地震災(zāi)區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量變化特征及與氣候因子的關(guān)系
--以5·12汶川地震災(zāi)區(qū)為例

王博為 , 苑 躍 , 楊 杰

（四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072）

引言

中國地處環(huán)太平洋地震帶與地中海-喜馬拉雅地震帶之間，印度洋板塊向亞歐板塊俯沖不僅造成青藏高原的隆起，還導(dǎo)致板塊滑動與斷裂，2008年5·12汶川地震即為龍門山斷裂帶活動的結(jié)果，是新中國成立以來涉及范圍最廣、破壞性最強、救災(zāi)難度最大的一次地震災(zāi)害[1]。災(zāi)后的重建與恢復(fù)是一個極其漫長的過程，地震植被恢復(fù)研究也因此受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Yang等[2]基于SPOT數(shù)據(jù)預(yù)測地震受損植被恢復(fù)情況，發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)有滯后期。李京忠等[3]利用植被覆蓋度，探究了植被恢復(fù)與河流距離、坡度之間的關(guān)系。郭長寶等[4]在長時間序列分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、植被類型、人類活動對植被恢復(fù)有一定的影響，植被覆蓋度隨著災(zāi)害分布密度的變化而變化。洪艷等[5]發(fā)現(xiàn)人類的生產(chǎn)生活可能對植被恢復(fù)產(chǎn)生較大干擾。汶川地震發(fā)生至今，對災(zāi)區(qū)的影響并未消失，諸多學(xué)者在震后災(zāi)區(qū)植被恢復(fù)方面開展了一系列有意義的工作，但地震災(zāi)區(qū)生態(tài)質(zhì)量的研究成果相對偏少，尤其是災(zāi)前、災(zāi)后對區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的連貫性分析鮮見報道。針對這一薄弱點，本文結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象觀測資料，分析2000～2019年汶川地震重災(zāi)區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量及其恢復(fù)率，并結(jié)合氣候因子探討該地區(qū)植被恢復(fù)的時空差異，以期科學(xué)準確地了解地震災(zāi)區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量的時空演變，為該區(qū)域的生態(tài)安全管理和保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)背景

研究區(qū)為汶川地震重災(zāi)區(qū)，區(qū)域內(nèi)包含14個縣市，面積約3.52×104km2，震中位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣映秀鎮(zhèn)（31.0°N、103.4°E）。汶川地震重災(zāi)區(qū)位于青藏高原前緣與四川盆地交界處，是在巴顏喀拉-松潘印支期地槽褶皺帶基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[6]，區(qū)內(nèi)屬于高山峽谷地貌，地勢起伏大，高山峽谷縱橫交錯，加之亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候和暖濕帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候交匯于此，降水較多且易形成暴雨，地層結(jié)構(gòu)較為疏松，為地震及其次生災(zāi)害創(chuàng)造有利環(huán)境，山地生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱（圖1）。2000～2019年，研究區(qū)氣溫從東南向西北逐漸降低，年均溫為14.39℃（圖2a）；研究區(qū)降水受地形影響，高值區(qū)集中在西南-東北走向，年均降水量為903.41 mm（圖2b）。

圖1 研究區(qū)地理空間位置示意

圖2 研究區(qū)多年平均氣溫（a）和降水（b）空間分布

1.2 研究數(shù)據(jù)

研究所用數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及其他輔助數(shù)據(jù)。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局（http://www.usgs.gov/），主要是 2000～2019 年研究區(qū)歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）數(shù)據(jù)（MYD13Q1，空間分辨率為 250 m，時間分辨率為16 d）和植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）數(shù)據(jù)（MYD17A2H，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d），通過波段提取、投影轉(zhuǎn)換、質(zhì)量控制、單位轉(zhuǎn)化和矢量裁剪等預(yù)處理后，利用最大值合成法（Maximum Value Composite，MVC）合成NDVI月數(shù)據(jù)，利用平均值法得到NDVI年數(shù)據(jù)，空間累加統(tǒng)計法合成NPP年數(shù)據(jù)，最終構(gòu)建了2000～2019年生態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)集。另外，將2000～2019年研究區(qū)內(nèi)國家及區(qū)域氣象站月氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)整合為年數(shù)據(jù)，空間插值為分辨率250 m格點數(shù)據(jù)，作為研究區(qū)氣象背景資料。其余輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)、地貌數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)[7-8]和道路圖等。

