廖 桃,溫兆飛,周 旭,陳珊珊,馬茂華,吳勝軍

1 重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074 2 中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院, 重慶 400714 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)重慶學(xué)院, 重慶 400714 4 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院, 重慶 400074

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是土壤、水和大氣之間的天然紐帶[1—2]。森林生態(tài)系統(tǒng)是世界上分布廣泛的陸地生態(tài)系統(tǒng),其總面積約占陸地表面的31%[3]。因此,森林面積的變化會(huì)影響生態(tài)圈的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程[4]；其長(zhǎng)勢(shì)變化能反映陸地表層生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演變特征。天然林是森林生態(tài)系統(tǒng)的主體,其長(zhǎng)勢(shì)可在一定程度上評(píng)估生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性[5]。

自然環(huán)境(如氣候和地形)和人類活動(dòng)等多因子的綜合影響,直接或間接地導(dǎo)致了天然林資源的破壞[6—8],如生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化,生物物種類型和數(shù)目減少以及景觀嚴(yán)重破碎化等[9—10],使天然林自我反饋調(diào)節(jié)能力下降。由此,國(guó)家和地方政府從20世紀(jì)末開始實(shí)施了一系列生態(tài)工程和管理措施,包括建立生態(tài)保護(hù)區(qū)以及實(shí)施生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程等[11]。

1998年起國(guó)家實(shí)施了天然林資源保護(hù)工程(天保工程),它是我國(guó)針對(duì)天然林資源長(zhǎng)期過度消耗問題、遏制生態(tài)退化的關(guān)鍵舉措之一[12]。20多年來,林業(yè)部門通過開展兩期天保工程(一期：2000—2010年；二期：2011—2020年)對(duì)天然林保護(hù)起到了重要作用[13]。不少學(xué)者評(píng)估了生態(tài)工程的效益,以及生態(tài)工程實(shí)施背景下氣候和人類活動(dòng)對(duì)植被時(shí)間變化的影響[14—15]。得益于中國(guó)大力實(shí)施生態(tài)工程,植被覆蓋增加了17.8%,主要是來自森林(42%)和耕地(32%)的貢獻(xiàn)[14],區(qū)域是否實(shí)施生態(tài)工程對(duì)植被在空間上的表現(xiàn)也存在顯著差異[16]。具體而言,天然林資源保護(hù)一期工程的實(shí)施使水源涵養(yǎng)、水土保持以及固碳釋氧等森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[17—18]。上述研究表明生態(tài)工程對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了積極作用,但缺乏生態(tài)工程期間植被空間分異性的分析,然而這對(duì)于認(rèn)識(shí)不同立地條件、生態(tài)措施下植被的反響作用十分重要。

地理探測(cè)器是能探測(cè)空間分異并揭示其背后驅(qū)動(dòng)因子的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,定量分析引起森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的各驅(qū)動(dòng)因子之間的相對(duì)重要性,同時(shí)還可探測(cè)驅(qū)動(dòng)因子兩兩之間的交互作用強(qiáng)度[19—20]。目前,地理探測(cè)器因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)已被應(yīng)用于自然到社會(huì)的多個(gè)領(lǐng)域。在量化自然因子和人類活動(dòng)對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)空間分異影響程度的研究中,大多數(shù)以所有植被為研究對(duì)象,如彭文甫等利用地理探測(cè)器模型研究了四川地區(qū)植被分布的空間模式的響應(yīng)因子[21]。也有部分學(xué)者對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行了分區(qū),如按地貌[22]、氣候[23]、植被類型[24]、主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[25]等探索不同分區(qū)中植被空間分異的影響因素。然而尚缺乏對(duì)天然林(包括不同林分起源類型和不同林型)長(zhǎng)勢(shì)空間分異的驅(qū)動(dòng)因子分析報(bào)道,相關(guān)結(jié)論對(duì)于我國(guó)重點(diǎn)生態(tài)工程區(qū)(例如三峽庫區(qū))的管理和政策制定至關(guān)重要。

