成渝經濟區植被生態質量演變特征及驅動力分析

王麗芝, 楊 鑫,, 郝利娜

(1.成都理工大學 地球科學學院,成都 610059; 2. 成都理工大學 地球勘探與信息技術教育部重點實驗室,成都 610059)

0 引言

植被作為生態系統不可或缺的組成成分,不僅有聯結土壤、水文及環境的作用,并且植被在區域初級凈生產力、氣候系統以及陸地碳平衡中發揮著重要作用,對生態自然環境有較為直觀的指示作用[1-2]。同時,植被作為生態系統中的重要組成部分,其具有豐富的生態過程、復雜的結構和生物多樣性,植被的變化影響到許多重要的生態系統服務功能,在涵養水源、防風固沙、固碳釋氧、維護生物多樣性、調節氣候和保持生態平衡等方面具有不可替代的作用[3]。因此,植被的生態環境質量(植被生態質量)是評價生態系統平衡狀況和環境質量的一項重要指標。

植被生態質量的好壞決定著一個地區的環境質量及生態系統平衡狀態。隨著遙感技術的快速發展和廣泛使用,利用遙感對植被特征進行研究的技術與方法也越來越成熟。目前,常用遙感手段,采用單一指標法和多指標法監測植被生態質量。徐涵秋等[4]采用單一指標法,利用不透水面蓋度評價城市生態環境等;伊博力等[5]采用單一指標法,利用植被指數間接地對草地生態環境系統進行評價監測。單一指標只能片面的反應植被生態質量某一維度的變化特征,而植被生態系統是一個錯綜復雜的生態系統,需要綜合各種指標才能較為完整的解釋其變化特征。吳宜進等[6],采用多指標法,引入改進的RSEI,以MODIS數據反演得到植被總初級生產力、葉面積指數、區域熱度、改進的濕度與植被覆蓋度5項指標為基礎,提出基于主成分分析法的西藏植被生態質量評價方法;李超等[7]采用多指標法,以 MODIS數據反演得到中國總初級生產力、葉面積指數、植被覆蓋度、溫度植被干旱指數和陸面溫度5項指標,綜合評價了中國植被生態質量。但是利用遙感數據構建多指標植被生態質量評價模型,會受到地區地勢、時間及尺度上的限制,難以實現精確的評價,這就需要探索一種更適用的植被生態質量指數構建模型。

近年來,諸多學者對西南地區的植被動態變化研究諸多,單獨針對成渝經濟區植被動態變化的研究相對較少,多采用單一指標法對成渝經濟區植被動態變化進行了分析[8-9]。但成渝經濟區自然環境復雜,單一指標無法精確的反應成渝經濟區植被生態質量的變化特征。筆者利用MODIS NDVI數據反演得到的成渝經濟區2005年-2020年植被覆蓋度(VFC)、植被凈初級生產力(NPP)指標為基礎,構建植被生態質量指數(Q),通過趨勢線性分析、相關性分析、殘差分析,分析了此16 a間成渝經濟區植被生態質量時空變化特征,探究了氣候變化和人為活動等驅動因素對成渝經濟區植被生態質量時空變化的制約關系,為成渝經濟區植被生態保護與防護提供理論基礎和科學依據。

1 研究區及數據來源

1.1 研究區概況

成渝經濟區由區域內的兩大核心城市而得名,范圍包括四川省15 個市,以及重慶市31 個區縣(圖1)。東部有三峽庫區這一國家重點工程,西部有汶川地震災后重建區,是長江中上游生態屏障的重要組成部分[8,10]。成渝經濟區位于西南腹地、四川盆地核心地區,地貌以丘陵為主,中心為平原,四周山體環繞,由于其特殊的盆地地形,其內部熱量不易擴散,從而使得成渝經濟區的溫度高于同緯度的其他地區,并且東部和南部氣溫整體高于西部和北部,降水量則表現為東多西少,盆地多高原少。成渝經濟區屬亞熱帶濕潤季風氣候,區內植被以亞熱帶常綠闊葉林和高原山地高寒草甸為主。

圖1 成渝經濟區地理位置及概況圖Fig.1 Geographical location and general situation of Chengdu-Chongqing economic zone

