江西省陸地植被空間格局特點(diǎn)及影響因素

范占領(lǐng)，邱炳文，曾燦英

(福州大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，福州 350002)

江西省陸地植被空間格局特點(diǎn)及影響因素

范占領(lǐng)，邱炳文，曾燦英

(福州大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，福州 350002)

為了探求江西省不同地貌特征下的植被空間格局特點(diǎn)及其與影響因素的相互關(guān)系，該文以EVImax作為植被覆蓋程度指示因子，建立了其與相關(guān)影響因子的地理加權(quán)回歸模型(GWR)。研究表明：(1)在平原區(qū)植被主要受到高程的影響，隨著高程的升高，形成了湖泊-耕地-河流-居民點(diǎn)-耕地-林混耕地的格局。且在居民點(diǎn)間形成了村落-工業(yè)區(qū)-城鎮(zhèn)的小格局。(2)在丘陵區(qū)首先受到坡度因子的影響，形成了盆地(谷地)和山地兩大格局，在河流和高程等因子的影響下，整體形成了河流-城鎮(zhèn)-耕地-河流-耕地-林混耕地-林地的格局。(3)在山地區(qū)，在河流和高程因子共同影響下，形成了河流-城鎮(zhèn)-村落(耕地)-林混耕地-林地格局。

丘陵山區(qū)；植被覆蓋；格局分析；EVI；GWR

0 引 言

在丘陵山區(qū)，植被覆蓋狀況和地形坡度是導(dǎo)致水土流失的關(guān)鍵因素[1-3]，植被覆蓋狀況也是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)[4-6]。由于諸如地形、氣候、土壤等環(huán)境因素分布的不規(guī)則性和復(fù)雜性，導(dǎo)致植被分布存在空間異質(zhì)性或空間非平穩(wěn)性[7-8]。江西省隸屬江南丘陵山區(qū)[9]，植被是土地覆蓋最主要類型。在考慮植被覆蓋空間異質(zhì)性情況下，開展江西省植被覆蓋空間格局分析工作，了解江西省植被覆蓋的分布模式以及形成機(jī)制對(duì)水土流失防治[10]、生態(tài)環(huán)境保護(hù)[11]等有著極其重要的意義。

英國Newcastle大學(xué)地理統(tǒng)計(jì)學(xué)家A.S Fortheringham等基于局部光滑的思想提出了地理加權(quán)回歸模型(Geographically Weighted Regression，GWR)，GWR模型作為一類能簡單有效處理空間非平穩(wěn)性的建模技術(shù)，近幾年在城市地價(jià)評(píng)估[12-13]、犯罪率分析[14]、傳染病空間分布分析[15-16]、植被格局分析[17-18]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)此，本文采用了GWR模型，建立植被指示因子EVImax與其影響因子的回歸模型，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和檢驗(yàn)分析，得出了江西省不同地貌區(qū)的陸地植被空間格局特點(diǎn)以及影響機(jī)制，為進(jìn)一步中國南方丘陵區(qū)植被格局特點(diǎn)深入分析以及水土流失防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供理論參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)

江西省，簡稱贛，地處于24°29′N～30°04′N，113°34′E～118°28′E之間，北回歸線附近，中國東南偏中部長江中下游南岸。江西省東南西三面環(huán)山，內(nèi)側(cè)丘陵廣亙，中部、北部平原坦蕩。根據(jù)全省地貌類型特點(diǎn)，可把江西省劃分為3種地貌區(qū)，即平原區(qū)、丘陵區(qū)、山地區(qū)[19](圖1(a))。全省氣候溫暖，日照充足，雨量充沛，無霜期長，為亞熱帶濕潤氣候，植被以常綠闊葉林為主，具有典型的亞熱帶森林植物群落。江西省年平均氣溫18℃左右。全年全省極端最高溫度南北差異不大，甚或略呈北高南低現(xiàn)象。江西年均降水量1341mm到1940mm，一般表現(xiàn)為南多北少、東多西少、山區(qū)多盆地少。全省土地總面積1669.5×104km2，其中林業(yè)用地面積1072.0×104km2，占64.2%。

1.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI作為一種通用的植被指數(shù)，由于其克服了土壤背景的影響和歸一化植被指數(shù)NDVI在植被高覆蓋區(qū)易飽和、植被低覆蓋區(qū)受土壤植被影響較大、對(duì)大氣衰減去除不徹底等缺點(diǎn)，近些年得到了廣泛的應(yīng)用。EVI的公式為：

(1)

