1993—2019年龍脊梯田植被覆蓋度變化及其空間分布格局*

王醒，方榮杰，張帥普，黃卉，黃朗，吳忠軍

(1.桂林理工大學(xué)，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)，巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)，旅游與風(fēng)景園林學(xué)院，廣西 桂林 541004)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)，也是生物、大氣、水分和土壤等要素相互聯(lián)結(jié)的樞紐，在維持生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保土固土等方面具有重要作用[1-3]。植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)vc)作為衡量植被覆蓋狀況的重要指標(biāo)，是了解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要途徑[4]，其變化特征可以指示區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化狀況，被廣泛應(yīng)用于氣候、生態(tài)、水文等研究領(lǐng)域[5-7]。

植被覆蓋度時(shí)空分布特征受到社會(huì)、人文、自然等因素的綜合影響，在不同空間位置對(duì)各影響因子的響應(yīng)程度不同[8]。高程、坡度、坡向等地形因子是影響植被覆蓋變化的重要自然因素，對(duì)植被覆蓋度的影響主要體現(xiàn)為靜態(tài)響應(yīng)[9-10]，即空間分布上植被覆蓋度對(duì)地形響應(yīng)在不同空間地域上往往呈顯著差異[11]。有研究表明，在我國北方延河流域植被覆蓋度隨高程及坡度的升高總體呈先增加后減少的趨勢，陰坡的植被覆蓋度最高[12]；而在西南地區(qū)，高程大于4 000 m時(shí)，植被覆蓋度隨高程的升高逐漸下降，而且退化趨勢也最為顯著[13]。秦嶺山地植被覆蓋在低海拔區(qū)域呈減少趨勢，中海拔區(qū)呈明顯的上升趨勢，且北坡的植被覆蓋度在2 000 m以上的高海拔區(qū)域較為穩(wěn)定，而南坡在2 500～3 100 m區(qū)域內(nèi)有較明顯的減小趨勢[14]。此外，不同地形因子對(duì)不同區(qū)域植被覆蓋度的主導(dǎo)作用不同[13]。熊俊楠等[15]和劉堯文等[16]在汶川地震災(zāi)區(qū)、平潭島等地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)高程和坡度比坡向更能影響植被覆蓋度的變化；而蔡宏等[17]在赤水河流域研究表明植被覆蓋度受坡向、坡度的影響明顯高于高程。植被覆蓋度與地形因子間的關(guān)系具有復(fù)雜性及不確定性，基于不同地區(qū)地形特征的差異性來探究植被覆蓋度的空間分布規(guī)律始終備受關(guān)注[9，18]。梯田是我國重點(diǎn)關(guān)注的山地地區(qū)農(nóng)業(yè)耕種模式之一，其獨(dú)特的平面和剖面形態(tài)是由人工改變地形而形成。有大規(guī)模梯田的山丘地區(qū)因梯田梯式分布而具有獨(dú)特的地形地貌，梯田與周山森林植被的疊加形成穩(wěn)定的景觀格局，該格局可在減少水土流失等生態(tài)保護(hù)方面發(fā)揮強(qiáng)大的功能，因此山區(qū)梯田是具有生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益并存區(qū)域[19-20]。盡管前人學(xué)者已對(duì)不同區(qū)域尺度的植被覆蓋度分布特征及其對(duì)地形因子的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行許多研究，但人工梯田地形的特殊性且地表覆蓋受農(nóng)業(yè)耕種模式的影響嚴(yán)重，對(duì)具有獨(dú)特景觀格局的梯田地區(qū)植被覆蓋度變化及其對(duì)地形因子的響應(yīng)仍需進(jìn)一步探究。

龍脊梯田旅游開發(fā)始于1992年，是我國AAAA級(jí)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)旅游景區(qū)。龍脊梯田獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)由森林、村寨及梯田組成，是典型自然-人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，但近些年來，隨著龍脊梯田旅游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)愈發(fā)增強(qiáng)，多處地表受到流水侵蝕、重力坍塌等影響，境內(nèi)植被生態(tài)景觀日益破碎，高山區(qū)域的地形結(jié)構(gòu)及植被覆蓋已隨區(qū)域的發(fā)展發(fā)生了明顯變化。因此，本文以龍脊梯田小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用1993—2019年3期Landsat遙感影像及DEM地形數(shù)據(jù)，深入研究龍脊梯田旅游區(qū)自開發(fā)以來植被覆蓋度的時(shí)空分布格局及其對(duì)地形的響應(yīng)特征，以期為龍脊梯田生態(tài)環(huán)境建設(shè)及保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

