喀斯特石漠化區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量變化及其驅(qū)動因素分析
——以貴州為例

張明祥,廖 瑤,于 飛,段 瑩,田鵬舉

(1.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心,貴州 貴陽 550002;2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所,貴州 貴陽 550002)

0 引言

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對區(qū)域的能量循環(huán)、氣候調(diào)節(jié)以及水土保持起著樞紐作用,由于對其所處的環(huán)境變化十分敏感,因此也被認為是生態(tài)環(huán)境變化的重要指示器[1]。植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)能直接反映出植物群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力,是衡量植被固碳能力的關(guān)鍵指標[2-3]。植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)量化了植被的茂密程度,反映植被的生長態(tài)勢,是描述植被生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]。目前植被NPP和FVC已廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被變化監(jiān)測與研究之中[5],但兩者只能反映陸地生態(tài)系統(tǒng)功能或植被生態(tài)質(zhì)量的一個方面,即生產(chǎn)能力或覆蓋能力,而基于植被NPP和FVC構(gòu)建的植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)(下文稱植被綜合指數(shù)),則可較好地反映區(qū)域的植被生產(chǎn)能力和覆蓋能力[6]。

國內(nèi)外學(xué)者從不同時空尺度上對植被變化及其影響因素進行探討,氣候變化和人類活動被認為是主要影響因素。曲學(xué)斌等[7]研究表明呼倫貝爾地區(qū)生長季植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)與降水普遍呈正相關(guān)。是導(dǎo)致1981—1999年北半球中高緯度地區(qū)植被活動增強的主要原因。金凱等[8]認為氣候變化和人類活動的共同影響造成了中國植被指數(shù)(NDVI)的快速增加和空間差異。劉海等[9]分析表明氣候因素是黃河流域植被變化的主導(dǎo)因素,而人類活動的影響程度在逐漸加深。我國西南地區(qū)是世界三大喀斯特地貌連片發(fā)育帶,地形復(fù)雜多變,喀斯特地區(qū)的植被變化向來是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點。徐勇等[10]研究顯示氣候變化和人類活動對我國西南地區(qū)NDVI上升均以促進作用為主,且對于廣西丘陵植被生長的促進作用強于其他地貌單元。馬炳鑫等[11]研究指出氣候變化對滇黔桂巖溶地區(qū)植被NPP的影響有明顯的空間異質(zhì)性,不同地帶植被NPP對氣候變化的響應(yīng)程度相差較大;馬士彬等[12]分析表明在人類活動強度較高區(qū)域(如城鎮(zhèn)周邊),植被變化受人為作用更加明顯,但當(dāng)人類活動或干擾較少時,氣候變化限制植被的變化趨勢。盛葉子等[13]研究認為貴州省農(nóng)業(yè)活動在人類活動的負面影響中有重要作用,城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境具有雙面影響。肖建勇等[14]研究發(fā)現(xiàn)我國南方喀斯特地區(qū)NDVI的空間分布受海拔的影響最大,其次是溫度、降雨等。

貴州省是我國石漠化土地面積最大、類型最多、程度最深、危害最嚴重的省份[15],石漠化一度成為全省最為緊迫的生態(tài)環(huán)境問題。關(guān)于石漠化區(qū)植被變化的研究雖然取得一些成果[16-18],但定量分析植被變化驅(qū)動因子的研究還較少。本文采用現(xiàn)有的植被綜合指數(shù)[6]來表征植被生態(tài)質(zhì)量,通過對喀斯特石漠化區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量變化及其驅(qū)動因素的定量研究,加強對植被變化與氣候變化和人類活動之間相互關(guān)系的理解,為石漠化區(qū)的綜合治理及生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州地處云貴高原,境內(nèi)地勢西高東低,平均海拔在1100 m左右。屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候,受大氣環(huán)流及地形影響,天氣氣候在垂直方向差異較大,立體氣候明顯。省內(nèi)的巖溶地貌發(fā)育非常典型,分布范圍廣泛,形態(tài)類型齊全,是我國西南喀斯特地貌集中成片的中心片區(qū)[18]。

1.2 研究數(shù)據(jù)

植被生態(tài)參數(shù)(FVC、NPP)來源于國家氣象中心,分別由混合像元分解法[6]和光能利用率[19-20]計算模型得到,空間分辨率為1 km×1 km,時間段為2000—2021年。氣象數(shù)據(jù)來自貴州省84個氣象臺站,包括同時段的平均氣溫和降水量等。基于GIS技術(shù)將氣象資料插值成與生態(tài)參數(shù)相同空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)集。

1.3 研究方法

1.3.1 植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)估算 在不考慮植被多樣性的情況下,利用植被NPP和FVC,采用權(quán)重加權(quán)的方法構(gòu)建植被綜合指數(shù)[6],計算公式如下:

