五臺(tái)山風(fēng)景區(qū)植被覆蓋度近25 a來的時(shí)空變化分析

王 宇，段永紅，白 杰

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

五臺(tái)山地區(qū)的動(dòng)植物資源豐富，區(qū)域內(nèi)植物種類達(dá)600余種，植被的垂直地帶性明顯，植被種類以草地為主，有華北地區(qū)較為完整的高山草甸草原生態(tài)系統(tǒng)[1]。五臺(tái)山自然保護(hù)區(qū)的建立對(duì)于研究這一地區(qū)的生物多樣性，保障區(qū)域內(nèi)高山草甸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，維持這一地區(qū)的生態(tài)平衡都有重要的意義。近年來，人類對(duì)保護(hù)區(qū)及周邊地區(qū)的開發(fā)力度逐年增強(qiáng)，風(fēng)景區(qū)內(nèi)的旅游活動(dòng)及景點(diǎn)的開發(fā)也越來越頻繁，這些活動(dòng)都對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)的植被造成了極大的威脅。對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)破壞狀況的調(diào)查對(duì)于制定五臺(tái)山地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，治理周邊區(qū)域的開發(fā)亂象，發(fā)展生態(tài)旅游事業(yè)都有積極的作用。

遙感技術(shù)因其覆蓋面積大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、獲取速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、水文、軍事、環(huán)保等領(lǐng)域。我國應(yīng)用遙感方法對(duì)植被的調(diào)查始于20世紀(jì)20年代[2]，遙感大面積同步觀測(cè)的特點(diǎn)及其與GPS，GIS的綜合運(yùn)用使其在這方面的研究越來越多，研究方向也越來越廣泛。20世紀(jì)90年代末，遙感技術(shù)被應(yīng)用于保護(hù)區(qū)的調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[3]，這一領(lǐng)域的研究主要分為：對(duì)保護(hù)區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化的研究[4]；對(duì)保護(hù)區(qū)植被變化的研究[5]；對(duì)保護(hù)區(qū)人為活動(dòng)的研究[6]。隨著定量遙感的迅速發(fā)展，使用遙感技術(shù)可以有效地對(duì)林業(yè)資源和植被變化實(shí)施快速監(jiān)測(cè)，并可進(jìn)一步分析評(píng)估其誘因[7]。

研究使用 1990，1995，2000，2005，2010，2015 年6期TM影像分析了近25 a來五臺(tái)山地區(qū)的植被變化情況。本研究有利于對(duì)五臺(tái)山的植被變化狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)于研究造成五臺(tái)山植被破壞的原因并據(jù)此提出對(duì)策有重要的意義。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

五臺(tái)山位于山西省東北部，屬于太行山系的一支，地域范圍包括五臺(tái)縣全境、繁峙縣南山區(qū)、原平市東山區(qū)、定襄縣東北山區(qū)、盂縣北山區(qū)和河北省阜平縣西山區(qū)，面積約有6 530 km2，北臺(tái)頂為華北地區(qū)最高峰，海拔3 061 m[8]。五臺(tái)山是首批國家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)、首批國家森林公園、首批5A級(jí)景區(qū)[9]，還是我國最早建立的2個(gè)草地類的保護(hù)區(qū)之一。本研究以五臺(tái)山5座臺(tái)峰及其山體延伸范圍內(nèi)的山區(qū)為研究對(duì)象，研究區(qū)東西最長距離約為100 km，南北最長距離約為80 km，總面積約為6萬hm2。區(qū)域內(nèi)山體多為土石山區(qū)，氣候?qū)儆谂瘻貛駶櫚霛駶櫄夂颍_(tái)頂2 600 m以上屬于高寒氣候[10]。全年平均氣溫為-5℃，極端最低氣溫可達(dá)-39.5℃，極端最高氣溫只有20℃。平均年降水量828.5 mm，主要集中在夏季，區(qū)域降雨量受地形影響較大，南坡多于北坡，全年無霜期僅有72 d左右，冬天長達(dá)270 d。五臺(tái)山的森林多分布于海拔2 000 m左右的山坡上，主要喬木有落葉松、油松、青楊、白樺、云杉等[11]，林帶上下分布著亞高山草甸、林緣草地、灌叢草地和山地草原[12]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的主要數(shù)據(jù)為6期TM影像，影像獲取時(shí)間分別為1990年9月16日，1995年6月26日，2000年5月6日，2005年6月21日，2010年5月2日，2015年7月3日，研究中還用到了空間分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)。研究中用ENVI 5.1進(jìn)行影像的預(yù)處理及植被覆蓋度的計(jì)算，用ArcGIS 10.0進(jìn)行地形分析以及制圖工作。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括對(duì)遙感影像的預(yù)處理和對(duì)多源數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)的變換2個(gè)部分。首先需要對(duì)6期TM影像進(jìn)行大氣校正，利用地形圖對(duì)其進(jìn)行幾何校正；然后以TM影像為參照，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)投影的變換；最后用研究區(qū)的矢量邊界對(duì)TM影像和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。

