尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估與時(shí)空格局變化
——基于參照條件的評(píng)估方法

余海東,顧行發(fā),3,魏香琴,占玉林,劉 艷,李 娟,王春梅

1 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 北華航天工業(yè)學(xué)院遙感信息工程學(xué)院,廊坊 065000

生態(tài)系統(tǒng)是由地球表層一定空間內(nèi)所有生物體以及與其相互作用的非生物環(huán)境構(gòu)成的有機(jī)整體,其作為生態(tài)學(xué)的一個(gè)基本單元,是人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1—2]。當(dāng)前,隨著人口的急劇增加、資源的過(guò)度消耗和環(huán)境污染的日益加劇,自然生態(tài)系統(tǒng)遭到了人類(lèi)活動(dòng)的巨大沖擊與破壞,全球性和區(qū)域性的生態(tài)危機(jī)和矛盾沖突日益顯現(xiàn)[3—4],亟需利用具有大面積宏觀特性的遙感手段對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估,為迅速而準(zhǔn)確地制定出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略和治理方案提供技術(shù)支撐[5]。生態(tài)環(huán)境保護(hù)既是聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展議程推進(jìn)的重要目標(biāo),也是社會(huì)主義生態(tài)文明建設(shè)以及中國(guó)倡議的“一帶一路”建設(shè)項(xiàng)目中推動(dòng)各國(guó)可持續(xù)發(fā)展合作的重要內(nèi)容。合理評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、分析其時(shí)空演變特征和量化保護(hù)成效,對(duì)于維護(hù)生態(tài)環(huán)境健康穩(wěn)定和促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義[6—7]。

自然植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要成分,在能量、碳、水等地球要素循環(huán)中起著關(guān)鍵性作用,其變化直接影響該區(qū)域的氣候、水文和土壤等狀況[8—9],是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的重要指示器,可作為評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況好壞的重要因素[10]。森林、灌叢、草地、農(nóng)田等主要的植被生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其質(zhì)量狀況在很大程度上反映了區(qū)域整體的生態(tài)環(huán)境變化特征。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于多源信息和遙感方法已在全球[11]、國(guó)家[12]、區(qū)域[10]等不同尺度,針對(duì)森林[13]、流域[14]、濕地[15]、高原[16]、城市[17]、自然保護(hù)區(qū)[18]等多種自然環(huán)境開(kāi)展了諸多有關(guān)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、健康、安全、穩(wěn)定性以及脆弱性等評(píng)估研究[19—23],構(gòu)建了多種具有指示意義的遙感生態(tài)指數(shù),形成了豐富的評(píng)價(jià)指標(biāo)和綜合評(píng)估模型[24—27],在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估方面,使用的方法主要有層次分析法、主成分分析法、模糊評(píng)價(jià)法、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response,PSR)模型以及綜合指數(shù)法等[28—33]。然而,由于生態(tài)系統(tǒng)自身類(lèi)型不同以及受到所處自然環(huán)境條件的限制,其本身即存在質(zhì)量上的差異,這些評(píng)估方法大多只能計(jì)算當(dāng)前條件下生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值,而不能反映其相對(duì)于理想條件所達(dá)到的質(zhì)量水平,其評(píng)估結(jié)果時(shí)間和空間可比性差[34]。因此,在進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估時(shí),不能僅關(guān)注自然本底條件或生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值,更要注重其發(fā)展變化特征和內(nèi)在因素,目前的大多數(shù)研究對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化及其內(nèi)涵還缺乏更為深刻的認(rèn)識(shí)和解釋,難以滿足新時(shí)期對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量開(kāi)展監(jiān)測(cè)與評(píng)估的需求。

