張詩羽, 張 毅, 王昌全, 曾志超

(四川農(nóng)業(yè)大學 資源學院, 四川 成都 611130)

植被是地理環(huán)境的重要組成部分，與氣候、土壤、地形條件、人類活動等要素相適應(yīng)，具有涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候等作用。植被覆蓋度作為植被的直觀量化指標，是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)，也是影響土壤侵蝕和水土流失的主要因子[1]。植被的形成和變化與所處的地理環(huán)境密切相關(guān)，植被覆蓋度的地形分異特征研究已成為揭示植被與地形之間關(guān)系的重要途徑。目前，借助RS與GIS技術(shù)來進行植被覆蓋度的相關(guān)研究已成為當前環(huán)境監(jiān)測的可行方法，王鵬程等[2]基于森林植被GIS數(shù)據(jù)庫，對三峽庫區(qū)森林植被分布的地形分異特征進行分析；盧曉寧等[3]利用2001—2013年EOS-MODIS歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對川西高原進行了干旱監(jiān)測；徐芮等[4]基于RS和GIS技術(shù)分析了2003—2011年朱溪流域植被覆蓋的時空分布狀況及其變化的地形響應(yīng)特征。

岷江上游流域是長江上游生態(tài)屏障的重要組成部分和成都平原的水源“生命線”，該地區(qū)地形高差懸殊，坡度較陡，泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害時有發(fā)生，同時人口增長的壓力也導(dǎo)致水土流失加劇，加之干旱河谷氣候使該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。目前，關(guān)于該區(qū)域已有的研究多集中在土壤、水文、氣候、地質(zhì)地貌、生態(tài)環(huán)境[5-10]等方面，而分析比較該地區(qū)植被覆蓋度與各類地形因子間的相關(guān)性強度大小的報道相對較少。本文擬基于歸一化植被指數(shù)和像元二分模型，在RS和GIS技術(shù)支持下，結(jié)合海拔高度、坡度、坡向?qū)︶航嫌蔚貐^(qū)植被覆蓋度空間分異特征進行研究，并從數(shù)理統(tǒng)計的角度對不同植被覆蓋度與各地形等級因子進行相關(guān)性分析，得出該地區(qū)影響不同植被覆蓋度的主要地形因子，以期為防治當?shù)厮亮魇Ш蜕鷳B(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江上游流域位于102°34′—104°14′E,30°45′—33°12′N，地處四川盆地丘陵山地向川西北高原的過渡地帶,屬青藏高原東緣高山峽谷區(qū)，岷江干流全長337 km,流域面積約為2.50×104km2，主要流經(jīng)四川省松潘、黑水、茂縣、理縣、汶川5縣。地勢總體呈現(xiàn)由西北向東南傾斜的分布趨勢，主體屬中高山陡崖地貌，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，地形極為復(fù)雜，地表起伏大，平均海拔高度為3 400 m，地貌類型多樣。屬中國東部濕潤季風區(qū)與青藏高寒區(qū)的過渡帶，其生態(tài)系統(tǒng)具有典型高山亞高山特征，垂直氣候帶明顯，年平均氣溫11.0 ℃，年降水量400～600 mm，降水主要集中在夏季(6—10月)，占全年降水量的80%～90%，暴雨多，降水強度大。植被類型沿高程有明顯的垂直地帶性，地表覆蓋以自然植被為主，森林、灌木和草甸的面積比重分別為35.38%，40.14%和24.23%，其中針葉林和闊葉林分別為24.59%，10.36%。大氣環(huán)流、局地環(huán)流、地理位置和地形地勢造就了該地區(qū)干旱河谷氣候形成，表現(xiàn)為氣溫年差小、干濕季明顯、蒸發(fā)量大、太陽輻射強烈等特征。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

Landsat-8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)來自中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(www.gscloud.cn)，空間分辨率均為30 m×30 m。其中3景遙感影像軌道號分別為130/37，130/38，130/39，成像時間均為2013年8月，圖像質(zhì)量良好且已做過系統(tǒng)輻射校正和幾何粗校正；DEM數(shù)據(jù)采用ASTER GDEM V1數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品。水文站點(包括紫坪鋪、姜射壩、桑坪、雜谷腦、沙壩、黑水、鎮(zhèn)江關(guān)、松潘8個水文站)資料來自四川省水文水資源局。其他數(shù)據(jù)還包括研究區(qū)1∶50 000地形圖、行政區(qū)劃圖(2012年，來自阿壩州國土資源局)、土地利用圖(2013年，來自阿壩州國土資源局)，土壤圖(來自阿壩州農(nóng)業(yè)局)。

