2000—2018年奉化植被生態質量變化分析

鄭 健，徐 蓉，朱曉翠，楊怡曼

（寧波市奉化區氣象局，浙江寧波 315500）

0 引言

寧波市奉化區位于浙江省東部沿海，作為“中國天然氧吧”城市、浙江省生態文明建設示范區，奉化始終高度重視生態文明建設工作。植被是陸地生態系統中的重要組成部分[1]，其在防風固沙、凈化大氣、構建優美環境上有巨大作用，因此定性和定量分析奉化植被生態質量發展狀況，對持續改善當地環境質量、提升生態系統穩定性有著重要意義。目前在植被生態質量評價中，植被覆蓋度和植被凈初級生產力（植被NPP）作為衡量植被生態變化的2 個重要指標，在相關研究中得到大量應用，如呼和孟古拉等[2]基于MODIS NDVI數據，利用像元二分模型反演得到呼倫貝爾市和興安盟扎賚特旗草原2001—2016年植被覆蓋度數據，研究其草原退化整體變化趨勢及影響因子。李雨鴻等[3]對遼寧省植被覆蓋度進行估算，探討了2000—2018年遼寧省植被覆蓋度的時空演變特征。王娟等[4]利用ArcGIS軟件進行統計分析，研究陜北退耕還林區植被NPP與氣候因素和土地利用類型轉變的關系。孫應龍等[5]基于陸地生態系統碳通量TEC 模型，結合趨勢分析、相關分析等統計方法，揭示了2000 年以來云南省典型礦區——臨滄市的植被覆蓋度、植被NPP等時空變化特征及其與氣候因子關系。

監測評價植被覆蓋度和植被NPP可以為生態環境保護、植物估產、資源開發利用提供重要參考，但是單一評估植被覆蓋度或植被NPP都難以全面反映植被的綜合生態質量。錢拴等[6]基于植被NPP和覆蓋度構建了植被綜合生態質量指數，能夠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，解決了植被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。因此本文采用植被NPP、覆蓋度和綜合生態質量指數對2000—2018 年奉化植被生態質量開展綜合性分析，并將最小評估單元精細至鄉鎮級，以期掌握奉化區域植被生態質量的時空變化特點，為加強當地綜合治理、促進植被的生態恢復提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

奉化地處天臺山脈與四明山脈交接地帶，地勢由西南向東北傾斜，西部和南部多高山峻嶺；東北部地勢平坦，河網縱橫，屬寧奉平原；東南部靠象山港，海岸線曲折，沿海狹長地帶形成港灣平原。境內最高點黃泥漿崗海拔976 m，最低點為沿海灘涂，海拔僅1 m。氣候上屬于亞熱帶季風氣候區，年降水量1475.7 mm，平均氣溫16.9℃，平均日照時數1787.7 h。

1.2 資料來源

本研究所用氣象資料來源于奉化自動氣象站2000—2018年觀測的氣溫、降水量、日照時數等數據，所有數據均經過質量控制。衛星資料來源于國家氣象衛星中心提供的MODIS 衛星月NDVI合成數據，空間分辨率為250 m，時間范圍為2000—2018年逐月。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度 植被覆蓋度是指植被地上部分垂直投影面積占地面面積的百分比，為衡量生態綠化程度的量化指標[7]。植被覆蓋度和歸一化植被指數NDVI之間存在極顯著的線性相關關系，通過建立二者之間的轉換關系，直接提取植被覆蓋度信息[8-9]。本文采用像元二分模型估算植被覆蓋度，其計算如公式(1)所示。

式中，FVC為一個像元內植被覆蓋度；NNDVI為該像元上歸一化植被指數；NNDVIveg為影像上植被部分對應的NDVI值，取0.95；NNDVIsoil為影像上裸地部分對應的NDVI值，取0.05。

1.3.2 植被凈初級生產力 植被NPP是指綠色植物在單位面積、單位時間內所能累積的有機物數量，一般以每平方米干物質的含量(g C/m2)來表示[10]。植被NPP的估算是基于陸地生態系統碳通量TEC模型，由植被所吸收的光合有效輻射、實際光能轉化率以及植物的呼吸消耗等數據確定[11-12]，其表達如式(2)～(3)所示。