三峽庫區(qū)是長(zhǎng)江上游最后一道生態(tài)屏障,也是生態(tài)敏感區(qū)。在三峽水庫建設(shè)與運(yùn)行的過程中,產(chǎn)生了大量的移民安置與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作,人地關(guān)系復(fù)雜。人口遷移改變了初始人口的規(guī)模和結(jié)構(gòu),也影響了區(qū)域土地利用和植被的變化[26]。同時(shí),由于經(jīng)濟(jì)的刺激,大量勞動(dòng)力外遷,促進(jìn)了植被的恢復(fù),減少了對(duì)林地的負(fù)面干擾[27]。為明晰天保工程期間自然環(huán)境因子和人類活動(dòng)對(duì)森林(不同林分起源以及林型)長(zhǎng)勢(shì)空間分異特征的影響程度,本研究以三峽庫區(qū)重慶段為研究區(qū),基于生長(zhǎng)季森林長(zhǎng)勢(shì)數(shù)據(jù),運(yùn)用趨勢(shì)分析以及地理探測(cè)器模型等方法探索原生林、人工林和次生林不同林分起源以及針葉林、闊葉林、混交林和竹林不同林型的森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的驅(qū)動(dòng)因子,定量分析了地形、氣候以及人類活動(dòng)因子對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力,并探索了各因子的解釋力在天保工程一期和二期的變化情況,這對(duì)天然林資源保護(hù)工程的后續(xù)開展具有重要科學(xué)價(jià)值。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

三峽庫區(qū)重慶段地處長(zhǎng)江上游,地理范圍介于東經(jīng)105°49′—110°12′,北緯28°31′—31°44′之間,面積約為46134km2,占整個(gè)三峽庫區(qū)面積的79.5%[28](圖1)。地勢(shì)東高西低,海拔差異較大,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年均溫為17—19℃,年降水量豐沛,大部分集中在1000—1350mm之間。境內(nèi)有多條河流,對(duì)小環(huán)境循環(huán)以及植被生長(zhǎng)起到重要作用。土壤類型主要有黃棕壤、黃褐土、棕壤、石灰土、紫色土、粗骨土、草甸土、水稻土和黃壤等[28]。森林林分起源類型主要有原生林(天然起源的森林)、人工林(人工栽植)和次生林(原生林經(jīng)過砍伐后自然更新形成的森林)；森林類型主要為闊葉林、針葉林、混交林和竹林(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及其森林特征：林分起源類型和森林類型Fig.1 Location of study area and its forest characteristics: forest stand origin types, and forest type

1.2 數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)包括森林分布數(shù)據(jù)(包括林分起源類型和林型,如圖1所示)、森林長(zhǎng)勢(shì)(表示在局部尺度上能夠反映植被光合作用能力和植被活力的生長(zhǎng)狀態(tài),用生長(zhǎng)季最大歸一化植被指數(shù)(NDVI)來表征)[29]、氣候因子(用年平均氣溫、年降水量和年日照時(shí)數(shù)來表征)、地形因子(用海拔、坡度、坡向、距水體的距離和土壤類型來表征)以及人類活動(dòng)因子(用人口密度、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)密度、距建成區(qū)的距離以及距道路的距離來表征)(表1)。

表1 影響研究區(qū)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的驅(qū)動(dòng)因子

林分起源類型以及森林類型數(shù)據(jù)集由重慶市林業(yè)局提供,空間分辨率100m,通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到矢量圖層,用于對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

NDVI數(shù)據(jù)源自中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率1km,為2000至2019年年度生長(zhǎng)季最大值合成產(chǎn)品。計(jì)算2000—2009以及2010—2019年間NDVI數(shù)據(jù)的均值指示天保工程一期、二期實(shí)施階段森林的平均長(zhǎng)勢(shì)。

氣象數(shù)據(jù)包括研究時(shí)段內(nèi)年平均氣溫、年降水量和日照時(shí)數(shù),其中年平均氣溫和年降水量源自中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)的公里格網(wǎng)產(chǎn)品數(shù)據(jù),空間分辨率1km,為2000至2015年年度產(chǎn)品數(shù)據(jù)。日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)來源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)—國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心-地理資源分中心(http://gre.geodata.cn)的中國(guó)月日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)集,空間分辨率1km,為2000至2015年月產(chǎn)品數(shù)據(jù)。計(jì)算2000—2009以及2010—2015年間的年平均氣溫、年降水量和日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)的均值表示天保工程一期、二期實(shí)施階段氣候因子指示指標(biāo)(圖2)。

地形數(shù)據(jù)用SRTM 90m DEM產(chǎn)品表示,源自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),并根據(jù)海拔數(shù)據(jù)提取坡度和坡向數(shù)據(jù)。水體數(shù)據(jù)源自O(shè)pen Street Map網(wǎng)站(https://www.openstreetmap.org/),提取線狀與面狀水體數(shù)據(jù)(2014年水體數(shù)據(jù)),并計(jì)算各區(qū)域到水體的距離,空間分辨率1km。土壤類型數(shù)據(jù)源自中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率1km。以海拔、坡度、坡向、距水體的距離以及土壤類型表示天保工程實(shí)施階段地形因子指示指標(biāo)(圖2)。