2.2 研究區(qū)植被覆蓋度估算

目前運(yùn)用遙感技術(shù)提取區(qū)域內(nèi)植被覆蓋信息的方法主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ā⒅脖恢笖?shù)法以及混合像元分解法[13-15]。本研究運(yùn)用植被指數(shù)法對(duì)1990—2015年的6期TM影像進(jìn)行植被覆蓋信息提取。選用歸一化植被指數(shù)（NDVI）對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行估算，歸一化植被指數(shù)不僅能部分消除地形、大氣、陰影的影響，而且能有效區(qū)分植被與巖石、裸土，是植被覆蓋度的最佳指示因子[16]。在計(jì)算歸一化植被指數(shù)時(shí)，選用對(duì)綠色植物吸收較強(qiáng)的紅波段及對(duì)綠色植物高反射、高透射的近紅外波段，即TM影像中的3波段與4波段。歸一化植被指數(shù)的計(jì)算公式如下。

式中，DNNIR，DNR分別為TM影像中紅波段與近紅外波段的反射率，即3波段與4波段的反射率。

目前，利用歸一化植被指數(shù)估算植被覆蓋度最常用的方法為像元二分模型法，也是利用遙感影像估算大面積植被覆蓋狀況最有效的途徑之一[17]。該模型假設(shè)影像每個(gè)像元的信息都是由植被信息和土壤信息2個(gè)部分組成的，則植被信息占像元的面積比例就是該像元的植被覆蓋度f[18]。設(shè)裸土的像元信息為Ssoil，純植被覆蓋區(qū)域的像元信息為Sveg，則觀測(cè)到的影像信息S表示如下。

整個(gè)研究區(qū)的植被覆蓋度F計(jì)算公式如下。

使用歸一化植被指數(shù)計(jì)算植被覆蓋度時(shí)取累計(jì)頻率為5%的NDVI值為NDVIsoil，取累計(jì)頻率為95%的NDVI值為NDVIveg。由此得出植被覆蓋度的估算公式如下。

2.3 研究區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)分析

利用線性傾向趨勢(shì)估計(jì)對(duì)1990—2015年間研究區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行趨勢(shì)分析，即選取年平均植被覆蓋度值在像元尺度進(jìn)行一元線性回歸，通過對(duì)植被覆蓋度均值的回歸運(yùn)算分析研究區(qū)植被覆蓋度的變化趨勢(shì)[19]。

式中，Sslope為回歸斜率，n為監(jiān)測(cè)年數(shù)；Fi為第i年的植被覆蓋度值。

回歸斜率可以反映出1990—2015年植被覆蓋度的變化趨勢(shì)與幅度，當(dāng)斜率大于0時(shí)，表明植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)，當(dāng)斜率小于0時(shí)，表明植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)，且斜率的絕對(duì)值越大，變化幅度越大?；谠撔甭士梢杂?jì)算研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度變化率，計(jì)算公式如下。

植被覆蓋度變化率＝Sslope/植被覆蓋度均值×10×100% （6）

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)植被覆蓋度分級(jí)結(jié)果

以研究區(qū)1990—2015年生長季的TM-NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用像元二分模型估算1990—2015年五臺(tái)山核心區(qū)的植被覆蓋度。根據(jù)水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL 190—2007）》，將不同的水土流失等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的植被覆蓋度[20]。結(jié)合五臺(tái)山地區(qū)的實(shí)際情況，將植被覆蓋度大小分為5級(jí)：＜30%（低植被覆蓋度）、30%～45%（中低植被覆蓋度）、45%～60%（中等植被覆蓋度）、60%～75%（中高植被覆蓋度）和＞75%（高植被覆蓋度）。分級(jí)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，五臺(tái)山地區(qū)的植被覆蓋度分級(jí)分布有較強(qiáng)的空間規(guī)律性，總體呈現(xiàn)中間高、四周低的趨勢(shì)。這與五臺(tái)山地區(qū)的地形狀況有關(guān)，中間為山區(qū)，森林、草甸面積大，受人類活動(dòng)擾動(dòng)較小；周邊為居民聚集區(qū)，森林、草甸面積小，受人類活動(dòng)擾動(dòng)大。從各年份的植被覆蓋度情況來看，1990，1995年研究區(qū)中的山區(qū)多為高植被覆蓋度區(qū)域，2000，2005，2010年研究區(qū)以中高分辨率區(qū)域?yàn)橹?，但中低、低分辨率區(qū)域逐漸增多，到2015年時(shí)研究區(qū)內(nèi)的中低、低分辨率區(qū)域達(dá)到最多，高分辨率區(qū)域也是6期影像中最少的。

