湖北竹山縣植被覆蓋度與地形因子的空間關(guān)系分析

韋海航　周春國　鄭芊卉　莊家堯

摘要：以湖北省竹山縣為研究區(qū)，運用RS和GIS技術(shù)，并借助空間疊加分析，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度分別隨不同地形因子變化的分布特征及相關(guān)性。研究結(jié)果表明：①研究區(qū)植被覆蓋度整體情況良好，以高覆蓋度為主，占比為80.45%。②植被覆蓋度隨高程的升高呈增加趨勢，在高程大于2000m時達到最大值，其值為91.99%;植被覆蓋度隨坡度增大呈先增大后減少趨勢，在35°～45°坡度帶達最大值;在坡向上，陰坡植被覆蓋度整體稍高于陽坡。③不同植被覆蓋度與各地形因子級的相關(guān)性強度不同，對于各級植被覆蓋度，坡度和坡向?qū)ζ溆绊懨黠@高于高程，植被覆蓋度越高，坡度和坡向兩者對其影響越明顯;高程與各級植被覆蓋度的相關(guān)性無明顯的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋度;地形因子;相關(guān)性;竹山縣;湖北省

中圖法分類號：P642

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.014

植物是連接水分、大氣與土壤內(nèi)循環(huán)的重要樞紐，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球環(huán)境變化與生物地球化學(xué)循環(huán)過程中起主導(dǎo)作用。植被的形成和變化與其所在地理環(huán)境密切相關(guān)。植被覆蓋度是綜合衡量地表植被覆蓋狀況的重要量化指標之一，研究它在各地形，上的分布特征及相關(guān)性成為了揭示植被與地形之間關(guān)系的重要途徑。隨著科學(xué)技術(shù)進步，遙感和GIS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于植被監(jiān)測中。張詩羽等在GIS和RS技術(shù)支持下，對岷江上游流域植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性進行分析;王鵬程等基于森林植被GIS數(shù)據(jù)庫，對三峽庫區(qū)森林植被分布的地形分異特征進行分析;王毅等利用RS和GIS技術(shù)，借助空間疊加分析，分析了研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度分別隨地形因子變化的規(guī)律。

竹山縣作為我國南水北調(diào)中線重要水源區(qū)，將是生態(tài)建設(shè)的主戰(zhàn)場，為了盡快實現(xiàn)全縣“生態(tài)文化大縣”和確保“一江清水送北京”的目標，全面了解竹山縣植被狀況及其與地形因子間的關(guān)系，對該區(qū)域資源配置有著重要的意義，有助于擴大全縣森林植被覆蓋，進一步充分發(fā)揮森林的生態(tài)效益，同時保證南水北調(diào)中線工程的效益。本文以Landsat OLT遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于像元二分模型，利用ENVI5.1和Arc-GIS10.2軟件，將研究區(qū)植被覆蓋和各地形因子進行疊加分析，研究區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度的空間分布特征，并利用統(tǒng)計學(xué)原理對不同植被覆蓋度與各地形因子級進行相關(guān)性分析，綜合得出影響該地區(qū)的主要地形因子，為研究區(qū)生態(tài)修復(fù)和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

竹山縣隸屬湖北省十堰市，地跨東經(jīng)109°32'～110*25'、北緯31°30'～32°37'之間。全縣土地總面積3587.8km2，山地占土地總面積80%以上。境內(nèi)海拔最高為2635m，最低220m，高差達2415m。屬北亞熱帶濕潤氣候，境內(nèi)四季分明，雨熱同季，無霜期長，空氣比較濕潤，光合潛力大。年平均氣溫15.5C，年平均降水量836.2mm，眾多河流匯于境內(nèi)最大支流一堵河，組成樹枝狀水系，堵河年徑流總量為66億m'，水能蘊藏量為116.2萬kW。森林資源豐富，森林植被呈較為明顯的區(qū)域性和垂直性分布特點，主要以高馬尾松、杉木、櫟類混交林等為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

通過地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載得到2017年9月27日遙感影像數(shù)據(jù)2景和DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率均為30mx30m，遙感影像成像時間在9月份，圖像質(zhì)量良好且已經(jīng)做過輻射定標及大氣校正等預(yù)處理，能夠充分代表研究區(qū)植被覆蓋的一般情況，通過ENVI5.1將2景遙感影像進行無縫鑲嵌，并利用行政邊界剪裁得到研究區(qū)遙感圖像。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度的提取

