2000～2020年平昌縣植被覆蓋度時空變化特征分析

方建平，魏 榮，楊建勇

(1.四川省平昌縣得勝鎮(zhèn)林業(yè)站，四川 平昌 636400；2.四川省平昌縣林業(yè)局，四川 平昌 636400；3.四川省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610081)

1 引言

植被覆蓋度指植被地面垂直投影面積占區(qū)域總面積的比例，可反映區(qū)域地表植被生長狀況，其變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況具有重要指示意義[1，2]。而歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)作為植被覆蓋變化研究中最常用的指標之一，可綜合反映區(qū)域植被覆蓋度和植被生長狀況。同時，NDVI能在較大時空尺度上反映植被覆蓋信息，是監(jiān)測區(qū)域植被和生態(tài)環(huán)境變化的最佳指示因子，在植被遙感中應(yīng)用廣泛[3，4]。因此，應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)提取區(qū)域NDVI，研究區(qū)域植被覆蓋度時空變化，對地區(qū)科學(xué)規(guī)劃造林綠化空間，精準提升林草質(zhì)量，推動區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)具有重要現(xiàn)實意義[5，6]。

近年來，平昌縣先后實施了退耕還林工程、天然林保護及后續(xù)生態(tài)工程，開展了集體林權(quán)制度改革、森林分類區(qū)劃界定、林業(yè)有害生物防治和森林防火等工作，森林資源的數(shù)量與質(zhì)量都有了較大改善[7，8]。同時，受近年來區(qū)域極端天氣頻發(fā)、城鎮(zhèn)化進程快速推進、區(qū)域林分結(jié)構(gòu)相對單一等因素影響，平昌縣局部地區(qū)出現(xiàn)了植被退化現(xiàn)象[9，10]。因此，本文基于平昌縣2000年和2020年Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，提取歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)，并運用空間自相關(guān)等方法[11，12]，全面分析2000～2020年平昌縣植被覆蓋度時空變化特征，以為平昌縣準確掌握植被覆蓋變化情況，深入實施林業(yè)生態(tài)保護和修復(fù)重大工程，統(tǒng)籌推進城鄉(xiāng)綠化，擴大退耕還林還草規(guī)模，進一步加強森林經(jīng)營等提供參考。

2 研究區(qū)概況

平昌縣位于四川省盆地東北邊緣米倉山南麓，幅員面積2228.79 km2，地理位置介于東經(jīng)106°50′～107°34′、北緯31°16′～31°52′之間，東鄰萬源市、宣漢縣，南接達州市、渠縣，西臨營山縣、儀隴縣，北與通江縣、巴州區(qū)接壤。境內(nèi)有通江、巴河、蒙溪河、磴子河等大小河流67條，屬嘉陵江流域渠江水系。年降水夏多冬少，氣候溫和，四季分明，屬四川盆地中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。森林土壤有紫色土、黃壤、新沖積土等3個土類，以紫色土和黃壤居多。平昌縣植物資源豐富，種類繁多，屬大巴山馬尾松常綠闊葉林帶植被類型。有杉科、樟科、柏科等50余科160余種，主要樹種有馬尾松、柏木、榿木、楓楊、刺槐等，灌木以化香、鹽膚木為主，灌叢以馬桑、黃荊、懸鉤子、杜鵑為主，地被物以絲茅、蕨類、苔蘚為主。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)采用平昌縣30m年最大NDVI數(shù)據(jù)，具體以2000和2020年為時間斷面，基于Google Earth Engine云計算平臺，利用全年Landsat5/7/8遙感數(shù)據(jù)，通過去云去陰影得到Landsat有效觀測數(shù)據(jù)，然后對每一個Landsat有效觀測進行NDVI提取[13～15]，并結(jié)合線性插值等方法，最終得到平昌縣境內(nèi)各像元所在位置在一年中的NDVI最大值。該數(shù)據(jù)集空間分辨率為30 m，時間分辨率為每年。

3.2 研究方法

本研究運用空間自相關(guān)分析方法[11，12]，具體以全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)來研究2000～2020年平昌縣植被覆蓋空間變化特征。

