2000—2016年赤水河流域植被生態(tài)質(zhì)量變化分析

黃林峰,田鵬舉,帥士章,廖 瑤,劉 蕓

(1.貴州省生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 引言

植被是地球上物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的樞紐，在生態(tài)系統(tǒng)中具有非常重要的作用。植被不僅是重要的環(huán)境要素,也是陸地生態(tài)系統(tǒng)敏感的狀態(tài)指示因子[1]。植被作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，其具有豐富的生物多樣性、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和生態(tài)過(guò)程，植被的變化影響到許多重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，在固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、維護(hù)生物多樣性和保持生態(tài)平衡等方面具有不可替代的作用[2]。生物生產(chǎn)力是生物及其群體甚至更大尺度(包括生態(tài)系統(tǒng))上生命有機(jī)體的物質(zhì)生產(chǎn)能力，隨環(huán)境不同而發(fā)生變化，因此其又成為生態(tài)環(huán)境變化和生態(tài)系統(tǒng)健康與否的指示物。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力是指綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所能累積的有機(jī)物數(shù)量，一般以每平方米干物質(zhì)的含量(克碳/平方米，gC/m2)來(lái)表示，簡(jiǎn)稱植被NPP。NPP既是判定生態(tài)系統(tǒng)碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的主要因子，更是直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力，表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況[3]。

赤水河是長(zhǎng)江干流上游右岸的一級(jí)支流，是我國(guó)長(zhǎng)江上游的重要生態(tài)屏障[4]。流經(jīng)云南、貴州和四川三省，于四川省合江縣匯入長(zhǎng)江，干流全長(zhǎng)436.5 km，流域面積20 440 km2。赤水河流域?qū)僦衼啛釒А蟻啛釒駶?rùn)氣候區(qū)，具有溫暖濕潤(rùn)、無(wú)霜期長(zhǎng)、降水量大的特點(diǎn)。其特殊的地理環(huán)境，形成了獨(dú)特的氣候生態(tài)特點(diǎn)。該區(qū)域立體氣候特點(diǎn)顯著，造就了這里奇特的地貌植被景觀，山峰挺秀、森林蔥郁。近年來(lái)，全面貫徹“五大發(fā)展理念”，在赤水河流域開展生態(tài)文明制度改革試點(diǎn)和生態(tài)治理、保護(hù)取得明顯成效。

蔡宏等[5]基于RS和GIS技術(shù)對(duì)赤水河流域植被覆蓋度與各地形因子的相關(guān)強(qiáng)度進(jìn)行了研究分析。Yang等[6]以貴州赤水流域?yàn)檠芯繉?duì)象，選取水土流失敏感性，并以喀斯特石漠化敏感性評(píng)價(jià)為背景進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)。高一[7]基于貴州省各縣(市)生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)、污染負(fù)荷指數(shù)及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)等一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)貴州省的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了初步的評(píng)價(jià)。牛魯燕等[8]應(yīng)用全球植被指數(shù)變化研究數(shù)據(jù)(GIMMS)，分析了貴州省1982—2003年的地表植被覆蓋。王之明等[9]簡(jiǎn)述了遙感技術(shù)在貴州省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中的應(yīng)用。許幼霞等[10]通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間序列較空間高分辨率植被生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析，分析了貴州省1990—2015年植被生態(tài)環(huán)境質(zhì)量宏觀動(dòng)態(tài)變化特征。田鵬舉[11-12]利用貴州省長(zhǎng)時(shí)間序列的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)研究分析了貴州省與喀斯特石漠化區(qū)植被的時(shí)空變化特征。

2 遙感模型與數(shù)據(jù)

植被覆蓋度表示植被地上部分垂直投影面積占地面面積的百分比，其為衡量生態(tài)綠化程度的數(shù)量指標(biāo)。目前已經(jīng)發(fā)展了很多利用遙感測(cè)量植被覆蓋度的方法，較為實(shí)用的方法是利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度，常用的植被指數(shù)為NDVI。植被覆蓋度模型：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

其中, NDVIsoil為完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

基于植被光能利用率模型，利用NDVI和地面氣象監(jiān)測(cè)等資料，估算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP。光能利用率(LUE)是單位面積上生產(chǎn)的干物質(zhì)所包含的化學(xué)潛能與同一時(shí)間投射到該面積上的光合有效輻射能的比值。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，植物吸收的光合有效輻射已經(jīng)可以利用遙感信息進(jìn)行估算。光能利用模型可以用Monteith方程來(lái)表示：

NPP=APAR×ε

(2)

式中，APAR為植物吸收的光合有效輻射，由植被光合有效輻射(PAR)和植被對(duì)光合有效輻射的吸收比例(FPAR)求??；ε為植被的光能利用率，它受溫度、降水和植被類型等的影像。1993年P(guān)otter等[13]建立的CASA模型中，APAR分別有太陽(yáng)總輻射和植被NDVI計(jì)算得出，ε有氣象數(shù)據(jù)和最大光能利用率估算。由于這3個(gè)值雖時(shí)間變化較大，通常以月為時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算：

APAR(x,t)=PAR(x,t)·FPAR(x,t)

