遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)因素

楊春艷，高艷妮，劉學(xué)*，孫倩瑩，王世曦，楊彩云，虞慧怡，賈振宇

1.國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 3.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

遼河保護(hù)區(qū)于2010年劃定，其對(duì)保護(hù)遼河干流及河岸帶生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。保護(hù)區(qū)內(nèi)植被可以通過削減污染物，提供養(yǎng)分和能量以及調(diào)節(jié)河流微氣候等功能改善河流水質(zhì)和維持水生生物多樣性，具有廊道、緩沖帶和護(hù)岸三大功能[1-3]。因此，河岸帶植被退化和恢復(fù)常被用于評(píng)價(jià)河岸帶生態(tài)狀況，其中植被恢復(fù)也常被視為河岸帶生態(tài)恢復(fù)的主要目的；植被時(shí)空動(dòng)態(tài)變化是反映生態(tài)狀況的重要指標(biāo)，常用于評(píng)估河岸植被和保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)情況[4]。

植被覆蓋度(fractional vegetation coverage，F(xiàn)VC)是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)，影響大氣和地表之間碳、水、能量轉(zhuǎn)化，已廣泛用于反映地區(qū)生態(tài)環(huán)境的整體狀況[5-6]。目前，植被覆蓋度測(cè)定主要有實(shí)地測(cè)量和遙感監(jiān)測(cè)，遙感監(jiān)測(cè)是運(yùn)用最為廣泛的測(cè)定手段且方法眾多，也是區(qū)域尺度上植被覆蓋度的主要監(jiān)測(cè)手段[7-11]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助遙感觀測(cè)技術(shù)對(duì)區(qū)域植被覆蓋度的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究，并探討了氣溫、降水和人類活動(dòng)對(duì)其的影響[12-14]。如劉憲鋒等[15]通過分析2000—2009年黃土高原地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)降水與氣溫的增加以及人為修復(fù)植被是該地區(qū)植被覆蓋度增加的主要原因；Jiang等[16]通過研究黃土高原植被覆蓋度，發(fā)現(xiàn)近年來黃土高原生態(tài)環(huán)境狀況得到改善；夏會(huì)娟等[17]基于MODIS NDVI(normalized difference vegetation index，歸一化植被指數(shù))分析了遼河保護(hù)區(qū)劃定前(2000—2009年)和劃定后(2010—2015年)植被覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)河岸帶封育區(qū)內(nèi)的自然恢復(fù)和小型人工濕地建設(shè)促進(jìn)了NDVI的增加；楊繪婷等[18]運(yùn)用MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)反演區(qū)域植被覆蓋的空間格局和變化規(guī)律，結(jié)合同期降水量和溫度數(shù)據(jù)，分析了植被的變化對(duì)氣候的影響；穆少杰等[19]通過模擬潛在植被指數(shù)和遙感監(jiān)督分類的方法，分析流域植被和潛在植被分布格局，得出植被退化的空間態(tài)勢(shì)。人為因素主要是通過改變土地利用土地覆被影響植被覆蓋，如農(nóng)牧耕作和城市建設(shè)等對(duì)植被覆蓋產(chǎn)生負(fù)面影響，退耕還林還草工程能促進(jìn)植被恢復(fù)[20-22]。

遼河保護(hù)區(qū)劃定后，河道兩側(cè)實(shí)行自然封育和退耕還林還草措施，農(nóng)田大幅度轉(zhuǎn)為草地和林地，植被在區(qū)域上呈不同程度的恢復(fù)趨勢(shì)，對(duì)遼河河岸生態(tài)狀況產(chǎn)生了一定的影響。本研究通過2000—2018年遼河保護(hù)區(qū)的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，分析遼河保護(hù)區(qū)劃定前(2000—2009年)和劃定后(2011—2018年)植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，及其對(duì)區(qū)域植被恢復(fù)退化的影響；結(jié)合年降水量、年均氣溫、土地利用等數(shù)據(jù)，探討遼河保護(hù)區(qū)劃定前和劃定后的植被覆蓋變化驅(qū)動(dòng)因素，分析遼河保護(hù)區(qū)在植被保護(hù)方面的成效，以期量化遼河保護(hù)區(qū)劃定對(duì)植被恢復(fù)和保護(hù)的影響。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)

遼河保護(hù)區(qū)位于我國(guó)東北地區(qū)的西南部(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)，起始于東西遼河交匯處，終于盤錦入?？?，總面積為1 869.2 km2。其地處中高緯度，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫自下游平原向上游山區(qū)逐漸降低，氣溫年際變化較大，年均氣溫為4～9 ℃；降水量自西北向東南遞增，多年平均降水量為450～650 mm，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配不均，主要集中在6—9月。遼河保護(hù)區(qū)主要包括封育區(qū)(河道兩側(cè)500 m范圍內(nèi))和農(nóng)田耕作區(qū)(河道兩側(cè)500 m范圍外)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

