黃河下游寬灘區(qū)及其沿線植被覆蓋度變化特征

杜鵬舉，孫煜航，趙志杰，李振山

（1.北京大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100871；2.北京大學(xué)深圳研究生院 環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 深圳 518055）

植被是覆蓋地表的植物群落的總稱(chēng)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)不可替代的成分［1］，植被覆蓋的變化可以反映自然演化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響［2］。 氣候變化特別是氣溫和降水等對(duì)植被影響很大［3-4］，除此之外，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被覆蓋的影響也不容忽視［5］。

近年來(lái)，遙感數(shù)據(jù)因具有覆蓋范圍廣、易于獲取等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）在植被的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中取得了較好的應(yīng)用效果［6-8］。 許多學(xué)者對(duì)黃河下游寬灘區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化及其影響因素進(jìn)行了研究，但這些研究集中在黃河河道演變［2］、洪水漫灘概率風(fēng)險(xiǎn)分析［9］、灘區(qū)內(nèi)土地利用／覆蓋現(xiàn)狀［10］等方面，對(duì)寬灘區(qū)及周邊區(qū)域植被覆蓋變化的研究較少。 從研究范圍看，黃河下游植被覆蓋研究多局限于黃河三角洲［11］、濕地自然保護(hù)區(qū)［12］等。 為掌握黃河下游寬灘區(qū)植被的變化特征，筆者基于1987—2017年7 期Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)，研究黃河下游寬灘區(qū)沿線植被覆蓋時(shí)空變化特征及影響因素，以期為黃河下游寬灘區(qū)治理和生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文研究黃河下游寬灘區(qū)為桃花峪至陶城鋪河段灘區(qū)，寬灘區(qū)大堤堤距平均9.2 km，大堤之間寬灘區(qū)面積2579.21 km2。 寬灘區(qū)及沿線行政區(qū)地處華北平原，地勢(shì)平緩，海拔為41～98 m，年平均氣溫12.0～14.8 ℃，年平均降水量550～650 mm，水、熱等資源比較充足。

黃河下游寬灘區(qū)是黃河行洪、泄洪和沉沙的重要區(qū)域。 黃河下游寬灘區(qū)分布在包括河南、山東兩省下轄的20 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，截至2017年年底這些縣級(jí)行政區(qū)常住人口達(dá)1383.27 萬(wàn)，因“二級(jí)懸河”、漫灘洪水及生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件的制約，寬灘區(qū)沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡。 以黃河下游寬灘區(qū)及其沿線20 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)為研究區(qū)，分析其植被覆蓋時(shí)空變化特征及影響因素。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采用Landsat 系列影像的地形精度校正（L1TP）數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。 研究區(qū)形狀狹長(zhǎng)，需3 景影像覆蓋，綜合考慮成像時(shí)間、云量和影像質(zhì)量等因素，選擇1987年、1994年、1998年、2003年、2008年、2013年和2017年植被生長(zhǎng)茂盛、植被覆蓋度高的7—8月影像研究植被覆蓋情況，并選擇2017年逐月遙感影像研究寬灘區(qū)沿線行政區(qū)和寬灘區(qū)月際植被覆蓋度變化。

經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和人口等社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)資料來(lái)自2018年《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》、2018年《牡丹區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》、2018年《東明統(tǒng)計(jì)年鑒》、2017年《梁山縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、2017年《鄆城縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、2017年《鄄城縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》和2018年《臺(tái)前縣政府工作報(bào)告》等。

2.2 基于NDVI 的植被覆蓋度計(jì)算

像元二分模型［13］將遙感影像的每一個(gè)像元看作無(wú)植被覆蓋地表（即裸地）和全植被覆蓋地表（即植被），任一像元的反射率值可以表示為全植被覆蓋部分與無(wú)植被覆蓋部分線性加權(quán)的和。 Gutman 等［14］在實(shí)踐中總結(jié)出歸一化植被指數(shù)NDVI與地區(qū)植被覆蓋度FVC之間的關(guān)系，并構(gòu)建了基于NDVI的像元二分模型：