(1)

式中,Q為年植被綜合指數(shù);FVC、NPP分別為年植被覆蓋度、植被凈初級生產(chǎn)力,f1、f2為兩者相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)(由植被類型和區(qū)域來確定,取0.5);NPPm為2000—2021年喀斯特石漠化區(qū)植被NPP中的最大值。f1和f2之和為1。

1.3.2 趨勢分析 利用線性回歸來分析植生態(tài)質(zhì)量變化趨勢[8],計算公式如下:

(2)

式中,Slope為植被生態(tài)質(zhì)量變化趨勢,Slope>0表示植被生態(tài)質(zhì)量呈增加趨勢,反之為減少;n為總年數(shù);ti為第i年的年份,Qi為第i年的植被綜合指數(shù)。計算逐個像元的Slope,并進行F檢驗。

1.3.3 相關(guān)分析 偏相關(guān)分析在控制其他變量的線性影響下,分析兩變量之間的相關(guān)性,該方法已被廣泛使用[21],計算公式如下:

(3)

式中,Rx1,x2,x3為控制變量x3,變量x1和x2的偏相關(guān)系數(shù);Rx1,x2、Rx1,x3、Rx2,x3分別為變量x1與x2、x1與x3、x2與x3的相關(guān)系數(shù)。

(4)

1.3.4 殘差分析 為定量分析氣候變化和人類活動對植被生態(tài)質(zhì)量變化的影響,基于氣候因子(降水量和氣溫),建立植被綜合指數(shù)(預(yù)報量)殘差模型;根據(jù)歷年氣候資料,計算預(yù)測值(Qpre);最后計算植被綜合指數(shù)原值與預(yù)測值之差(Qres),其中Qpre、Qres分別代表氣候變化、人類活動對植被生態(tài)質(zhì)量變化的影響,依次對逐個像元進行計算[9,18]。公式為:

Qres=Q-Qpre

(5)

Qpre=α×t+β×P+γ

(6)

式中,Q為植被綜合指數(shù)原值;P、t分別為插值后的年降水量和平均氣溫;α、β、γ為模型參數(shù)。

1.3.5 影響劃分 根據(jù)計算得到的Qpre和Qres趨勢率(Slopepre和Sloperes),表示氣候變化和人類活動對石漠化區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量變化的影響,當(dāng)Slope>0,表示促進作用;反之為抑制作用。石漠化區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量變化的驅(qū)動因素影響按照表1進行區(qū)分,同時計算氣候變化和人類活動的相對貢獻率[8-9,23]。

表1 氣候變化和人類活動對植被生態(tài)質(zhì)量變化的影響作用劃分Tab.1 Influence division of climate change and human activities vegetation ecological quality change

2 結(jié)果與分析

2.1 植被生態(tài)質(zhì)量時空變化

根據(jù)植被綜合指數(shù)的年際變化(圖1),2000—2021年石漠化區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量整體呈上升趨勢,增速為0.7a-1。最高值出現(xiàn)在2021年,為70.9;最低值出現(xiàn)在2000年,為54.6。從空間分布來看(圖2a),石漠化區(qū)內(nèi)植被綜合指數(shù)的平均值可達62.3(表2),并且南部區(qū)域相對高。從各市州來看,黔南州植被綜合指數(shù)最高,達到65.6;黔西南州次之,為62.8;畢節(jié)市最低,為59.4。

圖1 2000—2021年貴州喀斯特石漠化區(qū)域植被綜合指數(shù)的年際變化Fig.1 Interannual changes of vegetation comprehensive index in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

圖2 2000—2021年貴州喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)平均值(a)、變化趨勢(b)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of mean vegetation comprehensive index(a) and variation trend (b) in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

表2 貴州喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)平均值和變化趨勢Tab.2 Average value of vegetation comprehensive index in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

圖2b為2000—2021年喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)變化趨勢的空間分布。由圖可見,98.46%的地區(qū)均呈上升趨勢,其中顯著上升的區(qū)域占94.59%(顯著水平α=0.05)。而石漠化區(qū)內(nèi)植被綜合指數(shù)呈下降趨勢的地區(qū)占比很小(1.54%),其中顯著下降的區(qū)域僅占0.56%,主要出現(xiàn)在省的西南部、中部和北部。具體而言,石漠化區(qū)以畢節(jié)地區(qū)上升最為顯著,達到0.78 a-1;其次是安順市,為0.76 a-1;黔東南州最小,為0.52 a-1(表2)。后文中植被綜合指數(shù)變化趨勢的顯著上升、下降區(qū)也稱為植被改善、退化區(qū)。