圖2 氣候因子(天保一期期間、二期期間的年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù))、地形因子(海拔、坡度、坡向、距水體的距離和土壤類型)空間分布Fig.2 The spatial distribution of climatic factors (annual average temperature, precipitation and sunshine duration.during the NFPP Ⅰ and Ⅱ), topographic factors (altitude, slope, aspect,distance to water and soil types)

圖3 人類活動(dòng)因子(天保一期、天保二期期間人口密度、GDP密度、距道路的距離和距建成區(qū)的距離)空間分布Fig.3 Spatial distribution of human activity factors (population density, GDP density, distance to road and distance to built-up land during the NFPP Ⅰ and Ⅱ)

土地利用數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)和GDP密度數(shù)據(jù)均源自中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率1km,時(shí)間為2005年與2015年。計(jì)算各區(qū)域到土地利用類型為建設(shè)用地的距離,空間分辨率1km。兩期天保期間的公路數(shù)據(jù)源自O(shè)pen Street Map網(wǎng)站的2014年矢量數(shù)據(jù),提取公路數(shù)據(jù)并計(jì)算各區(qū)域到公路的距離(由于未能獲得天保一期期間的公路數(shù)據(jù),故求其次選取2014年公路數(shù)據(jù)代替),空間分辨率1km。通過2005年度和2015年度的人口密度、GDP密度、距建成區(qū)的距離以及2014年度的距道路的距離表示天保工程一期、二期實(shí)施階段人類活動(dòng)因子指示指標(biāo)(圖3)。

以上數(shù)據(jù)定義投影為WGS_1984_UTM_Zone_48N,空間分辨率統(tǒng)一重采樣為100m,并按不同林分起源和林型范圍進(jìn)行裁剪,以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 方法

2.1 植被趨勢(shì)分析

為了得到像元尺度的森林長(zhǎng)勢(shì)與時(shí)間的回歸關(guān)系,以年生長(zhǎng)季NDVI指數(shù)為自變量,通過線性回歸分析方法(式1),計(jì)算得到3個(gè)時(shí)間段(整個(gè)天保期間、天保一期和天保二期)每個(gè)像元NDVI的變化趨勢(shì),分辨率1km[8]。Slope表示森林長(zhǎng)勢(shì)(NDVI)變化趨勢(shì),式中,n表示時(shí)間長(zhǎng)度,i表示年序號(hào),Slope>0時(shí),研究期間森林長(zhǎng)勢(shì)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),且數(shù)值越大增長(zhǎng)得越明顯；反之,呈下降趨勢(shì)。

(1)

2.2 地理探測(cè)器模型

2.2.1地理探測(cè)器模型原理

地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性的工具,能夠揭示空間分異背后的驅(qū)動(dòng)力因子,主要通過地理事物空間分異與驅(qū)動(dòng)因子空間分異的兩空間分布的一致性檢驗(yàn),探討驅(qū)動(dòng)因子在地理事物空間分異方面的作用,包括分異及因子探測(cè)、交互作用探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)探測(cè)和生態(tài)探測(cè)4個(gè)探測(cè)器[19—20]。本研究使用了前兩個(gè)探測(cè)器。

分異及因子探測(cè)是探測(cè)因變量Y(森林長(zhǎng)勢(shì))的空間分異性,以及自變量X(海拔、坡度、坡向、距水體的距離、土壤類型、人口密度、GDP密度、距建成區(qū)的距離、距道路的距離、氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù))對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋程度,公式如下(式2)：

(2)

式中,L表示研究區(qū)的分區(qū)數(shù)量,Nh和N分別為子區(qū)域h和全區(qū)的單元數(shù),σ2表示總體的方差。q值表示自變量X對(duì)因變量Y的空間分異性解釋程度,取值范圍為[0,1]。q值越大則表示該因子對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力越大,尤其在極端情況下,q=1,表明森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異是完全由該因子控制。

交互作用探測(cè)是識(shí)別不同自變量因子之間的交互作用,即兩兩交互作用是否會(huì)增強(qiáng)或減弱對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力,或這些自變量因子是相互獨(dú)立的。例如,以自變量因子X1、X2為例,先計(jì)算這兩個(gè)因子分別對(duì)因變量的解釋力qX1、qX2,然后疊加兩個(gè)因子計(jì)算q(X1∩X2),比較qX1、qX2與q(X1∩X2)以此來確定因子間交互作用結(jié)果為減弱、增強(qiáng)還是獨(dú)立,具體判斷指標(biāo)如表2。

