?濕熱巖溶山區(qū)植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性研究

摘 要：以廣西紅水河流域?yàn)槔?，綜合運(yùn)用GIS和RS技術(shù)，采集2005、2010和2015年的MODIS Aqua 16 d NDVI合成數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)濕熱巖溶山區(qū)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化。利用GDEMDEM 30 M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，獲得廣西紅水河流域高程、坡度以及地形起伏度等地形因子數(shù)據(jù)，綜合分析植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性，以期為濕熱巖溶山區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。結(jié)果表明：高植被覆蓋度在高程為500～750 m的區(qū)域達(dá)到最大值;當(dāng)坡度大于6°，高植被覆蓋度快速增加，變化趨勢(shì)顯著，而在2010年后趨勢(shì)變緩慢;當(dāng)?shù)匦纹鸱刃∮?.25時(shí)，各等級(jí)植被覆蓋度占比差異不大，但當(dāng)?shù)匦纹鸱却笥?.25，高植被覆蓋度成為主體，其他各級(jí)植被覆蓋度所占面積比例逐漸減小。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋度;地形因子;相關(guān)性;廣西紅水河流域

中圖分類號(hào)：S17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2018）01-0055-05

Correlation between Vegetation Coverage and Terrain Factors in Damp Hot Karst Mountainous Areas of Hongshui River Basin

LI Shi-gan，ZHOU Hui-jie，ZHU Jie，WU Yan-ting，ZHOU Qiang，LIU Yun-dong，JIANG Ning

（Key Laboratory of Environment Change and Resources Use in Beibu Gulf， Ministry of Education， Guangxi Key Laboratory of Earth Surface Processes and Intelligent Simulation， School of Geography and Planning， Guangxi Teachers Education University， Nanning 530001， PRC）

Abstract：Based on the data of MODIS Aqua 16d NDVI from 2005 to 2015 and combined with GIS and RS technology， this study monitored the dynamic change of vegetation coverage in Hongshui River Basin’s damp hot karst mountainous areas of Guangxi， and obtained the data on the elevation， slope， relief amplitude and other terrain factors of the basin based on the GDEMDEM 30 M resolution digital elevation data， to analyze the relationship between vegetation coverage and terrain factors so as to provide scientific basis for the re-vegetation and ecological construction of the areas. The results showed that the vegetation coverage was up to its maximum in the elevation range from 500-750 m; the vegetation coverage increased and changed sharply in the case of the slop gt; 6°，while the trend was slower after 2010; and the ratio of each grade vegetation coverage changed gently at the relief amplitude lt; 0.25， and the high vegetation coverage became significant at the relief amplitude gt; 0.25.

Key words：vegetation coverage; terrain factor; correlation; Hongshui River Basin of Guangxi

植被覆蓋度是指單位面積內(nèi)植被地上部分在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比，是衡量地表植被與區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)[1-2]。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是反映植被覆蓋程度的植被指數(shù)之一，其數(shù)值的大小可以直接反映地表植被的覆蓋情況。基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)，通過計(jì)算植被覆蓋度進(jìn)行區(qū)域植被變化監(jiān)測(cè)的技術(shù)已經(jīng)較為成熟[3-5]。例如：成方妍等[6]通過MODIS NDVI數(shù)據(jù)，分析了廣西沿海植被的動(dòng)態(tài)變化并探究其變化的主要驅(qū)動(dòng)因素;吳昌廣等[7]采用像元二分模型估算了三峽庫區(qū)植被覆蓋度，并在像元尺度上分析了庫區(qū)植被覆蓋度的時(shí)空變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)力。

濕熱巖溶山區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、資源稟賦與生態(tài)環(huán)境均比較獨(dú)特的地域單元，自然資源豐富，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，人地關(guān)系矛盾突出。廣西紅水河流域是典型的濕熱巖溶山區(qū)，以該流域?yàn)槔?，基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)，對(duì)濕熱巖溶山區(qū)開展了植被覆蓋度時(shí)空動(dòng)態(tài)分析，并探究了植被覆蓋時(shí)空變化與地形因子的相關(guān)性，以期為該區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西紅水河流域位于該省中北部，東經(jīng)106°14′～

