余海東,顧行發(fā),3,魏香琴,占玉林,劉 艷,李 娟,王春梅

1 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 北華航天工業(yè)學(xué)院遙感信息工程學(xué)院,廊坊 065000

生態(tài)系統(tǒng)是由地球表層一定空間內(nèi)所有生物體以及與其相互作用的非生物環(huán)境構(gòu)成的有機(jī)整體,其作為生態(tài)學(xué)的一個基本單元,是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1—2]。當(dāng)前,隨著人口的急劇增加、資源的過度消耗和環(huán)境污染的日益加劇,自然生態(tài)系統(tǒng)遭到了人類活動的巨大沖擊與破壞,全球性和區(qū)域性的生態(tài)危機(jī)和矛盾沖突日益顯現(xiàn)[3—4],亟需利用具有大面積宏觀特性的遙感手段對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行及時的監(jiān)測與評估,為迅速而準(zhǔn)確地制定出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略和治理方案提供技術(shù)支撐[5]。生態(tài)環(huán)境保護(hù)既是聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展議程推進(jìn)的重要目標(biāo),也是社會主義生態(tài)文明建設(shè)以及中國倡議的“一帶一路”建設(shè)項目中推動各國可持續(xù)發(fā)展合作的重要內(nèi)容。合理評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、分析其時空演變特征和量化保護(hù)成效,對于維護(hù)生態(tài)環(huán)境健康穩(wěn)定和促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義[6—7]。

自然植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要成分,在能量、碳、水等地球要素循環(huán)中起著關(guān)鍵性作用,其變化直接影響該區(qū)域的氣候、水文和土壤等狀況[8—9],是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的重要指示器,可作為評價陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況好壞的重要因素[10]。森林、灌叢、草地、農(nóng)田等主要的植被生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其質(zhì)量狀況在很大程度上反映了區(qū)域整體的生態(tài)環(huán)境變化特征。目前,國內(nèi)外學(xué)者基于多源信息和遙感方法已在全球[11]、國家[12]、區(qū)域[10]等不同尺度,針對森林[13]、流域[14]、濕地[15]、高原[16]、城市[17]、自然保護(hù)區(qū)[18]等多種自然環(huán)境開展了諸多有關(guān)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、健康、安全、穩(wěn)定性以及脆弱性等評估研究[19—23],構(gòu)建了多種具有指示意義的遙感生態(tài)指數(shù),形成了豐富的評價指標(biāo)和綜合評估模型[24—27],在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方面,使用的方法主要有層次分析法、主成分分析法、模糊評價法、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response,PSR)模型以及綜合指數(shù)法等[28—33]。然而,由于生態(tài)系統(tǒng)自身類型不同以及受到所處自然環(huán)境條件的限制,其本身即存在質(zhì)量上的差異,這些評估方法大多只能計算當(dāng)前條件下生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值,而不能反映其相對于理想條件所達(dá)到的質(zhì)量水平,其評估結(jié)果時間和空間可比性差[34]。因此,在進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估時,不能僅關(guān)注自然本底條件或生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值,更要注重其發(fā)展變化特征和內(nèi)在因素,目前的大多數(shù)研究對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化及其內(nèi)涵還缺乏更為深刻的認(rèn)識和解釋,難以滿足新時期對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量開展監(jiān)測與評估的需求。

參照條件起初被廣泛定義為受人類影響最小的生態(tài)系統(tǒng)變量的測量基線[35—36],在淡水生態(tài)系統(tǒng)管理[37]、海洋生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估[38]、河流生態(tài)條件評估[39]以及生態(tài)恢復(fù)[40]等方面得到不同程度的應(yīng)用。此外,在礦區(qū)土地復(fù)墾區(qū)植被重建質(zhì)量評價方面,參照區(qū)對比法也在西方國家得到了廣泛的應(yīng)用[41]。相比之下,國內(nèi)學(xué)者開始將“參照狀態(tài)”“參照區(qū)”“基線”等參照條件的概念應(yīng)用于環(huán)境損害鑒定評估[42]、水生態(tài)監(jiān)測評估[43]、草原生態(tài)系統(tǒng)損害基線判定[44]和濕地生態(tài)修復(fù)[45]等方面,但是在參照條件的概念和方法使用上仍較為缺失。何念鵬等[46]提出的基于理想?yún)⒄障档男滦蜕鷳B(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估理念和方法為量化生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化提供了一種新的思路,張夢宇等[34]通過選取參照單元計算分析了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化,得出中國陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)的平均值低于參照系28%的結(jié)論,對基于參照條件的評估方法在生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估等方面的有關(guān)理論、應(yīng)用、方法設(shè)計及其所能夠闡釋的生態(tài)學(xué)變化意義上仍有待進(jìn)一步的探究與完善。

