安徽省植被覆蓋度動態(tài)變化及其對地形的響應

姚鎮(zhèn)海, 吳丹娃, 褚榮浩, 姚葉青, 何彬方, 黃 勇

(1.安徽省公共氣象服務中心, 安徽 合肥 230031; 2.安徽省氣象科學研究所, 安徽 合肥 230031)

植被是旅游資源的重要組成部分，其釋放出的氧氣或負離子非常利于人體的保健[1]。對植被資源的發(fā)掘就是讓“綠水青山”助力安徽旅游經(jīng)濟的發(fā)展，為創(chuàng)建美麗安徽添磚加瓦。植被覆蓋度不僅能表征植被茂盛程度，而且能體現(xiàn)植物光合作用面積多寡，是反映生態(tài)系統(tǒng)的重要指標。傳統(tǒng)法通過測得植被垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比給出植被覆蓋度的實測結果。該方法雖然受效率低、監(jiān)測區(qū)域面積的限制，但精度優(yōu)良，實時性好。使用衛(wèi)星遙感影像進行植被覆蓋度的估算，相比傳統(tǒng)儀器觀測方法變得更加簡潔、時間連續(xù)性好、覆蓋面積廣闊，利于多研究領域應用推廣[2]。除了傳統(tǒng)監(jiān)測、衛(wèi)星監(jiān)測，基于無人機多光譜影像亦可獲取地表植被信息。無人機遙感技術具有作業(yè)效率高、靈活性好、空間分辨率優(yōu)良等優(yōu)點，非常適宜局地考察監(jiān)測。但受無人機系統(tǒng)續(xù)航能力局限性，其監(jiān)測范圍和長時間觀測能力難以媲美衛(wèi)星遙感手段。受葉綠素、細胞結構和含水量等要素影響，植被在可見光到近紅外光譜段呈現(xiàn)典型的光譜曲線，采用不同譜段測量值進行組合，得到植被指數(shù)用于表征地面植被生長特征[3-5]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)對植被綠色信息敏感，對全球或區(qū)域植被生長監(jiān)測有良好的效果。NDVI估算植被覆蓋度則是一種成熟的技術方法[6-8]。已有研究表明：影響植被覆蓋度主要氣候因素有降水、氣溫，隨季節(jié)性變化，各氣候區(qū)氣候因子的影響程度不同[9-13]。植被覆蓋度具有時空尺度的依賴性，不同時空尺度下呈現(xiàn)明顯差異[14-16]。

安徽省擁有平原、丘陵、山地等豐富的地形地貌。皖北平原多耕地，大別山和皖南山區(qū)旅游資源豐富，森林茂盛。雖然前人對安徽省植被指數(shù)和氣候要素的關系有過研究，但對于植被覆蓋度與地形之間的關系研究相對較少。對安徽省植被覆蓋度動態(tài)變化與地形響應的研究分析，可為安徽省農(nóng)業(yè)種植，或發(fā)展相關旅游產(chǎn)業(yè)提供精細化的生態(tài)學參考依據(jù)。因此，本研究基于安徽省2001—2019年的MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)，計算出植被覆蓋度，結合安徽省土地分類和地形數(shù)據(jù)，運用統(tǒng)計分析方法研究植被覆蓋度的動態(tài)變化與地形因子的相互關系，為安徽省生態(tài)建設提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

安徽省地處長江中下游地區(qū)，是暖溫帶與亞熱帶過渡區(qū)，受季風氣候影響四季分明，物種多樣，山區(qū)森林資源豐富。東鄰江蘇省，南接江西省，東南與浙江省接壤，西邊與河南、湖北省接壤，北邊與河南、山東省相會。位于114°54′—119°27′E和29°41′—34°38′N之間。東西寬、南北長分別約450 km，570 km。作為中國東部地區(qū)的農(nóng)業(yè)和旅游大省，安徽省地勢西高東低、南高北低(圖1)。涵蓋平原、丘陵和山地等地貌。其中，皖西坐落著大別山腹地，南部為皖南山區(qū)。

