福州市植被覆蓋度時空特征及與地形因子的關系

田 地，劉 政，胡亞林

（福建農林大學 林學院，福建 福州350002）

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，受地形、氣候、土壤等多種環(huán)境因子的制約［1-3］，同時，植被也是連接大氣、土壤和水分的 “紐帶”，具有減少雨滴激濺，減緩地表徑流，提高土壤保土固土功能，是控制土壤侵蝕與水土流失的重要因子。植被覆蓋度是指單位面積內植被地上部分（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積百分比［4-5］，是地表植被生長趨勢的重要參量，也是區(qū)域生態(tài)退化監(jiān)測最重要、最敏感的指標。獲取地表植被覆蓋度及其變化信息，對揭示地表植被時空變化規(guī)律，探討植被覆蓋變化的驅動因子，評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。植被變化與地理環(huán)境和人類活動密切相關，其中地形因子對植被生長具有重要影響。研究表明：岷江上游流域低植被覆蓋度區(qū)域受坡度影響顯著，而極高植被覆蓋度區(qū)域受高程影響顯著［6］；汶川地震災區(qū)，植被覆蓋度受坡度和高程影響較大，受坡向影響較弱［7］；赤水河流域，坡度和坡向對植被覆蓋的影響都明顯高于高程［3］；王毅等［8］研究發(fā)現(xiàn)：貴州省普定縣喀斯特地貌區(qū)植被覆蓋度的分布與地形因子的空間關系具有不確定性，地形因素主要通過影響人類活動間接影響植被覆蓋度?？梢?，地形因子對植被覆蓋度變化的影響具有復雜性，不同地區(qū)影響植被覆蓋度的關鍵地形因子不同。福建省福州市為東南沿海重要的經濟中心，隨著福州市經濟的快速發(fā)展，其生態(tài)環(huán)境也經歷了一個漫長而曲折的過程，城市生態(tài)環(huán)境及植被覆蓋情況亟待提高。近年來，關于福州市植被覆蓋度時空特征的研究頗多。例如，馬雪瑩［9］研究發(fā)現(xiàn)：福州市1994-2015年植被呈恢復趨勢，但各轄區(qū)植被恢復速度差異較大。然而，李晶［10］表明：福州市1989-2014年植被呈退化趨勢，且地表溫度是植被覆蓋度的重要影響因素。目前，針對福州市植被覆蓋度時空變化特征與高程、坡度、坡向等地形因子關系的研究未見報道。因此，本研究以福州市的Landsat TM/OLI遙感影像為基礎，采用改進的像元二分模型，探究福州市植被覆蓋度時空變化特征，并分析植被覆蓋度與地形因子的定量關系，以期為福州市城市植被恢復和生態(tài)環(huán)境建設提供依據。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福州市為福建省省會，位于福建省東部，閩江下游及沿海地區(qū)。福州地形屬典型的河口盆地，福州市區(qū)位于盆地中央，四周被群山環(huán)繞，地勢自西向東傾斜。福州地區(qū)跨中亞熱帶和南亞熱帶，氣候類型為亞熱帶海洋性季風氣候，年均氣溫為19.6℃，年均降水量為1343.7 mm。本研究區(qū)為福州市5區(qū)，涵蓋鼓樓區(qū)、 臺江區(qū)、 倉山區(qū)、 晉安區(qū)和馬尾區(qū)， 不包含長樂區(qū)， 范圍 25°56′～26°25′N， 119°10′～119°40′E， 區(qū)域面積 1043 km2。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 植被覆蓋度遙感數據 本研究所采用的遙感數據為Landsat 5 TM以及Landsat 8 OLI影像，原始影像數據源自地理空間數據云（http://www.gscloud.cn），影像軌道號均為119/042，空間分辨率為30 m。遙感影像的選擇有2個方面要求：首先，云含量多少極易影響提取結果的精確度，應選取云含量較低的遙感影像反演植被覆蓋度；其次，為減弱因植被的生長發(fā)育所引起的誤差，精確地提取植被覆蓋度，遙感影像需選取植被發(fā)育情況相近的時間段。因此，本研究所選取的福州市1995-2015年遙感影像均為秋季（9-11月）且云量低于5%的遙感影像。遙感數據投影方式均轉換為基于WGS-84坐標系的通用橫軸墨卡托投影，并進行幾何校正、輻射定標和大氣校正等預處理；然后，采用相同投影的矢量邊界數據裁剪得到研究區(qū)域的遙感影像數據。遙感數據源信息如表1。

