陜西省丹江流域NDVI分布及其與土地利用的關(guān)系

張軍,賈春蓉,李鵬,唐輝

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,710048,西安;2.西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院,637009,四川南充)

陜西省丹江流域NDVI分布及其與土地利用的關(guān)系

張軍1,2,賈春蓉2,李鵬1?,唐輝1

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,710048,西安;2.西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院,637009,四川南充)

植被覆蓋是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,研究植被空間分布格局與土地利用之間的關(guān)系,對于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水土流失防治具有積極意義。以南水北調(diào)中線工程水源地,丹江流域?yàn)檠芯繉ο?利用MODIS 250m NDVI數(shù)據(jù),結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù),對丹江流域NDVI等級分布圖和DEM圖疊加,得到NDVI在不同海拔、坡度和坡向等地形因子的分布情況,并且與土地利用進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明:1)丹江流域NDVI平均值為0.84,表明流域植被覆蓋較好。高植被覆蓋分布于流域邊緣高山區(qū),東北和東南較集中;中植被覆蓋分布于丹江流域河道兩側(cè)川塬區(qū)和低山區(qū),西北和南部較集中;低植被覆蓋位于丹江流域川道區(qū),呈點(diǎn)和線狀分布。2)不同海拔和坡度,植被覆蓋面積呈單峰分布,平地的植被覆蓋面積接近0;不同坡向植被覆蓋面積差異不明顯。3)除坡向外,不同海拔和坡度,高、中植被覆蓋與耕地、林地和草地顯著相關(guān);不同地形因子下,低植被覆蓋與建設(shè)用地和水域顯著相關(guān)。丹江流域植被覆蓋度與人類活動范圍呈逆向分布,說明人類活動對植被分布影響較大;優(yōu)化土地利用,適當(dāng)增加林地覆蓋面積,有利于提高丹江流域的水土保持功能。

丹江流域;NDVI;地形因子;土地利用

植被是連接大氣、土壤和水分等自然要素的紐帶,在水土保持、大氣調(diào)節(jié)以及整個生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中,扮演了一個重要的角色[1-3],而植被空間格局不僅影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能[4],還反映土壤侵蝕與水土流失情況[5-6];因此,植被格局成為研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和防治水土流失的關(guān)鍵。傳統(tǒng)植被調(diào)查方法耗費(fèi)大量人力、物力,且時效性差,難以對大尺度植被分布進(jìn)行監(jiān)測[7]。遙感(remote sensing,RS)技術(shù)的迅速發(fā)展,為植被覆蓋監(jiān)測提供了一個新的發(fā)展方向[8-9],而歸一化植被指數(shù)[10-13](normalized difference vegetation index,NDVI)通過植被對光合有效輻射吸收能力,反映地表植被的繁茂程度,已成為研究植被格局的重要方法[14-16]。陳斌等分析了雅魯藏布江流域植被格局與NDVI分布的空間響應(yīng)關(guān)系[17]。M.L.Costantini等使用NDVI對Volcanic Lake流域植被格局進(jìn)行研究,并分析了混交林潛在的脆弱性[18]。程圣東等分析了文安驛流域植被覆蓋與地貌因子之間的關(guān)系[5]。

丹江流域作為南水北調(diào)中線工程的水源地,其生態(tài)環(huán)境問題一直備受關(guān)注[19]。前人為此做了大量研究,例如:陳磊等分析了丹漢江流域土地利用時空變化[20];王星等對丹漢江流域退耕地恢復(fù)過程中植被演替規(guī)律進(jìn)行了研究[21];馬彩虹等采用NDVI數(shù)據(jù),分析了漢江流域植被年和季節(jié)變化趨勢[22];李小燕等分析了漢江流域NDVI與水熱指數(shù)的時空變化關(guān)系[23]。然而,在丹江流域分析不同地形因子條件下,植被格局分布及其與土地利用關(guān)系的報道還不多;因此,本文以丹江流域?yàn)檠芯繉ο?利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù),基于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)生成地形因子,應(yīng)用(Geographic Information System,GIS)疊加分析植被空間分布特征。在此基礎(chǔ)上,探討植被覆蓋度與土地利用之間的關(guān)系,為保持流域植被覆蓋、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考,為防止水土流失、保護(hù)水源區(qū)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜西省丹江流域位于E 109°30＇～111°1＇,N 33°12＇～34°11＇之間,干流長243.5 km,流域面積7 510 km2,年平均徑流量17.1億m3,年平均輸沙量400萬m3[24]。地形西北高、東南低,最高為丹江源頭鳳凰山,最低為丹江干流河谷出境處,相對高差達(dá)到1 700m左右。屬于亞熱帶和溫帶氣候,多年平均氣溫為7.8～14℃,無霜期為200 d左右。多年平均降雨量為750～850 mm[24],其中7—9月份占全年降水量的50%。土地利用類型以耕地、林地和草地為主。流域內(nèi)主要農(nóng)作物有玉米(Zea mays L.)、小麥(Triticum aestivum Linn.)和馬鈴薯(Solanum tuberosum L.);林地以側(cè)柏(Platycladus orientalis (L.)Franco)、櫟樹(Quercus Linn.)和松樹(Pinus tabulaeformis Carr.)等喬木為主;草本植物主要有茅草(Imperata cylindrica(Linn.)Beauv.)、鬼針(Bidens bipinnata L.)等。