1.3 研究方法

1.3.1 植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)

基于植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）和植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）最大值，計算得到反映該時段的植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)（Comprehensive Vegetable Ecological Quality Index，CVEQI）[9]，具體公式如下：

式中：CVEQIi為 第i年植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)；f1為植被覆蓋度權(quán)重系數(shù)（根據(jù)區(qū)域及其植被類型進行調(diào)整，本文取0.5）；FVCi為第i年植被覆蓋度最大值；f2為植被凈初級生產(chǎn)力權(quán)重系數(shù)；NPPi為第i年植被凈初級生產(chǎn)力；NPPm為第1年至第n年同時段陸地植被凈初級生產(chǎn)力最大值，即當(dāng)?shù)刈詈脷庀髼l件下該時段的植被凈初級生產(chǎn)力；f1和f2之和約定為1。其中，F(xiàn)VC利用NDVI計算得到，具體公式如下：

式中：NDVIs對 應(yīng)像元為純土壤時的NDVI；NDVIv對應(yīng)像元為全植被覆蓋下的NDVI；利用NDVI月值得到FVC月值，其最大值即為FVCi。

1.3.2 植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率

植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率（Comprehensive Vegetable Ecological Quality Recovery Rate，CVEQRR）可以定義為生態(tài)質(zhì)量受損后恢復(fù)的速率，是根據(jù)植被綜合生態(tài)質(zhì)量受損前后變化差異來評估和監(jiān)測植被恢復(fù)情況的參數(shù)，類似方法在地震災(zāi)后植被恢復(fù)評估中有較多應(yīng)用[10-15]，計算公式如下：

式中：CVEQI0為震前(2007年)植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù);CVEQI1為震后植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)最低值；CVEQIn為震后第n年植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)。根據(jù)該式計算研究區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率情況，并對植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率進行分級統(tǒng)計，分級標準參考Lin等研究成果[11]分為6級（表1）。

表1 植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率分級類型（%）

1.3.3 植被綜合生態(tài)質(zhì)量變化率

應(yīng)用一元線性回歸法對植被綜合生態(tài)質(zhì)量、氣候要素的年際波動規(guī)律進行分析，其斜率可以反映出像元的變化率，計算公式如下：

式中：k表示斜率，k＜0表示減少，反之增加；n表示樣本年數(shù)，xi表示第i年的變量值。

1.3.4 空間相關(guān)性分析

運用像元尺度的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)，對植被綜合生態(tài)質(zhì)量、氣候要素的相關(guān)性進行時空分析，并通過T檢驗方法對相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗（P＜0.05）。相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的計算公式如下：

式中：CRab表示兩個變量之間的相關(guān)關(guān)系，a、b為第i年的變量值，為分別為各變量的多年平均值，n為樣本數(shù)。

式中：CRab、CRac、CRbc分別表示變量之間的相關(guān)系數(shù)；PCab,c表示在變量固定后，其他兩個變量之間的偏相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 陸地植被生態(tài)質(zhì)量評價

2.1.1 時間變化

如圖3所示，2008年5·12汶川地震以前，研究區(qū)CVEQI呈波動下降趨勢，速率為-0.16/a；震后2010年，研究區(qū) CVEQI達到最低；2011～2019 年 CVEQI波浪式逐步上升，研究區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量略有改善，說明地震對生態(tài)環(huán)境的損壞并未在2008年即時體現(xiàn)，由于余震以及地震次生地質(zhì)災(zāi)害對植被的影響，最大程度的損壞一直滯后到2010年才有所體現(xiàn)。而2000～2019年研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量整體趨于改善，表明植被綜合生態(tài)質(zhì)量整體向好的方向發(fā)展。