歸一化植被指數(shù)是用于反映植被生長狀況的重要指標，同時也是計算植被覆蓋度的重要參數(shù)。NDVI的計算公式為

公式

式中，NIR和R分別對應(yīng)Landsat-8OLT影像中的第五波段和第四波段，即近紅外波段和可見光紅光波段。

在計算得到NDVI的基礎(chǔ).上，通過像元二分模型把NDVI轉(zhuǎn)化成植被覆蓋度Fc8]，計算公式如下：

公式

式中，NDVi和NDVIeg分別指研究區(qū)無植被覆蓋區(qū)和完全植被覆蓋區(qū)像元的NDVI值。不同區(qū)域、不同影像的NDVIoi和NDVIg是存在一定差異的9，兩者的取值直接影響植被覆蓋度估測的結(jié)果，在無真實可靠的數(shù)據(jù)情況下，通常分別取置信區(qū)間內(nèi)的最小值和最大值代入。本次研究根據(jù)研究區(qū)的基本情況，選取累計頻率為5%的NDVI值為NDV.，累計頻率為95%的NDVI值為NDVIveg，通過公式（2）計算得到研究區(qū)植被覆蓋情況。

根據(jù)國家水利部《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007）[1]，結(jié)合研究區(qū)植被覆蓋的實際情況，本文將研究區(qū)植被覆蓋度分為6個等級，如表1所示。

1.3.2 植被覆蓋度空間分布特征

運用ArcGIS10.2軟件，以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別提取研究區(qū)坡度、坡向圖，并根據(jù)研究區(qū)實際情況，對研究區(qū)高程、坡度、坡向劃分等級并制成專題圖，然后將植被覆蓋圖與各地形因子進行疊加分析，統(tǒng)計各地形因子級上的植被覆蓋度所占面積比，從而分析不同空間角度植被覆蓋度變化情況。根據(jù)研究區(qū)地形地貌的實際情況和相關(guān)資料，本次研究各地形因子分級情況如下。

（1） 高程。研究區(qū)高程范圍為220～2830m，本次研究將高程分為5類：<500m，500～1000m，1000～1500m，1500～2000m，>2000m。

（2） 坡度。研究區(qū)的坡度范圍為0°～86°，本次研究將坡度分為6個等級，按照<8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，35°～45°，>45o進行分級。

（3） 坡向。將坡向按照-1。（平地），0°～22.5°和337.5°～360°（北坡），22.5°～67.5°（東北坡），67.5°～112.5°（東坡），112.5°～157.5°（東南坡），157.5°～202.5°（南坡），202.5°～247.50（西南坡），247.5°～292.5°（西坡），292.5°～337.5°（西北坡）分為9個坡向帶，通常將北坡、東北坡、西北坡、西坡統(tǒng)稱為陰坡，將南坡、西南坡、東坡、東南坡統(tǒng)稱為陽坡。

1.3.3 分布指數(shù)

為了更全面了解不同地形條件上植被覆蓋的空間狀況，消除不同地形因子面積分布差異造成的影響，研究引入分布指數(shù)來說明植被覆蓋在不同地形條件的分布情況，其公式為

公式

式中，P為植被在第e種地形位下的分布，Si為研究區(qū)在第e種地形上植被覆蓋的總面積，S;為研究區(qū)植被總覆蓋的總面積，S。為研究區(qū)內(nèi)第e種地形的總面積，S為研究區(qū)的土地面積。當(dāng)P>1時，表示植被覆蓋度在某地形位，上的比重大于研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度的比重，說明植被覆蓋度在該類地形位上出現(xiàn)的頻率較高，即該地形位是植被覆蓋空間分布的優(yōu)勢地形位，P值越大，優(yōu)勢程度越明顯。

1.3.4 植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性

通過研究區(qū)二類調(diào)查數(shù)據(jù)得到的研究區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界，將研究區(qū)按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分并構(gòu)建統(tǒng)計樣本，以研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)不同植被覆蓋度面積比和各級地形因子面積比為變量，生成列表，通過SPSS21.0軟件進行斯皮曼等級相關(guān)性分析，分析研究區(qū)植被覆蓋度與各地形因子級的相關(guān)性強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度及各地形因子的空間分布由表2和圖1可知。

