江淮分水嶺區(qū)域植被覆蓋與人類活動強度的時空動態(tài)演化

徐韓星,徐建輝,張榕榕,王 凱,王 麗

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院,安徽 滁州 239000)

植被作為人類社會生存以及發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),它對人類社會的生態(tài)環(huán)境有著重要的影響[1]。陸地表層植被覆蓋的變化將會影響到局部區(qū)域的氣候及區(qū)域的生態(tài)平衡[2]，同時氣候變化也會反過來影響植被的生長和覆蓋狀況。

歸一化植被指數(shù)是基于植物所表現(xiàn)出來的光譜特征，在一定程度上能夠反映地表植被生長的基本狀況[3]。它在不同的時間和空間尺度上對地表植被覆蓋變化的分析研究具有重要作用。江淮分水嶺指的是長江和淮河之間的分水嶺，是我國自然地理上的重要分界線，即秦嶺-淮河一線的東段,具有明顯的過渡和跨界特征[4]。從人文環(huán)境上看,該區(qū)域位于我國南北經(jīng)濟文化交流的重要樞紐區(qū)域[5],同樣也具有明顯的過渡特征。

在經(jīng)濟快速發(fā)展和人類活動影響程度日益強烈的今天，植被覆蓋變化也在一定程度上反映了人類的活動過程[6]。近年來，皖江城市帶發(fā)展規(guī)劃的提出更加促進了安徽省在經(jīng)濟發(fā)展、人類活動強度方面對植被指數(shù)的影響。

1 研究區(qū)概況

江淮分水嶺區(qū)域主要位于安徽省中部，包括合肥、肥東、肥西、長豐、六安、滁州、定遠、鳳陽、全椒等12個縣市。該區(qū)域位于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)與暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)的過渡帶，受季風(fēng)氣候的影響，年均降水量900～1 000 mm，降水量相對來說比較充沛。區(qū)域內(nèi)丘陵起伏、地形破碎，水資源難以大量蓄用。在特殊的自然環(huán)境下，通過分析氣溫、降水等自然因素對植被覆蓋指數(shù)的影響具有重要的意義。江淮分水嶺位置示意圖見圖1。

圖1 江淮分水嶺位置分布

2 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

歸一化植被指數(shù)是目前最為常用的表示植被覆蓋狀況的一個指標(biāo),可以在較大程度上反映植被的覆蓋信息[7-8]，同時它還可以有效地監(jiān)測植物的覆蓋范圍以及生長狀態(tài)與趨勢，與植被覆蓋密度具有高度的相關(guān)性，因而被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋度的變化研究[9-13]。在此次研究中，NDVI的數(shù)據(jù)是由地理空間數(shù)據(jù)云提供的2000—2015共16 a的中國500 m月合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)。本文利用最大合成法構(gòu)建長時間序列下的NDVI值，同時利用江淮分水嶺的行政區(qū)域為掩膜裁剪出研究所需要的NDVI數(shù)據(jù)，最終得出2000—2015這16 a的年均NDVI值。

研究區(qū)域內(nèi)各縣(市)已經(jīng)利用插值法得出的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)均來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，它的空間分辨率為90 m×90 m。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于安徽省統(tǒng)計年鑒(2001年、2011年、2016年)。各縣(市)土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析法

通過計算2000—2015 NDVI每個柵格的線性趨勢系數(shù)，分析在長時間序列上江淮分水嶺NDVI指數(shù)變化的趨勢。計算公式為

Slope=

(1)

式中:slope表示江淮分水嶺區(qū)域12個縣(市)年均NDVI 值的斜率。n表示研究年份的時間跨度，即n=16t表示1～16的年序號。NDVIt表示第t年的NDVI值。將計算所得的slope值與0值做比較，可以得出植被指數(shù)隨著時間變化的趨勢，即升高、不變、降低。根據(jù)slope值的范圍，可以將研究區(qū)域的NDVI變化趨勢分為改善、基本不變及退化3個等級，并且分別統(tǒng)計每個等級的像元個數(shù)和所占的百分比。

