基于地形位置指數(shù)的赤水河流域植被時空變化研究

馬偉波， 趙立君， 田佳榕,2， 王 楠， 高媛赟， 李海東*

1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所， 江蘇 南京 210042

2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 南京 210037

地形和災(zāi)害評價是資源環(huán)境承載力和國土空間開發(fā)適宜性評價的重要內(nèi)容，也是村鎮(zhèn)建設(shè)生態(tài)安全和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的約束條件之一. 在山區(qū)地形條件下，地形因子對災(zāi)害危險性評估[1]、聚落分布優(yōu)化[2]、“三生空間”協(xié)調(diào)發(fā)展[3]、生態(tài)功能提升等村鎮(zhèn)建設(shè)問題將產(chǎn)生重要影響. 研究山區(qū)植被時空變化及地形分異特征對于村鎮(zhèn)建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義. 地形位置指數(shù)(Topographic Position Index, TPI)是一種測量地形位置和地形分類的方法[4]，坡度位置方法在其基礎(chǔ)上綜合了坡度信息，通過地形地貌劃分消除了絕對高程特征在區(qū)域尺度范圍的影響，這兩種分析方法可在微地形、中尺度及景觀地貌等多個尺度表達(dá)地形特征，被應(yīng)用于熱帶森林生物量估算[5]、森林生態(tài)系統(tǒng)中植被土壤屬性和地形對微生物的影響分析[6]、野生動物保護(hù)活動范圍探索[7]、林場管理[8]、景觀異質(zhì)性分析[9]以及科爾沁沙地植被生長分析[10]等研究.

赤水河流域地處云貴高原向四川盆地傾斜的斜坡面，是大婁山區(qū)水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護(hù)重要區(qū)(簡稱“大婁山區(qū)”)的重要組成部分. 赤水河流域地形以山地丘陵為主，長期以來由于過度墾殖、濫砍亂伐等，上游地區(qū)植被破壞，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)退化；中下游地區(qū)小煤窯、酒作坊和城鎮(zhèn)擴(kuò)張對赤水河水環(huán)境威脅較大[11]. 地形影響著區(qū)域水、熱、養(yǎng)分等的再分配過程[12]，進(jìn)而影響植被生長和分布格局，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有一定作用[13-14]. 同時，地形因子約束人類生活與生產(chǎn)活動，影響區(qū)域土地利用的方式和程度[15]，是村鎮(zhèn)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的重要影響因素. 有學(xué)者從地形位指數(shù)等指標(biāo)出發(fā)，分析得到不同地形梯度下土地利用變化與植被生長的關(guān)系，揭示了地形因素對于區(qū)域生態(tài)功能和生產(chǎn)建設(shè)的影響規(guī)律[16-18].

為闡釋影響村鎮(zhèn)建設(shè)的生態(tài)約束條件，筆者基于SPOT_VGT NDVI產(chǎn)品和高程等數(shù)據(jù)，通過Sen′s slope、M-K檢驗(yàn)、TPI和坡度位置方法，分析了赤水河流域植被生長季NDVI時空變化及地形分異特征，以期為赤水河流域村鎮(zhèn)建設(shè)生態(tài)安全格局優(yōu)化提供支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

赤水河流域位于川、滇、黔三省接壤地帶(見圖1)，地理位置為26°49′N～28°54′N、104°09′E～107°10′E，干流總長度433.32 km；流域總面積1.83×104km2，占大婁山區(qū)面積(32 854 km2)的55.7%；高程在190～2 219 m之間，落差達(dá) 2 029 m. 赤水河發(fā)源于云南省鎮(zhèn)雄縣，流經(jīng)四川省、貴州省，最終匯入長江. 赤水河流域上游屬于云貴高原，中上游為喀斯特地區(qū)，下游為丹霞地貌地區(qū)；流域降水主要集中在6—9月，年降水量為700～1 100 mm；流域土地利用類型以林地為主，耕地和草地次之，2018年林地總面積為 10 556.77 km2. 赤水河主要支流包括上游的二道河，中游的桐梓河、古藺河，下游的大同河和習(xí)水河.

