田 地, 張厚喜, 劉 政, 胡亞林

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，受地形、氣候、土壤等多種環(huán)境因子的制約[1-3].同時(shí)，植被也是連接大氣、土壤和水分的“紐帶”，具有減少雨滴激濺、減緩地表徑流、保土固土的功能，是控制土壤侵蝕與水土流失的重要因子.植被覆蓋度(fractional vegetation coverage, FVC)是指單位面積內(nèi)植被地上部分(包括葉、莖、枝)在地面垂直投影面積的百分比[4-5]，是地表植被生長(zhǎng)趨勢(shì)的重要參量，也是區(qū)域生態(tài)退化監(jiān)測(cè)最重要、最敏感的指標(biāo).獲取地表植被覆蓋度及其變化信息，對(duì)揭示地表植被時(shí)空變化規(guī)律，探討植被覆蓋變化驅(qū)動(dòng)因子，評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義.

植被變化與地理環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)，其中地形因子對(duì)植被生長(zhǎng)具有重要影響.有研究表明，岷江上游流域低植被覆蓋度區(qū)域受坡度影響顯著，而極高植被覆蓋度區(qū)域受高程影響顯著[6].汶川地震災(zāi)區(qū)的植被覆蓋度受坡度和高程影響較大，而受坡向影響較弱[7].在赤水河流域，坡度和坡向?qū)χ脖桓采w的影響都明顯高于高程[3].同時(shí)王毅和郭躍[8]研究發(fā)現(xiàn)，貴州省普定縣喀斯特地貌區(qū)植被覆蓋度的分布與地形因子的空間關(guān)系具有不確定性，地形因素主要通過(guò)影響人類(lèi)活動(dòng)間接影響植被覆蓋度.可見(jiàn)，地形因子對(duì)植被覆蓋度變化的影響具有復(fù)雜性，不同地區(qū)影響植被覆蓋度的關(guān)鍵地形因子不同.

長(zhǎng)汀縣是我國(guó)典型的紅壤水土流失區(qū)，因其土壤侵蝕的典型性、嚴(yán)重性與治理的長(zhǎng)期性，長(zhǎng)汀縣植被治理和恢復(fù)一直受到政府與社會(huì)的高度重視.徐涵秋等[9]和張燦等[10]基于Landsat TM/ETM+/OLI影像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)汀縣近30年來(lái)植被覆蓋度恢復(fù)效果顯著.然而，目前針對(duì)長(zhǎng)汀縣地區(qū)高程、坡度、坡向等地形因子對(duì)該地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化影響的研究未見(jiàn)報(bào)道.因此，本研究采用ArcGIS10.2和ENVI5.3軟件，以福建省長(zhǎng)汀縣的LandsatTM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)像元二分模型，探究長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度時(shí)空變化特征.同時(shí)，通過(guò)DEM數(shù)據(jù)提取地形因子，分析植被覆蓋度與高程、坡度、坡向等地形因子的定量關(guān)系，旨在明確長(zhǎng)汀地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化特征及其與地形因子的關(guān)系，為該區(qū)水土流失植被治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)汀縣位于福建省西部山區(qū)，武夷山脈南麓，南部近鄰廣東，西部接壤江西，是閩、粵、贛三省的邊陲要沖，全縣總面積3 090 km2，范圍北緯25°18′40″—26 °02 ′05″，東經(jīng)116°00′45″—116°39′20″.長(zhǎng)汀縣呈四周隆起中部下凹的盆地類(lèi)型，地勢(shì)自北向南傾斜，全縣最高海拔1 459 m，最低海拔238 m.氣候類(lèi)型為亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫18.3 ℃，年均降水量1 730.4 mm.由于該地區(qū)雨量充沛，年內(nèi)分配不均，風(fēng)化作用十分強(qiáng)烈，土壤易受侵蝕，是我國(guó)亞熱帶紅壤水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1.2.1 植被覆蓋度遙感數(shù)據(jù) 本研究采用的遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat TM以及Landsat OLI影像，源自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，影像行列編號(hào)均為121-042，空間分辨率為30 m.遙感影像的選擇需滿足以下兩方面要求：首先，選取云含量較低的遙感影像反演植被覆蓋度，保證提取結(jié)果的精確度；其次，為減少因植被生長(zhǎng)發(fā)育所引起的誤差，均選取植被發(fā)育情況相近的時(shí)間段.因此，本研究所選取的長(zhǎng)汀縣2000—2016年間遙感影像均為秋季(9—11月)且云量低于5%的遙感影像.各時(shí)期所選擇遙感數(shù)據(jù)源的信息如表1.

表1 2000—2016年間長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度反演遙感數(shù)據(jù)源Table 1 Source information on remote sensing data for fractional vegetation coverage in Changting County from 2000 to 2016

首先，將遙感數(shù)據(jù)投影方式均轉(zhuǎn)換為基于WGS-84坐標(biāo)系的通用橫軸墨卡托投影，并進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理.然后，采用相同投影的矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪得到研究區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù).

