论文部分内容阅读
近年来,我国工业化和城镇化的快速发展带来了一系列的空气污染问题（雾霾、扬尘、酸雨等）,严重威胁人体健康。空气负离子（Negative air ion,NAI）具有净化空气和改善人体亚健康的功能,正逐渐成为评价国家生态环境建设的重要指标。分析NAI浓度的时空分布,能够为我国生态环境的改善提供科学指导。目前多数研究仅依赖站点监测,获得的NAI浓度分布缺乏代表性。部分学者采用空间插值法模拟NAI的空间分布,但环境因子的时空异质性和其数据收集的局限性使得模拟结果准确性和普适性等方面存在诸多不足。基于模型反演的NAI估测能够有效解决环境要素的空间异质性问题,但目前的估算模型参与要素较少,尤其是未考虑植被的调节作用,因此缺乏普适性。计算机和遥感技术的发展使高效、广泛的资源环境遥感反演得以实现,植被遥感技术的快速发展也使得区域尺度的NAI估测成为可能。本文以浙江省为研究区,基于大量站点连续监测的NAI和气象、地形、日光诱导叶绿素荧光（Sun-induced Chlorophyll Fluorescence,SIF）等遥感产品及空气质量站点数据,构建NAI浓度遥感反演模型,实现浙江省NAI浓度的时空分布模拟,并对NAI浓度的生态价值进行评估。主要研究内容和结论如下:1.通过中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）数据、航天飞机雷达地形测绘使命（Shuttle Radar Topography Mission,SRTM）数据、农业气象再分析（Agrometeorological Indicators From 1979 To Present Derived From Reanalysis,Ag ERA5）数据、基于OCO-2的全球日光诱导叶绿素荧光（Global Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Derived From OCO-2,GOSIF）、可见光红外成像辐射仪（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite,NPP/VIIRS）数据与站点实测数据提取气象、植被、地形、空气质量、人类活动强度五大类NAI浓度的影响因素,共23个建模因子,计算各因子的特征重要性程度,分析NAI浓度的时空变异驱动因素。结果表明,对NAI浓度反演模型贡献最大的前10位特征参数依次为高程（Digital Elevation Model,DEM）、坡向（ASPECT）、坡度（SLOPE）、空气温度（Air Temperature,T）、SIF、相对湿度（Relative Humidity,RH）、一氧化碳（Carbon Monoxide,CO）、二氧化氮（Nitrogen Dioxied,NO2）、水汽压强（Vapour Pressure,VP）以及二氧化硫（Sulfur Dioxide,SO2）,包括了地形、气象、植被与空气质量等因素,说明NAI浓度是受多种因素共同调节的。其中,SIF的重要性程度仅次于地形因素和T,充分说明植被光合作用对模型的构建具有重要意义。2.基于随机森林算法,构建NAI浓度遥感反演模型,实现2020年浙江省NAI浓度的时空分布。结果表明,模型精度验证结果为R~2=0.878,RMSE=258.617,Bias=14.973,区域适用性验证结果为R~2=0.732,RMSE=538.067,Bias=-381.990,表明模型能够较好地反映NAI浓度在空间上的变化。浙江省NAI浓度在空间上自西南向东北递减,时间上冬季低,夏季高。总体上,80%以上地区年平均NAI浓度能够达到Ⅱ级(1000Ions cm-3＜NAI浓度≤2000 Ions cm-3)。城镇NAI浓度达到Ⅲ级(500 Ions cm-3＜NAI浓度≤1000 Ions cm-3)。3.基于浙江省NAI浓度遥感反演结果,结合土地覆盖数据,分析2020年1～12月不同土地覆盖类型下NAI浓度的变化规律。结果表明,不同土地利用类型下的NAI浓度的年内变化均为“单峰”形式,最高值出现在8月;NAI浓度由高到低依次为林地、湿地、裸地、草地、耕地、建设用地,林地的NAI浓度(1789 Ions cm-3)显著高于其他类型（p＜0.05）,耕地(1063 Ions cm-3)、建设用地(1042 Ions cm-3)的NAI浓度显著低于其他类型,说明植被能够显著提高NAI水平,而强烈的人类活动会降低NAI水平。4.对浙江省内89个4A级及以上景点的NAI浓度进行分析发现,大部分景区的年均NAI浓度等级达到Ⅱ级,自然景区(1679 Ions cm-3)的年均NAI浓度高于人文景区(1250 Ions cm-3)。自然景区中,Ⅲ级景区仅1个,Ⅰ级(NAI＞2000 Ions cm-3)景区8个。人文景区中,Ⅲ级景区10个,Ⅰ级人文景区3个。5.基于2020年浙江省NAI浓度时空分布变化图,采用替代工程法评价2020年浙江省NAI生态价值的最大潜力。结果表明,2020年浙江省NAI生态价值总量高达1.80×10~5亿元年-1。其中,丽水市的NAI生态价值总量(5.05×10~4亿元年-1)、单位面积NAI生态价值(2.93×10~2元米-2年-1)和人均NAI生态价值(1.86×10~2万元人-1年-1)均明显高于其他市,而嘉兴市(1.40×10~3亿元年-1,30.37元米-2年-1,3.80万元人-1年-1)则始终最低。杭州市和温州市的NAI生态价值总量(2.74×10~4亿元年-1,2.32×10~4亿元年-1)较高,但人均NAI生态价值(33.69万元人-1年-1,28.40万元人-1年-1)较低。在空间分布上,浙江省NAI生态价值总量、单位面积和人均NAI生态价值与NAI浓度空间分布趋势基本一致,NAI生态价值潜力最大区域位于浙江西南部。