基于生态水文最优性理论的河西内陆河流域植被覆盖模拟

doi:10.11686/cyxb2023402

摘要/Abstract

摘要：

在生态恢复过程中，生态系统中植被所处状态对于生态平衡是否可持续至关重要，本研究以河西内陆河流域2000-2020年生长季气象和植被数据为基础，应用Eagleson生态水文最优性理论，模拟流域内生态水文平衡状态下的最优植被覆盖度M_eq，植被覆盖度恢复阈值与当前现状植被覆盖度的差值即为植被恢复潜力。结果表明：1）模拟的多年平均最优植被覆盖度M_eq与多年生长季平均实际植被覆盖度M的变化一致，但过渡更加平稳，呈现从东南向西北递减的趋势，流域内多年生长季平均实际植被覆盖度为0.163，模拟的多年平均最优植被覆盖度为0.166。2）流域内平均恢复潜力为0.003，植被覆盖度仍具有恢复潜力的面积占比为62.76%，分布在流域北部地区，3个流域内平均植被恢复潜力为石羊河流域>黑河流域>疏勒河流域。3）河西内陆河流域植被恢复潜力与区域干旱指数密切相关。森林的平均植被恢复潜力随着干旱等级增加呈减小的变化特征；而灌木植被覆盖度超过恢复潜力的程度随干旱指数增加呈先加剧后减轻的变化特征。

关键词: 生态水文最优性, 河西内陆河流域, 植被覆盖, 植被恢复潜力

Abstract:

In the process of ecological restoration， the state of vegetation within the ecosystem system is crucial for the sustainability of ecological balance. This study utilizes meteorological and vegetation data during the growing seasons from 2000 to 2020 in the Hexi Inland River Basin as a basis. It applies the Eagleson’s ecological hydrological optimality theory to simulate the optimal vegetation cover （M_eq） under the ecological hydrological balance in the basin. The difference between the vegetation cover recovery threshold and the current vegetation cover represents the potential for vegetation restoration. The results show that： 1） The simulated average multi-year M_eq is consistent with the multi-year growing season average actual vegetation cover M， but the transition is smoother， showing a decreasing trend from southeast to northwest. The multi-year average actual vegetation cover in the basin is 0.163， and the simulated average multi-year optimal vegetation cover is 0.166. 2） The basin’s average restoration potential is 0.003 and the area with vegetation cover still had restoration potential accounted for 62.76%， primarily situated in the northern region of the basin. The average vegetation restoration potential across the three basins follows the order： Shiyang River Basin>Heihe River Basin>Shule River Basin. 3） The potential for vegetation recovery in the Hexi Inland River Basin is closely related to the regional drought index. For the forest， the average potential for vegetation recovery decreases with rising drought degree， while the degree to which shrub vegetation cover exceeds the restoration potential initially worsens and then lessens as the drought index increases.

Key words: ecohydrological optimality, Hexi inland river basin, vegetation cover, vegetation restoration potential

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图/表 10

图1 研究区概况该图基于自然资源部标准地图服务网站GS（2019）1822号标准地图制作，底图边界无修改。The map was based on the standard map service website of the Ministry of Nature Resources with the drawing review No. GS（2019）1822， and the base map borders were not modified.

Fig.1 Overview of the research region

表1 模型参数说明及来源

Table 1 Description and source of model parameters

类别Type	名称Name	含义Meaning	来源Source
气象数据 Meteorological data	$m h$	平均降水深度Mean precipitation depth	气象站点数据插值Meteorological station data interpolation
	$m t b$	平均降水间隔时间Mean precipitation interval
	$m t r$	平均降水持续时间Mean precipitation duration
	$m v$	平均降水次数Mean frequency of precipitation
	$r 0$	地表湿度计常数Surface psychrometric constant	宋妮等^［34］ By Song， et al^［34］
植被数据 Vegetation data	$M$	生长季平均实际植被覆盖度Average actual vegetation coverage during the growing season	基于Modis数据计算Calculation based on Modis data
	$β$	叶倾角的余弦值Cosine of leaf angle	张树磊^［23］、苏同宣^［36］ By Zhang^［23］ and Su^［36］
	$h s / h$	树干分数Stem fraction
	$r c / r a$	叶片和空气的阻抗比Impedance ratio of blade to air
	$L t$	叶面积指数Foliage area index

