三峽庫區(qū)重慶段森林長勢空間分異性及其驅(qū)動因子

廖 桃,溫兆飛,周 旭,陳珊珊,馬茂華,吳勝軍

1 重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074 2 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院, 重慶 400714 3 中國科學(xué)院大學(xué)重慶學(xué)院, 重慶 400714 4 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院, 重慶 400074

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是土壤、水和大氣之間的天然紐帶[1—2]。森林生態(tài)系統(tǒng)是世界上分布廣泛的陸地生態(tài)系統(tǒng),其總面積約占陸地表面的31%[3]。因此,森林面積的變化會影響生態(tài)圈的物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程[4]；其長勢變化能反映陸地表層生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)演變特征。天然林是森林生態(tài)系統(tǒng)的主體,其長勢可在一定程度上評估生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性[5]。

自然環(huán)境(如氣候和地形)和人類活動等多因子的綜合影響,直接或間接地導(dǎo)致了天然林資源的破壞[6—8],如生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化,生物物種類型和數(shù)目減少以及景觀嚴重破碎化等[9—10],使天然林自我反饋調(diào)節(jié)能力下降。由此,國家和地方政府從20世紀末開始實施了一系列生態(tài)工程和管理措施,包括建立生態(tài)保護區(qū)以及實施生態(tài)保護與恢復(fù)工程等[11]。

1998年起國家實施了天然林資源保護工程(天保工程),它是我國針對天然林資源長期過度消耗問題、遏制生態(tài)退化的關(guān)鍵舉措之一[12]。20多年來,林業(yè)部門通過開展兩期天保工程(一期：2000—2010年；二期：2011—2020年)對天然林保護起到了重要作用[13]。不少學(xué)者評估了生態(tài)工程的效益,以及生態(tài)工程實施背景下氣候和人類活動對植被時間變化的影響[14—15]。得益于中國大力實施生態(tài)工程,植被覆蓋增加了17.8%,主要是來自森林(42%)和耕地(32%)的貢獻[14],區(qū)域是否實施生態(tài)工程對植被在空間上的表現(xiàn)也存在顯著差異[16]。具體而言,天然林資源保護一期工程的實施使水源涵養(yǎng)、水土保持以及固碳釋氧等森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均呈現(xiàn)增加趨勢[17—18]。上述研究表明生態(tài)工程對環(huán)境保護起到了積極作用,但缺乏生態(tài)工程期間植被空間分異性的分析,然而這對于認識不同立地條件、生態(tài)措施下植被的反響作用十分重要。

地理探測器是能探測空間分異并揭示其背后驅(qū)動因子的一組統(tǒng)計學(xué)方法,定量分析引起森林長勢空間分異的各驅(qū)動因子之間的相對重要性,同時還可探測驅(qū)動因子兩兩之間的交互作用強度[19—20]。目前,地理探測器因其獨特優(yōu)勢已被應(yīng)用于自然到社會的多個領(lǐng)域。在量化自然因子和人類活動對植被長勢空間分異影響程度的研究中,大多數(shù)以所有植被為研究對象,如彭文甫等利用地理探測器模型研究了四川地區(qū)植被分布的空間模式的響應(yīng)因子[21]。也有部分學(xué)者對研究對象進行了分區(qū),如按地貌[22]、氣候[23]、植被類型[24]、主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[25]等探索不同分區(qū)中植被空間分異的影響因素。然而尚缺乏對天然林(包括不同林分起源類型和不同林型)長勢空間分異的驅(qū)動因子分析報道,相關(guān)結(jié)論對于我國重點生態(tài)工程區(qū)(例如三峽庫區(qū))的管理和政策制定至關(guān)重要。

