一种植被恢复潜力的计算方法与流程

本发明涉及生态植被修复，尤其涉及一种植被恢复潜力的计算方法。

背景技术：

1、目前在气温升高、降水增加等气候变化因素以及实施植被修复工程等人类活动因素的影响下，中国植被显著增长。最近的研究表明，近20年来全球正在变得更绿，而中国的植被增长尤为显著，对全球植被增长的贡献高达25％。植被恢复一方面有助于增强防治大气污染、净化水体、调节气候、水土保持等生态服务功能，另一方面植被的过度增长使得区域蒸散发增加、径流减少、土壤干化，长期下去会使得植被退化。鉴于此，确定适宜的植被恢复潜力对合理规划生态修复措施，实现生态健康可持续发展具有重要意义。

2、在生态水文过程中，植被生长和水文过程存在相互作用，一方面植被的变化影响水文循环过程发生，另一方面水文循环也驱动和影响植被的变化。在特定气候和环境条件下，植被生长为适应这些条件，会自动调节植被覆盖度以达到对水分条件的适应，从而达到植被和水文的长期均衡稳定状态。植被水文的相会平衡状态认为是植被修复的最佳状态，即植被恢复的潜力，植被生长状态通常以植被覆盖度为表征指标。

3、目前关于植被恢复潜力的定量研究较少，大部分研究从流域水量平衡的角度，将流域的总水量扣除经济社会的需水量，剩下的即为植被可蒸发水量，进一步反推植被的生长状态，研究结果并不精确，且主观性强，是从人类需求的角度上判定植被恢复潜力，不符合客观实际。因此如何科学精确的计算植被恢复潜力是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种植被恢复潜力的计算方法，以解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明公开一种植被恢复潜力的计算方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1、收集数据：收集研究区的气象数据、植被数据以及土壤数据；所述气象数据包括研究区气象站点的逐日降水数据、最低气温、最高气温、平均气温、风速、相对湿度、日照时数、大气压；所述植被数据包括植被类型数据；所述土壤数据包括土壤透水系数、土壤含水量、土壤热通量；

5、步骤2、数据预处理：对收集的气象数据、植被数据以及土壤数据进行设置或计算得到降水参数、植被参数、土壤参数以及潜在蒸散发参数；

6、步骤3、将数据匹配到空间数据计算网格：首先划分空间数据计算网格，空间分辨率为5km，将气象数据利用插值法插补到预先设置好的格点上；统计各网格内各植被类型的比例；将土壤数据映射到对应的网格上；数据序列保证时间和空间上的完整性，对缺失的数据采用临近数据进行插补延长；

7、步骤4、植被恢复潜力计算：建立水量平衡方程，计算区域水分和光热条件支撑的植被最优覆盖度，进而计算植被恢复潜力。

8、进一步的是，步骤2所述降水参数根据气象站点的逐日降水数据计算得到，所述植被参数根据植被类型数据设置得到，所述土壤参数根据土壤数据计算得到，所述潜在蒸散发参数包括非生长季饱和裸土潜在蒸散发参数与生长季饱和裸土潜在蒸散发参数，所述生长季为4-10月。

9、进一步的是，步骤4所述植被恢复潜力计算具体包括以下步骤：

10、步骤41、建立水量平衡方程：

11、建立生长季系列的水量平衡方程为：

12、

13、式中，i为植被冠层蒸腾量；ii为冠层降水截留量；iii为土壤水蓄变量；vi为裸土蒸发量；v为地表径流量；vi为深层渗漏量；vii为毛细管上升量；mh为生长季平均单次降水深，mm；

14、i中，m为生长季植被覆盖度，无量纲；kv为植被实际冠层导度，无量纲；βv为裸土蒸发效率系数，无量纲；m′tb为平均降水间隙中用于蒸腾的平均时间，day；eps为生长季饱和裸土潜在蒸散发参数，mm·day-1；

15、ii中，为冠层降水截留量，mm；

16、包括植被截留量和裸土截留量，由下式计算得到:

17、

18、式中，h0为平均截留深度，mm；η0为气孔面积与叶面积之比，无量纲；β为叶倾角的余弦值，无量纲；lt为叶面积指数，无量纲；

19、iii中，mv为生长季降水次数；δs为土壤需水变化量，mm；

20、所述土壤需水变化量的计算公式为：

21、δs＝pd-(1-md)epdmd-yd                  (3)

