四川大雪山生態(tài)紅線區(qū)生態(tài)環(huán)境評價與氣候變化分析

張 亮 , 苑 躍* , 楊 杰 , 孫 蕊 , 王 姝

（1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，成都 610072；2.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072；3.四川省氣候中心，成都 610072）

1 引言

良好的生態(tài)環(huán)境是人類生存和社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提[1]。IPCC第六次評估報告第一工作組報告指出（簡稱IPCC AR6）[2]，在過去的一個世紀中，生態(tài)環(huán)境受到人類活動和氣候變化的日益挑戰(zhàn)。自20世紀50年代以來，全球增溫達到1.5℃并仍在繼續(xù)，極端天氣和氣候事件的風險進一步加劇，例如高溫干旱、極端降雨事件、森林火災(zāi)，蟲害等，使得生態(tài)系統(tǒng)面臨越來越大的壓力，并引發(fā)如環(huán)境退化、生物多樣性退化以及水土流失等一系列生態(tài)環(huán)境問題[3-4]。生態(tài)環(huán)境及生態(tài)功能評價是對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的優(yōu)劣程度進行定量分析與描述的過程，其目的在于明確評價區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀及預(yù)測人類開發(fā)活動對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響[5-7]。因此，科學(xué)及時地評價生態(tài)保護區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境與功能的時空變化，并掌握其氣候變化趨勢，對于環(huán)境保護和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

相比于實地調(diào)查、地面自動觀測等傳統(tǒng)觀測方法，衛(wèi)星遙感觀測以其大面積、實時、快速、周期性重復(fù)觀測等優(yōu)勢，在生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-11]。其中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合《生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)評價技術(shù)標準》(HJ192-2015)[12]中提出的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)（Ecological Environment Index，EI），在多個省、市、自治區(qū)、縣、流域的生態(tài)環(huán)境狀況及生態(tài)功能評價工作中被廣泛應(yīng)用。但是多項研究指出，EI中應(yīng)用的不同土地利用方式的評價指標較多，導(dǎo)致其評價結(jié)果具有同質(zhì)性，在某些地區(qū)難以正確反映其生態(tài)質(zhì)量的空間變化[13-14]。近年來，基于遙感的生態(tài)指數(shù)（Remote Sensing Ecological Environment Index，RSEI），以綠度、濕度，干度，熱度因子為指標，可以反映人類活動（如城市化）、環(huán)境狀態(tài)變化（如植被覆蓋）和氣候變化響應(yīng)（如溫度和濕度）對生態(tài)環(huán)境造成的壓力，有利于定量評價區(qū)域尺度上的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化[15]。此外，RSEI在不同時空尺度上具可擴展性和可比較性，其評價結(jié)果已被反復(fù)驗證[16-18]。國內(nèi)外學(xué)者將多種衛(wèi)星遙感指標應(yīng)用于森林、草原、城市、流域等生態(tài)系統(tǒng)的功能監(jiān)測和評價中，例如生物多樣性、水源涵養(yǎng)和水土保持功能等，并取得了許多豐富可靠的研究成果[19 - 20]。

大雪山位于四川省西部，生態(tài)系統(tǒng)涉及森林、高寒濕地、草甸等，是黑頸鶴、白唇鹿、雪豹、金絲猴、牛羚等珍稀野生動物的棲息地，為中國生物多樣性保護的關(guān)鍵區(qū)域之一[21]。但目前該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、生物多樣性功能以及氣候變化的相關(guān)監(jiān)測評價工作還未見報道，生態(tài)氣象服務(wù)保障水平偏低。因此，本文基于衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)和地面氣象觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）、生物多樣性維護功能指數(shù)（Biodiversity Maintenance Function Index，BMI），對近 20 a大雪山生態(tài)紅線區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況和生態(tài)功能進行評價，并分析大雪山紅線區(qū)的氣候變化情況，研究結(jié)果有助于更加科學(xué)準確地了解大雪山紅線區(qū)的生態(tài)環(huán)境和功能的時空演變，為該區(qū)域的生態(tài)安全管理和保護、生態(tài)環(huán)境紅線調(diào)整等生態(tài)氣象保障工作提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

如圖1 所示，大雪山保護區(qū)（29° 40′～31° 40′N，100°～102°40′E）位于四川省境內(nèi)，屬于川西北水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護重要區(qū)，行政區(qū)涉及康定市、瀘定縣、丹巴縣、雅江縣、道孚縣、爐霍縣，總面積1.47萬 km2，占生態(tài)保護紅線總面積的9.90%，占四川省面積的3.02%。大雪山以東屬亞熱帶季風氣候帶，主要受來自印度洋的西南季風、太平洋的東南季風和西風帶的影響，夏季多雨，冬季多雪。大雪山以西屬亞寒帶季風氣候與高原大陸性氣候的交揉區(qū)，氣候溫和偏寒，降雨較多，該區(qū)多雪峰和高山湖泊。大雪山保護區(qū)河流分屬大渡河、雅礱江水系，植被類型以亞高山針葉林為主，代表性物種有冷杉、云杉、四川雉鶉、黑頸鶴、白唇鹿、雪豹、金絲猴、牛羚等，是生物多樣性保護的重要區(qū)域。