2 材料與方法

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

本文數(shù)據(jù)為MODIS中國NDVI合成產(chǎn)品(分辨率為250m)和DEM(分辨率為30 m),數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn)。2010年丹江流域土地利用數(shù)據(jù)來源于陜西省國土資源局。

首先,利用ArcGIS9.3水文分析工具,提取丹江流域DEM圖;然后通過DEM圖裁剪,獲得丹江流域NDVI。采用國際通用的最大值合成法(Maximum Value Compositing,MVC),生成年NDVI值,目的是消除云、大氣和太陽高度角等因素的干擾,保證地表植被覆蓋狀況的真實(shí)性[25-26]。

式中:INDVI為最大合成NDVI值;INDVIj為第j時段的NDVI值,本文INDVIj為2010年各月數(shù)據(jù)。

2.2分析方法

根據(jù)已有研究[27],并結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況,將NDVI值劃分為:低植被覆蓋(INDVI≤0.65)、中植被覆蓋(0.65＜INDVI≤0.85)和高植被覆蓋(INDVI＞ 0.85)3個植被覆蓋等級,反映植被的覆蓋程度。

在ArcGIS9.3平臺下,以丹江流域DEM圖為基礎(chǔ),利用空間分析工具,分別提取高程、坡度和坡向等地形因子,生成高程、坡度和坡向等專題圖。以各地形因子為基礎(chǔ),結(jié)合流域自然地貌特征,對地形因子進(jìn)行分級(表1),生成地形因子分級專題圖。最后,將各地形因子分級專題圖與植被覆蓋等級圖進(jìn)行空間疊加,分析植被覆蓋度的地形特征分布。同時,采用Spearman相關(guān)分析,研究在不同地形因子下,植被覆蓋和土地利用類型的相關(guān)性,具體分析在SPSS16.0軟件中,選擇“Analyze”—“Correlate”—“Bivariate Correlate”完成。

表1　地形因子分級體系Tab.1 Grade system of topographic factors

3 結(jié)果與分析

3.1丹江流域植被空間分布基本特征

圖1　丹江流域NDVI空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of NDVI in Dan River Watershed

2010年丹江流域植被的空間分布特征見圖1。丹江流域高植被覆蓋面積占總面積的45.19%,分布于流域邊緣高山地區(qū),以及東北和東南丘陵溝谷區(qū);中植被覆蓋面積占總面積的53.67%,分布于丹江流域川源和低山地區(qū),西北和南部較集中;低植被覆蓋面積占總面積的1.14%,主要分布于丹江流域川道地區(qū),呈點(diǎn)和線狀分布。丹江流域地形西北高、東南低,最高為鳳凰山,海拔1 964m,最低為丹江干流河各出境處,海拔210 m,相對高差達(dá)到1 754 m[24]。地形特征的差異,導(dǎo)致丹江流域自然條件出現(xiàn)垂直分異和水平變化[28]。垂直分異表現(xiàn)為一定海拔內(nèi),降雨量隨海拔增高而增加,溫度降低,引起土壤、植被和人類活動等隨高度發(fā)生相應(yīng)變化。水平變化表現(xiàn)在西北和東南方向上,濕潤狀況存在明顯差異,即西北部比東南部更加濕潤,出現(xiàn)西北部以森林為主,東南部以疏林、荒坡草灌為主的景觀格局[29];然而,丹江流域這種垂直分異和水平變化犬牙交錯、互相結(jié)合。近年來,由于上游地區(qū)植被破壞,林地退化嚴(yán)重,而中游丘陵溝谷區(qū)地勢陡峭反而植被變得茂盛?？梢?人類活動對丹江流域植被格局的影響顯著。丹江流域不同地形因子NDVI平均值變化(表2)也表明:丹江流域NDVI平均值隨海拔和坡度的增加而增加,且當(dāng)坡度達(dá)到20°～25°時,其值趨于穩(wěn)定;而在不同坡向上,除平地NDVI平均值較低外,其余坡向差異較小。