三峽庫區(qū)是長江上游最后一道生態(tài)屏障,也是生態(tài)敏感區(qū)。在三峽水庫建設(shè)與運行的過程中,產(chǎn)生了大量的移民安置與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作,人地關(guān)系復(fù)雜。人口遷移改變了初始人口的規(guī)模和結(jié)構(gòu),也影響了區(qū)域土地利用和植被的變化[26]。同時,由于經(jīng)濟的刺激,大量勞動力外遷,促進了植被的恢復(fù),減少了對林地的負面干擾[27]。為明晰天保工程期間自然環(huán)境因子和人類活動對森林(不同林分起源以及林型)長勢空間分異特征的影響程度,本研究以三峽庫區(qū)重慶段為研究區(qū),基于生長季森林長勢數(shù)據(jù),運用趨勢分析以及地理探測器模型等方法探索原生林、人工林和次生林不同林分起源以及針葉林、闊葉林、混交林和竹林不同林型的森林長勢空間分異的驅(qū)動因子,定量分析了地形、氣候以及人類活動因子對森林長勢空間分異的解釋力,并探索了各因子的解釋力在天保工程一期和二期的變化情況,這對天然林資源保護工程的后續(xù)開展具有重要科學(xué)價值。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

三峽庫區(qū)重慶段地處長江上游,地理范圍介于東經(jīng)105°49′—110°12′,北緯28°31′—31°44′之間,面積約為46134km2,占整個三峽庫區(qū)面積的79.5%[28](圖1)。地勢東高西低,海拔差異較大,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,年均溫為17—19℃,年降水量豐沛,大部分集中在1000—1350mm之間。境內(nèi)有多條河流,對小環(huán)境循環(huán)以及植被生長起到重要作用。土壤類型主要有黃棕壤、黃褐土、棕壤、石灰土、紫色土、粗骨土、草甸土、水稻土和黃壤等[28]。森林林分起源類型主要有原生林(天然起源的森林)、人工林(人工栽植)和次生林(原生林經(jīng)過砍伐后自然更新形成的森林)；森林類型主要為闊葉林、針葉林、混交林和竹林(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及其森林特征：林分起源類型和森林類型Fig.1 Location of study area and its forest characteristics: forest stand origin types, and forest type

1.2 數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)包括森林分布數(shù)據(jù)(包括林分起源類型和林型,如圖1所示)、森林長勢(表示在局部尺度上能夠反映植被光合作用能力和植被活力的生長狀態(tài),用生長季最大歸一化植被指數(shù)(NDVI)來表征)[29]、氣候因子(用年平均氣溫、年降水量和年日照時數(shù)來表征)、地形因子(用海拔、坡度、坡向、距水體的距離和土壤類型來表征)以及人類活動因子(用人口密度、國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)密度、距建成區(qū)的距離以及距道路的距離來表征)(表1)。

表1 影響研究區(qū)森林長勢空間分異的驅(qū)動因子

林分起源類型以及森林類型數(shù)據(jù)集由重慶市林業(yè)局提供,空間分辨率100m,通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到矢量圖層,用于對柵格數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

NDVI數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率1km,為2000至2019年年度生長季最大值合成產(chǎn)品。計算2000—2009以及2010—2019年間NDVI數(shù)據(jù)的均值指示天保工程一期、二期實施階段森林的平均長勢。

氣象數(shù)據(jù)包括研究時段內(nèi)年平均氣溫、年降水量和日照時數(shù),其中年平均氣溫和年降水量源自中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)的公里格網(wǎng)產(chǎn)品數(shù)據(jù),空間分辨率1km,為2000至2015年年度產(chǎn)品數(shù)據(jù)。日照時數(shù)數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺—國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心-地理資源分中心(http://gre.geodata.cn)的中國月日照時數(shù)數(shù)據(jù)集,空間分辨率1km,為2000至2015年月產(chǎn)品數(shù)據(jù)。計算2000—2009以及2010—2015年間的年平均氣溫、年降水量和日照時數(shù)數(shù)據(jù)的均值表示天保工程一期、二期實施階段氣候因子指示指標(圖2)。

地形數(shù)據(jù)用SRTM 90m DEM產(chǎn)品表示,源自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),并根據(jù)海拔數(shù)據(jù)提取坡度和坡向數(shù)據(jù)。水體數(shù)據(jù)源自O(shè)pen Street Map網(wǎng)站(https://www.openstreetmap.org/),提取線狀與面狀水體數(shù)據(jù)(2014年水體數(shù)據(jù)),并計算各區(qū)域到水體的距離,空間分辨率1km。土壤類型數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率1km。以海拔、坡度、坡向、距水體的距離以及土壤類型表示天保工程實施階段地形因子指示指標(圖2)。