式中：NDVIveg、NDVIsoil分別為全植被覆蓋、無(wú)植被覆蓋情況下的NDVI值。

理想情況下，NDVIsoil值接近0，NDVIveg值接近1，但受太陽(yáng)輻射、大氣狀況等因素影響，這兩個(gè)值會(huì)隨著遙感影像成像時(shí)間和空間變化，因此Gillies 等［15］對(duì)式（1）進(jìn)行了修正：

式中：NDVImax、NDVImin分別為研究區(qū)NDVI的最大值、最小值，考慮到存在信號(hào)噪聲，筆者通過(guò)NDVI直方圖統(tǒng)計(jì)累計(jì)頻率95%、5%對(duì)應(yīng)的值來(lái)確定NDVImax、NDVImin，其中最大值代表全植被覆蓋時(shí)的NDVI值，最小值代表無(wú)植被覆蓋時(shí)的NDVI值。

經(jīng)過(guò)處理得到的植被覆蓋度FVC介于0～1 之間，將植被覆蓋度分為4 個(gè)等級(jí)［16］：地表植被覆蓋度低于0.3 為無(wú)植被覆蓋，地表植被覆蓋度0.3～0.5 為低植被覆蓋，地表植被覆蓋度0.5～0.7 為中植被覆蓋，地表植被覆蓋度大于0.7 為高植被覆蓋，分別為1、2、3、4 級(jí)。

2.3 植被覆蓋度變化分析

采用差值法研究不同時(shí)期的植被覆蓋度變化情況，具體計(jì)算公式：

式中：Rp、Rl分別為研究區(qū)前一時(shí)期和后一時(shí)期的植被覆蓋度等級(jí)；ΔR為植被覆蓋度變化，ΔR=-3 為嚴(yán)重退化、ΔR=-2 為中度退化、ΔR=-1 為輕微退化、ΔR=0 為未變化、ΔR=1 為輕微改善、ΔR=2 為中度改善、ΔR=3 為極度改善。

2.4 空間重心轉(zhuǎn)移模型

空間重心轉(zhuǎn)移模型［17］是對(duì)研究對(duì)象的空間分布進(jìn)行描述的方法。 采用空間重心轉(zhuǎn)移模型分析研究區(qū)不同等級(jí)植被覆蓋度的遷移方向和軌跡，重心計(jì)算公式為

2.5 轉(zhuǎn)移矩陣分析

轉(zhuǎn)移矩陣可以全面、具體地分析研究區(qū)植被覆蓋變化的數(shù)量結(jié)構(gòu)特征和各等級(jí)植被覆蓋度之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而提高對(duì)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的認(rèn)識(shí)［18］。一定時(shí)段內(nèi)第i級(jí)植被覆蓋度轉(zhuǎn)移為第j級(jí)植被覆蓋度的土地面積占比所組成的矩陣，即轉(zhuǎn)移矩陣。 利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算植被覆蓋度變化的凈變化量、交換變化量和總變化量。 凈變化量Dj反映各等級(jí)植被覆蓋度面積占比的絕對(duì)變化量，計(jì)算公式為

交換變化量Sj反映不同等級(jí)植被覆蓋度之間相互轉(zhuǎn)換的總量，計(jì)算公式為

各等級(jí)植被覆蓋度的凈變化量和交換變化量共同構(gòu)成總變化量Cj，能夠綜合反映某等級(jí)植被覆蓋度的絕對(duì)與交換變化量，

式中：Fj＋為T(mén)1年j級(jí)植被覆蓋度的面積百分比；F＋j為T(mén)2年j級(jí)植被覆蓋度的面積百分比；Fjj為T(mén)1年至T2年j級(jí)植被覆蓋度保持不變的面積百分比。

