喀斯特石漠化区植被生态质量变化及其驱动因素分析——以贵州为例

张明祥,廖 瑶,于 飞,段 莹,田鹏举

(1.贵州省生态气象和卫星遥感中心,贵州 贵阳 550002;2.贵州省山地环境气候研究所,贵州 贵阳 550002)

0 引言

植被作为陆地生态系统的重要组成部分,对区域的能量循环、气候调节以及水土保持起着枢纽作用,由于对其所处的环境变化十分敏感,因此也被认为是生态环境变化的重要指示器[1]。植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)能直接反映出植物群落在自然环境条件下的生产能力,是衡量植被固碳能力的关键指标[2-3]。植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)量化了植被的茂密程度,反映植被的生长态势,是描述植被生态系统的重要基础数据[4]。目前植被NPP和FVC已广泛应用于区域植被变化监测与研究之中[5],但两者只能反映陆地生态系统功能或植被生态质量的一个方面,即生产能力或覆盖能力,而基于植被NPP和FVC构建的植被综合生态质量指数(下文称植被综合指数),则可较好地反映区域的植被生产能力和覆盖能力[6]。

国内外学者从不同时空尺度上对植被变化及其影响因素进行探讨,气候变化和人类活动被认为是主要影响因素。曲学斌等[7]研究表明呼伦贝尔地区生长季植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)与降水普遍呈正相关。是导致1981—1999年北半球中高纬度地区植被活动增强的主要原因。金凯等[8]认为气候变化和人类活动的共同影响造成了中国植被指数(NDVI)的快速增加和空间差异。刘海等[9]分析表明气候因素是黄河流域植被变化的主导因素,而人类活动的影响程度在逐渐加深。我国西南地区是世界三大喀斯特地貌连片发育带,地形复杂多变,喀斯特地区的植被变化向来是众多学者关注的热点。徐勇等[10]研究显示气候变化和人类活动对我国西南地区NDVI上升均以促进作用为主,且对于广西丘陵植被生长的促进作用强于其他地貌单元。马炳鑫等[11]研究指出气候变化对滇黔桂岩溶地区植被NPP的影响有明显的空间异质性,不同地带植被NPP对气候变化的响应程度相差较大;马士彬等[12]分析表明在人类活动强度较高区域(如城镇周边),植被变化受人为作用更加明显,但当人类活动或干扰较少时,气候变化限制植被的变化趋势。盛叶子等[13]研究认为贵州省农业活动在人类活动的负面影响中有重要作用,城镇化与经济发展对生态环境具有双面影响。肖建勇等[14]研究发现我国南方喀斯特地区NDVI的空间分布受海拔的影响最大,其次是温度、降雨等。

贵州省是我国石漠化土地面积最大、类型最多、程度最深、危害最严重的省份[15],石漠化一度成为全省最为紧迫的生态环境问题。关于石漠化区植被变化的研究虽然取得一些成果[16-18],但定量分析植被变化驱动因子的研究还较少。本文采用现有的植被综合指数[6]来表征植被生态质量,通过对喀斯特石漠化区植被生态质量变化及其驱动因素的定量研究,加强对植被变化与气候变化和人类活动之间相互关系的理解,为石漠化区的综合治理及生态建设提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

贵州地处云贵高原,境内地势西高东低,平均海拔在1100 m左右。属亚热带高原季风气候,受大气环流及地形影响,天气气候在垂直方向差异较大,立体气候明显。省内的岩溶地貌发育非常典型,分布范围广泛,形态类型齐全,是我国西南喀斯特地貌集中成片的中心片区[18]。

1.2 研究数据

植被生态参数(FVC、NPP)来源于国家气象中心,分别由混合像元分解法[6]和光能利用率[19-20]计算模型得到,空间分辨率为1 km×1 km,时间段为2000—2021年。气象数据来自贵州省84个气象台站,包括同时段的平均气温和降水量等。基于GIS技术将气象资料插值成与生态参数相同空间分辨率的栅格数据集。

1.3 研究方法

1.3.1 植被综合生态质量指数估算 在不考虑植被多样性的情况下,利用植被NPP和FVC,采用权重加权的方法构建植被综合指数[6],计算公式如下:

(1)

式中,Q为年植被综合指数;FVC、NPP分别为年植被覆盖度、植被净初级生产力,f1、f2为两者相应的权重系数(由植被类型和区域来确定,取0.5);NPPm为2000—2021年喀斯特石漠化区植被NPP中的最大值。f1和f2之和为1。

1.3.2 趋势分析 利用线性回归来分析植生态质量变化趋势[8],计算公式如下:

(2)

式中,Slope为植被生态质量变化趋势,Slope>0表示植被生态质量呈增加趋势,反之为减少;n为总年数;ti为第i年的年份,Qi为第i年的植被综合指数。计算逐个像元的Slope,并进行F检验。

1.3.3 相关分析 偏相关分析在控制其他变量的线性影响下,分析两变量之间的相关性,该方法已被广泛使用[21],计算公式如下:

