基于植被指數(shù)開展?jié)h江流域生態(tài)恢復(fù)力評(píng)估研究

張志苗，劉孝富，邱文婷，羅鐳，劉柏音，王瑩

中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境信息研究所

生態(tài)恢復(fù)力是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，客觀反映了生態(tài)系統(tǒng)各要素的健康程度。恢復(fù)力最初是一個(gè)物理學(xué)的概念，表示物體在壓力釋放后的回彈，也稱之為彈性力，20世紀(jì)70年代開始，被應(yīng)用于自然[1-3]、社會(huì)[4-6]、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[7-9]以及復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[10-11]。1973年，Holling[1]在其著作Resilience and Stability of Ecological Systems中首次將恢復(fù)力的概念引進(jìn)到生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，指出生態(tài)恢復(fù)力是系統(tǒng)吸收狀態(tài)變量、驅(qū)動(dòng)變量和參數(shù)變化并持續(xù)存在的能力，這種“持續(xù)存在”表現(xiàn)為不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移和質(zhì)的變化。我國關(guān)于恢復(fù)力的研究始于2005年，如王瑩等[12]采用模糊綜合評(píng)價(jià)-灰色關(guān)聯(lián)優(yōu)勢(shì)分析的方法，建立了煤礦廢棄地植被恢復(fù)潛力評(píng)價(jià)模型。2007年以后對(duì)于恢復(fù)力的研究呈上升趨勢(shì)，主要聚焦于梳理和總結(jié)自然災(zāi)害[13-14]、生態(tài)系統(tǒng)[15-16]等恢復(fù)力的研究進(jìn)展，以及開展生態(tài)植被恢復(fù)力[17-18]、水資源恢復(fù)力[19-20]和災(zāi)害影響恢復(fù)力[21-22]研究。目前不少學(xué)者從社會(huì)、工程、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等維度開展了系統(tǒng)承載力、敏感性和脆弱性等評(píng)價(jià)研究，經(jīng)歷了從一般定性描述到定量評(píng)價(jià)探討、從單要素到綜合多要素的發(fā)展過程[23]；且基于植被覆蓋開展時(shí)空變化及影響因素分析，以及植被覆蓋與地表徑流、生物多樣性、氣候等響應(yīng)關(guān)系研究較多[24]，但基于小尺度柵格植被覆蓋評(píng)估流域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的定量研究較少。工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展導(dǎo)致自然生態(tài)環(huán)境空間差異性日益明顯，因此基于生態(tài)環(huán)境狀況變化探究生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可持續(xù)發(fā)展程度具有重要意義[25]。

隨著國家對(duì)大江大河的生態(tài)環(huán)境治理工作越來越重視，開展南水北調(diào)中線工程的源頭——漢江的生態(tài)環(huán)境狀況以及抗干擾能力研究的重要性日益凸顯。筆者以漢江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，以長(zhǎng)時(shí)間序列的增強(qiáng)型植被指數(shù)（enhanced vegetation index, EVI）為數(shù)據(jù)源，采用概率衰減法評(píng)估漢江流域及其子流域的生態(tài)恢復(fù)力，以期為漢江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

漢江全長(zhǎng)1 532 km，就長(zhǎng)度而言為長(zhǎng)江第一大支流，其發(fā)源地在陜西省西南部秦嶺與米倉山之間的寧強(qiáng)縣（隸屬陜西省漢中市）冢山，向東流經(jīng)漢中、安康、十堰、丹江口、襄陽、荊門等市后在武漢市匯入長(zhǎng)江。漢江流域面積約為15萬km2，是我國大型調(diào)水工程——南水北調(diào)中線工程的水源地，也是國家重要生態(tài)功能區(qū)，流域涉及鄂、陜、川、渝、甘5省市的20個(gè)地（市）區(qū)、78個(gè)縣（市）。流域地勢(shì)西北高，東南低，分別以干流丹江口和鐘祥為分割點(diǎn)區(qū)分上、中、下游，上游高山聳立，植被豐富，中、下游的漢江平原是我國重要的農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)[26]?；诤恿魉怠⒌匦?、行政區(qū)劃等要素，將漢江流域劃分為564個(gè)子流域單元開展生態(tài)恢復(fù)力研究（圖1）。