龍脊梯田位于廣西桂林市龍勝各族自治縣龍脊鎮(zhèn)龍脊山(109°32′～110°14′E、25°35′～26°17′N)，分為金坑(大寨)瑤族梯田觀景區(qū)和平安壯族梯田觀景區(qū)。采用高程數(shù)據(jù)提取龍脊鎮(zhèn)上游小流域作為研究范圍，其面積為126.80 km2。研究區(qū)域主要包含平安、中祿、大寨、江柳、黃江、馬海6個(gè)行政村。區(qū)域內(nèi)崇山峻嶺，溪流縱橫。梯田主要分布在海拔300～1 100 m之間。海拔在700 m以上的山地占3/5以上，最大坡度達(dá)50°。該區(qū)域地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。夏季為東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，風(fēng)力一般1～3級(jí)。年平均氣溫14.4～16.9 ℃，最熱月(7月)平均氣溫25.4 ℃，最高氣溫32 ℃，最冷月(1月)平均氣溫7.1 ℃，最低氣溫-6 ℃。年降雨量1 600～1 700 mm，雨量豐沛，且主要集中在5—9月，年均日照時(shí)數(shù)1 225.7 h，平均無霜期290 d。植被主要有人工杉木林、竹林、混交林、水稻等，森林覆蓋率達(dá)75.6%以上。土壤類型主要為紅壤土、黃壤土及黃棕壤土。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究選取1993年9月、2006年9月、2019年10月3期影像數(shù)據(jù)，其中1993年9月和2006年9月為Landsat-5衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)，2019年10月為Landsat-8衛(wèi)星OLI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey，USGS)。本研究選取的3期遙感影像時(shí)間均處于9—10月，均為龍脊梯田的水稻生長末期，能較好反映出區(qū)域植被狀況。地形數(shù)據(jù)采用30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)。

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為減小光照、大氣等因素的影響，分析數(shù)據(jù)前先利用ENVI 5.3軟件對(duì)所獲取的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正、影像圖像剪裁等預(yù)處理，提高遙感數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量，之后計(jì)算歸一化植被指數(shù)NDVI。基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGis 10.2提取龍脊梯田分水嶺作為本次研究流域的矢量邊界。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度的提取

植被覆蓋度(Fvc)是植被冠層(包括葉、莖、枝)在地面上的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)面積的百分比，其與歸一化植被指數(shù)NDVI之間存在一定的關(guān)系[21]。本研究基于標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)(NDVI)的像元二分模型進(jìn)行龍脊梯田植被覆蓋度的反演，其原理是假設(shè)一個(gè)像元只包含純植被和純土壤兩個(gè)信息[5]。計(jì)算方法如下。

Fvc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中:NDVI為單個(gè)像元NDVI值，NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值。理論上NDVIsoil數(shù)值應(yīng)接近于0，NDVIveg數(shù)值代表全植被覆蓋單位像元NDVI的最大值，但考慮到植被類型、噪聲、地形及影像質(zhì)量等多種因素的影響，NDVIsoil與NDVIveg值會(huì)與實(shí)際值發(fā)生偏差，一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值來代表。本文選取研究區(qū)遙感影像中NDVI值累積百分?jǐn)?shù)為2%和98%附近的NDVI值來作為NDVIsoil和NDVIveg值。在ENVI 5.31系統(tǒng)中，通過遙感模型估算研究區(qū)1993年、2006年和2019年的植被覆蓋度。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際植被覆蓋狀況，將每期植被覆蓋度劃分5個(gè)級(jí)別[22-23]：低植被覆蓋度(0～0.2)、較低植被覆蓋度(0.2～0.4)、中植被覆蓋度(0.4～0.6)、較高植被覆蓋度(0.6～0.8)、高植被覆蓋度(0.8～1)。

2.2.2 地形因子分級(jí)

根據(jù)研究區(qū)地形實(shí)際情況，將研究區(qū)的高程按300～500、500～700、700～900、900～1 100、1 100～1 300、1 300～1 500、1 500～1 700、>1 700 m劃分為8個(gè)高程帶?？紤]區(qū)域地形對(duì)植被生長的影響，以8°作為緩坡和斜坡界線[24]，按0°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°劃分為5個(gè)坡度帶。坡向分為北、東北、東、東南、南、西南、西、西北面8個(gè)方向[17]。各地形等級(jí)面積所占研究區(qū)的比例見表1。