(3)

其中PAR(x,t)為像元x在t月接收的光合有效輻射[MJ/(m2·月)]；FPAR(x,t)為像元x在t月對(duì)光合有效輻射的吸收比例：

PAR(x,t)=0.5SQL(x,t)

(4)

FPAR=1.67NDVI-0.07

(5)

ε(x,t)=Tε1(x,t)Tε2(x,t)Wε1(x,t)ε*

(6)

式中，SQL(x,t)為像元x在t月接收的太陽(yáng)總輻射量[MJ/(m2·月)]；常數(shù)0.5為植被所能利用的太陽(yáng)有效輻射占太陽(yáng)總輻射的比例，為經(jīng)驗(yàn)取值；ε(x,t)為像元x在t月實(shí)際光能利用率(gC/MJ)；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)分別為低溫和高溫條件對(duì)光能利用率的脅迫作用；Wε(x,t)為水分脅迫；ε*為理想條件下的光能利用率，其值受植被類型等因數(shù)影響。

利用植被凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP[14]和植被覆蓋度構(gòu)成植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)[15]，綜合監(jiān)測(cè)評(píng)估植被生態(tài)質(zhì)量的優(yōu)劣，其值越大，表明植被生態(tài)質(zhì)量越好。植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)模型：

(7)

其中，Qi表示第i年植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)，VFCi表示第i年植被覆蓋度；NPPi表示第i年植被NPP，NPPm表示監(jiān)測(cè)年份中NPP最大值，即當(dāng)?shù)刈詈脷庀髼l件下植被NPP。

本文根據(jù)國(guó)家氣象中心基于8 km MODIS遙感和地面氣象等監(jiān)測(cè)資料估算的貴州區(qū)域2000—2016年植被覆蓋度、NPP、植被覆蓋度變化趨勢(shì)、NPP變化趨勢(shì)資料，并利用赤水河流域各縣氣象站監(jiān)測(cè)的年平均溫度和年降水量的均值代表赤水河流域的整體氣候條件水平，研究分析赤水河流域植被生態(tài)質(zhì)量變化情況以及氣候條件最植被生態(tài)的影響。

3 植被生態(tài)質(zhì)量變化分析

3.1 植被覆蓋度變化

基于MODIS衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，年植被覆蓋度由各月植被覆蓋度平均求算得到，其反映植被全年平均覆蓋程度。圖1給出了赤水河流域逐年植被覆蓋度變化，可見2000年以來(lái)流域植被覆蓋度呈顯著上升趨勢(shì)(平均每10 a增加6.8%)。流域植被覆蓋度從2000年的55.4%增加到2016年的67.4%，2016年植被覆蓋度為17 a來(lái)最高，2010年和2011年植被覆蓋度值與變化趨勢(shì)偏低相對(duì)明顯。

圖1 2000—2016年赤水河流域植被覆蓋度年際變化圖Fig.1 Interannual variation of vegetation coverage in the Chishui River Basin during 2000—2016

圖2給出了2016年赤水河流域植被覆蓋度的空間分布。由圖可知：2016年赤水河流域植被覆蓋度整體相對(duì)較高，大部分區(qū)域都在60%～70%之間；流域中部偏北地區(qū)植被覆蓋度超過(guò)70%，在古藺縣北部與習(xí)水縣交界區(qū)域、習(xí)水縣北部等區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度最高；僅合江縣部分區(qū)域覆蓋度相對(duì)較低(低于60%)。

圖2 2016年赤水河流域植被覆蓋度空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of vegetation coverage in the Chishui River Basin in 2016

圖3給出了2000—2016年赤水河流域植被覆蓋度變化趨勢(shì)的空間分布。2000—2016年整個(gè)赤水河流域植被覆蓋度變化趨勢(shì)均大于零。赤水市、敘永縣、畢節(jié)市、大方縣、金沙縣等區(qū)域植被覆蓋增加速率較明顯，峰值區(qū)位于大方縣北部區(qū)域，平均年增長(zhǎng)率超過(guò)1.0%。古藺縣與習(xí)水縣交界區(qū)域、習(xí)水縣北部、桐梓縣西南部、仁懷市中南部和北部等區(qū)域增長(zhǎng)速率相對(duì)緩慢。

圖3 2000—2016年赤水河流域植被覆蓋度變化趨勢(shì)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of the change trend of vegetation coverage in the Chishui River Basin during 2000—2016

3.2 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化

2000年以來(lái)赤水河流域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)， 2016年達(dá)到近17 a最大值(圖4)。特別是大方縣北部、金沙縣北部等區(qū)域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增加明顯，平均年增長(zhǎng)超過(guò)10 gC/m2，而古藺縣北部與習(xí)水縣交界區(qū)域、習(xí)水縣北部、仁懷市中南部等區(qū)域增加速率相對(duì)緩慢(圖6)。

圖4 赤水河流域植被凈初生產(chǎn)力年際變化圖Fig.4 Interannual variation of vegetation NPP in the Chishui River Basin during 2000—2016