尼泊爾獨(dú)特的地理位置使其成為全球生物多樣性最為豐富的地區(qū)之一,亦是“一帶一路”建設(shè)的重點(diǎn)合作國家,其生態(tài)環(huán)境狀況關(guān)系到世界第三極——喜馬拉雅山脈的保護(hù)以及全球氣候變化,弄清其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況與時空格局變化,對分析制定區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策、共建人類命運(yùn)共同體和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。尼泊爾國土面積較小但其海拔和氣候差異性大,植被及自然生態(tài)系統(tǒng)類型豐富,且境內(nèi)分布有眾多的國家公園、野生動物保護(hù)區(qū)和自然保護(hù)區(qū)[47],可作為天然的參照生態(tài)系統(tǒng)[46]。本文參照我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范(HJ 1172—2021)[48],從表征植被的水平結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)功能和垂直結(jié)構(gòu)3個方面構(gòu)建評價指標(biāo),針對尼泊爾境內(nèi)森林、灌叢、草地、農(nóng)田四種主要植被生態(tài)系統(tǒng),結(jié)合其地理分區(qū)劃分為具有相近或相似自然地理環(huán)境和條件的生態(tài)評估區(qū),構(gòu)建基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估模型,計算了尼泊爾2016和2020年兩期生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù),重點(diǎn)分析其時空分布格局和內(nèi)在變化特征。實(shí)現(xiàn)在有限的國家公園等參照條件下,基于植被生態(tài)參數(shù)和土地覆蓋分類等遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品,完成尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的快速評估,以期為基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測評估方法的發(fā)展以及開展區(qū)域生態(tài)質(zhì)量變化評估和量化分析等方面的應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

尼泊爾 (26°22′ — 30°27′N,80°04′ — 88°92′E) 位于南亞次大陸北部,亞洲的中心部位,屬于喜馬拉雅山脈中段南麓,北與中國西藏自治區(qū)接壤,其余三面與印度為鄰(圖1)。其地勢北高南低,海拔差異大,自然資源豐富,總面積約147181萬平方公里,主要屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。尼泊爾南部擁有土壤肥沃的沖積平原,是各種農(nóng)作物的生產(chǎn)區(qū),常年炎熱,夏季最高氣溫可達(dá)45℃;中部河谷地區(qū)氣候宜人,多小山,同樣分布著廣袤的森林和草原;北部為高寒山區(qū),高山亞高山草甸和林間草地是主要的牧場,部分高山區(qū)終年積雪,最低氣溫可達(dá)-41℃[49]。

圖1 研究區(qū)位置及生態(tài)系統(tǒng)類型分布Fig.1 Location of the study area and distribution of ecosystem

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文所用的遙感數(shù)據(jù)主要是2016和2020年的全球陸表特征參量 (GLASS)時序產(chǎn)品[50],包括植被覆蓋度(FVC)[51]、總初級生產(chǎn)力(GPP)[52]以及葉面積指數(shù)(LAI)[53],其空間分辨率為500m,時間分辨率為8d,本文將其計算為年均值,數(shù)據(jù)來源于馬里蘭大學(xué) (http://www.glass.umd.edu/Download.html);以及2015和2020年30m全球土地覆蓋精細(xì)分辨率觀測和監(jiān)測(FROM-GLC),數(shù)據(jù)來源于清華大學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)站 (http://data.ess.tsinghua.edu.cn)。使用的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要有行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、地理區(qū)數(shù)據(jù)和國家公園分布數(shù)據(jù)等,均來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://www.geodata.cn)。所有柵格數(shù)據(jù)均通過批量拼接和裁剪至同一研究區(qū)域,使用ArcGIS 10.6軟件將其重投影到相同的坐標(biāo)系 (WGS_1984_UTM_Zone_45N) 下,并將所有遙感影像數(shù)據(jù)使用最近鄰法重采樣到30m分辨率,使柵格像元對齊重合,便于后續(xù)計算和分析。

