湖北省植被覆蓋度變化及其對地形因子的響應

陳　亮 ，陳世儉 ，蔡曉斌 ，易　祁 ，劉　惠

（1.武漢工程科技學院，湖北 武漢 430200；2.中國科學院 測量與地球物理研究所，湖北 武漢 430077；3.中國科學院大學，北京 100049；4.環(huán)境與災害監(jiān)測評估湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430077）

地表植被通過影響生態(tài)系統(tǒng)中水、熱、氣等狀況，影響其物質(zhì)和能量交換的速度和程度，是生態(tài)系統(tǒng)的核心和賴以存在的基礎(chǔ)[1-2]。植被覆蓋度是指單位面積內(nèi)植被的葉、莖、枝等在地面的垂直投影面積占區(qū)域總面積的百分比[3]，它能客觀的反映植被基本情況，其變化是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的重要標志[4]。利用遙感傳感器獲取的探測數(shù)據(jù)組合而成的各種植被指數(shù)是當今大中尺度植被覆蓋度反演的主要手段[5-8]。

地形對區(qū)域內(nèi)的水、熱、光、溫、養(yǎng)分等起到再分配的作用，是植被空間分異及變化的主要影響因子[9]。近年來，諸多學者對植被覆蓋度與地形因子的關(guān)系進行了深入研究，但研究區(qū)域不同，研究結(jié)果有所差異[10-12]。以往關(guān)于湖北省植被覆蓋度及其變化的研究，多基于植被指數(shù)的變化來反映，并且較少涉及對高程、坡度等地形因子響應的針對性研究[13-14]。因此，本研究采用簡單實用的像元二分模型，基于2000—2015年的時序MODIS NDVI遙感影像，分析了湖北省植被覆蓋度的時空變化特征，并結(jié)合DEM數(shù)據(jù)探討其對地形因子的響應機制，以期為該區(qū)水土保持、生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1　研究區(qū)概況

湖北省位于中國中部，長江中游（108°21′～116°07′E，29°05′～ 33°20′N）， 面 積 1.859×105km2。地勢西高東低，東、西、北三面被山地環(huán)繞，中南部為平原，相對低平。地貌類型多樣，地形以山地、丘陵和崗地為主，平原湖區(qū)只占湖北省總面積的20%。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L性濕潤氣候，雨熱同期，四季分明，年平均氣溫15～17 ℃，年均降水量800～1 600 mm。主要植被類型有亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠闊葉落葉闊葉混交林等。研究區(qū)地理位置及行政區(qū)劃見圖1。

圖1　湖北省行政區(qū)劃Fig.1　Administrative map of Hubei province

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1　數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所使用的遙感影像數(shù)據(jù)為NASA提供的全球MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250×250 m，時間范圍為2000年2月至2015年12月。由于最大NDVI可以進一步去除云干擾并且可反映植被生長的最好狀況，本研究將MODIS-NDVI數(shù)據(jù)采用最大值合成法分別得到湖北省各年份的NDVI數(shù)據(jù)，用于植被覆蓋度的空間分布和變化趨勢研究。

DEM采用NASA提供的30 m分辨率的GDEM V2版本的DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2軟件中提取研究區(qū)高程和坡度等地形因子數(shù)據(jù)，然后將其統(tǒng)一為與MODIS-NDVI數(shù)據(jù)相同的坐標系和投影，并重采樣至250 m×250 m，便于分析植被覆蓋度對地形因子的響應。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括湖北省17個標準氣象站2000―2015年的年降水量和年均氣溫數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2軟件分別對其進行Kriging插值，得到湖北省2000―2015年的年降水量和年均氣溫數(shù)據(jù)。

其他輔助數(shù)據(jù)主要包括中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)提供的湖北省2010年1∶100 000比例尺土地利用數(shù)據(jù)。