3.2 研究區(qū)植被覆蓋度變化

表1 1990—2015年植被覆蓋度平均值

表1為6期影像植被覆蓋度平均值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，2015年與1990年相比，植被覆蓋度平均值下降約21百分點(diǎn)，2000—2010年植被覆蓋度變化最明顯，10 a約降低了15.06%。從圖2可以看出，研究區(qū)的植被覆蓋度呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，且2000年以后的下降速度明顯加快?；诒?中的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，得出回歸斜率約為-0.009，印證了研究區(qū)域植被覆蓋度在這25 a中有明顯的降低趨勢(shì)，其植被覆蓋度變化率約為15.3%。

遙感變化檢測(cè)是通過比值或差值運(yùn)算得到不同影像的變化區(qū)域及變化狀況的方法，圖3為1990—2015年間植被覆蓋度變化檢測(cè)結(jié)果。從1990，2015年的變化檢測(cè)結(jié)果可以看出，研究區(qū)植被覆蓋度在25 a中變化明顯，大部分區(qū)域都有不同程度的降低。西臺(tái)頂西側(cè)、南臺(tái)頂南側(cè)降低的最為明顯，北臺(tái)頂北側(cè)的變化相對(duì)較小，東臺(tái)頂東側(cè)的變化最小。從各時(shí)間階段的變化來看，2000—2005年研究區(qū)植被覆蓋度的降低幅度最大，變化區(qū)域也最為廣泛；1990—1995年降低幅度最小，而且沒有變化量明顯較高的區(qū)域。從各區(qū)域變化時(shí)間來看，南臺(tái)頂南側(cè)的植被破壞主要發(fā)生在2000—2005年；西臺(tái)頂西側(cè)與北臺(tái)頂北側(cè)的變化主要發(fā)生在2010—2015年，其他區(qū)域的植被破壞在各時(shí)間段比較平均，沒有植被覆蓋度快速降低的明顯時(shí)間節(jié)點(diǎn)。另外，從圖3可以看出，這25 a間以臺(tái)懷鎮(zhèn)為中心的五臺(tái)山旅游區(qū)植被覆蓋度降低幅度也較大，大部分區(qū)域的降低幅度在30%以上，幾座臺(tái)峰的變化尤為明顯。

3.3 人為活動(dòng)對(duì)區(qū)域植被的影響分析

經(jīng)過對(duì)研究區(qū)的實(shí)地走訪、調(diào)查，發(fā)現(xiàn)造成該區(qū)域植被破壞的原因主要有3點(diǎn)：（1）五臺(tái)山旅游區(qū)內(nèi)旅游開發(fā)對(duì)高山植被的破壞；（2）研究區(qū)內(nèi)的礦山開采活動(dòng)對(duì)林地和草地的破壞；（3）旅游開發(fā)和礦山開發(fā)伴隨的道路建設(shè)對(duì)林地和草地的破壞。

旅游開發(fā)的影響區(qū)域?yàn)榕_(tái)懷鎮(zhèn)周邊，主要為5座臺(tái)峰，造成植被破壞的原因包括寺廟建設(shè)、停車場(chǎng)等旅游基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及頻繁的旅游活動(dòng)。雖然這些建筑的單個(gè)面積和總面積都較小，但多分布于亞高山草甸中，由于亞高山草甸的生態(tài)比較脆弱，破壞以后的恢復(fù)周期較長，因此，旅游開發(fā)可能會(huì)導(dǎo)致5座臺(tái)峰臺(tái)頂及周邊海拔較高區(qū)域的草甸造成難以修復(fù)的破壞。近年來，五臺(tái)山的旅游開發(fā)力度越來越大，5個(gè)臺(tái)頂?shù)乃聫R都在擴(kuò)建，通往臺(tái)頂?shù)牡缆芬苍诓粩鄶U(kuò)寬，這些開發(fā)活動(dòng)都對(duì)臺(tái)頂及周邊的亞高山草甸造成了較大的破壞。