在Envi 5.1軟件支持下，首先對遙感影像進行輻射定標和大氣校正，大氣模型(atmospheric model)根據(jù)研究區(qū)緯度和影像獲取時間選擇mid-latitude summer，氣溶膠參數(shù)模型(aerosol model)根據(jù)研究區(qū)域位置選擇rural；然后以研究區(qū)1∶50 000地形圖為基準，選擇三次多項式方法進行幾何精校正，校正精度控制在0.5個像元以內(nèi)。將校正后的三景遙感影像進行無縫鑲嵌，利用行政區(qū)劃圖剪裁得到研究區(qū)遙感影像。

1.3 植被覆蓋度估算

歸一化植被指數(shù)(normal difference vegetation index， NDVI)能夠較好地反映植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度等信息，其提取方法為：

(1)

式中：Landsat-8 OLI影像中第5波段(0.845～0.885 μm)對應(yīng)于近紅外波段NIR，第4波段(0.630～0.680 μm)對應(yīng)于可見光紅光波段R。然后利用李苗苗等[11]在基于NDVI的像元二分模型的基礎(chǔ)上改進的模型公式(2)，反演出流域的植被覆蓋度圖。

(2)

式中：NDVIsoil，NDVIveg——無植被覆蓋區(qū)和完全被植被所覆蓋區(qū)的像元的NDVI值。實際應(yīng)用中，對于某一土壤類型，其NDVIsoil是一定的；對于某一土地利用類型，其NDVIveg值也因植被類型相同而近似[11]。因此，本文將土地利用現(xiàn)狀圖與土壤圖的疊加圖作為確定NDVIveg和NDVIsoil值的依據(jù)。為消除圖像噪聲所帶來的誤差，NDVIsoil和NDVIveg取給定置信區(qū)間內(nèi)的最小值和最大值。利用研究區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)，選取相同土地利用方式和相同土壤類型圖斑內(nèi)累積頻率為5%的NDVI值為NDVIsoil，累積頻率為95%的NDVI值為NDVIveg。將NDVIsoil和NDVIveg代入公式(2)，得到研究區(qū)植被覆蓋分布圖。

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)，結(jié)合岷江上游流域植被覆蓋的實際情況，將植被覆蓋度分成6級:Ⅰ級為低度植被覆蓋(fc<30%)，Ⅱ級為中低度植被覆蓋(30%≤fc<45%)，Ⅲ級為中度植被覆蓋(45%≤fc<60%)，Ⅳ級為中高度植被覆蓋(60%≤fc<75%)，Ⅴ級為高度植被覆蓋(75%≤fc<90%)，Ⅵ級為極高度植被覆蓋(fc≥90%)。利用植被覆蓋度圖計算研究區(qū)的平均植被覆蓋度，將研究區(qū)內(nèi)各像元的植被覆蓋度的數(shù)值累加，用所得到的和除以研究區(qū)內(nèi)總像元數(shù)，得到研究區(qū)平均植被覆蓋度，即研究區(qū)內(nèi)各像元植被覆蓋度值的算術(shù)平均數(shù)[12]，計算公式為：

(3)

式中：n——圖像中的總像元個數(shù)；ai——第i個像元的植被覆蓋度值。

1.4 植被覆蓋度的地形分異特征

運用ArcGIS 10.2軟件對DEM數(shù)據(jù)鑲嵌剪裁后提取海拔、坡度和坡向并劃分等級，得到研究區(qū)海拔、坡度、坡向的專題圖。研究區(qū)海拔高度為760～5 840 m，海拔<2 000 m的區(qū)域僅占總面積的6%，基于以上實際，將研究區(qū)海拔高度按照<2 000，2 000～2 500，2 500～3 000，3 000～3 500，3 500～4 000，4 000～4 500，4 500～5 000，≥5 000 m分為8個高程帶。研究區(qū)坡度范圍為0°～88°，其中15°～45°的區(qū)域約占整個研究區(qū)的80%，結(jié)合水土保持工作中普遍采用的臨界坡度分級標準，按照<8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，35°～45°，45°～55°，≥55°將坡度分為7個等級。將坡向按照-1(平地)，0°～22.5°和337.5°～360°(北坡)，22.5°～67.5°(東北坡)，67.5°～112.5°(東坡)，112.5°～157.5°(東南坡)，157.5°～202.5°(南坡)，202.5°～247.5°(西南坡)，247.5°～292.5°(西坡)，292.5°～333.5°(西北坡)分為9個坡向帶，通常將北坡、東北坡、西北坡、西坡統(tǒng)稱為陰坡，將南坡、西南坡、東南坡、東坡統(tǒng)稱為陽坡。

