显著。 以 PUENDVI
变化趋势为主要评价标准,以 NDVI变化趋势为辅助手段来识别生态退化或生态恢复区域。
1. 3摇 数据来源
NDVI数据来自 NASA戈达德航天中心 GIMMS组(Global inventory modeling and mapping studies, GIMMS)
数据集,资料时间跨度为 1982 年 1 月—2006 年 12 月,空间分辨率为 8 km,时间分辨率是 15 d,采用最大值合
成法获得月 NDVI值。 GIMMS NDVI数据具有较高的精度和质量[30],保障了数据的有效性,并具有时空上的
连续性,得到了广泛的关注和大量应用。 气象资料来源于中国气象科学数据服务网,选用研究区域内 16 个气
象站点和区域周边 12 个站点的资料,通过 IDW插值方法获得年降水量的空间分布。
2摇 研究结果与分析
2. 1摇 降水量变化
图 1 是研究时段降水量的年际变化趋势。 黄河上游 87. 58%的地区降水量呈减少趋势,广泛分布在中部
和南部,显著性水平达到 0. 05 的区域主要位于达日县、玛沁县和久治县之间,东南部地区减少幅度相对较大;
西宁市、海东等地区降水量呈增加趋势,显著性水平达到 0. 05 的区域主要位于西宁市附近。 由此可见,除西
宁市及其周边地区外,黄河上游地区降水量以减少趋势为主。
2. 2摇 NDVI变化
1982—2006 年生长季 NDVI变化趋势见图 2。 生长季 NDVI呈增加趋势的区域主要分布在东南部的红原
县、久治县、玛沁县、河南县、玛曲县和达日县的部分地区,显著性水平多达到了 0. 05;而在黄河源区的曲麻莱
县、玛多县以及区域中部的兴海县、共和县、同德县、贵南县、同仁县和尖扎县等地区,NDVI 则主要呈减少趋
势,显著性水平达到 0. 05 的区域主要集中在兴海、共和县黄河干流两侧以及玛多县的部分地区,表明这些区
域的植被覆盖在近 30a来处于减少状态。 研究区域生长季 NDVI呈增加趋势的地区占到总面积的 80% ,显著
性水平达到 0. 05 的区域占总面积的 40% ,显著性水平达到 0. 01 的区域占 26% ;显著性水平达到 0. 05 的减
少区域仅占 2. 37% 。 因此,从 8 km的空间尺度、年际时间尺度分析,研究区域植被覆盖明显减小的区域相对
较小,而呈明显增加的区域较大。
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图 1摇 研究区域 1981—2006 年降水量的变化趋势及其与年份相关系数的显著性水平
Fig. 1摇 Trend of annual precipitation and its significance level with the year during 1981—2006 in study area
图 2摇 生长季 NDVI变化趋势及其与年份相关系数的显著性水平
Fig. 2摇 Trend of NDVI change in growing season and its significance level with the year
2. 3摇 PUENDVI 变化
计算研究区域每一个像元的 PUENDVI 及其变化趋势,结果见图 3。 研究区域的 PUENDVI 总体上呈略有增
加趋势,占总面积的 81. 99% 。 PUENDVI 有所减少的区域主要位于玛多县县城及扎陵湖、鄂陵湖附近,兴海、贵
南和共和三县之间的共和盆地,以及湟水河流域、大通河出青海省段等,减少趋势多未达到 0. 05 的显著性水
平,显著性水平达到 0. 05 的区域主要位于兴海与共和之间以及西宁市周边少数地区,所占面积不足总面积的
1% ;增加趋势达到 0. 05 显著性水平的区域主要集中在研究区域的东南部,约占总面积的 21. 41% ,特别是红
原县、久治县、达日县和玛沁县部分地区,增加趋势达到了 0. 01 的显著性水平,约占总面积的 6. 88% 。
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图 3摇 研究区域植被降水利用效率变化趋势及其与年份相关系数的显著性水平
Fig. 3摇 Trend of precipitation use efficiency and its significance level with the year
2. 4摇 PUENDVI 与降水量的关系
一般认为 10 km是气象站数据的有效范围,可避免数据的空间自相关[16,26]。 统计 16 个气象站点附近 10
km范围内各栅格的生长季降水量、PUENDVI,点绘 25 a 来 PUENDVI 与生长季降水量的关系。 图 4 反映出降水
利用效率随降水量的增加而减少的趋势(显著性水平 P < 0. 001)。
选取 PUENDVI 增加和减少典型的两个气象站:红原站和玛多站,其 PUENDVI、NDVI和降水量的变化趋势分
别见图 5 和图 6。 由图可知,由于降水量的年际波动较大,导致降水利用效率也呈现大幅波动的状态。 在降
水量较低的年份,降水利用效率通常较高(红原站 1997 年、2002 年和 2006 年,玛多站 1988 年);降水量较高
时,降水利用效率通常相对较低(红原站 1983 年、1998—1999 年,玛多站 1989 年、2004—2005 年)。
