秦巴山地植被覆蓋度時空動態(tài)特征研究——以陜西省寧強縣為例

秦巴山地植被覆蓋度時空動態(tài)特征研究——以陜西省寧強縣為例

王志杰1,2，蘇嫄3

(1.貴州大學 生命科學學院， 貴州 貴陽 550025；2.陜西理工學院 歷史文化與旅游學院， 陜西 漢中 723000；3.陜西理工學院 文學院， 陜西 漢中 723000)

[摘要]以位于陜南秦巴山地的寧強縣為研究對象，利用寧強縣1990年、2000年和2010年的TM遙感圖像，運用基于歸一化植被指數(shù)的像元二分模型法，提取并分析了寧強縣近20年來植被覆蓋度的時空動態(tài)變化特征。結果表明：寧強縣近20年來植被覆蓋整體較好，均大于78%，且植被覆蓋度整體略有上升；近20年來，寧強縣植被覆蓋經(jīng)歷退化和恢復兩個時期。1990—2000年，為寧強縣植被覆蓋退化期，近一半鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋度出現(xiàn)不同程度降低；2000—2010年，為寧強縣植被覆蓋恢復期，各覆蓋度等級面積以增加為主；2010年寧強縣仍有11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋度較1990年有所降低，今后應繼續(xù)加強植被恢復、保護和建設，保障南水北調(diào)中線水源地生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。

[關鍵詞]植被覆蓋度；時空動態(tài)；遙感；秦巴山地

[文章編號]1673-2944(2015)05-0060-06

[中圖分類號]S127； X87

收稿日期：2015-03-24

基金項目：陜西理工學院科研基金資助項目(SLGKYQD2-32)

作者簡介：王志杰(1986—)，男，甘肅省會寧縣人，陜西理工學院講師，博士，主要研究方向為區(qū)域環(huán)境的演變監(jiān)測與評價、遙感與GIS應用。

植被不僅為動植物提供必不可少的棲息地，而且通過對陸地表面的保護、氣候的改善、生態(tài)過程的維持以及生物多樣性的保護等提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務功能[1]。植被覆蓋度作為植被的直觀量化指標，對水文、生態(tài)、全球變化等都具有重要意義[2-3]。關于植被覆蓋度的測量，隨著遙感技術的不斷發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)提取植被覆蓋度的方法近年來得到學界的廣泛研究和應用。與傳統(tǒng)的地表實測法比較，由于遙感測量法基于空間數(shù)據(jù)連續(xù)，在大中尺度區(qū)域具有一定的優(yōu)勢，因此近年來備受關注[4]。特別是源于定量遙感線性光譜混合模型的混合像元分解法[5]，因其經(jīng)濟方便，且可以利用不同時相的遙感影像估算植被覆蓋度，適于植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測研究而得到較為廣泛的應用[3]。實際應用中，研究者大多利用基于歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)的像元二分模型進行區(qū)域植被覆蓋度的提取和植被信息的動態(tài)監(jiān)測[6-8]。

寧強縣位于陜西省西南部的秦巴山區(qū)，是漢江的發(fā)源地，屬南水北調(diào)中線工程水源區(qū)，也是丹江口庫區(qū)及上游水土保持工程項目縣。寧強縣植被覆蓋的動態(tài)變化在一定程度上反映著水土保持治理的成效，其植被覆蓋的優(yōu)劣也直接關系到漢江上游流域的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，對南水北調(diào)中線工程的運行具有重要影響。鑒于此，本研究以寧強縣1990年、2000年和2010年Landsat-5 TM遙感圖像為基本數(shù)據(jù)源，運用基于NDVI的像元二分模型，提取寧強縣3個時相的植被覆蓋度，并利用GIS空間分析技術，分析了近20年來，寧強縣植被覆蓋度的時空動態(tài)變化特征，以期明確該地區(qū)植被恢復與建設的效果，揭示植被覆蓋度的時間和空間變化規(guī)律，為今后該地區(qū)及南水北調(diào)中線水源地生態(tài)環(huán)境保護和建設提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