2 研究方法

2.1 生態(tài)評估區(qū)劃分

尼泊爾南北地理變化巨大,地區(qū)氣候差異明顯,植被類型多樣,其復(fù)雜的地形地貌和多變的立體氣候造就了類型豐富的自然生態(tài)系統(tǒng),除高山積雪以外,其生態(tài)系統(tǒng)類型以森林、灌叢、草地和農(nóng)田為主。本文根據(jù)尼泊爾土地資源測繪項目劃分的海拔和氣候等自然地理條件相近的特萊平原 (Tarai) 、西瓦利克山脈 (Siwalik) 、小山地區(qū)、中山地區(qū)和高山地區(qū)5個地理區(qū)[54](圖2), 結(jié)合森林、灌叢、草地和農(nóng)田4種生態(tài)系統(tǒng)分布情況劃分為20個生態(tài)評估區(qū),將每個地理區(qū)內(nèi)每一類生態(tài)系統(tǒng)作為一個生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估單元,其具有相近或相似的自然地理條件以及植被性質(zhì)。

圖2 尼泊爾地理區(qū)Fig.2 Geographical division of Nepal

2.2 基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法

本文遵循評估指標(biāo)選取的代表性和可行性原則, 從表征植被生態(tài)系統(tǒng)的水平結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)功能和垂直結(jié)構(gòu)3個方面構(gòu)建植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價指標(biāo) (表1),將植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù) (VEQI) 計算為三種遙感生態(tài)參數(shù)相對密度指數(shù) (RVI) (植被覆蓋度相對密度指數(shù)、總初級生產(chǎn)力相對密度指數(shù)、葉面積指數(shù)相對密度指數(shù)) 的加權(quán)和 (公式1),其數(shù)值大小表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值的高低。

表1 植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價指標(biāo)體系Table 1 Evaluation indicators system of vegetation ecosystem quality

(1)

式中,RVIi表示各遙感生態(tài)參數(shù)相對密度指數(shù),ωi表示各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重,本文由主成分分析法[55]客觀獲得,并對VEQI進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化[56](公式2),使其范圍為[0, 100]。

(2)

式中,x為指數(shù)的現(xiàn)實(shí)值,xmin為指數(shù)的最小值,xmax為指數(shù)的最大值,x′為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指數(shù)值。

基于GLASS數(shù)據(jù)產(chǎn)品,以表征植被水平結(jié)構(gòu)狀況的FVC 、表征植被光合作用能力強(qiáng)弱,代表生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能的GPP 以及表征植被垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的LAI 作為指標(biāo)計算所用的生態(tài)參數(shù),采用分地理區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)類型選取參照值的方法計算生態(tài)參數(shù)相對密度指數(shù)RVI (公式3)[48]。

(3)

式中,RVIi,j,k表示第i年第j地理區(qū)第k類植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)參數(shù)的相對密度;Fi,j,k表示第i年第j地理區(qū)第k類植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)參數(shù)值;Fmaxi,j,k表示第i年第j地理區(qū)第k類植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)參數(shù)的最大值。

為了使不同時間或區(qū)域間的評估結(jié)果具有更好的時空可比性,可以通過設(shè)置生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)的參照條件,即確定不同生態(tài)評估區(qū)不同時期生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)的參照值,進(jìn)而評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的相對水平狀況。對于同一生態(tài)評估區(qū)的生態(tài)系統(tǒng),由于其參照值相同,可以進(jìn)行比較;而對于不同生態(tài)評估區(qū)之間,由于該種計算結(jié)果得到的不是生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值,而是反映其在當(dāng)前自然地理條件限制下所達(dá)到的相對質(zhì)量水平,也可以進(jìn)行比較;對于不同時間生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的比較亦是如此。這種基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法可以在一定程度上消除由于植被性質(zhì)、自然地理條件等造成的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量上的差異,有效避免了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估結(jié)果的好壞受海拔、氣候等自然地理條件主導(dǎo)的影響[34],具有更好的時間和空間可比性。

