云南省建水縣石漠化修復模式評價

肖林穎 吳秀芹,?

云南省建水縣石漠化修復模式評價

肖林穎1,2,3吳秀芹1,2,3,?

1.北京林業(yè)大學水土保持學院, 北京 100083; 2.北京林業(yè)大學水土保持國家林業(yè)局重點實驗室, 北京 100083; 3.北京林業(yè)大學云南建水荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站, 建水 654399; ?通信作者, E-mail: wuxq@bjfu.edu.cn

基于 1992—2017 年 Landsat TM 數(shù)據(jù)、建水縣森林資源二類調查數(shù)據(jù)及云南省石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù), 借助Mann-Kendall 突變分析和趨勢分析等方法, 探討近 25 年云南省建水縣植被的時空變化特征及不同石漠化修復模式下的植被恢復情況。結果表明: 1)25 年間, 建水縣植被覆蓋整體上呈上升趨勢, 平均增速為 0.065%/ 10a, 以 2008 年為界, 增速由之前的 0.077%/10a 增加到 0.475%/10a; 2)25 年間, 建水縣植被覆蓋呈增加趨勢的區(qū)域、無顯著變化區(qū)域及呈減少趨勢的區(qū)域面積占比分別為 55.32％, 34.44％和 10.24％; 3)對于不同修復模式, 在 10 年的修復時間范圍內, 純生態(tài)林模式與混交生態(tài)林模式下植被恢復效果差別不大, 而在 25 年的修復時間范圍內, 混交生態(tài)林模式下植被修復速率明顯優(yōu)于純生態(tài)林修復模式, 優(yōu)勢主要展現(xiàn)在修復后期。短期內, 純生態(tài)林模式中闊葉樹和榿木的植被修復效果較好; 從長期看, 云南松和車桑子是較好的修復樹種?；旖簧鷳B(tài)林模式中, 針葉混交林修復速率在 10 年和25 年修復時間范圍內均表現(xiàn)最優(yōu), 是較好的混交模式。研究結果揭示了不同治理模式對植被恢復的效果, 可為優(yōu)化石漠化區(qū)域生態(tài)修復方法提供理論依據(jù)。

植被修復; 石漠化治理模式; 喀斯特; 歸一化植被指數(shù)(NDVI); 樹種

石漠化是一種典型的土地退化過程, 廣泛分布于中國西南地區(qū), 已成為我國三大生態(tài)災害之一。為了有效地遏制石漠化的擴張, 當?shù)卣扇×艘幌盗猩鷳B(tài)修復措施。根據(jù)國家林業(yè)局《中國石漠化狀況公報》[1], 截至 2016 年底, 西南喀斯特地貌區(qū)域(涉及黔、滇、桂、湘、鄂、渝、川和粵 8 個省(區(qū)、市))石漠化面積為 1007 萬公頃(100700km2), 與 2011 年相比, 凈減少 193.2 萬公頃(19320km2), 減少幅度為 16.1%, 年均減少 38.6 萬公頃(3860km2), 年均縮減率為 3.45%。

為了在保障農民經濟水平提高的同時, 有效地遏制石漠化并修復石漠化區(qū)域的植被, 國內外學者在生態(tài)治理效益評估方面開展了大量研究。在宏觀尺度上, 諸多學者利用層次分析法、壓力響應模型以及集合經驗模型等方法, 對石漠化區(qū)域植被恢復情況和影響因子進行定量的研究[2?4]。在中觀尺度上, 張俞等[5]分析示范區(qū)內不同樹種的土壤呼吸日動態(tài)特征, 闡明中國南方喀斯特石漠化生態(tài)治理工程背景下土壤呼吸作用的時空動態(tài)變化特征及其影響因素。曹洋等[6]研究示范區(qū)植被覆蓋變化及其對氣候因子的響應, 揭示喀斯特石漠化治理示范區(qū)植被覆蓋變化以及氣候因子對植被覆蓋變化的影響。在微觀尺度上, 研究者們通過不同植被修復模式下土壤微生物群落差異, 判斷石漠化治理區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復情況[7?9]。在不同的時間尺度上, 空間異質性對人類活動和氣候變化的響應具有差異性, 對多種時間尺度的研究結果揭示, 生態(tài)修復措施存在一定的滯后性[10]。綜合石漠化區(qū)域的治理情況對不同修復模式進行效益評價, 有助于政策的制定和實施, 對更高效地實施區(qū)域生態(tài)治理措施有重要意義。