寧強縣位于陜西省西南部、漢中市西部，坐標介于105°20′10″—106°35′18″E、32°37′06″—33°12′42″N之間，總面積3 282.73 km2。境內(nèi)分屬嘉陵江、漢江兩大長江支流，嘉陵江貫穿該縣南北，漢江發(fā)源于該縣北部，水資源極為豐富，有“三千里漢江第一城”之美譽。中低山區(qū)地貌，北屬秦嶺山地，大部分海拔1 000～1 600 m；南屬大巴山山系，大部分海拔1 000～1 800m。該區(qū)地處我國南北過渡的中間地帶，特殊的地理位置決定了其氣候的獨特性：西部屬于北亞熱帶季風氣候區(qū)，東部為北亞熱帶與暖溫帶過渡地域；氣候溫和，雨量充沛，四季分明。據(jù)2005年統(tǒng)計資料，全區(qū)年平均氣溫在13.5~15 ℃，年降水量655~1 100 mm，年日照時數(shù)1 395~1 729 h。土壤以黃棕壤為主，成土母質(zhì)以頁巖、千枚巖為主，質(zhì)地疏松，透水性好，抗沖蝕能力差。全縣坡耕地量大，大于25°的坡耕地占耕地面積的52.77%。再加上長期亂墾濫伐，全縣水土流失面積共有2 071 km2，占總面積的63.9%，平均土壤侵蝕模數(shù)為4 642 t/(km2·a)，屬中度侵蝕。水土流失類型以水力侵蝕為主，兼有重力侵蝕，且面蝕嚴重。該縣屬南水北調(diào)中線工程水源區(qū)，也是目前實施的丹江口庫區(qū)及上游水土保持工程項目縣[9-10]。

1.2　數(shù)據(jù)源

本文選取1990年、2000年和2010年3個時相的Landsat-5 TM衛(wèi)星遙感圖像為基本遙感數(shù)據(jù)源，圖像空間分辨率為30 m×30 m，且3個時相的遙感圖像成像時間接近(均處于7—9月之間)，植被處于同一物候期，植被覆蓋度的時空動態(tài)變化具有可比性，圖像質(zhì)量良好。所有遙感圖像均來源于國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)，并已完成輻射校正和幾何粗校正。坐標系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_Zone_48N,遙感圖像基本特征見表1。另外，非遙感數(shù)據(jù)還包括研究區(qū)1∶50 000地形圖和行政區(qū)劃圖等資料和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。

表1　遙感圖像數(shù)據(jù)的基本特征

1.3　數(shù)據(jù)處理與方法

1.3.1　遙感圖像預處理

由于研究區(qū)的完整遙感圖像需要相鄰2景遙感圖像(行列號分別為129/37和128/37)拼接方能實現(xiàn)，因此研究以ERDAS 9.2軟件為數(shù)據(jù)處理平臺，首先以研究區(qū)1∶50 000地形圖為標準參照，分別對3期遙感圖像(共6景遙感圖像)采用二次多項式方法進行幾何精校正，校正時像元重采樣采用雙線性內(nèi)插法，像元大小為30 m×30 m，校正精度控制在1個像元內(nèi)。然后將同一時相的兩幅遙感影像采用mosaic功能進行拼接，進而利用研究區(qū)行政區(qū)劃邊界進行裁剪，得到研究區(qū)3個時相的遙感圖像。

1.3.2　植被覆蓋度信息提取

植被覆蓋度是指植物的枝、莖、葉在地面的垂直投影面積所占統(tǒng)計區(qū)域總面積的百分比[11]，是衡量地表植被狀況的一個最重要的指標。傳統(tǒng)的植被覆蓋度提取方法是通過野外實際觀測，但該方法對于大面積植被覆蓋度的獲取而言較為困難。近年來，隨著遙感技術的迅速發(fā)展，應用遙感影像計算的植被指數(shù)估算植被覆蓋度作為一種新興的方法，得到了廣泛的應用。本研究中植被覆蓋度的提取以基于NDVI的像元二分模型方法進行，計算公式為

(1)

(2)

式中：ρNIR為近紅外波段的反射率，ρR為紅光波段的反射率，NDVI為歸一化植被指數(shù)，fg為植被覆蓋度，NDVIsoil為無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無植被像元的NDVI值；NDVIveg代表被植被完全覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。其中NDVIsoil和NDVIveg值的提取方法為選取只有一種土地利用方式和一種土壤類型的NDVI圖像內(nèi)累計頻率為5%的NDVI指數(shù)作為NDVIsoil值，選取累計頻率為95%的NDVI指數(shù)作為NDVIveg值[2]。