其中，ρNIR、ρRed、ρBlue分別為近紅外、紅光和藍(lán)光波段的表現(xiàn)反射率或者方向反射率；L為土壤調(diào)節(jié)參數(shù)；C1和C2為大氣調(diào)節(jié)參數(shù)；G為增益系數(shù)[20]。在EVI計(jì)算中，通常取L=1，C1=6，C2=7.5，G=2.5[21-22]。

為了進(jìn)一步獲得江西省近十年來植被覆蓋的平均情況，本研究以江西省13年(2001年～2013年)250m空間分辨率16天最大化合成MODIS EVI指數(shù)為數(shù)據(jù)源。采用離散小波變換的方法將13年16天最大化合成的EVI數(shù)據(jù)分解成不同尺度的細(xì)節(jié)信號(hào)(Detail，D)和趨勢信號(hào)(Approximation，A)。從小波分解中提取出代表近13年來植被覆蓋程度的EVImax作為江西省植被覆蓋指示因子[17]，其中

(2)

其中，A.5代表第5層次的趨勢信號(hào)，Dj代表第j層次的細(xì)節(jié)信號(hào)，P90代表第90分位點(diǎn)的值。其數(shù)據(jù)分布圖如圖1(b)所示。

圖1 研究區(qū)位置、研究區(qū)地形特征及植被指示因子EVImax

已有研究表明，植被生長與地形土壤因子[23]、氣候變化和人類活動(dòng)[24]有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。所以本研究選取影響因子主要包括三類，其中地形因子包括高程和坡度。氣象因子包括溫度和降水，其數(shù)據(jù)基于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)所對(duì)所提供的氣象站點(diǎn)進(jìn)行克里金插值得到。人類活動(dòng)影響因子包括距離最近面狀河流或者湖泊的距離、距離最近線狀河流的距離、距離最近居民點(diǎn)的距離、距離最近道路的距離。其數(shù)據(jù)基于全國1∶100萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)計(jì)算得到。土地利用數(shù)據(jù)采用冉有華等基于多源數(shù)據(jù)融合方法的中國1km土地覆蓋數(shù)據(jù)[25]。

首先在江西省內(nèi)均勻選取134015個(gè)樣點(diǎn)，然后將各影響因子與EVImax做散點(diǎn)圖，如果EVImax與影響因子間存在著對(duì)數(shù)關(guān)系，則對(duì)影響因子做取對(duì)數(shù)處理。并檢驗(yàn)影響因子間的共線性，去除共線性較強(qiáng)的因子(研究去除降水因子)。最后對(duì)每個(gè)影響因子做歸一化處理。最后利用土地利用數(shù)據(jù)掩膜掉土地覆蓋類型為水體的樣點(diǎn)，以排除水體對(duì)研究結(jié)果的干擾。

2 研究方法

地理加權(quán)回歸是用回歸原理研究具有空間(或區(qū)域)分布特征的兩個(gè)或多個(gè)變量之間數(shù)量關(guān)系的方法，在數(shù)據(jù)處理時(shí)考慮局部特征作為權(quán)重。其模型表達(dá)式如下：

yi=β0(μi,νi)+∑βk(μi,νi)xik+εi

(2)

其中，(μi,νi)用來描述地理位置坐標(biāo)，β0(μi,νi)和βk(μi,νi)分別為不同地理位置i上的常數(shù)項(xiàng)和不同影響因子的影響系數(shù)[26]。在格局分析中，相對(duì)經(jīng)典的全局最小二乘模型(OLS)，本方法具有很強(qiáng)的優(yōu)越性[17]。研究采用AIC準(zhǔn)則確定最優(yōu)帶寬。

3 研究結(jié)果與分析

采用AIC最小法選取最優(yōu)帶寬，確定帶寬為10km。在ArcGIS中建立GWR模型，擬合得到部分參數(shù)統(tǒng)計(jì)量如表1所示。從表1中可以看出整體模型擬合精度達(dá)到了0.61。得到EVImax與影響因子GWR模型回歸系數(shù)如圖2所示。通過對(duì)高程、坡度、距離最近河流的距離等影響因子分區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)果如圖3所示。

表1 EVImax地理加權(quán)回歸模型的參數(shù)統(tǒng)計(jì)量

3.1 平原區(qū)植被覆蓋格局特點(diǎn)