圖1 安徽省地形圖

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源預處理

遙感數(shù)據(jù)來源于EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)網(wǎng)址：https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov。其中2001—2019年MOD13Q1歸一化植被指數(shù)NDVI產(chǎn)品時間分辨率16 d，空間分辨率500 m×500 m。MCD12 Q1土地分類數(shù)據(jù)時間分辨率為1 a，空間分辨率500 m×500 m。地理地形數(shù)據(jù)包括安徽省DEM柵格數(shù)據(jù)、行政邊界矢量數(shù)據(jù)。其中DEM高程數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供的SRTM3高程數(shù)據(jù)，分辨率90 m×90 m，重采樣到500 m×500 m。

使用MRT (MODIS Reprojection Tools)將MOD13A1 NDVI數(shù)據(jù)、MCD12 Q1土地分類數(shù)據(jù)各自拼接，并將其轉(zhuǎn)換為WGS 84/Albers Equal Area Conic投影結果。采用最大合成法(MVC)將16 d的NDVI數(shù)據(jù)合成為逐年各月結果[17]。最后使用安徽省矢量邊界裁切得到研究區(qū)內(nèi)的遙感影像。研究表明，平原地區(qū)進行坡向提取生成的結果較為隨機，缺乏物理意義，地理分析時需要將其剔除[18]。故依據(jù)DEM的空間分辨率，在ArcGIS中將DEM高度大于100 m作為閾值進行掩模，提取掩膜內(nèi)的數(shù)據(jù)用于坡向分析。

2.2 植被覆蓋度的計算

基于像元二分模型法計算植被覆蓋度。單個遙感影像的像元由包含植被在內(nèi)的多種混合地物組成。每個像元的NDVI值理論上可劃分為純植被和土壤合成的混合像元，計算公式如下：

NDVI=NDVIv×Vc+NDVIs×(1-Vc)

(1)

式中：NDVI代表混合像元歸一化植被指數(shù)，NDVIv為純植被NDVI值，NDVIs為土壤NDVI值，Vc為混合像元下的植被覆蓋度。其中，NDVIv與NDVIs是獲取植被覆蓋度的兩個關鍵參數(shù)?？赏ㄟ^獲取NDVI灰度值分布，基于累計頻率法得到多年逐月NDVIv與NDVIs數(shù)值[19-20]。在植被稀疏地區(qū)和中國荒漠地區(qū)，二分模型估算植被覆蓋度誤差較大，但在中國東南等季風區(qū)可以良好適用。由此得植被覆蓋度計算公式：

(2)

2.3 植被覆蓋度隨海拔、坡向變化分析

依據(jù)上述計算方法，給出植被覆蓋度多年平均逐月空間分布場與年變化結果。定義春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至翌年2月)，分別計算各季節(jié)植被覆蓋度。依據(jù)安徽省海拔分布，將DEM劃分為7個區(qū)間：200 m以下；200～350，350～500，500～750，750～1 000，1 000～1 250 m和1 250 m以上。統(tǒng)計各海拔區(qū)段內(nèi)植被覆蓋度的平均值，結合各海拔區(qū)段內(nèi)土地類型統(tǒng)計結果，分析植被覆蓋度垂直方向分布特征。使用高度大于100 m的海拔掩膜處理后的DEM數(shù)據(jù)計算坡向。定義北坡(337.5°～22.5°)、東北坡(22.5°～67.5°)、東坡(67.5°～112.5°)、東南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°)、西南坡(202.5°～247.5°)、西坡(247.5°～292.5°)和西北坡(292.5°～337.5°)這8個坡向。統(tǒng)計各坡向內(nèi)的植被覆蓋度和土地類型，分析植被覆蓋度水平向分布特征(圖2)。