將研究區(qū)各地形因子專題圖與植被覆蓋度等級圖進行疊加分析，統(tǒng)計各級地形因子對應(yīng)的不同植被覆蓋度面積比，生成直方圖，分析不同植被覆蓋度隨地形因子等級變化的特征。再提取各級地形因子范圍內(nèi)的植被覆蓋度圖，按照公式(3)計算各范圍內(nèi)的平均植被覆蓋度，并生成折線圖。

1.5 植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性強度

本文定量分析植被覆蓋度與高程、坡度、坡向之間的關(guān)系，是通過它們之間的面積數(shù)量關(guān)系來實現(xiàn)的[13]。首先基于DEM數(shù)據(jù)，借助ArcGIS 10.2軟件的水文分析功能，并結(jié)合水文站點的位置對子流域進行劃分[14-15]，將研究區(qū)共劃分為10個子流域(附圖6)。然后以各種自然條件相對完整的各子流域為研究對象，構(gòu)建統(tǒng)計樣本，以各個子流域內(nèi)不同植被覆蓋度面積比和各級地形因子面積比為變量，生成列表；通過SPASS 19.0軟件中斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)，研究變量間的線性相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度空間分布特征

由岷江上游流域植被覆蓋度的統(tǒng)計結(jié)果(表1)可知，研究區(qū)平均植被覆蓋度為73.2%，fc≥60%的區(qū)域占全區(qū)總面積75.0%，以Ⅵ級為主，占48.1%，其次是Ⅴ級，占19.0%，Ⅰ級僅占研究區(qū)面積15.2%，說明植被覆蓋狀況整體較好。由附圖7可知，Ⅰ和Ⅱ級植被覆蓋度主要分布在研究區(qū)西部和東北邊緣的高海拔地區(qū)以及東部岷江干流及岷江支流雜谷腦河兩岸的干旱河谷區(qū)，即汶川縣西北部、理縣中部、黑水縣西北部以及松潘縣東北部。Ⅲ和Ⅳ級集中分布在河谷兩岸低中山和中山區(qū)。Ⅴ和Ⅵ級則主要分布在遠離河谷的高中山和中高山區(qū)。

表1 岷江上游流域植被覆蓋度統(tǒng)計結(jié)果

2.2 植被覆蓋度隨海拔高度變化的特征

由圖1可見，研究區(qū)平均植被覆蓋度隨海拔的升高呈先緩慢增加后急劇下降的趨勢，在海拔≤4 000 m區(qū)域內(nèi)，各高程帶平均植被覆蓋度達76.1%以上，在2 500～3 000 m達到最大值83.6%。Ⅰ級植被覆蓋區(qū)面積所占比例隨海拔的升高先減小后增加，在海拔大于5 000 m的區(qū)域內(nèi)幾乎全為Ⅰ級植被覆蓋；而Ⅱ級和Ⅲ級區(qū)域面積隨海拔的升高先減少后增加；Ⅳ級和Ⅴ級植被覆蓋區(qū)分別在4 000～4 500和3 500～4 000 m達到最大值；Ⅵ級植被覆蓋區(qū)隨海拔的升高呈先增加后減小的趨勢，在3 000～3 500 m達到峰值，當海拔大于4 500 m后下降到幾乎為0。

由表2可知，Ⅰ級植被覆蓋區(qū)域主要分布在海拔5—7級(占82.9%)，Ⅱ級主要分布在4—6級(占74.3%)，Ⅲ級主要分布在1級及4—6級(占81.8%)，Ⅳ級主要分布在2—6級(占90.6%)，Ⅴ級主要分布在3—6級(占84.9%)，Ⅵ級主要分布在2—5級(占91.3%)。

圖1 研究區(qū)各級高程范圍內(nèi)植被覆蓋度變化

表2 研究區(qū)不同植被覆蓋度在各級高程帶所占面積比例 %

2.3 植被覆蓋度隨坡度變化的特征

由圖2可見，研究區(qū)平均植被覆蓋度隨坡度的增大呈先增加后降低的趨勢，在25°～45°的坡度帶達到最大值。Ⅰ—Ⅴ級植被覆蓋區(qū)所占面積比例隨坡度增大均為先減小后增加。而Ⅵ級植被覆蓋區(qū)則相反，其變化與平均植被覆蓋度隨坡度增加的變化趨勢一致，在直方圖上呈現(xiàn)出中間高兩端低的格局。