圖2 氣候因子(天保一期期間、二期期間的年平均氣溫、降水量和日照時數(shù))、地形因子(海拔、坡度、坡向、距水體的距離和土壤類型)空間分布Fig.2 The spatial distribution of climatic factors (annual average temperature, precipitation and sunshine duration.during the NFPP Ⅰ and Ⅱ), topographic factors (altitude, slope, aspect,distance to water and soil types)

圖3 人類活動因子(天保一期、天保二期期間人口密度、GDP密度、距道路的距離和距建成區(qū)的距離)空間分布Fig.3 Spatial distribution of human activity factors (population density, GDP density, distance to road and distance to built-up land during the NFPP Ⅰ and Ⅱ)

土地利用數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)和GDP密度數(shù)據(jù)均源自中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率1km,時間為2005年與2015年。計算各區(qū)域到土地利用類型為建設(shè)用地的距離,空間分辨率1km。兩期天保期間的公路數(shù)據(jù)源自O(shè)pen Street Map網(wǎng)站的2014年矢量數(shù)據(jù),提取公路數(shù)據(jù)并計算各區(qū)域到公路的距離(由于未能獲得天保一期期間的公路數(shù)據(jù),故求其次選取2014年公路數(shù)據(jù)代替),空間分辨率1km。通過2005年度和2015年度的人口密度、GDP密度、距建成區(qū)的距離以及2014年度的距道路的距離表示天保工程一期、二期實施階段人類活動因子指示指標(圖3)。

以上數(shù)據(jù)定義投影為WGS_1984_UTM_Zone_48N,空間分辨率統(tǒng)一重采樣為100m,并按不同林分起源和林型范圍進行裁剪,以便于進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 方法

2.1 植被趨勢分析

為了得到像元尺度的森林長勢與時間的回歸關(guān)系,以年生長季NDVI指數(shù)為自變量,通過線性回歸分析方法(式1),計算得到3個時間段(整個天保期間、天保一期和天保二期)每個像元NDVI的變化趨勢,分辨率1km[8]。Slope表示森林長勢(NDVI)變化趨勢,式中,n表示時間長度,i表示年序號,Slope>0時,研究期間森林長勢呈增長趨勢,且數(shù)值越大增長得越明顯；反之,呈下降趨勢。

(1)

2.2 地理探測器模型

2.2.1地理探測器模型原理

地理探測器是探測空間分異性的工具,能夠揭示空間分異背后的驅(qū)動力因子,主要通過地理事物空間分異與驅(qū)動因子空間分異的兩空間分布的一致性檢驗,探討驅(qū)動因子在地理事物空間分異方面的作用,包括分異及因子探測、交互作用探測、風(fēng)險區(qū)探測和生態(tài)探測4個探測器[19—20]。本研究使用了前兩個探測器。

分異及因子探測是探測因變量Y(森林長勢)的空間分異性,以及自變量X(海拔、坡度、坡向、距水體的距離、土壤類型、人口密度、GDP密度、距建成區(qū)的距離、距道路的距離、氣溫、降水量和日照時數(shù))對森林長勢空間分異的解釋程度,公式如下(式2)：

(2)

式中,L表示研究區(qū)的分區(qū)數(shù)量,Nh和N分別為子區(qū)域h和全區(qū)的單元數(shù),σ2表示總體的方差。q值表示自變量X對因變量Y的空間分異性解釋程度,取值范圍為[0,1]。q值越大則表示該因子對森林長勢空間分異的解釋力越大,尤其在極端情況下,q=1,表明森林長勢空間分異是完全由該因子控制。

交互作用探測是識別不同自變量因子之間的交互作用,即兩兩交互作用是否會增強或減弱對森林長勢空間分異的解釋力,或這些自變量因子是相互獨立的。例如,以自變量因子X1、X2為例,先計算這兩個因子分別對因變量的解釋力qX1、qX2,然后疊加兩個因子計算q(X1∩X2),比較qX1、qX2與q(X1∩X2)以此來確定因子間交互作用結(jié)果為減弱、增強還是獨立,具體判斷指標如表2。

