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基于植被指数开展汉江流域生态恢复力评估研究

2022-04-06张志苗刘孝富邱文婷罗镭刘柏音王莹

环境工程技术学报 2022年2期
关键词:恢复力汉江栅格

张志苗,刘孝富,邱文婷,罗镭,刘柏音,王莹

中国环境科学研究院环境信息研究所

生态恢复力是区域可持续发展的基础,客观反映了生态系统各要素的健康程度。恢复力最初是一个物理学的概念,表示物体在压力释放后的回弹,也称之为弹性力,20世纪70年代开始,被应用于自然[1-3]、社会[4-6]、经济系统[7-9]以及复合生态系统[10-11]。1973年,Holling[1]在其著作Resilience and Stability of Ecological Systems中首次将恢复力的概念引进到生态学领域,指出生态恢复力是系统吸收状态变量、驱动变量和参数变化并持续存在的能力,这种“持续存在”表现为不发生状态转移和质的变化。我国关于恢复力的研究始于2005年,如王莹等[12]采用模糊综合评价-灰色关联优势分析的方法,建立了煤矿废弃地植被恢复潜力评价模型。2007年以后对于恢复力的研究呈上升趋势,主要聚焦于梳理和总结自然灾害[13-14]、生态系统[15-16]等恢复力的研究进展,以及开展生态植被恢复力[17-18]、水资源恢复力[19-20]和灾害影响恢复力[21-22]研究。目前不少学者从社会、工程、经济、生态等维度开展了系统承载力、敏感性和脆弱性等评价研究,经历了从一般定性描述到定量评价探讨、从单要素到综合多要素的发展过程[23];且基于植被覆盖开展时空变化及影响因素分析,以及植被覆盖与地表径流、生物多样性、气候等响应关系研究较多[24],但基于小尺度栅格植被覆盖评估流域生态系统恢复力的定量研究较少。工业化和城镇化的快速发展导致自然生态环境空间差异性日益明显,因此基于生态环境状况变化探究生态系统的稳定性以及可持续发展程度具有重要意义[25]。

随着国家对大江大河的生态环境治理工作越来越重视,开展南水北调中线工程的源头——汉江的生态环境状况以及抗干扰能力研究的重要性日益凸显。笔者以汉江流域为研究对象,以长时间序列的增强型植被指数(enhanced vegetation index, EVI)为数据源,采用概率衰减法评估汉江流域及其子流域的生态恢复力,以期为汉江流域生态环境保护提供决策依据。

1 研究区概况与研究方法

汉江全长1 532 km,就长度而言为长江第一大支流,其发源地在陕西省西南部秦岭与米仓山之间的宁强县(隶属陕西省汉中市)冢山,向东流经汉中、安康、十堰、丹江口、襄阳、荆门等市后在武汉市汇入长江。汉江流域面积约为15万km2,是我国大型调水工程——南水北调中线工程的水源地,也是国家重要生态功能区,流域涉及鄂、陕、川、渝、甘5省市的20个地(市)区、78个县(市)。流域地势西北高,东南低,分别以干流丹江口和钟祥为分割点区分上、中、下游,上游高山耸立,植被丰富,中、下游的汉江平原是我国重要的农作物产区[26]。基于河流水系、地形、行政区划等要素,将汉江流域划分为564个子流域单元开展生态恢复力研究(图1)。

图1 汉江子流域划分Fig.1 Sub-watershed map of the Hanjiang River

1.1 数据源

采用MOD13Q1-EVI数据,其投影方式为Sinusoidal,空间分辨率为250 m,时间维度为2001—2020年,每年数据有23期,总计460期数据,数据来源于美国地质调查局网站(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)。

1.2 技术方法

生态恢复力是系统的表现特征,系统面临持续性的干扰具有本能的反应,因此系统植被覆盖存在变好和变差的可能性,当变好趋势的可能性高于变差趋势的可能性时,系统恢复力较好,反之系统恢复力较差。开展生态恢复力评估包括EVI数据合成、斜率计算、维持栅格表面统计等,具体步骤如下。

1.2.1 EVI数据合成

汉江流域属亚热带季风区,气候温和湿润,水量较丰沛,但年内分配不均,是长江各大支流中变化最大的河流,山地地区常年云雾较多,单期Modis-EVI数据可能因云量大导致较大误差。本研究采用最大值合成法计算得到年度EVI,计算公式如下:

1.2.2 斜率计算

根据数据精度及分析需要,将汉江流域划分为若干个1 km×1 km的栅格作为基本分析单元,采用ArcGIS空间分析工具获取每个栅格2001—2020年的EVI数据。以2001年为初始时间,2010年为参考时刻,利用斜率函数Slope计算得到2001—2010 年、2001—2011年、2001—2012年、……、2001—2020年每个栅格的EVI变化斜率,用于表征区域植被覆盖变化情况。计算公式见式(2),其中ti为时间。