圖1 漢江子流域劃分Fig.1 Sub-watershed map of the Hanjiang River

1.1 數(shù)據(jù)源

采用MOD13Q1-EVI數(shù)據(jù)，其投影方式為Sinusoidal，空間分辨率為250 m，時(shí)間維度為2001—2020年，每年數(shù)據(jù)有23期，總計(jì)460期數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）。

1.2 技術(shù)方法

生態(tài)恢復(fù)力是系統(tǒng)的表現(xiàn)特征，系統(tǒng)面臨持續(xù)性的干擾具有本能的反應(yīng)，因此系統(tǒng)植被覆蓋存在變好和變差的可能性，當(dāng)變好趨勢(shì)的可能性高于變差趨勢(shì)的可能性時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)力較好，反之系統(tǒng)恢復(fù)力較差。開展生態(tài)恢復(fù)力評(píng)估包括EVI數(shù)據(jù)合成、斜率計(jì)算、維持柵格表面統(tǒng)計(jì)等，具體步驟如下。

1.2.1 EVI數(shù)據(jù)合成

漢江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，水量較豐沛，但年內(nèi)分配不均，是長(zhǎng)江各大支流中變化最大的河流，山地地區(qū)常年云霧較多，單期Modis-EVI數(shù)據(jù)可能因云量大導(dǎo)致較大誤差。本研究采用最大值合成法計(jì)算得到年度EVI，計(jì)算公式如下：

1.2.2 斜率計(jì)算

根據(jù)數(shù)據(jù)精度及分析需要，將漢江流域劃分為若干個(gè)1 km×1 km的柵格作為基本分析單元，采用ArcGIS空間分析工具獲取每個(gè)柵格2001—2020年的EVI數(shù)據(jù)。以2001年為初始時(shí)間，2010年為參考時(shí)刻，利用斜率函數(shù)Slope計(jì)算得到2001—2010 年、2001—2011年、2001—2012年、……、2001—2020年每個(gè)柵格的EVI變化斜率，用于表征區(qū)域植被覆蓋變化情況。計(jì)算公式見式（2），其中ti為時(shí)間。

1.2.3 維持性柵格數(shù)量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)柵格斜率計(jì)算柵格斜率表面，即當(dāng)柵格斜率為正時(shí)，柵格斜率表面賦值為1；當(dāng)柵格斜率為負(fù)時(shí)，柵格斜率表面賦值為-1?；跂鸥裥甭时砻嬗?jì)算維持柵格表面，即將參考時(shí)刻2010年的維持柵格表面與柵格斜率表面取相同值，2011年的柵格斜率表面若與2010年的維持柵格表面相等，則2011年維持柵格表面賦值與2010年相同；若2011年柵格斜率表面與2010年維持柵格表面不相等，則2011年維持柵格表面賦值為0，依次類推至2020年。

統(tǒng)計(jì)2010—2020年各年度維持柵格表面為正、負(fù)的柵格數(shù)量，即維持正、負(fù)趨勢(shì)的柵格數(shù)量，并計(jì)算各年度占2010年度同一趨勢(shì)柵格數(shù)量的比例。采用指數(shù)衰減公式擬合維持正、負(fù)趨勢(shì)的柵格比例隨時(shí)間下降的趨勢(shì)，計(jì)算得到從1衰減到1/e的時(shí)間，衰減時(shí)間越長(zhǎng)，表示維持該趨勢(shì)的概率越高。當(dāng)正趨勢(shì)的衰減時(shí)間大于負(fù)趨勢(shì)，表明該系統(tǒng)恢復(fù)力越好；反之，恢復(fù)力越差。正負(fù)趨勢(shì)衰減時(shí)間的差值則為區(qū)域恢復(fù)力。指數(shù)衰減擬合公式如下：

