黔中水利樞紐區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)力分析
——以平壩為例

蔣 翼, 周忠發(fā), 黃登紅

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550001；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 貴陽(yáng) 550001)

植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover, FVC)是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[1]，是指示地表植被覆蓋的一個(gè)重要指標(biāo)和描述生態(tài)系統(tǒng)的基本指標(biāo)[2]。植被是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分[3]，陸地生態(tài)系統(tǒng)的任何變化必然在植被類型、數(shù)量或質(zhì)量方面有所響應(yīng)。因此，區(qū)域及全球范圍的植被覆蓋度估算對(duì)植被及相關(guān)領(lǐng)域的研究具有十分重要的意義[4]。

近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感方法相較于傳統(tǒng)的測(cè)量和估算方法具有實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)范圍廣等明顯優(yōu)勢(shì)[5]。不少學(xué)者利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)分析植被覆蓋度的歷年變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)關(guān)系[6-8]或探討植被覆蓋度的時(shí)空格局與人類活動(dòng)的相關(guān)關(guān)系[9-13]；靖娟利等[14]以TM/ETM+影像為基礎(chǔ)，分析了漓江流域植被覆蓋度的時(shí)空變化特征，并結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)分析了地質(zhì)條件對(duì)植被覆蓋度的影響；甘春英等[15]利用TM影像估算連江流域粵北喀斯特山區(qū)植被覆蓋度，結(jié)合地質(zhì)圖分析了地質(zhì)構(gòu)造對(duì)植被覆蓋度的影響；韓濤等[16]利用EOS/MODIS數(shù)據(jù)從面積變化和類型轉(zhuǎn)換趨勢(shì)方面分析石羊河流域甘肅省植被覆蓋度時(shí)空格局演變；馬琳雅等[17]利用Terra/MODIS月植被指數(shù)分析了不同等級(jí)的草地植被覆蓋度時(shí)空分布特征及面積變化動(dòng)態(tài)。將氣候因子、地質(zhì)條件、人類活動(dòng)與植被覆蓋度相結(jié)合的植被覆蓋度相關(guān)研究較多，集成地形起伏度、海拔、坡度、土壤類型等驅(qū)動(dòng)因子綜合分析黔中水利樞紐區(qū)的植被覆蓋變化研究較少。

黔中水利樞紐區(qū)位于中國(guó)西南喀斯特地區(qū)，工程性缺水嚴(yán)重，是典型的脆弱生態(tài)環(huán)境，也是中國(guó)乃至世界具有重要地理意義的典型地區(qū)[18]。黔中水利樞紐區(qū)東北部平壩縣山地植被功能性破壞，逢惡劣天氣易導(dǎo)致泥石流等山體滑坡，遇干旱時(shí)節(jié)則會(huì)溪水干枯、泥沙堆積，從而導(dǎo)致水源涵養(yǎng)功能降低或缺失。因此研究以平壩縣為例，運(yùn)用歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)和像元二分模型，估算2001年、2005年、2010年、2013年的植被覆蓋度，探討植被覆蓋度與地形起伏度、海拔、坡度和土壤類型等因子的響應(yīng)關(guān)系和時(shí)空變化規(guī)律，為平壩縣水土保持提供科學(xué)理論依據(jù)，對(duì)黔中水利樞紐區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

平壩縣地處黔中水利樞紐區(qū)東北部，屬于貴州省安順市，其地理位置為105°59′23″—106°34′3″E，26°15′16″—26°37′37″N，國(guó)土面積999 km2，共轄10個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)，是安順市的“東大門”。境內(nèi)屬于亞熱帶濕潤(rùn)型季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，降水充沛，年平均氣溫14.36℃，年平均降水量1 102 mm，年平均相對(duì)濕度87.93%。平壩縣林地面積為395.42 km2,森林覆蓋率為31.10%，有林地面積為140.10 km2，疏林地面積為2.03 km2，灌木林地面積為207.7 km2。境內(nèi)水系發(fā)育，均屬烏江水系，地層巖性以碳酸鹽巖為主，土壤類型以黃壤、石灰土和水稻土為主(圖1)。境內(nèi)以高原平地為主體，整個(gè)地勢(shì)中間低，四周高，平均海拔1 250 m，地貌類型為喀斯特高原盆地，獨(dú)特的自然條件決定了該區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性。

