喀斯特石漠化區植被生態質量變化及其驅動因素分析
——以貴州為例

張明祥,廖 瑤,于 飛,段 瑩,田鵬舉

(1.貴州省生態氣象和衛星遙感中心,貴州 貴陽 550002;2.貴州省山地環境氣候研究所,貴州 貴陽 550002)

0 引言

植被作為陸地生態系統的重要組成部分,對區域的能量循環、氣候調節以及水土保持起著樞紐作用,由于對其所處的環境變化十分敏感,因此也被認為是生態環境變化的重要指示器[1]。植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)能直接反映出植物群落在自然環境條件下的生產能力,是衡量植被固碳能力的關鍵指標[2-3]。植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)量化了植被的茂密程度,反映植被的生長態勢,是描述植被生態系統的重要基礎數據[4]。目前植被NPP和FVC已廣泛應用于區域植被變化監測與研究之中[5],但兩者只能反映陸地生態系統功能或植被生態質量的一個方面,即生產能力或覆蓋能力,而基于植被NPP和FVC構建的植被綜合生態質量指數(下文稱植被綜合指數),則可較好地反映區域的植被生產能力和覆蓋能力[6]。

國內外學者從不同時空尺度上對植被變化及其影響因素進行探討,氣候變化和人類活動被認為是主要影響因素。曲學斌等[7]研究表明呼倫貝爾地區生長季植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)與降水普遍呈正相關。是導致1981—1999年北半球中高緯度地區植被活動增強的主要原因。金凱等[8]認為氣候變化和人類活動的共同影響造成了中國植被指數(NDVI)的快速增加和空間差異。劉海等[9]分析表明氣候因素是黃河流域植被變化的主導因素,而人類活動的影響程度在逐漸加深。我國西南地區是世界三大喀斯特地貌連片發育帶,地形復雜多變,喀斯特地區的植被變化向來是眾多學者關注的熱點。徐勇等[10]研究顯示氣候變化和人類活動對我國西南地區NDVI上升均以促進作用為主,且對于廣西丘陵植被生長的促進作用強于其他地貌單元。馬炳鑫等[11]研究指出氣候變化對滇黔桂巖溶地區植被NPP的影響有明顯的空間異質性,不同地帶植被NPP對氣候變化的響應程度相差較大;馬士彬等[12]分析表明在人類活動強度較高區域(如城鎮周邊),植被變化受人為作用更加明顯,但當人類活動或干擾較少時,氣候變化限制植被的變化趨勢。盛葉子等[13]研究認為貴州省農業活動在人類活動的負面影響中有重要作用,城鎮化與經濟發展對生態環境具有雙面影響。肖建勇等[14]研究發現我國南方喀斯特地區NDVI的空間分布受海拔的影響最大,其次是溫度、降雨等。

貴州省是我國石漠化土地面積最大、類型最多、程度最深、危害最嚴重的省份[15],石漠化一度成為全省最為緊迫的生態環境問題。關于石漠化區植被變化的研究雖然取得一些成果[16-18],但定量分析植被變化驅動因子的研究還較少。本文采用現有的植被綜合指數[6]來表征植被生態質量,通過對喀斯特石漠化區植被生態質量變化及其驅動因素的定量研究,加強對植被變化與氣候變化和人類活動之間相互關系的理解,為石漠化區的綜合治理及生態建設提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

貴州地處云貴高原,境內地勢西高東低,平均海拔在1100 m左右。屬亞熱帶高原季風氣候,受大氣環流及地形影響,天氣氣候在垂直方向差異較大,立體氣候明顯。省內的巖溶地貌發育非常典型,分布范圍廣泛,形態類型齊全,是我國西南喀斯特地貌集中成片的中心片區[18]。

1.2 研究數據

植被生態參數(FVC、NPP)來源于國家氣象中心,分別由混合像元分解法[6]和光能利用率[19-20]計算模型得到,空間分辨率為1 km×1 km,時間段為2000—2021年。氣象數據來自貴州省84個氣象臺站,包括同時段的平均氣溫和降水量等?；贕IS技術將氣象資料插值成與生態參數相同空間分辨率的柵格數據集。

