文|李朋磊，李國慶，鄭平

風(fēng)電場對植被變化影響分析*
——以重慶武隆風(fēng)電場為例

文|李朋磊，李國慶，鄭平

隨著環(huán)境問題的加劇和資源的日益短缺，風(fēng)能作為一項清潔能源，越來越受到各行業(yè)的重視，近年來我國的能源政策也逐步向風(fēng)能方向傾斜。目前國內(nèi)外很多學(xué)者在研究風(fēng)能帶來積極環(huán)境效應(yīng)的同時，也開始思考風(fēng)電開發(fā)過程中對環(huán)境的負面作用，以衡量風(fēng)電開發(fā)的利弊。當前的研究多關(guān)注于風(fēng)電場建設(shè)本身對風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)動植物的擾動，以及對周邊環(huán)境地表溫度、氣候等的可能影響。研究表明，風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)近地表的空氣濕度以及表面感熱通量均會減小，對云和降水等其他氣象要素也能起到間接改變作用。同時，風(fēng)電場的建設(shè)運行導(dǎo)致下風(fēng)向的風(fēng)速明顯減小，造成下風(fēng)向處氣溫發(fā)生較為顯著地的上升或下降，上述要素均會影響植被的生長狀態(tài)。目前利用遙感手段監(jiān)測風(fēng)電場對植被影響的研究并不多見。本文以重慶武隆風(fēng)電場為例，以遙感技術(shù)為手段，從區(qū)域尺度探討風(fēng)電場對植被影響的范圍及強度，探討風(fēng)電場對植被變化的影響，以期為風(fēng)電場的建設(shè)、植被保護與恢復(fù)、生態(tài)環(huán)境改善等方面提供參考。

圖1 研究區(qū)位置圖

研究區(qū)位置與概況

研究區(qū)位于重慶武隆縣四眼坪，區(qū)域內(nèi)規(guī)劃建成了重慶市首個風(fēng)電場，并于2009年正式供電。該區(qū)地處渝東南烏江下游，東連彭水，西鄰涪陵、南川，北接豐都，南界道真。該地區(qū)以中亞熱帶植物為主，植被類型有常綠闊葉林、常綠針葉林、常綠針闊混葉林、竹林、常綠闊葉與落葉闊葉混交林、灌木林、疏林草地及灌叢草地。樹種構(gòu)成以速生優(yōu)質(zhì)樹種馬尾松、杉木、鐵尖杉、白花泡桐、香椿為主；同時生長有屬國家一級保護樹種的銀杉、珙桐、水杉，二、三級保護樹種的鵝掌楸、胡桃、銀雀樹等；還有經(jīng)濟樹種油桐、茶、漆、獼猴桃等。研究區(qū)位置如圖1所示，作者利用佳明手持GPS－62SC實地調(diào)查風(fēng)電場分布的外邊界，根據(jù)該區(qū)域的外切矩形，獲得風(fēng)電場分布的矩形區(qū)（以下簡稱“電場區(qū)”）。同時選取該矩形的30km緩沖區(qū)（以下簡稱“緩沖區(qū)”）作為研究區(qū)，理由如下：

（1）從目前的已有研究看，風(fēng)電場主要以影響風(fēng)速的形式對地表過程進行擾動，風(fēng)電場影響風(fēng)速衰減的距離為30－60km。

（2）本文若選擇30km以上區(qū)域距離風(fēng)電場分布區(qū)域較遠，土地利用類型將發(fā)生重大變化。

數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；2000年－2015年MOD13Q1－NDVI數(shù)據(jù)及2001年、2005年、2010年、2013年MOD12Q1——土地類型數(shù)據(jù)均來源于美國國家航空航天局。

研究方法

一、植被范圍的確定

為避免下墊面差異對研究結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響，本研究的重點集中在土地利用類型中的林地、草地及灌叢植被。本文利用2001年、2005年、2010年、2013年的土地利用圖，計算出上述3個時間段植被覆蓋的公共區(qū)域，將公共區(qū)域作為本研究的植被范圍。

二、NDVI數(shù)據(jù)的重構(gòu)

本文所使用的NDVI數(shù)據(jù)雖然采用了最大值合成方法（Maximum Value Composite, MVC）對數(shù)據(jù)進行了去噪和除云處理，但是MVC方法仍然無法保證每旬圖像的所有像元在該旬內(nèi)都是無云、無噪聲的，因此需要對上述NDVI數(shù)據(jù)進行進一步處理。時間序列諧波分析法（Harmonic Analysis of Time Series，HANTS）結(jié)合了平滑和濾波兩種方法，本文通過HANTS濾波最終實現(xiàn)圖像的重構(gòu)，進一步去除云量和噪聲的影響。另外，NDVI當年生長季和值相對于當年最大值來說更能代表植被當年生長狀態(tài)，所以本文將HANTS濾波后，各年生長季4－11月的NDVI求和，代表當年的植被生長狀況。