參照條件起初被廣泛定義為受人類(lèi)影響最小的生態(tài)系統(tǒng)變量的測(cè)量基線[35—36],在淡水生態(tài)系統(tǒng)管理[37]、海洋生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估[38]、河流生態(tài)條件評(píng)估[39]以及生態(tài)恢復(fù)[40]等方面得到不同程度的應(yīng)用。此外,在礦區(qū)土地復(fù)墾區(qū)植被重建質(zhì)量評(píng)價(jià)方面,參照區(qū)對(duì)比法也在西方國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用[41]。相比之下,國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始將“參照狀態(tài)”“參照區(qū)”“基線”等參照條件的概念應(yīng)用于環(huán)境損害鑒定評(píng)估[42]、水生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估[43]、草原生態(tài)系統(tǒng)損害基線判定[44]和濕地生態(tài)修復(fù)[45]等方面,但是在參照條件的概念和方法使用上仍較為缺失。何念鵬等[46]提出的基于理想?yún)⒄障档男滦蜕鷳B(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估理念和方法為量化生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化提供了一種新的思路,張夢(mèng)宇等[34]通過(guò)選取參照單元計(jì)算分析了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化,得出中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)的平均值低于參照系28%的結(jié)論,對(duì)基于參照條件的評(píng)估方法在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估等方面的有關(guān)理論、應(yīng)用、方法設(shè)計(jì)及其所能夠闡釋的生態(tài)學(xué)變化意義上仍有待進(jìn)一步的探究與完善。

尼泊爾獨(dú)特的地理位置使其成為全球生物多樣性最為豐富的地區(qū)之一,亦是“一帶一路”建設(shè)的重點(diǎn)合作國(guó)家,其生態(tài)環(huán)境狀況關(guān)系到世界第三極——喜馬拉雅山脈的保護(hù)以及全球氣候變化,弄清其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況與時(shí)空格局變化,對(duì)分析制定區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策、共建人類(lèi)命運(yùn)共同體和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。尼泊爾國(guó)土面積較小但其海拔和氣候差異性大,植被及自然生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型豐富,且境內(nèi)分布有眾多的國(guó)家公園、野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)和自然保護(hù)區(qū)[47],可作為天然的參照生態(tài)系統(tǒng)[46]。本文參照我國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估技術(shù)規(guī)范(HJ 1172—2021)[48],從表征植被的水平結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)功能和垂直結(jié)構(gòu)3個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo),針對(duì)尼泊爾境內(nèi)森林、灌叢、草地、農(nóng)田四種主要植被生態(tài)系統(tǒng),結(jié)合其地理分區(qū)劃分為具有相近或相似自然地理環(huán)境和條件的生態(tài)評(píng)估區(qū),構(gòu)建基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估模型,計(jì)算了尼泊爾2016和2020年兩期生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù),重點(diǎn)分析其時(shí)空分布格局和內(nèi)在變化特征。實(shí)現(xiàn)在有限的國(guó)家公園等參照條件下,基于植被生態(tài)參數(shù)和土地覆蓋分類(lèi)等遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品,完成尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的快速評(píng)估,以期為基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估方法的發(fā)展以及開(kāi)展區(qū)域生態(tài)質(zhì)量變化評(píng)估和量化分析等方面的應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

尼泊爾 (26°22′ — 30°27′N(xiāo),80°04′ — 88°92′E) 位于南亞次大陸北部,亞洲的中心部位,屬于喜馬拉雅山脈中段南麓,北與中國(guó)西藏自治區(qū)接壤,其余三面與印度為鄰(圖1)。其地勢(shì)北高南低,海拔差異大,自然資源豐富,總面積約147181萬(wàn)平方公里,主要屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。尼泊爾南部擁有土壤肥沃的沖積平原,是各種農(nóng)作物的生產(chǎn)區(qū),常年炎熱,夏季最高氣溫可達(dá)45℃;中部河谷地區(qū)氣候宜人,多小山,同樣分布著廣袤的森林和草原;北部為高寒山區(qū),高山亞高山草甸和林間草地是主要的牧場(chǎng),部分高山區(qū)終年積雪,最低氣溫可達(dá)-41℃[49]。

圖1 研究區(qū)位置及生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型分布Fig.1 Location of the study area and distribution of ecosystem

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文所用的遙感數(shù)據(jù)主要是2016和2020年的全球陸表特征參量 (GLASS)時(shí)序產(chǎn)品[50],包括植被覆蓋度(FVC)[51]、總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)[52]以及葉面積指數(shù)(LAI)[53],其空間分辨率為500m,時(shí)間分辨率為8d,本文將其計(jì)算為年均值,數(shù)據(jù)來(lái)源于馬里蘭大學(xué) (http://www.glass.umd.edu/Download.html);以及2015和2020年30m全球土地覆蓋精細(xì)分辨率觀測(cè)和監(jiān)測(cè)(FROM-GLC),數(shù)據(jù)來(lái)源于清華大學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)站 (http://data.ess.tsinghua.edu.cn)。使用的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要有行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、地理區(qū)數(shù)據(jù)和國(guó)家公園分布數(shù)據(jù)等,均來(lái)源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://www.geodata.cn)。所有柵格數(shù)據(jù)均通過(guò)批量拼接和裁剪至同一研究區(qū)域,使用ArcGIS 10.6軟件將其重投影到相同的坐標(biāo)系 (WGS_1984_UTM_Zone_45N) 下,并將所有遙感影像數(shù)據(jù)使用最近鄰法重采樣到30m分辨率,使柵格像元對(duì)齊重合,便于后續(xù)計(jì)算和分析。