式中，NPP、GPP、R分別代表植被凈初級生產力、總初級生產力、呼吸消耗量；ε為實際光能轉化率，主要受氣溫和水分脅迫的影響，其中水分脅迫影響利用土壤水分子模型求算，氣溫脅迫影響系數利用月平均氣溫和月NDVI數據求算；FPAR為植被吸收光合有效輻射的比例，利用逐月NDVI估測；PAR為入射光合有效輻射，由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。

1.3.3 植被生態質量指數 植被生態質量指數以植被NPP和覆蓋度的綜合指數來表示[6]，其值越大，表明植被生態質量越好，其計算如公式(4)所示。

式中，Qi表示第i年植被生態質量指數；f1表示植被覆蓋度權重系數，取0.5；FVCi表示第i年植被覆蓋度；f2表示植被NPP的權重系數，取0.5；NPPi表示第i年的植被NPP；NPPmax表示參與評估的年植被NPP的歷史最大值，即視為當地最好氣象條件下的生產力。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度改變狀況

2000 年以來奉化植被覆蓋度總體呈現提高趨勢（圖1），2000—2018 年平均值為66.7%，年均增速在0.26%，通過0.01 置信水平，超過全國同期0.25%的平均值[14]。植被覆蓋狀況不斷改善，尤其是2014—2018年植被覆蓋度逐年上升，2018年植被覆蓋度達到最大值70.6%。對2014—2018年的逐月平均植被覆蓋度進一步研究顯示（圖2），全年一半時間植被覆蓋度在70%以上，“單峰型”分布特征明顯，8月植被覆蓋度最高達到80.5%，2月降至55.7%的最低值。植被覆蓋度季節分布中，夏季最高，冬季最低，秋季高于春季。

圖1 2000—2018年奉化植被覆蓋度變化

圖2 2014—2018年奉化平均植被覆蓋度月變化

以行政區劃為界，對奉化所有鎮（街道）的2018年植被覆蓋度進行統計顯示（圖3），有4個鎮（街道）植被覆蓋度超過70%，位于山區的大堰鎮和溪口鎮居前兩位，平均植被覆蓋度分別達到77.4%和76.4%，第3～7位分別是尚田街道、蕭王廟街道、裘村鎮、莼湖街道和松岙鎮，也均超過了65%。岳林街道是奉化城區所在地，江口街道（含方橋，下同）為寧南貿易物流園區、工業園區所在地，上述區域因城市發展，植被覆蓋度不足50%，較其他鎮（街道）存在差距。

圖3 2018年奉化各鎮（街道）植被覆蓋度

2.2 植被凈初級生產力變化特征

與植被覆蓋度明顯向好的變化趨勢不同，2000—2018 年的植被NPP總體雖然也呈現增加趨勢（圖4），增速約為1.7 g C/(m2·a)，但未能通過0.05 置信水平。2000年以來的植被NPP平均值為998.2 g C/m2，在2003年和2011年有2個明顯的低值拐點，植被NPP分別降至947.9 g C/m2和938.4 g C/m2。結合2003 年和2011年的氣候背景綜合分析，低值出現與階段性干旱過程有密切關聯。2003年由于高溫少雨，寧波全市僅農田受旱面積就達72000 hm2。2011年1—5月降水量比常年同期偏少50.5%，奉化氣象干旱等級一度達到重旱。2017 年和2018 年奉化植被NPP連續2 年保持快速增長，2018 年植被NPP達到1078.8 g C/m2，較上一年度增加39 g C/m2，超過全國同期平均12 g C/m2的增長量[14]，成為2000年以來的最大值。

