貴州武陵山區(qū)植被LAI 時空演變及其未來持續(xù)性特征

吳路華*，楊東妮，陳 丹

（1.銅仁學院 經(jīng)濟管理學院，貴州 銅仁；2.銅仁學院 鄉(xiāng)村振興研究中心，貴州 銅仁）

引言

植被葉面積指數(shù)（LAI）是植被生態(tài)學和遙感應用中的重要參數(shù)[1]，也是植被遙感監(jiān)測過程中重要的指標，廣泛應用于識別和診斷生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化，評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、生態(tài)有機碳匯及生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[2-4]。因而，研究植被LAI 時空動態(tài)演變過程對于生態(tài)系統(tǒng)植被恢復監(jiān)測和保護成效評估具有重要的科學意義。

在氣候變化和人類活動雙重作用下，植被恢復突變性加強，脆弱性增加，以往恢復較好的部分區(qū)域產(chǎn)生了局部退化現(xiàn)象。而現(xiàn)階段，對于LAI 方面研究多集中于植被LAI 的監(jiān)測模擬[5-7]、作物估產(chǎn)[8-11]、遙感反演[12-18]、動態(tài)響應變化[19-22]及基于LAI 的參數(shù)模型改進研究[23-24]。然而，生態(tài)修復過程中植被恢復成效及其未來持續(xù)性特征未得到明確認識，嚴重制約了當前生態(tài)環(huán)境恢復和生態(tài)文明建設。

為落實《中共中央國務院關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》與《全國生態(tài)狀況定期遙感調(diào)查評估方案》（環(huán)辦生態(tài)〔2019〕45 號）及《關于〈印發(fā)2015-2020 年全國生態(tài)狀況變化遙感調(diào)查評估實施方案〉的通知》（環(huán)辦生態(tài)函〔2020〕179號）中關于開展全省生態(tài)環(huán)境狀況遙感調(diào)查與保護成效評估的具體要求。本文重點圍繞貴州武陵山區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)保護監(jiān)管需求，耦合過去- 未來兩種情景，開展了植被LAI 時空動態(tài)演變評估，闡明其空間耦合演變模式，以期為貴州武陵山區(qū)“十四五”期間生態(tài)保護和生態(tài)文明建設提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

貴州武陵山區(qū)位于貴州省東北部（107°4'E～109°30'N，27°07'N～29°13'N），地處武陵山區(qū)腹地，東鄰湖南，北與重慶市接壤，呈東南西北走向（圖1），全境以山地為主，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)。該區(qū)是長江中上游重要的生態(tài)屏障，更是全國11個集中連片特殊困難地區(qū)之一，集革命老區(qū)、民族地區(qū)和貧困地區(qū)于一體，是跨省交界面大、少數(shù)民族聚集多、貧困人口分布廣、經(jīng)濟欠發(fā)達的連片特困地區(qū)，是國家鞏固拓展脫貧攻堅成果，有效銜接鄉(xiāng)村振興的主戰(zhàn)場之一。貴州武陵山區(qū)轄銅仁市2 區(qū)8 縣及遵義市6 個縣，總面積3.09 km2，其中喀斯特區(qū)域面積為2.29 萬km2，占研究區(qū)總面積的74%，非喀斯特區(qū)域僅為0.80 萬km2，占研究區(qū)總面積的26%。以梵凈山至佛頂山山脈為分水嶺，分屬沅江水系和烏江水系兩大一級支流水系，屬于典型喀斯特區(qū)。巖溶地貌發(fā)育典型，水文地質(zhì)復雜，“二元三維”水文地質(zhì)結構突出，巖溶作用強烈，地下裂縫、管道、溶洞、暗河、洞穴廣泛分布，喀斯特區(qū)嚴重的地下漏失現(xiàn)象，石多土少水缺，阻礙了養(yǎng)分有效循環(huán)，嚴重制約著植被恢復速率與區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善。

圖1 研究區(qū)地理位置與海拔特征

2 數(shù)據(jù)來源

本文所用葉面積指數(shù)來源于北京師范大學全球陸表特征參量（GLASS）產(chǎn)品的葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法訓練出從預處理數(shù)據(jù)MOD09A1 到LAI 值的關系模型反演而得[25-26]。數(shù)據(jù)單位m2/m2，時間分辨率為16d，時間范圍2000-2020 年，比例系數(shù)為0.1，空間分辨率為500 m，投影為Albers 等積圓錐投影，共包括2000-2020 年共42 期。該數(shù)據(jù)集經(jīng)使用MRT 工具對數(shù)據(jù)進行拼接和重投影，并對無效值和背景值進行處理，換算為真實的NDVI 值，最后通過年度最大值合成法得到2000-2020 年貴州武陵山區(qū)各年LAI 數(shù)據(jù)集。

3 研究方法

本文基于Theil-Sen 趨勢法和Mann-Kendall 顯著性檢驗法耦合揭示了貴州武陵山區(qū)LAI 變化趨勢及其顯著性特征[27-29]，精準識別了貴州武陵山區(qū)植被變化恢復和退化關鍵區(qū)域。其次，采用Hurst 指數(shù)闡明了LAI 未來持續(xù)性狀態(tài)[30-31]，基于提出的Hurst 系數(shù)的強度分級表，定量評估了未來持續(xù)性等級特征[32]。為了定量闡明未來持續(xù)性強度大小與過去變化趨勢特征的關聯(lián)性，本文將過去變化趨勢顯著性與未來持續(xù)性特征進行空間耦合疊加，識別了空間上LAI 變化的過去- 未來空間耦合演變模式，揭示了長時間序列時空動態(tài)演變特征。

