植被綜合生態質量時空變化動態監測評價模型#

錢 拴,延 昊,吳門新, 曹 云,徐玲玲, 程 路

國家氣象中心, 北京 100081

受氣候條件的影響,植被生長狀況每年差異很大[1-13],及時監測評價植被生態質量可為生態文明建設提供重要信息。植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)和覆蓋度為反映陸地生態系統服務功能的兩個最基本特征量,也是反映植物群落生長茂盛程度、植被生態質量的兩個關鍵特征量。全球變化研究十分關注此兩個變量,國內外廣泛研究了其估測的方法[2-6,8,11-27]。特別是隨著遙感技術應用水平的不斷提高,植被NPP從站點測定發展到大范圍甚至全球尺度的模型估算,其中利用氣象衛星遙感資料和地面氣象觀測資料估算植被NPP已成為獲取大范圍植被NPP的主要方法之一[2-6,14-16]。目前估測植被覆蓋度的方法也很多[11-13,20-27],其中利用EOS/MODIS月NDVI合成數據估測植被覆蓋度已成為獲取大范圍地表植被覆蓋狀況的重要方法[11-13,20,25]。但是,目前國內外對植被NPP和覆蓋度的研究基本還處于單獨估算方法的研究和應用狀態,很少看到基于二者估測植被整體生態質量的模型和方法。

實際上,一地植被生長的茂盛程度和植被生態質量的高低,不只是用植被生產力或覆蓋度中的一個關鍵特征量表示或反映,還需要知道一地植被綜合生態質量的高低和優劣。在為生態文明建設的服務中發現,只考核一地植被生產力或覆蓋度,其結果可能不全面,存在著植被NPP相同、覆蓋度不同或覆蓋度相同、NPP不同情況下如何評價植被的綜合生態質量問題。為此,本研究的關鍵不是如何估測植被NPP和覆蓋度,而是基于植被NPP和覆蓋度,通過構建植被綜合生態質量指數以及生態質量時空變化監測評價模型,以定量表達植被綜合生態質量的高低以及年際之間對比、多年變化趨勢,為監測評價全國植被生態質量的時空變化提供可實施的模型和方法。

毛留喜[28-29]和錢栓等[30]2006年研究建立了基于植被NPP的生態氣象指數(EMD),為開展生態氣象監測評價探索了一個較好的方法,但是該方法只考慮了植被NPP,沒有考慮植被覆蓋度。實際上,基于植被NPP和覆蓋度,構建植被綜合生態質量指數可以綜合反映植被在單位面積上的生產能力和面域上的覆蓋能力,因此可以用植被NPP、覆蓋度作為反映植被生態質量的兩個關鍵特征量,通過組合成一個綜合指數,以解決植被NPP相同、覆蓋度不同或覆蓋度相同、NPP不同情況下如何評價植被綜合生態質量的問題,也可解決植被綜合生態質量在時空上的定量對比問題。但是,長期以來如何把植被NPP和覆蓋度有機地組合成一個模型,定量地計算植被綜合生態質量,監測評價其時空變化一直是個難題。為此,本研究的主要目的是在利用中國區域EOS/MODIS月NDVI合成數據和逐日地面氣象觀測資料估算植被NPP、覆蓋度的基礎上,研究構建基于植被NPP和覆蓋度的植被綜合生態質量指數模型,建立植被生態質量年際對比和多年變化趨勢評價模型,用于監測評價全國植被綜合生態質量的時空變化,以便為掌握全國植被綜合生態質量動態提供模型和方法。

1 數據與研究方法

1.1 數據

衛星遙感數據來自美國EOS/MODIS數據庫提供的2000—2017年空間分辨率為1 km的MODIS衛星月NDVI合成數據。氣象資料來自國家氣象信息中心全國所有長序列氣象站2000—2017年的逐日平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、降水量、相對濕度、風速、日照時數等數據,計算其月值,在ArcGIS支持下采用反距離權重法插值生成1 km×1 km的氣象要素網格數據。植被類型、土地利用、海拔高程、土壤質地等基礎數據來自國家基礎地理信息中心和中國科學院相關研究所,其中前三者的空間分辨率為1 km,土壤質地為10 km,插值成1 km。

1.2 研究方法

1.2.1月和全年植被NPP估算

利用EOS/MODIS月NDVI合成數據和月地面氣象觀測資料,根據植被光能利用原理由陸地生態系統碳通量TEC模型計算月植被NPP[7]。

NPPij=GPPij-Rij

(1)

