汾河流域植被覆蓋度時(shí)空特征與地形因子的關(guān)系

張會(huì)霞, 李永梅, 張 娜

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 榆次 030619)

近幾年，自然環(huán)境問題在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中日益突出，對(duì)人民生活造成了很大的影響[1]。中國(guó)不斷加大生態(tài)文明建設(shè)，力求建設(shè)更加文明和諧更加美麗的中國(guó)。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最為重要的主體，不僅可以保留土壤中的水分，還可以防沙固土，減少水土流失，一定程度上反映出全球生態(tài)環(huán)境變化狀況[2]。植被覆蓋變化已是全球環(huán)境變化和陸表生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究的熱門問題之一[3-4]，對(duì)研究植被變化情況及其程度則需引用植被覆蓋度(FVC)來進(jìn)行反演，植被覆蓋度可將地表植被在遙感影像上量化，便于更好地進(jìn)行研究分析[5]。

目前，植被覆蓋度提取方法主要以地表實(shí)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)為主[5-6]，但多采用遙感監(jiān)測(cè)。面對(duì)研究范圍較大的地區(qū)，在時(shí)間序列較長(zhǎng)的情況下多數(shù)學(xué)者采用了高分辨率的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品[6]，以便得到更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，如孫天瑤等[7]選取MODIS NDVI數(shù)據(jù)對(duì)塔里木河流域2000—2018年的植被覆蓋度時(shí)空格局進(jìn)行研究，同時(shí)探討了氣候和人類活動(dòng)對(duì)植被變化的影響；齊敬輝等[8]基于MODIS數(shù)據(jù)，采用像元二分模型、趨勢(shì)分析等方法對(duì)2000—2014年疏勒河流域植被覆蓋時(shí)空變化進(jìn)行研究，得出疏勒河流域植被覆蓋度呈明顯改善的狀態(tài)；李曉蕾等[9]同樣基于MODIS遙感數(shù)據(jù)，利用趨勢(shì)分析、偏相關(guān)分析等方法對(duì)葉爾羌河流域植被覆蓋度時(shí)空變化進(jìn)行研究，得出植被覆蓋度在16 a間呈現(xiàn)微弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

汾河作為黃河的主要支流，其生態(tài)環(huán)境保護(hù)狀況和沿線城市經(jīng)濟(jì)構(gòu)成黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重要組成部分和影響因素[10]。汾河流域地處黃土高原，土壤疏松、植被稀疏，在夏季多雨季節(jié)很容易造成水土流失，是嚴(yán)重缺水的區(qū)域。植被是地表生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的組成部分[11]，是生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，因此對(duì)流域內(nèi)的植被覆蓋度進(jìn)行時(shí)空變化的研究具有一定的理論價(jià)值，結(jié)合遙感技術(shù)對(duì)植被進(jìn)行反演，可為汾河流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供一定程度上的理論科學(xué)幫助。

本研究以汾河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，選取2005—2020年中的5 a(2005，2009，2013，2017，2020年)MODIS NDVI數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2，ENVI 5.3等軟件對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)汾河流域的植被覆蓋度進(jìn)行模型估算，從而研究其時(shí)空特征，同時(shí)探討不同地形因子與汾河流域植被覆蓋度關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

汾河處于黃河的中游地段，其流域坐落于山西省內(nèi)，地理位置35°13′04″—39°04′04″N，110°26′42″—113°26′56″E。汾河全長(zhǎng)約為715 km，主要流經(jīng)運(yùn)城、臨汾、呂梁、晉中、太原、忻州等地級(jí)市中的43個(gè)縣市(區(qū))，萬榮縣作為最終的流經(jīng)地，在此處匯入黃河。汾河流域面積達(dá)到39 740 km2，超過山西全省總面積的四分之一。汾河，是山西最大的河流，汾河流域則是山西人口密集、工農(nóng)業(yè)集中的重要區(qū)域，是山西省重點(diǎn)的發(fā)展保護(hù)地區(qū)。汾河流域地理位置見圖1。

