吳路華*,陳 丹,楊東妮
(1.銅仁學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,貴州 銅仁;2.銅仁學(xué)院 鄉(xiāng)村振興研究中心,貴州 銅仁)
定期開展生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評估是國家做好生態(tài)保護(hù)工作的一項(xiàng)重要舉措。2000 年以來,生態(tài)環(huán)境部(原環(huán)境保護(hù)部、環(huán)境保護(hù)總局)聯(lián)合中國科學(xué)院等相關(guān)部門完成了三次全國生態(tài)狀況調(diào)查評估,分別是2000 年全國生態(tài)環(huán)境調(diào)查、全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000-2010 年) 調(diào)查與評估和全國生態(tài)狀況變化(2010-2015 年)調(diào)查評估,為我國新時期生態(tài)保護(hù)紅線劃定、中央環(huán)境保護(hù)督察等生態(tài)保護(hù)管理工作提供了重要支撐。
為落實(shí)《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》有關(guān)要求,按照部門職責(zé),生態(tài)環(huán)境部和中國科學(xué)院決定聯(lián)合開展2015-2020 年全國生態(tài)狀況變化調(diào)查評估工作。貴州按照《全國生態(tài)狀況定期遙感調(diào)查評估方案》(環(huán)辦生態(tài)〔2019〕45 號)和《關(guān)于<印發(fā)2015-2020 年全國生態(tài)狀況變化遙感調(diào)查評估實(shí)施方案>的通知》(環(huán)辦生態(tài)函〔2020〕179 號)有關(guān)要求,明確要求開展全省生態(tài)環(huán)境狀況遙感調(diào)查與保護(hù)成效評估?,F(xiàn)階段,已在全省各個地區(qū)展開了相關(guān)研究,識別出了十三五期間及之前的植被變化特征[1-2]、及其氣候變化和人類活動響應(yīng)過程[3-5]、敏感性[6-7]、影響因素[8-9]及生態(tài)地質(zhì)環(huán)境限制機(jī)理[10-12],提出了重要植被恢復(fù)技術(shù)和理論。本研究基于前期研究,重點(diǎn)圍繞貴州武陵山區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)保護(hù)監(jiān)管需求,耦合過去-未來兩種情景,開展了植被NDVI 時空動態(tài)演變與空間耦合模式研究,以期為貴州武陵山區(qū)新時期生態(tài)保護(hù)對策建議的提出提供依據(jù),同時也為支持貴州武陵山區(qū)“十四五”期間社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展宏觀決策和生態(tài)保護(hù)規(guī)劃,加快生態(tài)文明建設(shè)提供有力支撐。
貴州武陵山區(qū)位于位于貴州東北部,地處107°4'E~109°30'N,27°07'N~29°13'N,轄銅仁市2 區(qū)8 縣及遵義市6 個縣,總面積3.09 km2,其中喀斯特區(qū)域面積為2.29 萬km2,占研究區(qū)總面積的74%,非喀斯特區(qū)域僅為0.80 萬km2,占研究區(qū)總面積的26%。東鄰湖南,北與重慶市接壤,西北高,東南低,以山地為主,屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),海拔范圍179~2 557 m(圖1)。以梵凈山至佛頂山山脈為分水嶺,分屬沅江水系和烏江水系兩大一級支流水系,屬于典型喀斯特區(qū)。地表及地下巖溶系統(tǒng)極為發(fā)育,碳酸鹽巖含水層和變質(zhì)巖交替分布,巖溶地貌發(fā)育,區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、地形和地貌類型多樣,喀斯特與非喀斯特地貌交錯分布,水文地質(zhì)復(fù)雜,“二元三維”水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)突出,巖溶作用強(qiáng)烈,由碳酸巖、白云巖及碎屑巖控制的地質(zhì)背景導(dǎo)致區(qū)域石多土少,阻礙了養(yǎng)分循環(huán),嚴(yán)重制約著植被恢復(fù)提升。