圖2 植被覆蓋度計算與海拔、坡向分析流程圖

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度月變化特征

圖3為安徽省各月植被覆蓋度空間分布狀況。從圖3可知，全省植被覆蓋度低值區(qū)(0.2以下)多為河流、湖泊，表現(xiàn)為條帶狀、塊狀的圖斑。植被覆蓋度季節(jié)變化顯著，夏高冬低。1月、10—12月，山區(qū)植被覆蓋度高于平原，且差異明顯。2—5月，淮北平原地區(qū)高于山區(qū)，6月迅速減小。安徽省淮北平原為小麥主產(chǎn)區(qū)，冬小麥生長、收割會造成植被覆蓋度的變化。7—9月植被覆蓋度達到最高值，全省大部地區(qū)超過0.8，且山區(qū)平原差異達到最小，體現(xiàn)出全省范圍夏季植被生長繁茂的特征。安徽省最大的淡水湖巢湖，全年植被覆蓋度呈現(xiàn)低值(低于0.2)，但7—10月西半湖值區(qū)介于0.2～0.4之間，比其他湖區(qū)偏高，這可能與水體表面的葉綠素成分增多有關。

圖3 安徽省各月植被覆蓋度空間分布特征

3.2 植被覆蓋度的年變化特征

統(tǒng)計全省植被覆蓋度的逐年變化，得到如圖4結果。由圖4可知：2001—2019年全省植被覆蓋度呈現(xiàn)波動上升趨勢。變化范圍在0.72～0.80之間，擬合表達式為y=0.003 9x-7.085 1，R2值高達0.814 8，與時間相關性顯著。近19 a來全省植被覆蓋度以0.003 9/a的變化率上升。

圖4 安徽省2001-2019年植被覆蓋度變化

基于MCD12 Q1土地分類數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各類地表類型的植被覆蓋度年變化。受數(shù)據(jù)空間分辨率和混合像元的影響，我們發(fā)現(xiàn)土地分類數(shù)據(jù)里：多樹草地、稀樹草地在光譜特性與時間變化上類似，無法進一步區(qū)分每個子類的詳細特征。為利于統(tǒng)計，區(qū)分類別，故將這兩類地物合并為一大類：多樹/稀樹草地，統(tǒng)計名稱定義為“樹草地”(下同)。給出了6類地物：常綠林、落葉林、混交林、樹草地、耕地和城鎮(zhèn)的植被覆蓋度逐年變化(圖5)。其數(shù)值從高到低分別為：常綠林>混交林>落葉林>樹草地>耕地>城鎮(zhèn)，這與下墊面植被類型等因素有關。6類地物中，耕地、城鎮(zhèn)、樹草地和常綠林植被覆蓋度上升趨勢顯著，且通過顯著性0.05檢驗。其中耕地年變化趨勢最高，達0.005 5/a，城鎮(zhèn)0.002 8/a，樹草地為0.002 6/a。而常綠林植被覆蓋度年變化趨勢最低，為0.000 5/a。落葉林與混交林年變化趨勢不顯著，且未通過顯著性檢驗。

圖5 安徽省2001-2019年不同地表類型植被覆蓋度變化

3.3 全省植被覆蓋度隨海拔分布

由圖6可知，不同海拔區(qū)間內(nèi)，植被覆蓋度四季差異明顯。夏季呈現(xiàn)高值，冬季為低值。各季節(jié)中200 m以下植被覆蓋度達到最低，200～350 m陡然增加，體現(xiàn)出該海拔區(qū)間植被覆蓋類型的變化。海拔500～1 250 m植被覆蓋度變化不甚顯著，1 250 m以上則呈輕微下降趨勢。