圖2 研究區(qū)各級坡度范圍內(nèi)植被覆蓋度變化

由表3可知，Ⅰ級植被覆蓋區(qū)域主要分布在坡度2—5級(占88.9%)，Ⅱ級主要分布在2—5級(占87.9%)，Ⅲ級主要分布在2—5級(占87.4%)，Ⅳ級主要分布在2—5級(占86.6%)，Ⅴ級區(qū)域分布在2—5級(占88.6%)，Ⅵ級主要分布在3—5級(占84.6%)。

表3 研究區(qū)不同植被覆蓋度在各級坡度帶所占面積比例 %

2.4 植被覆蓋度隨坡向變化的特征

由圖3可見，Ⅰ級植被覆蓋區(qū)在北坡和西北坡所占比例較高，其次是西坡和東北坡，Ⅱ級植被覆蓋區(qū)在各個坡向所占比例較平均，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ級區(qū)域主要分布在東南坡、南坡、西南坡、東坡，而Ⅵ級植被覆蓋區(qū)則主要分布在東北坡、北坡、西北坡、東坡。各個坡向的平均植被覆蓋度從大到小依次為：東南坡>東坡>南坡>東北坡>西南坡>西坡>西北坡>北坡，總體上，陽坡植被覆蓋度略大于陰坡。

由表4可知，Ⅰ級植被覆蓋區(qū)域主要分布在除平地、東南坡、南坡外的其他坡向(占79.3%)，Ⅱ級主要分布在除平地、北坡和東北坡外的其他坡向(占76.9%)，Ⅲ級主要分布在除平地、北坡外的其他坡向(占89.4%)，Ⅳ級主要分布在除平地、北坡外的其他坡向(占90.6%)，Ⅴ級主要分布在除平地、北坡、東北坡外的其他坡向(占81.3%)，Ⅵ級主要分布在除平地外的其他坡向(占100.0%)。

圖3 研究區(qū)各級坡向范圍內(nèi)植被覆蓋度變化

表4 研究區(qū)不同植被覆蓋度在各級坡向所占面積比例 %

2.5 植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性分析

表5列出了不同植被覆蓋度與表2—4中篩選出的各地形等級因子的相關(guān)性結(jié)果，可以看出，大多數(shù)地形等級因子與植被覆蓋度具有較強的相關(guān)性。Ⅰ級植被覆蓋度與坡度的相關(guān)性強于海拔和坡向，且與坡度2,3級呈負相關(guān)，與坡度4,5級呈正相關(guān)，這與坡度變化引起的水熱條件不同有關(guān)。坡度2,3級處于水熱條件較好的緩坡區(qū)，有利于植被生長，而坡度4，5級處于水熱條件較差的陡坡區(qū)，低度植被覆蓋區(qū)隨緩坡區(qū)面積的增加而減少，隨陡坡區(qū)面積的增加而增加。Ⅱ級植被覆蓋度與坡向和海拔的相關(guān)性增強，與坡度的相關(guān)性減弱；Ⅲ級與海拔和坡向的相關(guān)性則明顯大于坡度；Ⅳ和Ⅴ級與海拔、坡度、坡向的部分地形等級因子均表現(xiàn)出較強的相關(guān)性。Ⅵ級植被覆蓋度與海拔因子的相關(guān)性最強，且與海拔2,3級呈正相關(guān)，與海拔5級呈負相關(guān)。分析其原因，在海拔2 000～3 000 m的區(qū)域，氣溫、降雨等因素為植被的生長提供了有利條件，極高度植被覆蓋與該區(qū)域呈正相關(guān)；而當海拔大于4 000 m后，地貌主要為山頂或山脊，氣溫低、風速大、土層貧瘠等使植被極難生存，因此表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系。綜上，研究區(qū)低度植被覆蓋區(qū)受坡度因子影響最顯著，極高度植被覆蓋區(qū)受海拔影響最顯著，其他植被覆蓋區(qū)均受海拔、坡度、坡向的部分地形等級因子共同影響，但未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

