貴州武陵山區(qū)植被LAI 時(shí)空演變及其未來(lái)持續(xù)性特征

吳路華*，楊東妮，陳 丹

（1.銅仁學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，貴州 銅仁；2.銅仁學(xué)院 鄉(xiāng)村振興研究中心，貴州 銅仁）

引言

植被葉面積指數(shù)（LAI）是植被生態(tài)學(xué)和遙感應(yīng)用中的重要參數(shù)[1]，也是植被遙感監(jiān)測(cè)過(guò)程中重要的指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于識(shí)別和診斷生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化，評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、生態(tài)有機(jī)碳匯及生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[2-4]。因而，研究植被LAI 時(shí)空動(dòng)態(tài)演變過(guò)程對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)監(jiān)測(cè)和保護(hù)成效評(píng)估具有重要的科學(xué)意義。

在氣候變化和人類活動(dòng)雙重作用下，植被恢復(fù)突變性加強(qiáng)，脆弱性增加，以往恢復(fù)較好的部分區(qū)域產(chǎn)生了局部退化現(xiàn)象。而現(xiàn)階段，對(duì)于LAI 方面研究多集中于植被LAI 的監(jiān)測(cè)模擬[5-7]、作物估產(chǎn)[8-11]、遙感反演[12-18]、動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化[19-22]及基于LAI 的參數(shù)模型改進(jìn)研究[23-24]。然而，生態(tài)修復(fù)過(guò)程中植被恢復(fù)成效及其未來(lái)持續(xù)性特征未得到明確認(rèn)識(shí)，嚴(yán)重制約了當(dāng)前生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和生態(tài)文明建設(shè)。

為落實(shí)《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)》與《全國(guó)生態(tài)狀況定期遙感調(diào)查評(píng)估方案》（環(huán)辦生態(tài)〔2019〕45 號(hào)）及《關(guān)于〈印發(fā)2015-2020 年全國(guó)生態(tài)狀況變化遙感調(diào)查評(píng)估實(shí)施方案〉的通知》（環(huán)辦生態(tài)函〔2020〕179號(hào)）中關(guān)于開(kāi)展全省生態(tài)環(huán)境狀況遙感調(diào)查與保護(hù)成效評(píng)估的具體要求。本文重點(diǎn)圍繞貴州武陵山區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)保護(hù)監(jiān)管需求，耦合過(guò)去- 未來(lái)兩種情景，開(kāi)展了植被LAI 時(shí)空動(dòng)態(tài)演變?cè)u(píng)估，闡明其空間耦合演變模式，以期為貴州武陵山區(qū)“十四五”期間生態(tài)保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

貴州武陵山區(qū)位于貴州省東北部（107°4'E～109°30'N，27°07'N～29°13'N），地處武陵山區(qū)腹地，東鄰湖南，北與重慶市接壤，呈東南西北走向（圖1），全境以山地為主，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)。該區(qū)是長(zhǎng)江中上游重要的生態(tài)屏障，更是全國(guó)11個(gè)集中連片特殊困難地區(qū)之一，集革命老區(qū)、民族地區(qū)和貧困地區(qū)于一體，是跨省交界面大、少數(shù)民族聚集多、貧困人口分布廣、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的連片特困地區(qū)，是國(guó)家鞏固拓展脫貧攻堅(jiān)成果，有效銜接鄉(xiāng)村振興的主戰(zhàn)場(chǎng)之一。貴州武陵山區(qū)轄銅仁市2 區(qū)8 縣及遵義市6 個(gè)縣，總面積3.09 km2，其中喀斯特區(qū)域面積為2.29 萬(wàn)km2，占研究區(qū)總面積的74%，非喀斯特區(qū)域僅為0.80 萬(wàn)km2，占研究區(qū)總面積的26%。以梵凈山至佛頂山山脈為分水嶺，分屬沅江水系和烏江水系兩大一級(jí)支流水系，屬于典型喀斯特區(qū)。巖溶地貌發(fā)育典型，水文地質(zhì)復(fù)雜，“二元三維”水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)突出，巖溶作用強(qiáng)烈，地下裂縫、管道、溶洞、暗河、洞穴廣泛分布，喀斯特區(qū)嚴(yán)重的地下漏失現(xiàn)象，石多土少水缺，阻礙了養(yǎng)分有效循環(huán)，嚴(yán)重制約著植被恢復(fù)速率與區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善。