2 研究方法

2.1 生態(tài)評(píng)估區(qū)劃分

尼泊爾南北地理變化巨大,地區(qū)氣候差異明顯,植被類(lèi)型多樣,其復(fù)雜的地形地貌和多變的立體氣候造就了類(lèi)型豐富的自然生態(tài)系統(tǒng),除高山積雪以外,其生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型以森林、灌叢、草地和農(nóng)田為主。本文根據(jù)尼泊爾土地資源測(cè)繪項(xiàng)目劃分的海拔和氣候等自然地理?xiàng)l件相近的特萊平原 (Tarai) 、西瓦利克山脈 (Siwalik) 、小山地區(qū)、中山地區(qū)和高山地區(qū)5個(gè)地理區(qū)[54](圖2), 結(jié)合森林、灌叢、草地和農(nóng)田4種生態(tài)系統(tǒng)分布情況劃分為20個(gè)生態(tài)評(píng)估區(qū),將每個(gè)地理區(qū)內(nèi)每一類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估單元,其具有相近或相似的自然地理?xiàng)l件以及植被性質(zhì)。

圖2 尼泊爾地理區(qū)Fig.2 Geographical division of Nepal

2.2 基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估方法

本文遵循評(píng)估指標(biāo)選取的代表性和可行性原則, 從表征植被生態(tài)系統(tǒng)的水平結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)功能和垂直結(jié)構(gòu)3個(gè)方面構(gòu)建植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo) (表1),將植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù) (VEQI) 計(jì)算為三種遙感生態(tài)參數(shù)相對(duì)密度指數(shù) (RVI) (植被覆蓋度相對(duì)密度指數(shù)、總初級(jí)生產(chǎn)力相對(duì)密度指數(shù)、葉面積指數(shù)相對(duì)密度指數(shù)) 的加權(quán)和 (公式1),其數(shù)值大小表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值的高低。

表1 植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation indicators system of vegetation ecosystem quality

(1)

式中,RVIi表示各遙感生態(tài)參數(shù)相對(duì)密度指數(shù),ωi表示各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重,本文由主成分分析法[55]客觀獲得,并對(duì)VEQI進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化[56](公式2),使其范圍為[0, 100]。

(2)

式中,x為指數(shù)的現(xiàn)實(shí)值,xmin為指數(shù)的最小值,xmax為指數(shù)的最大值,x′為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指數(shù)值。

基于GLASS數(shù)據(jù)產(chǎn)品,以表征植被水平結(jié)構(gòu)狀況的FVC 、表征植被光合作用能力強(qiáng)弱,代表生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能的GPP 以及表征植被垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的LAI 作為指標(biāo)計(jì)算所用的生態(tài)參數(shù),采用分地理區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型選取參照值的方法計(jì)算生態(tài)參數(shù)相對(duì)密度指數(shù)RVI (公式3)[48]。

(3)

式中,RVIi,j,k表示第i年第j地理區(qū)第k類(lèi)植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)參數(shù)的相對(duì)密度;Fi,j,k表示第i年第j地理區(qū)第k類(lèi)植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)參數(shù)值;Fmaxi,j,k表示第i年第j地理區(qū)第k類(lèi)植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)參數(shù)的最大值。

為了使不同時(shí)間或區(qū)域間的評(píng)估結(jié)果具有更好的時(shí)空可比性,可以通過(guò)設(shè)置生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)的參照條件,即確定不同生態(tài)評(píng)估區(qū)不同時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)的參照值,進(jìn)而評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的相對(duì)水平狀況。對(duì)于同一生態(tài)評(píng)估區(qū)的生態(tài)系統(tǒng),由于其參照值相同,可以進(jìn)行比較;而對(duì)于不同生態(tài)評(píng)估區(qū)之間,由于該種計(jì)算結(jié)果得到的不是生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值,而是反映其在當(dāng)前自然地理?xiàng)l件限制下所達(dá)到的相對(duì)質(zhì)量水平,也可以進(jìn)行比較;對(duì)于不同時(shí)間生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的比較亦是如此。這種基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估方法可以在一定程度上消除由于植被性質(zhì)、自然地理?xiàng)l件等造成的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量上的差異,有效避免了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果的好壞受海拔、氣候等自然地理?xiàng)l件主導(dǎo)的影響[34],具有更好的時(shí)間和空間可比性。