2.2.2 殘差分析

利用殘差分析法可消除生長季 NDVI長時間序列變化中降水等自然因素的影響，因此,剝離開植被覆蓋變化中自然因素和人為因素[6]。通過剔除自然因素對植被覆蓋指數(shù)的影響，可以更加準(zhǔn)確地反映人類活動對NDVI在時空變化中的作用。本文以江淮分水嶺區(qū)域的12個市(縣)為統(tǒng)計單元，選擇2000年、2010年、2015年的年均NDVI值與年均降水、年均氣溫、平均高程及坡度因素進行多元線性回歸，從而模擬每個像元這3個時期的NDVI回歸值。然后將這一部分的NDVI值視為已知NDVI值的自然因素所貢獻的值，將已知NDVI值與NDVI回歸值之間的差值作為人類活動對NDVI值的貢獻值。以上操作在SPSS和Excel中進行。

自然因素回歸方程表示為

(2)

殘差表達式為

(3)

式中:σy表示第y年的NDVI殘差值，即人類活動對NDVI的貢獻部分；NDVIy表示第y年的NDVI實際觀測值。

人類活動回歸方程表示為

σy=n1Y5+n2Y6+n3Y7+n4Y8+n5Y9+μ.

(4)

式中：Y5表示第y年各縣(市)的GDP；Y6表示第y年各縣(市)的人類活動強度；Y7表示第y年研究區(qū)域各縣(市) 的年末人口總數(shù)；Y8表示第y年各縣 (市)的農(nóng)業(yè)機械總動力；Y9表示第y年各縣(市)的退耕還林(草)政策實施情況。n1，n2，n3，n4，n5和μ為該回歸方程的待定系數(shù)。

另外，利用殘差分析的方法，可以進一步將自然因素與人類活動對 NDVI 的綜合貢獻度相分離。人類活動對NDVI的綜合貢獻度公式為

CH=|σy|/NDVIy×100%.

(5)

自然因素對NDVI的綜合貢獻度公式為

CN= 1-CH.

(6)

2.2.3 人類活動強度分析

人類活動強度是用來表示人類對陸地表層影響強弱的一個測量指標(biāo)。建設(shè)用地當(dāng)量是利用土地利用類型數(shù)據(jù)，衡量不同人類活動方式對陸地表層作用程度的一種度量單位。土地利用類型的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)是指將不同土地利用類型數(shù)據(jù)根據(jù)人類活動強度大小所換算成的建設(shè)用地當(dāng)量的系數(shù)[14]。

根據(jù)所換算的建設(shè)用地當(dāng)量數(shù)，求出建設(shè)用地當(dāng)量總和占所研究區(qū)域總面積的百分比[15]，從而得出2000年、2010年、2015年3期的江淮分水嶺區(qū)域12個縣(市)級單位的人類活動強度。本文根據(jù)江淮分水嶺區(qū)域內(nèi)實施“千萬畝森林增長工程”措施，因此，林地及其二級分類的土地利用類型特征值以0賦值，也就是說林地的土地利用類型受人類活動的干擾程度為0，從而得到適合江淮分水嶺區(qū)域的不同土地利用類型建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)匯總

人類活動強度計算公式表示如下[14]:

(7)

(8)

式中:HAILSi表示第i個縣(市)級單元人類活動強度；SCLE-i表示第i個縣(市)級單元建設(shè)用地當(dāng)量面積；Si表示第i個縣(市)級單元區(qū)域總面積；SLij表示第i個縣(市)級單元第j種土地利用類型的面積；CIij表示第i個縣(市)級單元第j種土地利用類型的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)；m表示第i個縣(市)級單元土地利用類型的總數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被指數(shù)時間變化特征

利用2000—2015這16 a的年均NDVI指數(shù)數(shù)據(jù)制作江淮分水嶺區(qū)域的平均NDVI空間分布(見圖2)和年際變化趨勢圖(見圖3)。由空間分布趨勢圖可以看出安徽省NDVI最小值和最大值的年份分別為2000年、2010年。由變化趨勢表可知，在P<0.01下年均NDVI值的相關(guān)系數(shù)的平方和為0.608 8。通過分析可得，江淮分水嶺的NDVI指數(shù)與時間序列有很顯著的相關(guān)性，也說明江淮分水嶺的NDVI值在近16 a內(nèi)整體呈現(xiàn)增長的趨勢。

