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水工混凝土泌水現(xiàn)象分析研究【1】
摘 要：混凝土泌水現(xiàn)象是影響混凝土性能的重要因素之一，對(duì)其進(jìn)行分析研究就顯得尤為重要與關(guān)鍵，混凝土的拌合成型硬化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程，造成混凝土泌水的原因是多種多樣的，針對(duì)混凝土泌水問(wèn)題，從原因機(jī)理、影響因素等方面進(jìn)行分析，落實(shí)到矯治措施，提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性等性能。
關(guān)鍵詞：混凝土;泌水;影響因素;改善性能;分析
Hydraulic concrete analysis of bleeding phenomenon
PAN Quan-lu，WangTie-qiang
Abstract： The phenomenon of concrete bleeding is one of the important factors affecting the performance of concrete， is particularly important and critical analysis research， concrete mixing molding sclerosis is a complex process， resulting in concrete bleeding because multiplediverse， concrete bleeding from the reasons mechanism， influencing factors analysis and implement rehabilitation measures， to improve the strength， durability and other properties of concrete.
Key words： concrete; bleeding; influencing factors; improve performance; analysis
1.混凝土的泌水機(jī)理
混凝土拌合物澆筑之后到開(kāi)始凝結(jié)期間，由于各組成材料的密度不同，如果配合比不當(dāng)，粘聚性差，會(huì)出現(xiàn)骨料和水泥漿下沉、水分上浮，在已澆筑構(gòu)件的表面析出水分，此現(xiàn)象稱(chēng)為泌水。
泌水的通道產(chǎn)生于水泥漿與固相骨料之間，同時(shí)伴隨著泌水現(xiàn)象的出現(xiàn)。
混凝土是由水、水泥、粗細(xì)骨料、摻合料、外加劑拌和硬化而成，質(zhì)量好的混凝土應(yīng)該是所有組分及氣泡分布均勻穩(wěn)定。
產(chǎn)生不均勻的情況是混凝土拌合物各組分出現(xiàn)層狀分離現(xiàn)象、某些組分分離析出、水分泌出等現(xiàn)象。
造成拌合物不均勻的直接原因是由于各組分密度不同導(dǎo)致的沉降和上浮。
泌水后的混凝土在宏觀上仍然是均勻的，但會(huì)導(dǎo)致混凝土上表面不均勻和內(nèi)部局部不均勻。
根據(jù)水分在混凝土中的存在狀態(tài)，可將混凝土中的水分分為結(jié)合水、潤(rùn)濕水和自由水。
水泥中反應(yīng)速度快的部分在遇水后會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，消耗部分水，這部分水被定義為混凝土中的結(jié)合水，不能被鄰近部位的水分置換，也無(wú)法泌出拌合物;水遇到干燥狀態(tài)的水泥、骨料等以后，水泥和骨料表面會(huì)吸附一定量的水，使干燥的材料濕潤(rùn)，這部分水受到固體材料表面的吸附，不能泌出拌合物，但可以被鄰近部位的水分置換，這部分水被定義為潤(rùn)濕水;混凝土中其余的水分為自由水，在混凝土中起潤(rùn)滑的作用。
混凝土坍落度在很大程度上取決于自由水的多少及其潤(rùn)濕效果，這部分水與固體材料的聯(lián)系較少，可以從混凝土中泌出。
水分從混凝土內(nèi)部泌出到表面，需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的距離，猶如經(jīng)過(guò)彎彎曲曲的微細(xì)水管，最后到達(dá)表面。
如果各種材料顆粒級(jí)配好，堆積密實(shí)，孔隙微細(xì)，則水分泌出需要經(jīng)過(guò)的距離很長(zhǎng)，會(huì)使泌水量減小;或者水分泌出的通道被阻斷，泌水量也會(huì)減小。
2.泌水對(duì)混凝土性能的影響
泌水在混凝土中是不均勻產(chǎn)生的，泌水以后的混凝土組分變得不均勻，混凝土在泌水部位產(chǎn)生空隙缺陷，導(dǎo)致該部位的混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度降低，這些部位強(qiáng)度的下降會(huì)導(dǎo)致混凝土整體強(qiáng)度的降低。
不過(guò)，泌水對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響很有限，但對(duì)混凝土的抗凍性、抗?jié)B性及防止鋼筋銹蝕等耐久性能的影響則很大。
從泌水的產(chǎn)生機(jī)理可知，水分從混凝土內(nèi)部泌出到表面，在混凝土中形成了從內(nèi)到外貫通的通道，雖然這些通道很難發(fā)現(xiàn)或通過(guò)儀器觀察到，但對(duì)于抗氯離子滲透性能要求很高的海洋工程混凝土影響很大。
這是由于來(lái)自海洋中的具有極強(qiáng)穿透能力的氯離子、含鹽霧潮濕大氣中的氧和濕氣等腐蝕性介質(zhì)，很容易沿著泌水留下的通道進(jìn)入混凝土內(nèi)部，到達(dá)鋼筋表面，引起鋼筋銹蝕或直接與水化產(chǎn)物發(fā)生腐蝕反應(yīng);同樣由于泌水通道的存在，使長(zhǎng)期受風(fēng)霜雨雪侵蝕的混凝土的內(nèi)部很快達(dá)到水飽和狀態(tài)，高度水飽和的混凝土在凍融循環(huán)作用下，很快產(chǎn)生凍融破壞，這對(duì)于抗凍混凝土來(lái)講是不允許的。
此外，混凝土澆筑后產(chǎn)生泌水，水蒸發(fā)量超過(guò)一定程度時(shí)，由于毛細(xì)管的收縮作用，會(huì)在混凝土表層產(chǎn)生塑性收縮，由于砂石密度大于水泥漿體密度，會(huì)發(fā)生不均勻沉降收縮。
如果混凝土終凝前抹壓不夠和養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性裂縫，同樣會(huì)嚴(yán)重影響到混凝土的耐久性。
另一方面，泌水挾著水泥沿著混凝土結(jié)構(gòu)的模板接觸面溢出，不僅引起砂線(xiàn)、露砂等外觀質(zhì)量缺陷，也會(huì)影響到混凝土強(qiáng)度和變形性質(zhì)等質(zhì)量問(wèn)題。
對(duì)于保水性差的混凝土拌合物，在運(yùn)輸與澆搗中，在凝結(jié)硬化前泌出的水分聚集到混凝土表面會(huì)引起表面疏松，若聚集在骨料或鋼筋的下表面形成孔隙，會(huì)削弱骨料或鋼筋與水泥石的粘結(jié)力，影響混凝土的質(zhì)量。
泌水現(xiàn)象對(duì)混凝土所產(chǎn)生的影響極為重要，對(duì)其進(jìn)行分析顯得尤為重要與關(guān)鍵。
混凝土產(chǎn)生泌水現(xiàn)象以后，一般都會(huì)出現(xiàn)缺陷等，而且產(chǎn)生泌水現(xiàn)象部位的抗壓、抗拉強(qiáng)度等將進(jìn)一步降低，進(jìn)而會(huì)在很大程度上降低了混凝土的整體強(qiáng)度。
一般而言，泌水現(xiàn)象對(duì)于混凝土的強(qiáng)度影響不是很大。
但是，對(duì)于混凝土的耐久性則影響極為關(guān)鍵，必須引起我們的足夠重視。
實(shí)際上，泌水現(xiàn)象對(duì)于混凝土耐久性的影響，主要是因?yàn)樗謴幕炷羶?nèi)部分泌到其表面以后，在混凝土中就形成了從內(nèi)到外的細(xì)小通道。
而這些通道首先降低混凝土的抗?jié)B透能力，而且對(duì)于混凝土的抗?jié)B透性能的影響作用非常大，這一點(diǎn)必須引起足夠重視，并積極采取有效措施加以解決落實(shí)。
第二，泌水現(xiàn)象對(duì)于混凝土的抗腐蝕及抗凍能力的影響比較大，這是因?yàn)楦g性物質(zhì)經(jīng)過(guò)細(xì)小的通道，一般比較容易進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，從而到達(dá)鋼筋所在部位造成了鋼筋的腐蝕或者生銹，也可以直接同水化產(chǎn)物發(fā)生一些腐蝕或者反應(yīng)。
