浙江省植被生态质量时空变化及其驱动因素分析
方贺1, 张育慧1, 何月1, 李正泉1, 樊高峰1, 徐栋2, 张春阳3, 贺忠华1
1.浙江省气候中心,杭州 310051
2.北京师范大学遥感科学国家重点实验室,北京 100875
3.衢州市气象台,衢州 324000
摘要:
浙江省是“两山”理论的发源地,同时也是我国第一个生态省,研究该区域植被生态质量状况对生态文明建设具有重要的参考价值。该文结合多源遥感数据与气象观测资料,探究了浙江省2000—2020年植被生态质量的时空变化及其对气候因子与人类活动的响应。结果表明: ①2000—2020年,浙江省净初级生产力(net primary productivity,NPP)和植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)呈上升趋势,植被“绿度”显著提升; ②2000—2020年,浙江省植被生态环境质量呈波动上升趋势,且山地区域的植被生态质量指数(vegetation ecological quality index,VEQI)明显高于盆地和平原地区; ③浙江省2000—2020年间VEQI变化的主导驱动因素是人类活动,仅在浙江省西南小部分区域气候因子占据主导因素。研究结果加深了对浙江省植被生态质量时空变化及其驱动因素的认识,对浙江省甚至全国其他地区的生态文明建设具有重要意义。
0 引言
21世纪以来,全球植被绿化程度明显,且中国对其贡献了近25%。中国的植被绿化得益于东部地区农田和森林植被的持续增长。植被生态质量是维护陆地生态系统稳定的基础。植被不仅参与陆地表面的能量交换、生物地球化学循环和水循环过程,也能反映某一地区人类活动的变化。伴随着气候条件变化和人类活动加剧的共同影响,不同时期的植被生态质量势必受到影响,从而导致年际间植被生长状况变化较大。浙江省地处中国东南沿海、长江三角洲南翼,全省土地覆盖以森林和农田为主,森林覆盖率达61.15%。因此,探究浙江省植被生态质量的时空变化规律及其对气候因子与人类活动的响应对地区的生态文明建设具有重要意义。
净初级生产力(net primary productivity,NPP)和植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)作为反映陆地生态系统服务功能的2个最基本特征量,同时也是表达植被生态质量和植物生长状况的两个关键参数。其中,植被NPP作为陆表碳循环的重要组成部分,不仅是调节生态过程和判定生态系统碳汇/源的重要因子,也直接反映了植被群落在自然环境条件下的生产能力。目前,植被NPP的研究已经取得了长足的发展。从早期的站点观测逐步发展到大范围甚至全球尺度的模型估算,其中结合遥感卫星资料和气象观测数据共同反演植被NPP已经成为获取大尺度范围植被NPP的主要方法。其次,植被覆盖度是反映陆地生态系统状态的另一个重要参数,其测量方法主要分为地面测量法和遥感反演法,其中遥感反演法具有空间连续、监测范围广、经济成本低等优点,广泛应用于大范围植被覆盖度的监测。
近年来,学者们结合植被NPP、植被覆盖度与气象观测数据,提出了众多用于综合评价植被生态质量状况的模型。例如,毛留喜和钱栓等利用植被NPP构建了用于生态气象监测评价的生态气象评价指数模型,为开展生态气象监测评价探索了一个较好的方法; 吴宜进等选取FVC、叶面积指数、热度等5项指标,并基于主成分分析法对西藏地区植被生态质量进行了评价,研究发现2000—2016年西藏地区植被生态质量总体呈现变好的趋势; 杨绘婷等通过计算FVC和遥感生态指数来评估武夷山国家自然保护区植被生态质量的变化,结果显示1979—2017年保护区的植被生态质量和覆盖度均呈上升趋势。
目前,针对浙江省植被生态状况的研究同样取得了长足的发展。例如,李洪伟利用2000—2006年MODIS归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据对浙江省植被覆盖的动态变化进行定量分析研究,结果表明2000—2006年全省植被覆盖度略有增加,但变化较小; 高大伟等和何月等利用GIMMS和MODIS这2种NDVI数据集,分别对浙江省1982—2006年和1982—2010年植被覆盖度变化进行了分析研究,结果显示在2个研究期间内,浙江省植被覆盖度均呈缓慢下降趋势。