整體來看,2000—2021年石漠化區(qū)內(nèi)植被生態(tài)質(zhì)量總體呈明顯提升趨勢,近5 a的植被生態(tài)質(zhì)量有所起伏,但仍然處于歷史較高水平?？梢?近年來貴州省石漠化區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量提升明顯,生態(tài)建設(shè)工程如 “恢復(fù)林草植被”等舉措取得顯著成效。

2.2 驅(qū)動因素分析

2.2.1 偏相關(guān)分析 從植被綜合指數(shù)與降水量偏相關(guān)系數(shù)的空間分布可以看出(圖3a),石漠化區(qū)內(nèi)主要以正相關(guān)性為主,相關(guān)系數(shù)分布在-0.61～0.87之間,其中17.48%的區(qū)域為顯著正相關(guān),16.09%為極顯著正相關(guān),主要出現(xiàn)在省的西北部、東部、南部和北部;對比而言,出現(xiàn)顯著負相關(guān)的地區(qū)則占很小比例(0.06%),主要集中在省的西部、中北部局地。在植被綜合指數(shù)與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)分布中(圖3b),石漠化區(qū)內(nèi)以正相關(guān)系數(shù)分布為主,相關(guān)系數(shù)在-0.67～0.92之間,68.79%的地區(qū)具有顯著正相關(guān)性(其中24.27%區(qū)域為顯著相關(guān);44.52%區(qū)域為極顯著相關(guān)),主要分布在省的西北部、西部、南部以及中東部。負相關(guān)區(qū)域占比則相對很小(其中顯著負相關(guān)區(qū)占比為0.05%),主要出現(xiàn)在省的西部、中部和東北部局地。

圖3 2000—2021年貴州喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)與降水量(a)、氣溫(b)的偏相關(guān)系數(shù)分布(顯著水平α=0.05、0.01)Fig.3 Distribution of partial correlation coefficients between vegetation comprehensive index and precipitation (a) and air temperature (b) in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

2.2.2 復(fù)相關(guān)分析 為分析氣候變化對植被生態(tài)質(zhì)量變化的綜合作用,對植被綜合指數(shù)與氣候因子進行復(fù)相關(guān)分析。圖4為2000—2021年喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)與同期降水量、氣溫的復(fù)相關(guān)系數(shù)分布。由圖可見,復(fù)相關(guān)系數(shù)在-0.56～0.90之間,以正相關(guān)性分布為主,表明氣候變化的綜合作用有利于植被生態(tài)質(zhì)量的提高。81.79%的地區(qū)均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(其中顯著正相關(guān)區(qū)占21.98%,極顯著正相關(guān)區(qū)占59.81%),覆蓋全省大部分石漠化區(qū)。對比而言,顯著負相關(guān)系數(shù)的范圍則很小,零散分布在省的西南部、中部地區(qū)。

圖4 2000—2021年貴州喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)與氣候因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)分布(顯著水平α=0.05、0.01)Fig.4 Distribution of complex correlation coefficients between vegetation comprehensive index and climatic factors in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

2.2.3 植被生態(tài)質(zhì)量變化驅(qū)動因素分析 由氣候變化和人類活動影響下植被綜合指數(shù)變化趨勢的空間分布來看(圖5),97.19%的地區(qū)為上升趨勢,其中顯著上升區(qū)占52.78%(顯著水平α=0.05),主要集中在省的南部、東部、西北部和北部邊緣,氣候變化表現(xiàn)促進作用(圖5a);氣候變化影響下植被綜合指數(shù)呈下降趨勢的區(qū)域則相對較小(其中顯著下降區(qū)僅占0.02%),零星出現(xiàn)在省的西南部和南部,氣候變化表現(xiàn)抑制作用。從人類活動影響下植被綜合指數(shù)變化趨勢的分布來看(圖5b),97.72%的地區(qū)呈上升趨勢,其中顯著上升區(qū)占95.61%,基本覆蓋全省石漠化區(qū),人類活動表現(xiàn)促進作用;而人類活動表現(xiàn)抑制作用(植被綜合指數(shù)呈下降趨勢)的地區(qū)相對很小(2.28%),其中顯著下降的地區(qū)占1.36%,零散分布在省的中東部、西部和北部。具體而言(表3),氣候變化影響下植被綜合指數(shù)的變化趨勢以黔東南州最高(0.21 a-1);其次為畢節(jié)市(0.20 a-1);最低為六盤水市(0.07 a-1)。而人類活動影響下植被綜合指數(shù)的變化趨勢以六盤水市最高(0.66 a-1);其次為安順市(0.65 a-1);最低為黔東南州(0.31 a-1)。整體上,氣候變化和人類活動對植被綜合指數(shù)變化的貢獻比例分別為18.84%、81.16%?？梢姎夂蜃兓腿祟惢顒拥墓餐饔?促進或抑制了喀斯特石漠化區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量的變化。