在平原區(qū)，高程和距離最近湖泊的距離因子為平原區(qū)格局的主要影響因子。從模型高程系數(shù)圖(圖2(a))可以看出，平原區(qū)EVImax與高程呈現(xiàn)出先強(qiáng)負(fù)后強(qiáng)正的相關(guān)關(guān)系。從模型高程系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖(圖3(a))可知強(qiáng)負(fù)區(qū)域高程一般在20m以下，強(qiáng)正區(qū)域集中在20m～100m區(qū)間。高程20m以下區(qū)域，有充足的水源，便于灌溉，適宜作物種植，而城鎮(zhèn)多建于高程相對(duì)較高區(qū)域，以保證湖泊洪水期而不被淹掉。植被覆蓋程度耕地要好于城鎮(zhèn)，所以EVImax與高程表現(xiàn)出了強(qiáng)負(fù)的相關(guān)關(guān)系。在20m～100m區(qū)間，隨著海拔的升高土地利用一般為城鎮(zhèn)、大面積耕地和林混耕地，且林混耕地的植被覆蓋程度要好于耕地，所以EVImax與高程表現(xiàn)為強(qiáng)正的相關(guān)關(guān)系。在高程和湖泊(河流)因子的影響下，平原區(qū)形成了一個(gè)湖泊(河流)-耕地-居民點(diǎn)-耕地-林混耕地的格局特點(diǎn)。

圖2 EVImax與影響因子GWR模型回歸系數(shù)圖

圖3 GWR模型系數(shù)隨高程(a)、坡度(b)、距離最近河流距離(c)變化圖

人類活動(dòng)因素對(duì)平原區(qū)格局影響較大，在大片居民點(diǎn)區(qū)域以及主要道路經(jīng)過區(qū)域，EVImax與距離居民點(diǎn)距離和距離道路的距離呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正的相關(guān)關(guān)系。整體上表現(xiàn)出一個(gè)距離人類活動(dòng)區(qū)域越遠(yuǎn)，植被覆蓋越好的特點(diǎn)。且在本區(qū)域EVImax與距離縣以上居民點(diǎn)的距離表現(xiàn)為正的相關(guān)關(guān)系，而與鄉(xiāng)鎮(zhèn)以下居民點(diǎn)表現(xiàn)為負(fù)的相關(guān)關(guān)系，主要原因隨著城市的擴(kuò)張，在城市周邊建有大量的衛(wèi)星城和工業(yè)區(qū)，在離中心城市相當(dāng)長的一段距離內(nèi)植被覆蓋較差，在城市更遠(yuǎn)處多為耕地，所以距離城市越遠(yuǎn)，植被覆蓋越好。而對(duì)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村落而言，村落和耕地散落分布，距離村越近，植被覆蓋反而越好。所以以城鎮(zhèn)為中心，形成了城鎮(zhèn)-工業(yè)區(qū)-村落(耕地)的格局特點(diǎn)。整個(gè)平原區(qū)形成了湖泊-耕地(村落)-河流-城鎮(zhèn)-工業(yè)區(qū)-耕地(村落)-林混耕地的格局特點(diǎn)(圖4(a))。

3.2 丘陵區(qū)植被覆蓋格局特點(diǎn)

圖4 江西省植被覆蓋空間格局示意圖

坡度為丘陵區(qū)格局的主要影響因素。在丘陵區(qū)坡度一般在20°以下(圖3(b))，從模型坡度系數(shù)圖(圖2(b))可以看出丘陵區(qū)大部分區(qū)域EVImax與坡度呈現(xiàn)一個(gè)正的相關(guān)關(guān)系，主要是因?yàn)殡S著坡度增大，人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋的破壞越來越小。而丘陵區(qū)鑲嵌的盆地或谷地區(qū)域，EVImax與坡度呈現(xiàn)一個(gè)負(fù)的相關(guān)關(guān)系，主要是因?yàn)榕璧鼗蛘吖鹊氐闹脖桓采w類型主要為耕地，其特點(diǎn)和平原區(qū)相似。所以，在坡度因子的影響下，丘陵區(qū)可分成了盆地(谷地)和山地兩大格局。在盆地(谷地)區(qū)域，河流對(duì)植被覆蓋格局影響較大。主干河流(如贛江)經(jīng)過處，城鎮(zhèn)多延河流聚集，從模型距離最近河流的距離系數(shù)圖(圖2(c))可以看出EVImax與距離河流的距離呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系。而支流流經(jīng)處，沿河多為作物種植，并與村落散落分布，EVImax與距離河流的距離呈現(xiàn)出負(fù)的相關(guān)關(guān)系。在河流因子的影響下，盆地(谷地)區(qū)域植被覆蓋形成了河流-城鎮(zhèn)-耕地-河流-耕地的格局特點(diǎn)。在山地區(qū)域，隨著海拔的升高，主要為植被覆蓋類型從耕地到林地進(jìn)行過渡。從模型高程系數(shù)圖可以看出，EVImax與高程呈現(xiàn)出正的相關(guān)關(guān)系。丘陵區(qū)在坡度、河流以及高程的共同影響下，形成了河流-城鎮(zhèn)-耕地-河流-耕地-林混耕地-林地的格局特點(diǎn)(圖4(b))。