3 結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度時(shí)空分布特征

黃河下游桃花峪至陶城鋪河段沿線行政區(qū)和寬灘區(qū)內(nèi)月平均植被覆蓋度總體變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)明顯“雙峰型”特征（見(jiàn)圖1），寬灘區(qū)沿線、寬灘區(qū)內(nèi)植被覆蓋度最大值出現(xiàn)在7月，分別為0.701、0.719，植被覆蓋度最小值出現(xiàn)在10月，分別為0.404、0.355；寬灘區(qū)沿線和寬灘區(qū)內(nèi)6月和10月植被覆蓋度均顯著減小。

圖1 2017年植被覆蓋度月際變化

典型年份7—8月植被覆蓋度均值見(jiàn)圖2。 寬灘區(qū)沿線7—8月植被覆蓋度均值為0.654 ～0.736，最小值出現(xiàn)在1987年，最大值出現(xiàn)在2013年，在1987—2017年呈波動(dòng)增大趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率為0.015／10 a，表明植被覆蓋狀況不斷改善。 寬灘區(qū)內(nèi)7—8月植被覆蓋度均值為0.531～0.719，最小值出現(xiàn)在1987年，最大值出現(xiàn)在2017年，整體呈增大趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率為0.063／10 a。 值得注意的是，寬灘區(qū)內(nèi)植被覆蓋度增長(zhǎng)速率是寬灘區(qū)沿線的4.2 倍，2003年之后寬灘區(qū)內(nèi)植被覆蓋度與寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度的差距逐漸減小并在2017年實(shí)現(xiàn)反超。

圖2 典型年份7—8月植被覆蓋度均值

寬灘區(qū)沿線不同植被覆蓋度等級(jí)面積占比見(jiàn)圖3，可以看出，各年份高植被覆蓋面積占比最大，均在50%以上，無(wú)植被覆蓋、低植被覆蓋和中植被覆蓋面積占比較小，無(wú)植被覆蓋面積占比為10%左右。

圖3 典型年份不同等級(jí)植被覆蓋度面積占比

利用Landsat 影像數(shù)據(jù)反演得到寬灘區(qū)沿線1987年、1998年、2008年和2017年4 期植被覆蓋度數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步得到各等級(jí)植被覆蓋度分布，見(jiàn)圖4。

圖4 不同時(shí)期各等級(jí)植被覆蓋度空間分布

整體上寬灘區(qū)沿線植被覆蓋情況較好，大部分地 區(qū)為高植被覆蓋。 1987年寬灘區(qū)沿線西南部植被覆蓋狀況較差，東北部植被覆蓋狀況較好，鄭州市金水區(qū)和開(kāi)封市區(qū)周?chē)忻黠@無(wú)植被覆蓋地表；1998年各地區(qū)植被覆蓋狀況比較均衡，其中黃河長(zhǎng)垣—東明段沿線有大面積無(wú)植被覆蓋地表；2008年無(wú)植被覆蓋和低植被覆蓋地表主要集中在鄭州市金水區(qū)、惠濟(jì)區(qū)，原陽(yáng)縣，開(kāi)封市區(qū)和菏澤市牡丹區(qū)；2017年低植被覆蓋和無(wú)植被覆蓋區(qū)域在城鎮(zhèn)化地區(qū)有所擴(kuò)張，且鄭州、開(kāi)封城區(qū)植被覆蓋狀況整體較差。

3.2 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化特征

統(tǒng)計(jì)得出不同時(shí)段不同等級(jí)植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣，見(jiàn)表1。 1987—1998年，寬灘區(qū)沿線植被覆蓋呈改善趨勢(shì)，總的植被覆蓋改善面積占比為31.26%，其中中植被覆蓋轉(zhuǎn)移為高植被覆蓋的面積占比最大，為14.81%；總的植被覆蓋退化面積占比為15.90%，其中高植被覆蓋轉(zhuǎn)移為中植被覆蓋的面積占比最大，為4.89%。 1998—2008年，寬灘區(qū)沿線植被覆蓋狀況仍呈改善趨勢(shì)，但植被覆蓋狀況改善的面積比1987—1998年的小，植被覆蓋改善面積占比為19.05%，其中中植被覆蓋向高植被覆蓋轉(zhuǎn)移的面積占比最大，為7.07%；植被覆蓋退化面積占比為14.82%，其中高植被覆蓋向中植被覆蓋轉(zhuǎn)移的面積占比最大，為5.33%。2008—2017年，寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度下降，植被覆蓋改善、退化面積占比分別為13.25%、21.43%，高植被覆蓋退化為較低等級(jí)植被覆蓋的面積占總退化面積的74.00%，這是2008—2017年植被覆蓋度下降的主要原因。

