劍閣縣植被覆蓋度時(shí)空變化及地形分異研究*

張鈴林 ，楊存建

(1.四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610101；2.四川師范大學(xué) 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610068)

植被是一種重要的自然資源，陸地植被作為生態(tài)系統(tǒng)的一部分，它的變化對(duì)于研究一個(gè)地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)情況具有重要意義[1]。為改善生態(tài)環(huán)境，我國(guó)先后實(shí)施各種有關(guān)環(huán)境保護(hù)的生態(tài)工程，如長(zhǎng)江防護(hù)林建設(shè)、天然林資源保護(hù)(天保工程)、“退耕還林”等工程。這些生態(tài)工程涉及到我國(guó)多個(gè)省市地區(qū)，對(duì)這些地方的植被恢復(fù)產(chǎn)生較大影響。植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)作為一種衡量植被覆蓋狀況的重要指標(biāo)，在各類有關(guān)植被的研究中得到廣泛應(yīng)用[2]。計(jì)算植被覆蓋度的模型較多，其中像元二分模型是目前國(guó)內(nèi)外比較常用的一種，我國(guó)學(xué)者也利用此模型進(jìn)行了大量研究，如董弟文等[3]、李海峰[4]。在研究?jī)?nèi)容上，我國(guó)學(xué)者也不僅僅局限于只關(guān)注植被變化的多少，而是從氣候[5]、地形[6]等因素分析植被變化的原因，探究引起植被覆蓋度變化的驅(qū)動(dòng)力[7]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，研究所能使用的數(shù)據(jù)也更多，如Landsat系列數(shù)據(jù)[8]、MODIS系列數(shù)據(jù)[9,10]、哨兵數(shù)據(jù)[11]、高分系列數(shù)據(jù)[12]、無(wú)人機(jī)影像[13]等等。遙感數(shù)據(jù)的發(fā)展使研究者在研究范圍上有了更多選擇，大的范圍比如省[14]，較小的范圍如市[15]、縣[16]等。在研究尺度的選擇上，目前我國(guó)學(xué)者在縣域尺度上研究還較少，尤其是四川盆地邊緣山區(qū)，目前較少有學(xué)者展開探究。

本研究以四川省劍閣縣作為研究區(qū)域。該地區(qū)作為四川省的林業(yè)大縣，自20 世紀(jì)80年代以來(lái)，為進(jìn)一步改善本地的植被覆蓋狀況，劍閣縣響應(yīng)國(guó)家政策在當(dāng)?shù)叵群髮?shí)施了諸多生態(tài)工程，包括1989年起開展的長(zhǎng)江防護(hù)林工程、1999年起開展的退耕還林和2000年起開展的天保一期工程、2011年起開展的天保二期工程和2014年起開展的新一輪退耕還林，但到目前為止尚未有學(xué)者對(duì)該地區(qū)的植被覆蓋變化情況展開研究。為分析這些工程前后該地區(qū)的植被變化情況，選擇這些工程開展前后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。由于四川地區(qū)常年多云霧，使影像的質(zhì)量受到影響，故選擇1986、1995、2011和2019年共4期質(zhì)量較好的影像進(jìn)行研究。本研究以Landsat系列遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助像元二分模型計(jì)算該地區(qū)的植被覆蓋度，并在此基礎(chǔ)上借助DEM高程數(shù)據(jù)研究劍閣縣的植被覆蓋變化與地形因子之間的關(guān)系，分析該地區(qū)在經(jīng)歷諸多生態(tài)工程后植被的變化情況，以期為劍閣縣的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