因此,對(duì)計(jì)算得到的植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù) (VEQI),通過(guò)確定各生態(tài)評(píng)估區(qū)內(nèi)參照生態(tài)系統(tǒng)的參照值,計(jì)算基于參照條件的植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù) (VEQI′) (公式4):

(4)

式中,VEQI表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值,VEQIref表示所處生態(tài)評(píng)估區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的參照值,VEQI′ 表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的相對(duì)水平值。若VEQI′ 的值大于100 (取100),說(shuō)明該像元質(zhì)量要高于參照生態(tài)系統(tǒng),反之低于參照生態(tài)系統(tǒng)。最后采用生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估規(guī)范中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)計(jì)算出的VEQI′,將其劃分為Ⅴ(75—100)、Ⅳ(55—75) 、Ⅲ(35—55) 、Ⅱ(20—35) 、Ⅰ(0—20) 5個(gè)等級(jí),分別表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量水平優(yōu)、良、中、低、差。

2.3 主成分分析法

本文使用主成分分析 (PCA) 的方法為各指標(biāo)客觀賦權(quán),對(duì)其自動(dòng)進(jìn)行線性組合,計(jì)算VEQI指數(shù)。主成分分析可以對(duì)一組數(shù)據(jù)降維去相關(guān),通過(guò)方差貢獻(xiàn)最大的一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)主成分達(dá)到最大程度反映原變量信息的目的,其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)數(shù)據(jù)本身的性質(zhì)計(jì)算得到客觀的線性組合結(jié)果,避免了人為的方法選擇和權(quán)重設(shè)定對(duì)結(jié)果造成影響[57]。利用ENVI5.3和SPSS26軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的RVI指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,計(jì)算出原指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣及其特征值和特征向量,獲得其主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率信息,再計(jì)算主成分載荷得到其成分矩陣,得出最終的主成分分析結(jié)果(表2)。

表2 指標(biāo)主成分分析結(jié)果Table 2 Evaluation indicators system of vegetation ecosystem quality

由表2可以看出,在兩年的數(shù)據(jù)當(dāng)中,3個(gè)RVI指標(biāo)計(jì)算得出的第一主成分 (PC1) 貢獻(xiàn)率均達(dá)到90%以上,表明PC1已集中了原指標(biāo)變量的大部分信息特征。因此,本文中選取PC1作為原RVI指標(biāo)的線性組合,以此構(gòu)建新的植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù) (VEQI)。通過(guò)對(duì)VEQI與各個(gè)原指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行定量分析,新指數(shù)比原指標(biāo)表現(xiàn)出更好的綜合代表性。表3統(tǒng)計(jì)了各指標(biāo)和VEQI之間的相關(guān)系數(shù),新的VEQI指數(shù)與3個(gè)RVI指標(biāo)兩年的相關(guān)系數(shù)均大于0.9,其兩年的平均相關(guān)系數(shù)為0.962,比單指標(biāo)最高的RVIFVC(0.899) 高出7.01%,比3個(gè)指標(biāo)的平均值(0.887)高出8.46%,明顯高于單個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)度。因此新構(gòu)建的VEQI比任何單一指標(biāo)更具有代表性,可以更好地綜合反映出生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況。

表3 各指標(biāo)和VEQI指數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of each indicator and VEQI