建水縣位于云南省南部紅河北岸, 地處滇東高原與滇西橫斷山的結合部, 受地質和氣候因素驅動, 形成較典型的巖溶地貌(溶蝕洼地、峰叢、地下河和溶洞等)。該地區(qū)土地貧瘠, 水土流失嚴重, 大面積的巖石裸露, 是石漠化分布廣泛的原因之一。20世紀以來, 在以中度石漠化為主的云南省建水縣實施以封山育林、封山管護和人工造林為主的多種模式的生態(tài)治理工程。為了探究這些修復模式的區(qū)域適宜性, 本文利用 1992—2017 年的 Landsat 遙感影像以及 2005 年和 2010 年兩期建水縣石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù), 借助殘差分析和 Mann-Kendall 趨勢分析方法, 評估建水縣不同生態(tài)修復模式下植被的恢復效果, 并篩選出適合該區(qū)域的生態(tài)修復模式, 以期為喀斯特區(qū)域生態(tài)修復的政策制定與實施提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

建水縣隸屬云南省紅河哈尼族彝族自治州(圖 1 (a)), 地理坐標為 102°33′18″—103°11′42″E, 23°12′42″ —24°10′32″N。全縣南北長 107km, 東西寬 58km,面積為 3789km2, 山區(qū)和半山區(qū)占 89%。地勢南高北低(圖 1(b)), 境內河流分屬南盤江水系和紅河水系。建水縣屬南亞熱帶高原季風氣候, 四季不明顯, 干濕季分明, 雨熱同季, 夏天酷暑, 冬無嚴寒, 四季溫暖, 少雨干旱。壩區(qū)年平均氣溫為 18.5℃, 最高達 19.3℃(1981 年), 最低為 17.7℃(1971 年), ≥0℃的有效積溫為 3126.21℃。年平均降雨量約為 800mm, 全年降雨的 80%集中在 5—10 月, 冬春季較干旱。由于喀斯特地貌區(qū)土層薄, 降水下滲快, 水土保持能力差, 加上不合理的土地利用方式, 導致建水縣石漠化情況嚴重。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)主要獲取自美國地質調查局(United States Geological Survey, USGS)的 1992—2017 年每年 4—9 月 Landsat TM/ETM+系列數(shù)據(jù)(https://earthexplorer.usgs.gov/), 空間分辨率為 30m ×30m, 共計 26 期, 進而獲得基于像元的歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI),用于表征當年的植被覆蓋狀況。石漠化分布數(shù)據(jù)及治理模式數(shù)據(jù)來自建水縣 2006 年森林資源二類調查數(shù)據(jù)及 2005 和 2011 年云南省石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI回歸分析

本文采用基于像元的一元回歸方程, 利用 1992—2017 年 NDVI 數(shù)據(jù)模擬 NDVI 的變化趨勢, 計算公式[11]如下:

2.2.2 Mann-Kendall突變分析

Mann-Kendall 突變分析方法(MK 突變檢測)[12]常用于氣象研究, 對要素從一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的檢驗非常有效。本文將 Mann-Kendall 突變分析方法用于 NDVI 的時間序列, 探討NDVI 在各時間節(jié)點的變化情況。利用時間序列{x,=1, 2, …,}和觀察值序列{r,=1, 2, …,}, 構造一個秩序列:

其中,

在時間序列隨機獨立的假定下, 定義統(tǒng)計量:

其中, UF1=0。當1,2,…,x相互獨立且有相同的連續(xù)分布時,(S)及Var(S)可由下式計算:

UF為標準正態(tài)分布, 是由時間序列{x}計算得出的統(tǒng)計量序列。

按時間序列的逆序序列x,x?1, …,1重復上述過程, 同時令 UB= ?UF(=,? 1, …, 1)。分別將 UF和 UB曲線以及顯著性水平線繪在同一個圖上, 若 UF和 UB值大于 0, 表明序列呈上升趨勢, 小于 0 則呈下降趨勢。當超過臨界直線時, 表明上升或下降趨勢顯著, 超過臨界線的范圍確定為突變的時間區(qū)域。如果 UF和 UB兩條曲線出現(xiàn)交點, 且交點在臨界線之間, 那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