GPPij=εij×FPAR×PARij

(2)

式中,NPPij、GPPij、Rij分別為第i年第j月的植被凈初級生產力、總初級生產力和呼吸消耗量(gC m-2月-1)；εij為第i年第j月的實際光能利用率；FPAR為植被吸收光合有效輻射的比例,是隨植被生長而變化的量,本文利用逐月NDVI估測逐月FPAR,可以反映FPAR的逐月變化。PARij為第i年第j月的入射光合有效輻射(MJ m-2月-1),采用世界糧農組織推薦的方法由全國氣象站日照時數計算太陽總輻射,然后根據入射光合有效輻射占太陽總輻射的比例0.48計算PARij。

全年陸地植被NPP計算公式：

(3)

式中,NPPi為第i年陸地植被NPP(gC m-2a-1)；NPPij同式(1),為第i年第j月陸地植被NPP(gC m-2月-1)；n為第i年的12個月；j為第i年的月序。

1.2.2月和年植被覆蓋度估算

月植被覆蓋度通過EOS/MODIS月NDVI合成數據,根據混合像元分解法計算。像元NDVI值由土壤和植被兩部分信息加權平均,NDVI計算公式：

NDVIij=FVCij×NDVIv+(1-FVCij)×NDVIs

(4)

式中,NDVIij為第i年第j月NDVI合成數據；NDVIv為純植被像元的NDVI值；NDVIs為純土壤像元的NDVI值；FVCij為第i年第j月植被覆蓋度。

據式(4),可得第i年第j月植被覆蓋度,計算公式：

FVCij=(NDVIij-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(5)

式中,NDVIs同式(4),為像元為純土壤時的值,接近0；NDVIv同式(4),為像元為純植被時的值,接近1。但是,受多種因素的影響,NDVIs和NDVIv的實際值會發生變化。因此,在用公式(5)估算植被覆蓋度時,根據經驗,取給定置信區間內NDVI的最小值和最大值分別為NDVIs和NDVIv的值,許多學者將置信區間設置為0.5%—99.5%和5%—95%[25-27]。本研究,根據我國植被特點,NDVIs=0.05,NDVIv=0.95,通過公式(5)計算月植被覆蓋度FVCij。

式(5)計算的月植被覆蓋度反映的是當月地表被綠色植被覆蓋的程度。我國南北氣候差異大,北方植被有明顯的越冬期,冬季無森林的地區植被覆蓋度一般接近0,有森林的地區植被覆蓋度一般大于0。盡管北方植被一年四季綠色程度變化較大,但有森林區域的植被覆蓋度在同一時間高于無森林區域,FVCij可以反映有森林和無森林區域的植被覆蓋變化。因此,全年地表被綠色植被覆蓋的總體狀況用12個月的平均植被覆蓋度來反映,計算公式：

(6)

式中,FVCi為第i年全年平均植被覆蓋度；FVCij同式(4)和式(5),為第i年第j月植被覆蓋度；n為第i年的12個月；j為第i年的月序。

1.2.3植被綜合生態質量指數的構建及全年值計算

植被NPP和覆蓋度是反映陸地生態系統服務功能的兩個最基本特征量,也是反映植被生態質量的兩個關鍵特征量。但是,無論用植被NPP,還是用植被覆蓋度,只能反映陸地生態系統服務功能或植被生態質量的一個方面,即生產能力或覆蓋能力?；谥脖籒PP和覆蓋度,構建的植被綜合生態質量指數可反映植被在單位面積上生產能力和覆蓋能力的綜合能力,可解決空間上存在的單位面積上植被NPP相同但對地表的覆蓋程度不同或植被覆蓋度相同但植被NPP不同的問題。為此,可以把植被NPP、覆蓋度看成是反映植被生態質量的兩個重要特征量因子,采用權重加權的方法來綜合反映單位面積上植被的綜合生態質量。但是,二者的相加不能是簡單的相加,考慮到植被覆蓋度是某一時刻植被覆蓋地表面積的百分比,其值在0—100%之間；而植被NPP是某一時段植被在單位面積生產累積的干物質大小,其年值一般在0—2000 gC m-2a-1之間。為了把二者有機地組合成植被生態質量指數模型,本研究根據植被生長的氣候適應性原理,得到一地最好氣候條件下的植被NPP,作為該地能達到的最高NPP,則該地當年植被NPP占其當地歷史最大NPP的百分比就可以作為當地該年植被NPP的相對值,反映其相對于最好氣候條件下的當年氣候條件生產的植被NPP的相對大小,其值也在0—100%之間。這樣,就可實現基于植被覆蓋度和植被NPP的權重相加,構建一個植被綜合生態質量指數模型,生態質量指數變化在0—100%之間,以反映一地植被綜合生態質量的高低。那么,全年植被綜合生態質量指數則基于年植被覆蓋度和年植被NPP計算,其中植被覆蓋度年內各月差異很大,全年植被覆蓋度用全年各月植被覆蓋度的平均值反映,由公式(4)至公式(6)計算；年植被NPP為年內各月植被NPP之和,由公式(1)至公式(3)計算。