表2　不同地形因子的NDVI平均值Tab.2 Average NDVI value under different topographic factor

3.2植被覆蓋度的海拔分布特征

植被覆蓋度海拔分布特征見圖2(a)。可以看出,不同植被覆蓋度面積在海拔上呈單峰分布,高、中、低3個等級最大植被覆蓋面積分別出現(xiàn)在海拔1 000～1 200,800～1 000和400～600 m,且海拔1 000～1 200m以下以中植被覆蓋為主,以上以高植被覆蓋為主,說明隨海拔增高,植被覆蓋越好。這主要是由于丹江流域相對高差較大,降雨量隨海拔增加而增加,森林垂直分帶明顯。浦蕾等[30]的研究也表明,陜南植被NDVI與降雨存在正相關(guān)。從植被類型來看,海拔600～1 000 m為暖溫半干旱性落葉闊葉林,1 000～1 500 m為溫暖半濕潤性松櫟林, 1 500m以上為溫和濕潤性針闊葉混交林;而海拔400～600m為川道地區(qū),城鎮(zhèn)和水域集中,特別是商南—丹江盆地位于該區(qū)域,是導(dǎo)致植被覆蓋較低的原因。

3.3植被覆蓋度的坡度分布特征

植被覆蓋度的坡度分布特征見圖2(b)。可以看出:高、中植被覆蓋面積在坡度上呈單峰分布,低覆蓋面積呈遞減分布。高、中最大植被覆蓋面積分別出現(xiàn)在20°～25°和15°～20°,且以20°～25°為分界線,小于該坡度以中覆蓋面積占主導(dǎo),大于該坡度以高覆蓋面積為主。主要是由于2007—2010年,“丹治”一期水土流失治理項(xiàng)目,取得了明顯的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。其次,國家大力推行的退耕還林(草)政策,禁止開墾25°以上陡坡地,使丹江流域生態(tài)環(huán)境得到很大改善。此外,隨著坡度的增加,土地利用類型由建設(shè)用地和耕地向草地和林地轉(zhuǎn)變,也是導(dǎo)致植被覆蓋隨坡度增加而增加的原因。

圖2　植被覆蓋度在不同海拔(a)、坡度(b)和坡向(c)的分布特征Fig.2 Distribution feature of vegetation coverage in different altitude(a),slope-degree(b),and slope-direction(c)

3.4植被覆蓋度的坡向分布特征

植被覆蓋度的坡向分布特征見圖2(c)?？梢钥闯?在平地,高、中、低植被覆蓋面積幾乎為0,而其他坡向上植被覆蓋面積的大小為中覆蓋＞高覆蓋＞低覆蓋。從不同坡向植被覆蓋面積變化來看,中植被覆蓋面積,陽坡和陰坡所占比例幾乎相同,高植被覆蓋面積,陽坡(52.02%)略高于陰坡(47.98%)?？赡苁且?yàn)榈そ饔蚰杲邓亢凸庹諚l件陽坡均優(yōu)于陰坡[29],導(dǎo)致陽坡植被多樣性和植被覆蓋度優(yōu)于陰坡。例如:北坡800m以下為疏林、灌叢,僅有少量的側(cè)柏林,而南坡1 000 m以下,為北亞熱帶常綠落葉混交林,主要樹種有麻櫟、側(cè)柏等。低植被覆蓋面積,陰坡高于陽坡,可能是由于低覆蓋面積主要位于海拔較低、坡度平緩地區(qū),陽坡光照條件好,建筑用地所占面積較大。

3.5植被覆蓋度與土地利用類型的關(guān)系

植被覆蓋度能反映植被生長狀況,而土地利用能反映植被的水土保持功能;因此,本文對不同地形因子下,土地利用與植被覆蓋進(jìn)行相關(guān)分析。由表3可見,地形因子不同時,低植被覆蓋與建設(shè)用地顯著相關(guān),說明道路和城市建設(shè)等人類活動,是導(dǎo)致植被覆蓋較低的主要因素。海拔和坡度不同時,高、中植被覆蓋區(qū)與耕地、草地和林地顯著相關(guān)。可見這3種土地利用類型是丹江流域植被主要覆蓋方式。從各相關(guān)系數(shù)數(shù)值來看,農(nóng)地與中植被覆蓋度的相關(guān)性大于高植被覆蓋度,而林地正好相反,草地與中、高植被覆蓋的相關(guān)性都很高。根據(jù)丹江流域土地利用類型統(tǒng)計,農(nóng)地、林地和草地面積分別占流域總面積的21%,35%和41%。表明土地利用類型對植被覆蓋的貢獻(xiàn)度存在差異,草地的貢獻(xiàn)最大,林地次之,耕地最小。羅偉祥等[31]研究認(rèn)為,林地對徑流和泥沙的攔蓄作用要大于草地;因此,在丹江流域長期規(guī)劃中,應(yīng)適當(dāng)增加林地覆蓋面積,合理搭配林地、草地和耕地三者之間的比例,以保持流域良好的植被覆蓋,同時,又有利于提高植被的水土保持功能。此外,在不同坡向下,中、高植被覆蓋度與土地利用類型的相關(guān)性不顯著,說明坡向?qū)χ脖桓采w度和土地利用類型的影響較小。