圖2 江淮分水嶺區(qū)域2000—2015 NDVI空間分布

圖3 江淮分水嶺區(qū)域2000—2015 NDVI空間分布趨勢

從江淮分水嶺區(qū)域2000—2015 NDVI空間分布(見圖2)來看，總的變化趨勢在0.25～0.97之間，平均值為0.88。江淮分水嶺內(nèi)約58%的區(qū)域NDVI值在0.88～0.97之間，40%的NDVI值在0.65～0.88之間，而NDVI值在0.25～0.65之間約占2%。NDVI值較小的區(qū)域都為該市(縣)的中心部位。近年來，隨著安徽省經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化進程加快，植被遭到破壞，導(dǎo)致植被指數(shù)降低。NDVI高值區(qū)域主要分布在山區(qū)及丘陵區(qū)域，同時，自然環(huán)境的優(yōu)越、低山丘陵間森林資源的豐富以及植樹造林工程等因素也會影響NDVI值。

3.2 植被指數(shù)時間變化趨勢

通過一元線性趨勢分析法，以縣市為分析單元，得出江淮分水嶺區(qū)域各縣市在2000—2015 slope的取值范圍為-0.027 8～0.047 9，以0為分界點。然后利用 ArcMap10.2軟件對研究結(jié)果進行重分類，并且劃分為改善、基本不變及退化3個等級(見表2)，得到江淮分水嶺區(qū)域2000—2015植被覆蓋的變化趨勢(見圖4)。0.006 1

表2 江淮分水嶺區(qū)域2000—2015植被覆蓋變化趨勢的等級劃分

圖4 江淮分水嶺區(qū)域2000—2015植被覆蓋的變化趨勢

3.3 植被指數(shù)與人類活動的回歸分析

采用將自然因素與人類活動因素對NDVI的綜合貢獻度分離的方法，通過殘差分析，得出結(jié)果如表3所示。從中可以看出，自然因素的綜合貢獻度從2000年98.427%到2010年96.737%再到2015年的97.001%，然而，人類活動強度的綜合貢獻度由2000年1.573%到2010年3.263%再到2015年的3.000%，說明盡管自然因素的值有所波動，但仍然呈現(xiàn)穩(wěn)定的態(tài)勢，區(qū)域經(jīng)濟在不斷地發(fā)展，人類活動強度增強，但從整體上可以看出，自然因素對NDVI的影響程度仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

分別對影響植被覆蓋指數(shù)的兩大因素進行分析。由于自然因素中存在大量的因變量，這里取年均氣溫、年均降水量、年均高程以及平均坡度這四類因素與2000年、2010年、2015年的 NDVI實際值進行回歸分析，從自然因素的回歸分析結(jié)果可以得出(見表4)，年均降水量、年均氣溫、年均高程、平均坡度均在1%的顯著性水平下呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說明自然因素對植被覆蓋有較大的影響。

表3 自然因素與人類活動強度對NDVI的綜合貢獻度

表4 NDVI與自然因素回歸結(jié)果分析

分析人類活動因素對植被空間分布的影響，將NDVI的殘差值與人類活動強度、人口、農(nóng)業(yè)機械總動力、GDP進行回歸分析，結(jié)果可得回歸相關(guān)系數(shù)0.531 1,說明人類活動因素與植被覆蓋有較高相關(guān)性。其中，人類活動強度通過1%的顯著性水平檢驗，且相關(guān)系數(shù)為-5.37，得出人類活動強度越大，NDVI值越小，人類活動強度越小，NDVI值越大。