同樣的道理，因?yàn)榇嬖诿谒F(xiàn)象以及細(xì)小的通道，使得了長(zhǎng)期受風(fēng)霜雨雪侵蝕的混凝土很快就能達(dá)到飽和狀態(tài)。
一般而言，處于飽和的混凝土，會(huì)在凍融等的循環(huán)作用下，對(duì)混凝土產(chǎn)生一定的凍融或者破壞作用，這對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的。
此外，混凝土澆筑以后產(chǎn)生的泌水現(xiàn)象，當(dāng)水蒸發(fā)超過(guò)一定的程度以后，因?yàn)槊?xì)管收縮作用的影響，會(huì)在混凝土的表層產(chǎn)生一定程度的塑性收縮。
而由于砂石的密度比水泥漿的密度要大，這樣就容易產(chǎn)生不均勻的沉降收縮等現(xiàn)象。
假如混凝土在凝固以前由于抹壓不夠或者養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定程度的裂縫。
而產(chǎn)生的這些裂縫，一般都會(huì)嚴(yán)重影響到混凝土的質(zhì)量與耐久性。
3.影響混凝土產(chǎn)生泌水現(xiàn)象的因素分析
3.1 水泥的凝結(jié)時(shí)間對(duì)泌水的影響。
水泥的凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，所配制的混凝土凝結(jié)時(shí)間就越長(zhǎng)，且凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)幅度較水泥凈漿成倍地增長(zhǎng)，在混凝土凝結(jié)硬化之前，水泥顆粒沉降的時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土越易泌水。
3.2溫度對(duì)泌水的影響。
施工時(shí)溫度升高也同樣會(huì)使空氣流動(dòng)速度加快，使水泥混凝土表面失水速度加快。
減少了水泥混凝土內(nèi)多余水的含量，泌水現(xiàn)象就會(huì)減少。
這也是夜間施工比白天施工、冬季施工比夏季施工更容易泌水的直接原因。
3.3水泥混合料種類(lèi)及摻量對(duì)泌水的影響。
不同品種、不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥的保水性、凝結(jié)時(shí)間、早期強(qiáng)度都差異較大。
采用礦渣水泥保水性差，泌水性大，拌制混凝土?xí)r容易析出多余水分，形成毛細(xì)管通路;粉煤灰水泥需水量較小，泌水速度較快，容易引起失水裂紋。
3.4 減水劑對(duì)混凝土泌水的影響
對(duì)一些有大流動(dòng)性要求的混凝土，如泵送混凝土，通常采用摻減水劑和泵送劑等辦法可以改善混凝土的工作性。
根據(jù)減水劑的作用機(jī)理，極性分子吸附在水泥顆粒周?chē)沟妙w粒之間相互排斥，減少絮凝作用，釋放被水泥顆粒包裹的水分，同時(shí)使水泥顆粒表面的吸附水層變薄，所需的潤(rùn)濕水量大大減少。
以此機(jī)理，減水劑會(huì)使新拌混凝土中的可泌自由水量增加，使泌水增大。
但是另一方面，由于減水劑的減水作用，同樣坍落度的混凝土所需的拌和水量大大減水，使混凝土中的可泌自由水量減水。
最終的泌水情況取決于哪種作用起主導(dǎo)作用。
減水劑與水泥的適應(yīng)性也影響混凝土的泌水，關(guān)于適應(yīng)性機(jī)理，目前還沒(méi)有公認(rèn)的研究成果。
3.5 集料對(duì)混凝土泌水的影響
混凝土的組成材料砂石集料含泥量較多時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響水泥的早期水化，黏土中的顆粒會(huì)包裹水泥顆粒，延緩并阻礙水泥的水化及混凝土的凝結(jié)，從而加劇混凝土的泌水。
當(dāng)石子的級(jí)配不良時(shí)，使混凝土和易性變差，也會(huì)導(dǎo)致混凝土泌水。
如集料粒徑越大，混凝土的泌水越嚴(yán)重。
一般認(rèn)為，在其他條件相同的情況下，粗集料粒徑大比粒徑小m的混凝土泌水量大一些。
而砂的細(xì)度模數(shù)越大，細(xì)顆粒越少、粗顆粒越多，混凝土則越易泌水。
3.6 配合比對(duì)混凝土泌水的影響
3.6.1混凝土單位用水量的影響
水泥漿賦予混凝土拌合物一定的流動(dòng)性。
在水膠比不變的情況下，單位體積內(nèi)水泥漿愈多，混凝土拌合物的流動(dòng)性愈大。
若水泥漿過(guò)多，將會(huì)出現(xiàn)流漿現(xiàn)象，使混凝土拌合物的粘聚性變差。
無(wú)論是水泥漿的多少，還是水泥漿的稀稠，對(duì)混凝土拌合物流動(dòng)性起決定性作用的是用水量。
因?yàn)樘岣咚z比或增加水泥漿的用量最終都表現(xiàn)為混凝土用水量的增加。
3.6.2混凝土水膠比的影響
水膠比決定水泥漿的稠度。
在水泥用量不變的情況下，增大水膠比會(huì)使拌合物的流動(dòng)性加大。
如果水膠比過(guò)大，會(huì)造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良而產(chǎn)生流漿、離析現(xiàn)象，嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度。
因此在混凝土生產(chǎn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控用水量的變化，防止用水量嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)用量，這也是生產(chǎn)控制的關(guān)鍵。
3.6.3混凝土砂率的影響
砂率是指混凝土中砂的用量占砂石總用量的百分率。
混合料中，砂是用來(lái)填充石子的空隙。
在水泥漿一定的條件下，若砂率過(guò)大，則骨料的總表面積及空隙率增大，混凝土混合物就顯得干稠，流動(dòng)性小。
如要保持一定的流動(dòng)性，則要多加水泥漿，增大單位用水量。
若砂率過(guò)小，砂漿量不足，不能在粗骨料的周?chē)纬勺銐虻纳皾{層起潤(rùn)滑和填充作用，也會(huì)降低混合物的流動(dòng)性，使混凝土拌合物的粘聚性、保水性變差，使混凝土混合物顯得粗澀，粗骨料離析，水泥漿流失。
3.7 施工方法對(duì)混凝土泌水的影響
施工過(guò)程中影響混凝土泌水的因素有振搗和混凝土每層澆筑的高度。
振搗過(guò)程中，混凝土拌和物處于液化狀態(tài)，此時(shí)其中的自由水在壓力作用下，很容易在拌和物中形成通道泌出;對(duì)鋼筋密集的部位，每次澆筑的高度應(yīng)小于50cm，如大于50cm，則容易導(dǎo)致混凝土振搗不到位，形成泌水。
另外，泵送混凝土的泌水與泵送工藝有直接關(guān)系。
泵送混凝土，在壓力下骨料吸附混凝土中的水分，壓送到泵管出口回到大氣壓下將吸附的水分排出，于是出現(xiàn)了泌水。
過(guò)振也是產(chǎn)生泌水的一項(xiàng)不可忽視的因素。
在一處振搗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是不利的，它將引起材料的離析，特別是單位用水量大的混凝土更為明顯。
對(duì)已澆筑的混凝土，在終凝前進(jìn)行二次振動(dòng)，可排除混凝土因泌水在石子、水平鋼筋下部形成的空隙和水分，提高粘結(jié)力和抗拉強(qiáng)度，并減少內(nèi)部裂縫與氣孔，提高抗裂性。
混凝土的運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，攪拌時(shí)間長(zhǎng)，易產(chǎn)生泌水。
混凝土輸送和澆筑過(guò)程中，從過(guò)高的地方沿溜槽滑下，會(huì)加劇離析的發(fā)生。
同一配比的混凝土，澆筑高度越高，泌水量越多。
4.降低混凝土泌水的措施 改善混凝土性能
4.1改變?cè)O(shè)計(jì)理念
現(xiàn)有的規(guī)范中對(duì)混凝土耐久性是以最大水膠比和最小水泥用量來(lái)控制的，其出發(fā)點(diǎn)有二，一是根據(jù)工程的重要性與設(shè)計(jì)年限，二是成本與經(jīng)濟(jì)性，用水膠比和水泥用量來(lái)控制造價(jià)，由此來(lái)分配混凝土的經(jīng)濟(jì)成本，此設(shè)計(jì)思路，造成同一結(jié)構(gòu)不同部位的混凝土其耐久性有很大區(qū)別，這一先天的客觀約束導(dǎo)致人們認(rèn)為水膠比的屬性就是為了控制耐久性，與其它無(wú)關(guān)，是有歷史原因的，因?yàn)樵瓉?lái)的膠凝材料只有水泥，沒(méi)有其他摻和料，為了服從水膠比定律，只能用調(diào)節(jié)水膠比的方法來(lái)控制建筑成本，現(xiàn)在有了眾多活性摻和料，因此，需要控制與混凝土耐久性相關(guān)的混凝土泌水問(wèn)題，就必須控制住混凝土飽和用水量，因此，一般地，混凝土最大水膠比不能大于0.45，最小水泥用量可以小于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)直至只要滿(mǎn)足強(qiáng)度需要即可，并且，為了發(fā)揮摻和料的特性，需要將混凝土的強(qiáng)度評(píng)定時(shí)間延長(zhǎng)。