圖1 研究區(qū)土壤分布

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取2001年、2005年、2010年、2013年Landsat TM/OLI影像，4期影像空間分辨率均為30 m，平均云量低于10%，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，且數(shù)據(jù)獲取時(shí)間均為9月，處于植被生長(zhǎng)旺季，具有可比擬性，能滿足研究需要。影像來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。運(yùn)用ENVI 5.3軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括配準(zhǔn)、幾何校正、圖像增強(qiáng)和大氣校正。采用GDEM提供的DEM數(shù)據(jù)(分辨率為30 m)，運(yùn)用ArcGIS 10.1空間分析模塊提取平壩縣的地形起伏度、海拔和坡度。運(yùn)用ArcGIS 10.1軟件將平壩縣1∶50萬(wàn)土壤類型圖數(shù)字化，得到研究區(qū)土壤類型分布圖。

2.2 歸一化植被指數(shù)(NDVI)提取

植被指數(shù)是指從多光譜遙感數(shù)據(jù)影像中提取的有關(guān)地球表面植被狀況的定量數(shù)據(jù)[5]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是以距離為基礎(chǔ)，基于物理知識(shí)，將大氣、植被覆蓋和土壤背景綜合在一起考慮,并通過(guò)數(shù)學(xué)和物理及邏輯經(jīng)驗(yàn)及通過(guò)模擬不斷發(fā)展而成的植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度最佳指示因子[19]。歸一化植被指數(shù)NDVI的計(jì)算公式為:

NDVI=(NNIR-R)/(NNIR+R)

(1)

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)；NNIR為近紅外波段的亮度值；R為紅波段的亮度值。

運(yùn)用公式(1)計(jì)算可得到4期平壩縣的NDVI圖像。NDVI值在(-1，+1)之間，植被覆蓋越好即NDVI值越大。

2.3 估算植被覆蓋度

本研究中利用像元二分模型估算植被覆蓋度，像元二分模型對(duì)影像輻射校正影響不敏感，計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)果可靠[15]。基本原理是假定一個(gè)像元信息S只由植被和土壤兩部分所貢獻(xiàn)，分別記為Sveg和Ssoil。根據(jù)李苗苗[20]、Gutman[21]的研究結(jié)合喀斯特地區(qū)的植被覆蓋度狀況，取經(jīng)驗(yàn)值像元個(gè)數(shù)累計(jì)百分比為2%的NDVI值為裸土植被指數(shù)，像元個(gè)數(shù)累計(jì)百分比為98%的NDVI值為全植被覆蓋植被指數(shù)，則有公式：

(2)

式中：FVC為植被覆蓋度(%)，值在(-1，+1)之間；NDVI為影像上的歸一化植被指數(shù)；Nsoil為影像上裸土區(qū)歸一化植被指數(shù)；Nveg為影像上全植被覆蓋區(qū)歸一化植被指數(shù)。

2.4 地形梯度等級(jí)劃分

綜合考慮地形因子的可定量性和對(duì)植被覆蓋度變化的影響程度，選取地形起伏度、海拔和坡度分析地形對(duì)植被覆蓋度變化的影響。基于研究區(qū)實(shí)際情況，對(duì)地形起伏度、海拔和坡度因子進(jìn)行分級(jí)(表1)。運(yùn)用ArcGIS空間分析功能，對(duì)各地形因子進(jìn)行重分類并統(tǒng)一為Cell size為30 m的柵格數(shù)據(jù)，柵格計(jì)算中地形因子劃分的等級(jí)視作地形分區(qū)。

表1 地形起伏度、海拔和坡度因子分級(jí)及面積比例

3 結(jié)果與分析

3.1 平壩縣植被覆蓋度時(shí)空分布變化

3.1.1 平壩縣植被覆蓋度時(shí)間變化特征 參考甘春英等[15]的研究，將計(jì)算得到的植被覆蓋度(FVC)分為5級(jí)：低植被覆蓋度(FVC<10%)、較低植被覆蓋度(10%≤FVC<30%)、中度植被覆蓋度(30%≤FVC<50%)、較高植被覆蓋度(50%≤FVC<70%)和高植被覆蓋度(70%≥FVC)，統(tǒng)計(jì)各級(jí)植被覆蓋度面積如表2所示。