圖3 2000～2019年研究區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量年際變化

2.1.2 空間變化

2000～2019 年，研究區(qū)CVEQI多年均值為47.93，整體上由西南向東北呈對角線式遞增的趨勢（圖4a）。CVEQI低值區(qū)主要分布于平武縣西北角、茂縣西部、汶川縣西部和龍門山中段東側(cè)；高值區(qū)主要分布在研究區(qū)中北部。

從變化趨勢（圖4b）來看，除東北部的廣元市和青川縣CVEQI趨向于正向變化，汶川縣、龍門山中段東側(cè)海拔超過2500 m的地區(qū)和盆周丘陵地帶CVEQI均為明顯的負向變化。從氣候分析結(jié)果（圖略）來看，以龍門山為界，2000～2019年山脈東側(cè)氣候偏向冷濕化，較低的溫度、過濕的土壤以及較少的太陽輻射不利于該地區(qū)CVEQI的改善，而山脈西側(cè)降水減少、溫度降低也限制了植被的生長發(fā)育與恢復(fù)。在溫度升高、降水減少以及人類活動等因素的耦合作用下，盆周地區(qū)生態(tài)質(zhì)量逐漸惡化。

圖4 2000～2019年研究區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量空間分布（a）及變化趨勢（b）

根據(jù)時間變化特征，將研究時段分為震前（2000～2007年）和震后恢復(fù)（2011～2019年）共兩個階段。

震前階段（2000～2007年），研究區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量以負向變化為主，尤其是水土流失敏感區(qū)、水源涵養(yǎng)極重要區(qū)和生物多樣性保護重要區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量明顯變差(圖5a)。震前重災(zāi)區(qū)氣候受到全球變暖的影響，溫度明顯升高，降水急劇減少，并且對生態(tài)保護缺乏人為干預(yù)，是生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因。

震后恢復(fù)階段（2011～2019年），研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量有明顯改善，尤其是龍門山一帶生態(tài)質(zhì)量提升顯著(圖5b)。地震造成的裂縫釋放出地球內(nèi)部的熱量和地下水汽，導(dǎo)致地表蒸散加大，降水增加，進而促進了生態(tài)質(zhì)量的恢復(fù)。

5．試做填空。聽力材料播放完后，學(xué)生要進行歸納總結(jié)，判斷是否聽懂并明白大概意思，在明白的基礎(chǔ)上，作相關(guān)方面的練習(xí)，以修正學(xué)生的聽力，提升他們對學(xué)習(xí)材料的理解。

圖5 研究區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量變化趨勢（a.震前階段，b.震后恢復(fù)階段）

2.2 陸地植被生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率

2.2.1 研究區(qū)整體植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率

統(tǒng)計研究區(qū)覆蓋度恢復(fù)率（表2）可知，截止2019年，仍有66.72%地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量未得到完全恢復(fù)，其中29.40%受損地區(qū)恢復(fù)率在25%以下。

表2 研究區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率占比（%）

從空間分布特征（圖6）來看，CVEQRR等級為I及以下的區(qū)域分布較為破碎。研究區(qū)中北部平武縣、北川縣植被綜合生態(tài)質(zhì)量未恢復(fù)面積較大，該區(qū)域海拔差異明顯，山地坡度較大，發(fā)生地震次生災(zāi)害的頻率較高，影響植被的生長恢復(fù)。盆周地區(qū)人口密度大，城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)用地比例較高，植被綜合生態(tài)恢復(fù)率受到較大的人類活動影響。結(jié)合趨勢變化（圖略）來看，龍門山中段至南段東側(cè)生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)較好，但仍未恢復(fù)至災(zāi)前最佳水平。

圖6 2011～2019年研究區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)恢復(fù)率空間分布