因此,對計算得到的植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù) (VEQI),通過確定各生態(tài)評估區(qū)內(nèi)參照生態(tài)系統(tǒng)的參照值,計算基于參照條件的植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù) (VEQI′) (公式4):

(4)

式中,VEQI表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值,VEQIref表示所處生態(tài)評估區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的參照值,VEQI′ 表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的相對水平值。若VEQI′ 的值大于100 (取100),說明該像元質(zhì)量要高于參照生態(tài)系統(tǒng),反之低于參照生態(tài)系統(tǒng)。最后采用生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估規(guī)范中的分級標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)計算出的VEQI′,將其劃分為Ⅴ(75—100)、Ⅳ(55—75) 、Ⅲ(35—55) 、Ⅱ(20—35) 、Ⅰ(0—20) 5個等級,分別表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量水平優(yōu)、良、中、低、差。

2.3 主成分分析法

本文使用主成分分析 (PCA) 的方法為各指標(biāo)客觀賦權(quán),對其自動進(jìn)行線性組合,計算VEQI指數(shù)。主成分分析可以對一組數(shù)據(jù)降維去相關(guān),通過方差貢獻(xiàn)最大的一個或少數(shù)幾個主成分達(dá)到最大程度反映原變量信息的目的,其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)數(shù)據(jù)本身的性質(zhì)計算得到客觀的線性組合結(jié)果,避免了人為的方法選擇和權(quán)重設(shè)定對結(jié)果造成影響[57]。利用ENVI5.3和SPSS26軟件對標(biāo)準(zhǔn)化后的RVI指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,計算出原指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣及其特征值和特征向量,獲得其主成分貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率信息,再計算主成分載荷得到其成分矩陣,得出最終的主成分分析結(jié)果(表2)。

表2 指標(biāo)主成分分析結(jié)果Table 2 Evaluation indicators system of vegetation ecosystem quality

由表2可以看出,在兩年的數(shù)據(jù)當(dāng)中,3個RVI指標(biāo)計算得出的第一主成分 (PC1) 貢獻(xiàn)率均達(dá)到90%以上,表明PC1已集中了原指標(biāo)變量的大部分信息特征。因此,本文中選取PC1作為原RVI指標(biāo)的線性組合,以此構(gòu)建新的植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù) (VEQI)。通過對VEQI與各個原指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行定量分析,新指數(shù)比原指標(biāo)表現(xiàn)出更好的綜合代表性。表3統(tǒng)計了各指標(biāo)和VEQI之間的相關(guān)系數(shù),新的VEQI指數(shù)與3個RVI指標(biāo)兩年的相關(guān)系數(shù)均大于0.9,其兩年的平均相關(guān)系數(shù)為0.962,比單指標(biāo)最高的RVIFVC(0.899) 高出7.01%,比3個指標(biāo)的平均值(0.887)高出8.46%,明顯高于單個指標(biāo)之間的相關(guān)度。因此新構(gòu)建的VEQI比任何單一指標(biāo)更具有代表性,可以更好地綜合反映出生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況。

表3 各指標(biāo)和VEQI指數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of each indicator and VEQI

2.4 參照值的確定方法

國家公園、野生動物保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等區(qū)域由于能夠受到的人類干擾相對較少,生態(tài)系統(tǒng)完整性和穩(wěn)定性較好,更接近理想狀況下的自然狀態(tài),適合作為理想的參照生態(tài)系統(tǒng)。本文采用兩種方法確定尼泊爾各個生態(tài)評估區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的參照值VEQIref:(1)自然保護(hù)區(qū)法:對于所處地理區(qū)內(nèi)含有國家公園、野生動物保護(hù)區(qū)或自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)評估區(qū),認(rèn)為這些區(qū)域符合較少受人為干擾、接近理想自然狀況的條件,優(yōu)先選擇其作為參照區(qū),計算VEQI的平均值作為參照值;(2)概率閾值法[46]:對于缺少對應(yīng)參照區(qū)或其面積小像元少、數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的生態(tài)評估區(qū),統(tǒng)計整個評估區(qū)的VEQI,參考張夢宇等[34]的研究結(jié)果,采用閾值法設(shè)定89%分位數(shù)的指數(shù)值作為參照值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量參照值確定結(jié)果