式中：y為維持正、負(fù)趨勢(shì)柵格比例；x為評(píng)估時(shí)間；x0為參考時(shí)間；τ為衰減時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 漢江流域生態(tài)恢復(fù)力

2.1.1 漢江流域EVI年際變化

漢江流域2001—2020年平均EVI變化曲線（圖2）表明，2001—2020年EVI呈上升趨勢(shì)，總計(jì)增長(zhǎng)了12.3%，增幅為0.07，說明漢江流域整體植被覆蓋在逐年變好。2002年的EVI最小，僅為0.563，2014—2017年EVI增長(zhǎng)速率較快，2017年達(dá)到峰值(0.647)，之后稍有降低。隨著時(shí)間變化，EVI標(biāo)準(zhǔn)差總體呈增加趨勢(shì)，說明漢江流域植被覆蓋空間分布差異在逐漸增大。

圖2 2001—2020年漢江流域平均EVI變化Fig.2 Mean EVI change of Hanjiang River Basin from 2001 to 2020

由2001—2020年漢江流域EVI空間分布（圖3）可見，EVI呈西北高，中部和東南部低的空間分布特點(diǎn)，即植被覆蓋上游高，中下游低。植被覆蓋較好的地區(qū)主要為陜西的安康市、漢中市，湖北的神農(nóng)架林區(qū)等。

圖3 2001—2020年漢江流域EVI空間分布Fig.3 Spatial distribution of EVI in Hanjiang River Basin from 2001 to 2020

2.1.2 維持性柵格數(shù)量變化

統(tǒng)計(jì)2010—2020年維持正、負(fù)趨勢(shì)的柵格數(shù)量，計(jì)算各年度維持正、負(fù)趨勢(shì)的柵格數(shù)量占2010年維持相同趨勢(shì)柵格數(shù)量的比例，結(jié)果如表1所示。由表1可見，2010—2020年維持負(fù)趨勢(shì)柵格數(shù)量降幅較大，下降速率快，2020年維持負(fù)趨勢(shì)柵格數(shù)量?jī)H為2010年的34.66%；2020年維持正趨勢(shì)柵格數(shù)量占2010年的86.66%，說明漢江流域植被覆蓋情況逐漸變好。

表1 漢江流域EVI維持性柵格數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 1 Quantity statistics of EVI maintained grid in Hanjiang River Basin

由各年度維持正、負(fù)趨勢(shì)的柵格空間分布（圖4）可見，隨著時(shí)間的推移，綠色和紅色柵格越來越少，即維持正、負(fù)趨勢(shì)的柵格數(shù)量逐漸減少；黃色柵格越來越多，即恢復(fù)到統(tǒng)計(jì)平均的柵格數(shù)量逐漸增加。2001—2020年的20年間EVI一直維持負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)的柵格主要分布在漢江下游入長(zhǎng)江段，湖北武漢、仙桃、天門等市。

圖4 各年度EVI維持正、負(fù)趨勢(shì)的柵格空間分布Fig.4 Spatial distribution of EVI maintained grid with positive and negative trends in each year

將2010—2020年維持性柵格進(jìn)行空間疊加，計(jì)算出每個(gè)柵格在11個(gè)年度中維持同一趨勢(shì)的年度次數(shù)以及維持時(shí)間比（圖5）。顏色越綠表明維持正趨勢(shì)的時(shí)間越長(zhǎng)，維持正趨勢(shì)時(shí)間長(zhǎng)的柵格主要分布在漢中市的佛坪縣，商洛市的鎮(zhèn)安縣、商南縣、柞水縣、丹鳳縣，安康市的白河縣、嵐皋縣、平利縣，十堰市的竹山縣等區(qū)域。顏色越紅表明維持負(fù)趨勢(shì)的時(shí)間越長(zhǎng)，維持負(fù)趨勢(shì)時(shí)間長(zhǎng)的柵格主要分布在南陽市的臥龍區(qū)、宛城區(qū)、鎮(zhèn)平縣、新野縣，襄陽市的樊城區(qū)、襄州區(qū)、襄城區(qū)、宜城市等區(qū)域。