劍閣縣位于四川省廣元市境內(nèi)(31°31′～32°21′N，105°10′～105°49′E)，該縣位于四川盆地邊緣，屬于盆地邊緣山區(qū)，北部為高大的秦嶺山脈，屬于典型的低山地貌，地勢(shì)自西北部向東南部逐漸降低，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，降水充沛，氣候宜人[17]。該區(qū)域地理位置優(yōu)越，位于四川省的北部，處于四川、甘肅和陜西三省結(jié)合部，歷史文化底蘊(yùn)深厚，有著名的劍門蜀道文化等等。除此之外，由于四季分明，氣候溫和，劍閣縣的植物資源也較為豐富，是四川省有名的林業(yè)大縣，常見(jiàn)樹種有柏木(Cupressusfunebris)、榿木(Alnuscremastogyne)、麻櫟(Quercusacutissima)、馬尾松(Pinusmassoniana)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、榆樹(Ulmuspumila)和油桐(Verniciafordii)等[18]。因此對(duì)該地區(qū)的植被覆蓋情況展開研究是十分有意義的。

圖1 劍閣縣地理區(qū)位Fig.1 Geographic map of Jiange County

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源以及預(yù)處理

本研究所選用的數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat系列遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)。綜合考慮到7—8月為該研究區(qū)域植被的生長(zhǎng)期，所以分別選擇1986年7月、1995年8月和2011年8月各一景Landsat 5 TM遙感影像，2019年8月一景Landsat 8 OLI遙感影像，在ENVI5.3軟件中對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和裁剪等預(yù)處理。使用的DEM高程數(shù)據(jù)也來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，空間分辨率為30 m，在ArcGIS10.3軟件中處理，提取出海拔、坡度和坡向數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 像元二分模型

利用像元二分模型計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度，其計(jì)算公式如下。

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

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil表示完全為裸土或者是無(wú)植被覆蓋情況下的NDVI值，NDVIveg表示純植被像元的NDVI值。在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況下，可以取一定置信區(qū)間的NDVImax和NDVImin代替NDVIveg和NDVIsoil[19]。在本研究中選擇統(tǒng)計(jì)值中98%和2%的NDVI值作為NDVImax和NDVImin。

1.3.2 差值法

為了進(jìn)一步分析1986年至2019年劍閣縣植被覆蓋度變化的情況，采用差值法計(jì)算不同時(shí)期植被覆蓋度的變化量。

2 結(jié)果與分析

2.1 劍閣縣1986—2019年植被覆蓋度空間分布

基于像元二分模型，利用4期植物生長(zhǎng)期的遙感影像計(jì)算該地區(qū)1986、1995、2011和2019年4個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度。為了進(jìn)一步分析劍閣縣植被覆蓋度的空間分布情況，將計(jì)算出來(lái)的植被覆蓋度劃分為5個(gè)等級(jí)，結(jié)合陳妮等[20]的研究，不同等級(jí)的劃分閾值分別為：低(<0.2)、中低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、中高(0.6～0.8)、高(>0.8)。劍閣縣各年份的植被覆蓋度分布情況如圖2所示，其平均植被覆蓋情況如圖3所示。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)各年份不同植被覆蓋度等級(jí)的面積比例，以此分析該地區(qū)的不同等級(jí)植被覆蓋度的變化情況。

劍閣縣的植被覆蓋情況在1986年至2019年一直處于一個(gè)較好的狀況(圖2)。其中，1986年低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度主要分布在該縣的東南角，到2019年，該區(qū)域的植被覆蓋情況明顯好轉(zhuǎn)。

圖2 1986-2019年劍閣縣的植被覆蓋度Fig.2 Vegetation coverage in Jiange County from 1986 to 2019

將1986年、1995年、2011年和2019年的植被覆蓋度影像疊加計(jì)算其平均植被覆蓋度(圖3)。在研究時(shí)間段，劍閣縣的平均植被覆蓋以中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，其中最為典型的為北部山脈周邊地區(qū)，比如劍門關(guān)鎮(zhèn)。而低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度主要分布在研究區(qū)域的南部，即公興鎮(zhèn)、金仙鎮(zhèn)和香沉鎮(zhèn)等地。

如圖4所示，在1986年至2019年，劍閣縣以中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，二者所占比例之和超過(guò)了50%。其中，高植被覆蓋度所占面積逐年增加，其分布范圍從開始的北部山脈附近逐步擴(kuò)散到其他地區(qū)。研究區(qū)域低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度所占比例較小。