2.2.2 不同地貌類型陸地植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)及其恢復(fù)率

將研究區(qū)地貌形態(tài)類型分為低海拔（海拔高度＜1000 m）、中海拔（海拔高度1000～3500 m）、高海拔（海拔高度3500～5000 m）和極高海拔（海拔高度＞5000 m）。根據(jù)不同地貌類型的分析結(jié)果（表3）可知，中海拔地區(qū)CVEQI最高，而中海拔以上的海拔高度與CVEQI呈負相關(guān)關(guān)系。針對植被生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率分析，不同地貌類型的植被綜合生態(tài)質(zhì)量均有所恢復(fù)，高海拔地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)情況最佳，但是仍未恢復(fù)至震前最佳水平，中海拔地區(qū)的植被綜合生態(tài)質(zhì)量仍未恢復(fù)。根據(jù)CVEQRR分析結(jié)果，中海拔地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)速度較慢，高海拔地區(qū)恢復(fù)速度較快。在2000～2019年，低海拔和高海拔地區(qū)CVEQI最低值已在震前出現(xiàn)，極高海拔地區(qū)CVEQI最低值出現(xiàn)在震后2012年，中海拔地區(qū)CVEQI最低值出現(xiàn)在2010年。上文分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境最大程度的損壞一直滯后到2010年才有所體現(xiàn)，可見地震對中海拔地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量損傷較大，對高海拔地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量有一定的損傷。

表3 不同地貌類型植被綜合生態(tài)質(zhì)量及其恢復(fù)率

2.2.3 不同植被類型陸地植被合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)及其恢復(fù)率

從不同植被的分析結(jié)果（表4）發(fā)現(xiàn)，林地的植被綜合生態(tài)質(zhì)量最高，其次是灌木和耕地，草地和濕地的植被綜合生態(tài)質(zhì)量較低。分析植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率可知，不同植被類型的植被綜合生態(tài)質(zhì)量的恢復(fù)情況都較好；草地、灌木的植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)情況最佳，已恢復(fù)至最佳水平；林地、濕地的植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)情況也較好，但是仍未恢復(fù)至震前最佳水平。分析不同植被恢復(fù)速度可知，林地、灌木的植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)速度最快。在2000～2019年，草地和灌木CVEQI最低值已在震前出現(xiàn)，耕地、林地和濕地CVEQI最低值出現(xiàn)在2010年。因此，地震對耕地、林地和濕地的植被綜合生態(tài)質(zhì)量損傷較大，但無法判定地震對草地、灌木的植被綜合生態(tài)質(zhì)量是否有影響。

表4 不同植被類型植被綜合生態(tài)質(zhì)量及其恢復(fù)率

2.3 氣候因子以及空間相關(guān)性分析

2.3.1 氣候因子變化趨勢

2000～2019 年研究區(qū)氣溫變化趨勢的空間差異較小，除汶川縣南部、大邑縣西部、平武縣北部和廣元市東北部氣溫呈微弱降低趨勢以外，其余大部地區(qū)氣溫是呈增加趨勢（圖7a）。2000～2019年研究區(qū)降水變化趨勢的空間差異較大，龍門山東側(cè)地形變化劇烈區(qū)是一個明顯的降水增加帶（圖7b）。以龍門山為界，震中（31.0°N、103.4°E）西北側(cè)是明顯的干熱河谷地帶，該地區(qū)溫度升高，降水減少，水分加劇蒸發(fā)，這種氣候條件不利于植被綜合生態(tài)質(zhì)量的恢復(fù)。彭州市北部和什邡市西北部是盆周農(nóng)區(qū)，人類活動以及城市發(fā)展也是造成局部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)速率緩慢的因素之一。

圖7 研究區(qū)氣候因子變化趨勢空間分布（a.氣溫，b.降水）

2.3.2 空間相關(guān)性與偏相關(guān)分析

分析CVEQRR與年均氣溫、降水相關(guān)性（圖8a、b）可知，CVEQRR與氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域占比為47.45%（4.93%呈顯著正相關(guān)），氣溫升高對龍門山脈東側(cè)低海拔地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)有抑制作用，但有利于海拔1000～2500 m地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量的恢復(fù)。CVEQRR與降水呈正相關(guān)的區(qū)域占比為61.37%（14.89%呈顯著正相關(guān)），降水增加有利于研究區(qū)低海拔地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量的恢復(fù)，但是對于降水本身較多的盆周地區(qū)和海拔較高的研究區(qū)西部邊緣地區(qū)，降水增加反而抑制了植被生長和恢復(fù)。