圖4 2000—2018年奉化植被凈初級生產力變化

對奉化2018 年所有鎮（街道）的植被NPP進行統計（圖5），與植被覆蓋度相似，大堰鎮、溪口鎮和尚田街道分別以1169.2、1165.1、1106.3 g C/m2的植被NPP排名前三，西塢、錦屏、江口及岳林4 個街道的平均值低于1000 g C/m2。進一步結合地形可以發現（圖略），植被NPP高值區主要分布在西部和南部山區，最高值達到1401.2 g C/m2。不足800 g C/m2的范圍主要分布在東北部寧奉平原的人口集聚區和沿海三鎮靠近象山港一線的港灣平原，該部分面積約占奉化陸地總面積的8.3%。

圖5 2018年奉化各鎮（街道）植被凈初級生產力

2.3 植被生態質量指數評估

2000—2018 年植被生態質量指數在波動中升高（圖6），從2000年的66.8逐漸上升至2018年的73.7，平均值為68.8，提高的平均速率為0.19/a，通過了0.01 水平的顯著性檢驗。對比降水量和植被生態質量指數的年際變化趨勢，可以發現在2014 年以前，兩者的變化趨勢有著很好的一致性，表明植被生態質量與降水量呈正相關。2014 年開始，兩者的相關性有所減弱，甚至出現負相關，特別是2017和2018年降水量下降背景下，植被生態質量指數仍明顯增長。分析上述變化的原因，人為干預可能是重要因素之一。自“兩山理論”在2005 年提出后，奉化更加重視生態文明建設，財政投入逐年加大，管護措施得到加強，林分質量穩步提高，僅2011—2016 年奉化就完成造林面積1640 hm2，中幼林撫育面積12134 hm2，四明山區域生態修復1060 hm2。隨著這些植樹造林等環境保護舉措力度的不斷增強，以及水利和灌溉設施的進一步完善，減輕了年際間降水不平衡對植被的影響。

圖6 2000—2018年植被生態質量指數和年降水量變化

2005 年植被生態質量指數與2000—2018 年期間的平均值同樣為68.8，可以代表奉化植被狀況在19年中的一個平均水平。對比2005 年（圖7a）和2018 年（圖7b）植被生態質量指數空間分布圖，發現90.0%的區域面積實現了指數的增長，特別是山區增長尤為明顯。統計植被生態質量指數80.0以上的區域面積，溪口鎮增加了43.1%，大堰鎮增加了32.3%，蕭王廟街道增加30.2%。指數下降的區域集中在岳林和江口2 個街道，因城市化發展需要，原土地利用類型改變，進而對植被造成影響，導致低值區域面積的擴大。

圖7 2005年(a)和2018年(b)奉化植被生態質量指數空間分布

3 結論與討論

（1）2000—2018 年奉化植被覆蓋度、凈初級生產力和植被生態質量指數都呈現提高趨勢，平均增速分別達到0.26%/a、1.7 g C/(m2·a)和0.19/a，除植被凈初級生產力外均通過0.01水平的顯著性檢驗，表明奉化植被生態質量總體呈向好態勢。

（2）2018 年奉化植被生態質量達到最高，但不同區域狀況存在較大差異。城區因城市化發展需要，原土地利用類型改變，植被生態質量相對較差，山區鄉鎮在植被覆蓋度和植被凈初級生產力指標上都明顯優于城區，大堰、溪口和尚田植被生態質量居奉化前三位。

（3）2000—2014 年奉化植被生態質量指數與年降水量呈正相關，2014年以后植被生態質量指數變化受年降水量影響減小，這可能與生態保護和修復力度不斷增強有關。相比“兩山理論”首次提出的2005 年，2018年有90.0%的區域實現了植被生態質量指數的正增長，山區增長尤為明顯。

綜上分析，2000年以來奉化植被生態質量總體向好發展，山區植被質量提升尤為顯著，但不同區域發展存在不平衡，平原局部地區因城市發展有退化現象，需進一步加強針對性保護。另外需要指出的是，本文在植被生態質量指數計算中，植被覆蓋度權重系數和植被NPP的權重系數沿用了錢拴等[6]在全國植被綜合生態質量評價中的取值，在今后的研究中需根據本地植被類型進一步研究分析權重系數分配的合理性。