圖1 研究區(qū)地理位置與海拔特征

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用葉面積指數(shù)來(lái)源于北京師范大學(xué)全球陸表特征參量（GLASS）產(chǎn)品的葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法訓(xùn)練出從預(yù)處理數(shù)據(jù)MOD09A1 到LAI 值的關(guān)系模型反演而得[25-26]。數(shù)據(jù)單位m2/m2，時(shí)間分辨率為16d，時(shí)間范圍2000-2020 年，比例系數(shù)為0.1，空間分辨率為500 m，投影為Albers 等積圓錐投影，共包括2000-2020 年共42 期。該數(shù)據(jù)集經(jīng)使用MRT 工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和重投影，并對(duì)無(wú)效值和背景值進(jìn)行處理，換算為真實(shí)的NDVI 值，最后通過(guò)年度最大值合成法得到2000-2020 年貴州武陵山區(qū)各年LAI 數(shù)據(jù)集。

3 研究方法

本文基于Theil-Sen 趨勢(shì)法和Mann-Kendall 顯著性檢驗(yàn)法耦合揭示了貴州武陵山區(qū)LAI 變化趨勢(shì)及其顯著性特征[27-29]，精準(zhǔn)識(shí)別了貴州武陵山區(qū)植被變化恢復(fù)和退化關(guān)鍵區(qū)域。其次，采用Hurst 指數(shù)闡明了LAI 未來(lái)持續(xù)性狀態(tài)[30-31]，基于提出的Hurst 系數(shù)的強(qiáng)度分級(jí)表，定量評(píng)估了未來(lái)持續(xù)性等級(jí)特征[32]。為了定量闡明未來(lái)持續(xù)性強(qiáng)度大小與過(guò)去變化趨勢(shì)特征的關(guān)聯(lián)性，本文將過(guò)去變化趨勢(shì)顯著性與未來(lái)持續(xù)性特征進(jìn)行空間耦合疊加，識(shí)別了空間上LAI 變化的過(guò)去- 未來(lái)空間耦合演變模式，揭示了長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空動(dòng)態(tài)演變特征。

4 結(jié)果分析

4.1 LAI 時(shí)空演變特征

2000-2020 年，貴州武陵山區(qū)植被LAI 總體上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，平均增速為0.044 m2/m2（圖2），整體上看，LAI 變化范圍介于2.48 m2/m2～3.42m2/m2間，平均值3.02 m2/m2，最大值出現(xiàn)在2019 年，高出平均值0.4 m2/m2，最小值在2001 年，低于平均值0.54 m2/m2。

圖2 2000-2020 年LAI 變化速率

由表1 和圖3 可知，貴州武陵山區(qū)在空間上呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)（增加區(qū)域的面積），其中LAI 顯著增加的區(qū)域占比較大，達(dá)到85.37%，輕微增加占10.82%，輕微減少的區(qū)域僅為2.24%，顯著減少的區(qū)域所占的比重最小，其值僅有1.56%。

表1 各類型LAI 時(shí)空演變趨勢(shì)特征

由圖3 可知，LAI 的Sen 趨勢(shì)值介于-0.13～0.14 m2/m2之間，平均增長(zhǎng)率0.044 m2/m2。LAI 顯著增加區(qū)域主要集中在貴州武陵山區(qū)的中部、北部以東部及西部地區(qū)；輕微增加區(qū)域主要分布在南部、西南部地區(qū)、江口和印江交界地帶；輕微減少區(qū)域則主要分布在江口、松桃、石阡以及余慶等縣及梵凈山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)域；顯著減少區(qū)域則主要集中在鳳岡縣、余慶、碧江及松桃等縣區(qū)的縣城區(qū)域。