表2 兩個自變量交互作用的類型

2.2.2地理探測器的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)準備。首先根據(jù)柵格轉(zhuǎn)矢量工具分別提取林分起源為原生林、人工林以及次生林,森林類型為針葉林、闊葉林、混交林以及竹林的矢量圖層。其次,以這些矢量圖層為統(tǒng)計單元,統(tǒng)計森林長勢指標、氣候因子、地形因子以及人類活動因子的平均值(土壤類型為眾數(shù))。最后,以森林長勢為因變量數(shù)據(jù),氣候因子、地形因子、以及人類活動因子為自變量數(shù)據(jù)進行分異及因子探測和交互作用探測。

模型運行。地理探測器模型有兩種運行模式：基于excel程序(http://www.geodetector.cn/)和基于R環(huán)境。由于基于excel程序在運行時,輸入數(shù)據(jù)的行數(shù)最大為32767,少于前述所準備數(shù)據(jù)的行數(shù),因此本研究采用基于R環(huán)境運行該模型。具體而言,使用R環(huán)境中的“GD”包對各矢量圖層統(tǒng)計信息進行分層、分異及因子探測和交互作用探測。在這里,為了保證地理探測器模型自變量的輸入為離散型數(shù)據(jù),除土壤類型數(shù)據(jù)外,本研究采用自然段點法分別將不同林分起源以及不同林型數(shù)據(jù)庫的自變量數(shù)據(jù)分為10級。

3 結(jié)果

3.1 森林長勢變化特征

3.1.1時間變化特征

天保工程實施期間,三峽庫區(qū)重慶段森林NDVI均值較高且呈增長趨勢,平均增長率為0.0046/a(圖4)。林分起源以原生林(57%)為主,其次為人工林(38%),次生林的分布范圍較小(表3)。原生林和人工林長勢的變化趨勢與森林整體的變化趨勢相同,均為0.0046/a,而次生林的增長率(0.0033/a)明顯低于森林整體的變化趨勢(圖4)。

森林類型主要以針葉林(61%)和闊葉林(21%)為主,其次為混交林(13%),竹林分布的范圍相對較小(表3)。除竹林外(增長率為0.0032/a),不同林型長勢變化趨勢與森林整體的變化趨勢相近,增長率介于0.0044/a和0.0051/a之間(圖4)。

表3 不同林分起源、不同林型的區(qū)域面積

圖4 不同特征的森林長勢變化特征Fig.4 Temporal change trends of forest growth for different forest characteristics (different forest stand origin types and forest types)

3.1.2空間分布特征

從森林長勢空間分布來看(圖5),天保工程期間NDVI均值由東北向西南呈下降趨勢。其中NDVI均值小于0.7的面積為3%,91%的森林NDVI均值位于0.7—0.85之間,而NDVI均值大于0.85的面積為6%。天保一期期間,NDVI均值在0.75—0.8和0.8—0.85之間的面積占比分別為55%和23%,而天保二期NDVI值在0.75—0.8和0.8—0.85之間的面積占比分別為15%和43%,37%的森林NDVI均值大于0.85。

從森林長勢變化趨勢的空間分布來看(圖5),整個天保工程期間,森林大部(97%)的長勢呈正增長,主要集中在東北部區(qū)域。天保一期期間森林長勢的增長趨勢多集中在0—1%,而天保二期期間森林長勢的增速有所提升,多集中在0.5%—3.2%,表現(xiàn)為在高海拔地區(qū)森林長勢增速較大。

圖5 不同時期(天保工程全期、天保一期、天保二期)森林平均長勢及變化趨勢空間分布特征Fig.5 Spatial distributions of averaged forest growth and temporal change trends of forest growth during the three different periods (NFPP, NFPP I, and NFPP II)圖例內(nèi)部為該范圍的面積百分比

3.2 森林長勢空間分異的單因子驅(qū)動力分析

3.2.1不同林分長勢空間分異的單因子驅(qū)動力分析

如表4所示,天保一期期間,原生林長勢空間分異的主導(dǎo)因子(解釋力大于0.2)為海拔(0.26)和氣溫(0.25),重要因子(解釋力大于0.1)為土壤類型(0.17)、距建成區(qū)的距離(0.14)、距水體的距離(0.14)、人口密度(0.12)和降水量(0.1),而GDP密度、距道路的距離、日照時數(shù)、坡度和坡向的解釋力小于0.1。人工林長勢空間分異的主導(dǎo)因子為人口密度(0.37)、GDP密度(0.35)、氣溫(0.27)和海拔(0.27)。次生林長勢空間分異的主導(dǎo)因子為氣溫(0.24)和海拔(0.24)。