圖4 劍閣縣的植被覆蓋度及各等級(jí)的比例Fig.4 Vegetation coverage and proportion of each grade in Jiange County

2.2 劍閣縣1986—2019年植被覆蓋度時(shí)空變化分析

為了進(jìn)一步分析在不同時(shí)間段內(nèi)劍閣縣植被的改善與退化分布情況，通過(guò)差值法對(duì)植被覆蓋度影像進(jìn)行計(jì)算，參考楊燦等[21]的研究方法以及本地區(qū)的特點(diǎn)，將變化值設(shè)置閾值劃分為5個(gè)等級(jí)：顯著退化(<-0.3)、輕微退化(-0.3～-0.1)、穩(wěn)定(-0.1～0.1)、輕微改善(0.1～0.3)、顯著改善(>0.3)。劍閣縣植被的改善與退化分布狀況如圖5所示。利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)一步分析該地區(qū)植被覆蓋度的年際變化情況，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 劍閣縣33年期間的植被變化情況Fig.5 Vegetation changes in Jiange County during 33 years

表1 劍閣縣植被覆蓋度的轉(zhuǎn)移矩陣Tab.1 Transfer matrix of vegetation coverage in Jiange County km2

1986年至1995年劍閣縣的植被變化情況以穩(wěn)定和改善為主，如北部山脈附近，植被覆蓋度多年較穩(wěn)定。究其主要原因是由于劍閣縣自1989年起開始進(jìn)行長(zhǎng)江防護(hù)林工程建設(shè)，實(shí)施了封山育林、森林撫育和飛播造林等諸多造林措施，這些生態(tài)保護(hù)措施改善了劍閣縣的植被覆蓋情況。1995年至2011年劍閣縣的植被變化情況也是以穩(wěn)定和改善為主，分析其原因，主要是因?yàn)樵谠摃r(shí)間段進(jìn)一步實(shí)施了“退耕還林”“天保工程”兩大生態(tài)工程建設(shè)。劍閣縣自1999年起開始實(shí)施退耕還林，這一工程使劍閣縣的林地和耕地情況得到進(jìn)一步改善，而自2000年起該地區(qū)開展“天保一期工程”，通過(guò)各種措施對(duì)該地的林地產(chǎn)生較大影響。2011—2019年，劍閣縣的植被變化情況依舊是以穩(wěn)定和改善為主，因?yàn)樽?011年起劍閣縣進(jìn)一步實(shí)施“天保二期工程”，隨后不久從2014年起又實(shí)施新一輪的“退耕還林”工程，加大森林資源的保護(hù)力度，這讓劍閣縣的生態(tài)環(huán)境得到進(jìn)一步改善。

從整體情況進(jìn)行分析，1986年至2019年劍閣縣的植被變化在整體上以改善和穩(wěn)定區(qū)域占優(yōu)勢(shì)，如東南部在1986年植被覆蓋度較低，但在變化圖中植被明顯改善，其主要原因是“退耕還林”和諸多造林工程改善了這部分地區(qū)的林地植被，使裸露的土地逐漸減少。除了水域外，北部的山脈和中部部分地區(qū)植被較穩(wěn)定。整個(gè)縣域內(nèi)退化的區(qū)域分布比較零散，但是分布依然有規(guī)律，據(jù)劍閣縣33年期間的植被變化情況(圖5)分析，其中比較明顯的退化區(qū)域主要分布在河流附近，主要原因是水域的面積增加，如修建水庫(kù)、河流的河道變寬等因素，導(dǎo)致水域周邊原本被植被覆蓋的地區(qū)被水淹沒(méi)，致使植被覆蓋度下降，如聞溪河周邊區(qū)域；其次是建設(shè)用地面積的增加，比如劍閣縣縣城所在地隨著城市面積的擴(kuò)大，原本是植被的區(qū)域被房屋所覆蓋，其植被覆蓋度明顯下降。