8043 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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摇 图 4摇 研究区域气象站点的 PUENDVI 与降水量的关系
Fig. 4 摇 Relationship of precipitation use efficiency and annual
precipitation for all weather stations
3摇 讨论
由于受到气候的强烈影响,负的 NDVI 变化趋势并
非意味着生态退化,正的趋势也不完全意味着生态改
善[25]。 而降水利用效率的动态变化则可能提供景观及
其以上空间尺度生态退化或恢复的直接测量[18鄄19],但
由于 PUENDVI 的计算一定程度上依赖于降水量的变化
趋势,在给定的生态系统内,PUE 随着年降水量的增加
而降低[31]。 因此存在出现降水量快速增加或减少而引
起伪“生态退化冶或“生态恢复冶的可能。 结合 PUENDVI
和 NDVI的变化趋势则有可能克服上述不足。 若仅根
据 PUENDVI 判断,研究区域西部的玛多县县城和扎陵
湖、鄂陵湖附近区域,兴海县沿黄河到共和县地带,西宁
市周边地区存在生态退化,而研究区域东南部的红原
县、久治县则存在明显的生态恢复。 对照生长季 NDVI
图 5摇 红原站降水量、PUENDVI、NDVI变化趋势
Fig. 5摇 Trends of precipitation, PUENDVI and NDVI for the Hongyuan weather station
变化趋势(图 2),玛多县和龙羊峡库区对应区域的 NDVI 均呈显著或接近显著的减少趋势,从侧面说明这些
区域极有可能存在植被退化。 相关文献显示,对于玛多县草地退化基本上形成了统一的认识[32鄄33],高寒草地
呈沙化、退化的空间范围与图 2 极相似,呈西北—东南走向[33鄄34];龙羊峡库区周边的贵南县、共和县和兴海县
也出现了不同程度的草地退化、沙化以及荒漠化现象[35鄄38],造成植被降水利用效率的降低。 尽管缺乏西宁市
及其周边近 30a来生态退化的相关研究,但通过 NDVI变化趋势分析(图 2)可知,西宁市及其周边区域 NDVI
主要呈增加趋势,NDVI值有所减少的区域较少,与年份的相关系数大多小于-0. 20,相对较为稳定[39],且区域
降水量略有增加(图 1),因此,降水利用效率的略有降低是降水量增加导致的。 研究区域东南部 NDVI 呈显
著增加趋势(图 2),而降水量则呈减少趋势(图 1),表明区域植被覆盖状况良好,NDVI 未受到降水量减少的
影响,即该区域处于生态恢复过程,但究竟是由于气温升高还是生态工程引起,则有待于进一步探讨。
PUE与降水量、植被生产力之间的关系研究主要可以分为两类:一类是静态的,研究多年平均值沿某一
梯度的空间变化;一类是动态的,针对特定生态系统类型,探讨长时间序列动态变化关系。 本文主要讨论后
者。 研究表明,区域的干旱程度越高,无效降水的比率越高,PUENDVI 值越小,即 PUENDVI 值随着降水量的增加
9043摇 11 期 摇 摇 摇 杜加强摇 等:基于植被降水利用效率和 NDVI的黄河上游地区生态退化研究 摇
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图 6摇 玛多站降水量、PUENDVI、NDVI变化趋势
Fig. 6摇 Trends of precipitation, PUENDVI and NDVI for the Maduo weather station
而增加[19,26鄄27]。 而本文研究结果却与此相反(图 4),降水利用效率随降水量的增加而减小,这一结果与黄土
高原、内蒙古有关研究相同[26,31],与另外一些研究结果不一致[19,26鄄27]。 原因是由于水分利用率与供水量的关
系并非单一的增值曲线[19,40],而是呈凸抛物线型,特别是干旱地区,降水利用效率起初随降水量增加而增加,
在降水量增加到一定水平时反而呈不增加或减少趋势。 之所以出现不同的研究结果,主要是由于不同研究的
降水量分别位于各自拐点的两侧。 另外一个可能的原因是由于黄河源区和黄土高原地形陡峭,地表径流强
烈,降水量的增加并没有显著地增加植被可利用的水量[1]。 为了验证该判断,绘制了研究区域年均降水量大
于 550 mm的 5 个气象站 25 a的降水利用效率与降水量的关系,包括若尔盖站、玛曲站、红原站、河南站和久
治站,结果见图 7。 在降水量达到一定水平后,植被对水分的敏感性降低,降水利用效率随降水量增加而减
小,且减小的趋势逐渐变缓。 从研究区域年均降水量最低的贵德站的统计结果可以看出(图 7),研究区域各
站基本都位于引起降水利用效率变化拐点的右侧,要确定该拐点需要在更精确的空间尺度、更小的时间尺度
观测资料的基础上深入研究。
图 7摇 研究区域降水量大于 550mm和贵德气象站点的 PUENDVI 与降水量的关系
Fig. 7摇 Relationship of precipitation use efficiency and annual precipitation for weather stations of greater than 550mm precipitation and the