圖1 汾河流域在山西省的位置

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究采用的MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)是從NASA官網(wǎng)(http:∥ecocast. arc. nasa. gov)下載的MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品的空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，研究區(qū)域處在的行列號(hào)為h26v05和h27v05。其中選取了汾河流域2005—2020年中的5 a數(shù)據(jù)(2005，2009，2013，2017，2020年)來研究，以7—10月作為研究時(shí)段，此時(shí)段植物生長(zhǎng)處于旺季，可更好的對(duì)研究區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行時(shí)空特征的分析。DEM數(shù)據(jù)(數(shù)字高程模型)則是從地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)(http:∥www. gscloud. cn)下載所得，所用產(chǎn)品為90 m空間分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理 對(duì)于MODIS遙感影像數(shù)據(jù)，所獲取的數(shù)據(jù)格式為HDF，因汾河流域處在兩個(gè)行列號(hào)間(h26v05和h27v05)，則需利用MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件進(jìn)行拼接和格式轉(zhuǎn)化，地理坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為WGS-1984坐標(biāo)系。在ENVI 5.3中利用波段運(yùn)算去除NDVI中的無效值。在ArcGIS 10.2軟件中利用ArcMap根據(jù)汾河流域的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜提取，從而得到汾河流域研究時(shí)段的所有影像數(shù)據(jù)。為了方便對(duì)每年的植被覆蓋度進(jìn)行研究，本研究利用最大值合成法(MVC)將每年研究時(shí)段(7—10月)的MODIS NDVI數(shù)據(jù)合成最大NDVI數(shù)據(jù)集。

將DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.2軟件中進(jìn)行地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為WGS-1984坐標(biāo)系，再根據(jù)研究區(qū)進(jìn)行掩膜提取，從而得到研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，并在ArcGIS 10.2軟件中分別生成坡度圖、坡向圖、高程圖。

2.2 研究方法

2.2.1 像元二分模型 像元二分模型是一種利用遙感數(shù)據(jù)來進(jìn)行估算的模型，它不僅簡(jiǎn)單，而且很實(shí)用，它通常被用來估算某地區(qū)的植被覆蓋度[12]。植被覆蓋度(FVC)通常需要利用NDVI(歸一化植被指數(shù))來輔助計(jì)算，利用植被在紅光波段具有高吸收，而在近紅外波段具有高反射的特點(diǎn)，采用改進(jìn)的像元二分模型來進(jìn)行估算植被覆蓋度，其公式為[6]：

式中：FVC表示植被覆蓋度； NDVIsoil表示裸土或沒有植被覆蓋地區(qū)植被指數(shù)； NDVIveg表示完全被植被覆蓋地區(qū)植被指數(shù)。本研究選取置信度為0.5%附近累計(jì)百分比作為NDVIsoil，同樣選取置信度在99.5%附近累計(jì)百分比作為NDVIveg，根據(jù)以上估算模型在ENVI 5.3中估算汾河流域每年植被覆蓋度。參考韓麗君等[6]對(duì)汾河流域研究將植被覆蓋度進(jìn)行等間距分級(jí),分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 汾河流域植被覆蓋度劃分

2.2.2 線性趨勢(shì)分析 為了更好地對(duì)汾河流域2005—2020年的植被覆蓋度進(jìn)行時(shí)空變化趨勢(shì)研究，植被覆蓋度隨時(shí)間變化研究采取了一元線性回歸分析法，基于最小二乘法來擬合植被覆蓋度的變化斜率[13]。具體公式為：

式中：θslope表示研究時(shí)段植被覆蓋度線性擬合變化趨勢(shì)斜率；n為總的研究年數(shù)(n=5)； FVCi表示第i年的植被覆蓋度(這里取植被覆蓋度均值)。其中θslope為正則表示植被覆蓋度改善,為負(fù)則代表植被覆蓋度減弱,為零則表示植被覆蓋度無變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 汾河流域植被覆蓋度時(shí)空變化特征

3.1.1 植被覆蓋隨時(shí)間變化的特征 通過線性趨勢(shì)分析，再借助于ArcGIS 10.2軟件中的面積制表可得到汾河流域上、中、下游的植被覆蓋度變化程度。從整體上(表2)可以看出，2005—2020年汾河流域植被覆蓋度的變化程度主要為增加趨勢(shì)，其占據(jù)了研究區(qū)植被覆蓋總面積的70.19%；而植被覆蓋度不變的區(qū)域只有0.39%。其中，植被增加區(qū)域主要集中在汾河流域中下游地區(qū)，其在中游地區(qū)尤為顯著，面積比例為31.12%。同時(shí)，植被覆蓋度下降區(qū)域以中游地區(qū)為主，占據(jù)總面積的19.82%，植被覆蓋度不變的區(qū)域占比極少，但還是可以看出，汾河中游區(qū)域的植被變化程度不變的占比最多，但總體上來說，汾河流域的植被覆蓋度整體呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)。