然而,研究发现利用单一FVC或NPP对某一区域植被生态质量进行评价,其结果往往缺乏客观性,会出现FVC相同、NPP不同或NPP相同、FVC不同等情况。因此,钱拴等利用中国区域MODIS月NDVI合成数据和逐日气象观测站资料,通过反演得出植被NPP和FVC,并构建了一种可以综合反映植被NPP和FVC的植被生态质量指数(vegetation ecological quality index,VEQI)模型。考虑到长期以来针对浙江省植被生态质量状况的研究仅是基于单一要素进行的,没有系统地结合植被NPP和FVC对植被生态质量指数进行动态监测。因此,本研究基于前人提出的VEQI模型,探究了浙江省2000—2020年植被生态质量的时空变化特征以及对气候因子与人类活动的响应,这对浙江省甚至全国其他地区的生态文明建设具有重要意义。
1 研究区概况
浙江省位于中国东南沿海、长江三角洲南翼,E118°01'~123°10',N27°02'~31°11'之间。全省陆域面积10.55×104 km2,其中山地和丘陵占74.63%,平坦地占20.32%,河流和湖泊占5.05%,故有“七山一水二分田”之说。浙江省属于亚热带季风气候,全年平均气温15.6~18.3 ℃,无霜期241~351 d; 年平均降水量1 092~2 029 mm,降水季节分布不均衡,冬季最少,夏季最多; 年平均日照时数1 710~2 100 h。浙江省森林资源丰富,全省林地面积6.59×104 km2,其中森林面积6.08×104 km2,森林覆盖率达61.15%,位居全国前列。浙江省土地覆盖主要以城市、农田和森林植被为主(图1)。浙江省城镇区域主要分布在杭嘉湖平原、金衢盆地和宁波、台州等沿海地区,农田主要分布在中部盆地和北部平原地区,而森林覆盖区域主要分布在浙江西部和南部海拔较高的地区。
图1 浙江省2020年土地覆盖和数字高程及气象站点分布
2 数据处理和方法
2.1 数据源
2.1.1 MODIS卫星资料
本文使用的卫星遥感资料主要包括2000—2020年Terra/MODIS卫星MOD13Q1数据集中NDVI产品,产品轨道号为H28V05和H28V06,2幅遥感影像通过拼接可覆盖浙江省全境。MOD13Q1数据空间分辨率为250 m,时间分辨率为16 d,并利用国际通用的最大合成法获取月NDVI数据。年NDVI为通过逐月NDVI均值计算得出,可表示当年植被的平均生长状况。
2.1.2 气象观测资料
同期气象观测资料由浙江省气候中心提供,浙江省各区县代表气象站点分布如图1(b)所示。首先选取浙江省2000—2020年有完整记录的气象观测站逐日气温、降水数据,将各站点日观测要素合成,建立月均值的长时间序列气候要素,再对71个站点月资料计算均值,在ArcGIS平台下利用反距离权重插值法(inverse distance weighting,IDW)生成全省1 km的网格数据作为整个研究区的气候月均值。
2.2 研究方法
2.2.1 植被NPP遥感估算
本文采用MODIS卫星 NDVI月合成产品和气象观测数据,根据植被光能利用原理由陆地生态系统碳通量模型(terrestrial ecosystem carbon flux model,TEC)计算月植被NPP。TEC模型是基于MODIS卫星遥感资料和气候数据,通过引入一个新的水分胁迫因子并结合降水驱动蒸散发模型建立的。TEC模型具有计算简便、模型因子获取简单和符合中国植被实际情况等特点,具有较高的应用价值。
2.2.2 FVC遥感估算
FVC指植被冠层垂直投影占统计区剖面积的百分比,是衡量区域生态环境状况的重要指标。
2.2.3 植被生态质量指数遥感估算
植被NPP 和FVC是反映陆地生态系统服务功能的2个最基本特征量,也是反映植被生态质量的关键特征量。然而,无论用植被NPP,还是用植被覆盖度,只能反映陆地生态系统服务功能或植被生态质量的一个方面,即生产能力或覆盖能力。本文基于MODIS卫星植被FVC和NPP资料,采用权重加权的方式构建了浙江省VEQI模型,以此评估浙江省植被生态质量的时空分布特征。
2.2.4 植被生态参数变化趋势评价模型
植被生态参数变化趋势评价模型以植被生态要素(FVC,NPP和VEQI)为因变量、年为自变量,建立一元线性方程,其中斜率反映植被综合生态质量指数多年变化的趋势和快慢程度。
2.2.5 多元回归残差分析
气候因子(降水、气温)与人类活动是影响年际间植被生态质量变化的重要因素。近年来,学者们已利用残差模型对不同植被生态参量进行了人类活动和气候变化驱动力分析研究。在本文多元回归残差分析模型中,使用气温和降雨作为气候因子来模拟仅受气候变化影响下的植被生态质量。根据残差理论,模拟出的与观测得到的植被生态质量指数的插值,即为仅受人类活动影响下的植被生态质量。
3 结果与分析
3.1 NDVI和FVC时空变化
FVC是衡量地表植被生长状况的重要指标。本文中FVC由MOD13A1产品经全年月均值计算得到。