3 討 論

植被的形成和分布與所處的地理環(huán)境密切相關(guān)，而地形特征又是決定植被生境要素(如小氣候、水文、土壤等)的主導(dǎo)因子。海拔和坡度是決定岷江上游地區(qū)植被分布的主要地形因子，這一結(jié)論與李崇魏等[16]對岷江上游流域植被格局與環(huán)境關(guān)系研究的結(jié)果吻合。海拔和坡度影響著水和熱的分布[12]：有研究表明，岷江上游地區(qū)在海拔2 000～3 000 m水熱組合條件最好[17-18]，在本研究中植被覆蓋度在2 500～3 000 m高程帶達到最大值，極高度植被覆蓋也與這一區(qū)域表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，這與該高程帶的植被生長的有利條件有很大關(guān)系；一般坡度越大的地區(qū)，積溫越少，投影面積相同條件下降水量越小，土層持水性能也越差，故植被覆蓋度應(yīng)隨坡度的增大而減小，但本研究中植被覆蓋度最高的區(qū)域并不是坡度最小的地區(qū)，由于岷江上游地區(qū)平地極少，在緩坡段人口占地比例大，林地被開墾為耕地[19-20]，使得植被覆蓋度較低，而隨著坡度增加，人工干預(yù)變?nèi)?，植被覆蓋度的變化趨勢回歸正常。

在岷江上游流域，干旱河谷一般分布于海拔1 200～2 000 m，坡度≤35°的區(qū)域，因其地勢相對平緩和較好的光熱條件成為人口分布集中的核心地帶[21]，但由于其生態(tài)系統(tǒng)本身較脆弱加之人類活動的干擾，導(dǎo)致該區(qū)域水土流失加劇和植被嚴重退化[22]，造成該區(qū)域植被覆蓋度偏低。

表5 不同植被覆蓋度與地形等級因子相關(guān)性分析

注：*，**分別表示在置信度為0.05，0.01時，相關(guān)性是顯著的。

坡向?qū)χ脖桓采w度的影響主要體現(xiàn)在降雨和溫度上。岷江上游地區(qū)位于橫斷山區(qū)東側(cè)，受東南暖濕氣流和西南暖濕氣流影響，東坡和東南坡降水量明顯大于西坡和西北坡[23]；近東西向的山脈阻擋夏季暖濕氣流，在迎風坡形成大量降雨[24]。山脈對氣流的阻滯作用還體現(xiàn)在阻擋冬季強冷空氣南侵，使南坡氣溫高些[24]；同時，陽坡接受到的太陽輻射總量要高于陰坡，使陽坡積溫大于陰坡，植物光合作用也強于陰坡。值得注意的是，本研究中，陽坡植被覆蓋度雖略大于陰坡，但極高度植被覆蓋區(qū)面積卻是陰坡大于陽坡，這可能是由于干旱河谷降水量少、蒸發(fā)量大、太陽輻射強烈的氣候特征[25]造成，陰坡雖然降水量較陽坡少，但因為其接受太陽輻射也較少，蒸發(fā)量小，保存的水分相對較多，植物生長更茂盛，使得在海拔較低處(<3 000 m)的極高度植被覆蓋區(qū)面積陰坡略勝于陽坡。

綜上，筆者認為在對岷江上游流域進行土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)保護建設(shè)時，應(yīng)充分考慮到地形因子的限制條件，在緩坡區(qū)(8°～25°)應(yīng)加強退耕還林、還草，在海拔較低(2 000～3 000 m)區(qū)域開展育林工作。對于本身生態(tài)條件較差的干旱河谷區(qū)，原始植被一旦被破壞就很難恢復(fù)，應(yīng)重在保護，加強土地利用規(guī)劃，在改造治理上，也要提出切合實際可能的要求。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)總體植被覆蓋情況良好，中度以上植被覆蓋區(qū)面積占研究區(qū)總面積的75.0%且植被覆蓋度fc≥90%的區(qū)域面積所占比例高達48.1%，低植被覆蓋區(qū)面積僅占研究區(qū)面積的15.2%。

(2) 植被覆蓋度隨海拔高度和坡度的增加呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，在海拔2 500～3 000 m和坡度25°～45°的地帶達到最大值。植被覆蓋度隨坡向變化總體上陽坡略大于陰坡。

(3) 各地形因子對研究區(qū)不同植被覆蓋度的影響程度不同。低植被覆蓋區(qū)受坡度的影響較為顯著，極高度植被覆蓋區(qū)受海拔高度的影響較為顯著，其他植被覆蓋區(qū)與地形因子的相關(guān)性并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，這在一定程度上揭示了岷江上游地區(qū)植被與地形的復(fù)雜關(guān)系。

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