分析CVEQRR與氣溫、降水之間偏相關(guān)性（圖8c、d）可知，CVEQRR與氣溫、降水呈正相關(guān)的區(qū)域面積占比分別為46.61%（2.37%呈顯著正相關(guān)）、61.43%（6.64%呈顯著正相關(guān)），進一步證明氣溫升高對低海拔地區(qū)植被生長的抑制作用，降水增加對低、中海拔地區(qū)植被生長的促進作用。在CVEQRR＞0地區(qū)，CVEQRR均表現(xiàn)出與降水更強的相關(guān)性，說明一定溫度下，降水增多可以促進植被生長，植被綜合生態(tài)質(zhì)量更易得到改善，這一點在震中附近表現(xiàn)得較為明顯。當(dāng)CVEQRR介于0～100時，隨著CVEQRR的升高，降水與CVEQRR的相關(guān)和偏相關(guān)系數(shù)也升高，表明在生態(tài)恢復(fù)階段，降水比氣溫更能促進生態(tài)質(zhì)量的恢復(fù)。

圖8 2011～2019年研究區(qū)CVEQRR與氣溫（左）、降水（右）相關(guān)分析（a、b.相關(guān)，c、d.偏相關(guān)）

3 結(jié)論

本文采用MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研究了2000～2019年汶川地震重災(zāi)區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)及其恢復(fù)率，并結(jié)合氣候因子探討該地區(qū)植被恢復(fù)的時空差異情況，得到如下主要結(jié)論：

（1）2000～2019 年，研究區(qū)CVEQI在空間上呈現(xiàn)對角式（東北至西南）減少，東北方向生態(tài)質(zhì)量區(qū)域改善，震中龍門山中段至南段和盆周低山地區(qū)生態(tài)質(zhì)量受到地震、氣候變化等多因子的耦合影響，生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)惡化趨勢。2008年地震以前，研究區(qū)CVEQI呈波動下降趨勢，傾向率為-0.16/a。生態(tài)環(huán)境受到地震損壞的最大程度滯后到2010年才有所體現(xiàn)。震后恢復(fù)階段（2011～2019年），研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量有明顯的改善，龍門山一帶的生態(tài)質(zhì)量有明顯的提升。

（2）從空間分布特征看，CVEQRR等級為I及以下的區(qū)域分布較為破碎，研究區(qū)中北部平武縣、北川縣生態(tài)質(zhì)量未恢復(fù)面積較大。結(jié)合趨勢變化結(jié)果，龍門山中段至南段東側(cè)生態(tài)質(zhì)量已得到恢復(fù)，但并未恢復(fù)至災(zāi)前最佳水平。

（3）從不同地貌類型看，低海拔和高海拔地區(qū)生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)情況最佳，但是仍未恢復(fù)至震前最佳水平，中海拔地區(qū)生態(tài)質(zhì)量仍未恢復(fù)至震前平均水平。地震對中海拔地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量損傷較大，對高海拔地區(qū)植被綜合生態(tài)質(zhì)量有一定的損傷。

（4）從不同植被類型看，草地、灌木的植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)情況最佳，其次是林地、濕地，但是均未恢復(fù)至震前最佳水平。地震對耕地、林地和濕地的植被綜合生態(tài)質(zhì)量損傷最大，但無法判定地震對草地、灌木的植被綜合生態(tài)質(zhì)量是否有影響。

（5）2000～2019年研究區(qū)氣溫變化趨勢空間差異較小，大部分地區(qū)氣溫呈增加趨勢。而降水變化趨勢的空間差異較大，龍門山東側(cè)地形變化較為劇烈的地區(qū)是一個明顯的降水增加帶。氣象因素對不同程度的植被綜合生態(tài)質(zhì)量恢復(fù)率的影響存在一定差異，氣溫升高對震中地區(qū)、低海拔地區(qū)植被生長有抑制作用，降水增加對中海拔地區(qū)植被生長有促進作用。降水比氣溫更能促進生態(tài)質(zhì)量的恢復(fù)。

（致 謝：感謝全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)、美國LAADS Web以及地理空間數(shù)據(jù)云提供的數(shù)據(jù)支持。）