呂 妍,張 黎,,*,閆慧敏,,任小麗,王軍邦,牛忠恩,顧峰雪,何洪林,

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源利用與環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049 5 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

中國(guó)西南喀斯特地區(qū)是世界三大巖溶區(qū)之一,巖溶面積約為51.36萬km2,占我國(guó)國(guó)土面積的5.35%[1]。受地球內(nèi)動(dòng)力、強(qiáng)烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、高溫多雨的氣候等因素的影響,石漠化成為這一地區(qū)最為嚴(yán)重的環(huán)境問題,威脅著西南喀斯特地區(qū)的生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[2-3]。20世紀(jì)80年代國(guó)家開始治理西南喀斯特地區(qū)的石漠化,實(shí)施了包括 “長(zhǎng)防”和“長(zhǎng)治”工程、“珠治”試點(diǎn)工程在內(nèi)的一系列生態(tài)工程[4],石漠化問題受到越來越多的關(guān)注。隨著2000年以來退耕還林還草、天然林保護(hù)等生態(tài)治理工程的實(shí)施,喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)得到一定程度的恢復(fù)。特別是自2008年國(guó)務(wù)院批復(fù)《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理規(guī)劃大綱》以來,在西南喀斯特地區(qū)設(shè)立首批100個(gè)石漠化治理試點(diǎn)縣開展封山育林育草、人工造林種草、坡改梯、生態(tài)移民等石漠化綜合治理工程,之后又陸續(xù)在351個(gè)石漠化縣開展生態(tài)恢復(fù)工作。截止到2015年我國(guó)西南喀斯特地區(qū)石漠化總面積降至9.2萬km2,演變趨勢(shì)由加劇變?yōu)橹饾u減緩[5-6]。盡管這些生態(tài)工程的實(shí)施在一定程度上遏制了生態(tài)系統(tǒng)的退化,并促使該區(qū)域生態(tài)狀況逐漸向良性發(fā)展,但受暴雨和干旱等極端氣候事件以及人類對(duì)土地的過度開發(fā)利用等因素的影響,該區(qū)域的水土流失問題依然嚴(yán)峻,進(jìn)而引起植被覆蓋和生產(chǎn)力的降低[7]。在氣候變化和人類活動(dòng)綜合影響的背景下,研究中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋及生產(chǎn)力的動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)因子具有重要科學(xué)意義,同時(shí)也是評(píng)估生態(tài)工程成效的重要基礎(chǔ)。

植被覆蓋和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力是定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)植被狀況的兩個(gè)重要指標(biāo)。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)與增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index,EVI)已被廣泛用于指示植被覆蓋狀況[8]。生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity,GPP)與生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)均是地-氣CO2交換過程中的重要分量,分別為綠色植物通過光合作用從大氣中固定CO2形成光合產(chǎn)物的總量及減去植物自養(yǎng)呼吸后的有機(jī)質(zhì)總量[9-10]。已有研究表明,與1981—2011年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)NDVI和NPP不顯著的增加趨勢(shì)相比[11],2000以來在生態(tài)工程實(shí)施的背景下中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被指數(shù)、生產(chǎn)力和生物量明顯增加[12-16],特別是廣西西北、貴州中部和云南東南部地區(qū)。其中,廣西西北部喀斯特區(qū)域2000—2010年NPP和凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net Ecosystem Productivity,NEP)的增長(zhǎng)率分別為13.20 gC m-2a-1和9.00 gC m-2a-1[17]；2000—2005年該地區(qū)植被碳儲(chǔ)量和碳密度亦呈增加趨勢(shì),年增長(zhǎng)率分別為4.2×105t a-1和0.66 t hm-2a-1[18]。2002—2008年貴州畢節(jié)喀斯特區(qū)域NDVI年增長(zhǎng)率處在0—0.04 a-1之間[19]。2001—2010年云南東南部喀斯特區(qū)域NDVI呈上升趨勢(shì),增加速率為0.003 a-1[20]。然而,關(guān)于2008年開展石漠化綜合治理工程以來中國(guó)西南喀斯特地區(qū)的植被覆蓋和生產(chǎn)力如何變化尚不清楚。