植被覆蓋度的提取在ENVI 5.1軟件平臺上運用Band math功能實現(xiàn)，并對計算得到的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，依照水利部《土壤侵蝕分類分級標準》中關于植被覆蓋度的分級標準，劃分為≤10%、10%~30%、30%~45%、45%~60%、60%~75%和≥75%這6個等級，進而在ArcGIS 10.2軟件平臺上得到研究區(qū)植被覆蓋度分級圖(圖1)。

圖1　寧強縣1990年、2000年和2010年植被覆蓋度等級分布圖

2結果與分析

2.1　植被覆蓋度總體變化特征

從寧強縣3個不同時期的植被覆蓋圖分析可以看出，寧強縣1990年、2000年和2010年的平均植被覆蓋度分別為78.48%、78.05%和79.12%。整體而言，寧強縣植被覆蓋良好，且略有增長趨勢。從不同植被覆蓋度等級的面積分布比例也可以看出(表2)：V級(60%~75%)和VI級(≥75%)的覆蓋度等級面積均占3個時期植被覆蓋度的90%乃至95%以上。各覆蓋度等級的面積比例動態(tài)變化顯示，1990—2000年的10年間，大于60%的V級和VI級覆蓋度等級面積比例略有下降，降幅分別約1.3%和0.9%；30%~60%間的III級和IV級覆蓋度等級面積比例均略有增加，減幅分別為0.3%和2.9%；同時，10%~30%的II級覆蓋度等級面積比例也出現(xiàn)減少趨勢，減幅約0.1%。這反映出1990—2000年間，寧強縣植被有被破壞的現(xiàn)象發(fā)生，高覆蓋度等級和低覆蓋度等級面積比例均出現(xiàn)減小趨勢，這一時期為寧強縣的植被覆蓋的退化期。2000—2010年的10年間，2010年寧強縣小于75%的II、III、IV和V級覆蓋度等級面積比例較之2000年均有不同程度的減少，而≥75%的VI級覆蓋度等級面積較之2000年有較大幅度增長，增幅約3.5%，反映出2000—2010年間寧強縣植被恢復效果較好，高覆蓋度等級面積顯著增長，而中低覆蓋度等級面積有不同程度減小，即這一時期為寧強縣植被覆蓋的恢復期。

表2　1990年、2000年和2010年寧強縣不同植被覆蓋度等級的面積比例

2.2　不同植被覆蓋等級的時間變化特征

從不同植被覆蓋度等級的轉移面積統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)：1990—2000年間(表3)，除VI級植被覆蓋等級外，I級—V級植被覆蓋度等級分別有0.09 km2、5.85 km2、8.1 km2、54.72 km2和342.83 km2的區(qū)域植被覆蓋度均有所上升，約占到1990年各對應植被覆蓋度等級的50%~90%(V級的植被覆蓋增加面積占1990年V級植被覆蓋等級面積的36%)；而各植被覆蓋度等級在上升的同時，也有部分呈降低的趨勢，I級—IV級植被覆蓋度等級的面積有近5%~15%的面積降低，而V級和VI級植被覆蓋度等級分別有114.72 km2和390.60 km2的面積有所退化，退化面積分別占1990年兩個等級面積的12%和17%?？傮w而言，1990—2000年間，各級植被覆蓋度等級升高的面積約411.59 km2，而等級降低的面積約有511.96 km2，即植被覆蓋退化的面積約大于植被覆蓋升高的100 km2，且以V級和VI級的植被退化面積最大，而其它各等級的植被覆蓋整體以增長為主。

表3　1990—2000年不同植被覆蓋度等級面積轉移矩陣　　(單位：km 2)

而在2000—2010年間(表4)，除VI級植被覆蓋度等級外，其他各植被覆蓋度等級的升高面積占到2000年各自對應覆蓋度等級總面積的約80%以上(V級植被覆蓋度等級的升高面積占2000年V級總面積的37%)，而各植被覆蓋等級面積的減小比例均小于5%。VI級植被覆蓋度等級降低的面積比例最大，也僅占2000年VI級植被覆蓋度等級面積的10%。總體上，2000—2010年，各植被覆蓋度等級的增長面積達到495.12 km2，而植被覆蓋等級降低的面積近274.12 km2，約是增加面積的一半，這也說明這十年來，植被覆蓋有大幅增加，植被覆蓋狀況整體好轉。