表2 兩個(gè)自變量交互作用的類型

2.2.2地理探測(cè)器的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。首先根據(jù)柵格轉(zhuǎn)矢量工具分別提取林分起源為原生林、人工林以及次生林,森林類型為針葉林、闊葉林、混交林以及竹林的矢量圖層。其次,以這些矢量圖層為統(tǒng)計(jì)單元,統(tǒng)計(jì)森林長(zhǎng)勢(shì)指標(biāo)、氣候因子、地形因子以及人類活動(dòng)因子的平均值(土壤類型為眾數(shù))。最后,以森林長(zhǎng)勢(shì)為因變量數(shù)據(jù),氣候因子、地形因子、以及人類活動(dòng)因子為自變量數(shù)據(jù)進(jìn)行分異及因子探測(cè)和交互作用探測(cè)。

模型運(yùn)行。地理探測(cè)器模型有兩種運(yùn)行模式：基于excel程序(http://www.geodetector.cn/)和基于R環(huán)境。由于基于excel程序在運(yùn)行時(shí),輸入數(shù)據(jù)的行數(shù)最大為32767,少于前述所準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的行數(shù),因此本研究采用基于R環(huán)境運(yùn)行該模型。具體而言,使用R環(huán)境中的“GD”包對(duì)各矢量圖層統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行分層、分異及因子探測(cè)和交互作用探測(cè)。在這里,為了保證地理探測(cè)器模型自變量的輸入為離散型數(shù)據(jù),除土壤類型數(shù)據(jù)外,本研究采用自然段點(diǎn)法分別將不同林分起源以及不同林型數(shù)據(jù)庫的自變量數(shù)據(jù)分為10級(jí)。

3 結(jié)果

3.1 森林長(zhǎng)勢(shì)變化特征

3.1.1時(shí)間變化特征

天保工程實(shí)施期間,三峽庫區(qū)重慶段森林NDVI均值較高且呈增長(zhǎng)趨勢(shì),平均增長(zhǎng)率為0.0046/a(圖4)。林分起源以原生林(57%)為主,其次為人工林(38%),次生林的分布范圍較小(表3)。原生林和人工林長(zhǎng)勢(shì)的變化趨勢(shì)與森林整體的變化趨勢(shì)相同,均為0.0046/a,而次生林的增長(zhǎng)率(0.0033/a)明顯低于森林整體的變化趨勢(shì)(圖4)。

森林類型主要以針葉林(61%)和闊葉林(21%)為主,其次為混交林(13%),竹林分布的范圍相對(duì)較小(表3)。除竹林外(增長(zhǎng)率為0.0032/a),不同林型長(zhǎng)勢(shì)變化趨勢(shì)與森林整體的變化趨勢(shì)相近,增長(zhǎng)率介于0.0044/a和0.0051/a之間(圖4)。

表3 不同林分起源、不同林型的區(qū)域面積

圖4 不同特征的森林長(zhǎng)勢(shì)變化特征Fig.4 Temporal change trends of forest growth for different forest characteristics (different forest stand origin types and forest types)

3.1.2空間分布特征

從森林長(zhǎng)勢(shì)空間分布來看(圖5),天保工程期間NDVI均值由東北向西南呈下降趨勢(shì)。其中NDVI均值小于0.7的面積為3%,91%的森林NDVI均值位于0.7—0.85之間,而NDVI均值大于0.85的面積為6%。天保一期期間,NDVI均值在0.75—0.8和0.8—0.85之間的面積占比分別為55%和23%,而天保二期NDVI值在0.75—0.8和0.8—0.85之間的面積占比分別為15%和43%,37%的森林NDVI均值大于0.85。

從森林長(zhǎng)勢(shì)變化趨勢(shì)的空間分布來看(圖5),整個(gè)天保工程期間,森林大部(97%)的長(zhǎng)勢(shì)呈正增長(zhǎng),主要集中在東北部區(qū)域。天保一期期間森林長(zhǎng)勢(shì)的增長(zhǎng)趨勢(shì)多集中在0—1%,而天保二期期間森林長(zhǎng)勢(shì)的增速有所提升,多集中在0.5%—3.2%,表現(xiàn)為在高海拔地區(qū)森林長(zhǎng)勢(shì)增速較大。

圖5 不同時(shí)期(天保工程全期、天保一期、天保二期)森林平均長(zhǎng)勢(shì)及變化趨勢(shì)空間分布特征Fig.5 Spatial distributions of averaged forest growth and temporal change trends of forest growth during the three different periods (NFPP, NFPP I, and NFPP II)圖例內(nèi)部為該范圍的面積百分比