圖1 大雪山生態(tài)保護紅線區(qū)范圍及其位置

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用1990～2019年自動氣象站逐日數(shù)據(jù)來源于四川省氣象局，包括氣溫（℃） 、平均風速（m·s-1） 、日照時數(shù)（h）和降水（mm），所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為EOS/MODIS與Landsat衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)（表1），研究時段為2000～2019年，空間分辨率均為1 km。Landsat衛(wèi)星產(chǎn)品為綠度指數(shù)（Green Vegetation Index，GVI）產(chǎn)品，空間分辨率30 m，為了與MODIS產(chǎn)品空間分辨率保持一致，將其重采樣為1 km空間分辨率。高程數(shù)據(jù)采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)。

表1 本研究所用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

2.3 研究方法

2.3.1 生態(tài)環(huán)境狀況（RSEI）遙感評價模型的構(gòu)建

RSEI是近年來專門利用遙感數(shù)據(jù)來評價生態(tài)環(huán)境狀況的綜合生態(tài)指數(shù)，通過與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)的4個重要指標（綠度因子、濕度因子、干度因子和熱度因子）進行構(gòu)建。具體公式如下：

基于遙感數(shù)據(jù)并參考《生態(tài)保護紅線劃定指南》[22]，選用了綠度指數(shù)（GVI）、歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、總初級生產(chǎn)力（Gross Primary Productivity，GPP）、土壤濕度（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）、地表溫度（Land Surface Temperature，LST）和土地利用類型（Land Use and Land Cover Change，LUCC）共6個遙感指數(shù)表征式（1）中的4個指標，其中溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）由LST和NDVI計算得到。每個遙感指標的權(quán)重通過主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）確定，由于每個遙感指標的單位和數(shù)值范圍差異很大，在主成分分析之前，需要將6個遙感指標在[0，1]范圍內(nèi)進行歸一化處理。RSEI評價模型可表示為：

式（2）中：PCA為主成分分析法，RSEI由RSEI0通過歸一化計算得到，取值范圍為[0，1]。當RSEI值越接近1，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好；當RSEI值接近0時，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。為了更好地分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，依據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》[12]將RSEI分為差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、一般（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）和優(yōu)秀（0.8～1.0）共 5 個等級，每個等級的增量為0.2。

2.3.2 生物多樣性維護功能（BMI）遙感評價模型的構(gòu)建

生物多樣性維護功能對生態(tài)功能以及提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（如糧食生產(chǎn)、土壤肥力、授粉和氣候調(diào)節(jié)）至關(guān)重要。本研究參考《生態(tài)保護紅線劃定指南》[22]，選取生物多樣性指數(shù)（Biodiversity Index，BI）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、植被覆蓋度指數(shù)（Fractional Vegetation Index，F(xiàn)VI）、植被總初級生產(chǎn)力（GPP）、土地脅迫指數(shù)（Land Stress Index，LSI）、高程數(shù)據(jù)（Digital Elevation Model，DEM）6個因子，利用主成分分析法（PCA）構(gòu)建大雪山生態(tài)保護紅線區(qū)生物多樣性維護功能指數(shù)（BMI），其中生物多樣性指數(shù)（BI）、土地利用土地脅迫指數(shù)（LSI）根據(jù)土地利用類型（LUCC）計算得到，植被覆蓋度指數(shù)（FVI）根據(jù)NDVI數(shù)據(jù)利用像元二分法計算得到。最終，BMI評價模型可表示為：

式（3）中：與RSEI類似，所有因子在主成分分析前需進行歸一化處理；BMI由BMI0通過歸一化計算得到，取值范圍為[0，1]。為了更好地分析生物多樣性維護功能，采用等間距法對BMI等級進行劃分，具體分級與RSEI一致。

3 結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況（RSEI）評價分析

利用PCA方法對2000～2019年共8期的RSEI遙感因子（GVI、NDVI、GPP、TVDI、LST 和LUCC）進行分析，計算出每期各因子對生態(tài)環(huán)境狀況的權(quán)重及平均值（表2），并以各因子的平均值作為生態(tài)環(huán)境狀況評價指標的權(quán)重，得到表征大雪山生態(tài)保護紅線區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的遙感綜合評價指數(shù)（RSEI）。具體計算公式如下：

