2000—2021年平和縣植被覆蓋度變化及其地形驅動因子分析

楊辰叢海

(福建師范大學 地理科學學院，福建 福州 350007)

植被是重要的地表覆蓋類型，在生態(tài)系統(tǒng)能量循環(huán)、自然界物質轉換中扮演重要角色，作為連接自然界各個要素的紐帶，具有維持生態(tài)平衡、減輕水土流失等重要功能[1-2]。植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)是衡量地表植被覆蓋情況的主要指標，研究植被覆蓋度時空變化對評價生態(tài)環(huán)境[3]、監(jiān)測土地荒漠化[4]等具有重要意義。近年來，隨著遙感的廣泛運用，歸一化植被覆蓋指數(shù)(NDVI)、像元二分模型等經典方法被相繼提出，使全面且較精確地提取地區(qū)植被覆蓋度狀況成為可能[5]。

地理探測器具有定量化歸因、解釋地理現(xiàn)象空間分異等功能[6]，將地理探測器與植被覆蓋度結合起來，探究其空間分布變化的驅動因子，定量化解釋氣溫、降水、地形、人口密度等不同因素對植被覆蓋度變化的影響[3]，已經有較豐富的研究成果。鄭勇等[7]對川西高原地區(qū)的研究表明，氣溫對植被覆蓋度變化的影響具有即時性，且在生長期時相關性最強；李雨鴻等[8]對江西省進行研究，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度與不同氣候因子的相關性具有空間分異性，氣溫并不總是與植被覆蓋度呈正相關；王偉澤等[9]對扎龍濕地的研究表明，外來河流來水及人工補水是扎龍濕地植被覆蓋度改善的主要因素，而氣溫及降水變化則無明顯影響。綜合各位學者的研究，可以發(fā)現(xiàn)在不同研究區(qū)影響植被覆蓋度的因素各不相同，主導因素在不同地區(qū)具有較大差異性。

平和縣是福建省水土流失重點治理縣之一[10]，水土流失程度在福建省內僅次于長汀縣與寧化縣[11]，面臨較嚴重的水土流失問題。近年來，土地利用結構失衡、農業(yè)用地面積下降、蜜柚種植不規(guī)范等問題[12]成為當?shù)厮亮魇е卫淼闹匾枇?。植被覆蓋度的變化可有力反映該地水土流失治理成效，但目前而言，針對福建省平和縣這一地區(qū)的植被覆蓋度變化及其地形驅動因素的研究罕有見報。

本文以福建省平和縣為研究對象，基于2000—2021年中3個年度遙感影像，使用像元二分模型提取植被覆蓋度，研究平和縣植被覆蓋變化趨勢；在數(shù)據(jù)離散化的基礎上，基于地理探測器的定量化歸因方法，分析海拔、坡向、坡度3種地形因子與植被覆蓋度的聯(lián)系及不同地形因子植被覆蓋度的變化差異，并定量探討何種地形因子對植被覆蓋度的影響相對更明顯，為平和縣后期水土保持工作的開展提供一定數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

平和縣隸屬于福建省漳州市，處閩粵交界地帶，地理坐標為116°54′～117°31′E，24°02′～24°35′N，年降水約1 700 mm，年均氣溫約21.3 ℃，相對濕度約80%[13]。該地盛產蜜柚，蜜柚是當?shù)刂匾厣r業(yè)，在2019年蜜柚產值達到29億元，但蜜柚園盲目開發(fā)所帶來的生態(tài)破壞，是當?shù)厮亮魇е卫硭媾R的新挑戰(zhàn)[14]。

本研究使用2000年和2010年2幅Landsat 5影像及2021年Landsat 8影像，采樣時間均為3—4月，云量均為4%以下；DEM數(shù)據(jù)采用Aster Gedm 30 m分辨率地表高程模型。遙感影像與DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/sources)。下載數(shù)據(jù)后，進行幾何校正，大氣校正并依行政區(qū)邊界進行圖像裁剪，使用ENVI及GIS進行后續(xù)操作。

1.2 植被覆蓋度的提取

使用波段計算工具得NDVI后，再使用像元二分模型提取地表植被覆蓋度信息。該方法假設每個像元都是純植被像元與純土壤像元的線性加權組合，其計算公式為[15]：

植被覆蓋度=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)。

式中，植被覆蓋度為地表植被覆蓋度，NDVI為某一像元真實NDVI值，NDVIsoil為純裸土像元的NDVI值，NDVIveg為純植被像元NDVI值。本文參照劉憲鋒等[16]研究方法，取NDVI頻率累積表的0.5%及99.5%作為純裸土及純植被的NDVI值。