為進一步探究植被覆蓋度隨海拔變化的原因，分類地表類型像元，給出土地分類空間場[21]，并結合植被覆蓋度多年平均結果，對不同海拔區(qū)間內(nèi)的常綠林、落葉林、混交林、樹草地、耕地、水體和城鎮(zhèn)7類地物進行統(tǒng)計分析(表1)。由表1可知，200 m以下區(qū)域耕地面積比例最大，為72.21%，樹草地占18.16%，林地面積比例低至2.8%；200～350 m林地和樹草地面積比例增加，分別達到31.23%和65.62%，結合圖5中各類地物植被覆蓋度數(shù)值相互關系可知，林地、樹草地的植被覆蓋度高于耕地。進而解釋了圖6中該區(qū)間植被覆蓋度陡然增加的原因。350 m以上地區(qū)以林地和樹草地覆蓋為主，隨海拔增加，樹草地、常綠林面積比例呈下降趨勢，落葉林、混交林有一定程度增加趨勢。海拔1 000 m以上，耕地、城鎮(zhèn)和水體基本無面積分布。1 250～1 750 m，落葉林面積比例最高，達到56.1%，混交林面積比例減少至31.49%，常綠林面積比例最低，為0.28%。

圖6 安徽省不同季節(jié)植被覆蓋度均值隨高程變化特征

表1 安徽省不同海拔區(qū)間內(nèi)各地表類型面積比例變化

3.4 全省范圍植被覆蓋度隨坡向分布

如圖7所示，各坡向植被覆蓋度四季差異顯著，從高到低排序為：夏季>秋季>春季>冬季，反映安徽省四季植被生長的變化特點。植被覆蓋度夏季最高，各坡向均高于0.9；冬季最低，介于0.75～0.8之間；秋季、春季，則分別位于0.85～0.9，0.8左右變化。隨坡向分布，四季植被覆蓋度呈現(xiàn)峰谷變化特征顯著。北坡為峰值，南坡為谷值。

圖7 安徽省四季植被覆蓋度隨坡向分布特征

為進一步分析植被覆蓋度隨坡向呈峰谷變化原因，統(tǒng)計各坡向的地表類型面積，得到各地表類型面積比例隨坡向變化特征(圖8)。由表1可知，海拔200 m以上，耕地、城鎮(zhèn)累計面積比例過低，分別僅4.32%和0.19%，在圖8中已不便區(qū)分。故將耕地和城鎮(zhèn)歸類在一組中。水體為水平面，坡向值無意義，故不納入坡向統(tǒng)計討論中。各坡向混交林、樹草地面積之和比例最高，兩者在各坡向面積比例差異存在變化。而耕地、城鎮(zhèn)面積比例最低，各坡向差異較小。全省南、北坡混交林與樹草地面積和分別為84%，86%。南、北坡的混交林面積比例分別為21%，44%；樹草地面積比例分別為63%，42%。而常綠林、落葉林、城鎮(zhèn)、耕地的面積比例之和不足20%。北坡樹草地、混交林面積比例幾乎各占一半，分別為44%，42%，混交林面積比例(42%)高于南坡(21%)。結合圖5中各類地物植被覆蓋度相互關系可知：混交林植被覆蓋度數(shù)值高于樹草地。進而解釋了全省范圍植被覆蓋度北坡大于南坡的原因。

圖8 安徽省各地表類型面積比例隨坡向變化特征

定義東南、西南、南坡向為南向山區(qū)，東北、西北、北坡向為北向山區(qū)，逐年統(tǒng)計北向、南向山區(qū)植被覆蓋度差異，給出變化結果(圖9)。由圖9可知，2001—2019年南北向山區(qū)四季植被覆蓋度差異值均呈現(xiàn)波動下降趨勢，介于0.004～0.025之間變化。其中春、秋季南、北向山區(qū)植被覆蓋度逐年差異呈現(xiàn)高值，且彼此接近；冬季次之；夏季南、北向山區(qū)植被覆蓋度逐年差異達到最低。