為了進(jìn)一步分析劍閣縣的植被覆蓋度年際變化，對(duì)2019年和1986年兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲取1986年至2019年植被覆蓋度的轉(zhuǎn)移矩陣。從表1轉(zhuǎn)移矩陣中可以看出，在該時(shí)間段劍閣縣的高植被覆蓋度的穩(wěn)定性最好，其中大部分面積保持不變，同時(shí)除了低植被覆蓋度以外，其他3個(gè)植被覆蓋度等級(jí)大多向高植被覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)變，且3個(gè)植被覆蓋度等級(jí)向高植被覆蓋度轉(zhuǎn)變的面積超過(guò)了自身面積的一半，最終高植被覆蓋度區(qū)域的面積總共增加了1 126.28 km2。低植被覆蓋度區(qū)域雖然變化面積不多，但其本身所占面積不大。雖然不同等級(jí)植被覆蓋度之間轉(zhuǎn)變情況不同，但仍可以看出植被覆蓋度等級(jí)的轉(zhuǎn)變是向好的方向發(fā)展。

2.3 劍閣縣植被覆蓋度變化與地形因子的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析劍閣縣地形與植被變化的關(guān)系，將提取出的高程、坡度和坡向等3個(gè)地形因子劃分等級(jí)與1986年至2019年的植被覆蓋度差值影像疊加分析，探究在不同等級(jí)地形因子上植被的退化與改善變化情況。參考研究區(qū)域的實(shí)際情況對(duì)地形因子進(jìn)行重分類，將高程劃分為8個(gè)等級(jí)：<500 m、500～600 m、600～700 m、700～800 m、800～900 m、900～1 000 m、1 000～1 100 m、>1 100 m。根據(jù)水土流失調(diào)查常用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法，將該區(qū)域的坡度劃分為平坡地(0～5°)、緩坡地(5°～8°)、斜坡地(8°～15°)、陡坡地(15°～25°)、急坡地(25°～35°)、險(xiǎn)坡地(>35°)[22]。將坡向劃分為5個(gè)等級(jí)(陰坡、陽(yáng)坡、半陰坡、半陽(yáng)坡和平地)[23]。

2.3.1 高程因子

如圖6所示，在1986年至2019年期間，劍閣縣植被的改善主要發(fā)生在海拔500～700 m范圍，其中：植被輕微改善主要發(fā)生在海拔600～700 m范圍，在該海拔區(qū)域改善面積達(dá)到309.27 km2；植被顯著改善主要發(fā)生在海拔500～600 m范圍，在該海拔區(qū)域改善面積達(dá)到194.65 km2。同一時(shí)期，植被輕微退化和顯著退化主要發(fā)生在500～600 m海拔范圍，在這個(gè)范圍植被退化面積總共達(dá)到了90.68 km2。在每個(gè)高度等級(jí)中，植被改善區(qū)域的面積明顯大于退化區(qū)域。

圖6 劍閣縣不同海拔區(qū)域的植被覆蓋面積變化Fig.6 Changes of vegetation coverage at different altitudes in Jiange County

2.3.2 坡度因子

如圖7所示，植被覆蓋的變化主要發(fā)生在斜坡地和陡坡地，也就是坡度8°～25°的范圍。植被的輕微退化和顯著退化主要發(fā)生在斜坡地，在這個(gè)范圍退化面積總共達(dá)到124.33 km2。輕微改善和顯著改善主要發(fā)生在陡坡地，在這個(gè)范圍改善的面積總共達(dá)到594.53 km2。而在各個(gè)坡度的植被中，植被的改善區(qū)面積都大于退化區(qū)。

圖7 劍閣縣不同坡度的植被覆蓋度變化情況Fig.7 Changes of vegetation coverage at different slopes in Jiange County

2.3.3 坡向因子

如圖8所示，除平地外，植被改善區(qū)在半陽(yáng)坡的面積最大，輕微改善和顯著改善區(qū)域在半陽(yáng)坡的總面積達(dá)到了482.91 km2。植被退化區(qū)在陽(yáng)坡的面積最大，輕微退化和顯著退化區(qū)域在陽(yáng)坡的總面積達(dá)到了83.80 km2。在各個(gè)坡向上植被改善區(qū)面積均大于退化區(qū)面積。