22、式中，pd为非生长季降水，mm；md为非生长季植被盖度，day；epd为非生长季饱和裸土潜在蒸散发参数，mm·day-1；md为非生长季时长，day；yd为非生长季径流，mm；

23、vi中，βs为裸土蒸发系数；m″tb为平均降水间隙中用于裸土蒸发的时间，day；

24、v中，产流方式设为超渗产流，参数g和σ由下式计算得到

25、

26、

27、

28、κ0＝λ0mh                          (7)

29、

30、式中，ω为平均降水强度mi的倒数，day·mm-1；k(1)为土壤饱和导水率，mm·day-1；s0为研究时段内平均土壤含水量，无量纲；c为土壤透水系数，无量纲；w为毛细管上升速率，mm·day-1；δ为概率密度参数，无量纲；m为土壤孔隙大小分布指数，无量纲；k0为形状参数，无量纲；ne为有效土壤孔隙度，无量纲；λ0为降水泊松分布的尺度参数，无量纲；为mh的方差；ψ(1)为土壤饱和基质势，mm；φ(c,s0)为土壤吸附扩散度，无量纲；

31、vi中，pt为生长季平均降水，mm；mt为生长期日数，day；

32、vii中，zw为地下水埋深，mm；

33、基于水量平衡方程，生长季植被覆盖度和植被潜在冠层导度由以下公式计算获得：

34、

35、式中，ve为可供植被利用的水分，mm；kv*为植被潜在冠层导度，无量纲；

36、步骤42、计算植被实际冠层导度：

37、所述生长季饱和裸土潜在蒸散发参数的计算公式为：

38、

39、式中，λ为蒸发潜热，kcal·g-1；rn为地表净辐射量，mj·m-2·day-1；ρ为空气质量密度，kg·m-3；cp为大气的定压比热，mj·kg-1·℃-1；es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压，kpa；ra为空气动力阻抗，s·m-1；δ为温度-饱和水汽压曲线斜率，kpa·℃-1；γ0为干湿表常数，kpa·℃-1；

40、生长季植被潜在蒸腾的计算公式为：

41、

42、式中，ev为植被潜在蒸腾，mm·day-1；rc为冠层阻抗，s·m-1；rc/ra为阻抗比；

43、计算植被实际冠层导度，计算公式为：

44、

45、式中，kv为植被实际冠层导度，无量纲；

46、植被冠层的阻抗比通过m＝0和m＝1对应的阻抗比之间进行线性插值得到：

47、

48、式中，和分别为m＝0和m＝1对应的阻抗比；

49、对于m→0的稀疏冠层，根据以下公式计算：

50、

51、式中，hs/h为树干分数，即树干的高度和植被单株高度之比；

52、对于m→1的闭合冠层，植被冠层阻抗比计算公式为：

53、

54、

55、步骤43、计算区域水分和光热条件支撑的植被最优覆盖度：

56、联立水量平衡方程和植被潜在冠层导度，将kv*～m曲线绘制在同一坐标系里，得到最优植被覆盖度的交点；

57、当0<m<1时，曲线相交，即：

58、

59、两条曲线的交点即为最优植被覆盖度m*；

60、若m达到1时，曲线仍不相交，即：

61、

62、则最优植被覆盖度m*＝1；

63、步骤44、计算植被恢复潜力：

64、对植被恢复潜力进行计算，植被恢复潜力即为在研究区区域水分和光热条件支撑的植被最优覆盖度与当前现状植被覆盖度对比，其差值即为植被恢复潜力。

65、进一步的是，所述气象数据均通过国家气象信息中心获取；所述植被类型数据采用modis土地覆盖类型产品，采用igbp分类，空间分辨率为500m；所述土壤数据采用fao 1:100万土壤数据集。

66、本发明的有益效果是：本发明所述一种植被恢复潜力的计算方法，基于植被生长对水分和光热条件的需求，结合植被生长过程，能够科学计算植被恢复潜力，机理明确、精确度高、可靠性强、适用性广，能够在不同地区推广应用，解决了区域植被修复合理规划的问题。在海河流域山区实际应用中，精确度能够达到87％，大大提高了计算结果的准确性。

67、下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。