1.3 研究方法

1.3.1 植被綜合生態質量指數估算 在不考慮植被多樣性的情況下,利用植被NPP和FVC,采用權重加權的方法構建植被綜合指數[6],計算公式如下:

(1)

式中,Q為年植被綜合指數;FVC、NPP分別為年植被覆蓋度、植被凈初級生產力,f1、f2為兩者相應的權重系數(由植被類型和區域來確定,取0.5);NPPm為2000—2021年喀斯特石漠化區植被NPP中的最大值。f1和f2之和為1。

1.3.2 趨勢分析 利用線性回歸來分析植生態質量變化趨勢[8],計算公式如下:

(2)

式中,Slope為植被生態質量變化趨勢,Slope>0表示植被生態質量呈增加趨勢,反之為減少;n為總年數;ti為第i年的年份,Qi為第i年的植被綜合指數。計算逐個像元的Slope,并進行F檢驗。

1.3.3 相關分析 偏相關分析在控制其他變量的線性影響下,分析兩變量之間的相關性,該方法已被廣泛使用[21],計算公式如下:

(3)

式中,Rx1,x2,x3為控制變量x3,變量x1和x2的偏相關系數;Rx1,x2、Rx1,x3、Rx2,x3分別為變量x1與x2、x1與x3、x2與x3的相關系數。

(4)

1.3.4 殘差分析 為定量分析氣候變化和人類活動對植被生態質量變化的影響,基于氣候因子(降水量和氣溫),建立植被綜合指數(預報量)殘差模型;根據歷年氣候資料,計算預測值(Qpre);最后計算植被綜合指數原值與預測值之差(Qres),其中Qpre、Qres分別代表氣候變化、人類活動對植被生態質量變化的影響,依次對逐個像元進行計算[9,18]。公式為:

Qres=Q-Qpre

(5)

Qpre=α×t+β×P+γ

(6)

式中,Q為植被綜合指數原值;P、t分別為插值后的年降水量和平均氣溫;α、β、γ為模型參數。

1.3.5 影響劃分 根據計算得到的Qpre和Qres趨勢率(Slopepre和Sloperes),表示氣候變化和人類活動對石漠化區植被生態質量變化的影響,當Slope>0,表示促進作用;反之為抑制作用。石漠化區植被生態質量變化的驅動因素影響按照表1進行區分,同時計算氣候變化和人類活動的相對貢獻率[8-9,23]。

表1 氣候變化和人類活動對植被生態質量變化的影響作用劃分Tab.1 Influence division of climate change and human activities vegetation ecological quality change

2 結果與分析

2.1 植被生態質量時空變化

根據植被綜合指數的年際變化(圖1),2000—2021年石漠化區植被生態質量整體呈上升趨勢,增速為0.7a-1。最高值出現在2021年,為70.9;最低值出現在2000年,為54.6。從空間分布來看(圖2a),石漠化區內植被綜合指數的平均值可達62.3(表2),并且南部區域相對高。從各市州來看,黔南州植被綜合指數最高,達到65.6;黔西南州次之,為62.8;畢節市最低,為59.4。

圖1 2000—2021年貴州喀斯特石漠化區域植被綜合指數的年際變化Fig.1 Interannual changes of vegetation comprehensive index in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

圖2 2000—2021年貴州喀斯特石漠化區植被綜合指數平均值(a)、變化趨勢(b)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of mean vegetation comprehensive index(a) and variation trend (b) in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

表2 貴州喀斯特石漠化區植被綜合指數平均值和變化趨勢Tab.2 Average value of vegetation comprehensive index in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

圖2b為2000—2021年喀斯特石漠化區植被綜合指數變化趨勢的空間分布。由圖可見,98.46%的地區均呈上升趨勢,其中顯著上升的區域占94.59%(顯著水平α=0.05)。而石漠化區內植被綜合指數呈下降趨勢的地區占比很小(1.54%),其中顯著下降的區域僅占0.56%,主要出現在省的西南部、中部和北部。具體而言,石漠化區以畢節地區上升最為顯著,達到0.78 a-1;其次是安順市,為0.76 a-1;黔東南州最小,為0.52 a-1(表2)。后文中植被綜合指數變化趨勢的顯著上升、下降區也稱為植被改善、退化區。