4.2 匹配水泥與外加劑
減水劑的選擇首先應(yīng)根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)、施工工藝的要求，確定混凝土從拌和到入模前所需的運(yùn)輸、等待所消耗的時(shí)間、環(huán)境溫度(罐車(chē)內(nèi)溫度)對(duì)混凝土和易性造成的影響。
4.3改善配合比設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方式
4.3.1 材料的選擇
水泥粗細(xì)程度的控制指標(biāo)應(yīng)以顆粒級(jí)配為主。
水泥應(yīng)選擇出廠(chǎng)溫度低、飽和用水量高、流動(dòng)度大、C3 A，C4 AF小的產(chǎn)品。
選擇水泥生產(chǎn)單位，應(yīng)進(jìn)行外加劑相容性試驗(yàn)。
用外加劑相容性試驗(yàn)優(yōu)選外加劑。
外加劑的保塑性能應(yīng)根據(jù)施工要求，季節(jié)影響隨時(shí)調(diào)整。
粉煤灰、礦粉以需水量比和燒失量為主，活性指數(shù)、細(xì)度次之。
集料的吸水率不應(yīng)大于2%。
4.3.2配合比
將水泥與減水劑樣品進(jìn)行配伍試驗(yàn)，選取最佳組合。
將最大水膠比控制在0.45以下。
檢測(cè)外加劑的最佳摻量，略低于最佳摻量作為混凝土的實(shí)際摻量。
測(cè)得摻外加劑混凝土的飽和用水量作為控制泌水的臨界點(diǎn)。
模擬施工條件進(jìn)行混凝土坍落度延時(shí)損失試驗(yàn)和試件制作。
試拌混凝土?xí)r應(yīng)考慮水泥的實(shí)際溫度。
砂率宜根據(jù)入模時(shí)的混凝土坍落度確定。
配合比應(yīng)根據(jù)季節(jié)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
4.4正確使用摻和料
膠凝材料漿體體積在純水泥過(guò)渡到摻加不同用量粉煤灰的過(guò)程中不發(fā)生變化是確保抗壓強(qiáng)度變化減緩的主要標(biāo)志，同時(shí)，用水量的減少使泌水產(chǎn)生的可能性減小。
4.5 使用防泌水外加劑
4.6 優(yōu)化攪拌設(shè)備
4.7 改善施工工藝
參考文獻(xiàn)
[1] 馮浩、朱清江.混凝土外加劑工程應(yīng)用手冊(cè)[K].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999
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[3] SL352-2006.水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S]
三峽庫(kù)區(qū)不同植被對(duì)土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響【2】
摘要：土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征是陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)偶聯(lián)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。
以湖北宜昌點(diǎn)軍區(qū)3種植被類(lèi)型(柏樹(shù)地、橘樹(shù)地、菜地)的土壤作為研究對(duì)象，對(duì)土壤碳氮磷及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行了研究，探討不同植被覆蓋對(duì)土壤碳氮磷之間的關(guān)系與影響。
結(jié)果表明，不同植被覆蓋顯著改變土壤碳氮磷含量，柏樹(shù)地的土壤有機(jī)碳和全氮的含量顯著大于柑橘地和菜地，而菜地和柑橘地土壤有機(jī)碳和全氮含量之間無(wú)顯著差異，菜地的全磷含量最大，其次是橘樹(shù)地，柏樹(shù)地最小。
3種植被覆蓋的土壤碳氮比之間無(wú)顯著差異，但是柏樹(shù)地的土壤碳磷比最大，其次是橘樹(shù)地，菜地的最小;土壤氮磷比是柏樹(shù)地顯著大于橘樹(shù)地和菜地，而菜地和橘樹(shù)地之間無(wú)顯著差異。
表明三峽庫(kù)區(qū)土壤碳氮偶聯(lián)反應(yīng)，而氮磷之間以及碳磷之間并未發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。
相關(guān)性分析的結(jié)果表明，土壤碳磷比是柏樹(shù)地>橘樹(shù)地>菜地。
碳磷比、氮磷比與有機(jī)碳之間的相關(guān)性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到碳的影響。
關(guān)鍵詞：不同植被;碳氮比;碳磷比;氮磷比;生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征
中圖分類(lèi)號(hào)：S153.6+1;Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114(2016)14-3566-03
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.009
Abstract： Soil carbon (C)，nitrogen (N) and phosphorus (P) stoichiometry is a critical indicator of biogeochemical coupling in terrestrial ecosystem. Taking 3 vegetation types(cypress，tangerine trees and vegetable) soil in Dianjun Yichang command of Hubei province as the research object，soil carbon，nitrogen and phosphorus and its ecological chemometrics were studied，and the relationship and influence of different vegetation on soil carbon，nitrogen and phosphorus were discussed. The results showed that although the contents soil organic C(OC) and total nitrogen(TN) of cypress site was significantly higher than those of vegetable site and citrus tree site，which were not significant difference，total phosphorus(TP) followed the order：Vegetable site>citrus tree site> cypress site. Although soil C/N had no significant diffence among three vegetation cover，C/P followed as cypress site>citrus tree site>vegetable site，the trend of N/P was similar to OC and TN. It was suggested that soil C and N remained coupled whereas C and P，N and P become decoupled. The correlation analysis showed the relationship between soil C/P，N/P and OC was higher than those between soil C/P，N/P and TN，TP，indicating that C/P and N/P were mainly affected by soil organic carbon.
