2000—2016年赤水河流域植被生態質量變化分析

黃林峰,田鵬舉,帥士章,廖 瑤,劉 蕓

(1.貴州省生態氣象與衛星遙感中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

植被是地球上物質循環和能量流動的樞紐，在生態系統中具有非常重要的作用。植被不僅是重要的環境要素,也是陸地生態系統敏感的狀態指示因子[1]。植被作為生態系統中的重要組成部分，其具有豐富的生物多樣性、復雜的結構和生態過程，植被的變化影響到許多重要的生態系統服務功能，在固碳釋氧、調節氣候、涵養水源、防風固沙、維護生物多樣性和保持生態平衡等方面具有不可替代的作用[2]。生物生產力是生物及其群體甚至更大尺度(包括生態系統)上生命有機體的物質生產能力，隨環境不同而發生變化，因此其又成為生態環境變化和生態系統健康與否的指示物。植被凈初級生產力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(克碳/平方米，gC/m2)來表示，簡稱植被NPP。NPP既是判定生態系統碳匯和調節生態過程的主要因子，更是直接反映了植被群落在自然環境條件下的生產能力，表征陸地生態系統的質量狀況[3]。

赤水河是長江干流上游右岸的一級支流，是我國長江上游的重要生態屏障[4]。流經云南、貴州和四川三省，于四川省合江縣匯入長江，干流全長436.5 km，流域面積20 440 km2。赤水河流域屬中亞熱帶—南亞熱帶濕潤氣候區，具有溫暖濕潤、無霜期長、降水量大的特點。其特殊的地理環境，形成了獨特的氣候生態特點。該區域立體氣候特點顯著，造就了這里奇特的地貌植被景觀，山峰挺秀、森林蔥郁。近年來，全面貫徹“五大發展理念”，在赤水河流域開展生態文明制度改革試點和生態治理、保護取得明顯成效。

蔡宏等[5]基于RS和GIS技術對赤水河流域植被覆蓋度與各地形因子的相關強度進行了研究分析。Yang等[6]以貴州赤水流域為研究對象，選取水土流失敏感性，并以喀斯特石漠化敏感性評價為背景進行生態環境評價。高一[7]基于貴州省各縣(市)生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數、污染負荷指數及生態環境質量指數等一系列評價指標，對貴州省的生態環境質量進行了初步的評價。牛魯燕等[8]應用全球植被指數變化研究數據(GIMMS)，分析了貴州省1982—2003年的地表植被覆蓋。王之明等[9]簡述了遙感技術在貴州省生態環境質量評價體系中的應用。許幼霞等[10]通過長時間序列較空間高分辨率植被生態環境質量變化分析，分析了貴州省1990—2015年植被生態環境質量宏觀動態變化特征。田鵬舉[11-12]利用貴州省長時間序列的MODIS-NDVI數據研究分析了貴州省與喀斯特石漠化區植被的時空變化特征。

2 遙感模型與數據

植被覆蓋度表示植被地上部分垂直投影面積占地面面積的百分比，其為衡量生態綠化程度的數量指標。目前已經發展了很多利用遙感測量植被覆蓋度的方法，較為實用的方法是利用植被指數近似估算植被覆蓋度，常用的植被指數為NDVI。植被覆蓋度模型：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

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

基于植被光能利用率模型，利用NDVI和地面氣象監測等資料，估算植被凈初級生產力NPP。光能利用率(LUE)是單位面積上生產的干物質所包含的化學潛能與同一時間投射到該面積上的光合有效輻射能的比值。隨著遙感技術的發展，植物吸收的光合有效輻射已經可以利用遙感信息進行估算。光能利用模型可以用Monteith方程來表示：

NPP=APAR×ε

(2)

式中，APAR為植物吸收的光合有效輻射，由植被光合有效輻射(PAR)和植被對光合有效輻射的吸收比例(FPAR)求取；ε為植被的光能利用率，它受溫度、降水和植被類型等的影像。1993年Potter等[13]建立的CASA模型中，APAR分別有太陽總輻射和植被NDVI計算得出，ε有氣象數據和最大光能利用率估算。由于這3個值雖時間變化較大，通常以月為時間段進行計算：