總體而言,海拔和氣溫是原生林和次生林長勢產(chǎn)生空間分異性的主導(dǎo)因子；而人口密度和GDP密度是人工林長勢產(chǎn)生空間分異性的關(guān)鍵主導(dǎo)因子。天保二期實施期間,對于各林分起源類型區(qū)域,海拔和氣溫均是其長勢產(chǎn)生空間分異的關(guān)鍵主導(dǎo)因子,除距水體的距離、土壤類型、人口密度和GDP密度外,其余驅(qū)動因子的解釋力有所提高,其中,距建成區(qū)的距離和降水量因子的解釋力增幅較大。

3.2.2不同林型長勢空間分異的單因子驅(qū)動力分析

如表5所示,天保一期期間,針葉林長勢空間分異的主導(dǎo)因子為海拔和氣溫；重要因子為土壤類型、距水體的距離、人口密度和距建成區(qū)的距離；而降水量、GDP密度、日照時數(shù)、距道路的距離、坡度和坡向的解釋力小于0.1。闊葉林長勢空間分異的主導(dǎo)因子為人口密度、GDP密度、氣溫、海拔、距建成區(qū)的距離和降水量。混交林長勢空間分異的主導(dǎo)因子為氣溫、海拔、人口密度、GDP密度、土壤類型和距水體的距離。竹林長勢空間分異的主導(dǎo)因子為氣溫。

表4 驅(qū)動因子對不同林分起源森林(原生林、人工林和次生林)長勢空間分異的解釋力

總體而言,海拔和氣溫是針葉林和混交林長勢產(chǎn)生空間分異性的關(guān)鍵主導(dǎo)因子,而闊葉林長勢的空間分異性受人類活動因子的影響較大。天保二期期間,海拔和氣溫均是導(dǎo)致針葉林、混交林和竹林長勢產(chǎn)生空間分異的關(guān)鍵主導(dǎo)因子,而人口密度和氣溫是闊葉林長勢產(chǎn)生空間分異的關(guān)鍵主導(dǎo)因子。相較于天保一期而言,海拔、距建成區(qū)的距離、距道路的距離、氣溫和降水量對各林型長勢空間分異的解釋力均是增加的。

3.3 森林長勢空間分異的驅(qū)動因子交互作用分析

自然環(huán)境因子和人類活動因子共同作用于森林長勢。與單因子作用相比,交互探測作用的解釋力均有不同程度升高,交互作用類型為雙因子增強與非線性增強,不存在相互獨立以及減弱的關(guān)系。其中坡向和日照時數(shù)與其它因子的交互作用為非線性增強。

表5 驅(qū)動因子對不同類型森林 ( 針葉林、闊葉林、混交林和竹林 ) 長勢空間分異的解釋力

3.3.1不同林分長勢空間分異的驅(qū)動因子交互作用分析

如圖6所示,天保一期實施期間,海拔、氣溫因子分別和其它因子的交互作用對原生林長勢空間分異的解釋力均大于0.26,其中土壤類型分別與海拔和氣溫的交互作用的解釋力均大于0.39。GDP密度和人口密度分別和其它因子的交互作用對人工林長勢空間分異的解釋力較強,其中GDP密度和人口密度分別與氣溫的交互作用解釋力達到了0.55。海拔、土壤類型和氣溫因子分別與其它因子的交互作用對次生林長勢空間分異的解釋力均大于0.25。

總體而言,天保一期期間,海拔、氣溫分別與人類活動(GDP密度和人口密度)的交互作用解釋力較大。對于原生林和次生林而言,海拔和氣溫分別與其它因子的交互作用解釋力較大；而對于人工林而言,GDP密度和人口密度分別與其它因子的交互作用解釋力較大。天保二期期間,各林分交互作用解釋力強度變化不大。GDP密度、人口密度分別與其它因子的交互作用解釋力有所下降；距建成區(qū)的距離與其它因子的交互作用解釋力有較大幅度的增加。