表1 研究區(qū)各地形等級(jí)面積占比

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用及植被覆蓋度變化

3.1.1 土地利用類型

為更深入了解植被覆蓋度的變化，本文采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法對(duì)龍脊梯田3期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用類型解譯，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)，將區(qū)域?yàn)榱值?、耕地、建設(shè)用地、未利用地4個(gè)土地利用類型，如圖2所示。1993—2019年，林地分布最廣泛，其次是耕地，兩者占地面積高達(dá)89%以上；建設(shè)用地面積不大，平均面積比例僅為5.78%，但其分布逐漸擴(kuò)大；未利用地面積最小，由裸土地及局部稀疏草地組成，主要分布在東北方向的高山區(qū)域。

不同土地利用類型變化差異明顯(表1)。26 a間，林地、建設(shè)用地面積總體增加，增加的大小表現(xiàn)為：建設(shè)用地>林地，而耕地面積總體減少，未利用地面積變化相對(duì)平穩(wěn)，1993—2006年，林地、未利用地面積明顯增加，耕地面積明顯減小，建設(shè)用地面積變化不明顯；2006—2019年，建設(shè)用地明顯增加，未利用地面積明顯減小，林地和耕地面積沒有太大變化。

圖1 1993、2006、2019年龍脊梯田土地利用類型

表2 1993—2019年土地利用類型面積占比

3.1.2 植被覆蓋度時(shí)空分布特征

1993—2019年龍脊梯田植被覆蓋整體狀況良好，平均植被覆蓋度達(dá)0.76以上(圖2、圖3)。各等級(jí)植被覆蓋度在空間上差異較大，較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度兩等級(jí)分布較廣，幾乎遍及整個(gè)區(qū)域，主要集中在無梯田、無村民居住的中部及邊緣的高山區(qū)域，二者占區(qū)域總面積的比例為1993年87.77%、2006年88.96%、2019年87.94%，即龍脊梯田87%以上的區(qū)域植被覆蓋達(dá)到了較高水平以上；低、較低、中等植被覆蓋度區(qū)域面積較小，主要分布在人類活動(dòng)較大、耕地用地較多的區(qū)域。

圖2 1993、2006、2019年龍脊梯田植被覆蓋度

圖3 1993—2019年龍脊梯田植被覆蓋度均值及不同等級(jí)面積比例

1993—2019年，植被覆蓋度總體變化呈“低、較低、高植被覆蓋度增加，中等、較高植被覆蓋度減小”的特征；植被覆蓋度在1993—2006年間發(fā)生了較大變化，較高、高級(jí)別植被覆蓋度分別呈明顯減小、增加趨勢，變化均達(dá)14%以上，低、較低、中植被覆蓋度變化相對(duì)較小，其中低、較低、中植被覆蓋度分別呈增加、增加、減小趨勢；各等級(jí)植被覆蓋度在2006—2019年間沒有太大變化。

3.2 植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移

表3展示了龍脊梯田不同等級(jí)植被覆蓋度轉(zhuǎn)移特征。1993—2019年高植被覆蓋度未發(fā)生級(jí)別變化的比例最大，高達(dá)83.27%；其次是低、較高植被覆蓋度，中等、較高植被覆蓋度未發(fā)生級(jí)別變化的比例最小。在植被覆蓋度發(fā)生級(jí)別變化中，1993—2006年低植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)移至中等植被覆蓋度，而較低植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)移至中等、較高植被覆蓋度，中等、較高植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)移至比各自高一級(jí)別的植被覆蓋度；2006—2019年低、較低、中植被覆蓋度均主要轉(zhuǎn)移至較高植被覆蓋度，而較高植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)移至高植被覆蓋度；整體而言，1993—2019年低、較低、中等植被覆蓋度均主要轉(zhuǎn)移至較高植被覆蓋度，較高植被覆蓋度主要轉(zhuǎn)移至高植被覆蓋度。可見，龍脊梯田多處低植被覆蓋度級(jí)別有所提高，植被覆蓋度逐漸改善，植被生長整體態(tài)勢良好。

表3 1993—2019年不同植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移比例

3.3 植被覆蓋度地形響應(yīng)分析

3.3.1 高程響應(yīng)