圖8 劍閣縣不同坡向的植被覆蓋度變化情況Fig.8 Changes of vegetation coverage in different slope directions in Jiange County

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

劍閣縣位于四川盆地邊緣，區(qū)域內(nèi)降水充沛，且氣溫適宜。自1986年至2019年，該地區(qū)經(jīng)歷了“長(zhǎng)江防護(hù)林建設(shè)”“天保工程”和“退耕還林”等諸多生態(tài)工程。研究結(jié)果表明，這些生態(tài)工程對(duì)劍閣縣的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了積極影響。在進(jìn)行地形分析時(shí)，植被的退化區(qū)域主要發(fā)生在海拔500～600 m范圍，究其原因，主要是由于在該海拔范圍人類活動(dòng)比較頻繁，對(duì)植被的干擾較大。因此保護(hù)森林植被除了要積極展開各項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程外，還應(yīng)注重培養(yǎng)人們的森林保護(hù)意識(shí)，合理規(guī)劃、進(jìn)行各項(xiàng)土地開發(fā)活動(dòng)。同時(shí)，在坡度25°以上的區(qū)域以改善為主也反映出“退耕還林”工程在當(dāng)?shù)貙?shí)施情況較好，后期也應(yīng)該進(jìn)一步鞏固各項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程現(xiàn)有的成果，加強(qiáng)植被保護(hù)的力度。而另一方面對(duì)植被資源進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，為了促進(jìn)劍閣縣本地產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，也應(yīng)考慮森林資源的合理開發(fā)，對(duì)當(dāng)?shù)厣仲Y源的開發(fā)利用進(jìn)行合理規(guī)劃，比如木材加工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、發(fā)展經(jīng)濟(jì)林以及與劍閣縣本地旅游部門結(jié)合打造綠色旅游項(xiàng)目等。

此外，本研究也存在一些不足之處，由于四川地區(qū)云霧較多，本次研究所選擇的部分影像存在薄霧，雖然經(jīng)過(guò)校正但依舊對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此在未來(lái)的研究中應(yīng)該考慮使用質(zhì)量更好、更清晰的影像以確保其結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3.2 結(jié)論

基于1986年至2019年4期Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，利用歸一化植被指數(shù)和像元二分模型，結(jié)合DEM高程數(shù)據(jù)，以四川省劍閣縣作為研究區(qū)域，對(duì)該區(qū)域的植被覆蓋情況進(jìn)行研究，本次研究結(jié)論如下。

(1)1986—2019年，劍閣縣的植被覆蓋情況較好，該地區(qū)的植被覆蓋度明顯提升，植被覆蓋度以中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，并且高植被覆蓋度所占比例呈逐年上升趨勢(shì)。以差值法分析植被的年際變化，劍閣縣的植被以穩(wěn)定和改善為主。通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣分析1986年至2019年的植被年際變化，發(fā)現(xiàn)除了低植被覆蓋度以外，各等級(jí)植被覆蓋度之間的轉(zhuǎn)變以向高植被覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌?/p>

(2)從地形因子方面分析，植被覆蓋度的改善與退化情況在不同海拔、坡度和坡向上存在差異，在高程因子上，植被的改善主要發(fā)生在海拔500～700 m的區(qū)域，退化主要發(fā)生在海拔500～600 m的區(qū)域；在坡度因子上，植被退化主要發(fā)生在斜坡地，改善主要發(fā)生在陡坡地，在25°以上的區(qū)域主要為改善區(qū)域，坡度較陡的地區(qū)植被得到很好的改善；在坡向因子上，植被改善主要發(fā)生在半陽(yáng)坡，退化主要發(fā)生在陽(yáng)坡。在有關(guān)各個(gè)地形因子的分析當(dāng)中，植被改善區(qū)域均占明顯優(yōu)勢(shì)。