3 結果與分析

3.1 建水縣 1992—2017 年間植被覆蓋度的時空變化

3.1.1 植被覆蓋度隨時間的變化

對建水縣 1992—2017 年平均 NDVI 進行一元回歸分析及 MK 突變檢測, 結果如圖 2 所示?？梢钥闯? 平均 NDVI 整體上呈上升趨勢, 增速為 0.065%/ 10a。根據(jù) UF和 UB的曲線交點位置, 確定植被覆蓋度的突變發(fā)生在 2008年左右, 1992—2008 年呈持續(xù)上升的趨勢, 增速為 0.077%/10a; 2008—2017 年間增長趨勢整體上加快, 增速升至 0.475%, 但由于嚴重干旱, 2013 年植被覆蓋度明顯下降。建水縣于2008 年被國家林業(yè)局列為云南省石漠化綜合治理試點縣, 并且早在 2005 年就開始石漠化監(jiān)測和綜合治理工作[13?14]。植被變化時間趨勢和突變檢測結果表明, 在石漠化綜合治理實施 3 年后, 建水縣植被恢復效果初步顯現(xiàn)。

3.1.2 植被覆蓋度的空間分布

建水縣 1992—2017 年的 NDVI 具有較大的空間異質性, 呈現(xiàn)中部低、東南高的特征(圖 3)。北部和南部植被覆蓋較好的區(qū)域主要是海拔較高的山區(qū), 也是石漠化綜合治理工程的主要實施區(qū)域。

根據(jù) MK 趨勢分析結果, 本文將 NDVI 的變化趨勢分為極顯著下降(0.005) 7 個等級。1992—2017 年間建水縣植被覆蓋度上升的區(qū)域達到 55.32％, 其中顯著上升和極顯著上升的區(qū)域約占 7.01%, 無顯著變化的區(qū)域占 34.44％, 下降的區(qū)域占 10.24％。2008 年前后, NDVI 變化趨勢及空間分布有明顯的變化。其中, 1992—2008 年間植被恢復情況受海拔高度的影響較大, 植被覆蓋度呈上升趨勢的區(qū)域主要分布在中部和南部平原, 占建水縣總面積的 45.50%; 11.60%的區(qū)域植被覆蓋度無顯著變化, 連片分布在西部高海拔區(qū)域; 植被覆蓋度下降的區(qū)域占總面積的 42%, 主要分布在南部和東北部的高海拔區(qū)域。2008—2017 年建水縣 NDVI增長速率明顯高于 1992—2008 年, 且受石漠化治理工程影響較大, 植被覆蓋度呈現(xiàn)上升趨勢的區(qū)域擴大到 56.35%, 其中顯著上升和極顯著上升區(qū)域占31.01%; 無顯著變化區(qū)域占 6.83%, 呈分散狀分布; 植被覆蓋度下降的區(qū)域明顯減少, 占縣域總面積的35.46%, 主要分布在南部高海拔區(qū)域(圖 4)。

3.2 建水縣植被修復模式

根據(jù)石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù), 按照林分特征和石漠化治理措施, 將建水縣植被修復模式劃分為純生態(tài)林修復模式、混交生態(tài)林修復模式和經濟林模式(圖5(a))。按照優(yōu)勢樹種, 將純生態(tài)林修復模式劃分為云南松林、桉樹林、榿木林、車桑子林和其他闊葉林(圖 5(b)), 將混交生態(tài)林修復模式分為針葉混交林、闊葉混交林和針闊混交林(圖 5(c))。并且, 對不同修復模式在不同修復時間范圍內的修復效果進行對比。

3.3 建水縣生態(tài)修復模式評價

3.3.1不同生態(tài)修復模式下 NDVI 的變化情況

表 1 顯示, 1992—2008 年間, 所有模式下 NDVI均呈上升趨勢, 混交生態(tài)林種植區(qū)域 NDVI 的增長速率稍高于純生態(tài)林種植區(qū)域, 經濟林種植區(qū)域的NDVI 增長速率明顯低于混交生態(tài)林和純生態(tài)林種植區(qū)域; 1992—2017 年間, 混交生態(tài)林種植區(qū)域的NDVI 增長速率明顯高于純生態(tài)林和經濟林種植區(qū)域, 純生態(tài)林與經濟林種植區(qū)域的 NDVI 增長速率差別不大。從兩個時段的植被恢復速率來看, 在實施生態(tài)修復措施的前 10 年, 混交生態(tài)林與純生態(tài)林種植區(qū)域的植被修復效果差別不大, 但明顯好于經濟林生態(tài)修復模式。但是, 從實施生態(tài)治理的 25 年時間范圍來看, 混交生態(tài)林修復模式的優(yōu)勢體現(xiàn)出來, 植被修復效果明顯好于純生態(tài)林和經濟林修復模式。