圖1 研究區(qū)地理位置與海拔特征
NDVI 數(shù)據(jù)采用生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心的MODIS13A1 數(shù)據(jù)集(https://search.earthdata.nasa.gov/)[13-14]。MODIS13A1 數(shù)據(jù)時間分辨率為16 d,時間范圍2000-2020 年,比例系數(shù)為0.000 1,空間分辨率為500 m,投影為Albers 等積圓錐投影,共包括2001-2020 年共40 期。該數(shù)據(jù)集通過精確云檢測、NDVI 植被生長基準(zhǔn)合成、并保持不同類型生長軌跡的插值,然后基于MODIS 觀測生成的NDVI 數(shù)據(jù)集。經(jīng)使用MRT 工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和重投影,并對無效值和背景值進(jìn)行處理,換算為真實(shí)的NDVI 值,最后經(jīng)年度最大值合成法得到2000-2020 年貴州武陵山區(qū)各年NDVI 數(shù)據(jù)集。
本研究基于Theil-Sen 趨勢法和Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)法耦合揭示了貴州武陵山區(qū)NDVI 變化趨勢及其顯著性特征[15-17],精確識別了貴州武陵山區(qū)植被變化恢復(fù)和退化關(guān)鍵區(qū)域。其次,采用Hurst 指數(shù)闡明了NDVI 未來持續(xù)性狀態(tài)[18-19],基于提出的Hurst 系數(shù)的分級強(qiáng)度表,定量評估了未來持續(xù)性等級特征[20]。為了定量闡明未來持續(xù)性強(qiáng)度大小與過去變化趨勢特征的關(guān)聯(lián)性,本研究將過去變化趨勢顯著性與未來持續(xù)性特征進(jìn)行空間耦合疊加,識別了空間上NDVI變化的過去-未來空間耦合演變模式,揭示了長時間序列時空動態(tài)演變特征。
2000-2020 年,貴州武陵山區(qū)NDVI 總體上呈現(xiàn)波動上升趨勢,增速為0.03/a(圖2),變化范圍為0.73~0.81,平均值為0.78,最大值出現(xiàn)在2015 年和2016 年,達(dá)到0.81,最小值出現(xiàn)在2000 年,為0.73。
圖2 2000-2020 年NDVI 變化速率
為了揭示貴州武陵山區(qū)NDVI 在過去21 年的變化趨勢及其變化過程,本研究基于Theil-Sen 趨勢以及Mann-Kendall 顯著性檢驗(yàn)法,使用ArcGIS10.2 軟件對各年的NDVI 象元值進(jìn)行提取,并且用Matlab 2017對21 年的NDVI 進(jìn)行趨勢分析,將趨勢分析結(jié)果與MK 檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行疊加,得到NDVI 增加與減少的空間分布情況,依據(jù)該方法可依次將NDVI 劃分為顯著減少、輕微減少、輕微增加和顯著增加4 種類別。由表1 可知,貴州武陵山區(qū)在空間上總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢(增加區(qū)域的面積),其中NDVI 顯著增加的區(qū)域所占比最大,達(dá)到68.82%,輕微增加占24.93%,輕微減少的區(qū)域?yàn)?.48%,顯著減少的區(qū)域占比最小,僅為1.41%。由圖3 可知,NDVI 的Sen 趨勢值介于-0.04~0.01 之間,平均增長率為0.003。NDVI 顯著增加區(qū)域主要集中在貴州武陵山區(qū)的中部、北部以及西部地區(qū);輕微增加區(qū)域則主要分布在南部、西南部以及東南部地區(qū);輕微減少的地區(qū)則主要分布在江口縣、松桃縣、石阡縣以及余慶縣等地區(qū);顯著減少則主要集中在鳳岡、余慶、碧江及松桃縣等地區(qū)。
表1 各類型NDVI 時空演變趨勢特征
圖3 NDVI 空間變化趨勢及顯著性特征
