近20年來北洛河流域植被覆蓋度隨地形因子變化特征探究

趙文慧, 陳 妮, 閆 瑞, 張曉萍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌712100; 2.南京大學(xué) 江蘇省地理信息科學(xué)技術(shù)重點實驗室, 南京210093; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

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近20年來北洛河流域植被覆蓋度隨地形因子變化特征探究

趙文慧1,3, 陳 妮1,2, 閆 瑞1,3, 張曉萍3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌712100; 2.南京大學(xué) 江蘇省地理信息科學(xué)技術(shù)重點實驗室, 南京210093; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

基于1987年、1995年、2007年3期Landsat TM影像數(shù)據(jù)，以像元二分法估算了北洛河流域不同時期的植被覆蓋度，結(jié)合DEM地形高程數(shù)據(jù)提取的地形因子，分析了植被覆蓋度地形分異及動態(tài)變化特征，以期對流域生態(tài)建設(shè)和效益評價提供基礎(chǔ)信息。結(jié)果表明：流域中9/10的面積為地形破碎的丘陵溝壑區(qū)和高塬溝壑區(qū)，2/3面積為8°～25°的斜坡地和陡坡地，各坡向面積相差不大。流域平均植被覆蓋度從1987年的41.1%，1995年45.4%，增至2007年的63.4%。在各高程帶、各坡度段和各坡向上，與1987年比，1995年雖有輕微增加，但其分布格局基本一致。2007年植被覆蓋度在不同地形指標(biāo)上均有顯著增加，尤其在900～1 300 m高程帶、<35°坡度段、陽向坡上植被改善程度顯著。

植被恢復(fù); 地形因子; 時空變化; 北洛河流域

黃土高原的水土流失一直以來是黃河泥沙的癥結(jié)所在，也是導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化、災(zāi)害頻繁、生產(chǎn)落后和人民貧困的重要原因[1]。人們在感知和研究水土流失的過程中，深刻地認(rèn)識到植被對水土流失的控制作用[2]。植被作為影響土壤侵蝕的重要因素之一，削減降雨能量、增加入滲，減少地表產(chǎn)流，是減輕和控制侵蝕極為敏感的因子[3]，對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙過程具有深刻影響[4]。

地形作為自然環(huán)境的一個重要因素，對區(qū)域內(nèi)的水、熱、光、溫、養(yǎng)分等起到再分配的作用，是流域水文和土壤侵蝕預(yù)報的重要變量[5]，也是植被空間分異的主要影響因子[6-7]。采用不同的指標(biāo)對地形進(jìn)行分類和賦值，研究其對植被覆蓋動態(tài)變化的影響，了解生物資源的空間分布規(guī)律，為合理開發(fā)利用，制定適宜的生態(tài)保護(hù)與管理對策，對恢復(fù)生態(tài)環(huán)境和明確生態(tài)建設(shè)目標(biāo)有重要意義[8]。

近20 a來，黃土高原退耕還林(草)工作效果顯著，植被覆蓋度普遍提高[9]，但是植被覆蓋度的時空分異在地形特征上的表現(xiàn)特征，并不十分清晰。為此，由北洛河流域DEM生成高程、坡度、坡向等地形指標(biāo)，利用1987年、1995年、2007年三期植被覆蓋信息，建立研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋在各地形因子指標(biāo)上的譜分布序列，分析流域植被覆蓋度地形分異及動態(tài)變化特征，并對其變化成因進(jìn)行初步研究，以期為該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和效益評價提供科技支持。

