贵州武陵山区植被LAI 时空演变及其未来持续性特征

吴路华*，杨东妮，陈 丹

（1.铜仁学院 经济管理学院，贵州 铜仁；2.铜仁学院 乡村振兴研究中心，贵州 铜仁）

引言

植被叶面积指数（LAI）是植被生态学和遥感应用中的重要参数[1]，也是植被遥感监测过程中重要的指标，广泛应用于识别和诊断生态系统服务功能变化，评估生态系统质量、生态有机碳汇及生态系统健康状况[2-4]。因而，研究植被LAI 时空动态演变过程对于生态系统植被恢复监测和保护成效评估具有重要的科学意义。

在气候变化和人类活动双重作用下，植被恢复突变性加强，脆弱性增加，以往恢复较好的部分区域产生了局部退化现象。而现阶段，对于LAI 方面研究多集中于植被LAI 的监测模拟[5-7]、作物估产[8-11]、遥感反演[12-18]、动态响应变化[19-22]及基于LAI 的参数模型改进研究[23-24]。然而，生态修复过程中植被恢复成效及其未来持续性特征未得到明确认识，严重制约了当前生态环境恢复和生态文明建设。

为落实《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》与《全国生态状况定期遥感调查评估方案》（环办生态〔2019〕45 号）及《关于〈印发2015-2020 年全国生态状况变化遥感调查评估实施方案〉的通知》（环办生态函〔2020〕179号）中关于开展全省生态环境状况遥感调查与保护成效评估的具体要求。本文重点围绕贵州武陵山区发展战略和生态保护监管需求，耦合过去- 未来两种情景，开展了植被LAI 时空动态演变评估，阐明其空间耦合演变模式，以期为贵州武陵山区“十四五”期间生态保护和生态文明建设提供科技支撑。

1 研究区概况

贵州武陵山区位于贵州省东北部（107°4'E～109°30'N，27°07'N～29°13'N），地处武陵山区腹地，东邻湖南，北与重庆市接壤，呈东南西北走向（图1），全境以山地为主，属中亚热带季风湿润气候区。该区是长江中上游重要的生态屏障，更是全国11个集中连片特殊困难地区之一，集革命老区、民族地区和贫困地区于一体，是跨省交界面大、少数民族聚集多、贫困人口分布广、经济欠发达的连片特困地区，是国家巩固拓展脱贫攻坚成果，有效衔接乡村振兴的主战场之一。贵州武陵山区辖铜仁市2 区8 县及遵义市6 个县，总面积3.09 km2，其中喀斯特区域面积为2.29 万km2，占研究区总面积的74%，非喀斯特区域仅为0.80 万km2，占研究区总面积的26%。以梵净山至佛顶山山脉为分水岭，分属沅江水系和乌江水系两大一级支流水系，属于典型喀斯特区。岩溶地貌发育典型，水文地质复杂，“二元三维”水文地质结构突出，岩溶作用强烈，地下裂缝、管道、溶洞、暗河、洞穴广泛分布，喀斯特区严重的地下漏失现象，石多土少水缺，阻碍了养分有效循环，严重制约着植被恢复速率与区域生态环境改善。

图1 研究区地理位置与海拔特征

2 数据来源

本文所用叶面积指数来源于北京师范大学全球陆表特征参量（GLASS）产品的叶面积指数数据集。该数据集是基于人工神经网络方法训练出从预处理数据MOD09A1 到LAI 值的关系模型反演而得[25-26]。数据单位m2/m2，时间分辨率为16d，时间范围2000-2020 年，比例系数为0.1，空间分辨率为500 m，投影为Albers 等积圆锥投影，共包括2000-2020 年共42 期。该数据集经使用MRT 工具对数据进行拼接和重投影，并对无效值和背景值进行处理，换算为真实的NDVI 值，最后通过年度最大值合成法得到2000-2020 年贵州武陵山区各年LAI 数据集。

3 研究方法

本文基于Theil-Sen 趋势法和Mann-Kendall 显著性检验法耦合揭示了贵州武陵山区LAI 变化趋势及其显著性特征[27-29]，精准识别了贵州武陵山区植被变化恢复和退化关键区域。其次，采用Hurst 指数阐明了LAI 未来持续性状态[30-31]，基于提出的Hurst 系数的强度分级表，定量评估了未来持续性等级特征[32]。为了定量阐明未来持续性强度大小与过去变化趋势特征的关联性，本文将过去变化趋势显著性与未来持续性特征进行空间耦合叠加，识别了空间上LAI 变化的过去- 未来空间耦合演变模式，揭示了长时间序列时空动态演变特征。