3.3.2 純生態(tài)林修復模式下不同樹種 NDVI 的變化情況

表 2 顯示, 純生態(tài)林修復模式下, 1992—2008年間 NDVI 增長速率的排序為其他闊葉林>榿木>云南松>桉樹>車桑子, 1992—2017 年間 NDVI 增長速率的排序為云南松>車桑子>桉樹>其他闊葉林>榿木; 桉樹、車桑子和云南松種植區(qū)域 NDVI 均呈上升趨勢, 桉樹種植區(qū)域上升速率明顯低于云南松和車桑子, 其他闊葉林和榿木種植區(qū)域則處于下降趨勢。從兩個時段的植被恢復速率來看, 在實施生態(tài)修復措施的前 10 年, 各樹種均展現(xiàn)較好的植被修復效果, 其他闊葉林和榿木的植被修復效果優(yōu)于云南松、車桑子和桉樹。但是, 從實施生態(tài)治理的 25 年時間范圍來看, 云南松種植區(qū)域的植被修復優(yōu)勢明顯強于其他樹種, 其他闊葉林和榿木在種植 10 年后出現(xiàn)退化現(xiàn)象, NDVI 增長速率降低, 甚至呈現(xiàn)下降趨勢。

3.3.3 混交生態(tài)林修復模式下不同混交林 NDVI 的變化情況

表 3 顯示, 混交生態(tài)林修復模式下, 1992—2008和 1992—2017 年間 NDVI 增長速率的排序均為針葉混交林>闊葉混交林>針闊混交林, 且針葉混交林的NDVI 上升速率明顯大于闊葉混交林和針闊混交林。從兩個時段的植被恢復速率來看, 在實施生態(tài)修復措施的前 10 年, 各樹種均展現(xiàn)正向的植被修復效果, 針葉混交林種植區(qū)域的的植被修復效果明顯好于闊葉混交林和針闊混交林。但是, 從實施生態(tài)治理的 25 年時間范圍來看, 針葉混交林仍然保持很好的植被修復效果, 闊葉混交林和針葉混交林在種植 10 年后出現(xiàn)退化現(xiàn)象, NDVI 增長速率降低, 甚至呈現(xiàn)下降趨勢。

4 結論與討論

4.1 結論

本文利用 Landsat 數(shù)據(jù)、建水縣森林資源二類調查數(shù)據(jù)和云南省石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù), 借助 MK 突變檢驗、趨勢分析和殘差分析等方法, 探討近 25 年建水縣植被的時空變化特征以及不同生態(tài)修復模式及林分特征的生態(tài)效益, 得出以下結論。

1)建水縣植被覆蓋呈現(xiàn)南北高、中部低的特點, 植被覆蓋較好的區(qū)域主要分布在南部和北部坡度較大的山區(qū), 這些區(qū)域也多為石漠化治理區(qū)域。

2)近 25 年來, 建水縣植被覆蓋度整體上呈上升趨勢, 2008—2017 年間植被覆蓋度增長速率明顯高于 1992—2017 年, 石漠化治理效果明顯, 但局部區(qū)域仍出現(xiàn)植被覆蓋度下降的現(xiàn)象。

3)混交生態(tài)林修復模式的植被修復效果在修復后期明顯優(yōu)于純生態(tài)林修復模式; 在修復前期, 混交生態(tài)林的植被修復效果與純生態(tài)林差別不大。

4)云南松是比較適宜的植被修復樹種, 車桑子次之; 榿木、其他闊葉林和桉樹在種植 10 年后均出現(xiàn)退化現(xiàn)象, 對于長期的生態(tài)治理來說, 不是適宜的樹種。

5)針葉混交林是比較適宜的混交種植模式; 闊葉混交林和針闊混交林在種植 10 年后均出現(xiàn)退化現(xiàn)象, 對于長期的生態(tài)修復來說, 不是適宜的混交模式。

