2011—2020年宜昌市植被覆蓋度與凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征

張 麗，程晉昕，萬(wàn) 君，劉 俊，成 勤

（1.宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000；2.云南省氣候中心，昆明 650034；3.武漢區(qū)域氣候中心，武漢 430074）

全球氣候變化已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)，隨著工業(yè)化的發(fā)展，CO2成為引起全球氣候變暖的主要因素［1］，持續(xù)性的全球氣候變暖正在影響著全球生態(tài)系統(tǒng)［2］，同時(shí)全球氣候變化又深受陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響［3］。作為生物圈中的重要組成部分，陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要性顯得尤為突出，生態(tài)系統(tǒng)的好壞直接影響當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展。植被是連接土壤、大氣和水分等要素的自然“紐帶”［4］，不僅生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)，還吸收空氣中的二氧化碳（CO2），生成葡萄糖等碳水化合物并釋放出氧氣（O2），這種功能被稱作固碳釋氧，該功能對(duì)調(diào)節(jié)氣候、平衡CO2和O2濃度具有重要意義［1］。

植被覆蓋度是單位面積內(nèi)植被的垂直投影面積所占百分比，它是衡量生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)，對(duì)水文、生態(tài)等變化都具有重要意義。陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）是綠色植物呼吸后所剩下的單位面積單位時(shí)間內(nèi)所固定的能量或所生產(chǎn)的有機(jī)物質(zhì)［5］，反映了綠色植被在自然環(huán)境下的生產(chǎn)能力［6］，是理解地表碳循環(huán)過(guò)程不可缺少的部分。NPP的產(chǎn)量因不同土地利用類型、植被覆蓋類型和密度間的差異而不同，對(duì)整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量和碳循環(huán)有重要影響［7］。研究植被覆蓋度的變化及其對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響意義重大［8］。

遙感監(jiān)測(cè)法具有分辨率高、覆蓋范圍廣、點(diǎn)位密集等優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最為廣泛的研究方法。目前，基 于SPOT∕VEGETATION以 及MODIS等 衛(wèi) 星 遙 感影像得到的歸一化植被指數(shù)（NDVI）時(shí)序數(shù)據(jù)已經(jīng)在植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、土地利用∕覆被變化監(jiān)測(cè)、凈初級(jí)生產(chǎn)力估算等研究中得到廣泛的應(yīng)用。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用遙感技術(shù)對(duì)植被覆蓋度和NPP的研究開(kāi)展的比較多，技術(shù)也比較成熟，Meyer等［9］對(duì)土地利用和土地覆蓋變化進(jìn)行了研究；祁燕等［10］、熊玲等［11］利用NDVI開(kāi)展了植被覆蓋度變化研究；賈慶堂等［12］、陳書(shū)林等［13］開(kāi)展了基于NPP的固碳釋氧能力分析；曲學(xué)斌等［14］發(fā)現(xiàn)降水是影響NPP變化的主要因素；宋藝等［8］、李卉等［15］開(kāi)展了植被覆蓋度變化對(duì)NPP的影響研究?；谶b感技術(shù)的植被覆蓋與NPP的協(xié)同分析已成為當(dāng)前城市化生態(tài)環(huán)境研究的一種趨勢(shì)［16］。

宜昌市森林資源豐富，地形條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，近年來(lái)隨著宜昌城市的快速發(fā)展，人口的持續(xù)增長(zhǎng)，能源需求日益增長(zhǎng)。在中國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的背景下，厘清植被覆蓋度及其對(duì)NPP的影響，對(duì)宜昌市綠色發(fā)展具有重要意義。本研究在前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用2011—2020年宜昌市NDVI和NPP遙感影像數(shù)據(jù)，研究植被覆蓋度、NPP和固碳釋氧量的時(shí)空分布特征，并分析植被覆蓋度的變化對(duì)NPP的影響，以期為宜昌市土地利用管理和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