2001年、2005年、2010年、2013年平壩縣平均植被覆蓋度分別為44.77%，53.37%，62.01%和56.96%，2001年平壩縣各級(jí)植被覆蓋度分布面積較為均勻，而較高植被覆蓋度面積最大，占總面積比例為24.79%，2005年、2010年、2013年各級(jí)植被覆蓋度分布面積差異明顯，但占總面積比例最大的均為高植被覆蓋度。由表2可知，從2001到2013年植被覆蓋度整體呈上升趨勢(shì)，年平均增速為0.94%，2001年植被質(zhì)量低于2013年。其中，2001—2010年植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)，年平均增速為1.72%，而2010—2013年植被覆蓋度轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)，年平均降速為-1.26%。2001—2013年平壩縣平均植被覆蓋度的等級(jí)發(fā)生較明顯的變化。2005年與2001年相比，低植被覆蓋區(qū)所占比例明顯下降，面積由156.3 km2減少到53.93 km2；高植被覆蓋區(qū)所占比例明顯上升，面積由199.34 km2增加到305.34 km2。2010年與2005年相比，較低植被覆蓋區(qū)所占比例下降幅度最大，面積由180.11 km2減少到70.01 km2；高植被覆蓋區(qū)所占比例上升最為明顯，面積增加了117.03 km2。2013年與2010年相比，高植被覆蓋區(qū)所占比例下降幅度最大，面積由422.37 km2減少到349.07 km2；較低植被覆蓋區(qū)所占比例上升最為明顯，面積由70.01 km2增加到108.95 km2。整體看來(lái)，2013年植被覆蓋狀況優(yōu)于2001年。

表2 2001-2013年平壩縣植被覆蓋度變化

3.1.2 平壩縣植被覆蓋度空間變化特征 從2001—2013年平壩縣植被覆蓋度等級(jí)圖(圖2)來(lái)看，2001年平壩縣植被覆蓋整體較差，呈“西高東低”的分布特征。植被覆蓋度等級(jí)以較高植被覆蓋度為主，主要分布在平壩縣西北地區(qū)，包括樂(lè)平鄉(xiāng)(53.39%)、齊伯鄉(xiāng)(52.46%)和十字鄉(xiāng)(49.67%)；平壩縣植被覆蓋度最高的地區(qū)是天龍鎮(zhèn)，以高植被覆蓋度、較高植被覆蓋度為主，平均植被覆蓋度為54.29%；馬場(chǎng)鎮(zhèn)是植被最差的地區(qū)，以低植被覆蓋度為主，平均植被覆蓋度僅為37.08%。2005年平壩縣植被覆蓋度呈“西北和東南高、中間低”的分布特征，植被覆蓋度等級(jí)以高植被覆蓋度為主，主要分布在平壩縣西北地區(qū)和東南地區(qū)，植被覆蓋度最高的地區(qū)是齊伯鄉(xiāng)，以高植被覆蓋度為主，平均植被覆蓋度為67.9%，植被覆蓋度最低的地區(qū)是夏云鎮(zhèn)，以低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度為主，平均植被覆蓋度為40.1%。2010年平壩縣植被覆蓋度空間分布差異明顯，各級(jí)植被覆蓋度由低到高分布面積逐漸增加，高植被覆蓋區(qū)主要分布在齊伯鄉(xiāng)(74.59%)、樂(lè)平鄉(xiāng)(71.52%)，低植被覆蓋度主要集中分布在十字鄉(xiāng)(53.46%)和天龍鎮(zhèn)(53.01%)，天龍鎮(zhèn)也是平壩縣平均植被覆蓋度最低的地區(qū)。2013年平壩縣植被覆蓋度整體較好，呈“西北和東南高、中間低”的分布特征，主要以高植被覆蓋度為主，分布在平壩縣西北、北部和南部地區(qū)，包括樂(lè)平鄉(xiāng)(64.72%)、齊伯鄉(xiāng)(72.37%)、十字鄉(xiāng)(68.58%)、羊昌鄉(xiāng)(55.48%)；植被覆蓋度最高的地區(qū)是齊伯鄉(xiāng)，平均植被覆蓋度為72.37%；夏云鎮(zhèn)是植被最差的地區(qū)，平均植被覆蓋度僅為45.88%。

圖2 2001-2013年平壩縣植被覆蓋度等級(jí)