圖1 赤水河流域地形特征和大婁山區(qū)位置

赤水河流域分布有4個國家級自然保護(hù)區(qū)，分別為長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)、赤水桫欏國家級自然保護(hù)區(qū)、四川畫稿溪國家級自然保護(hù)區(qū)和遵義習(xí)水中亞熱帶常綠闊葉林國家級自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)總面積達(dá) 1 450 km2，占赤水河流域總面積的7.9%，流域水源涵養(yǎng)與生物多樣性維護(hù)功能突出[19]. 赤水河上游地區(qū)分布有國家級貧困縣和國家級開發(fā)扶貧區(qū)；中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平明顯高于上游地區(qū)，仁懷市地區(qū)生產(chǎn)總值最高，2019年達(dá)到1.30×1011元；流域城鎮(zhèn)化水平較低，產(chǎn)業(yè)發(fā)展以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，釀造業(yè)尤為發(fā)達(dá).

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用時間序列SPOT_VGT NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析赤水河流域植被生長變化情況，該數(shù)據(jù)通過中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:www.resdc.cn)下載. 該數(shù)據(jù)集時間分辨率為30 d，空間分辨率為1 km，時間序列為1998—2018年. 為了消除云、大氣和月內(nèi)物候的影響，采用最大值合成法得到每月NDVI最大值；同時，為減少異常噪聲，對時間序列NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元Savitzky-Golay卷積平滑.

高程數(shù)據(jù)來自SRTM(Shuttle Radar Topographic Mission)90 m的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Data，DEM)，通過SRTM官網(wǎng)(http:srtm.csi.cgiar.orgsrtmdata)下載.

1.3 研究方法

1.3.1年際變化趨勢分析

選擇Sen′s slope方法分析赤水河流域植被生長季NDVI年際序列變化趨勢，該研究中生長季為5—10月. 該方法是一種時間序列非參數(shù)檢驗(yàn)檢測方法[20]，可以估算單位時間的變化幅度(β). 如果一個時間序列xt=(x1,x2,…,xn)存在線性趨勢，則當(dāng)β>0時，序列呈上升趨勢；當(dāng)β=0時，序列趨勢不明顯；β<0時，序列呈下降趨勢.β的計(jì)算公式：

(1)

式中，Median為取中值函數(shù)，xj、xi分別表示第j年和第i年生長季的NDVI平均值，且j>i.

1.3.2Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)(M-K檢驗(yàn))方法對赤水河流域植被生長季NDVI年際序列變化做顯著性檢驗(yàn). 通過M-K檢驗(yàn)的Z檢驗(yàn)值判斷赤水河流域植被變化趨勢的顯著性[21-22]. 對于時間序列xt={x1,x2,…,xn}，首先計(jì)算統(tǒng)計(jì)值S：

(2)

(3)

Mann-Kendall檢驗(yàn)的Z檢驗(yàn)值計(jì)算公式為

(4)

式中，Z>0表示植被生長呈增長趨勢，Z<0表示植被生長呈下降趨勢. |Z|越大，說明該時間序列的變化趨勢越顯著；|Z|≥1.96和|Z|≥2.58時，分別代表通過95%和99%的顯著性檢驗(yàn).

1.3.3地形位置指數(shù)

(5)

(6)

式中：n表示R半徑內(nèi)DEM柵格的數(shù)量；zi表示第i個柵格處的高程，m. TPI越大，表示該位置處于較高區(qū)域，即可能處于山脊；TPI越低，表示該位置處于整體較低位置，即可能處于山谷. TPI的取值范圍不僅取決于高程的差異，還取決于R，較大的R可使TPI表達(dá)大尺度地貌單元，而較小的R可使TPI表達(dá)較小尺度地形特征. 根據(jù)相關(guān)研究[9-10,23]，結(jié)合赤水河流域山區(qū)地形的特點(diǎn)，通過對3～1 200個像元單位的測試，最終選擇R為20個DEM像元尺度，即半徑為 1 800 m的圓形卷積窗口.

1.3.4坡度位置

地貌變化源于坡面變化[23]. Weiss[4]將TPI與坡度信息進(jìn)行組合，將地貌劃分為6類(見表1)，分別是山脊、上坡、中坡、平坡、下坡和山谷. 坡度位置綜合了坡度(slope)和TPI所蘊(yùn)含的地形特征信息[24].