表1 研究區(qū)1987—2017年不同等級(jí)植被覆蓋度面積占比轉(zhuǎn)移矩陣 %

在1987—2017年不同時(shí)段不同等級(jí)植被覆蓋度面積占比轉(zhuǎn)移矩陣基礎(chǔ)上，計(jì)算出各等級(jí)植被覆蓋度的凈變化量和交換變化量，見(jiàn)表2。 1987—1998年，各等級(jí)植被覆蓋度的主導(dǎo)變化均為交換變化，但程度不同：高植被覆蓋的總變化量最大，其中凈變化量面積占比為15.60%，交換變化量為19.64%，表明高植被覆蓋面積占比的變化大部分表現(xiàn)為空間位置的轉(zhuǎn)移，但也有相當(dāng)數(shù)量的高植被覆蓋凈增加，與植被覆蓋狀況改善的結(jié)論一致；無(wú)植被覆蓋凈變化量面積占比只有0.76%，無(wú)植被覆蓋的變化主要表現(xiàn)為空間位置的轉(zhuǎn)移。 1998—2008年，寬灘區(qū)沿線不同植被覆蓋度等級(jí)的總變化量仍較大，但各等級(jí)植被覆蓋度的凈變化量較小，表明1998—2008年各等級(jí)植被覆蓋度變化以空間位置轉(zhuǎn)移為主。 2008—2017年，高植被覆蓋凈減少面積占比為7.35%，研究區(qū)植被覆蓋度出現(xiàn)退化，從交換變化量來(lái)看，各等級(jí)植被覆蓋度變化仍以空間位置轉(zhuǎn)移為主。

表2 1987—2017年不同等級(jí)植被覆蓋度面積占比變化%

寬灘區(qū)沿線1987—2017年植被覆蓋度變化空間分布情況見(jiàn)圖5，可以看出，植被覆蓋度變化呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：退化區(qū)域集中分布在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的城區(qū)及其周邊，其中東北部山東段菏澤市牡丹區(qū)、鄆城縣和梁山縣，以及西南部河南鄭州市惠濟(jì)區(qū)、金水區(qū)，開(kāi)封市市區(qū)和鄭開(kāi)大道沿線中牟縣植被退化比較嚴(yán)重，沿河灘區(qū)也有零星分布；改善區(qū)域集中分布在沿河灘區(qū)和城鎮(zhèn)化水平較低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中極度改善區(qū)域多分布在桃花峪至長(zhǎng)垣縣的沿黃寬灘區(qū)內(nèi)。

圖5 1987—2017年植被覆蓋度變化空間分布

各等級(jí)植被覆蓋度在1987年、1998年、2008年、2017年的重心坐標(biāo)及遷移變化軌跡見(jiàn)圖6。 總體來(lái)看，研究區(qū)各等級(jí)植被覆蓋度重心分布較為集中，且各時(shí)期無(wú)植被覆蓋、低植被覆蓋、中植被覆蓋、高植被覆蓋的重心呈從西南向東北偏移趨勢(shì)，西南部植被覆蓋度相對(duì)較低，東北部植被覆蓋度相對(duì)較高。 無(wú)植被覆蓋、低植被覆蓋和中植被覆蓋重心遷移方向基本一致，均經(jīng)歷了先向東北方向遷移后向西南方向遷移的過(guò)程；高植被覆蓋重心的遷移方向則與其他等級(jí)的相反，即先向西南方向遷移后向東北方向遷移。