Key words： different vegetation; C/N; C/P; N/P; stoichiometry
土壤碳氮磷是地球化學(xué)養(yǎng)分循環(huán)的核心，驅(qū)動(dòng)著土壤內(nèi)其他養(yǎng)分元素的循環(huán)和轉(zhuǎn)化，在元素平衡中發(fā)揮著重要的作用[1，2]。
同時(shí)土壤碳氮磷又是目前全球變化中碳循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)的研究熱點(diǎn)[3]。
有研究表明土壤碳氮磷相互之間緊密聯(lián)系[4]，土壤碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)能夠反映土壤內(nèi)部碳氮磷循環(huán)，因而在生物地球化學(xué)循環(huán)偶聯(lián)中具有重要的生態(tài)指示作用[5-7]。
目前，雖然有大量的研究報(bào)道了黃土高原不同植被區(qū)土壤[8]、桂西北不同森林類(lèi)型土壤[9]、祁連山北坡亞高山草地退耕還林草混合植被對(duì)土壤碳氮磷的影響[2]等的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，但是很少有研究報(bào)道三峽庫(kù)區(qū)不同植被對(duì)土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響。
三峽庫(kù)區(qū)由于復(fù)雜的地形條件和自然地質(zhì)條件，加之人類(lèi)不合理的土地利用，水土侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤退化，土壤碳氮磷含量及其土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征發(fā)生變化。
而植被的存在能夠截獲和儲(chǔ)藏水分[10]，通過(guò)凋落物歸還土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以植被覆蓋是決定水土流失和改善土壤質(zhì)量最為重要的因素。
然而不同的植被覆蓋對(duì)土壤質(zhì)量影響不同。
這是由于不同植被的凋落物的質(zhì)和量、根的分泌物以及營(yíng)養(yǎng)吸收不同，影響土壤微生物群落的活性，進(jìn)而影響土壤碳氮磷的循環(huán)[11]。
本研究選擇三峽庫(kù)區(qū)的3種植被類(lèi)型(柏樹(shù)地、橘樹(shù)地和菜地)作為研究對(duì)象，研究其土壤全量養(yǎng)分和生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，為三峽庫(kù)區(qū)的植被恢復(fù)提供一定的理論依據(jù)。
1 研究區(qū)概況與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究地點(diǎn)位于三峽庫(kù)區(qū)宜昌市點(diǎn)軍區(qū)退耕還林區(qū)內(nèi)。
采集點(diǎn)為同一座山，山頂為次生柏樹(shù)林，山麓為橘樹(shù)林，山下平地為菜地。
該區(qū)位于東經(jīng)110°15′-112°04′、北緯29°56′-31°34′之間，年平均降水量992.1～1 404.1 mm。
雨水充沛，雨季多發(fā)生在6～7月，雨熱同季，全年積溫較高，無(wú)霜期較長(zhǎng)，年平均氣溫13.1～18.0 ℃。
1.2 方法
選擇柏樹(shù)地、橘樹(shù)地和菜地的土壤作為研究對(duì)象。
分別在每個(gè)樣地選取3個(gè)樣方，柏樹(shù)地和橘樹(shù)地的樣方為10 m×10 m，菜地的樣方為1 m×1 m。
在每個(gè)樣地的樣方內(nèi)用土鉆隨機(jī)取0～10 cm土層的土樣，按“S”形布設(shè)取樣點(diǎn)5個(gè)，混合為一個(gè)樣，撿去枯枝落葉，自然風(fēng)干，用于土壤有機(jī)碳、全氮和全磷的測(cè)定。
土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法測(cè)定，土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，土壤全磷采用HClO4-H2SO4法測(cè)定。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理比較用Turkey’s-b單因素方差分析，相關(guān)性分析用SPSS11.5軟件進(jìn)行Pearson分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤碳氮磷含量特征
不同植被覆蓋的土壤碳氮磷含量如圖1所示。
柏樹(shù)地的土壤有機(jī)碳和全氮含量均顯著高于橘樹(shù)地和菜地，菜地與橘樹(shù)地?zé)o顯著差異。
菜地的土壤全磷含量最高，其次是橘樹(shù)地，柏樹(shù)地最低。
這是因?yàn)榘貥?shù)地從無(wú)耕犁過(guò)，物種多樣性和豐富度較高，大量的凋落物進(jìn)入土壤中，而在菜地和橘樹(shù)地，有機(jī)殘?bào)w的減少如地上植物或者菜地的地下根系每年都被收獲等，導(dǎo)致有機(jī)碳和全氮含量相對(duì)較低[12]。
柏樹(shù)地位于坡頂，土壤中的磷隨著雨水徑流沖刷到坡地，且柏樹(shù)地從未施用磷肥，所以全磷含量最低;橘樹(shù)地雖然也施用磷肥，但是橘樹(shù)地位于坡中，雨水的徑流也會(huì)沖刷磷，降低其全磷含量;菜地在平地，農(nóng)民為了提高其產(chǎn)量，長(zhǎng)期以來(lái)施用磷肥，所以磷肥含量最高。
全磷含量的大小順序?yàn)椋翰说?gt;橘樹(shù)地>柏樹(shù)地，磷成為柏樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育和重要生態(tài)過(guò)程的限制因子。
2.2 土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征
土壤碳氮磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比是評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分狀況和質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[9]。
Cleveland等[13]綜述了全世界48篇文獻(xiàn)的186個(gè)表土的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
結(jié)果表明，不同植被間土壤碳氮磷比存在差異，但是在大多數(shù)情況下，其相似性比差異性更顯著，土壤碳氮磷比值有顯著的穩(wěn)定性，三者的比值為186∶13∶1。
本研究中，土壤碳氮比(C/N)為6.45～7.18(圖2)，表明三峽庫(kù)區(qū)不同植被的土壤碳氮比低于中國(guó)土壤碳氮比的平均值范圍(10～12)[14]，土壤礦化作用較強(qiáng)。
雖然土壤碳氮含量在不同植被覆蓋下有差異，但是土壤碳氮比卻無(wú)顯著差異，這意味著三峽庫(kù)區(qū)土壤碳氮比存在相對(duì)的一致性，不受植被變化的影響。
此研究結(jié)果與Tian等[5]、Cleveland等[13]和王維奇等[15]的研究結(jié)果一致，不同生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮比具有內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征，這主要是由于碳氮元素之間具有極顯著的正相關(guān)性(表1)，而且對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)幾乎是同步的[13]。
同時(shí)由于碳氮是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)性成分，積累和消耗過(guò)程存在相對(duì)固定的比值[16]。
土壤氮磷比(N/P)為2.09～4.82(圖2)，小于Tian等[5]的氮磷比5和Cleveland等[13]的碳磷比13.1。
這說(shuō)明三峽庫(kù)區(qū)土壤仍然受到氮素的限制。
且本研究中，柏樹(shù)地土壤氮磷比顯著高于菜地和橘樹(shù)地，橘樹(shù)地與菜地?zé)o顯著差異。
此結(jié)果一方面說(shuō)明橘樹(shù)地和菜地比柏樹(shù)地土壤更易受到氮的限制，另一方面說(shuō)明土壤氮磷比的空間異質(zhì)性，這與Tian等[5]的研究結(jié)果一致。
土壤碳磷比(C/P)為13.49～33.19(圖2)，小于Tian等[5]的中國(guó)土壤碳磷比的平均值105和Cleveland等[13]全球的碳磷比186，表明三峽庫(kù)區(qū)土壤微生物有機(jī)磷存在凈礦化現(xiàn)象。
本研究中柏樹(shù)地土壤碳磷比(C/P)最高，其次是橘樹(shù)地，菜地最低。
碳氮磷比是土壤有機(jī)質(zhì)或其他成分中碳氮磷總質(zhì)量的比值，是衡量土壤有機(jī)質(zhì)組成和營(yíng)養(yǎng)平衡的重要指標(biāo)[17]。
本研究結(jié)果表明，C/P可能比C/N和N/P與不同植被覆蓋具有更高的同步性。
C/P比C/N和N/P對(duì)植被變化可能具有更優(yōu)的生態(tài)指示功能。
2.3 土壤養(yǎng)分與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性分析
由表1可知，土壤有機(jī)碳與全氮有極顯著的正相關(guān)，表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律;土壤有機(jī)碳、全氮與全磷無(wú)顯著的相關(guān)性，意味著全磷并未與有機(jī)碳及其全氮有一致的變化規(guī)律。
土壤有機(jī)碳、全氮含量與碳磷比及其氮磷比有極顯著的正相關(guān);全磷含量與碳磷比及氮磷比有顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)。
土壤碳磷比、氮磷比與有機(jī)碳的相關(guān)性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到有機(jī)碳的影響。
3 小結(jié)與討論
柏樹(shù)地由于受外界擾動(dòng)少，凋落物歸還量大于橘樹(shù)地和菜地，導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳、全氮含量大于橘樹(shù)地和菜地，但全磷含量顯著小于橘樹(shù)地和菜地，這是由于柏樹(shù)地從未施肥，又處于坡頂，雨水的徑流沖刷降低了土壤全磷的含量。
橘樹(shù)地與菜地的土壤有機(jī)碳和全氮含量無(wú)顯著性差異，但菜地土壤全磷含量顯著大于橘樹(shù)地。
3種植被的土壤碳氮比之間無(wú)顯著差異，這可能意味著土壤碳氮比不受植被變化的影響，具有內(nèi)穩(wěn)態(tài)特征;氮磷比的變化趨勢(shì)與有機(jī)碳和全氮含量一致，而土壤碳磷比是柏樹(shù)地>橘樹(shù)地>菜地。
碳磷比、氮磷比與有機(jī)碳的相關(guān)性大于全氮和全磷，表明土壤碳磷比和氮磷比主要受碳的影響。
參考文獻(xiàn)：
[1] ELSER J J，STERNER R W，GOROKHO V A，et al. Biological stoichiometry from genes to ecosystems[J].Ecology Letters，2000， 3(6)：540-550.