表1 基于TPI的坡度位置劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI的時空變化特征

由圖2(a)可知，1998—2018年赤水河流域植被生長季平均NDVI為0.64～0.79，多年平均NDVI為0.70，2017年最高(0.79)，1998年最低(0.64). 赤水河流域內(nèi)，1998—2018年植被生長季平均NDVI呈緩慢上升趨勢，斜率為 0.004 7；其中，1998—2009年呈上升趨勢，2010—2012年出現(xiàn)短暫連續(xù)下降，在2012年和2016年發(fā)生較大幅度的下降，但在2017年迅速上升并達(dá)到最高值. 由圖2(b)可見，赤水河流域植被生長季平均NDVI在空間上整體處于較高水平，NDVI≥0.55的區(qū)域面積為1.10×104km2，占整個流域的60.10%；其中NDVI>0.60的集中連片區(qū)域主要分布在古藺縣北部、赤水市大部和習(xí)水縣西北部，占赤水河流域總面積的8.42%. NDVI<0.40的區(qū)域面積為19.47 km2，主要分布在仁懷市的中樞街道、茅臺鎮(zhèn)，習(xí)水縣的東皇鎮(zhèn)，桐梓縣的婁關(guān)山鎮(zhèn)以及赤水市的市中街道. NDVI在0.40～0.55區(qū)間的區(qū)域面積為 7 220.94 km2，占流域總面積的39.46%，主要分布在赤水河中上游地區(qū)以及下游的合江縣.

圖2 1998—2018年赤水河流域植被NDVI年際變化及其空間分布

就1998—2018年赤水河流域植被生長趨勢而言〔見圖3(a)〕，Sen′s slope>0的面積為1.81×104km2，占流域總面積的99.05%，Sen′s slope<0的區(qū)域面積為172.78 km2，占流域總面積的0.95%；可見，1998—2018年赤水河流域植被生長整體呈增強(qiáng)趨勢. 在Sen′s slope的6個梯度區(qū)間中，-0.014～-0.001區(qū)間植被生長呈快速下降趨勢的地區(qū)主要分布在仁懷市、習(xí)水縣和赤水市；而Sen′s slope在0.009～0.015區(qū)間時，赤水河流域植被生長增強(qiáng)趨勢最明顯，主要集中分布在赤水河中上游、二道河以及下游的大同河干流地區(qū). 結(jié)合圖2(a)和圖3(a)可知，與簡單的線性擬合相比，Sen′s slope分析可在空間層面展示植被生長變化趨勢，且具有更強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

由M-K檢驗(yàn)結(jié)果〔見圖3(b)〕可知，1998—2018年赤水河流域植被生長極顯著增加的地區(qū)面積為1.71×104km2，占比為93.81%，分布在赤水河流域絕大部分地區(qū)；植被生長顯著增加的地區(qū)面積為580.18 km2，占比為3.19%，零散分布在未通過顯著性增加檢驗(yàn)地區(qū)的外圍；1998—2018年赤水河流域植被生長極顯著減少的地區(qū)面積為34.71 km2，占比為0.19%，主要分布在赤水市中山街道、習(xí)水縣東皇鎮(zhèn)以及仁懷市茅臺鎮(zhèn)、鹽津街道和中樞街道；植被生長顯著下降的地區(qū)面積為36.69 km2，占比為0.20%，集中分布在未通過顯著性降低檢驗(yàn)地區(qū)的外圍. 總體而言，1998—2018年赤水河流域植被生長季NDVI時間序列通過極顯著性檢驗(yàn)的地區(qū)面積占比超過94%，通過顯著性檢驗(yàn)(含極顯著性)的面積占比超過97.28%，表明植被生長時間序列趨勢顯著.