針對尼泊爾西瓦利克山脈區(qū),對兩種方法獲取的參照值進(jìn)行統(tǒng)計分析:以位于該地理區(qū)內(nèi)的巴蒂亞和奇特旺兩個國家公園作為參照區(qū),分別統(tǒng)計了各個生態(tài)評估區(qū)以及對應(yīng)的國家公園參照區(qū)的VEQIref(表4)。其中,奇特旺國家公園于2017年受到洪水災(zāi)害的影響,其地表覆蓋類型發(fā)生了一定的變化,統(tǒng)計該公園2020年灌叢生態(tài)系統(tǒng)的VEQI發(fā)現(xiàn),其值離散程度較大,不近似于正態(tài)分布,認(rèn)為這部分?jǐn)?shù)據(jù)難以保證參考質(zhì)量,未使用其作為西瓦利克山脈區(qū)灌叢生態(tài)系統(tǒng)2020年的參照值。

表4 西瓦利克山脈及其區(qū)內(nèi)國家公園VEQI refTable 4 VEQI ref in Siwalik and its national parks

對兩種方法獲取的VEQIref進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3),R2分別為0.8843和0.9637,均具有很強(qiáng)的相關(guān)性,總體差異值均在3.5%以內(nèi)。通過對2.4中兩種方法獲取的參照值進(jìn)行比較分析表明,評估區(qū)內(nèi)89%分位數(shù)的閾值可以較好地代替自然保護(hù)區(qū)等參照區(qū)的參照值。

圖3 西瓦利克山脈各評估區(qū)參照值與國家公園參照值以及最終參照值相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between the reference values for each evaluation and national parks in Siwalik or the final reference values

因此,本文中西瓦利克山脈各生態(tài)評估區(qū)最終參照值的確定遵循以下原則:(1)優(yōu)先取巴蒂亞和奇特旺兩個國家公園參照值的均值;(2)若參照區(qū)像元數(shù)量較少、數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,則以其它數(shù)據(jù)質(zhì)量好的國家公園參照值和評估區(qū)內(nèi)的參照值取均值代替; (3)若參照區(qū)的數(shù)據(jù)質(zhì)量均較差,則以評估區(qū)內(nèi)的參照值代替。除該地理區(qū)外,其它評估區(qū)均以概率閾值法獲取的參照值代替,完成尼泊爾所有生態(tài)評估區(qū)的參照值設(shè)定(表5)。

表5 尼泊爾各生態(tài)評估區(qū)VEQIrefTable 5 VEQIref of ecoregions in Nepal

3.2 基于參照條件的尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量計算結(jié)果

通過比較無參照條件和基于參照條件的兩種生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的計算結(jié)果(圖4)可以看出,2016—2020年,尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值VEQI和相對水平值 VEQI′ 均有所提高。以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為例,從無參照條件的計算結(jié)果可以看出,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值通常要低于森林等生態(tài)系統(tǒng),這主要是由于自然植被本身的性質(zhì)所決定的,而通過基于參照條件的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),以當(dāng)前自然地理條件限制下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所能達(dá)到的理想值為參照,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量大多已達(dá)到一個相對較高(優(yōu)良)的水平。對于海拔較高的區(qū)域,由于其更加惡劣的自然氣候條件,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)值往往要低于低海拔地區(qū),基于參照條件的計算結(jié)果同樣可以有效減少這種自然環(huán)境差異對評價結(jié)果的主導(dǎo)作用。總體來看,所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估模型在一定程度上消除了由植被性質(zhì)、自然地理條件等造成的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量差異,其結(jié)果具有更好的時空可比性。

圖4 無參照條件和基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量空間分布Fig.4 Calculation results of ecosystem quality without reference conditions and based on reference conditionsⅤ—Ⅰ級:生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級優(yōu)、良、中、低、差