2.2　研究方法

2.2.1　植被覆蓋度計算方法

本研究采用NDVI像元二分模型計算湖北省植被覆蓋度。像元二分模型是假設(shè)一個像元信息S只由植被Sv和土壤Ss兩部分貢獻。設(shè)植被覆蓋度為Fc，純植被貢獻值為Sveg，純土壤貢獻值為Ssoil，則有Sv=Fc·Ssoil和Ss=(1-Fc)·Ssoil，又因

由此得到NDVI像元二分模型的計算公式為：

式（1）（2）中，F(xiàn)c為像元的植被覆蓋度；NNDVI為該像元上的歸一化植被指數(shù)；NNDVIsoil為影像上裸土部分對應的NDVI值；NNDVIveg為影像上植被部分對應的NDVI值。

研究表明，NNDVIveg值也會隨著植被類型和植被的時空分布而變化[15]，而NNDVIsoil值也會由于地表濕度、粗糙度及土壤類型等因素影響發(fā)生-0.1～0.2的變化[16]。因此，采用一個固定的NNDVIveg和NNDVIsoil值是不可取的，通常此數(shù)值需要借助經(jīng)驗來判斷[17]。以一定置信度截取NDVI的上下限閾值分別近似代表NNDVIsoil和NNDVIveg是一種被研究者廣泛使用的方法[18]。本研究通過分析湖北省的MODIS—NDVI數(shù)據(jù)，并結(jié)合植被覆蓋的實際情況，根據(jù)整幅影像的NDVI頻率統(tǒng)計表，選取累積頻率為0.5%和99.5%的NDVI值分別作為NNDVIsoil和NNDVIveg值來計算湖北省植被覆蓋度。

2.2.2　植被覆蓋度年際變化趨勢的計算

運用一元線性回歸趨勢分析方法可以模擬湖北省2000―2015年每個像元年最大植被覆蓋度的變化趨勢。對研究期自變量和植被覆蓋度因變量數(shù)據(jù)，采用最小二乘法，計算每個像元植被覆蓋度與研究期的回歸斜率，斜率為負表示該像元年最大植被覆蓋度在過去16 a呈下降趨勢，反之則表示呈上升趨勢。其計算公式為：

式（3）中，θslope為趨勢斜率，n為研究年數(shù)，為第i年的年最大植被覆蓋度。本研究采用F檢驗法檢驗NDVI斜率趨勢變化的顯著性，顯著性僅代表趨勢性變化可置信程度的高低，與變化快慢無關(guān)，其計算公式為：

2.2.3　突變分析

本研究采用有序聚類分析法進行突變分析，其基本原理為：對于序列x1，x2，…，xn，若滿足

時，τ為最優(yōu)二分割，即推斷為突變點，其中和分別為τ前后兩部分的均值。

3　結(jié)果與分析

3.1　植被覆蓋度的空間分布特征

將2000―2015年最大植被覆蓋度逐像元求取平均值，得到湖北省近16 a植被覆蓋度的整體分布情況，并按照《土壤侵蝕分類分級標準》中植被覆蓋度的分級標準將其劃分為低覆蓋度（0～0.3）、中低覆蓋度（0.3～0.45）、中等覆蓋度（0.45～0.6）、中高覆蓋度（0.6～0.75）和高覆蓋度（0.75～1）5個等級（圖2）。從面積比例來看，高覆蓋度占絕對優(yōu)勢，面積約為湖北省國土面積的71.93%；其次為中高覆蓋度，占22.56%；中等覆蓋度、中低覆蓋度、低覆蓋度的面積比例都很小，分別只占湖北省國土面積的3.02%、1.15%和1.34%，反映湖北省植被覆蓋總體處于較高水平。