1.2.3 维持性栅格数量统计

根据栅格斜率计算栅格斜率表面,即当栅格斜率为正时,栅格斜率表面赋值为1;当栅格斜率为负时,栅格斜率表面赋值为-1。基于栅格斜率表面计算维持栅格表面,即将参考时刻2010年的维持栅格表面与栅格斜率表面取相同值,2011年的栅格斜率表面若与2010年的维持栅格表面相等,则2011年维持栅格表面赋值与2010年相同;若2011年栅格斜率表面与2010年维持栅格表面不相等,则2011年维持栅格表面赋值为0,依次类推至2020年。

统计2010—2020年各年度维持栅格表面为正、负的栅格数量,即维持正、负趋势的栅格数量,并计算各年度占2010年度同一趋势栅格数量的比例。采用指数衰减公式拟合维持正、负趋势的栅格比例随时间下降的趋势,计算得到从1衰减到1/e的时间,衰减时间越长,表示维持该趋势的概率越高。当正趋势的衰减时间大于负趋势,表明该系统恢复力越好;反之,恢复力越差。正负趋势衰减时间的差值则为区域恢复力。指数衰减拟合公式如下:

式中:y为维持正、负趋势栅格比例;x为评估时间;x0为参考时间;τ为衰减时间。

2 结果与讨论

2.1 汉江流域生态恢复力

2.1.1 汉江流域EVI年际变化

汉江流域2001—2020年平均EVI变化曲线(图2)表明,2001—2020年EVI呈上升趋势,总计增长了12.3%,增幅为0.07,说明汉江流域整体植被覆盖在逐年变好。2002年的EVI最小,仅为0.563,2014—2017年EVI增长速率较快,2017年达到峰值(0.647),之后稍有降低。随着时间变化,EVI标准差总体呈增加趋势,说明汉江流域植被覆盖空间分布差异在逐渐增大。

图2 2001—2020年汉江流域平均EVI变化Fig.2 Mean EVI change of Hanjiang River Basin from 2001 to 2020

由2001—2020年汉江流域EVI空间分布(图3)可见,EVI呈西北高,中部和东南部低的空间分布特点,即植被覆盖上游高,中下游低。植被覆盖较好的地区主要为陕西的安康市、汉中市,湖北的神农架林区等。

图3 2001—2020年汉江流域EVI空间分布Fig.3 Spatial distribution of EVI in Hanjiang River Basin from 2001 to 2020

2.1.2 维持性栅格数量变化

统计2010—2020年维持正、负趋势的栅格数量,计算各年度维持正、负趋势的栅格数量占2010年维持相同趋势栅格数量的比例,结果如表1所示。由表1可见,2010—2020年维持负趋势栅格数量降幅较大,下降速率快,2020年维持负趋势栅格数量仅为2010年的34.66%;2020年维持正趋势栅格数量占2010年的86.66%,说明汉江流域植被覆盖情况逐渐变好。

表1 汉江流域EVI维持性栅格数量统计Table 1 Quantity statistics of EVI maintained grid in Hanjiang River Basin

由各年度维持正、负趋势的栅格空间分布(图4)可见,随着时间的推移,绿色和红色栅格越来越少,即维持正、负趋势的栅格数量逐渐减少;黄色栅格越来越多,即恢复到统计平均的栅格数量逐渐增加。2001—2020年的20年间EVI一直维持负增长趋势的栅格主要分布在汉江下游入长江段,湖北武汉、仙桃、天门等市。

图4 各年度EVI维持正、负趋势的栅格空间分布Fig.4 Spatial distribution of EVI maintained grid with positive and negative trends in each year

将2010—2020年维持性栅格进行空间叠加,计算出每个栅格在11个年度中维持同一趋势的年度次数以及维持时间比(图5)。颜色越绿表明维持正趋势的时间越长,维持正趋势时间长的栅格主要分布在汉中市的佛坪县,商洛市的镇安县、商南县、柞水县、丹凤县,安康市的白河县、岚皋县、平利县,十堰市的竹山县等区域。颜色越红表明维持负趋势的时间越长,维持负趋势时间长的栅格主要分布在南阳市的卧龙区、宛城区、镇平县、新野县,襄阳市的樊城区、襄州区、襄城区、宜城市等区域。

图5 栅格维持趋势的时间比Fig.5 Ratio of time for grid to maintain trend

2.1.3 生态恢复力

以2010—2020年维持正、负趋势栅格数量拟合正负趋势的衰减曲线,结果见图6。拟合得出正趋势的衰减时间(τ)为73.6年,负趋势的τ为8.3年,正趋势的τ与负趋势的τ差值为65.3年,表明汉江流域生态环境整体呈正向演替。