3.2 森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的單因子驅(qū)動(dòng)力分析

3.2.1不同林分長(zhǎng)勢(shì)空間分異的單因子驅(qū)動(dòng)力分析

如表4所示,天保一期期間,原生林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子(解釋力大于0.2)為海拔(0.26)和氣溫(0.25),重要因子(解釋力大于0.1)為土壤類型(0.17)、距建成區(qū)的距離(0.14)、距水體的距離(0.14)、人口密度(0.12)和降水量(0.1),而GDP密度、距道路的距離、日照時(shí)數(shù)、坡度和坡向的解釋力小于0.1。人工林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子為人口密度(0.37)、GDP密度(0.35)、氣溫(0.27)和海拔(0.27)。次生林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子為氣溫(0.24)和海拔(0.24)。

總體而言,海拔和氣溫是原生林和次生林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生空間分異性的主導(dǎo)因子；而人口密度和GDP密度是人工林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生空間分異性的關(guān)鍵主導(dǎo)因子。天保二期實(shí)施期間,對(duì)于各林分起源類型區(qū)域,海拔和氣溫均是其長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生空間分異的關(guān)鍵主導(dǎo)因子,除距水體的距離、土壤類型、人口密度和GDP密度外,其余驅(qū)動(dòng)因子的解釋力有所提高,其中,距建成區(qū)的距離和降水量因子的解釋力增幅較大。

3.2.2不同林型長(zhǎng)勢(shì)空間分異的單因子驅(qū)動(dòng)力分析

如表5所示,天保一期期間,針葉林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子為海拔和氣溫；重要因子為土壤類型、距水體的距離、人口密度和距建成區(qū)的距離；而降水量、GDP密度、日照時(shí)數(shù)、距道路的距離、坡度和坡向的解釋力小于0.1。闊葉林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子為人口密度、GDP密度、氣溫、海拔、距建成區(qū)的距離和降水量?；旖涣珠L(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子為氣溫、海拔、人口密度、GDP密度、土壤類型和距水體的距離。竹林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子為氣溫。

表4 驅(qū)動(dòng)因子對(duì)不同林分起源森林(原生林、人工林和次生林)長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力

總體而言,海拔和氣溫是針葉林和混交林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生空間分異性的關(guān)鍵主導(dǎo)因子,而闊葉林長(zhǎng)勢(shì)的空間分異性受人類活動(dòng)因子的影響較大。天保二期期間,海拔和氣溫均是導(dǎo)致針葉林、混交林和竹林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生空間分異的關(guān)鍵主導(dǎo)因子,而人口密度和氣溫是闊葉林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生空間分異的關(guān)鍵主導(dǎo)因子。相較于天保一期而言,海拔、距建成區(qū)的距離、距道路的距離、氣溫和降水量對(duì)各林型長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力均是增加的。

3.3 森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的驅(qū)動(dòng)因子交互作用分析

自然環(huán)境因子和人類活動(dòng)因子共同作用于森林長(zhǎng)勢(shì)。與單因子作用相比,交互探測(cè)作用的解釋力均有不同程度升高,交互作用類型為雙因子增強(qiáng)與非線性增強(qiáng),不存在相互獨(dú)立以及減弱的關(guān)系。其中坡向和日照時(shí)數(shù)與其它因子的交互作用為非線性增強(qiáng)。

表5 驅(qū)動(dòng)因子對(duì)不同類型森林 ( 針葉林、闊葉林、混交林和竹林 ) 長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力

3.3.1不同林分長(zhǎng)勢(shì)空間分異的驅(qū)動(dòng)因子交互作用分析

如圖6所示,天保一期實(shí)施期間,海拔、氣溫因子分別和其它因子的交互作用對(duì)原生林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力均大于0.26,其中土壤類型分別與海拔和氣溫的交互作用的解釋力均大于0.39。GDP密度和人口密度分別和其它因子的交互作用對(duì)人工林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力較強(qiáng),其中GDP密度和人口密度分別與氣溫的交互作用解釋力達(dá)到了0.55。海拔、土壤類型和氣溫因子分別與其它因子的交互作用對(duì)次生林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力均大于0.25。

總體而言,天保一期期間,海拔、氣溫分別與人類活動(dòng)(GDP密度和人口密度)的交互作用解釋力較大。對(duì)于原生林和次生林而言,海拔和氣溫分別與其它因子的交互作用解釋力較大；而對(duì)于人工林而言,GDP密度和人口密度分別與其它因子的交互作用解釋力較大。天保二期期間,各林分交互作用解釋力強(qiáng)度變化不大。GDP密度、人口密度分別與其它因子的交互作用解釋力有所下降；距建成區(qū)的距離與其它因子的交互作用解釋力有較大幅度的增加。