表4　2000—2010年不同植被覆蓋度等級面積轉移矩陣　　(單位：km 2)

2.3　植被覆蓋度的空間變化特征

比較寧強縣26個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在1990—2010年間植被覆蓋度的變化特征可以發(fā)現(xiàn)(圖2)：1990—2000年間，縣域內(nèi)的廣坪鎮(zhèn)、安樂河鄉(xiāng)、燕子砭鎮(zhèn)、蒼社鄉(xiāng)、太陽嶺鄉(xiāng)、巨亭鄉(xiāng)、曾家河鄉(xiāng)、鞏家河鄉(xiāng)、廟壩鄉(xiāng)、大安鎮(zhèn)、代家壩鎮(zhèn)、陽平關鎮(zhèn)和胡家壩鎮(zhèn)等13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均植被覆蓋度呈減小趨勢，減幅在0.24%~4.02%之間，其中安樂河鄉(xiāng)、燕子砭鎮(zhèn)、蒼社鄉(xiāng)和太陽嶺鄉(xiāng)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的減幅較大，均大于3%；植被覆蓋度減小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要集中在寧強縣的西部和北部。其他13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均植被覆蓋度均有不同程度的增加，增幅在0.04%~2.45%之間，其中以南部的巴山鎮(zhèn)增幅最大，為2.45%。這說明在1990—2000年的10年間，寧強縣近一半的鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被有被破壞的現(xiàn)象發(fā)生，植被覆蓋有退化的趨勢。

圖2　寧強縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋度空間變化特征

2000—2010年間，僅青木川鎮(zhèn)、黃家壩鄉(xiāng)、巨亭鄉(xiāng)、曾家河鄉(xiāng)、代家壩鎮(zhèn)和舒家壩鄉(xiāng)這6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度有減小的趨勢，減幅在0.39%~2.20%之間，其中巨亭鄉(xiāng)、曾家河鄉(xiāng)和代家壩鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度自1990年以來的近20年間呈持續(xù)減小趨勢，較之1990年，這3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在2010年的植被覆蓋度減幅分別達到2.36%、2.17%和3.33%，而其它20個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度在2000年之后均有不同程度的增加，這也進一步說明2000年之后，寧強縣的植被覆蓋整體上有所好轉。

寧強縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋在經(jīng)歷了1990—2000年間的退化期和2000—2010年的恢復期，在2010年，廣坪鎮(zhèn)、安樂河鄉(xiāng)、燕子砭鎮(zhèn)、蒼社鄉(xiāng)、太陽嶺鄉(xiāng)、黃壩驛鄉(xiāng)、巨亭鄉(xiāng)、曾家河鄉(xiāng)、代家壩鎮(zhèn)、陽平關鎮(zhèn)和舒家壩鄉(xiāng)這11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度較之1990年依然有所減小，因此，今后應繼續(xù)加強植被恢復和建設，以保證植被覆蓋的持續(xù)增加。

3結論與討論

為探明秦巴山地植被覆蓋度的動態(tài)變化特征，本文以位于南水北調(diào)中線水源地的秦巴山區(qū)寧強縣為研究對象，以遙感和GIS技術為基礎，運用基于NDVI的像元二分模型法，對寧強縣1990年、2000年和2010年的植被覆蓋度進行了計算和時空動態(tài)變化特征分析，研究得到如下結果：

寧強縣近20年來(1990—2010年)植被覆蓋度整體較好，均大于78%，并且植被覆蓋度整體上略有上升趨勢。

1990—2000年間，為寧強縣植被覆蓋的退化期，近一半鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度出現(xiàn)不同程度的降低，且以植被覆蓋度大于60%的高覆蓋度等級退化較為嚴重，這說明該時期人類活動依然較明顯地破壞著該區(qū)域的植被覆蓋，高植被覆蓋區(qū)的植被遭到破壞與砍伐，導致植被退化；2000—2010年間，為寧強縣植被覆蓋的恢復期，全縣6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋度有所減小，其他20個鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋度均有不同程度的升高，且各覆蓋度等級面積均以增加為主，植被覆蓋狀況整體好轉，這反映出國家實施的一系列生態(tài)環(huán)境治理工程(“退耕還林(草)”工程、“丹治”工程等)取得明顯成效[12-13]。