3.3 尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量時空格局變化分析

3.3.1不同類型生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量演變特征

統(tǒng)計尼泊爾不同類型生態(tài)系統(tǒng)VEQI、VEQIref和VEQI′ 每年的平均值(圖5)?？傮w來看,2016—2020年尼泊爾整體生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有輕微改善,其VEQI由50.95變?yōu)?2.73,提高了3.49%;VEQIref由64.57變?yōu)?5.48,提高了1.41%;VEQI′ 由76.24變?yōu)?7.32,提高了1.42%。森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量基本穩(wěn)定,草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有所降低,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有所提高。其中,森林生態(tài)系統(tǒng)的VEQI由58.79增加到61.25,VEQIref由71.99增加到74.36,VEQI′ 由80.78增加到81.5,其生態(tài)質(zhì)量有輕微提高;灌叢生態(tài)系統(tǒng)的VEQI由55.02增加到56.34,VEQIref由66.96增加到68.74,VEQI′ 由80.82減少到80.72,雖然其生態(tài)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值有輕微提高,但是由于參照值提高幅度更大(約2.66%)導(dǎo)致相對質(zhì)量水平出現(xiàn)極小的降低(約0.12%),總體上生態(tài)質(zhì)量基本保持穩(wěn)定;草地生態(tài)系統(tǒng)的VEQI由36.48大幅減少到25.28,VEQIref也由51.08下降到40.11,雖然其參照值降低導(dǎo)致VEQI′ 由51.08增加到55,但是生態(tài)質(zhì)量有明顯下降趨勢;農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的VEQI由44.25增加到45.11,VEQIref由58.26減少到54.11,可見其生態(tài)環(huán)境條件有所下降,但是VEQI′ 由74.76增加到82.94,整體生態(tài)質(zhì)量有所提高。

圖5 不同類型生態(tài)系統(tǒng)各指數(shù)平均值變化情況Fig.5 Temporal variation of various index mean of different vegetation ecosystem

3.3.2不同質(zhì)量等級生態(tài)系統(tǒng)演變特征

從表6中可以看出,尼泊爾地區(qū)0級(表示非植被)、Ⅰ級和Ⅴ級生態(tài)系統(tǒng)面積增加,Ⅱ—Ⅳ級生態(tài)系統(tǒng)面積減少,有中間向兩極發(fā)展轉(zhuǎn)化的趨勢,Ⅰ級生態(tài)系統(tǒng)增長比率最大,為28.16% ;Ⅲ級向Ⅳ級、Ⅳ級向Ⅴ級生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化面積較多,V級生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生等級變化的比率最小,為10.36%,最為穩(wěn)定。

表6 尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級面積變化轉(zhuǎn)移矩陣Table 6 Ecosystem quality grade area change transition matrix in Nepal

統(tǒng)計尼泊爾2016和2020年森林、灌叢、草地、農(nóng)田四種生態(tài)系統(tǒng)中各質(zhì)量等級占地面積比例 (圖6) 發(fā)現(xiàn),尼泊爾森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量等級變化較為穩(wěn)定,Ⅳ級和Ⅴ級生態(tài)系統(tǒng)面積總和占90%以上,Ⅴ級生態(tài)系統(tǒng)面積達(dá)到70%以上。草地生態(tài)系統(tǒng)中的Ⅴ級生態(tài)系統(tǒng)面積明顯減少,Ⅰ級生態(tài)系統(tǒng)面積顯著增加,這些是導(dǎo)致其VEQI現(xiàn)實(shí)值和VEQIref下降的重要原因;農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的Ⅴ級生態(tài)系統(tǒng)面積大幅增加,這可能是由于其VEQIref降低所導(dǎo)致的,Ⅳ級生態(tài)系統(tǒng)面積大幅減少,Ⅳ級和Ⅴ級生態(tài)系統(tǒng)面積總和占90%以上,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級總體較高。

圖6 不同質(zhì)量等級的生態(tài)系統(tǒng)所占面積百分比 Fig.6 Percentage of areas with different quality levels in different ecosystem