圖6 天保一期、天保二期期間影響原生林、人工林和次生林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的因子之間交互作用解釋力Fig.6 The explanatory power of interaction between factors for spatial stratified heterogeneity of primary forests, plantation forests, and secondary forests during the NFPP Ⅰ and Ⅱ圖示紅色表示解釋力較強(qiáng)的交互作用;Rad: 日照時(shí)數(shù); Pre: 降雨量; Tem: 氣溫; Drd: 距通路距離; Dst: 距建成區(qū)距離; Pop: 人口密度; GDP: GPP密度; Soil: 土壤類型; Dwt: 距水體的距離; Slp: 坡度; Alt: 海拔; Asp: 坡向

3.3.2不同林型長(zhǎng)勢(shì)空間分異的驅(qū)動(dòng)因子交互作用分析

如圖7所示,天保一期實(shí)施期間,海拔和氣溫分別與其它因子的交互作用對(duì)針葉林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力均大于0.3。人類活動(dòng)(GDP密度、人口密度)分別與其它因子的交互作用對(duì)闊葉林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力均大于0.44。海拔、氣溫、GDP密度和人口密度分別與其它因子的交互作用對(duì)混交林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力均大于0.34。海拔、土壤類型、氣溫和距建成區(qū)的距離分別與其它因子的交互作用對(duì)竹林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的交互作用的解釋力均大于0.16。

總體而言,海拔、氣溫分別與人類活動(dòng)(GDP密度和人口密度)的交互作用解釋力較高。天保二期期間,不同林型區(qū)域各交互作用解釋力強(qiáng)度變化不大,仍以海拔、氣溫分別和其它因子的交互作用解釋力較強(qiáng),人類活動(dòng)(GDP密度、人口密度、距建成區(qū)的距離)分別與海拔、氣溫的交互作用對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生空間分異性的解釋力較大。特別地,對(duì)于闊葉林而言,GDP密度、人口密度分別和其它因子的交互作用的解釋力有所降低。

圖7 天保一期、天保二期影響針葉林、闊葉林、混交林和竹林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的因子之間交互作用探測(cè)Fig.7 The explanatory power of interaction between factors for spatial stratified heterogeneity of coniferous, broad-leaved, mixed and bamboo forests during the NFPP Ⅰ and Ⅱ圖示紅色表示解釋力較強(qiáng)的交互作用

4 討論

陸地生態(tài)系統(tǒng)的植被總體上呈增加趨勢(shì),主要是氣候變化、土地覆蓋變化和生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的結(jié)果[30—31],本研究對(duì)三峽庫區(qū)重慶段森林長(zhǎng)勢(shì)的研究結(jié)果與之基本一致,森林改善面積達(dá)97%。但由于地形、氣候和人類活動(dòng)的區(qū)域差異,植被在空間分布上表現(xiàn)不同[32]。喀斯特地區(qū)林地的NDVI空間分異主要受海拔和氣溫的影響[33]。本研究的結(jié)果與其相近,得出氣溫、海拔和人口密度的解釋力大于0.2,GDP密度、距建成區(qū)的距離、土壤類型、降水量、距水體的距離和距道路的距離的解釋力大于0.1,而日照時(shí)數(shù)、坡度和坡向的解釋力小于0.1。

4.1 自然環(huán)境因子對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異性的影響

溫度變化對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響,環(huán)境溫度低于或高于植物所能忍受的溫度范圍均不利于植物生長(zhǎng)發(fā)育[21]。中國(guó)大陸植被覆蓋與降水量和溫度顯著相關(guān),且與溫度的相關(guān)性更大[34]。氣溫上升不僅影響植被的積溫時(shí)長(zhǎng)與生長(zhǎng)周期,而且加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解,有利于植被加速生長(zhǎng)[35]。研究區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)域,熱量與降水條件相對(duì)充足,復(fù)雜的地形以及環(huán)境條件導(dǎo)致氣溫產(chǎn)生變化,進(jìn)而對(duì)植被蒸散作用產(chǎn)生影響[36]。這使得氣溫是森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主要?dú)夂蛞蛩?降水的作用不如氣溫那么明顯。因?yàn)榻邓恳蜃右话阍诒狈降貐^(qū)對(duì)植被空間分異的影響較大,在降水豐沛地區(qū),植被空間分異要由氣溫的變化決定[37]。

地形因子決定了植被生長(zhǎng)的立地條件,對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,同時(shí)也限制了人類活動(dòng)的范圍,進(jìn)而也會(huì)對(duì)植被產(chǎn)生影響。海拔通過不同的過程控制水熱條件和土壤條件,影響其他環(huán)境變量,對(duì)區(qū)域植被格局產(chǎn)生重要影響[38],故海拔因子對(duì)森林空間分異的影響力較大。土壤類型和距水體的距離對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力也較為重要。土壤類型是影響植被生長(zhǎng)的綜合體,在降水量為主要限制因素的地區(qū),土壤類型對(duì)植被生長(zhǎng)和雨水再利用效率有顯著影響[39—40]。而研究區(qū)受到氣溫的影響更大,土壤類型的解釋力相應(yīng)不高,距水體的距離也是一個(gè)與水分相關(guān)的因子,解釋力較低。