APAR(x,t)=PAR(x,t)·FPAR(x,t)

(3)

其中PAR(x,t)為像元x在t月接收的光合有效輻射[MJ/(m2·月)]；FPAR(x,t)為像元x在t月對光合有效輻射的吸收比例：

PAR(x,t)=0.5SQL(x,t)

(4)

FPAR=1.67NDVI-0.07

(5)

ε(x,t)=Tε1(x,t)Tε2(x,t)Wε1(x,t)ε*

(6)

式中，SQL(x,t)為像元x在t月接收的太陽總輻射量[MJ/(m2·月)]；常數0.5為植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例，為經驗取值；ε(x,t)為像元x在t月實際光能利用率(gC/MJ)；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)分別為低溫和高溫條件對光能利用率的脅迫作用；Wε(x,t)為水分脅迫；ε*為理想條件下的光能利用率，其值受植被類型等因數影響。

利用植被凈初級生產力NPP[14]和植被覆蓋度構成植被生態質量指數[15]，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。植被生態質量指數模型：

(7)

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

本文根據國家氣象中心基于8 km MODIS遙感和地面氣象等監測資料估算的貴州區域2000—2016年植被覆蓋度、NPP、植被覆蓋度變化趨勢、NPP變化趨勢資料，并利用赤水河流域各縣氣象站監測的年平均溫度和年降水量的均值代表赤水河流域的整體氣候條件水平，研究分析赤水河流域植被生態質量變化情況以及氣候條件最植被生態的影響。

3 植被生態質量變化分析

3.1 植被覆蓋度變化

基于MODIS衛星遙感監測，年植被覆蓋度由各月植被覆蓋度平均求算得到，其反映植被全年平均覆蓋程度。圖1給出了赤水河流域逐年植被覆蓋度變化，可見2000年以來流域植被覆蓋度呈顯著上升趨勢(平均每10 a增加6.8%)。流域植被覆蓋度從2000年的55.4%增加到2016年的67.4%，2016年植被覆蓋度為17 a來最高，2010年和2011年植被覆蓋度值與變化趨勢偏低相對明顯。

圖1 2000—2016年赤水河流域植被覆蓋度年際變化圖Fig.1 Interannual variation of vegetation coverage in the Chishui River Basin during 2000—2016

圖2給出了2016年赤水河流域植被覆蓋度的空間分布。由圖可知：2016年赤水河流域植被覆蓋度整體相對較高，大部分區域都在60%～70%之間；流域中部偏北地區植被覆蓋度超過70%，在古藺縣北部與習水縣交界區域、習水縣北部等區域內植被覆蓋度最高；僅合江縣部分區域覆蓋度相對較低(低于60%)。

圖2 2016年赤水河流域植被覆蓋度空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of vegetation coverage in the Chishui River Basin in 2016

圖3給出了2000—2016年赤水河流域植被覆蓋度變化趨勢的空間分布。2000—2016年整個赤水河流域植被覆蓋度變化趨勢均大于零。赤水市、敘永縣、畢節市、大方縣、金沙縣等區域植被覆蓋增加速率較明顯，峰值區位于大方縣北部區域，平均年增長率超過1.0%。古藺縣與習水縣交界區域、習水縣北部、桐梓縣西南部、仁懷市中南部和北部等區域增長速率相對緩慢。

圖3 2000—2016年赤水河流域植被覆蓋度變化趨勢空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of the change trend of vegetation coverage in the Chishui River Basin during 2000—2016

3.2 植被凈初級生產力變化

2000年以來赤水河流域植被凈初級生產力總體呈增長趨勢， 2016年達到近17 a最大值(圖4)。特別是大方縣北部、金沙縣北部等區域植被凈初級生產力增加明顯，平均年增長超過10 gC/m2，而古藺縣北部與習水縣交界區域、習水縣北部、仁懷市中南部等區域增加速率相對緩慢(圖6)。

圖4 赤水河流域植被凈初生產力年際變化圖Fig.4 Interannual variation of vegetation NPP in the Chishui River Basin during 2000—2016