表3　丹江流域植被覆蓋度與土地利用類型的相關(guān)性Tab.3 Correlation between land-use and vegetation coverage in Dan RiverWatershed

4 結(jié)論

本文利用MODIS 250-m NDVI數(shù)據(jù),結(jié)合GIS技術(shù),對在不同地形因子下,丹江流域植被覆蓋的空間分布進(jìn)行分析,并探討它與土地利用類型之間的關(guān)系,得到如下結(jié)論:

1)丹江流域以中、高植被覆蓋面積為主,NDVI平均值為0.84,生態(tài)環(huán)境較好。高覆蓋分布于流域邊緣地區(qū),東北和東南較集中;中覆蓋分布于流域川塬、低山區(qū),西北、南部較集中;低覆蓋位于流域川道區(qū),呈點(diǎn)、線狀分布。

2)海拔不同時,NDVI均值呈上升狀態(tài)。高、中、低植被最大覆蓋面積分別出現(xiàn)在1 000～1 200, 800～1 000和400～600m。坡度不同時,NDVI均值先呈上升狀態(tài),到20°～25°后趨于穩(wěn)定,高、中植被覆蓋面積比例呈單峰分布,低植被覆蓋呈遞減分布, 20°～25°后,高植被覆蓋面積大于中植被覆蓋面積。坡向不同時,平地的NDVI均值最小,面積幾乎接近于0,而其他坡度NDVI均值以及高、中、低覆蓋面積比例變化均不明顯。

3)除坡向外,海拔、坡度不同時,高、中植被覆蓋與耕地、林地和草地顯著相關(guān)(P＜0.05)。地形因子不同時,低植被覆蓋度與建設(shè)用地、未利用地和水域顯著相關(guān)(P＜0.05)。

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NDVI spatial distribution and its correlation w ith land-use in Dan River W atershed of Shaanxi Province

Zhang Jun1,2,Jia Chunrong2,Li Peng1,Tang Hui1

(1.College ofWater Resources and Hydraulic Power,Xi＇an University of Technology,710048,Xi＇an,China; 2.College of Land and Resources,China West Normal University,637009,Nanchong,Sichuan,China)

[Background]Vegetation coverage is the main body of terrestrial ecosystem.Detecting the spatial distribution pattern of vegetation and its correlation with land-use will benefit the regional ecological environment protection and soil erosion control.[M ethods]In this study,taking the Dan RiverWatershed,the water source of themiddle route of the South to North Water Diversion Project,as the research area,MODIS 250-m NDVI data and GIS technology were used to obtain spatial distribution features of the different NDVIdegree in the case of elevation,slope-degree and slope-direction via overlap of distribution maps of NDVI and topographic factors maps extracted from digital elevation model. Finally,the correlation between NDVI and land-use types was analyzed.[Results]The results showed that:1)The average NDVIvalue was 0.85,which indicated that the ecological environmentwas fine in Dan River Watershed.The high vegetation coverage distributed in marginal areas of watershed,and relatively concentrated in northeast and southeast;while themiddle vegetation coverage distributed in low mountain,and relatively concentrated in northwest and south.Low vegetation coverage distributed in theDan River valley as point and linearway,especially in city area.2)At the different elevation and slopedegree,the distribution of area percent of high and middle vegetation coverage was assumed as single peak.The vegetation coverage area percentwas proximal zero in the flat.The vegetation coverage area in the case of different slope-directions was not different dramatically.3)Except different slope-direction, at different elevation and slope-degree,the high and middle vegetation coverages were significantly correlated with farmland,forestland and grassland.Moreover,low vegetation coveragewas significantly in correlation with construction land and waters in the different topographic factors.[Conclusions]Some conclusions have been obtained that the degree of vegetation coverage showed obvious revese distribution characteristics with human activities range in Dan RiverWatershed,which indicated that human activities had a great impacton vegetation distribution Optimization of land use structure and appropriate increase of area were beneficial to improve the soil and water conservation function of Dan River Watershed.

Dan RiverWatershed;normalized difference vegetation index;topographic factors;land-use

Q948.2;P942

A

1672-3007(2016)02-0067-07

10.16843/j.sswc.2016.02.009

2015-06-29

2016-01-05

項(xiàng)目名稱:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)-水文過程響應(yīng)機(jī)理研究”(41330858)

張軍(1979—),男,博士研究生。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zhang822@yeah.net

簡介:李鵬(1974—),男,博士,教授。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:lipeng74@163.com