將計(jì)算得到的植被覆蓋度變化率分為7級(jí)：劇烈減少區(qū)(變化率<-30%)、減少區(qū)(-30%≤變化率<-10%)、輕微減少區(qū)(-10%≤變化率<-5%)、穩(wěn)定區(qū)(-5%≤變化率<5%)、輕微增加區(qū)(5%≤變化率<10%)、增加區(qū)(10%≤變化率<30%)和劇烈增加區(qū)(變化率≥30%)，分別統(tǒng)計(jì)分析不同土壤類型區(qū)各級(jí)面積占總面積的百分比(表3)。平壩縣的植被覆蓋度變化幅度以增加和劇烈增加為主，其次是穩(wěn)定區(qū)。不同土壤類型區(qū)的植被覆蓋度亦表現(xiàn)出如上特點(diǎn)，其中占總面積百分比最小的是輕微減少區(qū)，面積僅有43.78 km2，最大的是增加區(qū)，面積為265.31 km2；黃壤占總面積百分比最大的為劇烈增加區(qū)，面積為116.9 km2，但與增加區(qū)差值僅為0.85%；黃棕壤占總面積最小的為劇烈減少區(qū)，面積僅為0.46 km2，但輕微減少區(qū)比劇烈減少區(qū)僅大0.81%，而黃棕壤占總面積百分比最大的為劇烈增加區(qū)，高達(dá)33.23%，也是各土壤類型劇烈增加區(qū)占總面積百分比的最大值。

表3 各類土壤面積占總面積的百分比 %

通過(guò)2001年和2013年植被覆蓋度疊加分析，得到近13年來(lái)植被覆蓋度變化專題圖(圖3)。植被覆蓋度劇烈減少區(qū)主要位于平壩縣西南方向，包括天龍鎮(zhèn)和白云鎮(zhèn)，一方面平壩縣西南方向喀斯特區(qū)各類巖石裂隙較多，地表落水洞分布較廣，導(dǎo)致地表徑流快速轉(zhuǎn)為地下暗流，形成區(qū)域工程性缺水，并且喀斯特區(qū)主要組分為碳酸鹽巖，其成土速度緩慢，且容易被流水沖刷溶蝕，導(dǎo)致區(qū)域水土流失現(xiàn)象顯著，不利于植被的生長(zhǎng)。另一方面，天龍鎮(zhèn)與平壩縣城較近，交通發(fā)達(dá)，建設(shè)用地面積逐年增加，植被覆蓋度隨之降低。植被覆蓋度劇烈增加區(qū)主要分布在平壩縣的南部和西北地區(qū)，隨著近年來(lái)的退耕還林、還草、封山育林等工程性措施的實(shí)施，平壩縣山區(qū)的森林得到了較好的保護(hù)，有利于植被生長(zhǎng)，因而植被覆蓋度大幅度增加。

圖32001-2013年平壩縣植被覆蓋度變化

3.2 植被覆蓋度結(jié)構(gòu)變化的地形起伏度梯度差異

平壩縣的植被覆蓋度結(jié)構(gòu)變化的地形起伏度梯度差異明顯(表4)。植被覆蓋度類型集中在地形起伏度80 m以下區(qū)域。地形起伏度0～20 m梯度的主要植被覆蓋度類型為低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中度植被覆蓋度，2001—2013年較低植被覆蓋度所占總面積比例變小，中度植被覆蓋度所占總面積比例變大；地形起伏度20～80 m梯度的主要植被覆蓋度類型為較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度；地形起伏度>80 m梯度的主要植被覆蓋度類型為高植被覆蓋度，2001—2013年高植被覆蓋度所占總面積比例顯著上升。

地形起伏度0～80 m梯度，隨著地形起伏度的增大，低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度所占比例不斷減??；地形起伏度>20 m梯度，隨著地形起伏度的增大，中植被覆蓋度所占比例不斷減??；高植被覆蓋度所占比例在地形起伏度>80 m梯度分級(jí)最大。2001—2013年低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度面積的減少主要發(fā)生在地形起伏度0～40 m梯度；2001—2013年在地形起伏度>60 m梯度中植被覆蓋度和較高植被覆蓋度面積均呈下降趨勢(shì)；高植被覆蓋度在地形起伏度20～40 m梯度面積變化最明顯，從2001年的57.12 km2增加到2013年的104.33 km2。

3.3 植被覆蓋度結(jié)構(gòu)變化的海拔梯度差異

平壩縣的植被覆蓋度結(jié)構(gòu)變化的海拔梯度差異顯著(表5)。植被覆蓋度類型主要分布在海拔1 200～1 400 m的區(qū)域。海拔936～1 300 m梯度的主要植被覆蓋度類型為中植被覆蓋度、較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度，2001—2013年高植被覆蓋度所占面積比例增加變化最為明顯；海拔1 300～1 621 m梯度的主要植被覆蓋度類型為較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度，2001—2013年較高植被覆蓋度所占總面積比例變小，高植被覆蓋度所占總面積比例變大。