图2为浙江省2000—2020年逐年植被NDVI和FVC变化趋势。图中可以看出,浙江省植被NDVI和FVC均呈增高趋势,且二者具有良好的一致性。2020年全省NDVI年均值达0.65,为2000—2020年间最高值,相较于2000年(0.57)增长了0.08。与此同时,2020年全省FVC年均值达67.3%,为20 a间最高,相较于2000年(58.7%)增加了8.6百分点。图3所示为分别为2000年、2005年、2010年、2015年和2020年浙江省FVC空间分布。图中可以明显看出,2020年浙江省西部和南部海拨较高的山地区域FVC较2000年显著提升。2000年山地区域FVC多在55%~60%之间,2020年则多在60%~70%之间,全省森林“绿度”显著提升。然而,随着城市化进程的加快,在海拔较低的城镇区域FVC呈降低趋势,如全境位于杭嘉湖平原的嘉兴市2020年FVC(47.1%)较2000年(47.7%)降低了0.6百分点。
图3 浙江省2000—2020年FVC均值和改善率空间分布
图3为浙江省2000—2020年FVC均值和改善率的空间分布,由图3(a)可知,近20 a间浙江省山区FVC均值明显高于盆地和平原地区,山地区域FVC多在70%以上,盆地和平原多在40%~50%之间,城镇区域多在40%以下。由图3(b)可知,2000—2020年浙江省大部分区域FVC呈显著增长趋势,增加和减少趋势的陆地像元分别占72%和29%,其中山地区域涨幅最为显著(50%~75%)。然而,随着城市化进程的加快,城镇人口密集区域的FVC显示出降低趋势,特别是杭嘉湖城市群、宁波、台州和温州城市及周边地区。总体结果显示,浙江地区近2000—2020年FVC显著增长趋势,这与浙江省实施的生态保护工程有着密切联系,而浙江城市及周边地区的FVC出现明显下降。
3.2 植被NPP时空变化
图4为2000—2020年浙江省年际累加植被NPP时间变化趋势。从中可以看出,浙江省2000—2020年间植被NPP呈波动上升趋势,全省年植被NPP最大和最小值为1 010.3 gC/m2 和868.4 gC/m2 ,分别出现在2018年和2003年。2000—2020年全省植被NPP平均值为942.4 gC/m2,其中2020年全省年植被NPP为964.1 gC/m2,较2000年(897.6 gC/m2)增长了66.5 gC/m2。由2000—2020年浙江省植被NPP均值空间分布来看(图5),全省大部分区域植被NPP在500~1 650 gC/m2之间。其中山地区域的NPP值较高,在800~1 250 gC/m2之间; 平原和盆地区域的NPP值在400~800 gC/m2 之间; 而城镇及其周边地区NPP值相对较低,一般在500 gC/m2以下,这一方面是由于城镇地区建设面积比例较大,平均FVC较低,另一方面也是由于其周边多为农业植被,光能利用率相对较低引起的。
图5 2000—2020年浙江省植被NPP均值和变化趋势空间分布
图5(b)为浙江省2000—2020年近20 a植被NPP变化率空间分布。对全省年总NPP进行逐像元的趋势分析,全区NPP平均值变化趋势线斜率为3.23 gC/m2。由图5(b)可以看出,全省大部分地区NPP变化趋势在0~5 gC/m2之间; 在绍兴南部、台州北部、和丽水北部等地区NPP明显呈上升趋势,部分地区上升趋势在5 gC/m2以上; 而在嘉兴市、杭州东部及台州东南部等地区NPP呈下降趋势,甚至部分地区下降趋势小于10 gC/m2。
3.3 VEQI时空变化
图6为2000—2020年浙江省VEQI变化趋势图。图中可以看出,近20 a浙江省VEQI呈波动上升趋势,平均VEQI值为64.9,最大值出现在2018年,为69.2。2000—2020年全省VEQI实现了“三级跳”,2017—2020年VEQI均值(68.2)较2007—2016年(65.4)和2000—2006年(62.7)2个阶段有明显提高。2003年全省VEQI为近20 a最低(60.9),较2002年降低约了4.1,其原因在于2003年浙江出现了严重干旱灾害,连续的高温少雨天气导致植被生态质量的下降。