在不同高程范圍內(nèi)，水、熱、人類活動(dòng)等是影響植被覆蓋度發(fā)生較大變化的重要因素。圖4展示了研究區(qū)以10 m為間隔高程范圍內(nèi)的平均植被覆蓋度及各高程帶平均植被覆蓋度變化。1993、2006、2019年植被覆蓋度隨高程的升高總體呈逐漸增加的趨勢，并具有明顯的高程分帶特征。300～600 m范圍內(nèi)隨高程的升高植被覆蓋度迅速增加，且植被覆蓋度較低；超過600 m范圍植被覆蓋度變化緩慢且復(fù)雜，呈波浪式上升的變化趨勢，主要為較高植被覆蓋度等級(jí)以上，尤其是高程>1 500 m基本只分布高植被覆蓋度。

圖4 1993—2019年植被覆蓋度隨高程變化特征及各高程帶平均植被覆蓋度變化率

從圖4(b)可知，在各高程帶(表1)上，1993—2019年植被覆蓋度總體呈逐年增加的變化特征。其中植被覆蓋度在300～500 m高程帶上增加的幅度最大；1993—2006年，植被覆蓋度在1 300～1 700 m高程帶減少，在其余高程帶增加； 2006—2019年，植被覆蓋度在500～1 100 m高程帶減少，且減少值隨高程的增高而增大，但在其余高程帶增加。

3.3.2 坡向響應(yīng)

不同坡向的降雨、太陽輻射等因子強(qiáng)度不同，因而植被生長所需的水、熱、光照等條件不同，導(dǎo)致植被覆蓋度在各坡向上呈現(xiàn)一定的差異[25-27]。圖5展示了研究區(qū)不同坡向上的植被覆蓋度的分布特征。植被覆蓋度分布在各坡向上無明顯差異，3個(gè)時(shí)相植被覆蓋度最大值和最小值差值最大僅為0.07。1993、2006、2019年植被覆蓋度在東北、北、東面最高(分別為0.80、0.81、0.80)，最小值(分別為0.73、0.78、0.76)分別出現(xiàn)在西北面、東南面、北面。1993—2019年植被覆蓋度在各坡向上整體上呈增加的趨勢，2006年植被覆蓋度總體要高于1993、2019年；2019年植被覆蓋度在東北、東面低于1993年，在其他坡向上均高于1993年。

3.3.3 坡度響應(yīng)

圖6展示研究區(qū)以1°為間隔坡度范圍內(nèi)的平均植被覆蓋度及各坡度帶平均植被覆蓋度變化。1993、2006、2019年植被覆蓋度隨坡度的增大呈先增加后減小的趨勢，以35°為分界點(diǎn)。在0°～15°范圍內(nèi)3期植被覆蓋度間差異不顯著，植被覆蓋度較低，且逐年降低；超過>15°范圍內(nèi)，植被覆蓋度差異隨坡度的增大逐漸顯著，植被覆蓋度較高，總體呈逐年增加的變化趨勢，特別是1993—2006年植被覆蓋度在>35°范圍上增加的幅度最大，植被覆蓋得到很大的改善。

圖6 1993—2019年植被覆蓋度隨坡度變化特征及各坡帶平均植被覆蓋度變化

4 討論與結(jié)論

龍脊梯田以林地、耕地為主要土地利用類型，兩者占地總面積達(dá)89%以上，植被覆蓋度變化與人類活動(dòng)密切相關(guān)，1993—2019年各級(jí)別植被覆蓋度時(shí)空分布特征具有明顯差異，較高、高植被覆蓋度主要分布在林地區(qū)域；中等植被覆蓋度主要分布在以梯田為主的耕地區(qū)域，中等植被覆蓋度是農(nóng)田農(nóng)作物生長狀況的鼎盛時(shí)期[28]，大面積修造梯田不僅改變地貌特征，對(duì)區(qū)域植被覆蓋也產(chǎn)生較大影響；低、較低植被覆蓋度面積最小，主要分布在建設(shè)用地區(qū)域，該區(qū)域是旅游開發(fā)的主要場地，植被生長易受人類活動(dòng)的影響。1993—2006年，植被覆蓋度發(fā)生較大變化，中等、較高、高級(jí)別植被覆蓋度面積分別呈減小、減小、增加趨勢，這是由于從1998年政府為了龍脊景區(qū)旅游業(yè)的快速發(fā)展加大資金投入，并于2001年成立景區(qū)的經(jīng)營管理部門，更加重視自然景觀的建設(shè)，加強(qiáng)梯田周邊生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和保護(hù)[29]，實(shí)施局部退耕還林措施，使中等、較高植被覆蓋度向更高級(jí)別轉(zhuǎn)換；近幾年隨著區(qū)域旅游業(yè)的快速發(fā)展，游客日益增多，住房及交通道路等建設(shè)用地范圍逐漸擴(kuò)大，造成生態(tài)植被的破環(huán)，導(dǎo)致2019年局部區(qū)域植被覆蓋度有所減小。

