2011—2020年宜昌市植被覆蓋度與凈初級生產力的時空變化特征

張 麗，程晉昕，萬 君，劉 俊，成 勤

（1.宜昌市氣象局，湖北 宜昌 443000；2.云南省氣候中心，昆明 650034；3.武漢區域氣候中心，武漢 430074）

全球氣候變化已經成為不爭的事實，隨著工業化的發展，CO2成為引起全球氣候變暖的主要因素［1］，持續性的全球氣候變暖正在影響著全球生態系統［2］，同時全球氣候變化又深受陸地生態系統碳儲量的影響［3］。作為生物圈中的重要組成部分，陸地生態系統的重要性顯得尤為突出，生態系統的好壞直接影響當地的可持續發展。植被是連接土壤、大氣和水分等要素的自然“紐帶”［4］，不僅生產有機物質，還吸收空氣中的二氧化碳（CO2），生成葡萄糖等碳水化合物并釋放出氧氣（O2），這種功能被稱作固碳釋氧，該功能對調節氣候、平衡CO2和O2濃度具有重要意義［1］。

植被覆蓋度是單位面積內植被的垂直投影面積所占百分比，它是衡量生態環境狀況的重要指標，對水文、生態等變化都具有重要意義。陸地植被凈初級生產力（NPP）是綠色植物呼吸后所剩下的單位面積單位時間內所固定的能量或所生產的有機物質［5］，反映了綠色植被在自然環境下的生產能力［6］，是理解地表碳循環過程不可缺少的部分。NPP的產量因不同土地利用類型、植被覆蓋類型和密度間的差異而不同，對整個陸地生態系統的碳儲量和碳循環有重要影響［7］。研究植被覆蓋度的變化及其對植被凈初級生產力的影響意義重大［8］。

遙感監測法具有分辨率高、覆蓋范圍廣、點位密集等優勢，是目前應用最為廣泛的研究方法。目前，基 于SPOT∕VEGETATION以 及MODIS等 衛 星 遙 感影像得到的歸一化植被指數（NDVI）時序數據已經在植被動態變化監測、土地利用∕覆被變化監測、凈初級生產力估算等研究中得到廣泛的應用。多年來，國內外學者利用遙感技術對植被覆蓋度和NPP的研究開展的比較多，技術也比較成熟，Meyer等［9］對土地利用和土地覆蓋變化進行了研究；祁燕等［10］、熊玲等［11］利用NDVI開展了植被覆蓋度變化研究；賈慶堂等［12］、陳書林等［13］開展了基于NPP的固碳釋氧能力分析；曲學斌等［14］發現降水是影響NPP變化的主要因素；宋藝等［8］、李卉等［15］開展了植被覆蓋度變化對NPP的影響研究。基于遙感技術的植被覆蓋與NPP的協同分析已成為當前城市化生態環境研究的一種趨勢［16］。

宜昌市森林資源豐富，地形條件復雜，生態環境脆弱，近年來隨著宜昌城市的快速發展，人口的持續增長，能源需求日益增長。在中國提出“碳達峰、碳中和”目標的背景下，厘清植被覆蓋度及其對NPP的影響，對宜昌市綠色發展具有重要意義。本研究在前人研究成果的基礎上，利用2011—2020年宜昌市NDVI和NPP遙感影像數據，研究植被覆蓋度、NPP和固碳釋氧量的時空分布特征，并分析植被覆蓋度的變化對NPP的影響，以期為宜昌市土地利用管理和可持續發展提供參考依據。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

宜昌市位于湖北省西南部，地處長江上游與中游的結合部，鄂西武陵山脈和秦巴山脈向江漢平原的過渡地帶（111°15′—112°04′E，29°56′—31°34′N）。宜昌市地形復雜，高低相差懸殊，海拔從27 m（枝江）～2 346 m（興山），呈自西向東逐級下降的態勢（圖1a），平均坡降14.5‰，形成山地、丘陵和平原三大基本地貌類型。其中，西部山地占全市總面積的69%，中部丘陵占全市總面積的21%，東部平原占全市總面積的10%，俗稱“七山二丘一分平”。山地（海拔大于500 m）是全境地貌的主體，主要分布在興山、秭歸、長陽、五峰及夷陵北部和西部。丘陵（海拔100～500 m）分布于遠安、夷陵、宜都東部和當陽北部；平原（海拔在100 m以下）分布在枝江、當陽東南部、宜昌城區東南部、遠安中部，是農耕作業之地。宜昌市森林資源豐富，遙感監測顯示，2020年宜昌市森林覆蓋率達70.8%（圖1b）。土地覆蓋類型包括森林、農田、草地、水體和裸地等。