由圖2可以看出，湖北省植被覆蓋度整體上呈現(xiàn)西高東低、四周高中間低的空間分布格局。對照湖北省的DEM圖和土地覆被類型圖可知，鄂西（鄂西北、鄂西南）為“馬蹄形”的山區(qū)，主要土地覆被類型為林地和灌草地，植被覆蓋度整體很高，對湖北省植被覆蓋度格局起著決定性的作用。鄂東（鄂東北、鄂東南）為低山丘陵地區(qū)，由于各縣域的差別開發(fā)導致植被覆蓋度具有一定差異性，耕地、林地和草地是該區(qū)域的主要土地覆被類型，植被覆蓋度較高。鄂北為崗地，是全省重要的農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)基地，耕地是該區(qū)最主要的土地覆被類型，植被覆蓋度相對較低。鄂中南為長江中下游平原，耕地是該區(qū)最主要的土地覆被類型，江漢平原更是湖北省乃至全國重要的糧食產(chǎn)區(qū)和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，與鄂北崗地相同，受作物生長周期的影響導致該區(qū)植被覆蓋度相對偏低。這表明地形、土地覆被類型等是影響湖北省植被覆蓋度空間分布的重要因素。

圖2　湖北省2000～2015年最大植被覆蓋度平均值空間分布Fig.2　Spatial distribution of maximum vegetation coverage in Hubei province from 2000 to 2015

3.2　植被覆蓋度年際動態(tài)變化

圖3為湖北省2000―2015年最大植被覆蓋度變化曲線圖，可以看出，湖北省年最大植被覆蓋度在0.78附近上下波動，整體呈波動上升態(tài)勢。該結(jié)論與楊嘯[13]及袁沫汐[14]等在湖北省植被覆蓋度動態(tài)變化研究的結(jié)論較為一致。

圖3　2000―2015年湖北省年最大植被覆蓋度的年際變化Fig.3　Interannual variation of annual maximum vegetation coverage from 2000 to 2015

為了從空間角度定量研究湖北省植被覆蓋度的變化情況，本研究根據(jù)公式（3）在ENVI + IDL的支持下逐像元分析2000―2015年湖北省年植被覆蓋度的變化趨勢。由年最大植被覆蓋度變化趨勢（圖4a）統(tǒng)計得知，正像元占52.72%，負像元占47.28%，表明近16 a間湖北省植被覆蓋度呈增加趨勢的面積稍大于面積呈減少趨勢的面積。但是F檢驗（圖4b）發(fā)現(xiàn)，基本不變區(qū)的面積比例達到了88.10%，輕微增加和輕微減少區(qū)的面積比例分別只有5.05%和4.03%，而顯著增加和顯著減少區(qū)的面積比例分別只有1.52%和1.31%。這表明大部分地區(qū)植被覆蓋度保持相對穩(wěn)定，不存在太明顯的增減趨勢。結(jié)合研究區(qū)行政區(qū)劃（圖1）可知，植被覆蓋度增長區(qū)主要集中在十堰、宜昌、襄陽、隨州、恩施和神農(nóng)架等地；植被覆蓋度減少區(qū)主要集中在武漢、鄂州、黃石、孝感、黃岡、荊州、仙桃、潛江等地?？傊?，湖北省中東部地區(qū)地形相對平坦，人口密度較大，尤其是以武漢為中心“1+8”城市圈，經(jīng)濟發(fā)展水平較高，城鎮(zhèn)化進程較快，導致植被覆蓋度有所退化。而鄂西地區(qū)山區(qū)面積大，植被資源本底較好，并且是湖北省實施坡耕地退耕還林工程的主要區(qū)域，植被覆蓋度改善明顯。

圖4　2000―2015年湖北省年最大植被覆蓋度變化趨勢（a）及顯著性檢驗（b）Fig.4　The change trend of annual maximum vegetation coverage (a) and signi ficance test (b) from 2000 to 2015

3.3　植被覆蓋度對地形因子的響應分析

圖5為湖北省高程和坡度的空間分布圖?？梢钥闯觯笔「叱毯推露却笾戮尸F(xiàn)西高東低的總體分布格局。鄂西地區(qū)以中山、低山為主，坡陡谷深；鄂北為崗地，以地山丘陵和平原為主；鄂東北地區(qū)主要以低山丘陵為主；鄂東南地區(qū)主要以低山丘陵為主；鄂中的大洪山及周邊地區(qū)低山、丘陵、平原皆有分布；江漢平原整體海拔在100 m以下，地形起伏較小。