圖3 1998—2018年赤水河流域植被Sen′s slope 和趨勢顯著性分級

2.2 NDVI的地形分異特征

由圖4(a)可知，TPI負(fù)值較小的區(qū)域表征信息多為河谷特征，而TPI正值較大的地區(qū)表征信息為山脊特征. 其中，TPI在-39.4～34.3區(qū)間的面積最大，為 6 221.63 km2，占赤水河流域總面積的34.05%，表明TPI起伏較小的區(qū)域占據(jù)流域主體；而TPI在-407.8～-127.1和118.5～486.9區(qū)間的面積占比較小，分別為8.24%和9.46%. 由圖4(b)可知，6種坡度位置類別中，以中坡面積(7 792.02 km2)最大，占流域總面積的42.64%，表明TPI數(shù)值較小且坡度大于5°的區(qū)域是赤水河流域地形主體；其次為上坡和下坡，面積分別為 3 063.06 和 2 928.32 km2，占比分別為16.76%和16.03%；再次為山谷和山脊，面積分別為 2 006.31 和 1 932.32 km2；平坡的面積最小，為551.12 km2，占比為3.02%. 結(jié)合表1所示提取規(guī)則可知，赤水河流域內(nèi)平地分布極少.

圖4 赤水河流域TPI和坡度位置空間分布

就1998—2018年赤水河流域植被生長季NDVI的TPI梯度特征而言(見表2)，通過自然斷點(diǎn)法劃分為5個區(qū)間，TPI在118.5～486.9區(qū)間的平均NDVI最高(0.762)，而該區(qū)間的平均Sen′s slope也達(dá)到最大(0.007 3)，即TPI在該區(qū)間內(nèi)時，植被生長狀況整體較好，且增長趨勢最強(qiáng). TPI在-127.1～-39.4區(qū)間時平均NDVI最低(0.715)，同時該區(qū)間平均 Sen′s slope 最低，為 0.007 1.

表2 基于TPI的赤水河流域植被生長季NDVI地形分異特征

由表3可知，赤水河流域植被在山脊的平均NDVI最高，為0.747，且山脊平均 Sen′s slope最高，為 0.007 2；而上坡和中坡的平均NDVI次之(分別為0.737和0.725)，對應(yīng)的平均 Sen′s slope均為0.007 1；1998—2018年，赤水河流域山脊處植被生長狀況整體最好，上坡和中坡次之；同時，山脊處植被生長增加趨勢最強(qiáng)，上坡和中坡次之. 山谷平均NDVI最低，為0.709；平坡處平均 Sen′s slope最低，為0.006 6. 赤水河流域植被在山脊、上坡和中坡處植被NDVI較高，同時該地區(qū)植被生長增加趨勢高于平坡、下坡和山谷地區(qū).

表3 基于坡度位置的赤水河流域植被生長季NDVI地形分異特征

3 討論

赤水河流域植被生長變化趨勢與文獻(xiàn)[29]所得結(jié)果相吻合，即赤水河流域植被生長整體呈增加趨勢，且在赤水河中上游地區(qū)的增加趨勢較為顯著. 蔡宏等[18]對赤水河流域不同植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)強(qiáng)度研究指出，赤水河流域在高程超過 2 000 m地區(qū)植被的覆蓋度較高；而筆者在其基礎(chǔ)上增強(qiáng)了時間序列和顯著性檢驗(yàn)分析. 同時，就整個流域尺度而言，高程為 2 000 m的地區(qū)主要集中分布在赤水河上游地區(qū)，對于其他地區(qū)的植被覆蓋分析存在盲區(qū)；而筆者研究的優(yōu)勢在于通過TPI區(qū)間劃分和坡度位置分析，消除了絕對高程的影響，并且從坡度位置角度分析流域植被生長情況，得到的分析結(jié)果在整個流域尺度具有一定的橫向?qū)Ρ裙δ?，即整個流域范圍的山脊和山谷可橫向比較分析. 相較于地形位指數(shù)[16-17]和地形起伏度方法[14]，TPI和坡度位置分析方法省去了對數(shù)換算，簡化了地形分析復(fù)雜度.