本研究采用500 m分辨率的遙感產(chǎn)品和遙感光能利用率模型,分析2000—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋及生長(zhǎng)狀況的時(shí)空變化特征,重點(diǎn)探討2008年以來石漠化綜合工程、氣候變化等環(huán)境因素對(duì)植被覆蓋及生長(zhǎng)的影響?？紤]到EVI比NDVI對(duì)高植被覆蓋地區(qū)更敏感,以及GPP決定了進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)初始物質(zhì)和能量[8-10],本文選用EVI年均值和GPP年總量這2個(gè)因子來研究中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋和生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化。本研究將增進(jìn)人們對(duì)中國(guó)西南喀斯特地區(qū)如何響應(yīng)氣候變化和人類活動(dòng)的認(rèn)識(shí),并為定量評(píng)估喀斯特區(qū)域已有石漠化綜合治理工程的實(shí)施效益提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)西南喀斯特地區(qū)(96°50'—117°18′E, 20°06′—34°12′N)主要包括貴州、云南、四川、重慶、湖北、湖南、廣西壯族自治區(qū)、廣東八省,巖溶面積占八省總面積的26.51%[21]。地勢(shì)西高東低,呈階梯狀分布,地形破碎,地貌類型多樣,具有高度的景觀異質(zhì)性,東西兩側(cè)海拔高度差異較大[22]。大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫15℃以上,年均降水量大于1100 mm,雨熱同期[1]。土壤類型有黃棕壤、紅壤、石灰土等,土壤松散易侵蝕,富鈣、偏堿性。喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的基巖主要由純碳酸鹽巖(25%)和不純碳酸鹽巖(23%)組成,而其余地區(qū)的基巖則由碎屑巖組成[23]。植被類型主要包括混交林(33.8%)、草原(31.1%)農(nóng)田(21.6%)、常綠闊葉林(9.8%)(圖1)。在濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候條件和喀斯特地貌極其發(fā)育的自然背景下,受人為活動(dòng)干擾,石漠化面積逐年增加,2005年達(dá)到12.96萬km2,占西南喀斯特地區(qū)的6.8%,面臨著非常嚴(yán)重的石漠化問題[1]。

1.2 VPM模型

VPM模型(Vegetation Photosynthesis Model,VPM)是基于光能利用率原理的遙感生產(chǎn)力模型[24-25]。該模型將葉片和冠層劃分為葉綠素部分(Chlorophyll)和非光合部分(Non-photosynthetic Vegetation,NPV),將冠層吸收光合有效輻射的比例分為葉綠素吸收的部分(FPARchl)與非光合植被吸收的部分(FPARNPV),光合作用僅發(fā)生在葉綠素部分[24-25]。GPP的計(jì)算方程表示為：

GPP=εg×FPARchl×PAR

(1)

εg=ε0×Tscalar×Wscalar×Pscalar

(2)

式中,PAR(Photo Synthetically Action Radiation)為光合有效輻射；FPARchl指的是植被光合部分吸收光合有效輻射的比例；εg為光能利用率；ε0為最大光能利用率；Tscalar、Wscalar和Pscalar分別為溫度、水分和葉物候?qū)Ζ?的調(diào)節(jié)系數(shù)。其中,FPARchl被近似用EVI的線性函數(shù)來表達(dá)：

FPARchl=a×EVI

(3)

式中,a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取值為1[24-25]。Tscalar代表溫度對(duì)光合的影響。根據(jù)陸地生態(tài)系統(tǒng)模型(Terrestrial Ecosystem Model,TEM)的原理[26],將其表示為：

(4)

式中,Tmin、Tmax和Topt分別指的是植被進(jìn)行光合作用需要的最低、最高和最適溫度(℃)[27-29]。當(dāng)空氣溫度低于Tmin時(shí),Tscalar就設(shè)為0。

Wscalar代表水分對(duì)光合的影響。VPM中Wscalar通過水分敏感的陸表水分指數(shù)(Land Surface Water Index,LSWI)計(jì)算得到,公式表示為：

(5)

式中,LSWImax指的是生長(zhǎng)季單個(gè)像元內(nèi)植被的最大LSWI。

Pscalar代表葉物候?qū)趯映叨裙夂系挠绊?取決于葉齡的長(zhǎng)短。對(duì)于葉齡為1年的植被,將其在1年內(nèi)經(jīng)歷的從出芽到凋落過程分成兩個(gè)階段分別計(jì)算,其中出芽到完全展葉的階段表示為：

(6)

展葉后的階段,Pscalar為1。對(duì)于葉片可以保持幾個(gè)生長(zhǎng)季、冠層由不同葉齡的葉片組成、生長(zhǎng)季中不斷有新葉長(zhǎng)出的植被,Pscalar均設(shè)為 1。

EVI和LSWI由MODIS產(chǎn)品中的地表反射率(空間分辨率500 m,時(shí)間步長(zhǎng)8 d)計(jì)算得到,公式為[30-31]

(7)

(8)

式中,C1為大氣修正紅光校正參數(shù),值為6.0；C2為大氣修正藍(lán)光校正參數(shù),值為7.5；L為土壤調(diào)節(jié)參數(shù),值為1.0[30]。ρnir、ρred、ρblue及ρswir分別為近紅外、紅波、藍(lán)波以及短波紅外的地表反射率。