表2 生態(tài)環(huán)境狀況（RSEI）各年指標權(quán)重與平均值

利用公式（4）對大雪山生態(tài)保護紅線區(qū)2000 年、2003 年、2006 年、2008 年、2011 年、2014 年、2017 年和2019 年共8期的生態(tài)環(huán)境狀況（RSEI）進行評價，得到大雪山紅線區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況分級（圖2）。如圖所示，紅線區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的區(qū)域差異明顯，整體上北部優(yōu)于南部；其中，RSEI為一般及以上等級主要位于紅線區(qū)北部、中部和西部部分地區(qū)，較差和差以下等級主要位于紅線區(qū)東南部；2000～2019年紅線區(qū)西部生態(tài)環(huán)境改善面積大于生態(tài)惡化面積，而東南部改善效果不太明顯。

圖2 2000～2019年研究區(qū) RSEI等級分布（a.2000年，b.2003年，c.2006年，d.2008年，e.2011年，f.2014年，g.2017年，h.2019年）

圖3給出了各年份不同RSEI等級的所占面積比例。如圖所示，2000～2019年大雪山紅線區(qū)RSEI等級為良和一般的所占面積比例較大，平均值分別為44.936%和30.627%；其次為優(yōu)等級，平均值為14.451%；較差和差等級所占的面積比例較小，平均值分別為7.773%和2.212%。從時間變化上看，RSEI等級為優(yōu)的面積比例呈緩慢增加趨勢，良和一般等級所占比例呈緩慢減小趨勢，一般及以上等級所占比例呈波動增加趨勢，差和較差等級的面積比例呈波動減小趨勢。

圖3 2000～2019年研究區(qū)RSEI各等級面積比例分布

3.2 研究區(qū)生物多樣性維護功能（BMI）評價分析

利用PCA方法對2000～2019年共8期的BMI遙感因子（BI、NDVI、FVI、GPP、LSI和 DEM）進行分析，計算出每期各因子對生物多樣性維護功能的權(quán)重及平均值（表3），并以各因子的平均值作為生物多樣性維護功能評價指標的權(quán)重，得到表征大雪山生態(tài)保護紅線區(qū)生物多樣性維護功能（BMI）的遙感評價模型，具體計算公式如下：

表3 生物多樣性維護功能（BMI）各年指標權(quán)重與平均值

利用公式（5）對大雪山生態(tài)保護紅線區(qū)2000 年、2003 年、2006 年、2008 年、2011 年、2014 年、2017 年和2019 年共8期的生物多樣性維護功能（BMI）進行評價，得到2000～2019年大雪山紅線區(qū)生物多樣性維護功能分級（圖4）。如圖所示，與RSEI等級分布類似，紅線區(qū)BMI等級在整體上表現(xiàn)為北部優(yōu)于南部；其中，BMI為一般及以上等級主要位于紅線區(qū)北部、中部和西部部分地區(qū)，較差和差等級主要位于紅線區(qū)東南部；2000～2019年紅線區(qū)中部和西部部分地區(qū)生物多樣性維護功能有所改善，而東南部改善效果不太明顯。

圖4 同圖2，但為 BMI

圖5給出了各年份不同BMI等級的所占面積比例。如圖所示，2000～2019年大雪山紅線區(qū)BMI等級為一般和較強的所占面積比例較大，平均值分別為41.654%和26.697%；其次為強等級，平均值為16.516%；較差和差等級所占的面積比例較小，平均值分別為12.113%和3.021%。從時間變化上看，BMI等級為優(yōu)的面積比例近20 a變化不大，較強和一般等級的面積比例呈現(xiàn)波動增加趨勢，差和較差等級的面積比例呈波動減小趨勢。由此可見，近年來大雪山紅線區(qū)生物多樣性功能呈緩慢增強趨勢，但不同區(qū)域改善的效果存在差異。

圖5 同圖3，但為 BMI

3.3 研究區(qū)氣候變化特征分析

氣候變化是生態(tài)系統(tǒng)變化的主要驅(qū)動因素，同時生態(tài)系統(tǒng)的改變又會進一步對氣候變化產(chǎn)生反饋作用[23-26]。大雪山紅線區(qū)屬于川西北水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護重要區(qū)，因此研究大雪山地區(qū)氣候的時空變化特征，對于該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護和管理具有重要意義。本節(jié)利用1990～2019年大雪山地區(qū)6個自動氣象站的氣象數(shù)據(jù)，計算不同氣象要素（氣溫、降水、日照、風速）的年平均值及植被生長季（4～9月）平均值，分析大雪山紅線區(qū)的氣候變化特征。

1990～2019 年，大雪山紅線區(qū)多年平均氣溫為10.649℃，植被生長季多年平均氣溫為15.260℃，二者均呈明顯的上升趨勢（圖6）。其中，年平均氣溫變化速率為0.298℃·(10 a)-1，生長季平均氣溫變化速率為0.341℃·(10 a)-1。年平均氣溫和生長季平均氣溫在1990～2000年波動較大，變化趨勢不明顯，但在2000～2019年二者均表現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢。