圖9 安徽省南、北向山區(qū)植被覆蓋度差異逐年變化特征

計算南、北向山區(qū)植被覆蓋度差異值的多年平均，得到統(tǒng)計結果：北向、南向山區(qū)植被覆蓋度差異在夏季達到最低，僅0.009 3；秋季達到最高，達到0.014 2。春冬季分別為0.013 9，0.012 5。

4 討論及結論

4.1 討 論

(1) 植被覆蓋度隨時間變化。安徽省1月、10—12月，山區(qū)植被覆蓋度高于平原地區(qū)，差異明顯。2—5月，淮北平原地區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)高值，6月迅速減小，反映作物(小麥)種植、收割對下墊面植被覆蓋度的影響。7—9月植被覆蓋度達到最高值，全省范圍差異最小，體現(xiàn)全省夏季植被生長繁茂的特征。夏秋季巢湖西半湖數(shù)值比其他湖區(qū)偏高，上述水華地區(qū)靠近合肥市，城市化帶來的排放，會促使水體富營養(yǎng)化。而該時間段內(nèi)氣候特性利于滋生藍藻，藍藻中的葉綠素使得水體植被覆蓋度數(shù)值增高[22]。李晟銘等[23]也提到巢湖西北部水體夏秋季節(jié)易產(chǎn)生藍藻，是水華大爆發(fā)的核心區(qū)。由于植被特征的差異，不同地表類型植被覆蓋度從高到低分別為：常綠林>混交林>落葉林>樹草地>耕地>城鎮(zhèn)。各地表類型的植被覆蓋度變化略有差異，但整體來看。安徽省植被覆蓋度還是以年變化率0.003 9/a的速度呈逐年波動上升趨勢，側面說明安徽省重視生態(tài)建設，采取積極的植樹造林措施帶來的積極影響。

(2) 植被覆蓋度隨海拔變化。不同海拔區(qū)間內(nèi)，植被覆蓋度四季差異明顯，受下墊面植被影響顯著。海拔200 m以下地表類型以耕地為主，林地面積最小，植被覆蓋度呈現(xiàn)最低值；200～350 m林地和樹草地面積比例增加，導致該區(qū)間植被覆蓋度上升明顯；350～1 000 m之間處于丘陵地區(qū)，下墊面植被類型豐富，以林地、樹草地為主，植被覆蓋度變化不明顯；1 250 m以上，落葉林面積比例最高，混交林、常綠林面積比例進一步減小，該區(qū)間內(nèi)植被覆蓋度呈下降趨勢[24]，很好體現(xiàn)出下墊面植被類型的變化。綜上可知，垂直方向上，安徽省植被呈現(xiàn)耕地、常綠林、混交林、落葉林、樹草地的地帶性分布特征，使得植被覆蓋度呈現(xiàn)特征性的變化規(guī)律。

(3) 植被覆蓋度隨坡向變化。各坡向四季植被覆蓋度從高到低分別為：夏季>秋季>春季>冬季。植被覆蓋度隨坡向呈顯著峰谷變化特征。姚鎮(zhèn)海等[25]對全國月平均植被指數(shù)空間分布特征分析表明：植被指數(shù)隨坡向呈現(xiàn)“雙峰雙谷”變化特征，東南、西北坡為峰值，西南、東北坡為谷值異。與本次研究結果在時間上分布特征有類似之處，但空間分布特征存在差異。這是由于全國尺度下，植被分布更能體現(xiàn)出中國季風氣候的風向變化宏觀特征[26]。安徽省位于華東地區(qū)，全年水熱差異比全國范圍更小，受氣候地理地形等因素影響，植被分布差異比全國更低，因而人為活動對植被覆蓋的影響相會比季風氣候影響更明顯[27]。安徽省四季植被覆蓋度北坡呈現(xiàn)峰值，南坡谷值。徐京京等[28]、桃等[29]、魏建瑛等[30]研究表明，南向山區(qū)為向陽面，適宜人類農(nóng)事生產(chǎn)種植混交林經(jīng)濟灌木。筆者實地考察發(fā)現(xiàn)，安徽省山區(qū)的經(jīng)濟作物主要為茶葉和竹林。在此過程中導致地表植被類型演變，亦可能是造成南坡覆蓋度低于北坡的人為因素之一。