1.2.2 地形數據 地形因子包括高程、坡度和坡向，30 m地面分辨率ASTER GDEM V2高程數據源自地理空間數據云（http://www.gscloud.cn），坡度及坡向數據主要基于數字高程模型（DEM）數據通過Arc GIS 10.2軟件3D Analyst模塊Aspect及Slope工具生成。

表1 1995-2016年福州市植被覆蓋度反演遙感數據源Table 1 Data sources of remote sensing for inversion of fractional vegetation coverage in Fuzhou City from 1995 to 2016

1.3 研究方法

1.3.1 基于像元二分模型的植被覆蓋度計算 福州市植被覆蓋度采用改進的像元二分模型來估算，其公式為［11-13］：

式（1）中：Fc為植被覆蓋度；INDV為任意像元的歸一化植被指數；INDVsoil為純裸地的植被指數；INDVveg為純植被覆蓋的植被指數。 歸一化植被指數INDV通過式（2）計算［14-16］：

式（2）中：ρNIR為近紅外波段的反射率；ρR為紅光波段的反射率。

根據影像的INDV值序列，采用5%和95%置信度截取INDV的上下閾值，在置信區(qū)間內取最大值和最小值分別代替INDVveg和INDVsoil。利用ENVI 5.3軟件估算福州市6期植被覆蓋度，并依據SL190-2008《土壤侵蝕分類分級標準》［17］，利用Arc GIS 10.2軟件柵格重分類工具將研究區(qū)植被覆蓋度分為5個等級：Ⅰ級為裸地，Ⅱ級為低覆蓋度，Ⅲ級為中覆蓋度，Ⅳ級為高覆蓋度，Ⅴ級為極高覆蓋度。依據研究區(qū)植被覆蓋度總值與像元總數進行計算植被覆蓋度均值：

式（3）中：n為像元總數；Fcm為第m個像元的植被覆蓋度；為植被覆蓋度均值。

1.3.2 基于差值法的植被覆蓋度動態(tài)特征及植被恢復等級提取 通過對2期植被覆蓋度柵格圖像數據進行逐像元做差值運算，并將結果進行標準化分級，來衡量植被動態(tài)變化的趨勢、大小及空間特征。其計算公式［18］：

式（4）中：ΔFc為2期柵格圖像數據的差值；Fca和Fcb為第a期和第b期柵格圖像數據。基于1995和2015年的植被覆蓋度柵格影像做差值運算，分析植被衰退恢復演變特征，并將植被覆蓋度分成7個衰退恢復等級：嚴重退化（-100%，-30%］、中度退化（-30%，-15%］、輕微退化（-15%，-5%］、穩(wěn)定（-5%，5%］、輕微改善（5%，15%］、中度改善（15%，30%］、極度改善（30%，100%］。

1.3.3 地形因子與植被覆蓋度關系 利用Arc GIS 10.2軟件將6期植被覆蓋度圖轉為點數據，將地形因子柵格數據提取至植被覆蓋度點數據，獲得各高程梯度、坡度梯度及坡向植被覆蓋度均值，最后利用Excel 2016軟件獲得植被覆蓋度受地形因子影響的動態(tài)變化特征曲線。

2 結果與分析

2.1 福州市植被覆蓋度時空變化特征

1995-2015年，福州市植被覆蓋度均值由57.93%增加至66.44%。1995-2002和2013-2015年，福州市植被覆蓋度增速較快，平均每年提高0.88%和1.13%。然而，2010-2013年福州市植被覆蓋度呈下降趨勢，降低了-0.19%。福州市植被以極高覆蓋度植被為主，面積565 km2，約占整個福州市面積的54.18%，其余各等級覆蓋度植被面積差異不大（表2）。裸地（Ⅰ級）和低覆蓋度（Ⅱ級）植被集中分布在閩江、烏龍江沿岸以及鼓樓區(qū)、臺江區(qū)等人口聚居區(qū)，高覆蓋度（Ⅳ級）和極高覆蓋度（Ⅴ級）植被則主要分布在北部和東部低山丘陵區(qū)域。