（1） 研究區(qū)植被覆蓋度以VI級為主，其平均植被覆蓋度大于90%，占研究區(qū)總面積的80.45%，主要分布在研究區(qū)的北部和東南部;I和II級植被覆蓋度區(qū)僅占研究區(qū)的2.80%和1.41%，說明研究區(qū)植被覆蓋度整體良好。

（2） 高程方面，研究區(qū)大部分高程在500～2000m之間，占比高達89.76%，其中高程在1000～1500m的區(qū)域所占面積最大，占比為39.29%。

（3） 坡度方面，研究區(qū)屬于山區(qū)縣，具有“八山一水一分田”的特點，坡度大于15°的區(qū)域占地面積較大，高達88.21%，其中大于25°的區(qū)域就占有67.33%;坡度小于15°的區(qū)域面積僅占11.79%，說明研究區(qū)進行生態(tài)修復(fù)、恢復(fù)時，坡度是需要考慮及克服的主要因素之一。

（4） 坡向方面，研究區(qū)各坡向所占面積大小較均衡，東坡、東南坡和西坡面積較大。

綜上可知，研究區(qū)地形地貌在垂直方向.上以中低地形等級為主，水平方向上以中，上變化率的地形等級為主，研究區(qū)地形總體變化較大，即研究地形因子與植被覆蓋度的關(guān)系具有一定意義。

2.2 植被覆蓋度隨高程變化特征

據(jù)悉，區(qū)域海拔每升高100m，年平均氣溫下降0.559C，降雨量和相對濕度隨之增加，使得區(qū)域水熱分布具有一定的水平差異。由圖2可知，研究區(qū)平均植被覆蓋度隨著高程的升高呈增加趨勢，高程大于500m的區(qū)域平均植被覆蓋度均大于65%，在高程大于2000m時平均植被覆蓋度達到最大值，其值為91.99%;I～級植被覆蓋度區(qū)域均隨高程的升高而逐漸減少，三者均在高程小于500m占比達最大值，分別為31.79%，6.94%和7.58%;IV級和V級的植被覆蓋度區(qū)域隨高程的增加呈先增加后減少趨勢，兩者均在500～1000m面積達到最大;VI級的植被覆蓋度區(qū)域隨高程的增加而增加，在高程大于1000m區(qū)域占比均大于80%。

由表3可知，I級植被覆蓋度區(qū)域主要分布在1，2級高程上，占比為97.3%;II～V級植被覆蓋度區(qū)域主要分布在2，3級高程上，占比分別為90.5%，91.8%和93.0%;VI級植被覆蓋區(qū)域主要分布在2～4級高程上，占比為89.1%。

2.3 植被覆蓋度隨坡度變化特征

坡度表示局部地表的傾斜程度，直接影響地表物質(zhì)能量的交流轉(zhuǎn)化方式與程度，不僅能改變土壤的基本屬性，而且在很大程度上能影響地表植被的分布態(tài)勢。由圖3可知，研究區(qū)平均植被覆蓋度隨著坡度增大呈先增大后減少趨勢，各級坡度的平均覆蓋度均大于60.0%，在35°～45°坡度帶達最大值。I～V級植被覆蓋度區(qū)域隨坡度增大各占比逐漸減少，坡度0°～8°之間區(qū)域占比均最大，其值分別為8.29%，8.69%，12.22%，13.55%及14.20%。VI級的植被覆蓋度區(qū)域隨坡度的增加而增加，坡度大于35°區(qū)域內(nèi)各級植被覆蓋度占比均大于80%。由表4可知，I級和I級植被覆蓋度區(qū)域主要分布在坡度1～4級上，占比分別為77.5%，90.6%;II級主要分布在1～3級坡度上;IV～V級植被覆蓋度區(qū)域主要分布在坡度的2～4級上，占比分別為76.5%，73.6%;VI級植被覆蓋區(qū)域主要分布在3～6級坡度上，占比為92.4%。

2.4 植被覆蓋度隨坡向變化特征

坡向表示了每個柵格高程值變化量的改變方向，不同坡向所接受的太陽輻射量和土壤水分量存在一定的差別，進而植被的分布特征不同。由圖4可知，I～V級的植被覆蓋區(qū)域在平坡上占比最大，各級植被覆蓋度在其他坡向走勢相對平穩(wěn)，VI級植被覆蓋度除了平坡，在其他坡向的占比均大于75%，其中在北坡達到最大值，其值為84.2%;各個坡向的平均植被覆蓋度區(qū)域大小依次是：北坡>東南坡>西北坡>南坡>西南坡>西坡>東北坡>東坡>平坡，總體來看，研究區(qū)陰坡植被覆蓋度整體稍高于陽坡。