2.4 參照值的確定方法

國(guó)家公園、野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等區(qū)域由于能夠受到的人類(lèi)干擾相對(duì)較少,生態(tài)系統(tǒng)完整性和穩(wěn)定性較好,更接近理想狀況下的自然狀態(tài),適合作為理想的參照生態(tài)系統(tǒng)。本文采用兩種方法確定尼泊爾各個(gè)生態(tài)評(píng)估區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的參照值VEQIref:(1)自然保護(hù)區(qū)法:對(duì)于所處地理區(qū)內(nèi)含有國(guó)家公園、野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)或自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)評(píng)估區(qū),認(rèn)為這些區(qū)域符合較少受人為干擾、接近理想自然狀況的條件,優(yōu)先選擇其作為參照區(qū),計(jì)算VEQI的平均值作為參照值;(2)概率閾值法[46]:對(duì)于缺少對(duì)應(yīng)參照區(qū)或其面積小像元少、數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的生態(tài)評(píng)估區(qū),統(tǒng)計(jì)整個(gè)評(píng)估區(qū)的VEQI,參考張夢(mèng)宇等[34]的研究結(jié)果,采用閾值法設(shè)定89%分位數(shù)的指數(shù)值作為參照值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量參照值確定結(jié)果

針對(duì)尼泊爾西瓦利克山脈區(qū),對(duì)兩種方法獲取的參照值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析:以位于該地理區(qū)內(nèi)的巴蒂亞和奇特旺兩個(gè)國(guó)家公園作為參照區(qū),分別統(tǒng)計(jì)了各個(gè)生態(tài)評(píng)估區(qū)以及對(duì)應(yīng)的國(guó)家公園參照區(qū)的VEQIref(表4)。其中,奇特旺國(guó)家公園于2017年受到洪水災(zāi)害的影響,其地表覆蓋類(lèi)型發(fā)生了一定的變化,統(tǒng)計(jì)該公園2020年灌叢生態(tài)系統(tǒng)的VEQI發(fā)現(xiàn),其值離散程度較大,不近似于正態(tài)分布,認(rèn)為這部分?jǐn)?shù)據(jù)難以保證參考質(zhì)量,未使用其作為西瓦利克山脈區(qū)灌叢生態(tài)系統(tǒng)2020年的參照值。

表4 西瓦利克山脈及其區(qū)內(nèi)國(guó)家公園VEQI refTable 4 VEQI ref in Siwalik and its national parks

對(duì)兩種方法獲取的VEQIref進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3),R2分別為0.8843和0.9637,均具有很強(qiáng)的相關(guān)性,總體差異值均在3.5%以內(nèi)。通過(guò)對(duì)2.4中兩種方法獲取的參照值進(jìn)行比較分析表明,評(píng)估區(qū)內(nèi)89%分位數(shù)的閾值可以較好地代替自然保護(hù)區(qū)等參照區(qū)的參照值。

圖3 西瓦利克山脈各評(píng)估區(qū)參照值與國(guó)家公園參照值以及最終參照值相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between the reference values for each evaluation and national parks in Siwalik or the final reference values

因此,本文中西瓦利克山脈各生態(tài)評(píng)估區(qū)最終參照值的確定遵循以下原則:(1)優(yōu)先取巴蒂亞和奇特旺兩個(gè)國(guó)家公園參照值的均值;(2)若參照區(qū)像元數(shù)量較少、數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,則以其它數(shù)據(jù)質(zhì)量好的國(guó)家公園參照值和評(píng)估區(qū)內(nèi)的參照值取均值代替; (3)若參照區(qū)的數(shù)據(jù)質(zhì)量均較差,則以評(píng)估區(qū)內(nèi)的參照值代替。除該地理區(qū)外,其它評(píng)估區(qū)均以概率閾值法獲取的參照值代替,完成尼泊爾所有生態(tài)評(píng)估區(qū)的參照值設(shè)定(表5)。

表5 尼泊爾各生態(tài)評(píng)估區(qū)VEQIrefTable 5 VEQIref of ecoregions in Nepal

3.2 基于參照條件的尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量計(jì)算結(jié)果

通過(guò)比較無(wú)參照條件和基于參照條件的兩種生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果(圖4)可以看出,2016—2020年,尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值VEQI和相對(duì)水平值 VEQI′ 均有所提高。以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為例,從無(wú)參照條件的計(jì)算結(jié)果可以看出,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值通常要低于森林等生態(tài)系統(tǒng),這主要是由于自然植被本身的性質(zhì)所決定的,而通過(guò)基于參照條件的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),以當(dāng)前自然地理?xiàng)l件限制下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所能達(dá)到的理想值為參照,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量大多已達(dá)到一個(gè)相對(duì)較高(優(yōu)良)的水平。對(duì)于海拔較高的區(qū)域,由于其更加惡劣的自然氣候條件,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值往往要低于低海拔地區(qū),基于參照條件的計(jì)算結(jié)果同樣可以有效減少這種自然環(huán)境差異對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的主導(dǎo)作用?？傮w來(lái)看,所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估模型在一定程度上消除了由植被性質(zhì)、自然地理?xiàng)l件等造成的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量差異,其結(jié)果具有更好的時(shí)空可比性。