圖6 天保一期、天保二期期間影響原生林、人工林和次生林長勢空間分異的因子之間交互作用解釋力Fig.6 The explanatory power of interaction between factors for spatial stratified heterogeneity of primary forests, plantation forests, and secondary forests during the NFPP Ⅰ and Ⅱ圖示紅色表示解釋力較強的交互作用;Rad: 日照時數(shù); Pre: 降雨量; Tem: 氣溫; Drd: 距通路距離; Dst: 距建成區(qū)距離; Pop: 人口密度; GDP: GPP密度; Soil: 土壤類型; Dwt: 距水體的距離; Slp: 坡度; Alt: 海拔; Asp: 坡向

3.3.2不同林型長勢空間分異的驅(qū)動因子交互作用分析

如圖7所示,天保一期實施期間,海拔和氣溫分別與其它因子的交互作用對針葉林長勢空間分異的解釋力均大于0.3。人類活動(GDP密度、人口密度)分別與其它因子的交互作用對闊葉林長勢空間分異的解釋力均大于0.44。海拔、氣溫、GDP密度和人口密度分別與其它因子的交互作用對混交林長勢空間分異的解釋力均大于0.34。海拔、土壤類型、氣溫和距建成區(qū)的距離分別與其它因子的交互作用對竹林長勢空間分異的交互作用的解釋力均大于0.16。

總體而言,海拔、氣溫分別與人類活動(GDP密度和人口密度)的交互作用解釋力較高。天保二期期間,不同林型區(qū)域各交互作用解釋力強度變化不大,仍以海拔、氣溫分別和其它因子的交互作用解釋力較強,人類活動(GDP密度、人口密度、距建成區(qū)的距離)分別與海拔、氣溫的交互作用對森林長勢產(chǎn)生空間分異性的解釋力較大。特別地,對于闊葉林而言,GDP密度、人口密度分別和其它因子的交互作用的解釋力有所降低。

圖7 天保一期、天保二期影響針葉林、闊葉林、混交林和竹林長勢空間分異的因子之間交互作用探測Fig.7 The explanatory power of interaction between factors for spatial stratified heterogeneity of coniferous, broad-leaved, mixed and bamboo forests during the NFPP Ⅰ and Ⅱ圖示紅色表示解釋力較強的交互作用

4 討論

陸地生態(tài)系統(tǒng)的植被總體上呈增加趨勢,主要是氣候變化、土地覆蓋變化和生態(tài)保護與恢復(fù)的結(jié)果[30—31],本研究對三峽庫區(qū)重慶段森林長勢的研究結(jié)果與之基本一致,森林改善面積達97%。但由于地形、氣候和人類活動的區(qū)域差異,植被在空間分布上表現(xiàn)不同[32]。喀斯特地區(qū)林地的NDVI空間分異主要受海拔和氣溫的影響[33]。本研究的結(jié)果與其相近,得出氣溫、海拔和人口密度的解釋力大于0.2,GDP密度、距建成區(qū)的距離、土壤類型、降水量、距水體的距離和距道路的距離的解釋力大于0.1,而日照時數(shù)、坡度和坡向的解釋力小于0.1。

4.1 自然環(huán)境因子對森林長勢空間分異性的影響

溫度變化對植物生長發(fā)育有重要影響,環(huán)境溫度低于或高于植物所能忍受的溫度范圍均不利于植物生長發(fā)育[21]。中國大陸植被覆蓋與降水量和溫度顯著相關(guān),且與溫度的相關(guān)性更大[34]。氣溫上升不僅影響植被的積溫時長與生長周期,而且加速了土壤有機質(zhì)的分解,有利于植被加速生長[35]。研究區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)域,熱量與降水條件相對充足,復(fù)雜的地形以及環(huán)境條件導(dǎo)致氣溫產(chǎn)生變化,進而對植被蒸散作用產(chǎn)生影響[36]。這使得氣溫是森林長勢空間分異的主要氣候因素,降水的作用不如氣溫那么明顯。因為降水量因子一般在北方地區(qū)對植被空間分異的影響較大,在降水豐沛地區(qū),植被空間分異要由氣溫的變化決定[37]。