表2 1995-2015年福州市植被覆蓋度的等級分類及各等級覆蓋度植被的面積Table 2 Classification of fractional vegetation coverage in Fuzhou City from 1995 to 2015 and area of fractional vegetation coverage

1995-2015年，福州市各時期不同等級植被覆蓋度面積變化規(guī)律存在差異性（圖1，表3）。Ⅰ級覆蓋度植被面積呈波浪式增加，但1995-2002和2008-2010年表現(xiàn)為衰減特征。Ⅱ級和Ⅲ級覆蓋度植被面積呈衰減特征，但2008-2013年出現(xiàn)增加趨勢。Ⅳ級覆蓋度植被面積呈持續(xù)衰減趨勢，衰減幅度最大。雖然，2008-2013年Ⅴ級覆蓋度植被面積表現(xiàn)出小幅度衰減，但1995-2008和2013-2015年均為大幅增加。整體而言，1995和2015年比較發(fā)現(xiàn)，福州市Ⅰ級和Ⅴ級覆蓋度植被面積增加，分別增加13.33和194.86 km2，而Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級覆蓋度植被面積分別減少12.38、59.09、136.71 km2。

圖1 1995-2015年福州市各時期不同等級植被覆蓋度空間分布示意圖Figure 1 Characteristics of fractional vegetation coverage at different levels in the period from 1995 to 2015 in Fuzhou City

表3 1995-2015年福州市各時期不同等級植被覆蓋度面積的年變化量Table 3 Annual change of different fractional vegetation coverage during the different period from 1995 to 2015 in Fuzhou City

2.2 福州市植被衰退與恢復特征

將1995與2015年植被覆蓋度柵格數據利用差值法作差值運算，獲得福州市區(qū)植被覆蓋度衰退與恢復的面積信息，并根據植被覆蓋度變化量，將植被覆蓋度變化分為嚴重、中度和輕微退化、穩(wěn)定、輕微、中度和極度改善7個等級（表4）。

福州市植被主要以改善為主，輕微改善、中度改善、極度改善面積占比分別為22.18%、18.93%和14.63%，整個研究區(qū)域改善區(qū)域面積為581 km2，約占福州市面積的55.73%（圖2，表4）。1995-2015年，福州市有些區(qū)域的植被覆蓋度呈衰退趨勢，面積為177 km2，約占研究區(qū)總面積的16.98%。從空間分布而言，福州市植被覆蓋度改善區(qū)域主要位于北部和中部低山丘陵區(qū)域，而退化區(qū)域多分布于南部的閩江及烏龍江沿岸區(qū)域。

表4 1995-2015年福州市植被衰退與恢復面積及其占比Table 4 Vegetation decline and recovery area and its proportion in Fuzhou City from 1995 to 2015

圖2 1995-2015年福州市植被覆蓋度退化與改善空間分布示意圖Figure 2 Change of fractional vegetation coverage from 1995 to 2015 in Fuzhou City

2.3 地形因子與植被覆蓋度時空動態(tài)的關系

本研究依據研究區(qū)高程，以100 m為間隔將高程劃分為7個梯度。依據GB/T 15772-2008《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》［19］和水土流失調查中采用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法，將坡度分為平坡（0°～5°）、 緩坡（5°～8°）、 斜坡（8°～15°）、 陡坡（15°～25°）、 急坡（25°～35°）和險坡（＞35°）6 個等級［20］。 考慮到坡向對植被長勢的影響， 將研究區(qū)劃分為平地（0°）， 陰坡（0°～67.5°， 337.5°～360.0°）， 半陰坡（67.5°～112.5°， 292.5°～337.5°）， 半陽坡（112.5°～157.5°， 247.5°～292.5°）， 陽坡（157.5°～247.5°）5種坡向類型［20］。福州市地形因子空間分布如圖3。

不同地形條件下植被覆蓋度存在顯著差異。隨著高程值增加，植被覆蓋度呈逐漸增加趨勢（圖4A）；隨著坡度增加，植被覆蓋度均值呈逐步增加后微弱衰減趨勢（圖4B）；坡向對植被覆蓋度影響較小，除平地植被覆蓋度僅為9.12%，其余坡向內植被覆蓋度基本一致（圖4C）。