由圖4 可知,貴州武陵山區(qū)NDVI 的Hurst 指數(shù)范圍為0.14~0.91,平均值為0.45。從NDVI 的Hurst 指數(shù)空間分布狀況可以看出,貴州武陵山區(qū)NDVI 未來將呈現(xiàn)大面積的反持續(xù)性分布狀態(tài),出現(xiàn)正持續(xù)性(Hurst 指數(shù)超過0.5)的面積僅為24.87%,而71.25%的區(qū)域中Hurst 指數(shù)未超過0.5,這些區(qū)域未來將可能出現(xiàn)反持續(xù)特征。
圖4 NDVI 演變Hurst 指數(shù)空間分布特征
為了更進(jìn)一步明晰貴州武陵山區(qū)NDVI 的變化趨勢及其未來的可持續(xù)性特征,本研究將NDVI Sen 趨勢的顯著性檢驗(yàn)值(圖3)與Hurst 指數(shù)的計(jì)算結(jié)果(圖4)在ArcGIS10.2 中進(jìn)行疊加分析,得到貴州武陵山區(qū)NDVI 增加、減少與未來可持續(xù)性的時空耦合分布圖(圖5)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),貴州武陵山區(qū)未來NDVI 持續(xù)性增加的序列所占的百分比(22.34%)高于持續(xù)性減少的百分比(2.53%)(表2)。其中,強(qiáng)持續(xù)性減少的組合所占的面積比重最小,僅為0.05%,主要分布于思南、松桃、碧江以及萬山等地區(qū)。弱持續(xù)減少的比例為2.48%,在貴州武陵山區(qū)大部分地區(qū)都有少量分布;在弱持續(xù)增加的組合所占的比例為22.27%,在江口和碧江的過渡帶、正安縣和思南縣的北部及石阡都有分布;未來變化無法確定所占的百分比最大,其值為75.12%,主要分布于沿河、印江及德江三縣的交界地帶。另外,正安、道真以及務(wù)川等地區(qū)也有大范圍分布。強(qiáng)持續(xù)性增加的組合所占的百分比為0.07%。NDVI 的Hurst 指數(shù)在該類區(qū)域呈現(xiàn)出持續(xù)性增加的區(qū)域,預(yù)示著NDVI 將有持續(xù)性增加趨勢。
表2 植被歸一化指數(shù)變化趨勢及未來持續(xù)性
圖5 Hurst 指數(shù)與Sen 變化趨勢空間耦合演變特征
本研究檢測到NDVI 未來75.12%的區(qū)域可能出現(xiàn)較大的退化風(fēng)險,這些區(qū)域也是NDVI 增速較快的地區(qū),出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是這些區(qū)域植被經(jīng)過長時間的恢復(fù)建設(shè)已經(jīng)處于比較好的狀態(tài),未來可能會因?yàn)槿鄙龠m當(dāng)干擾而出現(xiàn)退化現(xiàn)象。因此,對于現(xiàn)今一些NDVI 增速較快或趨于穩(wěn)定的地區(qū)應(yīng)建議通過加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)管理以應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的退化現(xiàn)象。此外,盡管本研究揭示了貴州武陵山區(qū)NDVI 過去-未來時空耦合演變過程與機(jī)制,但是對于演變驅(qū)動機(jī)制并未進(jìn)行定量評估,后續(xù)將基于系統(tǒng)耦合理論解析各驅(qū)動因素貢獻(xiàn)機(jī)制。
(1) 2000-2020 年間,貴州武陵山區(qū)NDVI 總體呈現(xiàn)波動上升趨勢,平均增速為0.03/a,93.75%的區(qū)域呈現(xiàn)增長趨勢,僅6.26%的區(qū)域表現(xiàn)為降低現(xiàn)象。
(2) 中北部及西部區(qū)域是NDVI 增長的關(guān)鍵區(qū)域,而鳳岡、余慶、碧江及松桃等地區(qū)NDVI 退化明顯。
(3) 在未來,貴州武陵山區(qū)NDVI 將呈現(xiàn)大面積反持續(xù)狀態(tài),僅24.87%的區(qū)域表現(xiàn)出弱的正持續(xù)性,而75.12%的區(qū)域?qū)⒖赡艹霈F(xiàn)反持續(xù)性特征,僅有22.34%的區(qū)域NDVI 將表現(xiàn)為持續(xù)性增加,而2.53%的區(qū)域?qū)⒈憩F(xiàn)為持續(xù)性降低趨勢。整體上看,貴州武陵山區(qū)NDVI 未來可能有較大的退化風(fēng)險。