礦山開采區(qū)域分布于五臺(tái)山風(fēng)景區(qū)的外圍，但由于開采區(qū)的面積大，開采活動(dòng)對(duì)植被、水體、土壤等自然因素都有嚴(yán)重影響，因此，礦山開采對(duì)五臺(tái)山的生態(tài)環(huán)境影響最深遠(yuǎn)。五臺(tái)山周邊的礦山開采區(qū)距離臺(tái)懷鎮(zhèn)直線距離在10～50 km，南臺(tái)頂南側(cè)的五臺(tái)縣境內(nèi)、南臺(tái)頂西側(cè)的代縣境內(nèi)以及西臺(tái)頂西側(cè)的繁峙縣境內(nèi)是分布最聚集，面積最大的區(qū)域。由于礦山開采區(qū)的分布區(qū)域分散、面積大、海拔范圍大，因此，對(duì)區(qū)域內(nèi)的林地和草甸影響都較大。

道路建設(shè)的目的是為旅游開發(fā)、礦山開采及周邊居民服務(wù)，因此，多分布于旅游區(qū)、居民區(qū)和開采區(qū)的周邊。旅游區(qū)中的道路寬度約5～15 m，海拔越高，道路的寬度越窄。這一部分道路主要影響5座臺(tái)峰的植被，由于臺(tái)頂部分區(qū)域的土質(zhì)較為稀松，因此，在這些區(qū)域道路的破壞區(qū)域遠(yuǎn)超道路本身范圍。采礦區(qū)周邊的道路，由于要滿足大型貨車的運(yùn)行，且建設(shè)過程不規(guī)范，因此，寬度在5～30 m范圍內(nèi)不等。這部分道路破壞的植被主要為五臺(tái)山周邊山區(qū)的林地和部分海拔較高區(qū)域的草地。在調(diào)查過程中還發(fā)現(xiàn)，五臺(tái)山周邊的風(fēng)力發(fā)電站建設(shè)過程中的道路建設(shè)也造成了較大面積的植被破壞。風(fēng)力發(fā)電站主要分布于西臺(tái)、中臺(tái)、北臺(tái)西側(cè)部分海拔較高的山體頂部，這些區(qū)域的植被多為草甸，這些區(qū)域的道路影響的植被也多為草甸。道路本身的面積雖然不大，但由于它本身的分布范圍廣、海拔跨度大，且道路周邊的人類活動(dòng)頻繁，因此，對(duì)植被影響較大。

4 結(jié)論與討論

1990—2015年，研究區(qū)的植被覆蓋度降低約21%，降低趨勢(shì)明顯，其中在2000—2010年植被覆蓋度降幅最大，年平均降幅達(dá)到1.5%。植被覆蓋度變化最大的區(qū)域?yàn)槟吓_(tái)西南側(cè)與西臺(tái)西側(cè)，大部分區(qū)域的降幅都達(dá)到了30%以上。野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，南臺(tái)西南側(cè)和西臺(tái)西側(cè)都分布有大面積的礦山開采破壞區(qū)，這些區(qū)域的植被覆蓋度大幅降低可能與礦山開采活動(dòng)有關(guān)。五臺(tái)山的5座臺(tái)峰位于五臺(tái)山草地自然保護(hù)區(qū)的范圍內(nèi)，自1990年以來該區(qū)域的植被覆蓋度也明顯降低，且近年來降幅不斷增大，5個(gè)臺(tái)頂?shù)穆糜伍_發(fā)活動(dòng)可能是造成這一變化的重要原因。此外，旅游開發(fā)、礦山開采過程中伴隨的道路建設(shè)也對(duì)五臺(tái)山地區(qū)的植被有較大的影響。綜上所述，五臺(tái)山地區(qū)的人為開發(fā)、開采活動(dòng)是造成該區(qū)域近年來植被覆蓋度持續(xù)降低的重要原因。

針對(duì)上述的五臺(tái)山植被變化現(xiàn)狀及其原因，特提出以下建議。在五臺(tái)山的5座臺(tái)峰高海拔區(qū)域發(fā)展生態(tài)旅游，減少人為旅游開發(fā)活動(dòng)對(duì)草甸的影響；加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域，尤其是亞高山草甸區(qū)域道路建設(shè)的規(guī)劃，盡量避免不必要的道路建設(shè)，減少道路建設(shè)對(duì)植被的影響；加強(qiáng)對(duì)礦山開采區(qū)的規(guī)劃和管理，避免不規(guī)范甚至違法的開采活動(dòng)；加強(qiáng)對(duì)開采區(qū)的生態(tài)恢復(fù)工作，避免對(duì)區(qū)域生態(tài)造成不可逆的破壞；加大對(duì)五臺(tái)山區(qū)域植被及生態(tài)的監(jiān)測(cè)力度，保障對(duì)區(qū)域植被變化信息的及時(shí)獲取。

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