植被覆蓋度數(shù)據(jù)基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)和Landsat TMOLI影像，通過融合生成了30 m NDVI數(shù)據(jù)集，采用國(guó)際通用的最大值合成方法(maximum value composite syntheses，MVC)獲取年NDVI數(shù)據(jù)，以減少云和物候循環(huán)的影響，利用像元二分法求得植被覆蓋度。計(jì)算公式如下：

FVC=(NDVI-NDVIs)(NDVIv-NDVIs)×100%

式中：FVC為植被覆蓋度，%；NDVIs為研究區(qū)裸土NDVI，取經(jīng)驗(yàn)值0.05；NDVIv為研究區(qū)植被NDVI像元最大值，取經(jīng)驗(yàn)值0.95。

其他數(shù)據(jù)主要包括遼河保護(hù)區(qū)邊界、遼河保護(hù)區(qū)2010—2018年土地利用以及長(zhǎng)時(shí)間序列的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，遼河保護(hù)區(qū)邊界來自于遼河管委會(huì)；遼河保護(hù)區(qū)2010—2018年土地利用數(shù)據(jù)是基于2010—2018年0.5～2 m無偏移Google earth高清影像，采用面向?qū)ο蠓诸惙ê腿藱C(jī)交互解譯的方法提取的；長(zhǎng)時(shí)間序列的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于遼河水文年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋度變化

分別取遼河保護(hù)區(qū)劃定前和劃定后植被覆蓋度的多年平均值代表研究區(qū)的植被覆蓋狀況，將植被覆蓋度分為低(FVC<10%)、較低(10%≤FVC<30%)、中(30%≤FVC<70%)、較高(70%≤FVC<90%)和高(FVC≥90%)5類，分析遼河保護(hù)區(qū)劃定前后植被覆蓋度空間分布的差異，并采用斜率趨勢(shì)分析法分析植被覆蓋度變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：S為植被覆蓋度增長(zhǎng)斜率，%a；j為某個(gè)年份。利用t檢驗(yàn)對(duì)植被覆蓋度增長(zhǎng)斜率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，根據(jù)t檢驗(yàn)結(jié)果，將變化趨勢(shì)分為明顯增加(S>0,P≤0.01)、略微增加(S>0,P≤0.05)、基本不變(S=0或P>0.05)、略微降低(S<0,P≤0.05)、明顯降低(S<0,P≤0.01)5類。

1.3.2植被恢復(fù)與退化

將2000—2009年的植被覆蓋度作為生態(tài)本底，以2010年為基準(zhǔn)年，評(píng)估遼河保護(hù)區(qū)劃定后(2011—2018年)植被覆蓋度變化情況；參考GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》[23]，采用植被覆蓋度變化率對(duì)植被退化/恢復(fù)進(jìn)行分級(jí)，將植被恢復(fù)/退化類型劃分為基本不變、輕度退化、中度退化、重度退化、略微恢復(fù)、中度恢復(fù)和明顯恢復(fù)7個(gè)等級(jí)(表1)。

1.3.3驅(qū)動(dòng)因素

選取年均氣溫、年降水量等因素分析研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度與氣候因素的相關(guān)性，選取合適的氣象參數(shù)，建立FVC和氣候因素間的回歸方程，并采用殘差分析法分析人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的影響[24]。計(jì)算公式如下：

ε=FVC實(shí)際-FVC模擬

(2)

FVC模擬=α×pre+β×tem

(3)

式中：ε為殘差，表示人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的貢獻(xiàn)量，%；FVC實(shí)際為實(shí)際植被覆蓋度，%；FVC模擬為氣象模擬植被覆蓋度，%；pre為年降水量；tem為年均氣溫；α、β為系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 植被覆蓋度時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

2000—2018年遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度空間分布見圖1。從圖1可以看出，遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度平均值為56.49%，高植被覆蓋度區(qū)域主要分布在下游河段和上游河段；中植被覆蓋度區(qū)域主要分布在中游河段；低植被覆蓋度區(qū)域主要分布在河道附近，常年受到河水頻繁淹沒，尤其是6—9月豐水期河流水量較大，河道附近的植被部分被淹沒，從而降低了地表植被覆蓋度[25-26]。從圖1和表2可以看出，2000—2018年，有78.81%的區(qū)域植被覆蓋度基本不變；13.65%的區(qū)域呈降低趨勢(shì)，明顯降低的面積約為84.67 km2，主要分布在中游河段，屬于河流兩岸的河流潮間帶；7.54%的區(qū)域呈增加趨勢(shì)，有55.52 km2的區(qū)域植被覆蓋度明顯增加，主要分布在遼河入海口岸邊帶和上游河段。