(3)

式中,Rx1,x2,x3为控制变量x3,变量x1和x2的偏相关系数;Rx1,x2、Rx1,x3、Rx2,x3分别为变量x1与x2、x1与x3、x2与x3的相关系数。

(4)

1.3.4 残差分析 为定量分析气候变化和人类活动对植被生态质量变化的影响,基于气候因子(降水量和气温),建立植被综合指数(预报量)残差模型;根据历年气候资料,计算预测值(Qpre);最后计算植被综合指数原值与预测值之差(Qres),其中Qpre、Qres分别代表气候变化、人类活动对植被生态质量变化的影响,依次对逐个像元进行计算[9,18]。公式为:

Qres=Q-Qpre

(5)

Qpre=α×t+β×P+γ

(6)

式中,Q为植被综合指数原值;P、t分别为插值后的年降水量和平均气温;α、β、γ为模型参数。

1.3.5 影响划分 根据计算得到的Qpre和Qres趋势率(Slopepre和Sloperes),表示气候变化和人类活动对石漠化区植被生态质量变化的影响,当Slope>0,表示促进作用;反之为抑制作用。石漠化区植被生态质量变化的驱动因素影响按照表1进行区分,同时计算气候变化和人类活动的相对贡献率[8-9,23]。

表1 气候变化和人类活动对植被生态质量变化的影响作用划分Tab.1 Influence division of climate change and human activities vegetation ecological quality change

2 结果与分析

2.1 植被生态质量时空变化

根据植被综合指数的年际变化(图1),2000—2021年石漠化区植被生态质量整体呈上升趋势,增速为0.7a-1。最高值出现在2021年,为70.9;最低值出现在2000年,为54.6。从空间分布来看(图2a),石漠化区内植被综合指数的平均值可达62.3(表2),并且南部区域相对高。从各市州来看,黔南州植被综合指数最高,达到65.6;黔西南州次之,为62.8;毕节市最低,为59.4。

图1 2000—2021年贵州喀斯特石漠化区域植被综合指数的年际变化Fig.1 Interannual changes of vegetation comprehensive index in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

图2 2000—2021年贵州喀斯特石漠化区植被综合指数平均值(a)、变化趋势(b)的空间分布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 贵州喀斯特石漠化区植被综合指数平均值和变化趋势Tab.2 Average value of vegetation comprehensive index in karst rocky desertification area of Guizhou from 2000 to 2021

图2b为2000—2021年喀斯特石漠化区植被综合指数变化趋势的空间分布。由图可见,98.46%的地区均呈上升趋势,其中显著上升的区域占94.59%(显著水平α=0.05)。而石漠化区内植被综合指数呈下降趋势的地区占比很小(1.54%),其中显著下降的区域仅占0.56%,主要出现在省的西南部、中部和北部。具体而言,石漠化区以毕节地区上升最为显著,达到0.78 a-1;其次是安顺市,为0.76 a-1;黔东南州最小,为0.52 a-1(表2)。后文中植被综合指数变化趋势的显著上升、下降区也称为植被改善、退化区。

整体来看,2000—2021年石漠化区内植被生态质量总体呈明显提升趋势,近5 a的植被生态质量有所起伏,但仍然处于历史较高水平。可见,近年来贵州省石漠化区植被生态质量提升明显,生态建设工程如 “恢复林草植被”等举措取得显著成效。

2.2 驱动因素分析

2.2.1 偏相关分析 从植被综合指数与降水量偏相关系数的空间分布可以看出(图3a),石漠化区内主要以正相关性为主,相关系数分布在-0.61～0.87之间,其中17.48%的区域为显著正相关,16.09%为极显著正相关,主要出现在省的西北部、东部、南部和北部;对比而言,出现显著负相关的地区则占很小比例(0.06%),主要集中在省的西部、中北部局地。在植被综合指数与气温的偏相关系数分布中(图3b),石漠化区内以正相关系数分布为主,相关系数在-0.67～0.92之间,68.79%的地区具有显著正相关性(其中24.27%区域为显著相关;44.52%区域为极显著相关),主要分布在省的西北部、西部、南部以及中东部。负相关区域占比则相对很小(其中显著负相关区占比为0.05%),主要出现在省的西部、中部和东北部局地。

图3 2000—2021年贵州喀斯特石漠化区植被综合指数与降水量(a)、气温(b)的偏相关系数分布(显著水平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 复相关分析 为分析气候变化对植被生态质量变化的综合作用,对植被综合指数与气候因子进行复相关分析。图4为2000—2021年喀斯特石漠化区植被综合指数与同期降水量、气温的复相关系数分布。由图可见,复相关系数在-0.56～0.90之间,以正相关性分布为主,表明气候变化的综合作用有利于植被生态质量的提高。81.79%的地区均表现为显著正相关(其中显著正相关区占21.98%,极显著正相关区占59.81%),覆盖全省大部分石漠化区。对比而言,显著负相关系数的范围则很小,零散分布在省的西南部、中部地区。