(1)全局空間自相關(guān)系數(shù)用表示，是從整體上衡量空間要素之間的相互關(guān)系，其值在[-1，1]之間。大于0表示存在空間正相關(guān)，且越接近1 集聚程度越高；小于0為負相關(guān)，等于0則表明不存在空間相關(guān)性。全局Moran'sI計算公式如下：

(1)

式(1)中，n為樣本量，即空間單元的個數(shù)。xi，xj是空間單元i和j的屬性值，Wij表示空間單元和的鄰近關(guān)系，當(dāng)和為鄰近的空間位置時，Wij=1；反之，Wij=0。

(2)局部空間自相關(guān)系數(shù)用表示，是從局域尺度研究區(qū)域內(nèi)部某空間單元與周圍鄰近單元的空間差異程度，用來進一步考察區(qū)域內(nèi)局域空間的異質(zhì)性，其值在[-1，1]之間,大于0表示某單元屬性值與周圍鄰近單元的空間差較異小，在空間格局上表現(xiàn)為高—高型集聚或低—低型集聚；小于0表示某單元屬性值與周圍鄰近單元的空間差異較大，在空間格局上表現(xiàn)為高—低型分異或低—高型分異；等于0則表示空間差異性不顯著。局部計算公式如下：

(2)

式(2)中，xi，xj，Wij含義同式(1)。

4 結(jié)果與分析

4.1 植被覆蓋度總體空間分布特征

2000～2020年(圖1)，平昌縣植被覆蓋度均呈現(xiàn)出東北部、西北部高于中部、南部的空間分布特征。2000年NDVI數(shù)值處于0.1529～0.9953之間，全縣NDVI均值為0.7194；2020年NDVI數(shù)值處于0.1529～0.9953之間，全縣NDVI均值為0.7119。2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度較低的區(qū)域主要在河流沿岸和城鎮(zhèn)等人類活動強度較大的地區(qū)，如沿通江、巴河流域地區(qū)，以及同州街道、江口鎮(zhèn)、金寶鄉(xiāng)等城鎮(zhèn)化水平較高的地區(qū)，植被覆蓋度普遍較低。而鎮(zhèn)龍鎮(zhèn)、筆山鎮(zhèn)、望京鄉(xiāng)、得勝鎮(zhèn)等海拔相對較高、且人類活動強度相對較小的地區(qū)，植被覆蓋度普遍較高。

(a)2000年 (b)2020年

4.2 植被覆蓋度差值空間分布特征

運用Arcgis10.6軟件柵格計算器工具對平昌縣2000和2020年的植被覆蓋度進行差值分析，并根據(jù)差值正負及數(shù)值大小將所得的柵格圖層按明顯改善、中度改善、基本穩(wěn)定、中度退化、明顯退化5個等級進行重分類，得到2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化面積數(shù)據(jù)(表1)。2000～2020年平昌縣植被覆蓋度整體穩(wěn)定，東北部和西南部有中度改善趨勢，但中部和西北部有明顯退化趨勢。從表1可以看出，2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度基本穩(wěn)定區(qū)域占全縣面積的88.22%，明顯改善和中度改善區(qū)域分別占全縣面積的0.14%和3.39%，而中度退化和明顯退化區(qū)域分別占全縣面積的5.75%和2.5%。2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度退化區(qū)域面積大于改善區(qū)域面積，這主要是因為目前平昌縣境內(nèi)現(xiàn)有林分結(jié)構(gòu)單一，質(zhì)量不高。其次，經(jīng)營區(qū)內(nèi)樹種齡組結(jié)構(gòu)不合理，森林生態(tài)功能較差，水土保持及抵御病蟲害等防護能力較弱。同時，由于部分林地雜灌、刺藤、雜草眾多，林木天然整枝較差，使林木生長緩慢，成片林分蓄積量低。不過隨著近年來平昌縣森林質(zhì)量精準提升等項目的實施，這一現(xiàn)狀正在不斷改善。