圖5 氣候變化(a)和人類活動(b)影響下貴州喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)變化趨勢的空間分布Fig.5 Spatial distribution of vegetation comprehensive index variation trend affected by climate change (a) and human activities (b) in karst rocky desertification area of Guizhou

表3 氣候變化和人類活動影響下貴州喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)變化趨勢統(tǒng)計情況Tab.3 Statistics of vegetation comprehensive index variation trend affected by climate change and human activities in karst rocky desertification areas of Guizhou

由前面的結(jié)果,石漠化區(qū)內(nèi)植被改善的地區(qū)可達94.59%,植被退化的區(qū)域則相對很小,下面主要對植被改善區(qū)進行分析。從貴州喀斯特石漠化區(qū)植被改善貢獻比例的空間分布來看(圖6),97.56%的地區(qū)氣候變化對植被改善表現(xiàn)為促進作用,幾乎覆蓋石漠化區(qū)內(nèi)的整個植被改善區(qū)域(圖6a);而2.44%的區(qū)域氣候變化表現(xiàn)為抑制作用,主要出現(xiàn)在省的西南部、南部和東北部局地。從人類活動對石漠化區(qū)植被改善的貢獻比例來看(圖6b),人類活動均體現(xiàn)為促進作用。整體來說,對于石漠化區(qū)內(nèi)的植被改善,氣候變化、人類活動平均貢獻比例分別為21.24%、78.76%?？梢?2000年以來人類活動為石漠化區(qū)植被改善的主導(dǎo)因素。

圖6 氣候變化(a)和人類活動(b)對貴州喀斯特石漠化區(qū)植被改善貢獻比例的空間分布Fig.6 Spatial distribution of contribution of climate change (a) and human activities (b) to vegetation improvement in karst rocky desertification area of Guizhou

3 結(jié)論與討論

2000年以來貴州喀斯特石漠化區(qū)植被綜合指數(shù)呈上升趨勢,增速為0.7 a-1。植被綜合指數(shù)的平均值空間分布具有異質(zhì)性,其中南部地區(qū)相對較高,而北部、西北部相對較低,從市州來看,以黔南州最高,為65.6;最低為畢節(jié)市(59.4)。植被綜合指數(shù)與降水量、氣溫的偏相關(guān)系數(shù)均以正相關(guān)分布為主,與降水量的偏相關(guān)中,17.5%的區(qū)域為顯著正相關(guān)。與氣溫的顯著正相關(guān)區(qū)占68.8%。與氣候因子的復(fù)相關(guān)以正相關(guān)性為主,81.8%的區(qū)域為顯著正相關(guān),氣候變化的綜合作用有利于植被生態(tài)質(zhì)量的提高。石漠化區(qū)的植被綜合指數(shù)受氣候變化和人類活動共同影響,兩者的貢獻比例分別為18.84%、81.16%。對于石漠化區(qū)內(nèi)的植被改善,人類活動平均貢獻比例可達78.76%,明顯高于氣候變化(21.24%),可見人類活動是促進植被改善的主導(dǎo)因素。

貴州喀斯特石漠化區(qū)內(nèi)的植被綜合指數(shù)在2010—2012年處于明顯低谷,這與2009—2010年秋、冬、春季持續(xù)干旱以及2011年特大夏秋連旱有關(guān)[24-25]。由于土壤水分失衡,植物的光合作用受到影響,加之植被生長對氣候變化的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)[26],導(dǎo)致植被綜合指數(shù)下降。本文的研究結(jié)果顯示人類活動對于石漠化區(qū)植被生態(tài)質(zhì)量的提高主要表現(xiàn)為正貢獻,這與張繼等[17]指出貴州高原生態(tài)建設(shè)工程區(qū)植被改善最為明顯的結(jié)論一致。值得注意的是,人類活動也會對植被變化造成負面影響,如城市化進程過快、不合理建設(shè)使自然保護地遭到破壞等[27]。貴州喀斯特地區(qū)的自然因素和人地矛盾依然存在,因此堅持長期的“綠色發(fā)展”舉措尤為關(guān)鍵[16]。

本文利用的植被綜合指數(shù)存在一定局限,除了生產(chǎn)和覆蓋能力,區(qū)域的植被生態(tài)質(zhì)量還涵蓋物質(zhì)和能量的生物化學(xué)、水熱循環(huán)等方面[28]。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)容易受到云量的影響對結(jié)果帶來一定的誤差,對分析結(jié)果開展地面驗證有待于進一步的探索。此外,氣候因子對植被生態(tài)質(zhì)量變化的影響機制機理仍需更加深入地研究。