圖5　湖北省高程（a）和坡度 (b) 空間分布Fig. 5　Spatial distribution of elevation (a) and slope (b) in Hubei province

研究區(qū)高程200 m以下區(qū)域占總面積的52.30%，1 500 m以上區(qū)域只占總面積的4.01%；坡度15°以下的區(qū)域占總面積的62.30%，35°以上的區(qū)域僅為6.76%。

為更加準確地揭示植被覆蓋度對高程和坡度的響應機制，本研究結(jié)合湖北省的地形特點將其高程按100 m間隔分成31個帶，其中0 m以下并入100 m高程帶， 3 000 m以上歸入3 100 m高程帶；坡度按2°間隔分成26個坡度帶，其中2°以下并入2°帶，50°以上歸入26°帶。

3.3.1　對高程的響應分析

為分析湖北省植被覆蓋度隨高程變化的空間分布特征，運用ArcGIS軟件統(tǒng)計了31個高程帶近16 a的植被覆蓋度均值，并結(jié)合有序聚類分析法得到各個高程帶植被覆蓋度變化曲線及其突變高程帶（圖6）。可以看出，隨著高程增加，植被覆蓋度先上升后下降。700 m和2 800 m高程帶是2個突變帶，其中700 m高程帶通過α=0.05顯著性檢驗，表明湖北省植被覆蓋度在該高程帶突變顯著。雖然2 800 m高程帶突變不顯著，但結(jié)合研究區(qū)實際情況，可將植被覆蓋度垂直分布劃分為3個部分：第一部分高程小于700 m，植被覆蓋度相對較低，平均為0.75；第二部分為700～2 800 m，植被覆蓋度最高，平均為0.86；第三部分為2 800 m以上，植被覆蓋度較高，平均為0.82。

3.3.2　對坡度的響應分析

運用ArcGIS軟件統(tǒng)計了研究區(qū)26個坡度帶近16 a的植被覆蓋度均值，并結(jié)合有序聚類分析法得到各個坡度帶植被覆蓋度變化曲線及其突變坡度帶（圖6）?？梢钥闯?，植被覆蓋度大致隨坡度增加而上升，14°坡度帶是一個突變帶。檢驗發(fā)現(xiàn)，該坡度帶通過α=0.05顯著性檢驗，表明湖北省植被覆蓋度在該坡度帶突變顯著。同理，可將植被覆蓋度隨坡度分布劃分成2個部分：第一部分坡度小于14°，植被覆蓋度相對較低，平均為0.76；第二部分為大于14°，植被覆蓋度相對較高，平均為0.86。

圖6　各高程帶、坡度帶植被覆蓋度及突變帶識別Fig.6　Vegetation coverage and the identi fication of abrupt change belts

3.3.3　植被覆蓋度年際變化對地形因子的響應

為揭示湖北省各高程帶及坡度帶植被覆蓋度年際變化特征，分別利用一元線性回歸法和有序聚類法得到各帶近16 a植被覆蓋度的年際變化趨勢（表1）及其發(fā)生突變的年份（表2）。

由表1可知，200～1 600 m高程帶植被覆蓋度在近16 a年呈現(xiàn)上升趨勢，其他高程帶則呈下降趨勢；14°～52°坡度帶植被覆蓋度在近16 a年呈現(xiàn)上升趨勢，其他坡度帶則呈下降趨勢。但相關(guān)系數(shù)檢驗顯示，所有高程帶和坡度帶均未通過α=0.05顯著性檢驗。表明各高程帶和坡度帶植被覆蓋度年際波動小，增減不明顯。分別對表2中具有突變年份的高程帶和坡度帶進行α=0.05顯著性檢驗可知，100 m及2 500～2 800 m高程帶植被覆蓋度在2009年發(fā)生顯著突變，300～400 m及1 100～2 400 m高程帶植被覆蓋度在2004年發(fā)生顯著突變；2°～10°及46°～52°坡度帶植被覆蓋度在2004年發(fā)行顯著突變。