地形因子決定了植被生長的立地條件,對植被生長產(chǎn)生影響,同時也限制了人類活動的范圍,進而也會對植被產(chǎn)生影響。海拔通過不同的過程控制水熱條件和土壤條件,影響其他環(huán)境變量,對區(qū)域植被格局產(chǎn)生重要影響[38],故海拔因子對森林空間分異的影響力較大。土壤類型和距水體的距離對森林長勢空間分異的解釋力也較為重要。土壤類型是影響植被生長的綜合體,在降水量為主要限制因素的地區(qū),土壤類型對植被生長和雨水再利用效率有顯著影響[39—40]。而研究區(qū)受到氣溫的影響更大,土壤類型的解釋力相應(yīng)不高,距水體的距離也是一個與水分相關(guān)的因子,解釋力較低。

與前述因子相比,日照時數(shù)、坡度、坡向等對森林長勢空間分異的解釋力都較弱。這是由于研究區(qū)氣候、地形條件復(fù)雜,水熱條件組合情況多變[41],日照時數(shù)和坡向因子都會通過影響太陽輻射進而對森林長勢產(chǎn)生影響,而太陽輻射對光合作用的影響可能與太陽輻射對蒸散的作用相互抵消[42]；坡度因子一方面限制了人類活動對森林會起到積極作用,但另一方面限制了立地條件(水土保持)對森林起到消極作用；從而導(dǎo)致日照時數(shù)、坡度、坡向因子的解釋力較低。

4.2 人類活動因子對森林長勢空間分異性的影響

植被生長受到自然環(huán)境和人類活動的共同影響,但人類活動存在明顯的環(huán)境導(dǎo)向[43]。不同林分起源和不同林型所處的自然環(huán)境特征以及社會經(jīng)濟活動有所差異,林分為人工林或者林型為闊葉林的區(qū)域更易受到人類活動的影響。人工林大多分布在低海拔且人口密度較大的區(qū)域,闊葉林的分布也符合植被垂直性地帶分布特點[44],主要位于海拔較低的區(qū)域。研究結(jié)果顯示人工林或闊葉林主要受到人類活動為人口密度和GDP密度的影響較大,且其解釋力隨時間變化而有所下降。低海拔區(qū)域人口相對聚集,在天保一期更易受到人類活動的影響。這可能是由于研究對象為天然林資源保護工程范圍,在該區(qū)域已經(jīng)實施了封山育林、森林撫育等措施。而我國的生態(tài)保護政策主要作用在于減少人為活動對自然生態(tài)的干擾,而且一系列生態(tài)建設(shè)工程使得人類活動與森林長勢空間分異的關(guān)系更為復(fù)雜,影響了森林自然發(fā)展條件下的空間分布規(guī)律[45]。而天保二期期間基礎(chǔ)設(shè)施和社會經(jīng)濟活動發(fā)生較大轉(zhuǎn)變， 人口多聚集于地理環(huán)境和區(qū)位條件優(yōu)越的區(qū)域；同時西部農(nóng)村改革,城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡,引起區(qū)域人口遷移,從而導(dǎo)致區(qū)域人口密度的變化,進而對該區(qū)域土地利用和植被生長產(chǎn)生影響[46—47]。大量勞動力的外遷促進了植被的恢復(fù),減少了對林地的負面干擾[27]。

研究結(jié)果得出距建成區(qū)的距離和距道路的距離這兩個因子的解釋力有所上升,這是由于國家大力發(fā)展交通建設(shè),擴大了人類活動的范圍。有研究表明人類居住區(qū)和現(xiàn)有連接道路附近,森林退化的情況相對較多[48]。相較于統(tǒng)計人口數(shù)據(jù),建成區(qū)更能反映人口的聚集程度,道路可達性更能反映人類活動影響范圍。同時建成區(qū)和道路的建設(shè)也會對小區(qū)域溫度和輻射產(chǎn)生影響,進而對森林長勢產(chǎn)生更顯著的影響。