110°20′和北緯22°52′～25°27′之間，包括樂業(yè)、凌云、天峨、南丹、鳳山、巴馬、東蘭、金城江、大化、都安、馬山、忻城、柳江、上林、合山、賓陽、興賓、象州、武宣、桂平等20個(gè)縣（市、區(qū)），面積51 124.06 km2，地處我國南亞熱帶向中亞熱帶過度的中間地帶，主體屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候區(qū)，水熱條件豐富，年均溫度在16.9～21.0℃之間，年降水量在1 244～1 582 mm之間，地貌類型以巖溶山地為主。

2015年廣西紅水河流域總?cè)丝? 039.91萬，占廣西總?cè)丝诘?8.78%;地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)1 773.01億元，占廣西地區(qū)的10.74%;人均生產(chǎn)總值為17 049.62元，農(nóng)民年人均純收入8 003.5元，屬于欠發(fā)達(dá)地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及其預(yù)處理

研究采用16 d合成的MODIA NDVI 產(chǎn)品數(shù)據(jù)，時(shí)間序列為2005～2015年，數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF， 空間分辨率為250 m，通過MRT（MODIS Reprojection Tool）軟件進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)換，再通過研究區(qū)邊界圖掩膜裁剪出廣西紅水河流域NDVI數(shù)據(jù)。地形因子提取的源數(shù)據(jù)采用GDEMDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，通過異常值處理后的DEM數(shù)據(jù)提取地形因子。

1.3 植被覆蓋度估算與分級(jí)

研究采用李苗苗等[8]改進(jìn)的像元二分線性模型來估算植被覆蓋度，其公式為：

FVC=（NDVI-NDVIsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）（1）

式中：FVC是植被覆蓋度;NDVI為影像中任意像元的歸一化植被指數(shù);NDVIsoil代表裸土的植被指數(shù);NDVIveg為純植被覆蓋下的歸一化植被指數(shù)。

首先通過公式（2），即近紅外波段（NIR）與紅波段（R）數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值，計(jì)算出歸一化植被指數(shù)NDVI，然后根據(jù)兩期影像的NDVI值序列，采用0.5%置信度截取NDVI的上下閾值，在置信區(qū)間內(nèi)取最大值和最小值分別近似代替NDVIveg和NDVsoil。

NDVI=（NIR-R）/（NIR+R） " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中：NDVI是歸一化植被指數(shù)，NIR為近紅外波段的反射率;R為紅光波段的反射率。

1.4 地形因子的提取

利用ARCGIS10.3軟件對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值處理，再提取出廣西紅水河流域的高程、坡度、地形起伏度等地形因子。其中，結(jié)合廣西紅水河流域地形的實(shí)際情況，考慮濕熱巖溶山區(qū)的自然規(guī)律和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，將高程分為5級(jí)[9];考慮研究區(qū)地形及其對(duì)植被的影響，參考前人研究[10-11]，以6°作為緩坡和斜坡接線的方法，將坡度劃分為5級(jí);該研究在前人研

究[12-15]的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算地形起伏度，將地形起伏度劃分為5級(jí)。地形分級(jí)情況如表1，廣西紅水河流域高程、坡度、地形起伏度的分級(jí)情況如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度的空間分布特征

通過式（1）、式（2）分別計(jì)算出2005、2010、2015年3個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度信息，同時(shí)為了更直觀地反映研究區(qū)植被分布及其變化情況，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，以覆蓋度10%、30%、45%、60%為界限，將研究區(qū)植被覆蓋度分成5個(gè)植被覆蓋度等級(jí)區(qū)，其中0～10%定義為裸地區(qū)，10%～30%為低覆蓋區(qū)、30%～45%為中低覆蓋區(qū)，45%～60%為中覆蓋區(qū)，60%～100%為高覆蓋區(qū)，得到廣西紅水河流域3個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度等級(jí)分布（圖2），并統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)期各級(jí)植被覆蓋度所占的面積百分比（圖3）。