表2 2005-2020年汾河流域上、中、下游趨勢(shì)分析結(jié)果

利用像元二分模型，對(duì)汾河流域植被覆蓋度2005—2020年整合的5期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行估算統(tǒng)計(jì)分析，以此得到每年不同植被覆蓋度的分布類型的面積和比例情況(圖2)。從圖2中可以看出，從2005—2020年整體上看，研究區(qū)的植被覆蓋呈現(xiàn)改善狀態(tài)，植被覆蓋度主要由低、中低、中向中高、高變化，其中：中、中高植被覆蓋度變化最為顯著，中覆蓋度區(qū)域面積減少了10.93%，中高覆蓋度區(qū)域面積增加了15.56%。

圖2 2005-2020年汾河流域不同植被覆蓋度區(qū)域面積比例

據(jù)圖2可知，2005—2009年汾河流域的植被覆蓋度變化主要體現(xiàn)在中高覆蓋度上，即從2005年的32.31%增加到2009年的38.18%，增加了5.87%，低、中低植被覆蓋度均下降。

2013年的植被覆蓋度顯著增高，從中可以看出中高、高植被覆蓋度占據(jù)汾河流域總植被覆蓋區(qū)的79.35%，其增加的主要原因是于2009年開始，為加大水資源管理力度并改善汾河流域的水污染狀況，山西省政府開始實(shí)行綠化政策工作，將流域的綠化與植樹造林相結(jié)合起來，組織各級(jí)政府進(jìn)行人工植樹造林并加大其力度。

從2013—2017年高植被覆蓋區(qū)明顯降低，由2013年的17 836.13 km2減少到2017年的8 656.69 km2，但中、中高植被覆蓋區(qū)顯著增加，由2013年的18 668.75 km2增加到2017年的26 544.56 km2，在此期間由于汾河流域遭遇了旱情，造成了植被的退化，且在2017年山西省天氣冷暖異常，7月高溫天氣歷史最多，最高氣溫為41.9 ℃。

2017—2020年低、中低、中植被覆蓋區(qū)顯著減少，中高、高植被覆蓋度顯著上升，高覆蓋度達(dá)到了27.44%。2017年6月，山西省全面開啟了汾河流域生態(tài)保護(hù)綠色發(fā)展修復(fù)工作，先后出臺(tái)了各種修復(fù)方案和條例，截止目前，已初步實(shí)現(xiàn)了“水量豐富起來、水質(zhì)好起來”。2020年汾河流域的植被覆蓋度出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

3.1.2 植被覆蓋空間分布及變化特征 在ArcGIS 10.2中將5期汾河流域植被覆蓋度圖進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果如圖3。由圖3可知，高植被覆蓋度主要分布在汾河流域邊界的縣市，沿著呂梁山脈和太行山脈分布，而處于兩條山脈之間的太原盆地植被覆蓋度受人文因素的影響則主要以中高植被覆蓋度為主，其周圍區(qū)域是低覆蓋度，但太原市主城區(qū)的植被覆蓋度明顯一直處于低覆蓋度的情況，忻定盆地的植被覆蓋度則一直處于中度覆蓋以下。

2005年，處于汾河下游地區(qū)的植被覆蓋度主要的植被覆蓋度類型很明顯為低植被覆蓋度，植被覆蓋率極低，是因?yàn)槿藗冮L(zhǎng)期對(duì)水資源的過渡開采利用與污染。2005—2009年，植被覆蓋明顯改善的區(qū)域?yàn)榉诤酉掠我阅系膮^(qū)域地段，主要為從低植被覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄脖桓采w度，對(duì)于忻州盆地以北部分區(qū)域，植被覆蓋度由低覆蓋轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸雀采w。2013年，植被覆蓋度顯著大幅改善，低、中低植被覆蓋度幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈?、高植被覆蓋度，尤其表現(xiàn)在臨汾盆地和運(yùn)城盆地，使汾河流域的高植被覆蓋度達(dá)到最大化，可以看出省政府對(duì)汾河流域的重視。2013—2017年，沿太行山脈西北區(qū)域的縣市、汾河流域下游以南地區(qū)，植被覆蓋度由原來的高植被覆蓋度變?yōu)橹屑爸懈咧脖桓采w度，汾河流域一半以上的地區(qū)植被覆蓋度達(dá)到60%。2017—2020年，汾河流域管轄區(qū)主要對(duì)低植被覆蓋度的地區(qū)(植被覆蓋度在60%以下)進(jìn)行大力整改，沿太行山脈的區(qū)域植被再次得到改善。