由表5可知，I級植被覆蓋區(qū)域除了平坡和西北坡，在其他坡向總占比90.3%;II～IV級除了平坡、北坡和西北坡，在其他坡向的總占比分別為84.5%，84.0%和81.3%;V和VI級植被覆蓋區(qū)域除了平坡，在其他坡向的占比較為均衡。

2.5 植被覆蓋度在各地形因子.上的分布優(yōu)勢

分布指數(shù)曲線能夠在一定程度上反映出植被覆蓋在地形地位分級梯度，上的分布情況，曲線彎曲程度反映植被覆蓋的分布在某種地形地位，上出現(xiàn)的頻率大小，從量化的角度來揭示研究區(qū)植被覆蓋度與地形因子的的空間定量關(guān)系。圖5可知，①高程上，分布指數(shù)隨著高程的增大先急速增加后平緩增加，在高程小于500m時，植被出現(xiàn)頻率最小，其值為0.69，在高程為500～1000m時，分布指數(shù)的數(shù)值急速增加到了0.97，而后分布指數(shù)隨著高程緩慢增加，在高程大于2000m時達到最大值，其值為1.02，植被出現(xiàn)頻率最高。②坡度上，分布指數(shù)曲線隨坡度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在坡度小于25°時，分布指數(shù)隨坡度增加急速增加，但數(shù)值仍比較小，主要原因是：研究區(qū)坡度小于25°的區(qū)域主要是耕地和建筑用地，在坡度大于25°時，分布指數(shù)均大于1，植被出現(xiàn)頻率較高，坡度大于45°時，分布指數(shù)開始緩慢減少。③坡向上，研究區(qū)域以縣域為尺度，范圍較小，各坡向的水熱相差比較小，但研究區(qū)域?qū)嵭型烁€林政策和天然林保護工程等人為干預(yù)活動，分布指數(shù)曲線波動較大。東南坡、西坡和西北坡的植被分布指數(shù)均大于1，其中東南坡分布指數(shù)最大，其值為1.01，除去條件較相同的平坡外，東北坡的分布指數(shù)最低，其值為0.99。綜上所述，各地形因子的分布規(guī)律與前面分析結(jié)果基本吻合。

2.6 植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性分析

由表6可知，植被覆蓋度各等級與地形因子地位的相關(guān)性強度有較大區(qū)別，其中中覆蓋度及以上與大多數(shù)地形因子級都存在極強的相關(guān)性。I級植被覆蓋度與高程相關(guān)性高于坡度和坡向，它與高程在1000m以下的區(qū)域存在極顯著相關(guān)性，與大于2000m的高程存在負相關(guān)。主要是因為I級植被覆蓋度區(qū)域大多數(shù)都是建筑用地或高海拔地區(qū)，生活各方面都會受氣候、交通等因素的限制。II級植被覆蓋度與高程500～1000m和坡度小于25°的區(qū)域存在極顯著的相關(guān)性，與其他地形等級因子的相關(guān)性較低，主要是因為該級區(qū)域主要是耕地，對地形因子和水熱條件要求較高。I級植被覆蓋度與坡度和坡向的相關(guān)性大于與高程的相關(guān)性;IV～VI級的植被覆蓋度與大多數(shù)的地形等級因子都存在極顯著的相關(guān)性，IV和V級植被覆蓋度與高程大于1500m、坡度大于35°的因子存在較低的相關(guān)性，VI級植被覆蓋度除了與高程小于1000m地形存在較低的相關(guān)性外，與其他地形等級因子均有極強的相關(guān)性。

3 討論

（1） 在高程上，高程小于500m的區(qū)域，地勢相對平緩，水熱各方面均較為優(yōu)越，大部分為建筑用地，經(jīng)濟發(fā)展和人類活動使林地被破壞，造成植被覆蓋度極低。隨著高程的升高，人類活動干預(yù)減少，植被覆蓋度慢慢增加，高程在500～1000m時，高程與植被覆蓋等級存在顯著相關(guān)性，說明該高程地形環(huán)境很適合植被生長;在高程大于2000m的區(qū)域，高植被覆蓋度與高程存在極顯著相關(guān)性，其分布指數(shù)數(shù)值也達最大，說明該高程為優(yōu)勢地形位，而該高程與其他植被覆蓋度分級相關(guān)性極低，甚至出現(xiàn)負相關(guān)性。在今后生態(tài)修復(fù)工作中，不僅要注重中低海拔的植被恢復(fù)，更應(yīng)該重視高海拔的植被撫育。