(4) 南、北向山區(qū)植被覆蓋度差異。南向、北向山區(qū)植被覆蓋度差異在夏季達到最低，秋季達到最高。造成這種差異的原因如下：①安徽地處長江中下游地帶，屬于亞熱帶季風氣候和溫帶季風氣候交界地帶，夏季受梅雨風帶的移動，全省降水隨坡向分布不均。相比降水量，NDVI與氣溫線性正相關性更高，而降水與NDVI存在非線性正相關性，且年際關系呈現(xiàn)弱相關[31]。氣溫對安徽省植被覆蓋影響更加顯著，起著主導作用。②屈非凡等[32]及姚鎮(zhèn)海[33]對月平均氣溫分布式模擬研究結果表明，夏季中國東部地區(qū)南、北坡向氣溫差異達到最低，春、秋季差異則增大。這是造成夏季南、北坡向植被覆蓋度差異小于春、秋季的原因。

本次研究主要討論了安徽省植被覆蓋的動態(tài)變化與地形因子的相互關系，由于安徽省山區(qū)具有地形復雜、植被種類繁多等特點，需結合高分辨率遙感資料和現(xiàn)場勘測資料，研究山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等小尺度下的生態(tài)資源分布規(guī)律。展望未來，安徽省一方面需進一步做好植樹造林、退耕還林、城市污水治理等生態(tài)保護工作。另一方面，采用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并結合便攜式氣象站、負離子監(jiān)測儀，甚至無人機多光譜遙感等現(xiàn)場勘查資料，開展山區(qū)生態(tài)資源普查技術的研究，為我省旅游資源的開發(fā)利用提供科學依據(jù)，讓“綠水青山”更好地造福于人們美好生活。

4.2 結 論

(1) 2001—2019年安徽省植被覆蓋度呈逐年波動上升趨勢。植被覆蓋度季節(jié)變化顯著。1月、10—12月，山區(qū)植被覆蓋度高于平原。2—5月，淮北平原地區(qū)的植被覆蓋度高于山區(qū)，6月迅速減小。7—9月全省植被覆蓋度達到高值，大部地區(qū)植被覆蓋度高于0.8，空間差異最小，體現(xiàn)夏季全省植被繁茂的特征。

(2) 不同海拔區(qū)間內(nèi)，植被覆蓋度呈夏高冬低的特點。海拔200 m以下平原地區(qū)以耕地為主，植被覆蓋度呈現(xiàn)最低值，春、夏、秋、冬四季分別達0.73，0.79，0.68，0.58；200～350 m林地和樹草地面積比例增加，植被覆蓋度陡然增加；500～1 250 m以林地和樹草地覆蓋為主，植被覆蓋度變化不甚顯著；1 250 m以上呈下降趨勢。

(3) 安徽全省四季植被覆蓋度從高到低依次為：夏季>秋季>春季>冬季。山區(qū)各坡向混交林和樹草地面積之和比例最高(>80%)。全省南、北坡的混交林面積比例分別為：21%，44%，樹草地面積比例分別為63%，42%。四季植被覆蓋度隨坡向呈現(xiàn)峰谷變化特征顯著，北坡、南坡為分別為峰值、谷值。夏季南、北向山區(qū)植被覆蓋度差異最低(0.009 3)；秋季最高(0.014 2)；春、冬季分別為0.013 9，0.012 5。

(4) 2001—2019年全省南、北向山區(qū)四季植被覆蓋度差異值呈波動下降趨勢，介于0.004～0.025之間變化。南、北向山區(qū)逐年植被覆蓋度差異在春、秋季呈現(xiàn)高值，且彼此接近，冬季次之，夏季南、北向山區(qū)逐年植被覆蓋度差異達到低值。