圖5 柵格維持趨勢(shì)的時(shí)間比Fig.5 Ratio of time for grid to maintain trend

2.1.3 生態(tài)恢復(fù)力

以2010—2020年維持正、負(fù)趨勢(shì)柵格數(shù)量擬合正負(fù)趨勢(shì)的衰減曲線，結(jié)果見圖6。擬合得出正趨勢(shì)的衰減時(shí)間(τ)為73.6年，負(fù)趨勢(shì)的τ為8.3年，正趨勢(shì)的τ與負(fù)趨勢(shì)的τ差值為65.3年，表明漢江流域生態(tài)環(huán)境整體呈正向演替。

圖6 漢江流域正負(fù)趨勢(shì)衰減擬合圖Fig.6 Fitting diagram of positive and negative trend attenuation in Hanjiang River basin

2.2 漢江分流域生態(tài)恢復(fù)力

2.2.1 子流域生態(tài)恢復(fù)力

統(tǒng)計(jì)漢江流域564個(gè)子流域各年度維持不同趨勢(shì)的柵格數(shù)量，計(jì)算各年度每個(gè)子流域維持正、負(fù)趨勢(shì)柵格數(shù)量占2010年維持相同趨勢(shì)柵格數(shù)量的比例，擬合正負(fù)趨勢(shì)衰減曲線，得到各子流域生態(tài)恢復(fù)力。由于子流域面積小，所包含的柵格數(shù)量少，在擬合時(shí)對(duì)可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行如下處理：1）某些流域2010—2020年正負(fù)趨勢(shì)柵格所占的比例保持不變時(shí)，衰減時(shí)間將呈現(xiàn)無限大，擬合時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，對(duì)該子流域衰減時(shí)間做出標(biāo)記；2）某些子流域僅存在維持正或維持負(fù)的柵格，即以該柵格數(shù)量衰減時(shí)間為生態(tài)恢復(fù)力；3）對(duì)于無值的子流域或正負(fù)衰減時(shí)間均為無窮大的子流域做出標(biāo)記。

按照生態(tài)恢復(fù)力從高到低對(duì)漢江564個(gè)子流域生態(tài)恢復(fù)力進(jìn)行排序。其中生態(tài)恢復(fù)力大于0的，共467個(gè)；小于0的，共97個(gè)。根據(jù)漢江子流域生態(tài)恢復(fù)力取值范圍以及排序情況，參考面積、數(shù)量占比對(duì)子流域生態(tài)恢復(fù)力進(jìn)行等級(jí)劃分：排名1～150，表示生態(tài)恢復(fù)力極好；排名151～300，表示生態(tài)恢復(fù)力較好；排名301～467，表示生態(tài)恢復(fù)力一般；排名468～510，表示生態(tài)恢復(fù)力較差；排名大于511，表示生態(tài)恢復(fù)力極差。經(jīng)統(tǒng)計(jì)（表2），生態(tài)恢復(fù)力大于0的流域面積占研究區(qū)域總面積的87.47%。其中生態(tài)恢復(fù)力極好的流域面積占研究區(qū)總面積的24.09%；生態(tài)恢復(fù)力較好的流域面積占32.73%；生態(tài)恢復(fù)力一般的流域面積占30.65%；生態(tài)恢復(fù)力較差的流域面積占6.2%；生態(tài)恢復(fù)力極差的流域面積占6.33%。

表2 漢江子流域生態(tài)恢復(fù)力等級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 2 Grade statistics of ecological resilience of sub-watershed of the Hanjiang River