VPM模型已被廣泛應(yīng)用于不同區(qū)域的森林(中國(guó)長(zhǎng)白山森林[24]、美國(guó)Howland 森林[25]、美國(guó)Harvard森林[32])、草地(中國(guó)內(nèi)蒙古草地)[33]、農(nóng)田(中國(guó)禹城農(nóng)田[34],美國(guó)Twitchell Island農(nóng)田、日本Mase農(nóng)田、韓國(guó)Gimje和Haenam農(nóng)田[35])等生態(tài)系統(tǒng)的GPP評(píng)估,觀測(cè)值和模擬值的決定系數(shù)在0.64以上。在中國(guó)西南喀斯特地區(qū),VPM模擬的年GPP與通量塔測(cè)定的草地GPP動(dòng)態(tài)有很好的一致性(R2=0.77)[36]。

1.3 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)包括VPM模型輸入數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)。VPM模型需要的輸入數(shù)據(jù)包括2000—2015年空間分辨率500 m、時(shí)間步長(zhǎng)8 d 的 EVI、LSWI、PAR和氣溫(Ta)數(shù)據(jù)。EVI和LSWI是由中等分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)提供的地表反射率產(chǎn)品(空間分辨率為 500 m,時(shí)間步長(zhǎng)為8 d)計(jì)算得到。PAR數(shù)據(jù)源自Yan等[37]利用MODIS 1B數(shù)據(jù)產(chǎn)品、 MODIS的地表反射率產(chǎn)品以及雙向反射模型(BRDF)參數(shù)產(chǎn)品[38],通過檢索輻射傳輸模型計(jì)算的查找表來反演得到,空間分辨率1000 m,時(shí)間步長(zhǎng)16 d。氣溫資料來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/,地面累日值數(shù)據(jù)集),使用Aunspline4.2軟件基于地形因子進(jìn)行插值,獲取空間分辨率 500 m、時(shí)間步長(zhǎng) 8 d的氣溫?cái)?shù)據(jù)。本研究所用的EVI年均值由一年46期的8 d EVI產(chǎn)品求均值得到,GPP年總量由VPM模型輸出的一年46期的8 d GPP數(shù)據(jù)加和得到。

輔助數(shù)據(jù)包括降水量、生態(tài)系統(tǒng)類型、大氣CO2濃度、大氣氮沉降量和縣級(jí)石漠化治理工程的統(tǒng)計(jì)資料。2000—2015年的降水資料來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),運(yùn)用Aunspline4.2軟件基于地形因子進(jìn)行插值,獲取空間分辨率500 m的年降水量數(shù)據(jù)。2001—2013年的生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來自MODIS的三級(jí)土地覆蓋產(chǎn)品(MCD12Q1),空間分辨率為500 m,使用美國(guó)馬里蘭大學(xué)的分類方案。為便于分析,本研究將其合并為林地、灌木、草地、農(nóng)田和其他等五大生態(tài)系統(tǒng)類型。2000—2010年的大氣氮沉降數(shù)據(jù)來自Gu等基于CEVSA2模型,根據(jù)施肥數(shù)據(jù)和能源消費(fèi)數(shù)據(jù)計(jì)算的柵格結(jié)果[39]。2000—2015年的大氣CO2濃度數(shù)據(jù)采用夏威夷Mauna Loa觀測(cè)站測(cè)定的大氣CO2濃度年均值(ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/products/trends/co2/co2_annmean_mlo.txt)。縣級(jí)石漠化治理工程的統(tǒng)計(jì)資料源自西南喀斯特地區(qū)八個(gè)省份的林業(yè)局提供的2008—2015年治理石漠化區(qū)域的面積。參照Tong等的研究[13],按石漠化綜合治理工程區(qū)域面積將100個(gè)試點(diǎn)縣分為較低(0—50 km2)、中等(50—100 km2)、較高(100—200 km2)和高(>200 km2)4類治理等級(jí)。利用Arcgis10.1將以上數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為WGS84—Albers等面積投影,空間分辨率統(tǒng)一為500 m,時(shí)間步長(zhǎng)統(tǒng)一為年尺度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

1.4.1 趨勢(shì)分析

利用趨勢(shì)傾向率(b)分析植被EVI、GPP和氣象因子的年際變化率,逐柵格進(jìn)行趨勢(shì)分析,公式如下：

(9)

式中：xi為第i年EVI年均值、GPP年總量、年均溫或年降水量；n為研究時(shí)段；ti為xi對(duì)應(yīng)的時(shí)間。b>0說明植被EVI、GPP及各氣象因子在研究期間呈增加趨勢(shì),反之呈減小趨勢(shì)。

1.4.2 突變點(diǎn)檢測(cè)

使用Mann-Kendall方法檢測(cè)EVI變化趨勢(shì)的潛在突變點(diǎn)[40]。對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x,構(gòu)造一個(gè)秩序列：