1　研究區(qū)概況

北洛河(107°33′33″—110°10′30″E，34°39′55″—37°18′22″N)是黃河的二級支流，發(fā)源于陜西定邊縣白于山南麓的草梁山，于陜西省大荔縣東南匯入渭河左岸。流域總面積為2.69萬km2，干流長680 km。海拔297～1 886 m。該區(qū)屬半干旱氣候區(qū)，多年平均降雨量514.2 mm，由東南向西北逐漸減少。該流域內(nèi)地形地貌較為復(fù)雜、分異明顯，上游為典型黃土丘陵溝壑區(qū)，中游為洛川塬為主體的黃土高塬溝壑區(qū)，洛川塬兩側(cè)分別是子午嶺和黃龍山等森林覆被區(qū)，下游則為階地平原區(qū)[10]。流域中土壤類型主要有黃綿土、黑壚土和灰褐土等。黑壚土主要分在中游中部地區(qū)，其植被屬于草原化草甸類型，以雜類草群落為主，植物種類比較多，生長繁茂?；液滞林饕植荚诹饔蛑猩嫌?，以旱生森林和灌叢草原為主，主要樹種有遼東櫟、榆、樺、山楊等闊葉樹種。侵蝕作用下，黑壚土流失殆盡，流域大部分區(qū)域以黃綿土覆蓋為主[11]。

北洛河流域獨特的地理地貌特點對植被覆蓋有較大影響，因此定量分析植被覆蓋的地貌特點對該區(qū)生態(tài)建設(shè)具有十分重要的意義。

2　研究資料與研究方法

2.1研究資料

本文采用1987年、1995年、2007年的Landsat5 TM影像數(shù)據(jù)。其中1987年及1995年數(shù)據(jù)來自于課題組的積累；2007年的數(shù)據(jù)下載于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。將1987年DEM數(shù)據(jù)空間分辨率再采樣為30 m，使其和1995年、2007年分辨率保持一致。運用ArcGIS水文分析模塊所得的北洛河流域邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

2.2.1植被覆蓋度提取與植被覆蓋度變化分級首先用TM影像近紅外波段(NIR)與紅波段(R)的差比上它們的和估算出歸一化植被指數(shù)NDVI。計算公式如下所示[12]：

(1)

然后用改進(jìn)的像元二分線性模型來估算植被覆蓋度[13]。植被覆蓋度的計算公式為:

(2) 式中：FVC是植被覆蓋度；NDVI為影像中各像元的歸一化植被指數(shù)；NDVIS代表裸土下的植被指數(shù)；NDVIv為純植被覆蓋下的歸一化植被指數(shù)。本文根據(jù)各期影像的NDVI值序列中0.5%為置信度，在置信區(qū)間內(nèi)取最大值和最小值分別近似代替NDVIv和NDVIS，最后估算出1987年、1995年、2007年的植被覆蓋度。

根據(jù)研究區(qū)植被覆蓋度的實際情況，將北洛河流域的植被覆蓋程度從高到低分為5級[14]。為了更好地表現(xiàn)出研究區(qū)植被覆蓋度變化的情況，用較晚年份的FVC減去較早年份的FVC，得到其變化值，將北洛河流域植被覆蓋度的動態(tài)變化程度分為5級[15]，詳見表1。

表1　植被覆蓋度分級及動態(tài)度分級

2.2.2地形因子的提取與分級基于DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中利用空間分析模塊生成流域高程圖、坡度圖、坡向圖。結(jié)合研究區(qū)實際情況，盡可能符合自然規(guī)律和經(jīng)濟(jì)活動規(guī)律[16]，將北洛河流域地形高程因子分為6個高程帶。借鑒水土流失調(diào)查中采用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法[17]，將研究區(qū)分為平坡地、緩坡地、斜坡地、陡坡地等6個坡度級別。以正北方向為0°，22.5°為步長，順時針方向計算，分為八個方向，即北(0°—22.5°，337.5°—360°)，東北(22.5°—67.5°)，東(67.5°—112.5°)，東南(112.5°—157.5°)，南(157.5°—247.5°)，西南(202.5°—247.5°)，西(247.5°—292.5°)，西北(292.5°—337.5°)。由于地球公轉(zhuǎn)及太陽入射角的原因，北半球西南坡向最干燥，東北坡向最潮濕，按照濕潤程度由高到低，依次為：東北向>北向>西北向>東向>西向>東南向>南向>西南向，可將研究區(qū)劃分為陰坡(東北，北)、半陰坡(西北，東)、半陽坡(西，東南)、陽坡(南，西南)等4個坡向級別[18]。根據(jù)30 m分辨率DEM模型利用空間分析模塊得出的各地形因子見圖1，研究區(qū)地形分異狀況的統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2　地形因子指標(biāo)分級及面積比例