由圖2和圖3可以看出，廣西紅水河流域主要以高植被覆蓋度為主，2005、2015和2015年廣西紅水河流域高植被覆蓋度分別占整個(gè)流域的59.88%、45.40%、56.56%，高植被覆蓋度區(qū)主要分布在廣西紅水河流域西北部，低植被覆蓋度區(qū)主要分布在東南部。這一分布特征，主要是由于廣西紅河水流域西北部的高程較高、坡度較大、地形起伏大，多為巖溶山區(qū)，人類活動(dòng)范圍有限，活動(dòng)強(qiáng)度小，因此西北部植被覆蓋度相對(duì)而言較高;而東南部地形起伏度較小、高程較低、坡度較小，多為平地，人類活動(dòng)范圍增大，活動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)植被覆蓋度影響較大。

2010年高植被覆蓋度區(qū)面積較2005年減少14.48個(gè)百分點(diǎn)，其他各級(jí)植被覆蓋度區(qū)面積均有所增加，裸地面積增加最少，為0.82個(gè)百分點(diǎn);中低覆蓋區(qū)面積增加最多，為5.14個(gè)百分點(diǎn)。與2005年相比，2010年高植被覆蓋度區(qū)面積的減小，可能是由于這5 a來，廣西紅水河流域西北部的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動(dòng)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致了西北部植被覆蓋度降低。2002年，我國全面啟動(dòng)退耕還林工程，而廣西紅水河流域西北部本來就是巖溶山區(qū)，耕地面積較少，退耕還林政策對(duì)其影響較小，而東南地區(qū)離廣西首府南寧以及廣東省較近，同時(shí)該地區(qū)地勢(shì)平坦，地形起伏較小，城市發(fā)展較快，隨著人們對(duì)城市綠化的要求不斷提高，促使東南地區(qū)植被覆蓋度有所增加。2012年我國提出生態(tài)文明建設(shè)，要求樹立尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然的生態(tài)文明理念，走可持續(xù)發(fā)展道路。隨著政策的推行，廣西紅水河流域2015年植被覆蓋度較2010年植被覆蓋度有所增加，高植被覆蓋度地區(qū)增加了11.16個(gè)百分點(diǎn)。因此，2005、2010和2015年3個(gè)時(shí)間段，廣西紅水河流域植被覆蓋度的變化總體特征為先降低后增加，東南地區(qū)植被覆蓋度增加幅度較西北地區(qū)更為明顯。

2.2 植被覆蓋度對(duì)地形的響應(yīng)規(guī)律

2.2.1 植被度蓋度隨高程的變化規(guī)律 為了更好地研究植被覆蓋度與高程的關(guān)系，通過ARCGIS軟件平臺(tái)，將高程分為5級(jí)，同時(shí)與植被覆蓋度各等級(jí)相疊加，統(tǒng)計(jì)后可得到了每一個(gè)高程等級(jí)對(duì)應(yīng)每一個(gè)植被覆蓋度等級(jí)所占面積的百分比，結(jié)果如圖4所示。2005年植被覆蓋度隨高程的升高，大致呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變化隨高程的增加逐漸平穩(wěn)，小于750 m時(shí)增加幅度較大，大于750 m后增加幅度較小;2010年植被覆蓋度隨高程的的升高，大致呈先升高再降低最后略微升高的趨勢(shì)，在500～750 m達(dá)到最大值;2015年植被覆蓋度隨高程的升高，大致呈先升高再降低的趨勢(shì)，在500～750 m達(dá)到最大值，隨后逐漸減小。由此可見，廣西紅水河流域植被覆蓋度在高程為500～750 m這一等級(jí)時(shí)最高。究其原因，雖然在海拔較低的區(qū)域，地勢(shì)較為平緩，水熱條件優(yōu)越，但是由于廣西紅水河流域?qū)贊駸釒r溶山區(qū)，耕地少，人類活動(dòng)將大部分灌叢和林地轉(zhuǎn)化為耕地或建設(shè)用地，從而使植被覆蓋度降低。而隨著海拔的逐漸增加，人類活動(dòng)干擾降低，植被覆蓋度會(huì)逐漸增加到一個(gè)峰值，而后，隨著海拔的進(jìn)一步升高，地勢(shì)變陡，水熱條件相對(duì)較差，因此植被覆蓋度又會(huì)逐漸降低。