2016年赤水河流域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的分布情況(圖4)與植被覆蓋度較為相似，流域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在792～1 229 gC/m2，古藺縣北部區(qū)域、赤水市東部、習(xí)水縣北部等區(qū)域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力較高，超過(guò)1 100 gC/m2，仁懷市、合江縣則相對(duì)較低。

圖5 2016年赤水河流域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of vegetation NPP in the Chishui River Basin in 2016

圖6 2000—2016年赤水河流域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì)空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of the change trend of vegetation NPP in the Chishui River Basin during 2000—2016

3.3 植被生態(tài)質(zhì)量與氣象條件分析

植被生態(tài)質(zhì)量是衡量自然生態(tài)狀況的關(guān)鍵指標(biāo)?；?000—2016年赤水河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)變化，可以對(duì)流域植被變化情況進(jìn)行一個(gè)綜合性的定量分析。2000年以來(lái)，赤水河流域植被生態(tài)質(zhì)量趨于改善(圖7)，表明植被生態(tài)質(zhì)量整體向好發(fā)展。流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)變化存在一定的波動(dòng)，在2003年、2010—2012年出現(xiàn)明顯低值年份，2013—2016年期間增長(zhǎng)明顯，2016年達(dá)到近17 a最高值，植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)高達(dá)83.7。

圖7 赤水河流域植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)年際變化圖Fig.7 Interannual variation of vegetation ecological quality index in the Chishui River Basin during 2000—2016

根據(jù)2000年以來(lái)赤水河流域年降水量變化趨勢(shì)(圖8)分析，赤水河流域年降水量呈增加趨勢(shì)，平均值為1 036.9 mm。降水增多有利于提高土壤墑情、促進(jìn)植被生長(zhǎng)、改善陸地植被生態(tài)質(zhì)量；降水增加也利于庫(kù)塘江河蓄水，提升水資源儲(chǔ)備，增強(qiáng)抗旱能力。2000年以來(lái)赤水河流域平均氣溫總體呈升高態(tài)勢(shì)(圖9)，年平均氣溫為16.8 ℃，充足的水熱條件有利于植被生長(zhǎng)。

圖8 2000—2016年赤水河流域年降水量變化圖Fig.8 The variation of annual rainfall in the Chishui River Basin during 2000—2016

圖9 2000—2016赤水河流域平均溫度變化圖Fig.9 The variation of annual mean temperature in the Chishui River Basin during 2000—2016

在植被覆蓋度、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力及植被生態(tài)質(zhì)量整體增長(zhǎng)的趨勢(shì)下，2003年、2011年各項(xiàng)指標(biāo)異常偏低(圖7)，這與2003年降水偏少，2009—2011年連續(xù)遭受的特大干旱過(guò)程有密切關(guān)系。特別是2009年秋冬連旱疊加2010年春旱，2011年春季降水明顯偏少、氣溫顯著偏低，連續(xù)干旱過(guò)程導(dǎo)致地下水位降低，土壤水分不足，對(duì)植被生長(zhǎng)造成嚴(yán)重影響。在干旱過(guò)程結(jié)束后的降水增多年份各指數(shù)均快速回升。

4 總結(jié)與討論

赤水河流域是長(zhǎng)江上游重要的一級(jí)支流，保護(hù)赤水河關(guān)系著保護(hù)長(zhǎng)江的生態(tài)環(huán)境。2000—2016年赤水河流域植被生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析結(jié)果表明赤水河流域植被生態(tài)質(zhì)量改善顯著，近17 a期間赤水河流域植被覆蓋度、凈初級(jí)生產(chǎn)力以及植被生態(tài)質(zhì)量都呈現(xiàn)總體上升趨勢(shì)：赤水河流域覆蓋度平均每10 a增加6.8%，2016年平均植被覆蓋度達(dá)到67.4%；流域植被NPP平均每10 a增加63 gC/m2，2016年平均植被NPP達(dá)到1 024 gC/m2；近17 a植被生態(tài)質(zhì)量提高，特別是2013年以流域植被生態(tài)質(zhì)量改善效果明顯，2016年植被生態(tài)質(zhì)量為2000年以來(lái)最好，植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)高達(dá)83.7。

赤水河流域植被生態(tài)質(zhì)量的不斷改善與近年來(lái)赤水河流域緊密圍繞加快建設(shè)生態(tài)文明戰(zhàn)略，構(gòu)建優(yōu)美生態(tài)環(huán)境有著密切的聯(lián)系。但赤水河流域生態(tài)質(zhì)量空間仍存在分布不均，部分區(qū)域植被覆蓋相對(duì)偏低，各市縣還需有針對(duì)性地加強(qiáng)生態(tài)質(zhì)量相對(duì)偏差和生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)綜合保護(hù)和治理力度，整體提高全流域植被生態(tài)質(zhì)量水平。氣候條件是地區(qū)生態(tài)質(zhì)量好壞的前置條件，赤水河流域總體水熱氣候條件較好，有利于植被生長(zhǎng)，但干旱、凝凍等氣象災(zāi)害仍是影響區(qū)域植被生態(tài)質(zhì)量的主要自然因素，需要注意防災(zāi)抗旱，適時(shí)開展人工增雨，增加生態(tài)用水。