圖4 無(wú)參照條件和基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量空間分布Fig.4 Calculation results of ecosystem quality without reference conditions and based on reference conditionsⅤ—Ⅰ級(jí):生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級(jí)優(yōu)、良、中、低、差

3.3 尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量時(shí)空格局變化分析

3.3.1不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量演變特征

統(tǒng)計(jì)尼泊爾不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)VEQI、VEQIref和VEQI′ 每年的平均值(圖5)?？傮w來(lái)看,2016—2020年尼泊爾整體生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有輕微改善,其VEQI由50.95變?yōu)?2.73,提高了3.49%;VEQIref由64.57變?yōu)?5.48,提高了1.41%;VEQI′ 由76.24變?yōu)?7.32,提高了1.42%。森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量基本穩(wěn)定,草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有所降低,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有所提高。其中,森林生態(tài)系統(tǒng)的VEQI由58.79增加到61.25,VEQIref由71.99增加到74.36,VEQI′ 由80.78增加到81.5,其生態(tài)質(zhì)量有輕微提高;灌叢生態(tài)系統(tǒng)的VEQI由55.02增加到56.34,VEQIref由66.96增加到68.74,VEQI′ 由80.82減少到80.72,雖然其生態(tài)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值有輕微提高,但是由于參照值提高幅度更大(約2.66%)導(dǎo)致相對(duì)質(zhì)量水平出現(xiàn)極小的降低(約0.12%),總體上生態(tài)質(zhì)量基本保持穩(wěn)定;草地生態(tài)系統(tǒng)的VEQI由36.48大幅減少到25.28,VEQIref也由51.08下降到40.11,雖然其參照值降低導(dǎo)致VEQI′ 由51.08增加到55,但是生態(tài)質(zhì)量有明顯下降趨勢(shì);農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的VEQI由44.25增加到45.11,VEQIref由58.26減少到54.11,可見(jiàn)其生態(tài)環(huán)境條件有所下降,但是VEQI′ 由74.76增加到82.94,整體生態(tài)質(zhì)量有所提高。

圖5 不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)各指數(shù)平均值變化情況Fig.5 Temporal variation of various index mean of different vegetation ecosystem

3.3.2不同質(zhì)量等級(jí)生態(tài)系統(tǒng)演變特征

從表6中可以看出,尼泊爾地區(qū)0級(jí)(表示非植被)、Ⅰ級(jí)和Ⅴ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積增加,Ⅱ—Ⅳ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積減少,有中間向兩極發(fā)展轉(zhuǎn)化的趨勢(shì),Ⅰ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)增長(zhǎng)比率最大,為28.16% ;Ⅲ級(jí)向Ⅳ級(jí)、Ⅳ級(jí)向Ⅴ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化面積較多,V級(jí)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生等級(jí)變化的比率最小,為10.36%,最為穩(wěn)定。

表6 尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級(jí)面積變化轉(zhuǎn)移矩陣Table 6 Ecosystem quality grade area change transition matrix in Nepal

統(tǒng)計(jì)尼泊爾2016和2020年森林、灌叢、草地、農(nóng)田四種生態(tài)系統(tǒng)中各質(zhì)量等級(jí)占地面積比例 (圖6) 發(fā)現(xiàn),尼泊爾森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量等級(jí)變化較為穩(wěn)定,Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積總和占90%以上,Ⅴ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積達(dá)到70%以上。草地生態(tài)系統(tǒng)中的Ⅴ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積明顯減少,Ⅰ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積顯著增加,這些是導(dǎo)致其VEQI現(xiàn)實(shí)值和VEQIref下降的重要原因;農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的Ⅴ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積大幅增加,這可能是由于其VEQIref降低所導(dǎo)致的,Ⅳ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積大幅減少,Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)生態(tài)系統(tǒng)面積總和占90%以上,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級(jí)總體較高。

圖6 不同質(zhì)量等級(jí)的生態(tài)系統(tǒng)所占面積百分比 Fig.6 Percentage of areas with different quality levels in different ecosystem