不同地形條件下，植被覆蓋度的空間分布格局因水、熱、人類活動(dòng)等因素不同而存在差異[13]。龍脊梯田植被覆蓋度在各坡向上差異不顯著，但整體隨高程的上升呈增加的趨勢，由于較低高程帶300～1 100 m主要為區(qū)域旅游范圍，梯田分布較多，人類活動(dòng)頻繁，植被生長狀態(tài)較差；而高程>1 100 m的高山區(qū)域主要分布水源林，溝壑縱橫，土質(zhì)疏松，植被生長所需的水分、養(yǎng)分條件充足，且人類活動(dòng)較少，因此，植被覆蓋較高，植被生長狀態(tài)良好。坡度是影響物質(zhì)和能量在巖石圈的運(yùn)移與轉(zhuǎn)換主要因素之一，不同坡度上環(huán)境具有的物質(zhì)和能量不同，導(dǎo)致植被覆蓋度在各坡度上存在差異[30]。區(qū)域植被覆蓋度隨坡度的增大呈先增加后減小的趨勢，地勢比較平坦區(qū)域是人類活動(dòng)及生產(chǎn)建設(shè)的主要場所，植被受人類活動(dòng)影響較大，植被覆蓋度較低；隨坡度增大，人類活動(dòng)逐漸變小，土壤水分及養(yǎng)分能滿足植被生長的需要，植被數(shù)量增多，植被覆蓋度增大；而坡度過于陡峭的地勢不利于水土保持，養(yǎng)分容易流失，進(jìn)而影響植被對(duì)水分及養(yǎng)分的吸收，植被覆蓋度有一定程度的降低[16,31-32]。

1993—2019年龍脊梯田植被覆蓋度分布特征主要受人類活動(dòng)、海拔、坡度等因素的影響，人類通過人工林種植擴(kuò)大林地面積，提高區(qū)域植被覆蓋度，但人類活動(dòng)范圍也在變大，低、較低植被覆蓋度不斷擴(kuò)大。因此，在維持區(qū)域旅游業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)該注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)，重點(diǎn)治理區(qū)域梯田分布較廣、人類活動(dòng)較大的低海拔及地勢平坦區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，實(shí)施局部封山育林的措施，促進(jìn)植被生長，加大生態(tài)環(huán)境的建設(shè)及管理，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

本研究基于像元二分模型反演龍脊梯田不同時(shí)期的植被覆蓋度，并分析植被覆蓋度空間分布及其對(duì)地形驅(qū)動(dòng)因子的響應(yīng)特征，結(jié)論如下：

(1)龍脊梯田以林地、耕地為主要土地利用類型，1993—2006年平均植被覆蓋度增加，而2006—2019年平均植被覆蓋度呈略減趨勢。植被覆蓋度等級(jí)以較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，兩者占區(qū)域總面積高達(dá)87%以上，主要分布在林地區(qū)域。

(2)1993—2019年低、較低、中等植被覆蓋度發(fā)生等級(jí)變化主要向較高植被覆蓋度轉(zhuǎn)移，較高植被覆蓋度發(fā)生等級(jí)變化主要向高植被覆蓋度轉(zhuǎn)移，高植被覆蓋度有83.27%植被面積未發(fā)生等級(jí)變化。

(3)植被覆蓋度對(duì)不同地形因子具有不同響應(yīng)特征。植被覆蓋度在各坡向無明顯差異，但北、東北、東方向的植被覆蓋度較西北、東南方向高。植被覆蓋度在不同高程、坡度等級(jí)區(qū)間呈顯著差異，植被覆蓋度整體隨高程增加呈波浪式上升的趨勢，低植被覆蓋度主要出現(xiàn)在人類活動(dòng)較大、農(nóng)業(yè)用地較多的300～600 m低海拔帶區(qū)域，高植被覆蓋度主要出現(xiàn)在>1 500 m高程范圍內(nèi)；植被覆蓋度隨坡度的增加而呈先增加后減小趨勢，在0°～8°坡度范圍內(nèi)最低，在25°～35°坡度上最高。