圖1　北洛河流域高程、坡度和坡向分布示意圖

3　結(jié)果與分析

3.1北洛河流域植被覆蓋度總體特征

對1987年、1995年、2007年Landsat 5 TM數(shù)據(jù)計算NDVI，然后估算植被覆蓋度可知，黃土高原中南部退耕還林(草)效果顯著的北洛河流域，平均植被覆蓋度已經(jīng)由1987年的41.1%，1995年的46.4%，2007年迅速增長到了63.4%，表現(xiàn)出緩慢增加—迅速增加的趨勢[12]。

由圖2可以看出，1987年植被覆蓋度較低，其中低覆蓋度區(qū)最大。1995年植被覆蓋度總體小幅度上升，其中高覆蓋區(qū)面積增長顯著，低植被覆蓋區(qū)面積減少明顯。2007年植被覆蓋狀況較1995年又有較大程度地改善，高、中高和中覆蓋度區(qū)面積顯著增加。

圖2　北洛河流域1987年、1995年、2007年的植被覆蓋度

3.2植被覆蓋度隨高程的變化

高程是影響植被分布的一個重要因素，高程能很好地反映人類活動的頻率，大氣溫、濕度也會隨著高程的增加而改變，并導(dǎo)致植被覆蓋度隨高程發(fā)生一定規(guī)律的變化。本文將高程以10 m為間距，求每一高程間距內(nèi)所有植被覆蓋度的平均值，得到研究區(qū)植被覆蓋度隨高程的變化趨勢(圖3)。

1987年、1995年、2007年的植被覆蓋度隨著流域中高程的增加均呈現(xiàn)出減少—增加—減少的趨勢，前一變化的轉(zhuǎn)折點大致位于階地平原向淺山丘陵地貌變化的600～650 m處，后一變化的轉(zhuǎn)折點為中游土石山森林分布區(qū)向丘陵溝壑地貌轉(zhuǎn)變的1 200～1 300 m處。1 200～1 300 m處植被生長狀況最為良好(1987年、1995年、2007年最大分別達(dá)59.44%，63.40%和75.55%)，>1 700 m植被覆蓋度最低(1987年，1995年，2007年最低值分別為14.30%，15.50%和22.92%)。

海拔高度<550 m的區(qū)域主要是流域的階地平原區(qū)，地勢平坦，以農(nóng)耕為主，人類活動較為頻繁；海拔高度1 200～1 300 m的區(qū)域多為土石山森林分布區(qū)，人口分布稀疏，影響相對較弱，植被覆蓋度較高。>1 500 m區(qū)域則以丘陵溝壑區(qū)為主，水土流失嚴(yán)重，植被覆蓋度迅速降低。

從圖3可以看出，在各高程帶譜上，均表現(xiàn)出植被覆蓋度1995年稍好于1987年，而2007年顯著優(yōu)于1995年的趨勢。高程<900 m的流域中游淺山和寬闊河谷、下游階地平原等區(qū)域內(nèi)，1995年植被覆蓋較1987年稍好，而在>900 m的中游高塬溝壑區(qū)和上游丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋度分布極其相似，均表現(xiàn)出隨著高程增加而增加，在1 300 m高程處達(dá)到最大值(60%左右)，隨后迅速降低的趨勢。這種分布與中游土石山森林區(qū)域所在高程有關(guān)。1 300～1 500 m及其以上高程主要為丘陵溝壑分布區(qū)，溝壑縱橫，植被稀疏，侵蝕劇烈，以灌叢草原為主，高程越高，植被覆蓋狀況越差。1995年植被與1987年完全相同。