實際上,影響植被生態質量高低的還有第三個因素,即植物群落內部結構的合理性,但是全國或全省范圍植物多樣性變化的實時獲取目前仍是個難題,所以在無法考慮大范圍植物多樣性的情況下,可以基于植被NPP和覆蓋度構建植被綜合生態質量指數,來綜合反映植被生態質量。為此,在暫不考慮植物多樣性的情況下,根據植被NPP和覆蓋度對一地植被生態質量的重要性,采用權重加權的方法把二者有機地構成一個綜合模型,則當年基于植被NPP和覆蓋度的植被綜合生態質量指數計算公式：

(7)

式中,Qi為第i年全年植被綜合生態質量指數,其值在0—100之間；Qi=0,說明植被覆蓋度為0,植被NPP也為0；Qi=100,說明植被覆蓋度為100%,植被NPP達歷史最高。f1為全年平均植被覆蓋度的權重系數(根據區域及其植被類型進行調整,全國取0.5)；FVCi為第i年全年各月植被覆蓋度的平均值,反映年植被覆蓋度的平均狀況。f2為年植被NPP的權重系數(根據區域及其植被類型進行調整,全國取0.5)；NPPi為第i年全年植被NPP；NPPmax為全年植被NPP的歷史最高值,即當地最好氣候條件下的年植被NPP。進行植被綜合生態質量空間對比時,NPPmax為該空間區域范圍內相應時段最好氣候條件下的植被NPP。此處,f1和f2之和為1。

1.2.4植被綜合生態質量指數年際對比監測評價模型構建

植被綜合生態質量年際之間的對比,以當年植被綜合生態質量指數相對于多年平均值的增減百分率來表示,以反映當年相對于多年平均狀況的差異,其計算方法見式(8)。

(8)

當年植被綜合生態質量相對多年均值優劣的監測評價以ΔQi為判斷依據,ΔQi<0說明當年植被生態質量不如多年平均狀況,ΔQi=0說明當年植被生態質量接近多年平均狀況,ΔQi>0說明當年植被生態質量好于多年平均狀況,ΔQi的絕對值反映了當年植被生態質量相對于多年均值的偏好偏差程度。

1.2.5植被生態質量變化趨勢監測評價模型構建

以植被綜合生態質量指數為因變量、年為自變量,建立一元線性方程,其中斜率反映植被綜合生態質量指數多年變化的趨勢和快慢程度,一元線性方程：

Qi=a+b×ti

(9)

式中,Qi為關注年限內的第i年植被綜合生態質量指數,同式(7),ti為相應年限內的第i年年號,b為該年限內的植被綜合生態質量指數Qi隨ti的傾向率(變化趨勢率),計算公式：

(10)

式中,Qi為第i年植被綜合生態質量指數,同式(7)、(9)；n為要評價的年限數,本研究要評價的年限為2000—2017年,n=18。b>0說明植被綜合生態質量指數在此18年期間呈提高趨勢；反之,說明植被綜合生態質量指數呈下降趨勢；b=0,說明植被生態質量變化趨勢不明顯。植被綜合生態質量變化的快慢程度以b的絕對值表示,絕對值越大說明上升或下降的速度越快。

2 結果

2000年以來國家加大了生態保護力度,隨著退耕還林還草、風沙源治理等重點生態保護工程的實施,實時掌握全國每年植被生態質量與多年、上一年的對比情況,各省(自治區、直轄市)總體植被生態質量及其在全國的位置,以及全國植被生態質量總體及空間分布上的多年變化趨勢、多年平均狀況等都是急需要解答的問題。為此,通過式(1)至(10),以2000—2017年為例,計算了逐年全國植被綜合生態質量指數；以2017年作為關注的當年,以2000—2017年為關注的多年時段,分別給出監測評價的結果。