(10)

(11)

式中,秩序列Sk是第i時(shí)刻的數(shù)值大于j時(shí)刻(j=1,2,…,i)的數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下,定義統(tǒng)計(jì)量如下：

(12)

式中,UF1=0,E(Sk)和Var(Sk)分別是秩矩陣Sk的均值和方差。在x1,x2,…,xn相互獨(dú)立,且有相同連續(xù)分布時(shí),它們可以由下式算出：

(13)

(14)

式中,UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,它是按,x1,x2,…,xn排序計(jì)算出的正向統(tǒng)計(jì)量序列。對(duì)于相反的序列xn,xn-1,…,x1,重復(fù)上述過程可得到逆向統(tǒng)計(jì)量序列UBk,同時(shí)使UBk=-UFk,UB1=0。如果UBk和UFk相交,這個(gè)交叉點(diǎn)可能是突變點(diǎn)(P<0.05)。

1.4.3 回歸分析及殘差分析

將年均溫(XT)和年降水量(XP)對(duì)植被EVI年均值(Y)變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)率(fi)定義為預(yù)測(cè)變量的趨勢(shì)及其回歸系數(shù)的乘積,回歸方程和貢獻(xiàn)率分別表示為：

Y=b0+bTXT+bPXP+ε

(15)

(16)

式中,i為研究時(shí)段；bT和bP分別是年均溫和年降水量的回歸系數(shù)；b0是常數(shù)項(xiàng)；ε是殘差。殘差分析法首先將植被EVI年均值與年均溫、年降水量等氣象數(shù)據(jù)建立回歸方程,利用回歸方程得到植被EVI預(yù)測(cè)值,進(jìn)而計(jì)算得到實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的差。只有在植被EVI年均值與氣候因子存在顯著相關(guān)的區(qū)域,假定實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的差消除了氣候變化對(duì)植被 EVI年均值的影響,采用EVI殘差趨勢(shì)變化來反映非氣候因子對(duì)植被覆蓋的影響[19]。需要注意的是,由于缺乏與植被EVI匹配、時(shí)空連續(xù)的大氣CO2濃度數(shù)據(jù)和大氣氮沉降數(shù)據(jù),無法逐柵格建立大氣CO2濃度、大氣氮沉降與植被EVI的多元回歸方程。因此,本研究在上述多元回歸分析的基礎(chǔ)上,對(duì)年均EVI與大氣CO2濃度和大氣氮沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋及生產(chǎn)力的時(shí)空動(dòng)態(tài)

2000—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被EVI均值分布在0.28—0.33之間,呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05),年增長(zhǎng)率為0.0022。Mann-Kendall檢驗(yàn)顯示,正向統(tǒng)計(jì)量序列(UF)與逆向統(tǒng)計(jì)量序列(UB)曲線在2008年附近相交,表明2008年前后植被EVI存在顯著差異,應(yīng)分段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖2)。2000—2007年,植被年均EVI變化不顯著(P=0.21)；2008年實(shí)施石漠化治理工程以來,植被年均EVI的增速變快(圖2)。與2000—2007年相比,2008—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被EVI的均值和變化率分別偏高6.9%和85.7%,其中喀斯特生態(tài)系統(tǒng)與非喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被EVI的均值分別由原來的0.294和0.292增加至0.313和0.311,EVI年增長(zhǎng)率分別由原來的0.0016和0.0013增加至0.0027和0.0026。

逐柵格分析顯示,2000—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)大部分區(qū)域(88.4%)植被EVI年均值呈增加趨勢(shì)(圖3)。增加最為明顯的地區(qū)主要分布在四川東部、湖南南部及廣西中部,平均年增長(zhǎng)率為0.0033以上,其中58.8%的區(qū)域增加趨勢(shì)達(dá)到顯著水平。植被EVI呈減少趨勢(shì)的區(qū)域僅占西南喀斯特地區(qū)總面積的11.6%,主要集中在四川西部和云南北部,平均年減少率為-0.0015。2000—2007年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)僅有7.9%的區(qū)域植被EVI發(fā)生顯著變化(圖3),顯著增加的區(qū)域主要分布在湖北及重慶北部。而2008—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被EVI發(fā)生顯著變化(P<0.05)區(qū)域面積占西南喀斯特地區(qū)總面積的15.8%,其中植被EVI顯著增加的區(qū)域占總面積的13.4%,主要位于四川東部、湖南南部及廣西中部；植被EVI顯著減少的區(qū)域僅占2.4%,主要位于云南北部、湖北東部及湖南北部(圖3)。2008—2015年植被EVI變化率大于2000—2007年的區(qū)域覆蓋西南喀斯特地區(qū)的62.1%,并且2008年以后植被EVI增加的區(qū)域面積比2000—2007年增加了12%。