三、植被變化趨勢分析

為監(jiān)測植被各年的變化狀況，本文通過線性趨勢斜率（LTA）方法，分別計算各像元2000年－2008年，2009年－2015年的各指標的總體變化情況，如式（1）所示。

式中，x是時間，y是變化指標（本文是各年生長季4－11月NDVI和值，以下用NDVI_SUM表示），a是趨勢斜率，b是截距。a通過最小二乘法計算得到［式（2）］，來表示各指標的變化趨勢。

式中，N表示參與計算的年份數(shù)量，2000年－2008年N＝9，2009年－2015年N＝7，xi中的i＝1時，則是研究時間段的第一年（本文分別指2000年、2009年），以此類推。yi是每個像元的當年生長季4－11月NDVI和值（NDVI_SUM）。當a＜0時表示該像元所代表的植被生長狀態(tài)處于下降的狀態(tài)，反之，則表示該像元所代表的植被生長狀態(tài)處于上升的狀態(tài)。

目前尚無對NDVI_SUM變化進行分級的統(tǒng)一標準，因此參考草地退化的國家標準（中華人民共和國農(nóng)業(yè)部，2003），對NDVI_SUM變化等級進行劃分，并對旁風(fēng)區(qū)、風(fēng)電場區(qū)、上風(fēng)區(qū)、下風(fēng)區(qū)的各等級所占植被面積的百分比進行統(tǒng)計。

四、風(fēng)向?qū)χ脖坏挠绊?/p>

統(tǒng)計涪陵氣象站2000－2015年的日、月風(fēng)向數(shù)據(jù)，分別得到如圖2a、圖2b所示的風(fēng)向頻率玫瑰圖，兩者存在較大差異。為避免氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式對本文分析結(jié)果的影響，采用兩幅風(fēng)向頻率玫瑰圖的公共區(qū)域，即N和NE所夾方向為上風(fēng)區(qū)、SW和S所夾方向為下風(fēng)區(qū)。同時為防止兩幅風(fēng)向玫瑰圖非重疊方向ESE和SSE、NNW和WNW所夾風(fēng)向?qū)Y(jié)果的影響，以下的分析均剔除上述兩個方向。風(fēng)向為以風(fēng)電場中心為圓心，分別做半徑為5km，10km，15km，20km，25km，30km的扇形。因0－5km半徑的扇形在電場矩形區(qū)域內(nèi)，以0－5km作為電場區(qū)對植被進行統(tǒng)一分析，最終分析上/下風(fēng)向?qū)χ脖挥绊懙膹姸确秶?/p>

圖2 風(fēng)向頻率玫瑰圖

結(jié)果與分析

利用上述方法分別得到2000年－2008年、2009年－2015年研究區(qū)及上下風(fēng)向處植被生長變化的空間分布圖，圖3a、圖3b所示。從圖3可以看出，2000年－2008年，研究區(qū)植被以穩(wěn)定為主，2009年－2015年研究區(qū)植被以退化為主。

圖3 2000年－2008年（a）/2009年－2015年（b）植被變化趨勢

表1 NDVI_SUM變化等級的劃分

表2 上/下風(fēng)區(qū)不同距離下植被生長情況

為進一步定量分析圖3中各區(qū)域內(nèi)植被變化情況，計算并歸納得到表1。由表1可以看出，從退化比例上看，2000年－2008年，風(fēng)電場區(qū)和上風(fēng)區(qū)內(nèi)植被退化比例最小，退化比例為0%，旁風(fēng)區(qū)內(nèi)退化區(qū)域所占比例最大，為0.31%，該區(qū)域內(nèi)87%以上的區(qū)域都是穩(wěn)定的，其余的大部分區(qū)域?qū)佥p度恢復(fù)。而2009年－2015年間，植被整體呈退化趨勢，各區(qū)域內(nèi)植被退化比例顯著上升，其中下風(fēng)區(qū)退化比例最高為57.70%，旁風(fēng)區(qū)退化比例為51.36%，電場區(qū)以及上風(fēng)區(qū)退化比例分別為27.88%，30.34%，明顯小于旁風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的退化比例，可見2009年－2015年植被退化比例顯著增多。一般認為旁風(fēng)緩沖區(qū)受風(fēng)電場的影響較小，從表1中各區(qū)域植被的退化比例可以看出，下風(fēng)區(qū)植被退化比例大于旁風(fēng)區(qū)植被退化比例，電場區(qū)及上風(fēng)區(qū)植被退化比例均小于旁風(fēng)區(qū)植被退化比例。可見風(fēng)電場運行減緩了電場區(qū)及上風(fēng)區(qū)植被的退化，加速了下風(fēng)區(qū)植被的退化。

從穩(wěn)定比例上看，2000年－2008年各區(qū)域穩(wěn)定面積所占比例均在85%以上，2009年－2015年植被呈整體退化現(xiàn)象，大量穩(wěn)定區(qū)域過渡為退化區(qū)域。