1.2 數據來源及預處理

研究區MODIS NDVI和行政邊界數據源自中科院資源環境科學數據中心(https://www.resdc.cn/),氣象數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),選用成渝經濟區 15個氣象站2005年1月-2020年12月的中國地面氣候資料日值數據集。

對MODIS NDVI數據進行投影轉換、鑲嵌等處理,利用波段計算等方法反演得到植被覆蓋度(VFC)和植被凈初級生產力(NPP)。統計每個站點年降水量和年均溫度,把氣象站點坐標生成站點值數據,利用薄盤光滑樣條函數分別生成研究區降雨和氣溫的空間分布圖。將所有影像數據統一重采樣為1 km分辨率數據,以便后續進行分析。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度(VFC)

植被覆蓋度(Vegetation Fractional Cover,VFC)指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占研究區總面積的百分比,它量化了植被的繁茂程度[11]。目前已有很多利用遙感監測手段估算植被覆蓋度的方法,其中最為常見的是利用植被指數NDVI進行估算,其計算公式為式(1)。

(1)

式中:NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值;NDVIveg為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值,即純植被像元的NDVI值。

2.2 植被生態質量指數(Q)模型

利用植被凈初級生產力NPP和植被覆蓋度構成植被生態質量指數,綜合監測評估植被生態質量的優劣,其值越大,表明植被生態質量越好[12]。植被生態質量指數(Q)模型為式(2)。

Qi=(VFCi+NPPi/NPPm×100)/2

(2)

其中:Qi為第i年植被生態質量指數;VFCi為第i年植被覆蓋度;NPPi為第i年植被NPP;NPPm為監測年份中NPP最大值,即當地最好氣象條件下植被NPP。

2.3 趨勢線分析法

線性回歸方程是最廣泛應用于分析不同因子和研究對象之間的變化趨勢方式[13]。計算公式為式(3)。

(3)

式中:i為年份;x為第i年的研究對象值;n為時間長度;Slope為n年時間內,影響因子的變化對應的研究對象總體變化趨勢。

2.4 相關性分析法

相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析,從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。線性相關性分析的前提條件是相關性的元素之間需要存在一定的聯系或者概率[14]。線性相關性分析R的計算公式為式(4)。

(4)

偏相關分析是在線性相關的基礎上,排除其他影響因素的干擾,計算某兩個影響因素的相關性。偏相關系數計算公式為式(5)。

(5)

式中:Rxy,z為將自變量z固定后,因變量x與自變量y的偏相關系數。

用t檢驗法進行顯著性檢驗,公式為式(6)。

(6)

式中:n為樣本數;m為自變量個數。

為了綜合考慮多個相關影響因素的共同作用,將兩個或多個影響因素采用復相關分析法并入計算,計算公式為式(7)。

(7)

式中:Rx y表示x與y的線性相關系數;Rx z,y為固定自變量y;因變量x與自變量z之間的偏相關系數。

用F檢驗法進行顯著性檢驗,公式為式(8)。

(8)

式中:n為樣本數;k為自變量個數。

2.5 殘差分析法

殘差趨勢法(RESTREND)[15]是一種逐像元建立植被響應氣候的線性回歸模型,分別以預測值和殘差值(實際值與預測值之差)隨年份的變化趨勢來表達自然和人為因素對植被生態質量的獨立作用。

1)利用研究區植被生態質量指數Q和氣象數據建立回歸方程計算模擬Q值。

Q=a+x1T+x2P

(9)

式中:a表示回歸系數;x1、x2為常數;T為溫度;P為降水。

2)求解回歸系數和常數為式(10)～式(12)。

(10)

(11)

(12)