3.3.3生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化趨勢分析

對于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評價不能僅關(guān)注其自然生態(tài)本底條件,更應(yīng)分析和評估其變化情況[58]。通過計算尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)兩年的質(zhì)量變化趨勢,根據(jù)其變化量ΔVEQI′ 劃分為明顯變好(Δ≥20)、一般變好(10≤Δ<20)、輕微變好(5≤Δ<10)、基本穩(wěn)定(-5≤Δ<5)、輕微變差(-10≤Δ<5)、一般變差(-20≤Δ<-10)、明顯變差(Δ≤-20)七個等級,得到尼泊爾2016—2020年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的空間分布情況(圖7)?？梢钥闯?尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上呈改善的趨勢,大部分地區(qū)都在向好發(fā)展,小部分地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的退化情況。其中,明顯變好的區(qū)域占植被生態(tài)系統(tǒng)總面積的36.93%,一般變好占26.13%,輕微變好占11.10%,基本穩(wěn)定占14.25%,明顯變差占2.95%,一般變差占4.66%,輕微變差占3.98%。從空間上看,尼泊爾生態(tài)質(zhì)量明顯變好的區(qū)域主要位于南部特萊平原和西瓦利克山脈兩個地理區(qū)的西部、中部和東部地區(qū),以及部分小山地區(qū)和中山地區(qū)南部;生態(tài)質(zhì)量變差的區(qū)域主要發(fā)生在尼泊爾北部中高山地區(qū)的草地、森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng),且大部分集中于中山地區(qū)北部,主要是由于這些區(qū)域海拔高,氣候條件較為惡劣,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差;另外,西瓦利克山脈和小山地區(qū)的中西部和中東部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量也發(fā)生了小面積的退化。

圖7 2016—2020年尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化趨勢空間分布 Fig.7 Spatial distribution of variation trend of VEQI′ from 2016 to 2020 in Nepal

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本文所使用的評估指標(biāo)主要選取了與陸域植被有關(guān)的遙感生態(tài)參數(shù),以反映植被生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量變化,未從生態(tài)系統(tǒng)的格局、功能服務(wù)、生物多樣性以及人為脅迫等多個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系,全面刻畫生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況。研究中使用植被因子作為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的指示器,意在通過簡單的關(guān)鍵指標(biāo)反映生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài),對基于參照條件的評估方法及應(yīng)用進(jìn)行研究,未來還可以綜合考慮更多的評價指標(biāo)以及對各指標(biāo)在理想狀況下的參照值變化情況進(jìn)行分析。針對尼泊爾存在的生態(tài)系統(tǒng)斑塊較為破碎的狀況,高分辨遙感數(shù)據(jù)能夠發(fā)揮更大的優(yōu)勢。然而,研究中雖然使用了分辨率較高的地表分類遙感產(chǎn)品,但是并未對尼泊爾生態(tài)評估區(qū)進(jìn)行更為精細(xì)的劃分(如常綠與落葉、闊葉與針葉林等),若在數(shù)據(jù)條件允許的情況下,更加精細(xì)準(zhǔn)確的評估區(qū)劃分應(yīng)當(dāng)具有更佳的參照效果。此外,基于生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的理想?yún)⒄罩?還可以對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)潛力(即生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值與該地理環(huán)境條件下參照值之間的差距,表征生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量在理想狀況下能夠恢復(fù)的最大限度)進(jìn)行量化評估,從而明確恢復(fù)目標(biāo),更好地開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理工作。未來的研究可以繼續(xù)從以上方面展開更加深入合理的分析,探究基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法的多應(yīng)用模式。