因此,下文重點(diǎn)以2008—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被EVI發(fā)生顯著變化區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。該區(qū)域2008—2015年植被EVI以每年0.0062(P<0.05)的速率顯著增加,顯著高于2000—2007年0.0025(P=0.09)的年變化率(表1)。盡管該區(qū)域年GPP的平均值和最大值在兩個(gè)時(shí)段間沒有顯著變化,但2008年以來該區(qū)域年GPP的增長(zhǎng)率明顯高于之前。其中,2008—2015年植被EVI顯著增加區(qū)域內(nèi)年GPP呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05),變化率為20.58 gC m-2a-1；而同期植被EVI顯著減少區(qū)域內(nèi)年GPP亦呈顯著減少趨勢(shì)(P<0.05),變化率為-17.21 gC m-2a-1。植被EVI和GPP均增加的區(qū)域占研究區(qū)的12.7%,主要位于四川中部、湖南南部、廣西中部和云南東部的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)；研究區(qū)有0.9%的區(qū)域植被EVI和GPP均減少,主要位于云南北部、重慶西部和湖北東部；而二者變化不同步的區(qū)域面積很小(圖3)。

圖2 2000—2015年植被EVI年際變化與突變點(diǎn)檢測(cè)Fig.2 Inter-annual variations and abrupt changes of EVI from 2000 to 2015

圖3 EVI和GPP的變化趨勢(shì)Fig.3 The changing trends of EVI and GPP 紅色代表增強(qiáng)型植被指數(shù)、總初級(jí)生產(chǎn)力呈減少趨勢(shì)，綠色代表二者呈增加趨勢(shì);顏色的深淺表示增加或減少的程度，顏色越深表示程度越高

盡管喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被EVI與GPP的平均值和最大值與非喀斯特生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng),但喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被EVI與GPP的增長(zhǎng)率明顯高于非喀斯特生態(tài)系統(tǒng)(表1)。對(duì)2000—2007年、2008—2015年兩個(gè)時(shí)段內(nèi)同一研究區(qū)域的植被EVI、GPP進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),結(jié)果顯示兩個(gè)時(shí)段內(nèi)西南喀斯特地區(qū)以及喀斯特生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植被EVI均值存在顯著差異(F=5.05,P<0.05；F=6.40,P<0.05),且喀斯特生態(tài)系統(tǒng)年GPP最大值也具有顯著差異(F=6.20,P<0.05)。這表明與非喀斯特生態(tài)系統(tǒng)相比,2008年以來中國(guó)西南喀斯特地區(qū)的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋和生產(chǎn)力表現(xiàn)出快速增加趨勢(shì)。

表1 2008—2015年EVI顯著變化區(qū)域內(nèi)EVI和GPP統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示不同處理在0.05水平存在顯著差異；*表示P<0.05；**表示P<0.01

2.2 植被變化的驅(qū)動(dòng)因子分析

中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋變化受氣候、大氣CO2濃度、大氣氮沉降和人類活動(dòng)等多種因素的共同影響。從總體上看,2008—2015年該區(qū)域年均溫和年降水量均無顯著變化趨勢(shì),年均溫和年降水量與植被EVI亦無顯著相關(guān)關(guān)系(圖4)。但逐柵格統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,大部分地區(qū)(85.4%)植被EVI與氣候因子(即年均溫和年降水量)顯著相關(guān)(P<0.05),特別是四川東部、湖南南部及廣西中部等地區(qū)。多元回歸分析顯示,年均溫和年降水量對(duì)植被EVI增加趨勢(shì)的貢獻(xiàn)分別為24.6%和3.7%,這表明該區(qū)域植被EVI的顯著增加主要源于除氣候外的其他因子。根據(jù)2008—2013年的生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2),該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型的轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)為農(nóng)田轉(zhuǎn)為林地和草地、草地轉(zhuǎn)為林地,其中9.1%的農(nóng)田轉(zhuǎn)為林地和草地,7.7%的草地轉(zhuǎn)為林地,其他類型變化面積非常小?？傮w上,林地和灌木面積增加了222.06×102km2；草地、農(nóng)田及其他地類的面積均有不同程度減少。2008—2015年大氣CO2濃度呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05),與植被EVI顯著正相關(guān)(圖4)。此外,基于Gu等的大氣氮沉降估算結(jié)果[39],2000年以來該區(qū)域大氣氮沉降呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05),并且該時(shí)段內(nèi)植被EVI與大氣氮沉降呈顯著正相關(guān)(圖4)。上述結(jié)果表明,2008—2015年因?qū)嵤┦卫砉こ虒?dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)類型變化及大氣CO2濃度、大氣氮沉降的持續(xù)增加可能是引起植被覆蓋趨勢(shì)增加的重要原因。