2005—2020年，汾河流域植被覆蓋類型分布如圖3所示，太原市主城區(qū)的植被覆蓋度雖在不同程度上得到改善，但幅度較小，因此是需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 2005-2020年汾河流域各期植被覆蓋度分布

3.2 地形因子與植被覆蓋度的關(guān)系分析

地形因子的不同會(huì)造成水熱狀況的不同，從而對(duì)植被覆蓋度的分布格局具有不同的影響程度[14-15]。本研究對(duì)汾河流域的坡度、坡向、高程的劃分參考白建偉[5]對(duì)汾河流域的分級(jí)(表3)。2005—2020年汾河流域高程分布特征如圖4所示。

表3 2005-2020年汾河流域地形因子劃分指標(biāo)

圖4 汾河流域高程分布特征

3.2.1 高程與汾河流域植被覆蓋度的關(guān)系 通過對(duì)汾河流域的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)劃分，從而得到汾河流域的高程(圖4)。植被覆蓋度在不同的高程(海拔)有著不同的分布。

在ArcGIS 10.2中將轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)的高程圖與各時(shí)期的植被覆蓋度進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到各期不同高程下的植被覆蓋度均值(圖5)。由圖5可見，隨著高程的不斷增高，汾河流域的平均植被覆蓋度在不斷增加，且在大于2 000 m的高程地區(qū)汾河流域的平均植被覆蓋度達(dá)到最大，超過了85%，同時(shí)在1 500～2 000 m的地區(qū)平均植被覆蓋度達(dá)到了80%左右。得益于在高海拔地區(qū)人類無法干預(yù)植被的生長(zhǎng)。在1 000～1 500 m的高程地區(qū)，汾河流域的植被覆蓋度超過60%但不足80%。而在小于1 000 m的地區(qū)，由于人類活動(dòng)頻繁，對(duì)于植被覆蓋具有一定的破壞程度，其植被覆蓋度不超過60%，覆蓋類型主要為中低植被覆蓋度。

圖5 2005-2020年汾河流域各時(shí)期

2005—2020年汾河流域的平均植被覆蓋度在逐年增高，自山西省政府出臺(tái)《山西省汾河流域水資源管理和水環(huán)境保護(hù)條例》以來，汾河流域?qū)嵤┚G化工作，2013年汾河流域?qū)嵤┐罅康娜斯ぴ炝趾屯烁€林政策，此年不同高程的平均植被覆蓋度略高于其余研究年份。

3.2.2 坡度與汾河流域植被覆蓋度的關(guān)系 利用DEM數(shù)據(jù)，依據(jù)表3的分級(jí)指標(biāo)在ArcGIS 10.2下生成坡度圖(圖6)。坡度代表了地表單元的陡緩程度。在很大程度上，坡度會(huì)大幅度影響水分再分配的過程，在再分配過程中對(duì)土壤中的有機(jī)物和水分進(jìn)行控制，從而影響植被的生長(zhǎng)與空間分布[16]。

圖6 汾河流域坡度分布特征

在ArcGIS 10.2中將轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)的坡度圖與各時(shí)期的植被覆蓋度進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到各期不同坡度下的植被覆蓋度均值(圖7)。從圖7中可以看出，隨著坡度的不斷增大，汾河流域的平均植被覆蓋度呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)，但上升的程度不大。在坡度大于12°的區(qū)域，汾河流域的平均植被覆蓋度達(dá)到了最大，超過了70%，但不足80%，并沒有達(dá)到高植被覆蓋度。在9°～12°的坡度范圍內(nèi)，其平均植被覆蓋度超過了60%。綜合來看，在坡度超過9°的區(qū)域，汾河流域的植被覆蓋度處于中高覆蓋度，而且在2013，2020年不同坡度的平均植被覆蓋度均超過了60%，2005—2020年汾河流域的植被呈現(xiàn)緩慢的改善趨勢(shì)。

圖7 2005-2020年汾河流域各時(shí)期不同坡度下的平均植被覆蓋度

3.2.3 坡向與汾河流域植被覆蓋度的關(guān)系 通過DEM數(shù)據(jù)，依據(jù)表3的分級(jí)指標(biāo)在ArcGIS 10.2下生成坡向圖(圖8)。坡向就是坡面法線在水平面上的投影的方向 (也可以通俗理解為由高及低的方向)，不同的坡面朝向會(huì)使太陽(yáng)輻射量及土壤水分的多少存在著明顯的差異，進(jìn)而造成植被分布特征的不同[17]。