3.3.3生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化趨勢(shì)分析

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)不能僅關(guān)注其自然生態(tài)本底條件,更應(yīng)分析和評(píng)估其變化情況[58]。通過(guò)計(jì)算尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)兩年的質(zhì)量變化趨勢(shì),根據(jù)其變化量ΔVEQI′ 劃分為明顯變好(Δ≥20)、一般變好(10≤Δ<20)、輕微變好(5≤Δ<10)、基本穩(wěn)定(-5≤Δ<5)、輕微變差(-10≤Δ<5)、一般變差(-20≤Δ<-10)、明顯變差(Δ≤-20)七個(gè)等級(jí),得到尼泊爾2016—2020年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的空間分布情況(圖7)?？梢钥闯?尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上呈改善的趨勢(shì),大部分地區(qū)都在向好發(fā)展,小部分地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的退化情況。其中,明顯變好的區(qū)域占植被生態(tài)系統(tǒng)總面積的36.93%,一般變好占26.13%,輕微變好占11.10%,基本穩(wěn)定占14.25%,明顯變差占2.95%,一般變差占4.66%,輕微變差占3.98%。從空間上看,尼泊爾生態(tài)質(zhì)量明顯變好的區(qū)域主要位于南部特萊平原和西瓦利克山脈兩個(gè)地理區(qū)的西部、中部和東部地區(qū),以及部分小山地區(qū)和中山地區(qū)南部;生態(tài)質(zhì)量變差的區(qū)域主要發(fā)生在尼泊爾北部中高山地區(qū)的草地、森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng),且大部分集中于中山地區(qū)北部,主要是由于這些區(qū)域海拔高,氣候條件較為惡劣,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差;另外,西瓦利克山脈和小山地區(qū)的中西部和中東部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量也發(fā)生了小面積的退化。

圖7 2016—2020年尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化趨勢(shì)空間分布 Fig.7 Spatial distribution of variation trend of VEQI′ from 2016 to 2020 in Nepal

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本文所使用的評(píng)估指標(biāo)主要選取了與陸域植被有關(guān)的遙感生態(tài)參數(shù),以反映植被生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化,未從生態(tài)系統(tǒng)的格局、功能服務(wù)、生物多樣性以及人為脅迫等多個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,全面刻畫(huà)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況。研究中使用植被因子作為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的指示器,意在通過(guò)簡(jiǎn)單的關(guān)鍵指標(biāo)反映生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài),對(duì)基于參照條件的評(píng)估方法及應(yīng)用進(jìn)行研究,未來(lái)還可以綜合考慮更多的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及對(duì)各指標(biāo)在理想狀況下的參照值變化情況進(jìn)行分析。針對(duì)尼泊爾存在的生態(tài)系統(tǒng)斑塊較為破碎的狀況,高分辨遙感數(shù)據(jù)能夠發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。然而,研究中雖然使用了分辨率較高的地表分類(lèi)遙感產(chǎn)品,但是并未對(duì)尼泊爾生態(tài)評(píng)估區(qū)進(jìn)行更為精細(xì)的劃分(如常綠與落葉、闊葉與針葉林等),若在數(shù)據(jù)條件允許的情況下,更加精細(xì)準(zhǔn)確的評(píng)估區(qū)劃分應(yīng)當(dāng)具有更佳的參照效果。此外,基于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的理想?yún)⒄罩?還可以對(duì)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)潛力(即生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值與該地理環(huán)境條件下參照值之間的差距,表征生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量在理想狀況下能夠恢復(fù)的最大限度)進(jìn)行量化評(píng)估,從而明確恢復(fù)目標(biāo),更好地開(kāi)展生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理工作。未來(lái)的研究可以繼續(xù)從以上方面展開(kāi)更加深入合理的分析,探究基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估方法的多應(yīng)用模式。