（2） 在坡度上，研究區(qū)的平均植被覆蓋度隨著坡度的增大呈先增大后減少的趨勢。其中，隨著坡度增大，中高及以下的植被覆蓋度面積占比逐漸減少，主要分布在坡度小于25°的區(qū)域，原因是研究區(qū)是典型的山區(qū)，經(jīng)濟較為落后，種植業(yè)成為了該縣脫貧致富的途徑，所以坡度小于25°的區(qū)域大多數(shù)都被發(fā)展成農(nóng)業(yè)用地，人為干預(yù)較大且生產(chǎn)方式不合理，導(dǎo)致植被覆蓋度較低。研究區(qū)平均植被覆蓋度在坡度為35°～45°時達到最大值。坡度大于45°，平均植被覆蓋度略微減少，原因是一般坡度越大的區(qū)域，平均降雨量和積溫會越少，土壤保水性變差，植被長勢情況也變差。

（3） 在坡向上，植被覆蓋度在各個坡向上分布波動起伏較大。由于研究尺度較小，各坡向水熱條件相差不大，因此坡向?qū)χ脖桓采w度主要體現(xiàn)在人類活動上。北坡、西北坡和西坡植被覆蓋度較高，其次是南坡和東北坡，平坡和東坡的高植被覆蓋度較低，總體來說，陰坡植被覆蓋度整體稍高于陽坡。雖然陽坡受太陽輻射整體高于陰坡，水熱條件較好，適合植物生長，但研究區(qū)陽坡地勢平緩，大多村落都聚集于此，人類活動相對劇烈，致使生態(tài)環(huán)境變得脆弱，植被覆蓋偏低。

4 結(jié)論

（1） 自實施退耕還林工程和天然林保護工程以來，研究區(qū)植被覆蓋度總體恢復(fù)良好，無植被覆蓋的裸地面積僅占2.8%，II～IV級植被覆蓋度占8.62%，中高級以上植被覆蓋度占比為88.58%。

（2） 植被覆蓋度隨著高程的增長呈升高的趨勢，在高程大于2000m時平均植被覆蓋度達到最大值，其值為91.99%;植被覆蓋度隨著坡度增大呈先增大后減少趨勢，在35°～45°坡度帶達最大值;植被覆蓋度在坡向上，表現(xiàn)為陰坡植被覆蓋度整體稍高于陽坡。

（3） 各級植被覆蓋度與地形因子級的相關(guān)性強度有較大區(qū)別。對于各級植被覆蓋度，坡度和坡向?qū)λ挠绊懨黠@高于高程，隨著植被覆蓋的增大，兩者對植被覆蓋度的影響越來越明顯，高程與各級植被覆蓋度的相關(guān)性無明顯的規(guī)律。

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引用本文：韋海航，周春國，鄭芊卉，莊家堯.湖北竹山縣植被覆蓋度與地形因子的空間關(guān)系分析[J].人民長江，2019，50（3）：78-83.

Analysis on spatial relationship between vegetation coverage and topographic factors in Zhushan county，Hubei Province

WEI Haihang，ZHOU Chunguo，ZHENG Qianhui，ZHUANG Jiayao

（Forestry School，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

Abstract：Taking Zhushan county，Hubei Province as the research area，the distribution characteristics and correlation of vegetation coverage with different topographic factors were studied by using RS and GIS technology and spatial superposition analysis.The research results showed that the overall vegetation coverage of the study area was good，dominated by high coverage，account-ing for 80. 45%. The vegetation coverage increased with the elevation and reached the maximum value of 91. 99% when the elevation was greater than 2000 m. The vegetation cover increased first and then decreased with the increase of slope and reached the maximum value when slope was 35。to45 °. For aspect，the overall vegetation coverage of ubac was slightly higher than thatof adret. The correlations between different vegetation coverage and different topographic factors were different. The influences of slope and aspect on vegetation coverage of all levels were significantly higher than that of elevation. There was no obvious correlation between elevation and vegetation coverage of all levels.

Key words：vegetation coverage degree;topographic factors;correlation;Zhushan County;Hubei Province