圖6 1990～2019年研究區(qū)氣溫變化趨勢（a.年平均，b.生長季平均）

1990～2019 年，大雪山紅線區(qū)多年平均降水量為723.291 mm，植被生長季多年平均降水量為642.498 mm。由此可見大雪山降雨主要集中在生長季，占全年總降水量的90%左右。年均降水量和生長季降水量呈波動變化趨勢（圖7），其中年均降水量呈弱的增加趨勢，上升速率僅為2.705 mm·(10 a)-1，生長季降水量呈不明顯的減少趨勢，減少速率僅為-5.943 mm·(10 a)-1。1990～2019年大雪山紅線區(qū)年降水量（＞600 mm）和生長季降水量（＞500 mm）始終維持在較高水平，表明該區(qū)域降水量較為充沛。

圖7 同圖6，但為降水

1990～2019 年，大雪山紅線區(qū)多年平均日照時數(shù)為1912.816 h，植被生長季多年平均日照時數(shù)為940.827 h。年均日照時數(shù)和生長季日照時數(shù)呈波動變化較大（圖8），其中年均日照時數(shù)呈不明顯的增加趨勢，上升速率僅為2.778 h·(10 a)-1，生長季日照時數(shù)呈不明顯的減少趨勢，減少速率僅為-0.199 h·(10 a)-1。年日照時數(shù)及生長季日照時數(shù)在1990～2016年波動較大，變化趨勢不明顯， 但二者在2016年后均呈現(xiàn)出明顯的減少趨勢。

圖8 同圖6，但為日照時數(shù)

1990～2019 年，大雪山紅線區(qū)多年平均風速為1.957 m·s-1，植被生長季多年平均風速為 1.907 m·s-1，二者波動變化幅度較大，均呈不明顯的減少趨勢（圖9）。其中，年平均風速減少速率僅為-0.024 m·s-1·(10 a)-1，生長季平均風速減少速率僅為-0.022 m·s-1·(10 a)-1。年平均風速及生長季平均風速在1990～2000年呈顯著的減小趨勢，2000～2015年變化幅度不大，2015年后呈明顯增加趨勢。近年來，植被生長季風速的增大使得植被種子更好地擴散且植被覆蓋度增加，有利于紅線區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。

圖9 同圖6，但為風速

4 結(jié)論與討論

本文基于衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)和地面氣象觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）和生物多樣性維護功能指數(shù)（BMI），對 2000～2019年大雪山生態(tài)紅線區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況和生物多樣性維護功能進行評價，并分析紅線區(qū)氣候變化特征，得到以下主要結(jié)論：

（1）大雪山紅線區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況區(qū)域差異明顯，整體上北部優(yōu)于南部。2000～2019年紅線區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況呈現(xiàn)出變好趨勢，其中紅線區(qū)中部生態(tài)環(huán)境改善面積大于生態(tài)惡化面積，生態(tài)環(huán)境狀況得到明顯改善，而東南部改善效果不太明顯。紅線區(qū)多年平均生態(tài)環(huán)境狀況等級為優(yōu)的面積比例占14.451%、良占44.936%、一般占30.627%、較差占7.773%、差占2.212%，一般以上等級所占比例達90%。

（2）近年來，大雪山紅線區(qū)生物多樣性維護功能持續(xù)改善并始終保持在較高的水平，整體上表現(xiàn)為北部優(yōu)于南部，其中一般及以上等級主要位于北部、中部和西部部分地區(qū)，差和較差等級主要位于東南部地區(qū)。從多年平均所占面積比例來看，紅線區(qū)生物多樣性等級為強占16.516%、較強占26.697%、一般占41.654%、較差占12.113%、差占3.021%，一般以上等級所占比例達84.912%。

（3）1990～2019年，大雪山生態(tài)紅線區(qū)增暖顯著，降水充足，日照時數(shù)略增，風速略微下降。其中，紅線區(qū)年均氣溫和生長季平均氣溫分別為10.649℃和15.260℃，年均降水量和生長季平均降水量分別為723.291 mm和642.498 mm，年均日照時數(shù)和生長季平均日照時數(shù)分別為1912.816 h和940.827 h，年均風速和生長季平均風速分別為1.957 m·s-1和1.907 m·s-1。暖濕氣候條件利于紅線區(qū)生態(tài)的恢復(fù)，使生態(tài)環(huán)境狀況和生態(tài)功能趨于好轉(zhuǎn)。

此外，除本文討論的氣溫、降水、日照和風速4個氣象因子外，還有其他氣象因子可以間接影響生態(tài)環(huán)境狀況及生態(tài)功能，如蒸散、云量、相對濕度、氣溶膠濃度等，未來還需進一步深入分析。