2.1 2017年植被綜合生態質量指數與多年和上一年的對比

2.1.12017年植被綜合生態質量指數與多年均值的對比

植被綜合生態質量指數與多年均值的對比結果可以給出植被綜合生態質量相對于多年均值的高低或優劣,說明全國植被生態質量好于或差于多年均值的空間分布以及偏差偏好的程度。2017年植被綜合生態質量指數與2000—2016年均值的對比結果表明,全國大部地區2017年植被綜合生態質量高于2000—2016年的平均狀況；但內蒙古中部偏北地區和東部偏西地區、遼寧西部和南部、青海中部和東部、江蘇中部等少部分地區植被生態質量指數比2000—2016年均值偏低,生態質量偏差,其中偏差幅度最大的出現在內蒙古呼倫貝爾市中西部、錫林郭勒盟北部和西部、烏蘭察布市中北部等地(圖1)。

圖1 2017年全國植被綜合生態質量指數與2000—2016年均值增減百分率

2.1.22017年植被綜合生態質量指數與上一年的對比

2017年全國植被綜合生態質量指數與2016年的對比結果表明,全國大部地區植被綜合生態質量指數高于2016年,生態質量持平偏好或明顯偏好。其中,東北地區中北部、內蒙古東部、西北地區東部、新疆南部和東北部、青藏高原大部、黃淮大部、江漢東部和北部等地植被生態質量指數較2016年高3%以上,生態質量明顯偏好；東北地區南部、內蒙古中西部、華北東部、江淮北部、新疆北部大部、西南地區東部2017年植被生態質量指數低于2016年,生態質量偏差(圖2)。

圖2 2017年全國植被綜合生態質量指數與2016年增減百分率

2.2 2017年省級植被綜合生態質量指數排名

2017年全國31個省(自治區、直轄市)植被綜合生態質量指數(圖3)表明,有11個省(自治區、直轄市)植被綜合生態質量指數達80.0以上,分別是福建、廣西、海南、廣東、云南、貴州、重慶、湖南、江西、浙江、湖北,其位于我國亞熱帶和熱帶濕潤氣候區,水熱條件優越,植被綜合生態質量指數處于全國相對較高水平。其中植被綜合生態質量位于全國前五位的福建、廣西、海南、廣東、云南水熱條件最為優越,年植被NPP、覆蓋度為全國最高,植被綜合生態質量指數達83.0以上,生態質量最好。新疆、內蒙古、青海、甘肅、寧夏年植被綜合生態質量指數為倒數五位,其值低主要與其所處溫帶干旱半干旱氣候區有關,水分不足、植被生長期短,導致年植被覆蓋度和植被NPP較低、植被綜合生態質量較差?？梢娙珖?1個省(自治區、直轄市)年植被綜合生態質量的相對高低反映了全年氣候的影響結果。

圖3 2017年全國31個省(自治區、直轄市)植被綜合生態質量指數排名

2.3 2000—2017年植被綜合生態質量指數變化趨勢

2.3.1全國范圍平均植被綜合生態質量指數多年變化趨勢

2000—2017年全國范圍平均植被綜合生態質量指數呈提高趨勢,提高的平均速率為0.5/a,通過了0.001水平的顯著性檢驗(圖4)。2017年全國范圍平均植被綜合生態質量指數比2000年增加9.4、比2016年增加0.1,達2000年以來最高水平。這個主要得益于2000—2017年全國平均降水量呈增加趨勢,有利于植被生長；加之國家持續開展退耕還林還草、風沙源治理等生態保護和修復工程,全國植被綜合生態質量指數上升顯著。

圖4 2000—2017年全國植被綜合生態質量指數變化趨勢

2.3.2全國地理空間上植被綜合生態質量指數多年變化趨勢

植被綜合生態質量指數多年變化趨勢率空間分布(圖5)顯示,2000—2017年全國有90.7%的區域植被綜合生態質量指數呈提高趨勢,特別是我國中東部大部地區年平均提高速率在0.25/a以上,其中東北地區西部、內蒙古東部、華北大部、黃淮大部、西北地區東部、西南地區中東部、華南西部在0.5/a以上,人居“綠色”生態環境變好比較明顯。我國西部大部地區植被綜合生態質量指數也在提高,平均提高的速率主要在0—0.25/a之間,植被綜合生態質量略有好轉；四川南部、云南北部、西藏中部和東南部等地部分地區植被綜合生態質量指數呈下降趨勢,植被生態質量變差。2000—2017年全國有80.2%的區域年降水量呈增加趨勢,為植被生長提供了良好的水分條件,同期我國加大了生態保護和建設的力度,共同促進了植被生態質量的提高。