3)將計算出的回歸系數和常數帶入回歸方程得到模擬植被生態質量指數Q值,用實際Q值減去模擬Q值得到Q殘差值。

3 實驗與分析

3.1 成渝經濟區VFC時空變化

利用 Slope 趨勢分析方法對VFC變化的趨勢進行分析計算,對成渝經濟區植被覆蓋度變化趨勢進行分析,結合研究區實際情況對VFC進行分級,如表1所示。

表1 植被覆蓋度(VFC)退化分級表

2005年-2020年成渝經濟區植被覆蓋度整體呈波動式上升(圖2),2005年年均VFC為0.88,2020年年均VFC為0.89,平均增加速率為0. 625%/10a。2005年-2020年成渝經濟區植被覆蓋度達95%以上,植被覆蓋度整體較高。成渝經濟區2005年-2020年植被覆蓋度從西向東呈增加趨勢,其中VFC變化趨勢呈增加的區域占全域的66.51%,VFC呈減少趨勢的區域占全域的33.49%;VFC退化的區域占全域的4.14%,主要集中在成渝經濟區的城鎮集中區;VFC基本不變的區域占全域的5.29%,主要分布在以遂寧市、資陽市為中心的中心圈地區;VFC改善的區域占全域面積的90.57%,主要分布在遂寧市、資陽市以及成渝經濟區邊緣地帶等。整體來看,成渝經濟區植被覆蓋度(VFC)從西向東呈改善-退化-改善趨勢,植被覆蓋整體呈現改善狀態。

圖2 2005年-2020年VFC年均變化曲線及時序變化趨勢圖Fig.2 VFC annual average change curve and chronological change trend from 2005 to 2020

3.2 成渝經濟區NPP時空變化

植被凈初級生產力(NPP) 是指綠色植物在單位時間、單位面積內所積累的有機物數量,是由光合作用所產生的有機質總量(gross primary productivity,GPP)中扣除自養呼吸(autotriphic respiration,RA)消耗量后的剩余部分,用以表征綠色植物的固碳能力[16-18]。利用 Slope 趨勢分析方法對NPP變化的趨勢進行分析計算,結合研究區實際情況對NPP進行分級,如表2所示。

表2 植被凈初級生產力(NPP)退化分級表

從圖3(a)來看,2005年-2020年成渝經濟區NPP總體呈波動式增長,年均NPP值從2005年的617.223 gC·m-2增長到2020年的707.688 gC·m-2,平均增長速率為5.654 gC·m-2·a-1。從圖3(b)看,NPP從西向東呈現退化-改善-基本不變的趨勢,其中6.67%的地區NPP減少,93.33%的地區NPP增加,NPP增加速率介于0 gC·m-2·a-1～5.654 gC·m-2·a-1的區域占研究區面積的22.25%,增加速率大于5.654 gC·m-2·a-1的區域占研究區面積的71.08%。整體來看,成渝經濟區中心區域(如資陽、內江、潼南、大足、銅梁等)NPP數值呈逐年上升趨勢,植被凈初級生產力呈改善狀態;成渝經濟區邊緣地區(如雅安市等)NPP數值呈逐年下降趨勢,植被凈初級生產力呈退化趨勢。表明成渝經濟區在城市化集中地區大力發展的同時,也在增強植被生態保護。

圖3 2005年-2020年NPP年均變化曲線及時序變化趨勢圖Fig.3 NPP annual average change curve and sequential change trend from 2005 to 2020

3.3 植被生態質量指數(Q)時空變化

利用Slope趨勢分析法,對成渝經濟區植被生態質量指數(Q)進行年際趨勢變化分析,結合研究區實際情況對植被生態質量指數(Q)進行分級(表3),摸清了成渝經濟區植被生態質量的退化改善情況。

表3 植被生態質量指數(Q)退化分級表Tab.3 Vegetation ecological quality index (Q) degradation classification table

植被生態質量是衡量一個地區自然生態狀態和環境質量的關鍵指標。從圖4(a)來看,成渝經濟區植被生態質量指數(Q)整體呈明顯的增加趨勢,但存在一定的波動,表明成渝經濟區植被生態質量整體處于變好的趨勢。2005年-2020年成渝經濟區植被生態質量指數(Q)介于0.76～50.43之間,平均值為10.37,平均年際增長速率為0.15/a。2006年植被生態質量指數(Q)最小,與氣候災害和人為因素(城市基礎建設等)有關,2015年植被生態質量指數(Q)最大,與人類活動(退耕還林還草、植樹造林等)有關。從圖4(b)看,成渝經濟區植被生態質量指數(Q)從西向東呈退化-改善-基本不變的空間格局。植被生態質量退化的地區主要分布在成渝經濟區西部(綿陽、成都、雅安、樂山);植被生態質量明顯改善的地區主要分布在成渝經濟區中心地區(眉山市、資陽市、內江市和重慶市以西);植被生態質量基本不變的地區主要分布在成渝經濟區東部地區。整體上,成渝經濟區植被生態質量呈退化狀態的地區占全區的7.33%,呈改善和不變狀態的地區占全區的92.67%。年際變化趨勢表明,成渝經濟區2005年-2020年植被生態質量總體呈變好趨勢。