3.3 山地區(qū)植被覆蓋格局特點(diǎn)

山地區(qū)植被覆蓋類型主要為林地，但是在河流流經(jīng)處，植被覆蓋會(huì)有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性。河流為控本區(qū)域植被覆蓋格局的主要因子。從模型距離河流最近距離因子系數(shù)圖(圖2(c))可以看出，在本區(qū)域，主要是因?yàn)樵谇鹆晟絽^(qū)城鎮(zhèn)(村落)多沿河流而建，在城鎮(zhèn)和山體之間多為作物種植，在河流因子影響下整體形成了河流-城鎮(zhèn)-村落(耕地)-林混耕地-林地的格局特點(diǎn)(圖4(c))。從模型高程因子系數(shù)圖可以看出，EVImax與高程主要呈現(xiàn)一個(gè)正的相關(guān)關(guān)系，在高海拔地區(qū)，有較弱的負(fù)相關(guān)，一些研究表明，丘陵山區(qū)，在高海拔地區(qū)由于受到溫度的影響，植被覆蓋會(huì)隨著海拔的升高而越來越差[17]。但是江西省由于海拔相對(duì)較低，這個(gè)規(guī)律在江西省表現(xiàn)不夠明顯。人類活動(dòng)對(duì)山地區(qū)植被覆蓋也有較強(qiáng)的影響，從模型距離居民點(diǎn)的距離系數(shù)圖可以看出，EVImax與距離最近居民點(diǎn)的距離呈現(xiàn)出正的相關(guān)性，即距離居民點(diǎn)距離約遠(yuǎn)，植被覆蓋程度越好。主要是因?yàn)椋嚯x居民點(diǎn)距離越近，植被更容易受到人類的破壞，砍伐等。

4 結(jié)束語

本文在考慮植被覆蓋空間平穩(wěn)性的條件下，對(duì)江西省植被覆蓋格局特點(diǎn)進(jìn)行了分區(qū)探討，得到平原區(qū)、丘陵區(qū)、山地區(qū)等不同區(qū)域下的陸地植被覆蓋格局特點(diǎn)以及影響機(jī)制。為整個(gè)丘陵山區(qū)植被覆蓋格局分析工作提供了理論參考。而其本身的三大格局的特點(diǎn)也有一定的遞進(jìn)和過渡關(guān)系，整體上體現(xiàn)了一個(gè)平原區(qū)到山地區(qū)的變化。影響機(jī)制工作也將為江西省乃至整個(gè)南方丘陵山區(qū)的水土流失防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供相應(yīng)的決策支持。

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Spatial Pattern of Land Vegetation Characteristics and Influencing Factors in Jiangxi Province

FAN Zhan-ling，QIU Bing-wen，ZENG Can-ying

(NationalEngineeringResearchCenterofGeospatialInformationTechnology，F(xiàn)uzhouUniversity，F(xiàn)uzhou350002)

The purpose of this paper is to explore the spatial pattern of land vegetation characteristics and influencing factors in Jiangxi province.Taking EVImax as vegetation coverage degree of instruction factor，this research established the driving factors associated with the geographically weighted regression (GWR) model.Research conclusions are：(1) Vegetation cover in the plain area is mainly affected by elevation.And with the elevation rises，it forms a lake-farmland-river-residential-farmland-mixed arable forest pattern.Human activities have a great impact on the plains and form villages-industrial areas-towns pattern among the residential areas.(2) Hilly-gully region is affected by the slope factor first and form two big different patterns which are basin (valley) and mountain.Under the influence of rivers，elevation and other factors，the overall pattern of river-town-farmland-river-farmland-mixed arable forest-woodland is formed.(3) In mountainous areas，under the combined effect of rivers and elevation，the pattern of river-towns-farmland-mixed arable forest-woodland is formed.

hilly mountainous area；vegetation coverage；spatial pattern analysis；EVI；GWR

2014-08-08

2014-10-20

國家自然科學(xué)基金面上基金項(xiàng)目(41071267)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012J01167)；福建省重點(diǎn)科技項(xiàng)目(2012I0005)；教育補(bǔ)留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金(教外司留[2012]940號(hào))。

范占領(lǐng)(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闀r(shí)空數(shù)據(jù)分析與建模、遙感數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用等。

E-mail：fzling@126.com

邱炳文(1973—)，女，副研究員，主要研究方向?yàn)闀r(shí)空數(shù)據(jù)分析與建模、遙感數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用等。

E-mail：qiubingwen@fzu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-3177.2015.05.009

P237

A

1000-3177(2015)141-0057-05