圖1 宜昌市研究區域高程分布（a）及土地覆蓋類型（b）

1.2 數據來源

NDVI能精確地反映植被代謝強度及其季節和年際變化，而且能部分地補償照明條件、地面坡度以及衛星觀測方向的變化所引起的不足。本研究所用數據包括月度NDVI和基于光能利用率模型GLO_PEM計算獲取的月度NPP，時間范圍為2011—2020年。其中，NDVI數據集空間分辨率為500 m，來源于湖北省生態和衛星遙感中心；NPP數據集空間分辨率為1 000 m，來源于國家氣象中心。宜昌市DEM分布數據來源于地理空間數據云平臺，空間分辨率30 m。土地利用數據為全球土地覆蓋的精細分辨率觀測和監測網站（FROM-GLC）提供的30 m分辨率全球土地覆蓋圖。

2 研究方法

2.1 數據預處理

通過ENVI∕IDL和ArcGIS進行投影轉化、影像裁切等預處理，得到研究區NDVI和NPP數據，采用均值法計算2011—2020年春季、夏季、秋季、冬季和年平均NDVI和NPP。按照季節劃分法［17］，12月至次年2月為冬季、3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季。

2.2 植被覆蓋度計算

植被覆蓋度（fv）采取基于NDVI的像元二分模型法，假設一個像元由土壤和植被兩部分組成，像元信息由綠色植被成分所貢獻的信息和由土壤成分所貢獻的信息組成。基于像元二分模型的植被覆蓋度表達式如式（1）所示。

式中，NDVI為研究時段的像元歸一化差值植被指數；NDVIV為純植被覆蓋像元的歸一化差值植被指數；NDVIS為純土壤覆蓋像元的歸一化差值植被指數。本研究中，累積頻率0.5%對應的NDVI為NDVIS，99.5%對應的NDVI為NDVIV［5］。

2.3 植被覆蓋度與NPP分級

植被覆蓋度年際對比（△fv）以當年植被覆蓋度與常年（2011—2020年）同期植被覆蓋度平均值的差值表示，陸地植被覆蓋度及其年際對比分為6個等級。NPP年際對比（△NPP）為該時段的NPP較常年（2011—2020年）同期的差值與常年（2011—2020年）同期NPP的比值，NPP及其年際對比分為6個等級（表1）。

表1 植被覆蓋度及NPP分級標準及相應等級劃分

2.4 植被固碳釋氧量計算

生態系統中的植物通過光合作用和呼吸作用與大氣進行CO2和O2交換，對維持大氣中CO2和O2動態平衡、減緩溫室效應具有不可替代的作用［18，19］。根據光合作用和呼吸作用的方程式可推算出，每形成1 g干物質可固定1.62 gCO2，并釋放1.2 gO2；干物質量可根據植物干物質中碳元素的含量約占45%，由此評估宜昌市固碳釋氧量［12，20］。

3 結果與分析

3.1 2011—2020年宜昌市植被覆蓋度變化分析

3.1.1 宜昌市不同覆蓋等級的空間變化分析2011—2020年宜昌市植被覆蓋環境良好穩定，西部山區植被覆蓋度高于東部平原，其中，五峰、興山、長陽、夷陵、秭歸、遠安等山區植被覆蓋度較高，大部分地區達80%以上，枝江、當陽等東部平原地帶植被覆蓋度多處于40%～60%；人口較為集中的城鎮區域植被覆蓋度多處于5%～20%（圖2）。全市植被覆蓋度以高植被覆蓋為主（圖3）。

圖2 2011—2020年宜昌市平均植被覆蓋度空間分布

圖3 2011—2020年宜昌市不同等級植被覆蓋度占比（各等級占總面積的比例）分布情況

3.1.2 宜昌市不同覆蓋等級的時間變化分析2011—2020年宜昌市植被覆蓋度呈增長趨勢（圖4）。春季和夏季植被覆蓋度較好，秋季和冬季植被覆蓋度相對較差，其中春季平均植被覆蓋度為84.4%，植被覆蓋最好，且呈增長趨勢；冬季平均植被覆蓋度為62.8%，植被覆蓋相對最差，但也呈增長趨勢，并且2020年冬季的植被覆蓋度為10年來最高。從宜昌市2020年植被覆蓋度年際對比結果可以看出，宜昌市植被覆蓋度整體呈穩中向好趨勢（圖5）。

圖4 2011—2020年宜昌市逐年（季）平均植被覆蓋度變化情況

圖5 宜昌市2020年植被覆蓋度年際對比（△fv）空間分布

3.2 2011—2020年宜昌市凈初級生產力變化分析

3.2.1 宜昌市凈初級生產力時空變化分析 宜昌市植被平均NPP空間變化特征呈自西向東遞減的趨勢，西部山區NPP高于東部平原（圖6），其中，五峰、興山、長陽、夷陵、秭歸、遠安等山區NPP較高，大部分地區達800 gC∕m2以上；枝江、當陽等東部地帶大部為耕地，NPP多處于600～800 gC∕m2；人口較為集中的城鎮區域NPP小于600 gC∕m2，分布特征與當地地形、海拔、植被類型等自然因素和土地類型有關。

圖6 2011—2020年宜昌市平均NPP空間分布

宜昌市2020年NPP年際對比空間差異較大（圖7），其中，長陽、五峰、秭歸東部、夷陵等西部山區NPP整體表現為增加，NPP減少顯著的區域主要集中在東部平原縣市，這與其城鎮化的快速發展有直接聯系。快速城鎮化在改變植被生長環境的同時，也對植被的生產力產生了消極的影響，從而導致該地區NPP顯著下降［17］。