2016年赤水河流域植被凈初級生產力的分布情況(圖4)與植被覆蓋度較為相似，流域植被凈初級生產力在792～1 229 gC/m2，古藺縣北部區域、赤水市東部、習水縣北部等區域植被凈初級生產力較高，超過1 100 gC/m2，仁懷市、合江縣則相對較低。

圖5 2016年赤水河流域植被凈初級生產力空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of vegetation NPP in the Chishui River Basin in 2016

圖6 2000—2016年赤水河流域植被凈初級生產力變化趨勢空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of the change trend of vegetation NPP in the Chishui River Basin during 2000—2016

3.3 植被生態質量與氣象條件分析

植被生態質量是衡量自然生態狀況的關鍵指標。基于2000—2016年赤水河流域植被生態質量指數變化，可以對流域植被變化情況進行一個綜合性的定量分析。2000年以來，赤水河流域植被生態質量趨于改善(圖7)，表明植被生態質量整體向好發展。流域植被生態質量指數變化存在一定的波動，在2003年、2010—2012年出現明顯低值年份，2013—2016年期間增長明顯，2016年達到近17 a最高值，植被生態質量指數高達83.7。

圖7 赤水河流域植被生態質量指數年際變化圖Fig.7 Interannual variation of vegetation ecological quality index in the Chishui River Basin during 2000—2016

根據2000年以來赤水河流域年降水量變化趨勢(圖8)分析，赤水河流域年降水量呈增加趨勢，平均值為1 036.9 mm。降水增多有利于提高土壤墑情、促進植被生長、改善陸地植被生態質量；降水增加也利于庫塘江河蓄水，提升水資源儲備，增強抗旱能力。2000年以來赤水河流域平均氣溫總體呈升高態勢(圖9)，年平均氣溫為16.8 ℃，充足的水熱條件有利于植被生長。

圖8 2000—2016年赤水河流域年降水量變化圖Fig.8 The variation of annual rainfall in the Chishui River Basin during 2000—2016

圖9 2000—2016赤水河流域平均溫度變化圖Fig.9 The variation of annual mean temperature in the Chishui River Basin during 2000—2016

在植被覆蓋度、植被凈初級生產力及植被生態質量整體增長的趨勢下，2003年、2011年各項指標異常偏低(圖7)，這與2003年降水偏少，2009—2011年連續遭受的特大干旱過程有密切關系。特別是2009年秋冬連旱疊加2010年春旱，2011年春季降水明顯偏少、氣溫顯著偏低，連續干旱過程導致地下水位降低，土壤水分不足，對植被生長造成嚴重影響。在干旱過程結束后的降水增多年份各指數均快速回升。

4 總結與討論

赤水河流域是長江上游重要的一級支流，保護赤水河關系著保護長江的生態環境。2000—2016年赤水河流域植被生態質量監測分析結果表明赤水河流域植被生態質量改善顯著，近17 a期間赤水河流域植被覆蓋度、凈初級生產力以及植被生態質量都呈現總體上升趨勢：赤水河流域覆蓋度平均每10 a增加6.8%，2016年平均植被覆蓋度達到67.4%；流域植被NPP平均每10 a增加63 gC/m2，2016年平均植被NPP達到1 024 gC/m2；近17 a植被生態質量提高，特別是2013年以流域植被生態質量改善效果明顯，2016年植被生態質量為2000年以來最好，植被生態質量指數高達83.7。

赤水河流域植被生態質量的不斷改善與近年來赤水河流域緊密圍繞加快建設生態文明戰略，構建優美生態環境有著密切的聯系。但赤水河流域生態質量空間仍存在分布不均，部分區域植被覆蓋相對偏低，各市縣還需有針對性地加強生態質量相對偏差和生態脆弱區的生態綜合保護和治理力度，整體提高全流域植被生態質量水平。氣候條件是地區生態質量好壞的前置條件，赤水河流域總體水熱氣候條件較好，有利于植被生長，但干旱、凝凍等氣象災害仍是影響區域植被生態質量的主要自然因素，需要注意防災抗旱，適時開展人工增雨，增加生態用水。