图6 汉江流域正负趋势衰减拟合图Fig.6 Fitting diagram of positive and negative trend attenuation in Hanjiang River basin

2.2 汉江分流域生态恢复力

2.2.1 子流域生态恢复力

统计汉江流域564个子流域各年度维持不同趋势的栅格数量,计算各年度每个子流域维持正、负趋势栅格数量占2010年维持相同趋势栅格数量的比例,拟合正负趋势衰减曲线,得到各子流域生态恢复力。由于子流域面积小,所包含的栅格数量少,在拟合时对可能出现的情况进行如下处理:1)某些流域2010—2020年正负趋势栅格所占的比例保持不变时,衰减时间将呈现无限大,拟合时会出现错误,对该子流域衰减时间做出标记;2)某些子流域仅存在维持正或维持负的栅格,即以该栅格数量衰减时间为生态恢复力;3)对于无值的子流域或正负衰减时间均为无穷大的子流域做出标记。

按照生态恢复力从高到低对汉江564个子流域生态恢复力进行排序。其中生态恢复力大于0的,共467个;小于0的,共97个。根据汉江子流域生态恢复力取值范围以及排序情况,参考面积、数量占比对子流域生态恢复力进行等级划分:排名1~150,表示生态恢复力极好;排名151~300,表示生态恢复力较好;排名301~467,表示生态恢复力一般;排名468~510,表示生态恢复力较差;排名大于511,表示生态恢复力极差。经统计(表2),生态恢复力大于0的流域面积占研究区域总面积的87.47%。其中生态恢复力极好的流域面积占研究区总面积的24.09%;生态恢复力较好的流域面积占32.73%;生态恢复力一般的流域面积占30.65%;生态恢复力较差的流域面积占6.2%;生态恢复力极差的流域面积占6.33%。

表2 汉江子流域生态恢复力等级统计Table 2 Grade statistics of ecological resilience of sub-watershed of the Hanjiang River

2.2.2 空间分布特征

将汉江各子流域生态恢复力以及等级进行空间赋值,得到汉江子流域生态恢复力空间分布(图7)和生态恢复力分级(图8)。由图8可见,生态恢复力等级在较好及以上的子流域都分布在汉江上游,主要是褒河、蜀河、旬河、夹河、恒河、武关河等子流域,生态恢复力好的子流域正负趋势的衰减时间差最高可以达到13 627年。生态恢复力等级在较差及以下的子流域大都处于汉江中下游,集中在汉江入长江口段、唐白河中下游、潦河、湍河、沙河等子流域,以及一些城市驻地如汉中市、安康市、十堰市、南阳市、襄阳市、武汉市等中心城区,生态恢复力差的子流域正负趋势衰减时间差最低为-193年。汉江流域生态恢复力总体上呈现上游高、中下游低的特点,汉江中下游总体生态恢复力等级为一般。

图7 汉江子流域生态恢复力空间分布Fig.7 Spatial distribution of ecological resilience of sub-watershed in the Hanjiang River

图8 汉江子流域生态恢复力分级Fig.8 Hierarchical map of ecological resilience in sub-watershed of the Hanjiang River

3 结论与建议

3.1 结论

(1)2001—2020年汉江流域植被覆盖整体逐渐变好,EVI增长了12.3%,但各地区植被覆盖变化差异明显,空间差异性愈发显著。

(2)经评估,汉江流域总体上生态恢复力较好,维持正、负趋势衰减时间差为65.3年,生态环境整体是正向演替。生态恢复力为正的子流域面积占研究区总面积的87.47%,说明汉江流域大部分区域均为正向演替趋势。

(3)空间上,汉江流域生态恢复力表现为上游高、中下游低。生态恢复力差的区域主要是汉江入长江口段、唐白河中下游等子流域以及一些城市驻地如汉中市、武汉市等中心城区,这些地区经济发展快、人类开发建设活动密集,从而反映出生态恢复力会受人类活动的影响。

3.2 建议

汉江流域的丹江口水库作为南水北调中线工程的水源地,具有重要的战略意义,因此必须保证汉江流域生态系统可持续发展。南水北调中线工程建设导致部分地区EVI稍有下降,但未对汉江流域整体植被覆盖以及生态恢复力造成较大影响。目前汉江上游较好的生态恢复力为南水北调中线工程输水安全提供了保障,后期需要重点关注汉江中下游生态恢复力较差区域的生态保护与修复工作,在协调区域城镇化与生态保护关系过程中充分考虑空间效应,加强与长江大保护战略以及长江经济带开放开发战略衔接,维护丹江口库区和汉江中下游生态安全,为推动长江流域生态环境改善以及长江经济带高质量发展提供支撑。

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