4.3 交互作用影響分析

天保二期期間,多個區(qū)域中海拔和距建成區(qū)的距離、氣溫和人口密度、海拔和人口密度、氣溫和距建成區(qū)的距離的交互作用對森林長勢空間分異的影響更大。單因子和交互作用結(jié)果均表明海拔和氣溫都是導(dǎo)致森林長勢分異的關(guān)鍵主導(dǎo)因子,加之人類活動對森林存在兩向影響(人口的減少有積極影響,可達性的增加產(chǎn)生消極影響),表明在一定海拔和氣溫條件下,人類活動對森林長勢的影響凸顯。其次為海拔和土壤類型、氣溫和土壤類型的交互作用的解釋力強度較大,土壤類型為森林生長的直接立地條件,直接制約著植物能否有效吸收利用養(yǎng)分的功能[49],表明在一定海拔和氣溫條件下,土壤類型對森林長勢的影響凸顯。

4.4 原生針葉林長勢空間分異性分析

本研究對不同林分起源和林型分區(qū)的森林長勢空間分異的驅(qū)動因子進行了探討,也疊加林分林型對更小分區(qū)各驅(qū)動因子的解釋力進行了分析,二者結(jié)果差異不大,主導(dǎo)因子仍為氣溫和海拔,人口密度、GDP密度和距建成區(qū)的距離表現(xiàn)出微弱的優(yōu)勢,而土壤類型、降水量、距水體的距離、距道路的距離、日照時數(shù)、坡度、坡向的解釋力相對較低。

由此僅對面積最大的原生針葉林(37%)進行分析,除土壤類型外,其余因子在天保二期期間的解釋力均增加,具體單因子探測結(jié)果為海拔(0.370)>氣溫(0.362)>降水量(0.296)>距建成區(qū)的距離(0.122)>土壤類型(0.112)>距水體的距離(0.101)>人口密度(0.087)>GDP密度(0.075)>距道路的距離(0.072)>日照時數(shù)(0.033)>坡度(0.025)>坡向(0.000)。具體而言GDP密度、人口密度和氣溫為第一,海拔、坡度、距建成區(qū)的距離、降水量以及日照時數(shù)為第十,距水體的距離和距道路的距離為第九,坡向為第六分區(qū)等級且土壤類型為棕壤的地區(qū)原生針葉林長勢更為良好。

5 結(jié)論

天然林資源保護工程已有20余年,本文基于生長季森林NDVI數(shù)據(jù),采用趨勢分析方法和地理探測器模型等方法,分析了三峽庫區(qū)重慶段森林長勢時空變化特征及其空間分異的驅(qū)動因子。結(jié)果表明,(1)三峽庫區(qū)森林起源以原生林為主,林型以針葉林為主。天保期間森林長勢呈現(xiàn)增加趨勢,從森林類型來看,不同林型長勢有所差異,具體為混交林>針葉林>闊葉林>竹林；從不同林型長勢變化趨勢來看,竹林增長率為0.0032/a,低于針葉林、闊葉林和混交林的增長趨勢；從不同林分起源長勢變化趨勢來看,次生林增長率為0.0032/a,低于原生林和人工林的增長趨勢。(2)天保一期和天保二期森林長勢及其變化趨勢有所差異,具體表現(xiàn)在天保二期期間森林呈現(xiàn)良好長勢與高速率增長的面積大幅增加。(3)對于不同林分起源的森林來說,海拔和氣溫均是導(dǎo)致其森林長勢空間分異的主導(dǎo)因子。特別的,對于人工林長勢來說,天保一期期間,而人口密度、GDP密度、氣溫和海拔是人工林長勢產(chǎn)生空間分異性的主導(dǎo)因子；二期期間,人口密度和GDP密度的解釋力有所下降。(4)對不同森林類型來說,海拔和氣溫是導(dǎo)致針葉林和混交林長勢空間分異的主導(dǎo)因子；氣溫是影響竹林長勢空間分異的主導(dǎo)因子。闊葉林長勢空間分異受人類活動的影響較大。(5)地形因子、氣候因子以及人類活動之間的交互作用增強了各林分起源及林型長勢空間分異的解釋力。研究結(jié)果表明,海拔、氣溫分別與其它因子的交互作用較強,尤其人類活動(GDP密度、人口密度、距建成區(qū)的距離)分別與海拔、氣溫的交互作用為主導(dǎo)交互因子。特別地對于人工林(按林分起源分)和闊葉林(按林型分)區(qū)域而言,天保一期期間,GDP密度和人口密度分別與其它因子的交互作用較強；二期期間,其解釋力有所下降,而距建成區(qū)的距離和其它因子的交互作用的解釋力有了大幅提升。