2000—2020年平均年VEQI空间分布表明(图7(a)),浙江省大部分地区VEQI在50以上。山地区域的VEQI较高,其值在[50,70)之间,其中丽水市庆元县山区VEQI达77.8; 平原和盆地区域的VEQI值在[40,60)之间; 而在城镇及周边地区的VEQI相对较低,一般在40以下。在2000—2020年浙江省11个地(市)平均VEQI排名中,排名前三的分别为丽水市(73.92)、温州市(68.1)和衢州市(65.87)。浙江省VEQI多年变化趋势率空间分布(图7(b))显示,2000—2020年全省超86%区域面积的VEQI呈提高态势,大部分区域平均每年增加0.25~0.5,其中绍兴南部和台州南部地区VEQI年平均速率在[0.5~0.75]之间。由于城市化进程的加快,近20 a浙江省部分城镇地区VEQI呈减少趋势,如杭州市、嘉兴市、宁波市和台州市部分城镇地区质量指数减少[0.5~0.75)之间。3.4 VEQI精度验证及驱动力分析大量研究显示,植被NPP和FVC的动态变化主要受人类活动和气候条件的共同影响。其中,气候变化尤其是气温、降雨的变化,对陆地植被的生长具有重要有影响。因此,本研究以气温和降雨作为主要气候因子,探究了浙江省2000—2020年VEQI的时空变化对气候以及人类活动的响应。
图7
图7 2000—2020年浙江省VEQI均值和变化趋势
首先对基于多元线性回归残差模拟的浙江省VEQI进行精度分析。图8分别为2000年、2005年、2010年、2015年和2020年基于多元线性回归模型模拟的VEQI和MODIS卫星观测VEQI的散点图。图中可以看出,模拟VEQI与观测VEQI具有良好的一致性,两者R2(P<0.01)分别为0.89(2000年)、0.93(2005年)、0.89(2010年)、0.93(2015年)和0.93(2020年),Pearson相关系数(图中r)分别为0.94(2000年)、0.96(2005年)、0.94(2010年)、0.97(2015年)和0.97(2020年)。
图8 不同年份模拟VEQI和观测VEQI散点图
图9为基于多元线性回归模型的浙江省VEQI空间变化及其驱动力因素。从图9(a)中可以看出,2000—2020年,浙江省大部分区域的植被生态环境质量呈现出上升的趋势,而只在主要的城市扩张区域呈现出显著的下降趋势,其中较为明显的有杭州市、湖州市、嘉兴市、宁波市、台州市以及金华市。图9(b)为人类活动驱动下的VEQI的变化趋势空间分布图,从图中可以看出,人类活动驱动下的VEQI变化趋势与图9(a)中的VEQI真实变化趋势的空间分布具有较高的相似性,这表明2000—2020年浙江省的VEQI的变化主导因素为人类活动。图9(c)为气候因子驱动下的近20 a浙江省VEQI的变化趋势空间分布图,从图中可以看出,2000—2020年浙江省西南区域(丽水市、衢州市)的VEQI受气候影响呈现出下降趋势,而大部分区域受气候影响程度均较小。
图9 浙江省VEQI变化驱动力因素分析
图9(d)和图9(e)分别表示人类活动与气候因子对浙江省近20 a植被生态环境质量变化的贡献度空间分布图。从中可以看出,浙江省近20 a的VEQI变化的主导驱动因素是人类活动,仅在浙江省西南小部分区域气候因子占据主导因素。从图9(f)可以看出,人类活动贡献度大于气候因子的面积约为8.773万km2,而气候因子贡献度大于人类活动的面积仅为1.188万km2。
4 结论
浙江省是“两山”理论的发源地,同时也是我国第一个生态省,研究该区域植被生态质量状况对生态文明建设具有重要的参考价值。本文基于MODIS卫星遥感资料以及气象站点观测数据,对浙江省2000—2020年植被NDVI,NPP,FVC和VEQI等关键特征量进行了时空变化以及驱动因素分析,结果表明:
1)2000—2020年,浙江省植被NDVI和FVC显著上升。2020年全省FVC年均值达67.3%,为2000—2020年间最高,相较于2000年(58.7%)增加了8.6百分点。
2)2000—2021年间,浙江省植被 NPP呈波动上升趋势,平均每年增加3.23 gC/m2。而在嘉兴、杭州东部及台州东南部等平原城镇地区NPP呈下降趋势,部分地区下降趋势低于10 gC/m2。
3)2000—2021年间,浙江省VEQI呈波动上升趋势,多年平均VEQI为64.9,最大值出现在2018年,为69.2,且山地区域的VEQI明显高于盆地和平原地区。
4)浙江省2000—2021年间,VEQI变化的主导驱动因素是人类活动,仅在浙江省西南小部分区域气候因子占据主导因素。 （原文有删减）
【作者简介】方 贺,男(1990-),博士,高级工程师,研究方向为植被和海洋生态遥感。
fanghe_doc@163.com。
【引用格式】方贺, 张育慧, 何月, 李正泉, 樊高峰, 徐栋, 张春阳, 贺忠华. 浙江省植被生态质量时空变化及其驱动因素分析[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 245-254.
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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