表1 2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化面積

4.3 植被覆蓋度變化相關(guān)性分析

為進一步明晰平昌縣2000～2020年植被覆蓋度變化的空間特征，運用 ArcGIS10.6軟件，在 2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化圖的基礎(chǔ)上創(chuàng)建30m的漁網(wǎng)，再以表格進行分區(qū)統(tǒng)計后，進行全局空間自相關(guān)分析，得到2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化的Moran's I指數(shù)數(shù)值為0.18，同時Z值為正，且P值顯示全局空間自相關(guān)分析通過了顯著性水平0.001的檢驗，說明2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化整體格局呈現(xiàn)較強的空間自相關(guān)性，且植被覆蓋度變化表現(xiàn)出顯著的空間集聚分布態(tài)勢。

全局空間自相關(guān)僅從整體上分析了2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化的空間特征，但無法從局部精準測度區(qū)域內(nèi)部的空間相關(guān)性。因此，使用ArcGIS10.6 軟件局部空間自相關(guān)分析工具，得到2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部值，并最終得到2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部空間自相關(guān)各類型面積數(shù)據(jù)(表2)。結(jié)果顯示，2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部空間自相關(guān)“不顯著”區(qū)域占全縣面積的81.7%，“高—高集聚型”和“高—低分異型”區(qū)域分別占全縣面積的7.82%和2.75%，“低—高分異型”和“低—低集聚型”區(qū)域分別占全縣面積的2.46%和5.27%。其中，平昌縣東北部和西南部表現(xiàn)出明顯的“高—高集聚型”空間格局，而中部和西北部表現(xiàn)明顯的“低—低集聚型”空間格局。

表2 2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部空間自相關(guān)各類型面積

5 結(jié)論與討論

本研究以平昌縣為研究對象，選取2000年和2020年Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，提取歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)，并運用空間自相關(guān)等方法，全面分析了平昌縣2000～2020年植被覆蓋度時空變化特征。主要結(jié)論如下。

(1)2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度總體水平較高，且呈現(xiàn)出東北部、西北部高于中部、南部的空間分布特征。2000和2020年全縣NDVI均值分別為0.7194和0.7119。植被覆蓋度較低的區(qū)域主要在河流沿岸和城鎮(zhèn)等人類活動強度較大的地區(qū)，而植被覆蓋度較高的區(qū)域則主要分布在海拔相對較高，且人類活動強度相對較小的地區(qū)。

(2)2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度整體穩(wěn)定，東北部和西南部有中度改善趨勢，而中部和西北部有明顯退化趨勢。2000～2020 年，平昌縣植被覆蓋度明顯改善、中度改善、基本不變、中度退化、明顯退化區(qū)域分別占全縣面積的0.14%、3.39%、88.22%、5.75%、2.5%。2000～2020 年，由于平昌縣境內(nèi)林分結(jié)構(gòu)、齡組結(jié)構(gòu)、樹種組成等比較單一，部分區(qū)域植被覆蓋出現(xiàn)退化趨勢。

(3)2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度變化整體格局呈現(xiàn)較強的空間自相關(guān)性，且植被覆蓋度變化表現(xiàn)出顯著的空間集聚分布態(tài)勢。2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化全局空間自相關(guān)分析顯示，Moran's I指數(shù)數(shù)值為0.18，Z值為正，且P值通過了顯著性水平0.001的檢驗。2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部空間自相關(guān)分析表明，平昌縣植被覆蓋度變化東北部和西南部呈“高—高集聚型”空間格局，而中部和西北部呈“低—低集聚型”空間格局。

本研究基于Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，從時間尺度和空間尺度研究了平昌縣2000～2020年植被覆蓋度時空變化特征，并結(jié)合平昌縣實際情況，初步分析了影響其植被覆蓋變化的自然、人為等因素，但區(qū)域植被覆蓋變化是一個多因素復(fù)合影響的動態(tài)過程，如氣候因子、地理因子、人類活動強度等，因此，在以后的研究中還需進一步對平昌縣植被覆蓋度進行長時間序列時空特征的分析和多影響因子的探討。