表1 模型参数说明及来源

Table 1 Description and source of model parameters

类别Type	名称Name	含义Meaning	来源Source
气象数据 Meteorological data	$m h$	平均降水深度Mean precipitation depth	气象站点数据插值Meteorological station data interpolation
	$m t b$	平均降水间隔时间Mean precipitation interval
	$m t r$	平均降水持续时间Mean precipitation duration
	$m v$	平均降水次数Mean frequency of precipitation
	$r 0$	地表湿度计常数Surface psychrometric constant	宋妮等^［34］ By Song， et al^［34］
植被数据 Vegetation data	$M$	生长季平均实际植被覆盖度Average actual vegetation coverage during the growing season	基于Modis数据计算Calculation based on Modis data
	$β$	叶倾角的余弦值Cosine of leaf angle	张树磊^［23］、苏同宣^［36］ By Zhang^［23］ and Su^［36］
	$h s / h$	树干分数Stem fraction
	$r c / r a$	叶片和空气的阻抗比Impedance ratio of blade to air
	$L t$	叶面积指数Foliage area index

表2 不同植被类型的冠层参数

Table 2 Canopy parameters of different vegetation types

植被类型 Vegetation type	M=0		M=1
植被类型 Vegetation type	h_s/h	r_c/r_a	β	$L t$	r_c/r_a
阔叶林Broad-leaved forest	0.5	0.6	0.3	4.7	0.4
草地Grassland	0.0	3.0	0.6	4.1	1.2
农田Cultivated land	0.1	2.1	0.5	3.6	0.9
灌木Shrub	0.2	1.5	0.4	3.6	0.5
针叶林Needle-leaved forest	0.7	0.3	0.5	2.5	1.8

表2 不同植被类型的冠层参数

Table 2 Canopy parameters of different vegetation types

植被类型 Vegetation type	M=0		M=1
植被类型 Vegetation type	h_s/h	r_c/r_a	β	$L t$	r_c/r_a
阔叶林Broad-leaved forest	0.5	0.6	0.3	4.7	0.4
草地Grassland	0.0	3.0	0.6	4.1	1.2
农田Cultivated land	0.1	2.1	0.5	3.6	0.9
灌木Shrub	0.2	1.5	0.4	3.6	0.5
针叶林Needle-leaved forest	0.7	0.3	0.5	2.5	1.8

图2 植被盖度趋势及空间分布特征该图基于自然资源部标准地图服务网站GS（2019）1822号标准地图制作，底图边界无修改。The map was based on the standard map service website of the Ministry of Nature Resources with the drawing review No. GS（2019）1822， and the base map borders were not modified.

Fig.2 Trends and spatial distribution of vegetation coverage

图3 生长季平均降水特征空间分布该图基于自然资源部标准地图服务网站GS（2019）1822号标准地图制作，底图边界无修改。The map was based on the standard map service website of the Ministry of Nature Resources with the drawing review No. GS（2019）1822， and the base map borders were not modified.

Fig.3 Spatial distribution of average precipitation characteristics during the growing season

图4 生长季平均潜在蒸散发速率和气温空间分布该图基于自然资源部标准地图服务网站GS（2019）1822号标准地图制作，底图边界无修改。The map was based on the standard map service website of the Ministry of Nature Resources with the drawing review No. GS（2019）1822， and the base map borders were not modified.

Fig.4 Spatial distribution of mean potential evapotranspiration rate and air temperature during the growing season

图5 多年平均实际植被覆盖度（M）与模拟多年平均最优植被覆盖度（Meq）回归分析及相关性显著检验该图基于自然资源部标准地图服务网站GS（2019）1822号标准地图制作，底图边界无修改。The map was based on the standard map service website of the Ministry of Nature Resources with the drawing review No. GS（2019）1822， and the base map borders were not modified.

Fig.5 Regression analysis and significance test of correlation between multi-year growing season average actual vegetation coverage （M） and simulated average multi-year optimal vegetation coverage （Meq）

图6 实际和模拟最优植被盖度、植被恢复潜力及研究区内土地覆盖类型该图基于自然资源部标准地图服务网站GS（2019）1822号标准地图制作，底图边界无修改。The map was based on the standard map service website of the Ministry of Nature Resources with the drawing review No. GS（2019）1822， and the base map borders were not modified.

Fig.6 Actual and simulated optimal vegetation coverage， vegetation recovery potential， and land cover types in the study area

表3 不同干旱等级的植被覆盖情况

Table 3 Vegetation cover in different drought degree

干旱等级 Drought degree	平均植被覆盖度Average vegetation coverage	模拟平均植被覆盖度Simulated average vegetation coverage	平均植被恢复潜力Average vegetation restoration potential
第1级Level 1	0.451	0.395	-0.056
第2级Level 2	0.373	0.229	-0.144
第3级Level 3	0.136	0.142	0.006
第4级Level 4	0.107	0.095	-0.012
第5级Level 5	0.078	0.059	-0.019

图7 不同干旱等级下不同植被覆盖类型恢复潜力

Fig.7 Recovery potential of different vegetation cover types under different drought levels

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