Guide weather station
由于与降水量具有较强的相关性,因此在降水量较高的年份,尽管具有较高的 NDVI,仍然得到了较低的
PUENDVI,而在降水量非常低的年份反而得到较高的 PUENDVI(图 5 和图 6)。 PUENDVI 趋势分析能够明显地区
0143 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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分 PUENDVI 减少和增加的趋势,但无法去除降水量快速增加或减少的影响。 结合 NDVI变化趋势,则可以相对
明确发生生态退化或改善的区域。 PUENDVI 与 NDVI 变化趋势相结合方法的不足是无法识别中小湿地萎缩、
植被种类变化等退化类型,也无法确定生态退化或改善的主要原因。
4摇 结论
景观尺度的生态系统管理,需要该尺度上生态功能的持续而可靠的测量[18]。 开展大范围的生态调查无
疑是确定生态状况的最优方法,但该方法不仅需要耗费大量人力、财力,也因缺乏评估标准而难以准确划定退
化和恢复区域的边界,同时一旦区域差异较大以点带面的调查方法也会存在偏差[12];生态退化或生态恢复效
果评价及相应监测工作是一个长期、反复的过程,利用研究期始末前后对比的研究方法缺乏对于整个研究期
生态过程的持续跟踪评价[3]。 充分利用现有的长期遥感观测资料,采用一种简单方法在宏观尺度上识别发
生退化或恢复的区域,再辅助进行地面监测、高分辨率遥感调查,无疑更具有操作性和经济性。 本文在 PUE
方法的基础上提出了利用 PUENDVI 和 NDVI变化趋势相结合的方法作为识别景观尺度生态退化、生态恢复的
方法,并进行了实例研究,主要研究结论如下:
(1)科学地识别生态退化、恢复区域,是开展区域生态建设工程、有效进行生态管理的前提和基本条件。
黄河上游地区的研究表明,本文提出方法的计算结果与黄河上游地区草地退化和草地恢复的现状基本吻合,
PUENDVI 与 NDVI变化趋势相结合的方法具有在宏观尺度评估区域生态退化或生态恢复的潜力。 该方法所需
数据易于获取、计算简单,具有较强的操作性和实用性,可以作为大尺度生态退化和生态恢复的判断指标和生
态调查的前期指标。
(2)相比较于 20 世纪 80 年代初期,黄河上游地区约 80%的区域处于生态恢复的过程,恢复现象较为明
显的区域主要位于东南部;生态退化显著的区域主要集中在玛多县县城及扎陵湖、鄂陵湖附近,以及兴海、贵
南和共和三县之间。
(3)研究可为黄河上游地区开展生态恢复工程、合理规划和调整生态建设布局提供科学依据,结合地面
调查确定生态退化类型后,将有望使生态调查中的有限经费发挥更大的作用。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 11 June,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Controls of post鄄fire tree recruitment in Great Xing忆an Mountains in Heilongjiang Province
CAI Wenhua, YANG Jian, LIU Zhihua, et al (3303)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
The assessment of river health using Benthic鄄Index of biotic integrity for Wenyu River
YANG Liu,LI Yonghui, WANG Juncai, et al (3313)
…………………………………………………
………………………………………………………………………………
Consume of soil seeds of Betula albo鄄sinensis and Abies faxoniana in different natural successional stages of subalpine dark
coniferous forest in western Sichuan, China MA Jiangming, LIU Shirong, SHI Zuomin, et al (3323)……………………………
Habitat associations of understorey species spatial distribution in old growth broad鄄leaved Korean pine (Pinus koraiensis) forest
DING Shengjian, ZHANG Chunyu, XIA Fucai, et al (3334)
……
………………………………………………………………………
Nabkha morphology and sand鄄fixing capability of four dominant Caragana species in the desert region of the Inner Mongolia