從恢復(fù)比例上看，相對于2000年－2008年，2009年－2015年電場區(qū)及上風(fēng)區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)比例分別減少了6.71%和10.01%，旁風(fēng)區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)比例減少10.60%，下風(fēng)區(qū)區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)比例減少11.75%，可見風(fēng)電場的運行有助于電場區(qū)和上風(fēng)區(qū)內(nèi)植被的恢復(fù)，但總體上不利于下風(fēng)區(qū)內(nèi)植被的恢復(fù)。

為了進一步分析上/下風(fēng)區(qū)，距離風(fēng)電場中心不同范圍內(nèi)植被的變化情況，采取兩幅風(fēng)向頻率玫瑰圖的公共區(qū)域，即NNE和ENE所夾方向為上風(fēng)區(qū)、SW和S所夾方向為下風(fēng)區(qū)，同時剔除兩幅風(fēng)向玫瑰圖非重疊方向ESE和SSE、NNW和WNW所夾風(fēng)向，風(fēng)向為以風(fēng)電場中心為圓心，分別做半徑為5km，10km，15km，20km，25km，30km的扇形，得到不同距離內(nèi)植被面積變化的均值（表2所示）。從表2可以看出，在風(fēng)電場建設(shè)前 （2000年－2008年），上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)植被基本上無退化區(qū)域，研究區(qū)范圍內(nèi)植被生長狀況穩(wěn)定，小部分區(qū)域存在變好的趨勢；風(fēng)電場建設(shè)后（2009年－2015年），下風(fēng)區(qū)植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象，在0－20km范圍，上/下風(fēng)區(qū)退化趨勢大體一致，尤其在15－20km緩沖區(qū)內(nèi)，上風(fēng)區(qū)的退化比例高于下風(fēng)區(qū)，但是在20－30km范圍，下風(fēng)區(qū)退化比例卻明顯高于上風(fēng)區(qū)，表明在20－30km緩沖區(qū)內(nèi)，風(fēng)電場的運行會加快下風(fēng)區(qū)域內(nèi)植被的退化。

圖4 上/下風(fēng)區(qū)不同距離下NDVI_SUM變化情況

為進一步分析各區(qū)域內(nèi)NDVI_SUM的具體變化值，并減少地表條件異質(zhì)性、NDVI_SUM自然時空變化趨勢對研究結(jié)果的影響，本文參照的方法如下：認為風(fēng)電場建設(shè)之前的2000年－2008年各像元NDVI_SUM空間變化趨勢（A）為自然時空變化趨勢；2009年－2015年的NDVI_SUM空間變化趨勢（B）為自然及風(fēng)電場共同影響下的變化趨勢，兩者相減便得到風(fēng)電場影響下的NDVI_SUM時空變化趨勢（B－A）（圖4a）。為更直觀地分析圖4a各距離范圍內(nèi)植被的變化趨勢，求取電廠區(qū)域與距風(fēng)電場不同距離緩沖區(qū)內(nèi)旁風(fēng)區(qū)，上風(fēng)區(qū)，下風(fēng)區(qū)的NDVI_SUM變化率的平均值（圖4b）。

從圖4b可以看出，不同距離緩沖區(qū)內(nèi)，上風(fēng)區(qū)的NDVI_SUM變化趨勢減少值均小于相同緩沖區(qū)范圍內(nèi)旁風(fēng)區(qū)的減少值，進一步驗證了風(fēng)電場的運行有助于上風(fēng)區(qū)植被的恢復(fù)。但對下風(fēng)區(qū)植被的影響卻比較復(fù)雜，從圖4b可以看出，相對于旁風(fēng)區(qū)，下風(fēng)區(qū)植被在0－20km是退化減緩的，在20－30km緩沖區(qū)內(nèi)是退化加快的，可見風(fēng)電場對下風(fēng)區(qū)植被的影響因距離的不同存在明顯差異。

結(jié)論

從上述的分析可知，武隆風(fēng)電場運行對矩形電場區(qū)及30km緩沖區(qū)內(nèi)植被的生長產(chǎn)生了明顯的影響，主要變現(xiàn)在：

（1）從整體上看，風(fēng)電場運行對電場區(qū)、上下風(fēng)區(qū)植被的影響機制是不同的，風(fēng)電場運行減緩了電場區(qū)及上風(fēng)區(qū)植被的退化，加速了下風(fēng)區(qū)植被的退化；

（2）風(fēng)電場對下風(fēng)區(qū)植被的影響存在距離差異，0－20km范圍內(nèi)，風(fēng)電場的運行會減緩區(qū)域內(nèi)植被的退化，在20－30km范圍內(nèi)，風(fēng)電場的運行會加快區(qū)域內(nèi)植被的退化。

（作者單位：魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖浚↗16LH51）；國家自然科學(xué)基金青年基金（41601598）。