利用ArcMap10.2重分類功能，將植被覆蓋與人類活動強度的動態(tài)演化過程反映到江淮分水嶺區(qū)域的行政邊界圖上，計算得到的人類活動強度劃分為低、較低、中等、較高、高共5個等級(見圖5)。從表5可以得出，人類活動強度等級低和較低的縣(市)級個數(shù)保持不變，這些縣市主要分布在滁州、明光、來安、全椒、鳳陽、六安地區(qū)，以上地區(qū)中處于東部的區(qū)域多為低山丘陵，如瑯琊山、皇甫山、大橫山、老嘉山等低山。六安處于大別山區(qū)，整體上森林資源十分充足。人類活動強度中等的區(qū)域縣(市)級個數(shù)逐漸下降，其變化區(qū)域主要分布在省會合肥周邊的壽縣、肥西、肥東、定遠，人類活動強度由中等轉(zhuǎn)化為較高等級，主要是因為周邊的區(qū)域受城鎮(zhèn)化影響，曾經(jīng)的耕地、林地等都開發(fā)為城市建設(shè)用地，植被退化快，因此，處于較高等級的縣(市)個數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢。人類活動強度高的區(qū)域，則保持省會合肥不變，由于合肥經(jīng)濟發(fā)展水平高，建設(shè)用地不斷增加，植被退化速度加快。

圖5 人類活動強度等級劃分

通過分析比較圖2、圖5可得，NDVI值越大的區(qū)域多為自身自然環(huán)境良好、森林資源豐富而且人類活動強度低的地區(qū)，NDVI值較小的區(qū)域多為經(jīng)濟發(fā)展水平高，經(jīng)濟發(fā)展速度快且受人類活動強度高的區(qū)域。因此，NDVI的空間分布與人類活動強度等級劃分具有較高的相關(guān)性。由圖3、圖4可得，2000—2015 NDVI的退化區(qū)域主要集中在合肥、六安這兩個市的中心區(qū)域，以及處于周邊的城鄉(xiāng)結(jié)合部，在市中心經(jīng)濟迅速發(fā)展的情況下，城市面積不斷擴大，原本的耕地、林地等被大量征收，導(dǎo)致植被覆蓋指數(shù)降低，即經(jīng)濟活動強度增大時，植被退化的可能性越高。

表5 江淮分水嶺區(qū)域人類活動強度指標(biāo)等級劃分

4 討論與結(jié)論

本文基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，根據(jù)江淮分水嶺的地域特點，構(gòu)建出涉及自然、社會與經(jīng)濟三方面的人類活動評估體系。利用趨勢分析法對 2000—2015江淮分水嶺植被覆蓋的時空變化進行分析，再通過殘差分析法分離自然因素和人類活動對 NDVI 的貢獻度，并將人類活動評估體系引入植被覆蓋驅(qū)動力研究，與 NDVI 殘差值進行回歸分析，分析具體的社會經(jīng)濟因素對植被覆蓋的貢獻度。本研究結(jié)果表明：

1)江淮分水嶺區(qū)域的植被覆蓋指數(shù)在2000—2015這16 a中呈現(xiàn)整體增長的趨勢，但是在市(縣)中心區(qū)域的植被覆蓋度指數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢。

2)植被覆蓋狀況良好的區(qū)域大多數(shù)是自然條件良好(降水、溫度適宜)而且人類活動強度指數(shù)較低的區(qū)域，例如明光市、來安縣、全椒縣、鳳陽縣；植被覆蓋狀況較差的區(qū)域大多數(shù)是經(jīng)濟發(fā)展迅速、經(jīng)濟水平較高而且受人類活動影響較大的經(jīng)濟中心區(qū)域，例如合肥市、六安市。

3)隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的提高，人類活動強度的不斷增大，其植被覆蓋度退化的可能性就會越大，但在相關(guān)的護林工程措施下，植被覆蓋退化的情況會有所改善。

植被是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),它不但對人民生活和經(jīng)濟發(fā)展有巨大的保障作用,而且對人類社會的生態(tài)環(huán)境有重要影響。本文以江淮分水嶺區(qū)域2000—2015植被覆蓋變化及其與人類活動強度的關(guān)系為研究目的，多維度地評估出人類活動對植被覆蓋變化的影響，為其區(qū)域制定科學(xué)合理的土地利用和生態(tài)環(huán)境保護政策提供規(guī)劃與決策依據(jù)。

然而，本文也存在不足之處。例如，不同研究區(qū)域的城市在城市化進程中發(fā)展的速度不同，所以時間拐點的選擇對實驗結(jié)果可能有所影響，如何排除此因素的影響有待于進一步研究。