1995-2015年，不同地形條件下植被覆蓋度時間變化規(guī)律亦存在差異。在第1高程（＜300 m）地區(qū)，地表植被覆蓋度由39.14%提高至45.88%，增長幅度為6.74%；第2～6高程（300～800 m）地區(qū)，地表植被覆蓋度分別提高11.47%、11.20%、9.83%、10.15%和9.12%；第7高程（＞800 m）地區(qū)地表植被覆蓋度增加最快，增幅達13.71%（圖5A）。從1995到2015年，平坡區(qū)域，植被覆蓋度僅增加2.09%，而緩坡、斜坡、陡坡、急坡和險坡地表植被覆蓋度分別提高11.17%、12.30%、12.97%、13.93%和14.29%（圖5B）。1995-2015年，陰坡地表植被覆蓋度增加幅度最小（7.61%），半陽坡地表植被覆蓋度增加幅度最大（9.52%），陽坡和半陰坡地表植被覆蓋度增加幅度分別為8.91%和8.97%（圖5C）。

3 討論與結論

福州市植被覆蓋度整體情況較好，植被以高和極高覆蓋度植被（即Fc＞50%）為主，占研究區(qū)總面積的66.85%。針對不同等級覆蓋度植被的面積動態(tài)變化分析發(fā)現(xiàn)：1995-2015年，極高覆蓋度植被面積增幅最大，裸地面積變化微弱，低覆蓋度植被衰減幅度較小，而中覆蓋度和高覆蓋度植被面積衰減幅度較大。從研究區(qū)植被空間分布來看，高和極高植被覆蓋度植被主要分布在研究區(qū)東部和北部，中、低植被覆蓋度植被則主要分布在西部和南部，尤其是閩江及烏龍江沿岸地區(qū)。1995-2015年福州市植被覆蓋度呈增加趨勢，植被覆蓋度均值由57.93%提高至66.44%。該研究結果與馬雪瑩［9］的研究一致，近20 a福州市區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢。

1995-2015年，福州市植被整體以改善為主，占區(qū)域面積的73.76%，主要分布于研究區(qū)北部和中部低山丘陵。然而，福州市仍有約16.98%區(qū)域的植被表現(xiàn)為退化特征，且主要分布于閩江和烏龍江之間的倉山區(qū)。由于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，大量城市建設和居住用地擴展能夠導致城市植被覆蓋度明顯降低［9-10］。

圖3 福州市高程（A）、坡度（B）、坡向（C）地形特征示意圖Figure 3 Characteristics of elevations （A）,and slope grades （B） and slope directions （C） in Fuzhou City

圖4 不同地形梯度植被覆蓋度分布特征Figure 4 Different topographical distribution of fractional vegetation coverage gradient

圖5 1995-2015年福州市轄區(qū)不同高程（A）、坡度（B）和坡向（C）植被覆蓋度均值及變化量Figure 5 Mean and variation of fractional vegetation coverage at different elevations （A）,slope grades （B） and slope directions （C） from 1995 to 2015 in Fuzhou City

地形是影響植被覆蓋的一個重要自然因子，不同地形條件下水熱狀況不同，進而影響植被的空間分布格局［3,6］。然而，不同地區(qū)植被覆蓋度空間分布格局的關鍵地形驅動因子不同［7-8,21］。本研究發(fā)現(xiàn)：福州市不同地形條件下植被覆蓋度均值和動態(tài)特征均存在差異。與較高的高程（＞300 m）和陡坡度（＞5°）相比，第1高程和平坡區(qū)域植被覆蓋度明顯較低，原因主要是福州城市和居住建設主要分布于沿江、沿海等高程低和坡度平緩的區(qū)域。此外，隨著坡度增加，植被覆蓋度均值呈先增加后下降趨勢，險坡（＞35°）區(qū)域植被覆蓋度小于急坡，可能是由于險坡地區(qū)水土缺乏，在一定程度限制植被生長。同時，近20 a間，高程＞300 m和坡度＞5°的區(qū)域，植被覆蓋度的變化明顯大于低高程和平坡地區(qū)。

綜上表明：1995-2015年福州市植被覆蓋整體呈增加趨勢，植被以改善趨勢為主，但城市化擴展和建設導致部分地區(qū)植被覆蓋度下降。此外，地形因子是影響福州市植被覆蓋度的重要自然因子，不同高程、坡度和坡向等地形條件下植被覆蓋存在差異，且影響植被覆蓋的時空動態(tài)變化。