圖7 宜昌市2020年NPP年際對比（△NPP）空間分布

2011—2020年宜昌市NPP年均值呈增長趨勢（圖8），植被吸收的凈CO2量逐漸增多，說明宜昌市生態逐步改善，這與近年來宜昌市大力開展“中國氣候宜居城市”“中國天然氧吧”“中國氣候宜居縣”氣候標志創建息息相關。宜昌市大部分地區NPP達800 gC∕m2以上（評價等級為高），其中NPP為1 000 gC∕m2以上（評價等級為很高）增長趨勢最大。

圖8 2011—2020年宜昌市逐年NPP和不同等級占比分布情況

3.2.2 宜昌市固碳釋氧能力綜合分析宜昌市2011—2020年平均固碳量和釋氧量西部山區均高于東部平原（圖9），其中，五峰、興山、長陽、夷陵、秭歸、遠安等山區固碳量達3 000 g∕m2以上，釋氧量達2 000 g∕m2以上；枝江和宜都等東部地帶大多為耕地，固碳量多處于2 500～3 000 g∕m2，釋氧量多處于1 500～2 000 g∕m2；人口較為集中的城鎮區域固碳量多處于1 000～2 500 g∕m2，釋氧量多處于750～1 500 g∕m2，由此可見，固碳釋氧能力主要與不同土地覆蓋類型和人類活動有關。近10年宜昌市平均固碳量與釋氧量呈增長趨勢，植被釋放的氧氣逐漸增多。

圖9 2011—2020年宜昌市平均固碳量（a）和釋氧量（b）的空間分布

3.3 宜昌市植被覆蓋度對凈初級生產力的影響分析

植被覆蓋度能夠較好地反映不同地物類型的植被覆蓋特征以及與地表能量的交換特征［8，21］，不同植被覆蓋度下的NPP產量勢必存在差異，為了能夠定量分析NPP與植被覆蓋度之間的關系，本研究逐像元提取對應植被覆蓋度下的平均NPP并作相關性分析。結果表明，植被覆蓋度與平均NPP之間的相關系數高達0.91，并通過了0.01水平的顯著性檢驗，說明植被覆蓋度對NPP的產量具有很好的指示作用，NPP的產量隨植被覆蓋度的增大而增加，植被覆蓋等級的變化會引起NPP的變化。

為定量表達不同等級植被覆蓋度變化對NPP產量的影響，分別計算2011—2020年各等級下的NPP（表2），可以發現，不同年份各等級植被覆蓋度下的年均NPP均存在不同程度的波動。其中，高植被覆蓋度NPP近10年的變化趨勢最明顯，為4.35 gC∕m2，說明高植被覆蓋區對區域生產力的影響非常重要；較高植被覆蓋度次之，近10年的變化趨勢為0.25 gC∕m2；較低植被覆蓋度及以下等級的平均NPP的線性趨勢整體表現為穩中略升；中植被覆蓋度的均值NPP略有下降，這主要受較高植被覆蓋區以上明顯增長的影響。

表2 2011—2020年宜昌市不同等級植被覆蓋下的NPP分布情況

4 小結與討論

本研究利用宜昌市2011—2020年植被指數和NPP數據，分析了宜昌市植被覆蓋度與凈初級生產力的時空變化特征及其兩者之間的關系，為深度研究人類活動及城市化帶來的生態環境效應，達到合理規劃城市發展、提高土地利用率、發展農業等提供參考。主要結論如下。

1）宜昌市植被覆蓋環境良好穩定，并呈增長趨勢，西部山區植被覆蓋度高于東部平原，全市植被覆蓋度以高植被覆蓋為主；春季和夏季植被覆蓋度較好，秋季和冬季植被覆蓋度相對較差。

2）宜昌市西部山區NPP高于東部平原，并呈增長趨勢，植被吸收的凈CO2量逐漸增多，說明宜昌市近10年生態環境得到改善。

3）宜昌市西部山區固碳量和釋氧量高于東部平原，固碳釋氧能力與不同土地覆蓋類型和人類活動有關；近10年平均固碳量和釋氧量呈增長趨勢。

4）宜昌市植被覆蓋度與NPP之間的相關系數達0.91（P＜0.01），說明植被覆蓋度對NPP的產量有很好的指示作用，并且NPP的產量隨植被覆蓋度的增大而增加；各等級植被覆蓋度下的年均NPP均存在不同程度的波動，其中高植被覆蓋度變化趨勢最明顯，說明高植被覆蓋區對區域生產力的影響非常重要。

5）本研究使用的植被指數數據分辨率為1 000 m，在區域性研究中仍然存在一定的誤差。此外實際植被NPP是氣候、下墊面覆蓋和其他因子（城市熱島、農耕活動、園林管理等）相互作用的結果［22］，后續可以綜合氣候因素的影響對NPP變化進行更加詳細的分析研究。