整體來看,2000—2021年石漠化區內植被生態質量總體呈明顯提升趨勢,近5 a的植被生態質量有所起伏,但仍然處于歷史較高水平?？梢?近年來貴州省石漠化區植被生態質量提升明顯,生態建設工程如 “恢復林草植被”等舉措取得顯著成效。

2.2 驅動因素分析

2.2.1 偏相關分析 從植被綜合指數與降水量偏相關系數的空間分布可以看出(圖3a),石漠化區內主要以正相關性為主,相關系數分布在-0.61～0.87之間,其中17.48%的區域為顯著正相關,16.09%為極顯著正相關,主要出現在省的西北部、東部、南部和北部;對比而言,出現顯著負相關的地區則占很小比例(0.06%),主要集中在省的西部、中北部局地。在植被綜合指數與氣溫的偏相關系數分布中(圖3b),石漠化區內以正相關系數分布為主,相關系數在-0.67～0.92之間,68.79%的地區具有顯著正相關性(其中24.27%區域為顯著相關;44.52%區域為極顯著相關),主要分布在省的西北部、西部、南部以及中東部。負相關區域占比則相對很小(其中顯著負相關區占比為0.05%),主要出現在省的西部、中部和東北部局地。

圖3 2000—2021年貴州喀斯特石漠化區植被綜合指數與降水量(a)、氣溫(b)的偏相關系數分布(顯著水平α=0.05、0.01)Fig.3 Distribution of partial correlation coefficients between vegetation comprehensive index and precipitation (a) and air temperature (b) in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

2.2.2 復相關分析 為分析氣候變化對植被生態質量變化的綜合作用,對植被綜合指數與氣候因子進行復相關分析。圖4為2000—2021年喀斯特石漠化區植被綜合指數與同期降水量、氣溫的復相關系數分布。由圖可見,復相關系數在-0.56～0.90之間,以正相關性分布為主,表明氣候變化的綜合作用有利于植被生態質量的提高。81.79%的地區均表現為顯著正相關(其中顯著正相關區占21.98%,極顯著正相關區占59.81%),覆蓋全省大部分石漠化區。對比而言,顯著負相關系數的范圍則很小,零散分布在省的西南部、中部地區。

圖4 2000—2021年貴州喀斯特石漠化區植被綜合指數與氣候因子的復相關系數分布(顯著水平α=0.05、0.01)Fig.4 Distribution of complex correlation coefficients between vegetation comprehensive index and climatic factors in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

2.2.3 植被生態質量變化驅動因素分析 由氣候變化和人類活動影響下植被綜合指數變化趨勢的空間分布來看(圖5),97.19%的地區為上升趨勢,其中顯著上升區占52.78%(顯著水平α=0.05),主要集中在省的南部、東部、西北部和北部邊緣,氣候變化表現促進作用(圖5a);氣候變化影響下植被綜合指數呈下降趨勢的區域則相對較小(其中顯著下降區僅占0.02%),零星出現在省的西南部和南部,氣候變化表現抑制作用。從人類活動影響下植被綜合指數變化趨勢的分布來看(圖5b),97.72%的地區呈上升趨勢,其中顯著上升區占95.61%,基本覆蓋全省石漠化區,人類活動表現促進作用;而人類活動表現抑制作用(植被綜合指數呈下降趨勢)的地區相對很小(2.28%),其中顯著下降的地區占1.36%,零散分布在省的中東部、西部和北部。具體而言(表3),氣候變化影響下植被綜合指數的變化趨勢以黔東南州最高(0.21 a-1);其次為畢節市(0.20 a-1);最低為六盤水市(0.07 a-1)。而人類活動影響下植被綜合指數的變化趨勢以六盤水市最高(0.66 a-1);其次為安順市(0.65 a-1);最低為黔東南州(0.31 a-1)。整體上,氣候變化和人類活動對植被綜合指數變化的貢獻比例分別為18.84%、81.16%?？梢姎夂蜃兓腿祟惢顒拥墓餐饔?促進或抑制了喀斯特石漠化區植被生態質量的變化。