隨著海拔增大，較低植被覆蓋度所占總面積比例先增大后減小，而高植被覆蓋度所占總面積比例先減小后增大。低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中植被覆蓋度的減少主要發(fā)生在海拔>1 200 m梯度，而較低植被覆蓋度的增加主要發(fā)生在海拔936～1 300 m梯度。高植被覆蓋度在海拔1 400～1 621 m梯度所占總面積比例最大，2001—2013年該區(qū)高植被覆蓋度面積增加149.71 km2。

表4 2001-2013年植被覆蓋度的地形起伏度差異

表5 2001-2013年植被覆蓋度的海拔差異

3.4 植被覆蓋度結(jié)構(gòu)變化的坡度梯度差異

平壩縣的植被覆蓋度結(jié)構(gòu)變化的坡度梯度差異明顯(表6)。植被覆蓋度類型集中在坡度25°以下區(qū)域。坡度0°～5°梯度的主要植被類型為較低植被覆蓋度和中度植被覆蓋度，2001—2013年較低植被覆蓋度所占總面積比例變小，中度植被覆蓋度反之；坡度>5°梯度的主要植被類型為較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度，2001—2013年較高植被覆蓋度所占總面積比例變小，高植被覆蓋度所占總面積比例明顯變大。

隨著坡度的增大，低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度所占比例均不斷減小，中度植被覆蓋度和較高植被覆蓋度所占比例表現(xiàn)為先增加后減小，而高植被覆蓋度則持續(xù)增加。低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度在坡度0°～5°梯度面積最大，高植被覆蓋度面積最大的區(qū)域?yàn)槠露?°～15°梯度。2001—2013年中度植被覆蓋度和較高植被覆蓋度在坡度0°～5°梯度面積變大，在坡度>5°梯度面積變小。在坡度5°～15°梯度高植被覆蓋度面積變化最為顯著，從2001年的89.92 km2增加到2013年的166.17 km2。

表6 2001-2013年植被覆蓋度的坡度差異

4 結(jié) 論

(1) 2001—2013年，平壩縣植被覆蓋度整體呈顯著增加趨勢(shì)，年增速為0.94%；其中2010年植被覆蓋度為62.01%，2010年之前植被覆蓋度呈持續(xù)增加趨勢(shì)，年增速為1.72%，而2010年之后呈下降態(tài)勢(shì)，年降速為-1.26%；高植被覆蓋區(qū)面積增加最為明顯，變化率高達(dá)75.11%。

(2) 平壩縣植被覆蓋空間格局整體呈現(xiàn)“西北高、東低”的分布特征，高值區(qū)主要包括齊伯鄉(xiāng)、樂(lè)平鄉(xiāng)和十字鄉(xiāng)，低值區(qū)主要在高峰鎮(zhèn)、馬場(chǎng)鎮(zhèn)和夏云鎮(zhèn)。天龍鎮(zhèn)水土流失現(xiàn)象顯著，水土流失面積逐年增加，植被覆蓋度劇烈減少；馬場(chǎng)鎮(zhèn)和羊昌鄉(xiāng)南部在封山育林政策的保護(hù)下，植被覆蓋度劇烈增加。

(3) 植被覆蓋度類型集中在地形起伏度80 m以下區(qū)域；低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中度植被覆蓋度主要分布在地形起伏度0～20 m梯度，較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度主要分布在地形起伏度20～40 m梯度。

(4) 植被覆蓋度類型主要分布在海拔1 200～1 400 m的區(qū)域；低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中度植被覆蓋度主要分布在海拔1 200～1 300 m梯度，高植被覆蓋度主要分布在海拔1 300～1 400 m梯度；隨著海拔增大，較低植被覆蓋度所占總面積比例先增大后減小，而高植被覆蓋度所占總面積比例先減小后增大。

(5) 植被覆蓋度類型集中在坡度25°以下區(qū)域；低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度主要分布在坡度0°～5°梯度，較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度主要分布在坡度5°～15°梯度；隨著坡度的增大，低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度所占比例均不斷減小，中度植被覆蓋度和較高植被覆蓋度所占比例表現(xiàn)為先增加后減小，而高植被覆蓋度則持續(xù)增加。

因貴州省多云霧天氣，難以獲取同時(shí)相全覆蓋影像數(shù)據(jù)，且受Landsat影像重訪周期和圖像質(zhì)量的限制，可用影像較少，在未來(lái)的研究中擬使用多源遙感數(shù)據(jù)，減小時(shí)間分辨率、空間分辨率、波譜分辨率的誤差，進(jìn)一步提高研究結(jié)果的精度。