圖6 不同時(shí)期各等級(jí)植被覆蓋度重心遷移軌跡

3.3 植被覆蓋度變化因素分析

苗晨等［19］研究指出，華北平原植被覆蓋度年內(nèi)變化與該區(qū)域農(nóng)業(yè)耕作制度密切相關(guān)，可以清晰反映出冬小麥-夏玉米輪作的特征。 黃河下游寬灘區(qū)地處華北平原，農(nóng)耕面積廣，植被覆蓋度月際變化的“雙峰型”反映了冬小麥-夏玉米輪作的特征。

河道收束對(duì)灘區(qū)內(nèi)植被覆蓋度提高起重要作用。黃河下游河道面積由1987年的814.2 km2縮小到2017年的203.6 km2，1987年、2017年植被覆蓋情況見(jiàn)圖7。1987年，黃河下游河道前半段寬且多曲，后半段窄且平直，沿河灘地植被覆蓋度也不同：前半段灘地植被覆蓋度以無(wú)植被覆蓋和低植被覆蓋居多，后半段植被覆蓋情況明顯優(yōu)于前半段，部分區(qū)域高植被覆蓋區(qū)域緊鄰河道。 2017年受小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙影響，黃河下游河道變窄、河勢(shì)穩(wěn)定，緊鄰河道嫩灘逐漸變?yōu)楦?，原?lái)無(wú)植被覆蓋和低植被覆蓋區(qū)域變成高植被覆蓋區(qū)域，呈現(xiàn)出極度改善區(qū)域緊鄰河道的現(xiàn)象，這是2008—2017年灘區(qū)植被覆蓋度逐漸趕上并反超寬灘區(qū)沿線行政區(qū)植被覆蓋度的重要原因。

圖7 黃河下游寬灘區(qū)內(nèi)1987年和2017年植被覆蓋情況

植被覆蓋度同時(shí)受社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，以縣級(jí)行政區(qū)為單位，在2017年植被覆蓋度基礎(chǔ)上，選取各縣級(jí)行政區(qū)的人均GDP、城鎮(zhèn)化率、第一產(chǎn)業(yè)占比、第二產(chǎn)業(yè)占比、第三產(chǎn)業(yè)占比、糧食播種面積6 個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與各縣級(jí)行政區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行相關(guān)性分析，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.591**、-0.557**、0.399、0.531*、-0.582**、0.684**，其中**表示在0.01 水平顯著相關(guān)、*表示在0.05 水平顯著相關(guān)。 寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度與人均GDP、城鎮(zhèn)化率和第三產(chǎn)業(yè)占比極顯著負(fù)相關(guān)，與糧食播種面積極顯著正相關(guān)，與第二產(chǎn)業(yè)占比顯著正相關(guān)，說(shuō)明城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，服務(wù)業(yè)蓬勃發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平提高造成地表植被覆蓋度下降。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃河下游寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度變化特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：從時(shí)間上看，1987—2017年黃河下游寬灘區(qū)沿線植被覆蓋整體呈改善趨勢(shì)，灘區(qū)內(nèi)植被覆蓋度由1987年的0.531 增大到2017年的0.719，寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度由1987年的0.654 增大到2017年的0.700，且寬灘區(qū)內(nèi)植被覆蓋度在2003年之后與寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度差距逐漸減小并在2017年反超；寬灘區(qū)沿線、寬灘區(qū)內(nèi)植被覆蓋度年內(nèi)變化呈明顯“雙峰型”特征；從空間上看，寬灘區(qū)沿線西南部植被覆蓋度較小，東北部植被覆蓋度較大，無(wú)植被覆蓋和低植被覆蓋區(qū)域集中在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展地區(qū)及其周邊；寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度年內(nèi)變化受農(nóng)業(yè)輪作耕種制度影響較大；小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙造成河道收束對(duì)寬灘區(qū)內(nèi)植被覆蓋度提高起到重要作用。