圖4 2008—2015年EVI與氣候因子、大氣CO2濃度及大氣氮沉降的關(guān)系Fig.4 The relationships between EVI and climatic factors, atmospheric carbon dioxide concentration, atmospheric nitrogen deposition from 2008 to 2015

2008年2013年林地Forest land灌木Shrub草地Grassland農(nóng)田Farmland其他Others合計(jì)Total變化面積The area of change林地Forest land—1.13 14.9251.531.19820.15222.06灌木Shrub6.62—5.823.540.2310.771.32草地Grassland205.924.66—127.851.20838.81-159.96農(nóng)田Farmland83.045.00157.91—1.13938.48-63.35其他Others1.870.121.020.81—53.57-0.07合計(jì)Total1042.2112.09678.85875.1353.502661.78—

針對(duì)植被EVI與氣候因子顯著相關(guān)的區(qū)域,對(duì)比分析了首批100個(gè)石漠化治理試點(diǎn)縣及其他喀斯特生態(tài)系統(tǒng)2008—2015年植被覆蓋和生產(chǎn)力趨勢(shì)的差異。結(jié)果表明,100個(gè)試點(diǎn)縣內(nèi)植被EVI年均值和GPP年總量的增長(zhǎng)率分別為0.0067 a-1和20.4 gC m-2a-1,均高于其他喀斯特生態(tài)系統(tǒng)(0.0053 a-1和13.85 gC m-2a-1)。因此,計(jì)算100個(gè)試點(diǎn)縣內(nèi)實(shí)測(cè)EVI與預(yù)測(cè)EVI的差,并進(jìn)行趨勢(shì)擬合。結(jié)果表明2008—2015年在非氣候因子的主導(dǎo)作用下,100個(gè)試點(diǎn)縣有94%的區(qū)域植被EVI表現(xiàn)出增加趨勢(shì)。進(jìn)一步對(duì)不同治理等級(jí)下非氣候因子主導(dǎo)的植被EVI變化趨勢(shì)以及植被EVI、GPP、大氣氮沉降變化趨勢(shì)進(jìn)行了方差分析(表3)。結(jié)果顯示,在非氣候因子的影響下,大部分試點(diǎn)縣(82%)的植被EVI呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)；不同治理等級(jí)間的植被趨勢(shì)存在顯著差異(F=2.71,P<0.05),并且隨著治理面積的增大而增高。同時(shí),植被EVI和GPP的平均增長(zhǎng)率也表現(xiàn)出隨著治理面積的增加而變大的趨勢(shì),但統(tǒng)計(jì)上未達(dá)到顯著水平。盡管大氣氮沉降變化率也存在顯著差異(F=6.51,P<0.05),但治理等級(jí)最高的地區(qū)其大氣氮沉降增加率反而低于其他三個(gè)等級(jí)。這表明石漠化綜合治理工程的實(shí)施有效地促進(jìn)了試點(diǎn)縣植被覆蓋的增加,而大氣氮沉降并非植被變化趨勢(shì)差異的主要影響因素。

表32008—2015年不同治理強(qiáng)度下非氣候因子主導(dǎo)的植被覆蓋及植被覆蓋、生產(chǎn)力、大氣氮沉降的變化率

Table3Trendofvegetationchangedominatedbynon-climaticfactors,EVI,GPPandatmosphericnitrogendepositionunderdifferenttreatmentintensitiesfrom2008to2015

治理面積The area of administration/km2治理等級(jí)The level of administration 非氣候因子主導(dǎo)的植被變化率The changing rate of vegetation dominated by non-climatic factors/a-1EVI 變化率The changing rate of EVI/a-1GPP 變化率The changing rate of GPP/(gC m-2 a-1)大氣氮沉降變化率The changing rate of atmospheric nitrogen deposition/(gN m-2 a-1)< 50較低0.0022±0.0010b-0.0006±0.0018a-0.05±11.7a0.34±0.026a50—100中等0.0046±0.0008a0.0024±0.0019a3.45±9.79a0.32±0.025a100—200較高0.0037±0.0008ab0.0023±0.0020a3.95±10.37a0.31±0.029a> 200高0.0053±0.0007a0.0044±0.0016a14.36±9.89a0.24±0.018b