2007年植被覆蓋在整個高程帶譜上顯著改善。<700 m階地平原區(qū)植被較1987年、1995年植被覆蓋顯著增高。700～900 m淺山高程帶植被迅速恢復(fù)，為1987年植被覆蓋程度的2.9倍，為1995年植被覆蓋程度的2.1倍。900～1 300 m中游高塬溝壑區(qū)植被恢復(fù)良好，基本達(dá)到了與土石山森林區(qū)植被覆蓋狀況相似的程度(75%左右)。1 300～1 500 m及其以上的丘陵溝壑區(qū)，2007年植被覆蓋基本為1995年的1.35倍。

3.3植被覆蓋度隨坡度的變化

坡度影響著地表物質(zhì)流動和能量轉(zhuǎn)換的規(guī)模和強(qiáng)度，對植被的分布趨勢起著重要的作用。以坡度1°為間距，求每一坡度內(nèi)所有植被覆蓋度的平均值，得到了研究區(qū)植被隨坡度的變化特征(圖4)。可以看出，隨著坡度的增加，植被覆蓋度也是逐漸增加的。5°～30°坡度帶內(nèi)植被呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，30°～45°則急劇上升。45°后緩慢增加至基本穩(wěn)定，三時期植被覆蓋度達(dá)到最大，為85%～90%。而0°～5°內(nèi)植被覆蓋度最低，三時期分別為24.8%，39.0%和57.0%)。據(jù)馮娜娜[19]和黃平[20]等的研究，土壤有機(jī)質(zhì)含量于15°～35°時最高。此坡度范圍亦是本研究區(qū)的植被覆蓋度穩(wěn)定區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量高，蓄水條件好，從而有利于植被的生長。坡度<5°區(qū)域為人類活動相對頻繁區(qū)，植被變化幅度較大。

圖3　1987年、1995年、2007年北洛河流域植被覆蓋度隨高程的變化

圖4可以看出，隨著時間進(jìn)展，<40°坡度帶上植被蓋度增加程度，要較>40°植被變化程度顯著。<40°的植被覆蓋度，2007年為1995年的1.3倍，為1987年的1.5倍。丘陵溝壑區(qū)坡耕地的分布主要以<35°的坡地為主，坡度越緩，農(nóng)耕地分布面積越廣，自然植被覆蓋度越低。隨著退耕還林(草)政策的實施，<35°的坡地自然植被覆蓋程度表現(xiàn)為顯著增加趨勢。

圖4　1987年、1995年、2007年北洛河流域植被覆蓋度隨坡度的變化

3.4植被覆蓋度隨坡向的變化

坡向影響著太陽輻射能量的分配和土壤水分的再分布，因此對于植被的空間分布來說具有重要意義。將坡向以2°為間距，求每一方向內(nèi)所有植被覆蓋度的平均值，得到研究區(qū)植被隨坡向的變化特征(圖5)。

圖5可以看出，1987年、1995年、2007年的植被覆蓋度隨坡向的變化基本一致，尤其前兩個時期更突出，表現(xiàn)為先緩慢降低再緩慢上升趨勢。陰坡(360°附近)的植被覆蓋度最高，而陽坡(200°附近)最低?？芍?，研究區(qū)植被的生長狀況為陰坡—半陰坡優(yōu)于陽坡—半陽坡。究其原因，主要與溫度和降水的差異有關(guān)，與人類活動也有一定關(guān)系。

從時間上看，1987年植被覆蓋分布域為35%～48%，1995年為43%～50%。各坡向帶譜上，1995年植被覆蓋度均高于1987年。而2007年植被覆蓋度穩(wěn)定在60%～65%間，且在各坡向上趨于均衡化。2007年的植被覆蓋度約是1987年的1.5倍左右，在200°附近接近2倍。2007年植被覆蓋度約是1995年的1.3倍。