图4 2000—2021年贵州喀斯特石漠化区植被综合指数与气候因子的复相关系数分布(显著水平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 植被生态质量变化驱动因素分析 由气候变化和人类活动影响下植被综合指数变化趋势的空间分布来看(图5),97.19%的地区为上升趋势,其中显著上升区占52.78%(显著水平α=0.05),主要集中在省的南部、东部、西北部和北部边缘,气候变化表现促进作用(图5a);气候变化影响下植被综合指数呈下降趋势的区域则相对较小(其中显著下降区仅占0.02%),零星出现在省的西南部和南部,气候变化表现抑制作用。从人类活动影响下植被综合指数变化趋势的分布来看(图5b),97.72%的地区呈上升趋势,其中显著上升区占95.61%,基本覆盖全省石漠化区,人类活动表现促进作用;而人类活动表现抑制作用(植被综合指数呈下降趋势)的地区相对很小(2.28%),其中显著下降的地区占1.36%,零散分布在省的中东部、西部和北部。具体而言(表3),气候变化影响下植被综合指数的变化趋势以黔东南州最高(0.21 a-1);其次为毕节市(0.20 a-1);最低为六盘水市(0.07 a-1)。而人类活动影响下植被综合指数的变化趋势以六盘水市最高(0.66 a-1);其次为安顺市(0.65 a-1);最低为黔东南州(0.31 a-1)。整体上,气候变化和人类活动对植被综合指数变化的贡献比例分别为18.84%、81.16%。可见气候变化和人类活动的共同作用,促进或抑制了喀斯特石漠化区植被生态质量的变化。

图5 气候变化(a)和人类活动(b)影响下贵州喀斯特石漠化区植被综合指数变化趋势的空间分布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 气候变化和人类活动影响下贵州喀斯特石漠化区植被综合指数变化趋势统计情况Tab.3 Statistics of vegetation comprehensive index variation trend affected by climate change and human activities in karst rocky desertification areas of Guizhou

由前面的结果,石漠化区内植被改善的地区可达94.59%,植被退化的区域则相对很小,下面主要对植被改善区进行分析。从贵州喀斯特石漠化区植被改善贡献比例的空间分布来看(图6),97.56%的地区气候变化对植被改善表现为促进作用,几乎覆盖石漠化区内的整个植被改善区域(图6a);而2.44%的区域气候变化表现为抑制作用,主要出现在省的西南部、南部和东北部局地。从人类活动对石漠化区植被改善的贡献比例来看(图6b),人类活动均体现为促进作用。整体来说,对于石漠化区内的植被改善,气候变化、人类活动平均贡献比例分别为21.24%、78.76%。可见,2000年以来人类活动为石漠化区植被改善的主导因素。

图6 气候变化(a)和人类活动(b)对贵州喀斯特石漠化区植被改善贡献比例的空间分布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 结论与讨论

2000年以来贵州喀斯特石漠化区植被综合指数呈上升趋势,增速为0.7 a-1。植被综合指数的平均值空间分布具有异质性,其中南部地区相对较高,而北部、西北部相对较低,从市州来看,以黔南州最高,为65.6;最低为毕节市(59.4)。植被综合指数与降水量、气温的偏相关系数均以正相关分布为主,与降水量的偏相关中,17.5%的区域为显著正相关。与气温的显著正相关区占68.8%。与气候因子的复相关以正相关性为主,81.8%的区域为显著正相关,气候变化的综合作用有利于植被生态质量的提高。石漠化区的植被综合指数受气候变化和人类活动共同影响,两者的贡献比例分别为18.84%、81.16%。对于石漠化区内的植被改善,人类活动平均贡献比例可达78.76%,明显高于气候变化(21.24%),可见人类活动是促进植被改善的主导因素。

贵州喀斯特石漠化区内的植被综合指数在2010—2012年处于明显低谷,这与2009—2010年秋、冬、春季持续干旱以及2011年特大夏秋连旱有关[24-25]。由于土壤水分失衡,植物的光合作用受到影响,加之植被生长对气候变化的响应存在滞后效应[26],导致植被综合指数下降。本文的研究结果显示人类活动对于石漠化区植被生态质量的提高主要表现为正贡献,这与张继等[17]指出贵州高原生态建设工程区植被改善最为明显的结论一致。值得注意的是,人类活动也会对植被变化造成负面影响,如城市化进程过快、不合理建设使自然保护地遭到破坏等[27]。贵州喀斯特地区的自然因素和人地矛盾依然存在,因此坚持长期的“绿色发展”举措尤为关键[16]。

本文利用的植被综合指数存在一定局限,除了生产和覆盖能力,区域的植被生态质量还涵盖物质和能量的生物化学、水热循环等方面[28]。卫星遥感数据容易受到云量的影响对结果带来一定的误差,对分析结果开展地面验证有待于进一步的探索。此外,气候因子对植被生态质量变化的影响机制机理仍需更加深入地研究。