圖1 2000—2018年遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度空間變化Fig.1 Spatial change distribution of FVC in Liaohe Conservation Area in 2000-2018

表2 遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度變化等級(jí)面積及占比

2000—2018年遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度隨時(shí)間變化見圖2。

圖2 遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度隨時(shí)間變化Fig.2 Temporal change of FVC in Liaohe Conservation Area

從圖2可以看出，2000—2018年遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度整體增長(zhǎng)斜率為0.002 6%/a，呈略微增加趨勢(shì)。2000—2009年植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)斜率為0.67%/a；2011—2018年呈波動(dòng)平穩(wěn)趨勢(shì)，增長(zhǎng)斜率為-0.27%/a。遼河保護(hù)區(qū)劃定前、劃定后植被覆蓋度平均值分別為56.88%、56.07%。

遼河保護(hù)區(qū)劃定前后植被覆蓋度空間分布變化見圖3。從表2和圖3可以看出，遼河保護(hù)區(qū)劃定前，有33.20%的區(qū)域植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，明顯增加的區(qū)域面積為264.12 km2，集中分布在下游和上游河段；有7.61%的區(qū)域植被覆蓋度呈降低趨勢(shì)，明顯降低的區(qū)域面積為52.90 km2，分布離散。相對(duì)于保護(hù)區(qū)劃定前，

圖3 遼河保護(hù)區(qū)成立前、后植被覆蓋度空間分布變化Fig.3 Spatial change of FVC before and after the establishment of Liaohe Conservation Area

保護(hù)區(qū)劃定后植被覆蓋度有

下降的趨勢(shì)，下降面積占比為27.21%，其中有331.04 km2的區(qū)域呈明顯降低趨勢(shì)，上、中、下游河段均有集中分布，出現(xiàn)了區(qū)域連片降低的趨勢(shì)。尤其是遼河保護(hù)區(qū)入?？诤佣侮懙貐^(qū)域植被覆蓋度下降明顯；而植被覆蓋度增加的區(qū)域約占遼河保護(hù)區(qū)的13.70%，有131.22 km2的面積呈明顯增加趨勢(shì)。

2.2 植被恢復(fù)退化情況

基于植被覆蓋度的植被恢復(fù)/退化程度見表3。從表3可以看出，遼河保護(hù)區(qū)劃定以來，植被退化面積占比呈先降低后增加的趨勢(shì)，尤其是2015—2018年植被覆蓋度退化面積較基準(zhǔn)年大。植被恢復(fù)面積占比呈先增加后降低的趨勢(shì)，2014年植被恢復(fù)面積占比最大。從遼河保護(hù)區(qū)劃定后植被恢復(fù)/退化面積變化來看，植被恢復(fù)主要出現(xiàn)在2013年，恢復(fù)面積比退化面積約增加6.54 km2；其他年份植被恢復(fù)面積均小于植被退化面積，尤其是2015—2018年植被退化情況較嚴(yán)重?？偟膩砜?，2012—2014年植被得到了一定的恢復(fù)，恢復(fù)面積和退化面積基本持平，但2015—2018年植被又出現(xiàn)退化情況。

表3 遼河保護(hù)區(qū)植被恢復(fù)/退化面積占比

2.3 驅(qū)動(dòng)因素

根據(jù)年降水量、年均氣溫和植被覆蓋度數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，年降水量在不同區(qū)間對(duì)植被覆蓋度的影響不同，當(dāng)年降水量小于600 mm時(shí)，其與植被覆蓋度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.93(P<0.05)，R2為0.870 6，即植被覆蓋度隨著年降水量的增加而增大；當(dāng)年降水量大于600 mm時(shí)，其與植被覆蓋度存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，R2為0.772 5，即植被覆蓋度隨著年降水量的增加而降低〔圖4(a)〕；年均氣溫與植被覆蓋度沒有顯著相關(guān)關(guān)系〔圖4(b)〕。Rodriguez等[27-28]的研究也表明，在干旱、半干旱地區(qū)植被生長(zhǎng)的限制性因子主要與水分有關(guān)。遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度與年降水量、年均氣溫間之所以呈現(xiàn)出這樣的關(guān)系，主要是由于遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)年均氣溫差異小，而年降水量的時(shí)空差異比較明顯；另外，遼河保護(hù)區(qū)是河濱保護(hù)帶，年降水量增加會(huì)直接導(dǎo)致遼河河道水位上漲，使得河道兩岸的部分草本濕地被淹沒，從而降低了植被覆蓋度，這就導(dǎo)致年降水量達(dá)到一定程度植被覆蓋度出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。為進(jìn)一步提高模型精度和準(zhǔn)確度，在模擬植被覆蓋度的過程中，研究同時(shí)考慮年降水量、年均氣溫2個(gè)因子，并基于分段函數(shù)，以年降水量為自變量、年均氣溫為協(xié)變量，做偏相關(guān)回歸，回歸方程及相關(guān)參數(shù)見表4。