與在低山和草原地區(qū)不同[10]，在山區(qū)地形中山脊與山谷處植被光熱條件有較大差異，其生長情況和增長趨勢也體現(xiàn)出較大差異. 但受城鎮(zhèn)擴(kuò)張影響，2000—2018年赤水河流域建設(shè)用地從24 km2增至569 km2，面積增加了約23倍，主要是中坡、下坡和山谷的耕地大面積轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，而山谷建設(shè)用地從6.32 km2增至116.34 km2，占建設(shè)用地面積的20.45%. 實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，赤水河流域下游河谷地區(qū)粗放型小企業(yè)、小作坊無序發(fā)展問題突出，在仁懷市、習(xí)水縣、桐梓縣和赤水市河谷地區(qū)植被覆蓋度下降較明顯，城鎮(zhèn)建設(shè)擴(kuò)張和國土空間開發(fā)對區(qū)域資源環(huán)境承載力能力形成較大壓力，增加了區(qū)域生態(tài)風(fēng)險[24-25].

赤水河流域耕地以坡耕地為主，其中山脊處的耕地面積達(dá)390 km2，而上坡和下坡處的耕地面積占耕地總面積的32.64%. 坡耕地本身土地肥力低，長期在坡耕地活動不僅加劇喀斯特地區(qū)的石漠化[26]，對該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成負(fù)面影響，而且山脊處地勢陡峭，極易發(fā)生水土流失甚至造成山洪災(zāi)害[27-29]. 因此，可結(jié)合地形分異特征對赤水河流域耕地資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，通過對其加以引導(dǎo)和提升來加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)化和生態(tài)產(chǎn)業(yè)化村鎮(zhèn)建設(shè)，改變生產(chǎn)經(jīng)營方式，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)旅游及相關(guān)產(chǎn)業(yè)，優(yōu)化村鎮(zhèn)建設(shè)承載力條件[30]，提升耕地質(zhì)量，維護(hù)流域生態(tài)安全.

相較于草地和耕地，林地對流域生態(tài)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)更大，而赤水河流域林業(yè)類型中針葉林和闊葉林面積相對較小，且主要分布在古藺縣北部、赤水市大部和習(xí)水縣西北部. 雖然近年來赤水河流域林地面積整體上從1.01×104km2增至1.09×104km2，但在中上游地區(qū)人工造林存在林分結(jié)構(gòu)單一等問題. 后期應(yīng)注重在赤水河流域中上游的中坡、下坡和山谷地區(qū)垂直生境多樣性的規(guī)劃和建設(shè)，以促進(jìn)流域生物多樣性、提升流域生態(tài)服務(wù)功能；同時，通過優(yōu)化植被生境和土地利用空間格局，流域水資源供給和調(diào)節(jié)能力可進(jìn)一步得到提升.

植被生長變化的影響因素極其復(fù)雜，筆者僅對赤水河流域植被生長季NDVI取平均值，忽視了其他時間尺度下的植被生長特征. 后期可結(jié)合全年NDVI數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)更加具有代表性的植被指數(shù)，同時利用土地利用格局變化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化揭示地形因素對于村鎮(zhèn)建設(shè)生態(tài)安全約束的影響因素. 另外，對于不同植被類型的物候特征、地帶性植物、流域水源涵養(yǎng)能力、生境質(zhì)量的地形分異特征后期可做進(jìn)一步探索.

4 結(jié)論

a) 赤水河流域植被生長整體較好且呈增強(qiáng)趨勢. 1998—2018年植被生長季平均NDVI呈緩慢上升趨勢，斜率為0.004 7；NDVI >0.60的集中連片區(qū)域主要分布在古藺縣北部、赤水市大部和習(xí)水縣西北部，占赤水河流域總面積的8.42%；植被生長增強(qiáng)趨勢最明顯區(qū)域?qū)?yīng)的Sen′s slope區(qū)間為0.009～0.015，主要集中分布在赤水河中上游沿赤水河干流、二道河干流地區(qū)以及下游的大同河干流地區(qū).

b) 赤水河流域植被分布在118.5～486.9的TPI區(qū)間或分布在山脊處時其整體生長較好，且生長增強(qiáng)趨勢最明顯.

c) 建議對山谷坡度位置的村鎮(zhèn)生態(tài)建設(shè)加強(qiáng)約束和引導(dǎo)，以維護(hù)村鎮(zhèn)建設(shè)生態(tài)安全.