圖5 2000—2017年全國植被綜合生態質量指數變化趨勢率

2.4 全國多年平均植被綜合生態質量指數空間分布

2000—2017年平均年植被綜合生態質量指數空間分布(圖6)表明,我國植被綜合生態質量指數呈“北低南高、西低東高”的空間分布格局。南方大部地區年植被綜合生態質量指數在50.0以上,是我國植被綜合生態質量相對較高的區域。其中,福建、廣東、廣西和浙江南部等地部分地區以及云南南部、海南年植被綜合生態質量指數達80.0以上,植被綜合生態質量最好。北方除東北地區中東部、黃淮南部、陜西南部等地年植被綜合生態質量指數為50.0—70.0、植被生態質量為北方的最好地區外；其余大部地區年植被綜合生態質量指數在0—50.0之間,年植被生態質量相對較差,其中東北地區西部、華北大部、黃淮北部和東部、陜西中北部、青藏高原東部為20.0—50.0,為北方植被生態質量相對較好的區域；內蒙古北部和西部、寧夏中北部、甘肅中西部、新疆大部、青藏高原中西部平均年植被綜合生態質量指數在20.0以下,植被生態質量最差?？梢?多年平均年植被綜合生態質量指數空間分布圖較好地反映了我國年植被生態質量優劣的空間分布格局,也反映了與氣候帶的對應關系。

圖6 2000—2017年平均年植被綜合生態質量指數空間分布

3 結論

通過研究可見,基于植被NPP和覆蓋度構建的植被綜合生態質量指數、生態質量年際對比和多年變化趨勢評價模型,監測評價全國植被生態質量是可行的,可以定量監測評價全國植被生態質量的高低和時空變化,主要體現在：

(1)當年植被綜合生態質量指數與多年均值、上一年值的增減百分率能夠定量地表達全國植被生態質量相對于多年、上一年的優劣空間分布,能夠反映全國植被生態質量的年際差異。

(2)全國31個省(自治區、直轄市)年植被綜合生態質量指數的排名符合自然狀況,反映了不同地區的植被綜合生態質量的高低,福建、廣西、海南、廣東、云南地處中、南亞熱帶和熱帶濕潤氣候區,2017年植被生態質量在全國位居前五位。

(3)全國有90.7%的區域2000—2017年植被綜合生態質量指數呈提高趨勢,其中我國中東部大部地區年平均提高速率在0.25/a以上,提高最為明顯,反映了我國植被生態質量18年變化趨勢的空間分布格局。植被生態質量提升的主要原因是2000—2017年全國有80.2%的區域年降水量呈增加趨勢,加之國家實施的生態保護和修復工程,共同促進了植被綜合生態質量指數的提升。

(4)南方大部地區2000—2017年平均年植被綜合生態質量指數在50.0以上,植被生態質量為全國相對較好的區域；北方大部地區在50.0以下,植被生態質量相對較差。我國中東部大部地區年植被綜合生態質量指數在20.0以上；西部大部地區在20.0以下,植被生態質量最差。說明多年平均年植被綜合生態質量指數較好地反映了我國植被綜合生態質量的空間分布狀況。

可見,利用構建的式(1)至式(10),可以開展年全國植被綜合生態質量監測評價和年際對比以及多年變化趨勢評價,為生態文明建設提供最新的全國植被生態質量及其時空變化信息。

4 討論

本研究圍繞生態文明建設急需,構建了基于植被NPP和覆蓋度的植被綜合生態質量指數,同時建立了年際對比和多年變化趨勢監測評價模型,但這些僅是新的初步的研究,更全面的系統的研究會在后續的工作中深入展開。主要包括：

(1)對于小區域或點上,在能夠實時獲得植物多樣性資料時,可考慮植物群落內部結構是否合理的問題,完善植被綜合生態質量指數模型。

(2)研究降水、溫度、日照等多種自然因素對植被綜合生態質量的影響以及植被綜合生態質量指數對氣候的響應,建立影響與響應評價模型。

(3)對于不同的生態系統,將深入研究人為因素對植被生態質量的影響,為生態文明建設績效考核提供參考依據。