4.2 LAI 未來(lái)持續(xù)性特征

從空間分布狀況看（圖4），貴州武陵山區(qū)植被LAI 的Hurst 指數(shù)介于0.15～0.91，以強(qiáng)度反持續(xù)和弱反持續(xù)性為主，達(dá)到74.23%，而正持續(xù)性占比相對(duì)較少，僅為25.77%。弱正持續(xù)性主要分布在貴州武陵山區(qū)的中部、北部、東部以及東南部地區(qū)，占比為25.55%，強(qiáng)正持續(xù)性區(qū)域占比較低，僅0.22%。

圖4 LAI 演變Hurst 指數(shù)空間分布特征

為了進(jìn)一步明晰貴州武陵山區(qū)植被LAI 的變化趨勢(shì)與其未來(lái)可持續(xù)性的時(shí)空耦合特征，本文將LAI的Sen 變化趨勢(shì)顯著性與Hurst 指數(shù)進(jìn)行空間疊加，得到基于植被LAI 增加和減少的貴州武陵山區(qū)未來(lái)可持續(xù)性空間耦合模式（圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，貴州武陵山區(qū)LAI 呈現(xiàn)持續(xù)性減少的區(qū)域僅為2.06%，LAI 持續(xù)性增加的區(qū)域達(dá)到23.7%，而未來(lái)變化無(wú)法確定的區(qū)域達(dá)到了74.23%，是有明顯變化趨勢(shì)區(qū)域的3 倍。其中，強(qiáng)持續(xù)減少的面積占比僅為0.12%，主要分布于思南、余慶和碧江等地區(qū)。弱持續(xù)減少區(qū)域占比1.94%，在貴州武陵山區(qū)大部分地區(qū)都有少量分布。弱持續(xù)增加的比例為23.60%，主要分布在思南縣、鳳岡縣、石阡縣、正安縣以及道真縣等；未來(lái)變化無(wú)法確定的區(qū)域主要分布于貴州武陵山區(qū)北部及東北部地區(qū)，但在湄潭、余慶、印江以及江口也有大范圍分布。強(qiáng)持續(xù)性增加區(qū)域最少，僅為0.1%，見(jiàn)表2。

表2 LAI 變化趨勢(shì)及未來(lái)持續(xù)性

圖5 LAI 的Hurst 指數(shù)與Sen 變化趨勢(shì)空間耦合演變特征

5 討論

本文檢測(cè)到LAI 未來(lái)74.23%的區(qū)域可能出現(xiàn)較大的退化風(fēng)險(xiǎn)，這些區(qū)域也是LAI 增速較快的地區(qū)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是這些區(qū)域植被經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的恢復(fù)，現(xiàn)已經(jīng)處于比較好的狀態(tài)，未來(lái)可能會(huì)因?yàn)槿鄙龠m當(dāng)干擾而出現(xiàn)退化風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于現(xiàn)今一些LAI 增速較快或趨于穩(wěn)定的地區(qū)應(yīng)建議通過(guò)加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)管理和科學(xué)的人工干擾以應(yīng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的退化現(xiàn)象。此外，盡管本文揭示了貴州武陵山區(qū)LAI 過(guò)去- 未來(lái)時(shí)空耦合演變過(guò)程與機(jī)制，但是對(duì)于演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制并未進(jìn)行定量評(píng)估和系統(tǒng)解析，后續(xù)將基于系統(tǒng)耦合理論闡明各驅(qū)動(dòng)因素貢獻(xiàn)大小和影響機(jī)制。

6 結(jié)論

（1） 2000-2020 年間，貴州武陵山區(qū)LAI 總體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，平均增速0.044 m2/m2，平均值為3.02 m2/m2。

（2） LAI 顯著增加區(qū)域主要集中在務(wù)川、沿河以及鳳岡，而顯著減少區(qū)域主要在余慶和碧江區(qū)。

（3） LAI 呈現(xiàn)持續(xù)性減少的區(qū)域僅2.06%，LAI呈持續(xù)性增加的區(qū)域達(dá)到23.7%，而未來(lái)變化無(wú)法確定的區(qū)域達(dá)到74.23%。其中，僅0.12%的區(qū)域呈強(qiáng)持續(xù)減少，1.94%呈弱持續(xù)減少，23.60%呈弱持續(xù)增加，而僅有0.1%呈強(qiáng)持續(xù)增加。