2.2.2 植被覆蓋度隨坡度變化規(guī)律 研究將坡度分為5個(gè)等級(jí)，將6°作為緩坡和斜坡的分界線，通過ARCGIS軟件對(duì)其各等級(jí)植被覆蓋度情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。在坡度小于2°時(shí)，各等級(jí)植被覆蓋度差異不大，植被覆蓋等級(jí)以裸地、低植被覆蓋度為主，隨著時(shí)間的變化，裸地和低植被覆蓋度所占面積比例增加;當(dāng)坡度在2°～6°時(shí)，各等級(jí)植被覆蓋度同樣差異不大，隨著時(shí)間的變化，各等級(jí)植被覆蓋度同樣變化不大;當(dāng)坡度大于6°，各級(jí)坡度范圍內(nèi)植被覆蓋度以高植被覆蓋度為主，隨著坡度的增加，高植被覆蓋度所占面積增加，坡度范圍達(dá)到15°～25°時(shí)，變化最為劇烈。分析其原因，由于廣西紅水河流域?qū)儆跐駸釒r溶山區(qū)，平地較少，大部分坡度平緩區(qū)域受人類活動(dòng)影響致使大面積林、灌地被開墾為耕地，因此當(dāng)坡度小于6°時(shí)，各級(jí)坡度數(shù)據(jù)顯示其以裸地和低植被覆蓋度為主，但隨著時(shí)間的推移，退耕還林和封山育林政策的逐漸落實(shí)，植被覆蓋度均有所提高;當(dāng)坡度大于6°之后，人類活動(dòng)對(duì)其影響逐漸降低，隨著坡度的增加植被覆蓋度越來越高，回歸正常趨勢(shì)。

2.2.3 植被覆蓋度隨地形起伏度變化規(guī)律 地形起伏度是描述某一區(qū)域地貌地形變化的指標(biāo)之一，其數(shù)值的大小在一定程度上可以反映該地區(qū)的地貌形態(tài)。將研究區(qū)地形起伏度分為5級(jí)，統(tǒng)計(jì)各等級(jí)植被覆蓋度變化情況，結(jié)果如圖6所示。整體而言，在各等級(jí)中高植被覆蓋度所占面積始終占較大比例，地形起伏超過0.25后，高植被覆蓋度成為主體，其他各級(jí)植被覆蓋度所占面積比例逐漸減小。2005～2015年，隨著時(shí)間的變化，高植被覆蓋度所占面積有所下降，但高植被覆蓋度仍然是主體，其面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他植被覆蓋度等級(jí)所占面積。分析其原因，廣西紅水河流域以巖溶地貌為主，峰叢峰林豐富，平地較少，從而導(dǎo)致高植被覆蓋度在各級(jí)地形起伏度所占面積較大，并隨著地形起伏度的增加，植被覆蓋度也逐漸增加，而在地形起伏度較小地區(qū)，地勢(shì)平坦，大多為人類活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域，因此植被覆蓋度較低，高植被覆蓋度所占面積比例雖然不小，但裸地和低植被覆蓋度區(qū)域之和的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高植被度蓋度區(qū)域。

3 結(jié) 論

在廣西紅水河流域中，高程、坡度、地形起伏度和植被覆蓋度之間，并不是單一的正比關(guān)系，各級(jí)植被覆蓋度與地形因子的變化也并非是單一的變化趨勢(shì)，期間往往都會(huì)有一個(gè)臨界點(diǎn)。如高程與植被覆蓋度的關(guān)系，高植被覆蓋度在海拔500～750 m的區(qū)間達(dá)到最大值;坡度與植被覆蓋度關(guān)系中，當(dāng)坡度大于6°，高植被覆蓋度快速增加，變化趨勢(shì)顯著，而后變緩慢;而在地形起伏度與植被覆蓋度關(guān)系中，臨界值為0.25，當(dāng)?shù)匦纹鸱刃∮?.25時(shí)，各等級(jí)植被覆蓋度占比差異不大，但當(dāng)?shù)匦纹鸱却笥?.25，高植被覆蓋度成為主體，其他各級(jí)植被覆蓋度所占面積比例逐漸減小。

不同植被覆蓋度下各地形因子的作用程度各不相同。同時(shí)，研究區(qū)各地形因子對(duì)植被覆蓋度的影響并不是獨(dú)立的，各地形因子之間還存在著相互聯(lián)系和相互制約，它們對(duì)植被覆蓋度的影響是一個(gè)復(fù)雜的綜合過程。

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