宜昌市位于湖北省西南部，地處長(zhǎng)江上游與中游的結(jié)合部，鄂西武陵山脈和秦巴山脈向江漢平原的過(guò)渡地帶（111°15′—112°04′E，29°56′—31°34′N）。宜昌市地形復(fù)雜，高低相差懸殊，海拔從27 m（枝江）～2 346 m（興山），呈自西向東逐級(jí)下降的態(tài)勢(shì)（圖1a），平均坡降14.5‰，形成山地、丘陵和平原三大基本地貌類型。其中，西部山地占全市總面積的69%，中部丘陵占全市總面積的21%，東部平原占全市總面積的10%，俗稱“七山二丘一分平”。山地（海拔大于500 m）是全境地貌的主體，主要分布在興山、秭歸、長(zhǎng)陽(yáng)、五峰及夷陵北部和西部。丘陵（海拔100～500 m）分布于遠(yuǎn)安、夷陵、宜都東部和當(dāng)陽(yáng)北部；平原（海拔在100 m以下）分布在枝江、當(dāng)陽(yáng)東南部、宜昌城區(qū)東南部、遠(yuǎn)安中部，是農(nóng)耕作業(yè)之地。宜昌市森林資源豐富，遙感監(jiān)測(cè)顯示，2020年宜昌市森林覆蓋率達(dá)70.8%（圖1b）。土地覆蓋類型包括森林、農(nóng)田、草地、水體和裸地等。

圖1 宜昌市研究區(qū)域高程分布（a）及土地覆蓋類型（b）

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

NDVI能精確地反映植被代謝強(qiáng)度及其季節(jié)和年際變化，而且能部分地補(bǔ)償照明條件、地面坡度以及衛(wèi)星觀測(cè)方向的變化所引起的不足。本研究所用數(shù)據(jù)包括月度NDVI和基于光能利用率模型GLO_PEM計(jì)算獲取的月度NPP，時(shí)間范圍為2011—2020年。其中，NDVI數(shù)據(jù)集空間分辨率為500 m，來(lái)源于湖北省生態(tài)和衛(wèi)星遙感中心；NPP數(shù)據(jù)集空間分辨率為1 000 m，來(lái)源于國(guó)家氣象中心。宜昌市DEM分布數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，空間分辨率30 m。土地利用數(shù)據(jù)為全球土地覆蓋的精細(xì)分辨率觀測(cè)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)站（FROM-GLC）提供的30 m分辨率全球土地覆蓋圖。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)ENVI∕IDL和ArcGIS進(jìn)行投影轉(zhuǎn)化、影像裁切等預(yù)處理，得到研究區(qū)NDVI和NPP數(shù)據(jù)，采用均值法計(jì)算2011—2020年春季、夏季、秋季、冬季和年平均NDVI和NPP。按照季節(jié)劃分法［17］，12月至次年2月為冬季、3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季。

2.2 植被覆蓋度計(jì)算

植被覆蓋度（fv）采取基于NDVI的像元二分模型法，假設(shè)一個(gè)像元由土壤和植被兩部分組成，像元信息由綠色植被成分所貢獻(xiàn)的信息和由土壤成分所貢獻(xiàn)的信息組成?；谙裨帜Ｐ偷闹脖桓采w度表達(dá)式如式（1）所示。

式中，NDVI為研究時(shí)段的像元?dú)w一化差值植被指數(shù)；NDVIV為純植被覆蓋像元的歸一化差值植被指數(shù)；NDVIS為純土壤覆蓋像元的歸一化差值植被指數(shù)。本研究中，累積頻率0.5%對(duì)應(yīng)的NDVI為NDVIS，99.5%對(duì)應(yīng)的NDVI為NDVIV［5］。

2.3 植被覆蓋度與NPP分級(jí)

植被覆蓋度年際對(duì)比（△fv）以當(dāng)年植被覆蓋度與常年（2011—2020年）同期植被覆蓋度平均值的差值表示，陸地植被覆蓋度及其年際對(duì)比分為6個(gè)等級(jí)。NPP年際對(duì)比（△NPP）為該時(shí)段的NPP較常年（2011—2020年）同期的差值與常年（2011—2020年）同期NPP的比值，NPP及其年際對(duì)比分為6個(gè)等級(jí)（表1）。

表1 植被覆蓋度及NPP分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)等級(jí)劃分

2.4 植被固碳釋氧量計(jì)算

生態(tài)系統(tǒng)中的植物通過(guò)光合作用和呼吸作用與大氣進(jìn)行CO2和O2交換，對(duì)維持大氣中CO2和O2動(dòng)態(tài)平衡、減緩溫室效應(yīng)具有不可替代的作用［18，19］。根據(jù)光合作用和呼吸作用的方程式可推算出，每形成1 g干物質(zhì)可固定1.62 gCO2，并釋放1.2 gO2；干物質(zhì)量可根據(jù)植物干物質(zhì)中碳元素的含量約占45%，由此評(píng)估宜昌市固碳釋氧量［12，20］。