圖5 氣候變化(a)和人類活動(b)影響下貴州喀斯特石漠化區植被綜合指數變化趨勢的空間分布Fig.5 Spatial distribution of vegetation comprehensive index variation trend affected by climate change (a) and human activities (b) in karst rocky desertification area of Guizhou

表3 氣候變化和人類活動影響下貴州喀斯特石漠化區植被綜合指數變化趨勢統計情況Tab.3 Statistics of vegetation comprehensive index variation trend affected by climate change and human activities in karst rocky desertification areas of Guizhou

由前面的結果,石漠化區內植被改善的地區可達94.59%,植被退化的區域則相對很小,下面主要對植被改善區進行分析。從貴州喀斯特石漠化區植被改善貢獻比例的空間分布來看(圖6),97.56%的地區氣候變化對植被改善表現為促進作用,幾乎覆蓋石漠化區內的整個植被改善區域(圖6a);而2.44%的區域氣候變化表現為抑制作用,主要出現在省的西南部、南部和東北部局地。從人類活動對石漠化區植被改善的貢獻比例來看(圖6b),人類活動均體現為促進作用。整體來說,對于石漠化區內的植被改善,氣候變化、人類活動平均貢獻比例分別為21.24%、78.76%?？梢?2000年以來人類活動為石漠化區植被改善的主導因素。

圖6 氣候變化(a)和人類活動(b)對貴州喀斯特石漠化區植被改善貢獻比例的空間分布Fig.6 Spatial distribution of contribution of climate change (a) and human activities (b) to vegetation improvement in karst rocky desertification area of Guizhou

3 結論與討論

2000年以來貴州喀斯特石漠化區植被綜合指數呈上升趨勢,增速為0.7 a-1。植被綜合指數的平均值空間分布具有異質性,其中南部地區相對較高,而北部、西北部相對較低,從市州來看,以黔南州最高,為65.6;最低為畢節市(59.4)。植被綜合指數與降水量、氣溫的偏相關系數均以正相關分布為主,與降水量的偏相關中,17.5%的區域為顯著正相關。與氣溫的顯著正相關區占68.8%。與氣候因子的復相關以正相關性為主,81.8%的區域為顯著正相關,氣候變化的綜合作用有利于植被生態質量的提高。石漠化區的植被綜合指數受氣候變化和人類活動共同影響,兩者的貢獻比例分別為18.84%、81.16%。對于石漠化區內的植被改善,人類活動平均貢獻比例可達78.76%,明顯高于氣候變化(21.24%),可見人類活動是促進植被改善的主導因素。

貴州喀斯特石漠化區內的植被綜合指數在2010—2012年處于明顯低谷,這與2009—2010年秋、冬、春季持續干旱以及2011年特大夏秋連旱有關[24-25]。由于土壤水分失衡,植物的光合作用受到影響,加之植被生長對氣候變化的響應存在滯后效應[26],導致植被綜合指數下降。本文的研究結果顯示人類活動對于石漠化區植被生態質量的提高主要表現為正貢獻,這與張繼等[17]指出貴州高原生態建設工程區植被改善最為明顯的結論一致。值得注意的是,人類活動也會對植被變化造成負面影響,如城市化進程過快、不合理建設使自然保護地遭到破壞等[27]。貴州喀斯特地區的自然因素和人地矛盾依然存在,因此堅持長期的“綠色發展”舉措尤為關鍵[16]。

本文利用的植被綜合指數存在一定局限,除了生產和覆蓋能力,區域的植被生態質量還涵蓋物質和能量的生物化學、水熱循環等方面[28]。衛星遙感數據容易受到云量的影響對結果帶來一定的誤差,對分析結果開展地面驗證有待于進一步的探索。此外,氣候因子對植被生態質量變化的影響機制機理仍需更加深入地研究。