圖8 汾河流域坡向分布特征

在ArcGIS 10.2中將轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)的坡向圖與各時(shí)期的植被覆蓋度進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到各期不同坡向下的植被覆蓋度均值(圖9)。由圖9可知，坡向?qū)τ诜诤恿饔蛑脖桓采w的分布沒有特別明顯的影響，平均植被覆蓋度基本都超過了60%。但在無坡向地區(qū)，汾河流域植被覆蓋度明顯低于其他坡向，陰坡地區(qū)的平均植被覆蓋度明顯高于其他坡向，相反在半陰坡、陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡平均植被覆蓋度呈現(xiàn)稍下降趨勢(shì)。是因?yàn)槠孪驅(qū)χ脖桓采w的主要影響體現(xiàn)在溫度和降水上[18]，陰坡的太陽(yáng)輻射小，土壤水分大幅度保留，造就了植被的相對(duì)茂盛。

圖9 2005-2020年汾河流域各時(shí)期不同坡向下的平均植被覆蓋度

在各坡向的地區(qū)內(nèi)，變化起伏不明顯，但總體上呈現(xiàn)小幅度上升的趨勢(shì)。2013年，各坡向的植被覆蓋度達(dá)到最大值，除無坡向外，其他坡向平均植被覆蓋度均超過了70%，且最大值為73.19%。綜上所述，坡向?qū)Ψ诤恿饔虻闹脖桓采w度的影響程度不大。

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié) 論

2005—2020年，汾河流域植被覆蓋度總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增幅相對(duì)比較明顯，2013年汾河流域的平均植被覆蓋度明顯高于其他年份，較為突出。2005—2020年，汾河流域植被覆蓋度主要以中高覆蓋度為主，其面積比例均超過了30%，其次為中高、高覆蓋度，低覆蓋度所占比例極低，表明汾河流域的植被覆蓋度狀況整體呈現(xiàn)良好的狀態(tài)。

(1) 從空間分布上來看，高植被覆蓋度主要分布在汾河流域周邊的縣市，沿著呂梁山脈和太行山脈分布，中高植被覆蓋度分布較為均勻，低、中低植被覆蓋度主要分布在臨汾、運(yùn)城、太原市的主城區(qū)。從總體特征上來看，越靠近山區(qū)的區(qū)域植被覆蓋度越高，而處于盆地的區(qū)域植被覆蓋度不高，可能受人文因素的影響較為大。

(2) 隨著高程的不斷增高，汾河流域植被覆蓋度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，在大于2 000 m的區(qū)域，植被覆蓋度達(dá)到最高。

(3) 隨著坡度增大，汾河流域平均植被覆蓋度不斷上升，但上升的程度不大，在坡度大于12°時(shí)，植被覆蓋度最高。

(4) 坡向?qū)Ψ诤恿饔蛑脖桓采w度影響不明顯，但在陰坡處，植被覆蓋度較高。

4.2 討 論

汾河流域的植被覆蓋度在時(shí)間跨度上總體呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，這與白建偉[5]、韓麗君等[6]對(duì)汾河流域植被覆蓋度的研究相符合。其次，汾河流域植被覆蓋度與高程和坡度存在著明顯的相關(guān)性，但相對(duì)于坡向而言，對(duì)植被造成影響的主要是太陽(yáng)的輻射及土壤中水分，而汾河流域的坡向相對(duì)均勻一些，所以坡向?qū)Ψ诤恿饔虻闹脖桓采w度影響并不明顯。本文對(duì)汾河流域植被覆蓋度的研究存在著一定的局限性和不足，如對(duì)汾河流域植被覆蓋度的分布變化并未逐年進(jìn)行研究分析，人類活動(dòng)及氣候變化對(duì)植被覆蓋度的具體影響劃分研究等等。本研究對(duì)汾河流域植被覆蓋度的研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少，其土地利用類型也可能為汾河流域植被覆蓋度的重要影響因素，但受數(shù)據(jù)等各方面的限制，影響因子只是結(jié)合地形因子進(jìn)行探討，且因汾河流域相對(duì)較大，對(duì)研究數(shù)據(jù)的獲取和處理存在一定的限制。應(yīng)在往后的研究中加入更多的影響因素分析，采用更便捷的數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汾河流域最大程度的綠色發(fā)展。