3 結(jié)果與分析

3.1 2011—2020年宜昌市植被覆蓋度變化分析

3.1.1 宜昌市不同覆蓋等級(jí)的空間變化分析2011—2020年宜昌市植被覆蓋環(huán)境良好穩(wěn)定，西部山區(qū)植被覆蓋度高于東部平原，其中，五峰、興山、長(zhǎng)陽(yáng)、夷陵、秭歸、遠(yuǎn)安等山區(qū)植被覆蓋度較高，大部分地區(qū)達(dá)80%以上，枝江、當(dāng)陽(yáng)等東部平原地帶植被覆蓋度多處于40%～60%；人口較為集中的城鎮(zhèn)區(qū)域植被覆蓋度多處于5%～20%（圖2）。全市植被覆蓋度以高植被覆蓋為主（圖3）。

圖2 2011—2020年宜昌市平均植被覆蓋度空間分布

圖3 2011—2020年宜昌市不同等級(jí)植被覆蓋度占比（各等級(jí)占總面積的比例）分布情況

3.1.2 宜昌市不同覆蓋等級(jí)的時(shí)間變化分析2011—2020年宜昌市植被覆蓋度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖4）。春季和夏季植被覆蓋度較好，秋季和冬季植被覆蓋度相對(duì)較差，其中春季平均植被覆蓋度為84.4%，植被覆蓋最好，且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；冬季平均植被覆蓋度為62.8%，植被覆蓋相對(duì)最差，但也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且2020年冬季的植被覆蓋度為10年來(lái)最高。從宜昌市2020年植被覆蓋度年際對(duì)比結(jié)果可以看出，宜昌市植被覆蓋度整體呈穩(wěn)中向好趨勢(shì)（圖5）。

圖4 2011—2020年宜昌市逐年（季）平均植被覆蓋度變化情況

圖5 宜昌市2020年植被覆蓋度年際對(duì)比（△fv）空間分布

3.2 2011—2020年宜昌市凈初級(jí)生產(chǎn)力變化分析

3.2.1 宜昌市凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空變化分析 宜昌市植被平均NPP空間變化特征呈自西向東遞減的趨勢(shì)，西部山區(qū)NPP高于東部平原（圖6），其中，五峰、興山、長(zhǎng)陽(yáng)、夷陵、秭歸、遠(yuǎn)安等山區(qū)NPP較高，大部分地區(qū)達(dá)800 gC∕m2以上；枝江、當(dāng)陽(yáng)等東部地帶大部為耕地，NPP多處于600～800 gC∕m2；人口較為集中的城鎮(zhèn)區(qū)域NPP小于600 gC∕m2，分布特征與當(dāng)?shù)氐匦?、海拔、植被類型等自然因素和土地類型有關(guān)。

圖6 2011—2020年宜昌市平均NPP空間分布

宜昌市2020年NPP年際對(duì)比空間差異較大（圖7），其中，長(zhǎng)陽(yáng)、五峰、秭歸東部、夷陵等西部山區(qū)NPP整體表現(xiàn)為增加，NPP減少顯著的區(qū)域主要集中在東部平原縣市，這與其城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展有直接聯(lián)系。快速城鎮(zhèn)化在改變植被生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí)，也對(duì)植被的生產(chǎn)力產(chǎn)生了消極的影響，從而導(dǎo)致該地區(qū)NPP顯著下降［17］。

圖7 宜昌市2020年NPP年際對(duì)比（△NPP）空間分布

2011—2020年宜昌市NPP年均值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖8），植被吸收的凈CO2量逐漸增多，說(shuō)明宜昌市生態(tài)逐步改善，這與近年來(lái)宜昌市大力開(kāi)展“中國(guó)氣候宜居城市”“中國(guó)天然氧吧”“中國(guó)氣候宜居縣”氣候標(biāo)志創(chuàng)建息息相關(guān)。宜昌市大部分地區(qū)NPP達(dá)800 gC∕m2以上（評(píng)價(jià)等級(jí)為高），其中NPP為1 000 gC∕m2以上（評(píng)價(jià)等級(jí)為很高）增長(zhǎng)趨勢(shì)最大。

圖8 2011—2020年宜昌市逐年NPP和不同等級(jí)占比分布情況

3.2.2 宜昌市固碳釋氧能力綜合分析宜昌市2011—2020年平均固碳量和釋氧量西部山區(qū)均高于東部平原（圖9），其中，五峰、興山、長(zhǎng)陽(yáng)、夷陵、秭歸、遠(yuǎn)安等山區(qū)固碳量達(dá)3 000 g∕m2以上，釋氧量達(dá)2 000 g∕m2以上；枝江和宜都等東部地帶大多為耕地，固碳量多處于2 500～3 000 g∕m2，釋氧量多處于1 500～2 000 g∕m2；人口較為集中的城鎮(zhèn)區(qū)域固碳量多處于1 000～2 500 g∕m2，釋氧量多處于750～1 500 g∕m2，由此可見(jiàn)，固碳釋氧能力主要與不同土地覆蓋類型和人類活動(dòng)有關(guān)。近10年宜昌市平均固碳量與釋氧量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，植被釋放的氧氣逐漸增多。