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同小寫字母表示不同處理在0.05水平存在顯著差異

3 討論

在自然和人為因素的共同影響下,中國(guó)西南喀斯特地區(qū)的植被覆蓋狀況呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),主要表現(xiàn)為2000年以來植被指數(shù)增加速率[13,41]明顯高于20世紀(jì)最后20年[11]。在此基礎(chǔ)上,本研究進(jìn)一步揭示了2008年實(shí)施石漠化綜合治理工程以來,該地區(qū)植被EVI的增長(zhǎng)速率相比2000—2007年明顯增加,特別是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被EVI的顯著增加在很大程度上源于石漠化綜合治理等人類活動(dòng)的作用。這與前人基于遙感數(shù)據(jù)和模型的研究結(jié)果較為一致,即生態(tài)工程的實(shí)施在很大程度上促進(jìn)了西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋及生產(chǎn)力的增加,而氣候因子的促進(jìn)作用較小[13,19]。退耕還林(草)、宜林荒山荒地和人工造林種草等工程措施引起的生態(tài)系統(tǒng)類型變化和林地、草地面積增加是該區(qū)域植被覆蓋和生產(chǎn)力提高的重要原因。首先,在坡耕地上人工種草及經(jīng)果林和水保林的種植有效調(diào)節(jié)了土壤容重和孔隙度,增加土壤保水能力,改善土壤結(jié)構(gòu),提高了土壤的抗侵蝕性[42]。其次,坡改梯、排灌溝渠、蓄水池等小型水利水保配套措施的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了降坡保土、合理攔蓄和利用水資源,有效地改善了石漠化地區(qū)土壤水分供應(yīng)狀況,在一定程度上緩解了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)因大部分地表降水通過巖體縫隙和地下水系管網(wǎng)流入地下深處造成的地表干旱缺水現(xiàn)象[43]。此外,封山育林育草能夠增加地上凋落物和根系轉(zhuǎn)向土壤的營(yíng)養(yǎng)輸入,增加土壤養(yǎng)分含量[44]。由國(guó)家和地方政府采取的一系列生態(tài)恢復(fù)措施改變了植被生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境條件,促進(jìn)了植被覆蓋的增加和生產(chǎn)力的提高。盡管石漠化綜合治理工程的實(shí)施有效地促進(jìn)了試點(diǎn)縣植被EVI的增加,但工程實(shí)施面積大、投入資金多并不一定代表工程帶來的效益高,工程效益還受到氣候、地形及人類管理等要素的影響[13]。本研究發(fā)現(xiàn)云南北部、湖北東部及湖南北部等局部地區(qū)存在植被退化趨勢(shì)。干旱可能是導(dǎo)致該區(qū)域植被覆蓋和生產(chǎn)力下降的主要原因之一。2008—2015年植被退化區(qū)域內(nèi)年均溫和年降水量均未發(fā)生顯著變化,但2009年和2011年的降水量比多年均值(1097 mm)低14%,限制了植被的生長(zhǎng)發(fā)育。其他研究也表明,2009年秋至2010年春中國(guó)西南大部分地區(qū)遭受的極端干旱造成了經(jīng)濟(jì)林和天然植被大面積枯死,2009—2011年中國(guó)西南大部分地區(qū)植被NPP比2001—2011年均值偏低 12.55 gC m-2a-1[45]。同時(shí),生態(tài)系統(tǒng)類型的變化也可能是導(dǎo)致植被長(zhǎng)勢(shì)變差的另一個(gè)重要原因。該區(qū)域72%的面積發(fā)生了生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)變,主要表現(xiàn)為林地、灌木和農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ǔ蓞^(qū)及裸地。這些轉(zhuǎn)變可能主要源自城市擴(kuò)張,部分居民開墾新的耕地[13],以及非法采伐、過度放牧等其他人類開發(fā)利用活動(dòng)的不斷擴(kuò)張。這表明中國(guó)西南喀斯特地區(qū)在巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展壓力下,生態(tài)修復(fù)和治理仍是一個(gè)長(zhǎng)期的過程,需要國(guó)家和地方政府進(jìn)一步的政策引導(dǎo)和技術(shù)投入。

生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的影響具有復(fù)雜性。大規(guī)模的造林可能會(huì)使植被蒸騰增加,消耗更多的水分,導(dǎo)致造林區(qū)域植被覆蓋度降低[46]。人工種植的大多是非本地的、快速生長(zhǎng)的單一物種,會(huì)使群落結(jié)構(gòu)單一化,對(duì)生物多樣性產(chǎn)生不利影響,可能導(dǎo)致植被演替的中斷或逆向發(fā)展[47]。植樹造林會(huì)導(dǎo)致樹木冠層以下光照的減小,影響林下植物的光合作用[48]。目前的研究?jī)H著眼于生態(tài)工程對(duì)植被覆蓋和生產(chǎn)力的影響,并沒有綜合評(píng)估生態(tài)工程對(duì)其他生態(tài)功能的影響。因此,需要補(bǔ)充地面觀測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步評(píng)估工程對(duì)土壤侵蝕、生物多樣性的影響,并考慮生態(tài)系統(tǒng)功能的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[49-51],以便更進(jìn)一步地定量評(píng)估石漠化治理工程的綜合效益,從而支持更有效和更靈活的環(huán)境恢復(fù)政策。政府和決策者應(yīng)該充分考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況,因地制宜地制定和調(diào)整環(huán)境政策。