2.2.2 空間分布特征

將漢江各子流域生態(tài)恢復(fù)力以及等級(jí)進(jìn)行空間賦值，得到漢江子流域生態(tài)恢復(fù)力空間分布（圖7）和生態(tài)恢復(fù)力分級(jí)（圖8）。由圖8可見，生態(tài)恢復(fù)力等級(jí)在較好及以上的子流域都分布在漢江上游，主要是褒河、蜀河、旬河、夾河、恒河、武關(guān)河等子流域，生態(tài)恢復(fù)力好的子流域正負(fù)趨勢(shì)的衰減時(shí)間差最高可以達(dá)到13 627年。生態(tài)恢復(fù)力等級(jí)在較差及以下的子流域大都處于漢江中下游，集中在漢江入長(zhǎng)江口段、唐白河中下游、潦河、湍河、沙河等子流域，以及一些城市駐地如漢中市、安康市、十堰市、南陽市、襄陽市、武漢市等中心城區(qū)，生態(tài)恢復(fù)力差的子流域正負(fù)趨勢(shì)衰減時(shí)間差最低為-193年。漢江流域生態(tài)恢復(fù)力總體上呈現(xiàn)上游高、中下游低的特點(diǎn)，漢江中下游總體生態(tài)恢復(fù)力等級(jí)為一般。

圖7 漢江子流域生態(tài)恢復(fù)力空間分布Fig.7 Spatial distribution of ecological resilience of sub-watershed in the Hanjiang River

圖8 漢江子流域生態(tài)恢復(fù)力分級(jí)Fig.8 Hierarchical map of ecological resilience in sub-watershed of the Hanjiang River

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）2001—2020年漢江流域植被覆蓋整體逐漸變好，EVI增長(zhǎng)了12.3%，但各地區(qū)植被覆蓋變化差異明顯，空間差異性愈發(fā)顯著。

（2）經(jīng)評(píng)估，漢江流域總體上生態(tài)恢復(fù)力較好，維持正、負(fù)趨勢(shì)衰減時(shí)間差為65.3年，生態(tài)環(huán)境整體是正向演替。生態(tài)恢復(fù)力為正的子流域面積占研究區(qū)總面積的87.47%，說明漢江流域大部分區(qū)域均為正向演替趨勢(shì)。

（3）空間上，漢江流域生態(tài)恢復(fù)力表現(xiàn)為上游高、中下游低。生態(tài)恢復(fù)力差的區(qū)域主要是漢江入長(zhǎng)江口段、唐白河中下游等子流域以及一些城市駐地如漢中市、武漢市等中心城區(qū)，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、人類開發(fā)建設(shè)活動(dòng)密集，從而反映出生態(tài)恢復(fù)力會(huì)受人類活動(dòng)的影響。

3.2 建議

漢江流域的丹江口水庫作為南水北調(diào)中線工程的水源地，具有重要的戰(zhàn)略意義，因此必須保證漢江流域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。南水北調(diào)中線工程建設(shè)導(dǎo)致部分地區(qū)EVI稍有下降，但未對(duì)漢江流域整體植被覆蓋以及生態(tài)恢復(fù)力造成較大影響。目前漢江上游較好的生態(tài)恢復(fù)力為南水北調(diào)中線工程輸水安全提供了保障，后期需要重點(diǎn)關(guān)注漢江中下游生態(tài)恢復(fù)力較差區(qū)域的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作，在協(xié)調(diào)區(qū)域城鎮(zhèn)化與生態(tài)保護(hù)關(guān)系過程中充分考慮空間效應(yīng)，加強(qiáng)與長(zhǎng)江大保護(hù)戰(zhàn)略以及長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶開放開發(fā)戰(zhàn)略銜接，維護(hù)丹江口庫區(qū)和漢江中下游生態(tài)安全，為推動(dòng)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境改善以及長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。