表1　各帶植被覆蓋度年際變化趨勢Table 1　Annual variation trend of vegetation coverage

表2　各帶植被覆蓋度突變年份Table 2　The results of the abrupt change years

4　討論與結(jié)論

4.1　討　論

研究表明，降水量、氣溫等氣候因子變化是引起植被覆蓋年際波動的主要因子，而植樹造林、退耕還林等人為活動是導致植被覆蓋顯著增加的重要原因[19]。由研究區(qū)植被覆蓋度與降水量、氣溫的變化曲線（圖7）可知，近16 a間，研究區(qū)降水量和氣溫均整體上均呈不顯著降低趨勢，植被覆蓋度隨降水量和氣溫上下波動。計算得知，植被覆蓋度與降水量和氣溫均呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.303和0.184，但均未通過0.05水平顯著性檢驗。表明在近16 a研究區(qū)降水量和氣溫等氣候因素變化對植被覆蓋度的影響不顯著。

圖7　湖北省植被覆蓋度與降水量、氣溫的變化曲線Fig.7　Relationship between vegetation coverage with precipitation and temperature

國家林業(yè)局退耕還林辦公室發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，湖北省退耕還林工程自2000年啟動實施，截至2014年，已完成退耕還林工程總面積10 756.67 km2。其中，坡耕地退耕還林、荒山荒地造林、封山育林的面積分別為3 313.33 km2、7 186.67 km2、256.67 km2。三峽庫區(qū)、丹江庫區(qū)、清江流域、大別山區(qū)坡耕地造林2 182.67 km2，占全省計劃的65.9%，是坡耕地退耕還林的主要區(qū)域；坡度15°以上坡耕地退耕還林的面積達 3 072.67 km2，占92.7%。

本研究得出的植被覆蓋度增加趨勢的面積與退耕還林工程總面積基本一致；植被覆蓋度顯著增加區(qū)與實施坡耕地退耕還林的主要區(qū)域基本吻合；14°～52°坡度帶植被覆蓋度呈增加趨勢也與坡度15°以上是實施坡耕地退耕還林的主要區(qū)域相一致。這表明，退耕還林工程實施是湖北省植被覆蓋度變化的主要影響因素。同時湖北省不同高程帶和坡度帶植被覆蓋度在不同年份產(chǎn)生突變，主要可能是氣候波動及退耕還林等生態(tài)措施綜合作用的結(jié)果。

4.2　結(jié)　論

（1）湖北省植被覆蓋度整體較高并呈現(xiàn)西高東低、四周高中間低的空間分布格局，地形、土地覆被類型等是影響湖北省植被覆蓋度空間分布的重要原因。

（2）2000―2015年湖北省植被覆蓋度整體上呈現(xiàn)波動上升態(tài)勢，但以不顯著變化為主?；静蛔儏^(qū)占研究區(qū)總面積的88.10%，顯著增加、顯著減少區(qū)分別只占1.52%和1.31%。鄂西山區(qū)是植被覆蓋度的主要改善區(qū)，武漢城市圈則是主要退化區(qū)。16 a間湖北省植被覆蓋度變化可能是氣候波動、退耕還林工程的實施等因素共同作用的結(jié)果，其中退耕還林工程的實施是主要影響因素。

（3）植被覆蓋度分別在700 m高程帶和14°坡度帶發(fā)生顯著突變。100 m及2 500～2 800 m高程帶植被覆蓋度在2009年發(fā)生顯著突變；300～400 m及1 100～2 400 m高程帶在2004年發(fā)生顯著突變。2°～10°及46°～52°坡度帶植被覆蓋度在2004年發(fā)生顯著突變。

（4）與傳統(tǒng)的人工地面測量植被覆蓋度方法相比，利用NDVI和像元二分模型可以快速、有效地實行大面積動態(tài)監(jiān)測。但還需進一步完善模型中因子的取值問題，使其更加符合研究區(qū)的實際情況。此外，本研究局限于從氣候和退耕還林等方面對植被覆蓋度的驅(qū)動因素進行探討，在今后的研究中應考慮土地利用變化、人類活動強度、生物量變化等因素的影響。

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