表1 不同生態(tài)修復模式下NDVI的變化速率

表2 純生態(tài)林修復模式下不同樹種NDVI的變化速率

表3 不同混交模式的NDVI變化速率

4.2 討論

植被覆蓋對生態(tài)修復的響應是一個比較復雜的過程。由于國家對石漠化區(qū)生態(tài)修復的政策實施力度不斷加強, 生態(tài)修復措施已經成為植被覆蓋度變化的重要影響因子[15?16]。建水縣石漠化程度的下降主要歸因于人工造林、植被保護和退耕還林還草等措施[17]。本文的研究結果表明, 在建水縣的生態(tài)治理過程中, 無論從 10 年還是 25 年的時間范圍看, 混交生態(tài)林的植被修復效果都比純生態(tài)林和經濟林更適宜, 經濟林修復模式的植被修復效果相對較差。就樹種來說, 雖然其他闊葉林和榿木前期植被修復效果較好, 但種植 10 年后開始退化; 桉樹在種植的前 10 年植被修復效果較好, 但后期植被修復能力明顯不足, 而種植桉樹需要耗費大量的水資源, 使得土壤保水能力下降[18]; 車桑子的植被修復效果較為穩(wěn)定, 沒有出現(xiàn)明顯的退化現(xiàn)象; 云南松能長期保持較好的植被修復效果, 后期修復能力更是強于其他樹種, 是相對較好的生態(tài)修復樹種。對于混交模式, 無論從 10 年還是 25 年的時間范圍看, 針葉混交林都比較闊葉混交林和針闊混交林更適宜。

在今后的研究中, 對不同修復模式的實施背景(如立地條件和實施時間)也應該給予充分的考慮。特別是中國西南喀斯特地貌區(qū), 石漠化區(qū)域與非石漠化區(qū)域的生態(tài)治理模式差別較大。同時, 生態(tài)修復工程有較大的時間滯后性[19], 應該針對每一種生態(tài)修復模式的時間滯后性做進一步的研究。在數(shù)據(jù)來源方面, 本研究僅使用 TM 數(shù)據(jù), 未使用多源NDVI 數(shù)據(jù)集進行相互驗證。事實上, 由于分辨率和影像質量存在差異, 使用不同的 NDVI 數(shù)據(jù)集, 對植被覆蓋變化的評估結果可能存在差異[20?21]。今后, 將進一步分析不同 NDVI 數(shù)據(jù)集在植被覆蓋變化評估中的一致性及不確定性, 以期得到更為可靠的結論。

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Evaluation of Rock Desertification Restoration Model in Jianshui County, Yunnan Province

XIAO Linying1,2,3, WU Xiuqin1,2,3,?

1. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083; 2. Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083; 3. Yunnan Jianshui Desert Ecosystem National Positioning Research Station, Jianshui 654399; ?Corresponding author, E-mail: wuxq@bjfu.edu.cn

Based on Landsat TM data from 1992 to 2017, the second-class survey data of Jianshui County forest resources and the monitoring data of rocky desertification in Yunnan Province, with Mann-Kendall mutation analysis and trend analysis,the temporal and spatial variation characteristics of vegetation and the restoration of vegetation in different rocky desertification restoration models in Jianshui County of Yunnan Province in the past 25 years were discussed. The study found that during the 25 years, the vegetation cover of Jianshui County showed an overall upward trend with an average growth rate of 0.065%/10a. Since 2008, the growth rate increased from 0.077%/10a to0.475%/10a. The area of vegetation cover in Jianshui County showed an increasing trend, no significant change, and the proportion of reduction trend was 55.32%, 34.44% and 10.24% respectively. For different restoration models, within the restoration time range of ten years, there was not much difference in the effect of vegetation restoration under the pure ecological forest mode and the mixed ecological forest mode.Within the restoration time range of 25 years, the mixed ecological forest mode vegetation restoration rate was obviously better than pure ecological forest restoration mode, and the advantages were mainly displayed in the later stage of restoration. In terms of species selection of pure ecological forest model, broad-leaved forests and alders had better restoration effects in the short term; in the long run, Yunnan pine and Che sang-tzu were better restoration species.In the mixed ecological forest model, the coniferous mixed forest restoration rate was the best both in the range of ten and twenty-five years, indicating mixed ecological forest model is a better mixed model. The study revealed the effects of different governance models on vegetation restoration, and provided a theoretical basis for optimizing ecological restoration methods in rocky desertification areas.

vegetation restoration; stone desertification control model; Karst; NDVI; tree species

10.13209/j.0479-8023.2020.104

國家自然科學基金(41671080)和國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0502500, 2016YFC0502506)資助

2019?12?16;

2020?09?29