基于MODIS/NDVI的河北省植被指數(shù)時(shí)空變化特征及影響因素分析【3】
摘要：利用2001-2010年MODIS/NDVI數(shù)據(jù)和土地覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析了河北省植被指數(shù)變化特征和時(shí)空分布。
利用趨勢(shì)分析、偏相關(guān)分析、植被異常指數(shù)分析等方法對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出河北省植被空間分布上的平均狀況和變化特征，以及不同植被類(lèi)型在不同地區(qū)、不同海拔高度上的時(shí)空變化規(guī)律。
結(jié)果表明，①2001-2010年河北省植被指數(shù)年際變化整體呈增加趨勢(shì)。
植被指數(shù)分布有明顯的地區(qū)差異，呈現(xiàn)北部強(qiáng)于南部、西部強(qiáng)于東部、張家口及滄州市優(yōu)于其他地區(qū)的空間格局。
②各植被類(lèi)型NDVI值大小表現(xiàn)為針闊葉混交林>闊葉林>灌叢>農(nóng)田>草地>非植被，其中研究期間針葉林和濕地兩種植被類(lèi)型年平均植被指數(shù)變化明顯。
③2001-2010年河北省氣溫呈下降趨勢(shì)，降水量變化平穩(wěn)，增長(zhǎng)緩慢。
而且植被指數(shù)與氣溫的偏相關(guān)分析系數(shù)有正有負(fù);而與降水量的偏相關(guān)分析系數(shù)均為正值。
⑤河北省不同類(lèi)型的植被分布與地形尤其是高程有一定的相關(guān)性，但研究結(jié)果受河北省整體海拔高度的影響，相關(guān)性不大。
關(guān)鍵詞：河北省;MODIS/NDVI;氣溫;降水;偏相關(guān)分析
中圖分類(lèi)號(hào)：P28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114(2016)14-3605-08
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.017
Abstract：Using MODIS/NDVI data and land-cover data in the time series of 2001-2010 in Hebei province， the spatial distribution and dynamic change characteristics of vegetation index were analyzed. MODIS/NDVI data were calculate by tendency analysis method， anomaly vegetation index analysis， and partial correlation analysis. The average condition and change characteristics of vegetation spatial distribution can be reflected from the data analysis. Besides， the time-space dynamic characteristics of vegetation index of different vegetation types are studied in different regions and different elevation gradient and. The results indicated that(1)During the past 10 years， the annual change of the vegetation was slowly increasing in Hebei province. There are significant spatial distribution differences for vegetation index with the north and west better than the south and east， and the growth in Zhangjiakou and Cangzhou better than other areas.(2)The values of NDVI in different vegetation types are in the following sequence;broadleaf mixed forest > needle forest > shrub > farmland > grassland. The annual average trend of coniferous forest and wetlands changed significantly.(3)The results show that temperature decreased in Hebei province in the last 10 years. The precipitation change was stable in Hebei province， and increased slowly. There is positive or negative partial correlation coefficient between NDVI and temperature in the 10 years. However， there existed a positive correlation coefficient between NDVI and precipitation.(4)The results suggested that the distribution of vegetation type had a certain correlation with the terrain， especially the height. Affected by the overall elevation in Hebei province， the correlation is not obvious.