1.3 地理探測器分析

1.3.1 數(shù)據(jù)離散化處理

地理探測器分析需首先對數(shù)據(jù)進行離散化處理。本文需要分級的指標為植被覆蓋度、海拔、坡度及坡向。植被覆蓋度及坡度參照《土壤侵蝕分類分級標準》[17]中關于FVC及坡度的表述進行分級，海拔采用自然斷點法分級。植被覆蓋度、海拔、坡度均分為1～5級，分別對應低、中低、中、中高、高。坡向參照地區(qū)相近的吳思佳等[18]對閩三角地區(qū)坡向的劃分標準，將坡向分為平地(-1°)、陰坡(0°～45°，315°～360°)、半陽坡(45°～135°)、陽坡(135°～225°)、半陰坡(225°～315°)5級。植被覆蓋度、坡度、海拔3種指標分級標準見表1。為方便統(tǒng)計，本文在分區(qū)字段統(tǒng)計中，依照分級標準對FVC進行劃分，但在地理探測器計算時，仍然使用FVC原始值。使用GIS中分區(qū)統(tǒng)計功能，分別計算獲得各個分級區(qū)內植被覆蓋度變化規(guī)律。

表1 各指標分類標準

1.3.2 地理探測器計算

基于空間自相關的地理探測器認為，對某一地理要素分布有重要影響的因子，其在空間分布上也應與受影響的地理要素具有一致性[6]。本文將植被覆蓋度視為因變量Y值，影響因子海拔、坡度、坡向視為X值，使用地理探測器中的因子探測器(Factor Detector)功能進行分析。其計算公式為：

2 結果與分析

2.1 平和縣植被覆蓋度空間變化

2000—2021年，平和縣整體植被覆蓋度呈上升趨勢，平均植被覆蓋度在2000年、2010年及2021年分別為0.531、0.610及0.617。主要植被覆蓋類型為中高植被覆蓋，其次為高植被覆蓋。中高植被覆蓋占比在2000年、2010年及2021年分別達到49.58%、53.99%及63.82%，上升趨勢明顯。而隨著中高植被覆蓋區(qū)的增加，中低植被及低植被覆蓋區(qū)占比不斷下降，向更高級植被覆蓋度轉移的趨勢較為明顯，兩者占比總和由2000年的11.11%下降至2021年的2.83%。

2.2 平和縣不同地形因子的植被覆蓋度變化分異

從植被覆蓋度現(xiàn)狀來看，植被覆蓋度變化規(guī)律為高海拔區(qū)>中高海拔區(qū)>中海拔區(qū)>中低海拔區(qū)>低海拔區(qū)；高坡度>中高坡度>中坡度>中低坡度>低坡度，坡度分區(qū)整體內部差異較??；半陽坡>陽坡>陰坡>半陰坡>平地。

從植被覆蓋度改善趨勢(表2)來看，在時間方面，2000—2010年度改善較為明顯，除高海拔區(qū)出現(xiàn)小幅度下滑外，其余地區(qū)植被覆蓋度均表現(xiàn)出明顯的增加趨勢，中低海拔區(qū)、低坡度區(qū)及平地區(qū)改善趨勢最為明顯，提升幅度分別達到了0.116、0.128及0.097；而在2010—2021年，除了高海拔區(qū)、低坡度區(qū)及平地區(qū)植被覆蓋度仍有明顯改善外，其他區(qū)域植被覆蓋度變化均較不明顯，只有小幅度上升，中低海拔、中海拔等部分地區(qū)出現(xiàn)小幅度退化現(xiàn)象，整體改善幅度較2000—2010年時間段弱，這與整體平均植被覆蓋度提升趨勢相吻合，2000—2010年平均植被覆蓋度由0.531提升至0.610，而2010—2021年則由0.610提升至0.617，提升幅度明顯較小。

表2 海拔、坡度、坡向各分區(qū)平均植被覆蓋度變化

2.3 地理探測器分析

基于2000年及2010年2幅圖像，對海拔、坡度、坡向3者進行因子探測(表3)。在2000年，坡度>坡向>海拔；而在2010年，則坡度>海拔>坡向。坡度對植被覆蓋度的解釋力最強，且明顯高于其他因子；在2010年，海拔的解釋力明顯上升。