圖5　1987年、1995年、2007年北洛河流域植被覆蓋度隨坡向的變化

4　結(jié) 論

基于1987年，1995年，2007年TM影像，結(jié)合DEM及其衍生的高程、坡度和坡向數(shù)據(jù)，在北洛河流域平均植被覆蓋度從1987年的41.1%，持續(xù)增至1995年的46.4%，和2007年的63.4%后，重點分析了植被覆蓋隨地形變化的空間分布特點，結(jié)論如下：

(1) 北洛河流域植被覆蓋度在600 m和1 300 m兩個高程帶上表現(xiàn)出低谷和高峰的兩個轉(zhuǎn)折，分別對應(yīng)于階地平原區(qū)向高塬溝壑區(qū)和高塬溝壑向丘陵溝壑區(qū)轉(zhuǎn)變的地貌和森林分布特征。與1987年比，900～1 300 m的高塬溝壑區(qū)，1995年平均植被覆蓋度改善了約17%，而>1 300 m的丘陵溝壑區(qū)，平均植被覆蓋度增加程度僅為5%。2007年在900～1 300 m區(qū)域，平均植被覆蓋度增加了110%，>1 300 m區(qū)域則改善了44%。

(2) 三時期植被覆蓋度均表現(xiàn)出隨坡度增加而增加的趨勢，35°～45°為植被覆蓋度由低到高的轉(zhuǎn)折坡度。隨時間進(jìn)展，植被蓋度由前兩時期的40%～50%增至60%～65%，<35°坡度段上植被改善程度最為顯著。

(3) 1995年植被覆蓋度，不同坡向上均略好于1987年，其格局均表現(xiàn)為陰坡植被明顯高于陽坡植被的特征。植被覆蓋度變化為35%～50%間。2007年各坡向上植被覆蓋程度顯著增加，基本穩(wěn)定在65%，且陽坡植被改善程度大于陰坡，陰陽坡植被蓋度差異明顯減小。

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Study on Variation of the Vegetation Coverage Based on Terrain Factors in the Beiluo River Basin in the Past 20 Years

ZHAO Wenhui1,3, CHEN Ni1,2, YAN Rui1,3, ZHANG Xiaoping3

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.JiangsuProvincialKeyLaboratoryofGeographicInformationScienceandTechnology,NanjingUniversity,Nanjing210093,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China)

Based on the 1987, 1995 and 2007 Landsat TM image data, combining with terrain factors extracted from DEM, trend of vegetation restoration and their distribution characteristics on the terrain were analyzed to provide basic information for watershed ecological construction and benefit evaluation in the region. Vegetation fraction was estimated using Normalized Deviation Vegetation Index derived from Remote Sensing Image and the Pixel Dichotomy Model. The results showed that ninety percent of the area in the basin was the hilly-gully and the table-gully regions; sixty-seven percent of the area was the slope with the gradients ranging from 8° to 25°; the area of the four slope aspects was almost equal. The average vegetation coverage in the basin increased from 41.1% in 1987 and 45.4% in 1995 to 63.4% in 2007 while it had a slight increase in 1995 compared with 1987 in the spectrum of slope degree, aspect, elevation, the vegetation distribution pattern was basically consistent. The vegetation coverage in 2007 increased significantly in the terrain spectrum, especially in the area with altitudes ranging from 900 m to 1 300 m, and gradient less than 35° and the sunny slope aspect.

vegetation restoration; terrain factors; spatiotemporal variations; Beiluo River Basin

2015-08-26

2015-09-23

國家自然科學(xué)基金項目(41440012,41230852,41101265)；中科院重點部署項(KZZD-EW-04-03-03)；中科院知識創(chuàng)新項目(KZCX2-XB3-13)

趙文慧(1989—),男,山東成武縣人,碩士研究生,主要研究方向:資源環(huán)境監(jiān)測與評價。E-mail:zhaowhhao@sina.com

張曉萍(1971—),女,河南焦作市人,博士,研究員,主要研究方向:區(qū)域水土流失規(guī)律及水土保持。E-mail:zhangxp@ms.iswc.ac.cn

S127；P208

A

1005-3409(2016)04-0010-05