Key words： Hebei province;MODIS/NDVI;temperature;precipitation;partial correlation analysis
政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第四次評(píng)估報(bào)告顯示[1]，1906-2005年全球在過(guò)去100年間地表平均溫度上升了約0.74 ℃。
而中國(guó)在過(guò)去100年中，氣溫也呈上升趨勢(shì)，約升高0.5～0.8 ℃，但降水年際變化特征突出，增減不一，地區(qū)間波動(dòng)差異顯著[2，3]。
植被作為生態(tài)系統(tǒng)的主體，既是氣候變化的承受者，也對(duì)氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫瑢?duì)全球變化研究起重要的指示作用[4，5]。
在全球氣候變暖的背景下，中國(guó)的植被變化明顯增強(qiáng)，而植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)亦成為專(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
河北省地處華北平原，地形地貌復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)多樣。
近年來(lái)河北省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響下，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了明顯變化。
本研究利用河北省2001-2010年的MODIS/NDVI數(shù)據(jù)、40個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣溫、降水資料和土地覆蓋數(shù)據(jù)，研究了河北省近10年來(lái)不同植被類(lèi)型的植被指數(shù)時(shí)空變化特征及其與氣溫、降水、地形和人為因素的相關(guān)性，對(duì)研究氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)相互作用機(jī)制具有重要意義，同時(shí)期望為河北省地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的技術(shù)支持。
1 研究區(qū)概況
河北省地處華北平原，位于北緯36°03′-42°40′，東經(jīng)113°27′-119°50′，轄區(qū)總面積為18.77萬(wàn)km2，簡(jiǎn)稱(chēng)冀。
內(nèi)環(huán)北京和天津兩市，周邊與遼寧、內(nèi)蒙古、山西、山東和河南接壤。
河北省地形地貌復(fù)雜多樣，西北部為平均海拔在1 300～1 700 m的壩上高原，壩上地區(qū)屬于溫帶草原，畜牧業(yè)發(fā)達(dá);中部為平均海拔500～1 000 m的太行山、燕山山地，闊葉林分布廣泛，礦藏豐富;東南部為平均海拔50 m左右的河北平原，位于華北平原內(nèi)，地勢(shì)平坦，是主要的農(nóng)作物種植區(qū)。
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理
遙感數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)提供的2001-2010年河北省地區(qū)MODIS/NDVI數(shù)據(jù)和土地覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)一地圖投影為WGS84地理坐標(biāo)系，統(tǒng)一分辨率為1 km×1 km。
氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn/)提供的2001-2010年河北省境內(nèi)及周邊其他省份共計(jì)40個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日數(shù)據(jù)，其中包括河北省境內(nèi)20個(gè)氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)(圖1)。
計(jì)算得到各氣象站點(diǎn)的月降水總量、月平均氣溫以及年降水總量、年平均氣溫。
地形數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院數(shù)據(jù)云(http：//www.csdb.cn/)提供的90 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，利用ENVI軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、拼接和掩膜處理，得到高程數(shù)據(jù)。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括耕地面積數(shù)據(jù)和人口數(shù)據(jù)，來(lái)源于河北省對(duì)外公布的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)。
2.2 研究方法
1)趨勢(shì)分析。
研究所用的一元線(xiàn)性回歸分析方法是運(yùn)用最小二乘法，逐像元預(yù)測(cè)植被指數(shù)與時(shí)間t之間的線(xiàn)性關(guān)系[6]。
所求斜率b即代表每個(gè)柵格的年均植被指數(shù)變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為：
式中，xi為時(shí)間代表值，如2001，……2010年分別為1，2，3……10;yi為像元i的植被指數(shù)NDVI;x為年份代表值的平均數(shù);y為對(duì)應(yīng)像元的多年平均值;n為樣本數(shù)，b為變化趨勢(shì)。
當(dāng)b>0時(shí)，表示植被指數(shù)增加;當(dāng)b< 0時(shí)，表示植被指數(shù)減少。
2)植被異常指數(shù)分析。
結(jié)合相關(guān)研究，陳維英等[7]和Anyamba等[8]采用距平植被指數(shù)反映植被異常變化程度，為了避免季節(jié)性變異因素的影響，閆俊杰等[9]采用了Liu等[10]和Barbossa等[11]學(xué)者提出的標(biāo)準(zhǔn)化處理的植被異常指數(shù)，其值更能精確反映植被異常的變化。
式中，zi為第i年的植被異常指數(shù)，NDVIi為第i年的NDVI值，NDVI為年NDVI的累積平均值，δ為NDVI值的標(biāo)準(zhǔn)差。
植被異常指數(shù)對(duì)地表干濕狀況較敏感，zi< 0時(shí)，表示該時(shí)期氣候干旱，植被生長(zhǎng)比正常水平差;zi>0時(shí)，表示該時(shí)期氣候多雨，植被生長(zhǎng)比正常水平好。
3)偏相關(guān)分析。
地理系統(tǒng)是一個(gè)龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，各要素之間都存在某種聯(lián)系，單一要素改變時(shí)，也會(huì)引起其他要素的變化，而偏相關(guān)分析可以有效地解決這一情況。
計(jì)算公式為：
式中，rxy.z表示將變量z視為常數(shù)后，變量x與y的偏相關(guān)系數(shù);rxy、rxz、ryz分別表示x與y、x與z、y與z之間的相關(guān)系數(shù)。
其中，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：
式中，rxy表示變量x與y的相關(guān)系數(shù);范圍在 [-1，1]。
xi表示第i年年平均NDVI值;yi表示第i年的年平均氣溫、年降水量;x和y分別表示NDVI和氣溫、降水的多年平均值。
3 研究區(qū)植被NDVI時(shí)空變化特征
3.1 不同植被類(lèi)型空間變化特征
根據(jù)IGBP已有的土地覆蓋分類(lèi)系統(tǒng)和河北省地區(qū)地形地貌、氣候和植被類(lèi)型的特點(diǎn)，將研究區(qū)植被類(lèi)型系統(tǒng)劃分為針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田和非植被8個(gè)類(lèi)別。
分類(lèi)統(tǒng)計(jì)河北省各植被覆蓋類(lèi)型NDVI年際變化，其中針闊葉混交林>闊葉林>灌叢>農(nóng)田>草地>非植被，10年間針葉林和濕地年平均植被指數(shù)趨勢(shì)變化明顯(圖2)。
各類(lèi)型植被指數(shù)的年線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)除針葉林、灌叢、濕地為負(fù)外，闊葉林、針闊葉混交林和草地的線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)為正。
說(shuō)明河北省近10年針葉林、灌叢和濕地的植被指數(shù)呈減少的趨勢(shì);而闊葉林、針闊葉混交林和草地的植被指數(shù)呈增加的趨勢(shì)，其中草地增加最大，闊葉林、針闊葉混交林次之;其他覆蓋類(lèi)型的植被指數(shù)變化不顯著。
分類(lèi)統(tǒng)計(jì)河北省各覆蓋類(lèi)型的近10年平均NDVI值，數(shù)值廣泛分布在0.2～0.6之間。
3.2 不同分區(qū)的植被空間特征
由圖3可知，冀東地區(qū)2001-2010年植被指數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，分類(lèi)統(tǒng)計(jì)各植被類(lèi)型NDVI變化，其中闊葉林、針葉林和濕地年平均植被指數(shù)趨勢(shì)變化明顯，起伏較大。