圖4 2005年-2020年植被生態質量指數(Q)年均變化曲線及時序變化趨勢圖Fig.4 Annual change curve of vegetation ecological quality index (Q) from 2005 to 2020

3.4 植被生態質量與氣候因素的相關性分析

氣候是植被生長的自然條件,植被是氣候變化的反饋者。從圖5可知,成渝經濟區年降水量變化趨勢從北向南呈減少-增加-減少趨勢,年均溫度變化趨勢呈明顯增加-減少趨勢。成渝經濟區內87.01%的地區年降水量呈明顯增長趨勢,尤其是成渝經濟區城鎮集中地區年降水量增加尤為明顯;成渝經濟區內12.99%的地區年降水量呈明顯下降趨勢,雅安市、綿陽市和達州市年降水量下降的最為明顯。成渝經濟區溫度上升地區占44.32%,溫度下降的地區占55.68%,其中成都市及其周邊地區溫度逐年上升,重慶市溫度逐年下降。

2005年-2020年成渝經濟區年降水與植被生態質量指數(Q)的偏相關系數介于-0.89～0.91之間,平均值為0.33(圖6(a)),表明成渝經濟區植被生態質量與降水呈顯著正相關關系。其中呈負相關的地區主要集中在雅安市、綿陽市等,約占全區面積的15.41%。呈正相關的地區主要集中在成都市、資陽市以及重慶市等城鎮集聚地,約占全區面積的84.59%。t雙側檢驗表明,通過0.05顯著性檢驗水平的地區主要分布在成渝經濟區中心地區(如成都市、資陽市及其重慶市城市群等),約占正相關區域面積的29.58%。

圖6 2005年-2020年植被生態質量指數(Q)與降水、溫度的偏相關系數空間分布Fig.6 Spatial distribution of partial correlation coefficient between vegetation ecological quality index (Q) and precipitation and temperature from 2005 to 2020

溫度與植被生態質量指數(Q)的偏相關系數介于-0.86～0.89之間,平均值為-0.07(圖6(b)),表明成渝經濟區植被生態質量與溫度呈不顯著負相關關系。其中呈負相關的區域約占全區面積的37.56%,主要集中在成都市、德陽市、資陽市以及重慶市等城市群;其余地區均呈正相關,約占全區面積的62.44%。t雙側檢驗表明,通過0.05顯著性檢驗水平的地區主要集中在成渝經濟區東北部和西北部地區,約占正相關區域面積的0.03%。綜上可知,成渝經濟區植被生態質量指數(Q)與降水的相關性顯著強于溫度,說明降水對植被生態質量的影響程度大于溫度。

3.5 植被生態質量指數(Q)與氣候因素的驅動分析

植被生態質量指數(Q)與降水、溫度的復相關系數介于0～0.93之間,平均值為0.49,大部分地區的植被生態質量指數(Q)與降水、溫度的復相關性較為明顯(圖7)。資陽市、遂寧市和重慶市西北部等地復相關性較強,綿陽市、瀘州市及雅安市等地復相關性最弱。總體上,成渝經濟區從北向南復相關性呈弱-強-弱的趨勢。F檢驗結果表明,植被生態質量通過0.05顯著性水平檢驗的地區約占全區面積的14.35%。

圖7 2005年-2020年植被生態質量指數(Q)與降水、溫度的復相關Fig.7 Complex correlation between vegetation ecological quality index (Q) and precipitation and temperature from 2005 to 2020

采用驅動分區方法[19-20](表4)對成渝經濟區植被生態質量的變化進行驅動力分析。2005年-2020年成渝經濟區植被生態質量驅動分區(圖8)結果顯示,氣候對成渝經濟區植被生態質量的影響較為明顯。2005年-2020年成渝經濟區植被生態質量變化受降水、溫度共同影響的面積約占全區面積的1.15 %;溫度主驅動區域約占全區面積的0.03%;降水主驅動區域約占全區面積的12.81%;其余非氣候因素(自然災害和人類活動等)影響區域約占全區面積的85.65%。綜上所述,成渝經濟區植被生態質量變化約14.35%的地區受氣候因素驅動,約85.65%的地區受非氣候因素(自然災害和人類活動等)驅動。整體上,2005年-2020年成渝經濟區植被生態質量驅動機制表現為非氣候因素驅動。