在經(jīng)歷了植被的退化和恢復兩個時期后，2010年寧強縣依然有11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度較之1990年有所降低，今后應繼續(xù)加強植被恢復、保護和建設，如在植被覆蓋持續(xù)退化的鄉(xiāng)鎮(zhèn)繼續(xù)大力推進“退耕還林(草)”工程建設，加強封山育林、嚴禁放牧等植被保育管理；對于植被覆蓋較好和植被覆蓋轉好的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，應重點進行植被防護，確保植被覆蓋的穩(wěn)定增長。同時，應著力加強全縣植被覆蓋的生態(tài)服務功能價值的提升，以切實保障該縣作為南水北調(diào)中線工程水源地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

[參考文獻]

[1]H?LZEL N,BUISSON E,DUTOIT T.Species introduction a major topic in vegetation restoration[J].Applied Vegetation Science,2012(15):161-165.

[2]胡玉福,蔣雙龍,劉宇,等.基于RS的安寧河上游植被覆蓋時空變化研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2014,45(5):205-215.

[3]李登科,范建忠,王娟.陜西省植被覆蓋度變化特征及其成因[J].應用生態(tài)學報,2010,21(11):2896-2903.

[4]秦偉,朱清科,張學霞,等.植被覆蓋度及其測算方法研究進展[J].西北農(nóng)林科技大學學報：自然科學版,2006,34(9):163-170.

[5]QUARMBY N A,TOWNSHEND J R G,SETTLE J J,et al.Linear mixture modeling applied to AHVRR data for crop area estimation[J].International Journal of Remote Sensing,1992(13):415-425.

[6]劉琳,姚波.基于NDVI象元二分法的植被覆蓋變化監(jiān)測[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(增刊1):230-234.

[7]馬娜,胡云鋒,莊大方,等.基于遙感和像元二分模型的內(nèi)蒙古正藍旗植被覆蓋度格局和動態(tài)變化[J].地理科學,2012(2):251-256.

[8]張寶慶,吳普特,趙西寧.近30a黃土高原植被覆蓋時空演變監(jiān)測與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(4):287-293.

[9]蘭敏.基于GIS的秦巴山區(qū)土壤侵蝕空間特征分析——以陜西省寧強縣為例[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2012,30(2):196-200.

[10]王星,李占斌,李鵬,等.寧強縣土壤侵蝕的地貌分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(11):132-137.

[11]PUREVDOR J T S,TATEISHI R,ISHIYAMA T,et al.Relationships between percent vegetation cover and vegetation indices[J].International Journal of Remote Sensing,1998,19(18):3519-3535.

[12]范建忠,李登科,周輝.陜西省退耕還林工程區(qū)植被覆蓋度的變化分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2013,31(4):207-213.

[13]秦超,李君軼,陳宏飛,等.陜西省植被覆蓋時空演變特征及其與氣候因子的關系[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2015,36(1):108-114.

[責任編輯：李 莉]

Spatial-temporal dynamic changes of vegetation coverage in Qinba mountains region ——Taking Ningqiang County as an Example

WANG Zhi-Jie1,2,SU Yuan3

(1.College of Life Science, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2. School of History and Tourism, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China;3.School of Chinese and Literature, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Abstract:Vegetation coverage, as a visual quantitative vegetation indicator, has great significance for hydrology, ecology and global change, etc. In this study, taking the Ningqiang County as the research object andthe TM remote images in 1990, 2000 and 2010 as the basic data sources, we have extracted and analyzed the spatial and temporal dynamic changes of vegetation coverage in the Ningqiang County in the last 20 years. The results show that: 1) During the last 20 years, the vegetation coverage of Ningqiang County has been larger than 78%, and it was slightly higher in 2010 than in 1990. 2) the vegetation coverage of the Ningqiang County has experienced the degradation and recovery periods during the last 20 years. Between 1990 and 2000, it was the degradation period with the vegetation coverage in nearly half of the townships decreasing. between 2000 and 2010, it was the recovery period with the area of every level of coverage ranks increasing. 3) The vegetation coverage of 11 townships in 2010 was still smaller than that in 1990. Therefore, great efforts should be furthered in the vegetation restoration, protection and construction in the future, so as to guarantee the quality of the ecological environment of the water source of south-to-north water diversion project.

Key words:vegetation coverage;spatial-temporal dynamic features;remote sensing;Qinba mountains region