本研究采用統(tǒng)計(jì)方法分析了2008—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被的時(shí)空變化特征及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng),并評(píng)估了石漠化綜合治理工程的效益,為增強(qiáng)對(duì)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)自然過程的認(rèn)識(shí)和生態(tài)工程建設(shè)及科學(xué)管理提供了依據(jù)。為從機(jī)理上揭示該地區(qū)植被生長(zhǎng)狀況與各因子之間的內(nèi)在聯(lián)系,今后還需要結(jié)合長(zhǎng)期和系統(tǒng)的觀測(cè)與實(shí)驗(yàn),獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的大氣CO2濃度、大氣氮沉降空間數(shù)據(jù),并借助于生態(tài)系統(tǒng)過程模型來加強(qiáng)認(rèn)識(shí)和理解,從而能夠在未來定量地區(qū)分氣候變化、大氣CO2濃度、大氣氮沉降及人類活動(dòng)對(duì)植被動(dòng)態(tài)的影響。此外,由于目前還無法獲得石漠化綜合治理工程實(shí)施的具體位置信息,對(duì)工程實(shí)施效果的評(píng)估主要是基于縣域尺度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),今后應(yīng)進(jìn)一步開展工程實(shí)施區(qū)的定位工作,更準(zhǔn)確地分析工程實(shí)施區(qū)域的植被變化趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文利用MODIS EVI產(chǎn)品和遙感光能利用率模型VPM模擬的GPP數(shù)據(jù),分析了2000—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被EVI年均值和GPP年總量變化的時(shí)空特征及其對(duì)石漠化綜合治理工程以及氣候變化等環(huán)境因子的響應(yīng),評(píng)估了2008年來首批石漠化綜合治理100個(gè)試點(diǎn)縣內(nèi)工程實(shí)施對(duì)植被覆蓋的影響。主要研究結(jié)論如下：

(1)2000—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被EVI呈顯著增加趨勢(shì),年際變化率為0.0022 a-1。與2000—2007年相比,2008—2015年中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被EVI的均值和變化率分別偏高6.9%和85.7%。16年來中國(guó)西南喀斯特地區(qū)88.4%的區(qū)域植被EVI呈增加趨勢(shì),增加最為明顯的地區(qū)主要分布在四川東部、湖南南部、廣西中部,其中58.8%的區(qū)域增加趨勢(shì)達(dá)到顯著水平。2008—2015年植被EVI變化率大于2000—2007年的區(qū)域覆蓋西南喀斯特地區(qū)面積的62.1%。

(2)2008年實(shí)施石漠化綜合治理工程以來,中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋和生產(chǎn)力的增長(zhǎng)速率變快,主要位于四川中部、湖南南部、廣西中部和云南東部。2008—2015年植被EVI發(fā)生顯著變化區(qū)域面積占西南喀斯特地區(qū)總面積的15.8%。該區(qū)域2008以來植被EVI以每年0.0062的速率顯著增加,明顯高于2000—2007年的變化率；年GPP的增加趨勢(shì)也明顯高于之前。盡管喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被EVI與GPP的年均值和最大值與非喀斯特生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng),但喀斯特生態(tài)系統(tǒng)植被EVI與GPP的增長(zhǎng)率明顯高于非喀斯特生態(tài)系統(tǒng)。

(3)中國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋變化受氣候、大氣CO2濃度、大氣氮沉降和人類活動(dòng)等多種因素的共同影響。氣溫和降水對(duì)2008—2015年植被EVI增加趨勢(shì)的綜合貢獻(xiàn)低于30%,生態(tài)系統(tǒng)類型的轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)為農(nóng)田轉(zhuǎn)為林地和草地、草地轉(zhuǎn)為林地。由于石漠化綜合治理工程的實(shí)施引起的生態(tài)系統(tǒng)類型變化(退耕還林還草)及大氣CO2濃度、大氣氮沉降的增加可能是引起植被覆蓋趨勢(shì)增加的重要原因。

(4)對(duì)首批100個(gè)石漠化治理試點(diǎn)來說,大部分試點(diǎn)縣植被覆蓋的增加趨勢(shì)主要受非氣候因子的影響。非氣候因子主導(dǎo)的植被EVI變化趨勢(shì)隨著治理面積的增大而增高,這表明石漠化綜合治理工程的實(shí)施有效地促進(jìn)了試點(diǎn)縣植被覆蓋的增加。盡管大氣氮沉降會(huì)促進(jìn)植被生長(zhǎng),但它并不是該區(qū)域植被變化趨勢(shì)空間差異的主要影響因素。