開(kāi)展全國(guó)生態(tài)質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)成效監(jiān)測(cè)評(píng)估是當(dāng)前我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的科學(xué)概念及其狀態(tài)演變的評(píng)估理論和方法在學(xué)術(shù)界尚未形成廣泛共識(shí)[59],關(guān)于生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的研究更多注重于指標(biāo)的綜合性和全面性,主要從反映生態(tài)系統(tǒng)組分和結(jié)構(gòu)的生態(tài)格局,生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、生態(tài)宜居等生態(tài)服務(wù)功能,所受到的自然和人為等生態(tài)脅迫,以及生物多樣性等方面構(gòu)建指數(shù)和發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行更加全面的刻畫(huà)和描述,綜合反映生態(tài)系統(tǒng)的整體狀況,這無(wú)疑是生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面的研究需要發(fā)展的一個(gè)方向。然而,通過(guò)體現(xiàn)多維度生態(tài)信息的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系計(jì)算出的代表自然本底條件的現(xiàn)實(shí)值,其所能夠反映出的生態(tài)質(zhì)量水平和變化等信息有限,還需要對(duì)生態(tài)質(zhì)量有更加深刻的認(rèn)知與解釋。因此,當(dāng)前生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面研究的發(fā)展,一方面評(píng)價(jià)體系要科學(xué)全面合理,另一方面方法學(xué)也需要?jiǎng)?chuàng)新[60],通過(guò)利用包含遙感數(shù)據(jù)在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)挖掘出更多的變化信息,闡釋其內(nèi)在的生態(tài)學(xué)意義。

相比于以往大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究,基于參照條件的評(píng)價(jià)方法從一定程度上解決了不同區(qū)域或不同時(shí)間評(píng)價(jià)結(jié)果不可比的問(wèn)題,提高了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其變化的認(rèn)知,但是有關(guān)生態(tài)評(píng)估區(qū)的劃分、理想?yún)⒄障到y(tǒng)的選取及參照值確定、關(guān)鍵指標(biāo)的使用,以及基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的理論和應(yīng)用等方面仍有待進(jìn)一步探究、驗(yàn)證和完善。本研究遵循評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性和簡(jiǎn)潔性原則,針對(duì)尼泊爾的區(qū)域特點(diǎn),主要是對(duì)基于參照條件的評(píng)價(jià)方法及其意義進(jìn)行研究,并對(duì)變化結(jié)果進(jìn)行了討論和分析,揭示其時(shí)空變化趨勢(shì)。尼泊爾作為全球最容易受氣候變化影響的區(qū)域之一,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量發(fā)生變化的原因亦是復(fù)雜的,在今后的研究中,還將進(jìn)一步對(duì)其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行更加深入的分析。此外,還可以根據(jù)參照值量化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)潛力,從而明確生態(tài)保護(hù)、管理和恢復(fù)的目標(biāo),以及利用參照條件量化生態(tài)工程產(chǎn)生的影響,開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)成效監(jiān)測(cè)評(píng)估等。通過(guò)構(gòu)建更加完善的新型生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法體系,同時(shí)注重對(duì)生態(tài)功能、服務(wù)及生態(tài)產(chǎn)品供給的數(shù)量與質(zhì)量、穩(wěn)定性和可持續(xù)性的綜合評(píng)定[59],提高在生態(tài)系統(tǒng)等方面的評(píng)估應(yīng)用能力,服務(wù)于區(qū)域或國(guó)家的生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估工作。

4.2 結(jié)論

本文以生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ),應(yīng)用“參照條件”的理論和評(píng)估方法,以尼泊爾地區(qū)為例,構(gòu)建了基于參照條件的植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估模型,計(jì)算并分析其2016—2020年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的時(shí)空變化情況。主要得出以下結(jié)論:

(1)2016至2020年,尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值 (VEQI) 的平均值增加了3.49%,總體上,尼泊爾在參照生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量(VEQIref) 提高 (約1.41%) 的背景下,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量相對(duì)水平值 (VEQI′) 增加了1.42%,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有所改善。

(2)對(duì)于尼泊爾地區(qū),評(píng)估區(qū)89%分位數(shù)的VEQI與其對(duì)應(yīng)的國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的參照值具有很強(qiáng)的相關(guān)性,總體差異較小,可以代替作為參照值。

(3)從空間格局變化趨勢(shì)來(lái)看,尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變好、基本穩(wěn)定和變差的面積分別占其總面積的74.16%、14.25%和11.59%,結(jié)合基于參照條件的質(zhì)量評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果,尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上以改善為主,局部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量有所降低。這種基于參照條件的評(píng)估方法在一定程度上消除了由于植被性質(zhì)、自然地理?xiàng)l件等造成的自身生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量上的差異,其結(jié)果具有更好的時(shí)間和空間可比性,對(duì)于區(qū)域或國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)變化快速評(píng)估以及量化分析等方面具有一定的借鑒意義。