4 结果分析

4.1 LAI 时空演变特征

2000-2020 年，贵州武陵山区植被LAI 总体上呈现出上升趋势，平均增速为0.044 m2/m2（图2），整体上看，LAI 变化范围介于2.48 m2/m2～3.42m2/m2间，平均值3.02 m2/m2，最大值出现在2019 年，高出平均值0.4 m2/m2，最小值在2001 年，低于平均值0.54 m2/m2。

图2 2000-2020 年LAI 变化速率

由表1 和图3 可知，贵州武陵山区在空间上呈现出增加的趋势（增加区域的面积），其中LAI 显著增加的区域占比较大，达到85.37%，轻微增加占10.82%，轻微减少的区域仅为2.24%，显著减少的区域所占的比重最小，其值仅有1.56%。

表1 各类型LAI 时空演变趋势特征

由图3 可知，LAI 的Sen 趋势值介于-0.13～0.14 m2/m2之间，平均增长率0.044 m2/m2。LAI 显著增加区域主要集中在贵州武陵山区的中部、北部以东部及西部地区；轻微增加区域主要分布在南部、西南部地区、江口和印江交界地带；轻微减少区域则主要分布在江口、松桃、石阡以及余庆等县及梵净山自然保护区核心区域；显著减少区域则主要集中在凤冈县、余庆、碧江及松桃等县区的县城区域。

4.2 LAI 未来持续性特征

从空间分布状况看（图4），贵州武陵山区植被LAI 的Hurst 指数介于0.15～0.91，以强度反持续和弱反持续性为主，达到74.23%，而正持续性占比相对较少，仅为25.77%。弱正持续性主要分布在贵州武陵山区的中部、北部、东部以及东南部地区，占比为25.55%，强正持续性区域占比较低，仅0.22%。

图4 LAI 演变Hurst 指数空间分布特征

为了进一步明晰贵州武陵山区植被LAI 的变化趋势与其未来可持续性的时空耦合特征，本文将LAI的Sen 变化趋势显著性与Hurst 指数进行空间叠加，得到基于植被LAI 增加和减少的贵州武陵山区未来可持续性空间耦合模式（图5）。结果发现，贵州武陵山区LAI 呈现持续性减少的区域仅为2.06%，LAI 持续性增加的区域达到23.7%，而未来变化无法确定的区域达到了74.23%，是有明显变化趋势区域的3 倍。其中，强持续减少的面积占比仅为0.12%，主要分布于思南、余庆和碧江等地区。弱持续减少区域占比1.94%，在贵州武陵山区大部分地区都有少量分布。弱持续增加的比例为23.60%，主要分布在思南县、凤冈县、石阡县、正安县以及道真县等；未来变化无法确定的区域主要分布于贵州武陵山区北部及东北部地区，但在湄潭、余庆、印江以及江口也有大范围分布。强持续性增加区域最少，仅为0.1%，见表2。

表2 LAI 变化趋势及未来持续性

图5 LAI 的Hurst 指数与Sen 变化趋势空间耦合演变特征

5 讨论

本文检测到LAI 未来74.23%的区域可能出现较大的退化风险，这些区域也是LAI 增速较快的地区，出现这种现象的主要原因可能是这些区域植被经过长时间的恢复，现已经处于比较好的状态，未来可能会因为缺少适当干扰而出现退化风险。因此，对于现今一些LAI 增速较快或趋于稳定的地区应建议通过加强生态系统管理和科学的人工干扰以应对未来可能出现的退化现象。此外，尽管本文揭示了贵州武陵山区LAI 过去- 未来时空耦合演变过程与机制，但是对于演变驱动机制并未进行定量评估和系统解析，后续将基于系统耦合理论阐明各驱动因素贡献大小和影响机制。

6 结论

（1） 2000-2020 年间，贵州武陵山区LAI 总体上呈现波动上升趋势，平均增速0.044 m2/m2，平均值为3.02 m2/m2。

（2） LAI 显著增加区域主要集中在务川、沿河以及凤冈，而显著减少区域主要在余庆和碧江区。

（3） LAI 呈现持续性减少的区域仅2.06%，LAI呈持续性增加的区域达到23.7%，而未来变化无法确定的区域达到74.23%。其中，仅0.12%的区域呈强持续减少，1.94%呈弱持续减少，23.60%呈弱持续增加，而仅有0.1%呈强持续增加。