各類(lèi)型植被指數(shù)的年線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)除闊葉林、草地、農(nóng)田為正外，其他植被類(lèi)型的線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)均為負(fù)。
說(shuō)明近10年闊葉林、草地和農(nóng)田的植被指數(shù)呈增加的趨勢(shì)。
由圖4可知，冀中地區(qū)2001-2010年植被指數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，分類(lèi)統(tǒng)計(jì)各植被類(lèi)型NDVI年際變化，其中濕地和針葉林年平均植被指數(shù)趨勢(shì)變化明顯，起伏較大。
各類(lèi)型植被指數(shù)的年線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)除針葉林為負(fù)外，闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地植被類(lèi)型的線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)均為正。
說(shuō)明近10年針葉林的植被指數(shù)呈減少的趨勢(shì)，闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地的植被指數(shù)呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，灌叢和農(nóng)田的植被指數(shù)變化不明顯。
由圖5可知，冀北地區(qū)2001-2010年植被指數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，分類(lèi)統(tǒng)計(jì)各植被類(lèi)型NDVI年際變化，其中濕地年平均植被指數(shù)趨勢(shì)變化明顯，起伏較大。
各類(lèi)型植被指數(shù)的年線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)除灌叢為負(fù)外，針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地植被類(lèi)型的線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)均為正。
說(shuō)明近10年灌叢的植被指數(shù)呈減少的趨勢(shì)，針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地的植被指數(shù)呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，農(nóng)田的植被指數(shù)變化不明顯。
由圖6可知，冀南地區(qū)2001-2010年植被指數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)態(tài)勢(shì)，分類(lèi)統(tǒng)計(jì)各植被類(lèi)型NDVI年際變化，其中濕地、針葉林和闊葉林年平均植被指數(shù)趨勢(shì)變化明顯，起伏較大。
各類(lèi)型植被指數(shù)的年線(xiàn)性趨勢(shì)系數(shù)除非植被表現(xiàn)不明顯外，闊葉林、針闊葉混交林、草地和濕地植被類(lèi)型的線(xiàn)性趨勢(shì)均為正，且趨勢(shì)較明顯，針葉林、灌叢和農(nóng)田次之。
說(shuō)明近10年冀南地區(qū)的植被指數(shù)均呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，環(huán)境有所改善。
3.3 研究區(qū)植被NDVI空間差異特征
河北省地區(qū)2000-2011年植被NDVI標(biāo)準(zhǔn)差介于0.001～0.146之間，整體表現(xiàn)為西北地區(qū)和東部沿海地區(qū)變化最劇烈，中部地區(qū)次之，東北部地區(qū)變化最小。
具體而言，除非植被外，近10年植被NDVI變化明顯的地區(qū)主要分布在張家口市、滄州市東部、石家莊市、保定市及衡水市中部地區(qū);而變化趨勢(shì)較小的地區(qū)主要為研究區(qū)的西北部，包括承德市等地區(qū)。
針葉林、闊葉林、濕地植被覆蓋類(lèi)型NDVI變化最劇烈，灌叢、草地次之，其他植被類(lèi)型變化不明顯(圖7)。
利用線(xiàn)性回歸系數(shù)計(jì)算柵格中每一個(gè)像元值的年際變化情況，即在像元尺度的動(dòng)態(tài)傾向，從而明確研究區(qū)10年間NDVI植被指數(shù)年際變化趨勢(shì)的空間分布情況。
當(dāng)b< 0時(shí)，表明像元值隨時(shí)間變化呈減小趨勢(shì);當(dāng)b>0時(shí)，表明隨時(shí)間變化像元值呈增加趨勢(shì)，且b值越大增長(zhǎng)越快。
河北省地區(qū)植被NDVI變化趨勢(shì)的平均值為0.23%/10年，NDVI呈增加趨勢(shì)的面積占74.41%，主要分布在張家口市、滄州市、衡水市和承德市大部;NDVI呈減少趨勢(shì)的面積占25.29%，其中張家口市西北部、唐山市、秦皇島市南部、保定市南部、石家莊市、邢臺(tái)市中部、邯鄲市中部和廊坊市北部存在植被退化現(xiàn)象。
總體而言，近10年河北省地區(qū)植被NDVI變化趨勢(shì)為：北部強(qiáng)于南部、西部強(qiáng)于東部、張家口及滄州市強(qiáng)于其他地區(qū)。
4 河北省地區(qū)NDVI影響因素分析
4.1 河北省地區(qū)氣候變化特征
植被覆蓋變化與氣候因子之間的關(guān)系是研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化響應(yīng)程度的重要前提和基礎(chǔ)，而溫度和降水是影響植物生長(zhǎng)的兩個(gè)重要方面。
研究區(qū)2001-2010年的年平均氣溫，年均氣溫波動(dòng)較大，變化呈緩慢下降趨勢(shì)，減速為0.5 ℃/10年，其線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)斜率為-0.05。
溫度峰值出現(xiàn)在2002、2004和2007年，其中2007年氣溫升高明顯。
2008-2010年氣溫持續(xù)下降。
分類(lèi)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)2001-2010年的年總降水量，年降水量波動(dòng)不大，變化呈上升趨勢(shì)，增速為104.7 mm/10年，其線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)斜率為10.47。
降水量峰值出現(xiàn)在2003和2008年，波谷出現(xiàn)在2002、2006和2009年。
10年來(lái)年均氣溫和降水總量空間特征的比較分析，可以得出：
1)10年間河北省氣溫空間變化不大，氣溫隨著緯度和海拔的增高而降低，尤其是張家口、承德壩上地區(qū)以及河北省與山西省交界處太行山脈地區(qū)年均氣溫最低;河北省南部平原地帶氣溫最高。
其他地區(qū)次之，為過(guò)渡區(qū)域。
10年間，低氣溫的區(qū)域面積在逐漸擴(kuò)大，而高氣溫的區(qū)域面積在逐漸減少，只是變化極其緩慢。
2)研究區(qū)內(nèi)降水量由西北向東南呈階梯式增長(zhǎng)，而這種梯狀分布與地形海拔有一定的相關(guān)性，與西北部壩上高原區(qū)、中部山地、東南部平原區(qū)相對(duì)應(yīng)。
4.2 植被異常指數(shù)的變化分析
根據(jù)公式(2)，實(shí)現(xiàn)植被異常指數(shù)的逐像元計(jì)算，得到2001-2010年河北省植被異常指數(shù)的空間分布。
河北省地區(qū)地形復(fù)雜，在地形條件的影響之下，不同區(qū)域水熱條件各異。
植被異常指數(shù)對(duì)干濕環(huán)境變化響應(yīng)敏感，受局部小氣候影響河北省地區(qū)植被異常指數(shù)變化的區(qū)域性差異很大。
張家口市和承德市之間的壩上草原地區(qū)分別于2004年和2001年出現(xiàn)最高值和最低值;河北省中部保定市、石家莊市、衡水市一帶的農(nóng)業(yè)種植區(qū)則于2007年和2001年出現(xiàn)最高值和最低值，2008年時(shí)該區(qū)的植被異常指數(shù)也達(dá)到較高值。
就整個(gè)地區(qū)植被異常指數(shù)的平均狀況來(lái)看，2001年是降水量較低和氣溫較低的年份，研究區(qū)植被異常指數(shù)平均值為-1.14，成為植被覆蓋最低的一年;2008年和2004年均是降水量較高和氣溫較低的年份，研究區(qū)植被異常指數(shù)平均值為0.90、0.62，成為植被覆蓋最高的兩個(gè)年份。
2003年降水最多，氣溫也較低，植被異常指數(shù)小于0的面積占總面積的57.3%;2002年降水最少，年累積降水量占平均值的86.3%，受干旱脅迫，研究區(qū)79.0%的面積植被異常指數(shù)小于0，整個(gè)區(qū)域的平均值也降到了-0.61(表1)。
4.3 NDVI與氣候因素相關(guān)分析
為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及研究結(jié)果的可信度，植被NDVI變化對(duì)氣候因子的響應(yīng)采用逐站點(diǎn)進(jìn)行偏相關(guān)分析的方法，具體做法為：根據(jù)研究區(qū)氣象站點(diǎn)位置，利用ArcGIS提取各個(gè)氣象站點(diǎn)周邊(3 km×3 km)年NDVI平均值，作為該站點(diǎn)的NDVI值，進(jìn)而與各個(gè)站點(diǎn)的年平均、降水量進(jìn)行偏相關(guān)分析。