表4 植被生態質量變化影響因子分區規則

圖8 2005年-2020年植被生態質量指數(Q)與降水、溫度的驅動分區Fig.8 Driving zones of vegetation ecological quality index (Q) and precipitation and temperature from 2005 to 2020

3.6 人類活動對植被生態質量的影響

殘差分析是分離自然和人類活動對植被覆蓋變化的影響。從圖9成渝經濟區植被生態質量指數Q的殘差值線性變化趨勢可知,在研究時段內,殘差值呈波動上升趨勢,并且殘差值由負逐漸轉為正,說明人類活動對成渝經濟區的植被生態質量影響由負面逐漸轉為正面。2006年殘差值最低,說明這一年人類活動對植被生態質量的負面作用最為明顯;從2013年開始殘差值為正并持續上升,到2015年達到最大,說明在這段時間內人類活動對植被生態質量的正面作用在不斷加強,對成渝經濟區的生態保護有了全新的認識;2016年-2020年殘差值雖有下降,但殘差值仍為正,對植被生態質量仍起正面作用。整體看,人類活動在時間序列上對研究區內植被生態質量的正面作用大于負面作用,植被生態質量呈改善狀態。

圖9 成渝經濟區植被生態質量指數Q的殘差值線性變化趨勢Fig.9 Linear variation trend of residual value of vegetation ecological quality index Q in Chengdu Chongqing economic zone

4 結論

筆者利用2005年-2020年MODIS NDVI數據反演得到的VFC、NPP構建植被生態質量指數(Q),結合成渝經濟區15 個氣象站的氣溫、降水數據,分析了成渝經濟區植被生態質量時空變化特征,探討了植被生態質量與氣溫降水和人類活動等影響因素的制約關系,主要結論如下:

1)成渝經濟區2005年-2020年植被覆蓋度達95%以上,植被覆蓋度較高。VFC增加的區域占全區的66.51%,VFC減少的區域占全區的33.49%。6.67%的地區NPP減少,93.33%的地區NPP增加。植被生態質量呈退化狀態的區域占全區的7.33%,呈改善和不變狀態的區域占全區的92.67%。VFC、NPP和植被生態質量指數(Q)的年度趨勢變化空間分布相對一致。整體來看,成渝經濟區2005年-2020年植被生態質量良好并在逐年改善。

2)趨勢分析顯示,降水和溫度升高的空間分布區域和植被生態質量指數(Q)升高的空間分布區域相對一致。定量分析了植被生態質量指數(Q)與氣溫和降水的相關性,結果表明植被生態質量與降水呈正相關、與溫度呈負相關,說明成渝經濟區植被生態質量受降水和氣溫的共同制約,但降水的相關性強于溫度。

3)驅動分區表明,植被生態質量受氣候因素驅動的區域約占14.35%,其中降水主驅動占比最大,約占12.81%;約85.65%的地區受非氣候因素(自然災害和人類活動等)的驅動,說明2005年-2020年成渝經濟區植被生態質量驅動機制表現為非氣候因素驅動。

4)由于驅動分區的局限性,不能準確地說明人類活動對植被生態質量的正負面影響,所以通過殘差分析,研究發現2005年-2013年,人類活動對成渝經濟區的植被生態質量起負面作用;2014年-2020年,人類活動對研究區植被生態質量起正面作用。整體來看,人類活動對植被生態質量的正面作用強于負面作用,說明在成渝經濟區大力發展、擴張城市的同時,對植被生態的保護意識逐漸加強。成渝經濟區植被生態質量逐年改善,其時空變化是氣候因素和人類活動共同影響的結果。綜上,成渝經濟區的植被生態質量正在逐年改善,人們對植被生態的保護意識在逐漸加強。但成渝經濟區植被生態質量仍然存在空間分布不均的現象,有些地方植被生態質量相對較低,各市縣政府還需有針對性地出臺一些政策加強植被生態質量相對偏差區域的植被生態保護和治理力度。氣候條件是植被生態質量好壞的前置條件,成渝經濟區的氣候條件相對較好,比較有利于植被的生長,但旱災洪災仍有發生,對植被生態質量有著不利的影響,應適時做好防洪防旱工作,保護植被生長環境。