開展全國生態(tài)質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)成效監(jiān)測評估是當(dāng)前我國生態(tài)文明建設(shè)的一項重要內(nèi)容。目前生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的科學(xué)概念及其狀態(tài)演變的評估理論和方法在學(xué)術(shù)界尚未形成廣泛共識[59],關(guān)于生態(tài)質(zhì)量評價體系的研究更多注重于指標(biāo)的綜合性和全面性,主要從反映生態(tài)系統(tǒng)組分和結(jié)構(gòu)的生態(tài)格局,生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、生態(tài)宜居等生態(tài)服務(wù)功能,所受到的自然和人為等生態(tài)脅迫,以及生物多樣性等方面構(gòu)建指數(shù)和發(fā)展評價指標(biāo)。通過對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行更加全面的刻畫和描述,綜合反映生態(tài)系統(tǒng)的整體狀況,這無疑是生態(tài)質(zhì)量評價等方面的研究需要發(fā)展的一個方向。然而,通過體現(xiàn)多維度生態(tài)信息的評價指標(biāo)體系計算出的代表自然本底條件的現(xiàn)實(shí)值,其所能夠反映出的生態(tài)質(zhì)量水平和變化等信息有限,還需要對生態(tài)質(zhì)量有更加深刻的認(rèn)知與解釋。因此,當(dāng)前生態(tài)質(zhì)量評價等方面研究的發(fā)展,一方面評價體系要科學(xué)全面合理,另一方面方法學(xué)也需要創(chuàng)新[60],通過利用包含遙感數(shù)據(jù)在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)挖掘出更多的變化信息,闡釋其內(nèi)在的生態(tài)學(xué)意義。

相比于以往大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價方面的研究,基于參照條件的評價方法從一定程度上解決了不同區(qū)域或不同時間評價結(jié)果不可比的問題,提高了對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其變化的認(rèn)知,但是有關(guān)生態(tài)評估區(qū)的劃分、理想?yún)⒄障到y(tǒng)的選取及參照值確定、關(guān)鍵指標(biāo)的使用,以及基于參照條件的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價方法的理論和應(yīng)用等方面仍有待進(jìn)一步探究、驗(yàn)證和完善。本研究遵循評價指標(biāo)的科學(xué)性和簡潔性原則,針對尼泊爾的區(qū)域特點(diǎn),主要是對基于參照條件的評價方法及其意義進(jìn)行研究,并對變化結(jié)果進(jìn)行了討論和分析,揭示其時空變化趨勢。尼泊爾作為全球最容易受氣候變化影響的區(qū)域之一,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量發(fā)生變化的原因亦是復(fù)雜的,在今后的研究中,還將進(jìn)一步對其驅(qū)動因素進(jìn)行更加深入的分析。此外,還可以根據(jù)參照值量化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)潛力,從而明確生態(tài)保護(hù)、管理和恢復(fù)的目標(biāo),以及利用參照條件量化生態(tài)工程產(chǎn)生的影響,開展生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)成效監(jiān)測評估等。通過構(gòu)建更加完善的新型生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價方法體系,同時注重對生態(tài)功能、服務(wù)及生態(tài)產(chǎn)品供給的數(shù)量與質(zhì)量、穩(wěn)定性和可持續(xù)性的綜合評定[59],提高在生態(tài)系統(tǒng)等方面的評估應(yīng)用能力,服務(wù)于區(qū)域或國家的生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測評估工作。

4.2 結(jié)論

本文以生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ),應(yīng)用“參照條件”的理論和評估方法,以尼泊爾地區(qū)為例,構(gòu)建了基于參照條件的植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估模型,計算并分析其2016—2020年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的時空變化情況。主要得出以下結(jié)論:

(1)2016至2020年,尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)實(shí)值 (VEQI) 的平均值增加了3.49%,總體上,尼泊爾在參照生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量(VEQIref) 提高 (約1.41%) 的背景下,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量相對水平值 (VEQI′) 增加了1.42%,其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有所改善。

(2)對于尼泊爾地區(qū),評估區(qū)89%分位數(shù)的VEQI與其對應(yīng)的國家自然保護(hù)區(qū)的參照值具有很強(qiáng)的相關(guān)性,總體差異較小,可以代替作為參照值。

(3)從空間格局變化趨勢來看,尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變好、基本穩(wěn)定和變差的面積分別占其總面積的74.16%、14.25%和11.59%,結(jié)合基于參照條件的質(zhì)量評價計算結(jié)果,尼泊爾生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上以改善為主,局部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量有所降低。這種基于參照條件的評估方法在一定程度上消除了由于植被性質(zhì)、自然地理條件等造成的自身生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量上的差異,其結(jié)果具有更好的時間和空間可比性,對于區(qū)域或國家生態(tài)系統(tǒng)變化快速評估以及量化分析等方面具有一定的借鑒意義。