圖9 2011—2020年宜昌市平均固碳量（a）和釋氧量（b）的空間分布

3.3 宜昌市植被覆蓋度對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響分析

植被覆蓋度能夠較好地反映不同地物類型的植被覆蓋特征以及與地表能量的交換特征［8，21］，不同植被覆蓋度下的NPP產(chǎn)量勢(shì)必存在差異，為了能夠定量分析NPP與植被覆蓋度之間的關(guān)系，本研究逐像元提取對(duì)應(yīng)植被覆蓋度下的平均NPP并作相關(guān)性分析。結(jié)果表明，植被覆蓋度與平均NPP之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.91，并通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明植被覆蓋度對(duì)NPP的產(chǎn)量具有很好的指示作用，NPP的產(chǎn)量隨植被覆蓋度的增大而增加，植被覆蓋等級(jí)的變化會(huì)引起NPP的變化。

為定量表達(dá)不同等級(jí)植被覆蓋度變化對(duì)NPP產(chǎn)量的影響，分別計(jì)算2011—2020年各等級(jí)下的NPP（表2），可以發(fā)現(xiàn)，不同年份各等級(jí)植被覆蓋度下的年均NPP均存在不同程度的波動(dòng)。其中，高植被覆蓋度NPP近10年的變化趨勢(shì)最明顯，為4.35 gC∕m2，說(shuō)明高植被覆蓋區(qū)對(duì)區(qū)域生產(chǎn)力的影響非常重要；較高植被覆蓋度次之，近10年的變化趨勢(shì)為0.25 gC∕m2；較低植被覆蓋度及以下等級(jí)的平均NPP的線性趨勢(shì)整體表現(xiàn)為穩(wěn)中略升；中植被覆蓋度的均值NPP略有下降，這主要受較高植被覆蓋區(qū)以上明顯增長(zhǎng)的影響。

表2 2011—2020年宜昌市不同等級(jí)植被覆蓋下的NPP分布情況

4 小結(jié)與討論

本研究利用宜昌市2011—2020年植被指數(shù)和NPP數(shù)據(jù)，分析了宜昌市植被覆蓋度與凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征及其兩者之間的關(guān)系，為深度研究人類活動(dòng)及城市化帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，達(dá)到合理規(guī)劃城市發(fā)展、提高土地利用率、發(fā)展農(nóng)業(yè)等提供參考。主要結(jié)論如下。

1）宜昌市植被覆蓋環(huán)境良好穩(wěn)定，并呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，西部山區(qū)植被覆蓋度高于東部平原，全市植被覆蓋度以高植被覆蓋為主；春季和夏季植被覆蓋度較好，秋季和冬季植被覆蓋度相對(duì)較差。

2）宜昌市西部山區(qū)NPP高于東部平原，并呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，植被吸收的凈CO2量逐漸增多，說(shuō)明宜昌市近10年生態(tài)環(huán)境得到改善。

3）宜昌市西部山區(qū)固碳量和釋氧量高于東部平原，固碳釋氧能力與不同土地覆蓋類型和人類活動(dòng)有關(guān)；近10年平均固碳量和釋氧量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4）宜昌市植被覆蓋度與NPP之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91（P＜0.01），說(shuō)明植被覆蓋度對(duì)NPP的產(chǎn)量有很好的指示作用，并且NPP的產(chǎn)量隨植被覆蓋度的增大而增加；各等級(jí)植被覆蓋度下的年均NPP均存在不同程度的波動(dòng)，其中高植被覆蓋度變化趨勢(shì)最明顯，說(shuō)明高植被覆蓋區(qū)對(duì)區(qū)域生產(chǎn)力的影響非常重要。

5）本研究使用的植被指數(shù)數(shù)據(jù)分辨率為1 000 m，在區(qū)域性研究中仍然存在一定的誤差。此外實(shí)際植被NPP是氣候、下墊面覆蓋和其他因子（城市熱島、農(nóng)耕活動(dòng)、園林管理等）相互作用的結(jié)果［22］，后續(xù)可以綜合氣候因素的影響對(duì)NPP變化進(jìn)行更加詳細(xì)的分析研究。