與前述因子相比,日照時(shí)數(shù)、坡度、坡向等對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力都較弱。這是由于研究區(qū)氣候、地形條件復(fù)雜,水熱條件組合情況多變[41],日照時(shí)數(shù)和坡向因子都會(huì)通過影響太陽輻射進(jìn)而對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生影響,而太陽輻射對(duì)光合作用的影響可能與太陽輻射對(duì)蒸散的作用相互抵消[42]；坡度因子一方面限制了人類活動(dòng)對(duì)森林會(huì)起到積極作用,但另一方面限制了立地條件(水土保持)對(duì)森林起到消極作用；從而導(dǎo)致日照時(shí)數(shù)、坡度、坡向因子的解釋力較低。

4.2 人類活動(dòng)因子對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異性的影響

植被生長(zhǎng)受到自然環(huán)境和人類活動(dòng)的共同影響,但人類活動(dòng)存在明顯的環(huán)境導(dǎo)向[43]。不同林分起源和不同林型所處的自然環(huán)境特征以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有所差異,林分為人工林或者林型為闊葉林的區(qū)域更易受到人類活動(dòng)的影響。人工林大多分布在低海拔且人口密度較大的區(qū)域,闊葉林的分布也符合植被垂直性地帶分布特點(diǎn)[44],主要位于海拔較低的區(qū)域。研究結(jié)果顯示人工林或闊葉林主要受到人類活動(dòng)為人口密度和GDP密度的影響較大,且其解釋力隨時(shí)間變化而有所下降。低海拔區(qū)域人口相對(duì)聚集,在天保一期更易受到人類活動(dòng)的影響。這可能是由于研究對(duì)象為天然林資源保護(hù)工程范圍,在該區(qū)域已經(jīng)實(shí)施了封山育林、森林撫育等措施。而我國(guó)的生態(tài)保護(hù)政策主要作用在于減少人為活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)的干擾,而且一系列生態(tài)建設(shè)工程使得人類活動(dòng)與森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的關(guān)系更為復(fù)雜,影響了森林自然發(fā)展條件下的空間分布規(guī)律[45]。而天保二期期間基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)發(fā)生較大轉(zhuǎn)變， 人口多聚集于地理環(huán)境和區(qū)位條件優(yōu)越的區(qū)域；同時(shí)西部農(nóng)村改革,城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡,引起區(qū)域人口遷移,從而導(dǎo)致區(qū)域人口密度的變化,進(jìn)而對(duì)該區(qū)域土地利用和植被生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[46—47]。大量勞動(dòng)力的外遷促進(jìn)了植被的恢復(fù),減少了對(duì)林地的負(fù)面干擾[27]。

研究結(jié)果得出距建成區(qū)的距離和距道路的距離這兩個(gè)因子的解釋力有所上升,這是由于國(guó)家大力發(fā)展交通建設(shè),擴(kuò)大了人類活動(dòng)的范圍。有研究表明人類居住區(qū)和現(xiàn)有連接道路附近,森林退化的情況相對(duì)較多[48]。相較于統(tǒng)計(jì)人口數(shù)據(jù),建成區(qū)更能反映人口的聚集程度,道路可達(dá)性更能反映人類活動(dòng)影響范圍。同時(shí)建成區(qū)和道路的建設(shè)也會(huì)對(duì)小區(qū)域溫度和輻射產(chǎn)生影響,進(jìn)而對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生更顯著的影響。

4.3 交互作用影響分析

天保二期期間,多個(gè)區(qū)域中海拔和距建成區(qū)的距離、氣溫和人口密度、海拔和人口密度、氣溫和距建成區(qū)的距離的交互作用對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的影響更大。單因子和交互作用結(jié)果均表明海拔和氣溫都是導(dǎo)致森林長(zhǎng)勢(shì)分異的關(guān)鍵主導(dǎo)因子,加之人類活動(dòng)對(duì)森林存在兩向影響(人口的減少有積極影響,可達(dá)性的增加產(chǎn)生消極影響),表明在一定海拔和氣溫條件下,人類活動(dòng)對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)的影響凸顯。其次為海拔和土壤類型、氣溫和土壤類型的交互作用的解釋力強(qiáng)度較大,土壤類型為森林生長(zhǎng)的直接立地條件,直接制約著植物能否有效吸收利用養(yǎng)分的功能[49],表明在一定海拔和氣溫條件下,土壤類型對(duì)森林長(zhǎng)勢(shì)的影響凸顯。