Plateau ZHANG Yuanyuan, MA Chengcang, HAN Lei, et al (3343)……………………………………………………………
Growth dynamics,biomass allocation and ecological adaptation in Ceratocarpus arenarius L.
QUAN Dujuan, WEI Yan, ZHOU Xiaoqing, et al (3352)
……………………………………………
…………………………………………………………………………
A rapid assessment method for forest disaster based on MODIS / NDVI time series: a case study from Guizhou Province
SHI Hao, WANG Xiao, XUE Jianhui, et al (3359)
……………
………………………………………………………………………………
Soil cation exchange capacity and exchangeable base cation content in the profiles of four typical soils in the Xi鄄Shui Forest Zone
of the Qilian Mountains JIANG Lin, GENG Zengchao, LI Shanshan, et al (3368)………………………………………………
Impact of water and temperature on spring maize emergence speed and emergence rate
MA Shuqing, WANG Qi, L譈 Houquan, et al (3378)
………………………………………………
………………………………………………………………………………
Effect of N application on the abundance of denitrifying genes (narG / nosZ) and N2O emission in paddy soil
ZHENG Yan, HOU Haijun, QIN Hongling, et al (3386)
………………………
…………………………………………………………………………
Temporal鄄spatial variations of potential evapotranspiration and quantification of the causes in Northwest China
CAO Wen, SHEN Shuanghe, DUAN Chunfeng (3394)
………………………
……………………………………………………………………………
Analysis of ecosystem degradation and recovery using precipitation use efficiency and NDVI in the headwater catchment of the
Yellow River basin DU Jiaqiang, SHU Jianmin,ZHANG Linbo (3404)……………………………………………………………
An assessment method of Kandelia obovata population biomass JIN Chuan, WANG Jinwang, ZHENG Jian, et al (3414)……………
Quantitative characteristics and species composition of Artemisia sphaerocephala and A. ordosica communities in the Ulanbuh Desert
MA Quanlin,ZHENG Qingzhong,JIA Jujie,et al (3423)

……………………………………………………………………………
Photosynthesis and transpiration in relation to ion accumulation in Vitex trifolia under varied light intensity
ZHANG Ping,LIU Linde, BAI Xinfu, et al (3432)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Diffusion of elm seed rain in Otindag Sand Land GU Wei,YUE Yongjie,LI Gangtie,et al (3440)……………………………………
Effect of saline water irrigation on sand soil salt and the physiology and growth of Populus euphratica Oliv.