4 結果分析

4.1 LAI 時空演變特征

2000-2020 年，貴州武陵山區(qū)植被LAI 總體上呈現(xiàn)出上升趨勢，平均增速為0.044 m2/m2（圖2），整體上看，LAI 變化范圍介于2.48 m2/m2～3.42m2/m2間，平均值3.02 m2/m2，最大值出現(xiàn)在2019 年，高出平均值0.4 m2/m2，最小值在2001 年，低于平均值0.54 m2/m2。

圖2 2000-2020 年LAI 變化速率

由表1 和圖3 可知，貴州武陵山區(qū)在空間上呈現(xiàn)出增加的趨勢（增加區(qū)域的面積），其中LAI 顯著增加的區(qū)域占比較大，達到85.37%，輕微增加占10.82%，輕微減少的區(qū)域僅為2.24%，顯著減少的區(qū)域所占的比重最小，其值僅有1.56%。

表1 各類型LAI 時空演變趨勢特征

由圖3 可知，LAI 的Sen 趨勢值介于-0.13～0.14 m2/m2之間，平均增長率0.044 m2/m2。LAI 顯著增加區(qū)域主要集中在貴州武陵山區(qū)的中部、北部以東部及西部地區(qū)；輕微增加區(qū)域主要分布在南部、西南部地區(qū)、江口和印江交界地帶；輕微減少區(qū)域則主要分布在江口、松桃、石阡以及余慶等縣及梵凈山自然保護區(qū)核心區(qū)域；顯著減少區(qū)域則主要集中在鳳岡縣、余慶、碧江及松桃等縣區(qū)的縣城區(qū)域。

4.2 LAI 未來持續(xù)性特征

從空間分布狀況看（圖4），貴州武陵山區(qū)植被LAI 的Hurst 指數(shù)介于0.15～0.91，以強度反持續(xù)和弱反持續(xù)性為主，達到74.23%，而正持續(xù)性占比相對較少，僅為25.77%。弱正持續(xù)性主要分布在貴州武陵山區(qū)的中部、北部、東部以及東南部地區(qū)，占比為25.55%，強正持續(xù)性區(qū)域占比較低，僅0.22%。

圖4 LAI 演變Hurst 指數(shù)空間分布特征

為了進一步明晰貴州武陵山區(qū)植被LAI 的變化趨勢與其未來可持續(xù)性的時空耦合特征，本文將LAI的Sen 變化趨勢顯著性與Hurst 指數(shù)進行空間疊加，得到基于植被LAI 增加和減少的貴州武陵山區(qū)未來可持續(xù)性空間耦合模式（圖5）。結果發(fā)現(xiàn)，貴州武陵山區(qū)LAI 呈現(xiàn)持續(xù)性減少的區(qū)域僅為2.06%，LAI 持續(xù)性增加的區(qū)域達到23.7%，而未來變化無法確定的區(qū)域達到了74.23%，是有明顯變化趨勢區(qū)域的3 倍。其中，強持續(xù)減少的面積占比僅為0.12%，主要分布于思南、余慶和碧江等地區(qū)。弱持續(xù)減少區(qū)域占比1.94%，在貴州武陵山區(qū)大部分地區(qū)都有少量分布。弱持續(xù)增加的比例為23.60%，主要分布在思南縣、鳳岡縣、石阡縣、正安縣以及道真縣等；未來變化無法確定的區(qū)域主要分布于貴州武陵山區(qū)北部及東北部地區(qū)，但在湄潭、余慶、印江以及江口也有大范圍分布。強持續(xù)性增加區(qū)域最少，僅為0.1%，見表2。

表2 LAI 變化趨勢及未來持續(xù)性

圖5 LAI 的Hurst 指數(shù)與Sen 變化趨勢空間耦合演變特征

5 討論

本文檢測到LAI 未來74.23%的區(qū)域可能出現(xiàn)較大的退化風險，這些區(qū)域也是LAI 增速較快的地區(qū)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是這些區(qū)域植被經(jīng)過長時間的恢復，現(xiàn)已經(jīng)處于比較好的狀態(tài)，未來可能會因為缺少適當干擾而出現(xiàn)退化風險。因此，對于現(xiàn)今一些LAI 增速較快或趨于穩(wěn)定的地區(qū)應建議通過加強生態(tài)系統(tǒng)管理和科學的人工干擾以應對未來可能出現(xiàn)的退化現(xiàn)象。此外，盡管本文揭示了貴州武陵山區(qū)LAI 過去- 未來時空耦合演變過程與機制，但是對于演變驅(qū)動機制并未進行定量評估和系統(tǒng)解析，后續(xù)將基于系統(tǒng)耦合理論闡明各驅(qū)動因素貢獻大小和影響機制。

6 結論

（1） 2000-2020 年間，貴州武陵山區(qū)LAI 總體上呈現(xiàn)波動上升趨勢，平均增速0.044 m2/m2，平均值為3.02 m2/m2。

（2） LAI 顯著增加區(qū)域主要集中在務川、沿河以及鳳岡，而顯著減少區(qū)域主要在余慶和碧江區(qū)。

（3） LAI 呈現(xiàn)持續(xù)性減少的區(qū)域僅2.06%，LAI呈持續(xù)性增加的區(qū)域達到23.7%，而未來變化無法確定的區(qū)域達到74.23%。其中，僅0.12%的區(qū)域呈強持續(xù)減少，1.94%呈弱持續(xù)減少，23.60%呈弱持續(xù)增加，而僅有0.1%呈強持續(xù)增加。