4.4 原生針葉林長(zhǎng)勢(shì)空間分異性分析

本研究對(duì)不同林分起源和林型分區(qū)的森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了探討,也疊加林分林型對(duì)更小分區(qū)各驅(qū)動(dòng)因子的解釋力進(jìn)行了分析,二者結(jié)果差異不大,主導(dǎo)因子仍為氣溫和海拔,人口密度、GDP密度和距建成區(qū)的距離表現(xiàn)出微弱的優(yōu)勢(shì),而土壤類型、降水量、距水體的距離、距道路的距離、日照時(shí)數(shù)、坡度、坡向的解釋力相對(duì)較低。

由此僅對(duì)面積最大的原生針葉林(37%)進(jìn)行分析,除土壤類型外,其余因子在天保二期期間的解釋力均增加,具體單因子探測(cè)結(jié)果為海拔(0.370)>氣溫(0.362)>降水量(0.296)>距建成區(qū)的距離(0.122)>土壤類型(0.112)>距水體的距離(0.101)>人口密度(0.087)>GDP密度(0.075)>距道路的距離(0.072)>日照時(shí)數(shù)(0.033)>坡度(0.025)>坡向(0.000)。具體而言GDP密度、人口密度和氣溫為第一,海拔、坡度、距建成區(qū)的距離、降水量以及日照時(shí)數(shù)為第十,距水體的距離和距道路的距離為第九,坡向?yàn)榈诹謪^(qū)等級(jí)且土壤類型為棕壤的地區(qū)原生針葉林長(zhǎng)勢(shì)更為良好。

5 結(jié)論

天然林資源保護(hù)工程已有20余年,本文基于生長(zhǎng)季森林NDVI數(shù)據(jù),采用趨勢(shì)分析方法和地理探測(cè)器模型等方法,分析了三峽庫區(qū)重慶段森林長(zhǎng)勢(shì)時(shí)空變化特征及其空間分異的驅(qū)動(dòng)因子。結(jié)果表明,(1)三峽庫區(qū)森林起源以原生林為主,林型以針葉林為主。天保期間森林長(zhǎng)勢(shì)呈現(xiàn)增加趨勢(shì),從森林類型來看,不同林型長(zhǎng)勢(shì)有所差異,具體為混交林>針葉林>闊葉林>竹林；從不同林型長(zhǎng)勢(shì)變化趨勢(shì)來看,竹林增長(zhǎng)率為0.0032/a,低于針葉林、闊葉林和混交林的增長(zhǎng)趨勢(shì)；從不同林分起源長(zhǎng)勢(shì)變化趨勢(shì)來看,次生林增長(zhǎng)率為0.0032/a,低于原生林和人工林的增長(zhǎng)趨勢(shì)。(2)天保一期和天保二期森林長(zhǎng)勢(shì)及其變化趨勢(shì)有所差異,具體表現(xiàn)在天保二期期間森林呈現(xiàn)良好長(zhǎng)勢(shì)與高速率增長(zhǎng)的面積大幅增加。(3)對(duì)于不同林分起源的森林來說,海拔和氣溫均是導(dǎo)致其森林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子。特別的,對(duì)于人工林長(zhǎng)勢(shì)來說,天保一期期間,而人口密度、GDP密度、氣溫和海拔是人工林長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生空間分異性的主導(dǎo)因子；二期期間,人口密度和GDP密度的解釋力有所下降。(4)對(duì)不同森林類型來說,海拔和氣溫是導(dǎo)致針葉林和混交林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子；氣溫是影響竹林長(zhǎng)勢(shì)空間分異的主導(dǎo)因子。闊葉林長(zhǎng)勢(shì)空間分異受人類活動(dòng)的影響較大。(5)地形因子、氣候因子以及人類活動(dòng)之間的交互作用增強(qiáng)了各林分起源及林型長(zhǎng)勢(shì)空間分異的解釋力。研究結(jié)果表明,海拔、氣溫分別與其它因子的交互作用較強(qiáng),尤其人類活動(dòng)(GDP密度、人口密度、距建成區(qū)的距離)分別與海拔、氣溫的交互作用為主導(dǎo)交互因子。特別地對(duì)于人工林(按林分起源分)和闊葉林(按林型分)區(qū)域而言,天保一期期間,GDP密度和人口密度分別與其它因子的交互作用較強(qiáng)；二期期間,其解釋力有所下降,而距建成區(qū)的距離和其它因子的交互作用的解釋力有了大幅提升。