圖4 年降水量、年均氣溫與遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis between precipitation,temperature and FVC in Liaohe Conservation Area

表4 基于年降水量、氣溫模擬遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度相關(guān)參數(shù)

根據(jù)植被覆蓋度實(shí)際值和模擬值，研究遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度受人類活動(dòng)的影響，結(jié)果見圖5。由圖5(a)可見，2000—2018年人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的貢獻(xiàn)率平均約占0.41%，遼河保護(hù)區(qū)劃定后人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的貢獻(xiàn)率平均增至1.12%，增加了0.71個(gè)百分點(diǎn)。由圖5(b)可見，2012—2014年人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的影響為正向，尤其是2014年人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度貢獻(xiàn)率達(dá)最大，為8.42%。人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的影響主要通過改變土地利用類型及方式來實(shí)現(xiàn)[19-21]，根據(jù)遼河保護(hù)區(qū)2010—2018年土地利用數(shù)據(jù)，耕地大面積退耕，草地和河濱濕地大面積增加，在一定程度上促進(jìn)了植被恢復(fù)，使遼河保護(hù)區(qū)各類土地利用面積發(fā)生了變化，在一定程度上影響了區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度。如2015—2018年草地面積減少了5 149 km2，河流、湖泊、水庫等水面面積增加了約3 400 km2，河濱濕地面積增加了約6 700 km2。根據(jù)遼河干流六間房多年年平均徑流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，遼河流域年徑流量由2000—2009年的12.48億m3增至2011—2018年的29.37億m3，增加了16.89億m3，這也直接導(dǎo)致了河道水量增加，并使得河道兩側(cè)低洼地段的草地被淹沒。由此可見，雖然人類活動(dòng)干擾減弱對(duì)遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)有促進(jìn)作用，但是降水量的增加在一定程度上弱化了植被恢復(fù)成效，甚至產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)。

圖5 遼河保護(hù)區(qū)人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的影響Fig.5 Influence of human activities on FVC in Liaohe Conservation Area

3 結(jié)論

(1)2000—2018年遼河保護(hù)區(qū)植被覆蓋度整體呈略微增加趨勢(shì)，其增加斜率為0.002 6%/a。植被覆蓋度增加主要發(fā)生在2000—2009年，其增加斜率為0.67%/a；而2011—2018年植被覆蓋度呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，其變化斜率為-0.27%/a。

(2)從植被覆蓋度空間分布來看，低植被覆蓋度區(qū)域主要分布在河道附近，較高植被覆蓋度區(qū)域主要分布在河道兩側(cè)的農(nóng)田區(qū)域。2000—2018年，植被覆蓋度降低的區(qū)域主要分布在河道兩側(cè)的河岸帶，尤其是地勢(shì)較低洼的河段兩側(cè)；2000—2009年，植被覆蓋度出現(xiàn)了區(qū)域性增加趨勢(shì)，主要分布在河道兩側(cè)的農(nóng)田、林地；2011—2018年植被覆蓋度出現(xiàn)了區(qū)域性變差趨勢(shì)，主要分布在地勢(shì)較低洼的河段兩側(cè)。相對(duì)于基準(zhǔn)年(2010年)，遼河保護(hù)區(qū)植被在2012—2014年呈現(xiàn)出輕微的恢復(fù)趨勢(shì)，但2015—2018年又出現(xiàn)了退化趨勢(shì)。

(3)年降水量、年均氣溫與植被覆蓋度相關(guān)分析顯示，年均氣溫與植被覆蓋度沒有顯著相關(guān)關(guān)系，年降水量在不同區(qū)間對(duì)植被覆蓋度的影響不同?；谀杲邓亢湍昃鶜鉁?cái)?shù)據(jù)分段函數(shù)模擬了植被覆蓋度，通過與實(shí)際植被覆蓋度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，遼河保護(hù)區(qū)劃定后(2011—2018年)人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度的貢獻(xiàn)率增至1.12%，尤其是2014年，人類活動(dòng)對(duì)植被恢復(fù)的作用明顯。