HE Xinlin, CHEN Shufei, WANG Zhenhua, et al (3449)
……………………………
…………………………………………………………………………
Regulation of exogenous nitric oxide on photosynthetic physiological response of Lolium perenne seedlings under NaHCO3 Stress
LIU Jianxin, WANG Jincheng, WANG Xin, et al (3460)
……
…………………………………………………………………………
Longitude gradient changes on plant community and soil stoichiometry characteristics of grassland in Hulunbeir
DING Xiaohui,LUO Shuzheng, LIU Jinwei,et al (3467)
………………………
……………………………………………………………………………
Concentrations and distributions of selenium and heavy metals in Hainan paddy soil and assessment of ecological security
GENG Jianmei,WANG Wenbin,WEN Cuiping,et al (3477)
……………
………………………………………………………………………
Heavy metal contents and evaluation of farmland soil and wheat in typical area of Jiangsu Province
CHEN Jingdu, DAI Qigen, XU Xuehong, et al (3487)
……………………………………
……………………………………………………………………………
The studies on the food web structures and trophic relationships in Guangxi Dongfang Cave by means of stable carbon and nitro鄄
gen isotopes LI Daohong, SU Xiaomei (3497)……………………………………………………………………………………
Analysis of bacterial diversity in the Songhua River based on nested PCR and DGGE
TU Teng, LI Lei, MAO Guannan, et al (3505)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Preliminary delineation and classification of estuarine drainage areas for major coastal rivers in China
HUANG Jinliang, LI Qingsheng, HUANG Ling, et al (3516)
…………………………………
………………………………………………………………………
Estimation of spatial and seasonal changes in phytoplankton primary production in Meiliang Bay, Lake Taihu, based on the
Vertically Generalized Production Model and MODIS data YIN Yan, ZHANG Yunlin, SHI Zhiqiang, et al (3528)……………
Viability and changes of physiological functions in the tiger frog (Hoplobatrachus rugulosus) exposed to cold stress
WANG Na, SHAO Chen, XIE Zhigang, et al (3538)
…………………
………………………………………………………………………………
Community structure and abundance dynamics of soil collembolans in transgenic Bt rice paddyfields
ZHU Xiangyu, LI Zhiyi, CHANG Liang, et al (3546)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Morphological characteristics and microsatellite DNA genetic diversity of Nigeria African honey bee, Anhui Apis mellifera and
theirs hybrid generation域 YU Linsheng, XIE Wenfei, WU Houchang,et al (3555)………………………………………………
Effects of social鄄demographic factors on the recreational service of park wetlands in Beijing
LI Fen, SUN Ranhao, CHEN Liding (3565)
……………………………………………
………………………………………………………………………………………
Co鄄integration theory鄄based analysis on relationships between economic growth and eco鄄environmental changes: taking the south鄄
east district in Chongqing city as an example XIAO Qiang, HU Dan, XIAO Yang, et al (3577)………………………………
The cooperative environmental game model in the Tidal River Network Regions and its empirical research
LIU Honggang, CHEN Xingeng, PENG Xiaochun (3586)
……………………………
…………………………………………………………………………
Review and Monograph
Review of eco鄄efficiency accounting method and its applications YIN Ke, WANG Rusong, ZHOU Chuanbin, et al (3595)…………
Overview on the 6th international symposium on modern ecology series of 2011 WEN Teng, XU Delin, XU Chi, et al (3606)………
Discussion
Scale analysis of environmental factors and their relationship with the size of hierarchical aquatic ecoregion: a case study in the
Liao River basin LIU Xingcai, XU Zongxue, ZHANG Shurong, et al (3613)……………………………………………………
Scientific Note
Effects of different light intensities on activities of the primary defense proteins in needles of Larix gmelinii
LU Yifang, SHI Lei, YAN Shanchun (3621)
…………………………
………………………………………………………………………………………
An analysis of photosynthetic parameters among Schima superba provenances
XIONG Caiyun, ZENG Wei, XIAO Fuming, et al (3628)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Research on three small鄄scale agricultural ecological鄄economic systems in Shenzhen City based on emergy analysis
YANG Zhuoxiang, GAO Yang, ZHAO Zhiqiang, et al (3635)
…………………
……………………………………………………………………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 11 期摇 (2012 年 6 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA

(Semimonthly,Started in 1981)

Vol郾 32摇 No郾 11 (June, 2012)
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