表3 不同地形因子計算結果

使用交互作用探測器對因子進行探測表明，坡度與坡向結合，解釋力上升為0.217，坡度與海拔結合，解釋力上升為0.196，高于原有的單因子計算結果。這表明不同地形因子結合，對植被覆蓋度的影響較原有的單一因子更強，解釋力更高。

3 小結與討論

據(jù)吳思佳等[18]研究，在閩三角地區(qū)，植被覆蓋度在海拔1 200～1 500 m、坡度為30°～40°地區(qū)達到最大值，達到該區(qū)域之前，植被覆蓋度隨海拔及坡度的上升而上升，平地的植被覆蓋度最低，這與本文的研究結果相一致。但本文認為，在平和縣半陽坡的植被覆蓋度為最高，且整體上陽坡>陰坡，與前人研究所得的陰坡>陽坡有一定差異。其原因是陽坡接收的太陽輻射量更大，植被光合作用更強，且熱量條件更加優(yōu)秀。前人的研究區(qū)域為整個閩三角，而本文研究的平和縣為閩三角地區(qū)的一部分，植被分異規(guī)律更具有一定地方性特點。

隨著海拔及坡度的增加，植被覆蓋度向改善方向變化，低海拔、低坡度、平坦的地區(qū)植被覆蓋度更低。雖然在低海拔及低坡度區(qū)等平坦區(qū)域，氣溫相對較高，熱量條件相對較充沛，但由于該地區(qū)地勢平坦，較適合城鎮(zhèn)建設用地及經濟活動，人類活動在該區(qū)域更加集中，城鎮(zhèn)化擴張、農田向城鎮(zhèn)用地轉換等人類活動[19]，均會對植被覆蓋度造成一定影響，因此，植被景觀在該區(qū)域更容易受到人類活動的擾動影響，植被覆蓋度相對較低。也正由于人類活動在該地區(qū)集中，人類行為的空間可達性相對更強，當人類受到生態(tài)文明建設等政策引導時[20]，發(fā)揮主觀能動性以改善地表植被狀況，該地區(qū)也最易被改善，因此，該地區(qū)植被覆蓋度的提升幅度最為明顯。

坡度是3種地形因子中解釋力最強的因子。坡度可通過影響土壤保持程度、水土流失、下墊面條件等[21]，對植被生長情況及植被覆蓋度產生影響，從而具有較強的解釋力。隨著時間的變化，3種地形因子對植被覆蓋度分布的解釋力呈下降趨勢。原因可能是隨著時間的推移，城市化及經濟發(fā)展加快，人類活動對地表植被覆蓋的影響程度增大，植被覆蓋度受地形等自然因素影響減小，而受人口密度、城鎮(zhèn)用地面積等人為因素影響提升。另外，坡度與其他地形因子的結合，意味著更豐富的水熱組合，對植被的影響也更加多樣化，更能解釋不同地區(qū)植被覆蓋度的分異規(guī)律。

基于本研究，本文得出如下結論。

平和縣整體植被呈改善趨勢，中高及高植被覆蓋區(qū)占比不斷提升，中低及低植被覆蓋區(qū)占比不斷下降。近年來改善趨勢有所趨緩，在中海拔、高坡度地區(qū)出現(xiàn)一定退化。

整體上，平和縣現(xiàn)有植被覆蓋度在高海拔、高坡度及半陽坡較高，隨著海拔及坡度的升高，植被覆蓋度呈上升趨勢；在低海拔、低坡度及平地地區(qū)覆蓋度較低，但改善幅度在該地區(qū)也最明顯。

在海拔、坡度、坡向3種地形因子中，坡度對植被覆蓋度的解釋力最強，與植被覆蓋度有最顯著的關聯(lián)性。海拔和坡度、坡度和坡向等不同因子疊加，對植被覆蓋度的解釋度較單一因子更強。而隨著時間變化，3種因子解釋力均有不同程度下降。

本文所研究的海拔、坡度、坡向等3種地形因子對植被覆蓋度的解釋力都較弱，q值均較低，只能說明某種因子在被研究的3種因子中解釋力相對更強，但影響植被覆蓋度的因素極其復雜，如氣溫、降水、城鎮(zhèn)發(fā)展、人口數(shù)量等均可能與植被覆蓋度的變化有一定關系，且可能具備更高的解釋力。進一步探討其他因子對植被覆蓋度的影響，是本研究后續(xù)進展方向。