以年為時(shí)間單位，分別計(jì)算各站點(diǎn)NDVI與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)，其中NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)均為正值，且整體呈下降趨勢(shì);NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)在正負(fù)之間波動(dòng)，且整體呈下降趨勢(shì)(圖8)。
在空間上，NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)較大的區(qū)域在承德市南部、秦皇島市、唐山市等地，而負(fù)相關(guān)區(qū)域主要為承德市北部、張家口市與承德市交界處、滄州市南部以及石家莊市等地;NDVI與降水偏相關(guān)系數(shù)高值區(qū)在廊坊市、保定市、滄州市北部和張家口市等地，且負(fù)相關(guān)區(qū)域位于承德市北部、張家口市及邢臺(tái)市(圖9)。
4.4 NDVI與地形影響因素分析
在研究區(qū)內(nèi)選取20個(gè)樣點(diǎn)區(qū)，樣點(diǎn)區(qū)選擇與河北省境內(nèi)20個(gè)氣象站相同的地理分布，統(tǒng)計(jì) NDVI和海拔高度的平均值，計(jì)算海拔高度與NDVI的相關(guān)系數(shù)。
在不區(qū)分植被類(lèi)型的情況下，2002年的NDVI與海拔高度的相關(guān)系數(shù)為-0.159，2004年為-0.189，2006年為-0.12，2008年為-0.262。
結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的植被指數(shù)與海拔高度呈現(xiàn)弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。
其原因可能是植被類(lèi)型較多，植被指數(shù)還受海拔高度、地形地貌、氣候、植被覆蓋等因素影響，因此當(dāng)所有影響因素混在一起時(shí)，海拔高度的影響變得不明顯。
在研究區(qū)內(nèi)選取分布廣泛的針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、草地、灌叢、農(nóng)田6種植被類(lèi)型為研究對(duì)象，研究不同植被類(lèi)型的植被指數(shù)與海拔高度的關(guān)系。
具體方法如下：將河北省地區(qū)按照每100 m等高距進(jìn)行分級(jí)分區(qū)，并統(tǒng)計(jì)該區(qū)在不同海拔等級(jí)上所包括的所有植被類(lèi)型的平均植被指數(shù)，以此來(lái)分析海拔高度與不同植被類(lèi)型平均植被指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。
由圖10可知，不同類(lèi)型的植被NDVI隨海拔梯度的上升有不同的變化規(guī)律，而不同時(shí)間的同種類(lèi)型的植被NDVI隨海拔梯度的變化具有相似的變化規(guī)律。
河北地區(qū)的林地主要分布于海拔500 m以上的地區(qū)，植被類(lèi)型主要為針葉林、闊葉林和針闊混交林，在海拔500～1 500 m之間植被指數(shù)比較平穩(wěn)，隨著海拔的升高，植被指數(shù)緩慢下降。
灌叢主要分布于海拔300 m以上的地區(qū)，在海拔300～2 000 m之間植被指數(shù)比較平穩(wěn)，隨著海拔的升高，灌叢零星分布。
草地主要分布于海拔200 m以上的地區(qū)，其植被指數(shù)隨著海拔高度的增長(zhǎng)，總體上比較平穩(wěn)但變化曲線(xiàn)出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。
由于草原的植被種類(lèi)較多，分布區(qū)域廣，且草原的植被類(lèi)型本身決定了其容易受溫度、降水等因素的影響，因此，變化曲線(xiàn)的波動(dòng)較大。
分界點(diǎn)大致出現(xiàn)在1 500 m左右，低于分界點(diǎn)植被指數(shù)緩慢下降，分界點(diǎn)1 500 m以上植被指數(shù)緩慢上升。
說(shuō)明河北地區(qū)的該海拔高度適合草甸植被的生長(zhǎng)，其中張家口和承德壩上地區(qū)平均海拔在1 500 m左右，屬于典型的草甸式草原。
農(nóng)田主要分布在海拔2 000 m高度以下的地區(qū)，植被指數(shù)隨著海拔高度的升高，基本保持不變，始終在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化，這主要因?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)人工生態(tài)系統(tǒng)，不能單純依據(jù)海拔的變化決定其生長(zhǎng)狀況。
根據(jù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算2001和2010年不同植被類(lèi)型與海拔高度的相關(guān)系數(shù)(表2)。
由表2可知，闊葉林、針闊葉混交林和農(nóng)田的植被指數(shù)與海拔高度有一定的負(fù)相關(guān)性，但相關(guān)性不大;針葉林、灌叢和草地的植被指數(shù)與海拔高度有較強(qiáng)的正相關(guān)性。
受河北省整體海拔高度的影響，不同植被類(lèi)型的植被指數(shù)在海拔差異不明顯的情況下，受地形的影響不大。
4.5 NDVI與人為因素分析
河北省是農(nóng)業(yè)和人口大省，耕地面積、人口數(shù)量的變化和政策導(dǎo)向是人類(lèi)活動(dòng)影響的重要方面。
本研究分析了耕地面積、人口數(shù)量與植被NDVI的相關(guān)關(guān)系。
耕地?cái)?shù)據(jù)為2001-2008年的數(shù)據(jù)，耕地面積呈下降趨勢(shì)。
人口數(shù)據(jù)為2001-2010年河北省統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，人口數(shù)量呈上升趨勢(shì)(圖11)。
由于人口數(shù)據(jù)和耕地?cái)?shù)量變化以年平均值作為計(jì)算單位，它們的變化程度相對(duì)平緩。
人口數(shù)量的增加和耕地?cái)?shù)量的持續(xù)減少對(duì)植被覆蓋情況有影響，但影響不大，植被NDVI各年仍波動(dòng)較大，說(shuō)明近年來(lái)植被NDVI的波動(dòng)在一定程度上歸因于氣候變化的影響。
人口和耕地的數(shù)據(jù)后期需要細(xì)化，以期更好的對(duì)植被指數(shù)變化研究進(jìn)行模擬演算。
5 小結(jié)與討論
根據(jù)2001-2010年的河北省MODIS/NDVI遙感數(shù)據(jù)及土地覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)，和與之相匹配的河北省地區(qū)各氣象站點(diǎn)氣溫、降水觀測(cè)資料，DEM數(shù)據(jù)和河北省耕地、人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行河北省地區(qū)針葉林、闊葉林、針闊葉混交林、灌叢、農(nóng)田、濕地、草地和非植被8種主要植被類(lèi)型的NDVI與氣溫、降水、DEM、人為因素的影響關(guān)系研究，得出以下結(jié)論。
1)2001-2010年河北省境內(nèi)針葉林、闊葉林、濕地植被覆蓋類(lèi)型NDVI變化最劇烈，灌叢、草地次之，其他植被類(lèi)型變化不明顯。
河北省地區(qū)NDVI與氣溫和降水均有一定的偏相關(guān)性，NDVI的波動(dòng)與降水變化均為正的偏相關(guān)，與氣溫變化的偏相關(guān)性有正有負(fù)。
近年來(lái)降水量的增加，是研究區(qū)NDVI增長(zhǎng)的一方面原因。
當(dāng)然，科學(xué)的農(nóng)業(yè)措施也會(huì)改變植被生長(zhǎng)對(duì)氣候條件的依賴(lài)。
2)河北省NDVI與地形有一定的相關(guān)性。
分析原因?yàn)榱值亍⒐鄥矊?duì)溫度、降水等環(huán)境因素的響應(yīng)不敏感，而近年來(lái)政府加強(qiáng)了環(huán)境保護(hù)力度，人工林的增加使林地對(duì)氣溫、降水的依賴(lài)減小，相關(guān)性減弱，因此這些植被的植被指數(shù)隨海拔的變化趨勢(shì)一致，波動(dòng)較小。
而草類(lèi)植被易受氣溫、降水等因素影響，隨著海拔的升高，氣溫、降水有較明顯變化，所以這類(lèi)植被的植被指數(shù)波動(dòng)也變大。
農(nóng)田變化主要受人為和氣候因素兩方面的干擾，當(dāng)?shù)鼐用褚虻刂埔耍x擇合適的農(nóng)作物來(lái)適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，因此與影響因素的關(guān)聯(lián)也相對(duì)減弱。
3)人類(lèi)活動(dòng)僅考慮耕地和人口兩方面不免片面，而森林濫砍濫伐、農(nóng)田過(guò)度開(kāi)墾、植被過(guò)度放牧和城市擴(kuò)張，使植被趨于退化，受人類(lèi)活動(dòng)影響較大。
但河北省近年來(lái)推行京津風(fēng)沙源治理、三北防護(hù)林、太行山綠化、沿海防護(hù)林等重點(diǎn)造林項(xiàng)目，保護(hù)環(huán)境的力度不斷加大，也是河北省地區(qū)植被改善的主要原因。
本研究中雖考慮了氣候因子(溫度、降水)、地形因素(高程)和人為因素對(duì)植被的影響，如果對(duì)各因素進(jìn)行綜合分析，通過(guò)建立相關(guān)數(shù)值模型，模擬和預(yù)測(cè)區(qū)域植被覆蓋，采用物理意義更為明確的生態(tài)模型來(lái)進(jìn)行機(jī)理性分析，將更具實(shí)際指導(dǎo)作用，這也將是下一步工作的方向及任務(wù)。
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