1.2.2 地形數(shù)據(jù) 地形因子包括高程、坡度和坡向，為30 m地面分辨率ASTER GDEM V2高程數(shù)據(jù)，源自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，坡度及坡向數(shù)據(jù)主要基于DEM數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS 10.2軟件3D Analyst模塊Aspect及Slope工具生成.依據(jù)研究區(qū)海拔高度，將長(zhǎng)汀縣劃分為7個(gè)海拔高程，即第1高程(<300 m)、第2高程(300～400 m)、第3高程(400～500 m)、第4高程(500～600 m)、第5高程(600～700 m)、第6高程(700～800 m)、第7高程(≥800 m).依據(jù)《水土保持綜合治理規(guī)劃通則GB T15772—2008》[11]和水土流失調(diào)查中常用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法，將坡度分為平坡(0°～5°)、緩坡(5°～8°)、斜坡(8°～15°)、陡坡(15°～25°)、急坡(25°～35°)和險(xiǎn)坡(>35°)等6個(gè)等級(jí).考慮到坡向?qū)χ脖婚L(zhǎng)勢(shì)的影響，將研究區(qū)劃分為為平地(0°)、陰坡(0°～67.5°，337.5°～360°)、半陰坡(67.5°～112.5°，292.5°～337.5°)、半陽(yáng)坡(112.5°～157.5°，247.5°～292.5°)、陽(yáng)坡(157.5°～247.5°)5種坡向類(lèi)型[12].

1.3 研究方法

1.3.1 基于像元二分模型的植被覆蓋度計(jì)算 本研究中長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度采用改進(jìn)的像元二分模型來(lái)估算，公式如下[13]：

FVC=(N-Nsoil)/(Nveg-Nsoil)

(1)

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，N為任意像元的歸一化植被指數(shù)(NDVI)，Nsoil代表純裸地的植被指數(shù)，Nveg代表純植被覆蓋的植被指數(shù).歸一化植被指數(shù)N公式如下[14]：

N=(NIR-R)/(NIR+R)

(2)

式中，NIR為近紅外波段的反射率，R為紅光波段的反射率.

根據(jù)影像的NDVI序列，采用5%和95%置信度截取NDVI的上下閾值，在置信區(qū)間內(nèi)取最大值和最小值分別代替Nveg和Nsoil.利用ENVI 5.3軟件估算長(zhǎng)汀縣6期植被覆蓋度，并依據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2008)[15]，利用ArcGIS 10.2軟件柵格重分類(lèi)工具將研究區(qū)植被覆蓋度分為5個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)植被覆蓋度為裸地(FVC,0)，Ⅱ級(jí)植被覆蓋度為低覆蓋度(FVC,0～25%)，Ⅲ級(jí)植被覆蓋度為中覆蓋度(FVC,25%～50%)，Ⅳ級(jí)植被覆蓋度為高覆蓋度(FVC,50%～75%)，Ⅴ級(jí)植被覆蓋度為極高覆蓋度(FVC,>75%).植被覆蓋度均值，依據(jù)研究區(qū)植被覆蓋度總值與像元總數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式為：

(3)

1.3.2 基于差值法的植被覆蓋度動(dòng)態(tài)特征及植被恢復(fù)等級(jí)提取 通過(guò)對(duì)各期植被覆蓋度柵格圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元做差值運(yùn)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)，來(lái)衡量植被動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)、大小及空間特征，計(jì)算公式如下[16-17]：

ΔFVC=FVCa-FVCb

(4)

式中，ΔFVC為柵格圖像數(shù)據(jù)的差值，F(xiàn)VCa和FVCb為第a和b期柵格圖像數(shù)據(jù).此外，基于2000年和2016年的植被覆蓋度柵格影像做差值運(yùn)算，分析植被衰退恢復(fù)演變特征，并將植被覆蓋度分成6個(gè)衰退恢復(fù)等級(jí)：嚴(yán)重退化(-100%,-15%]、中度退化(-15%,-5%]、輕微退化(-5%,0]、輕微改善(0,5%]、中度改善(5%,15%]、極度改善(15%,100%].

1.3.3 地形因子與植被覆蓋度關(guān)系 首先利用ArcGIS 10.2軟件柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)工具將6期植被覆蓋度圖轉(zhuǎn)為點(diǎn)數(shù)據(jù)，再利用多值提取至點(diǎn)工具將地形因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)提取至植被覆蓋度點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后利用空間統(tǒng)計(jì)工具獲得各高程、坡度及坡向的植被覆蓋度均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度時(shí)空變化特征

2000—2016年，長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度均值由68.59%增加至78.86%(圖1).2000—2002年和2006—2016年，長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度增速較快，平均每年提高1.32%和0.83%.然而，2002—2006年長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降低了0.70%.長(zhǎng)汀縣植被以極高覆蓋度(Ⅴ級(jí))和高覆蓋度(Ⅳ級(jí))植被為主，共2 500 km2，約占長(zhǎng)汀縣總面積80%；裸地(Ⅰ級(jí))和低覆蓋度(Ⅱ級(jí))植被面積較小，達(dá)282 km2，約占長(zhǎng)汀縣總面積9%(表2).極高覆蓋度植被在全縣范圍內(nèi)廣泛分布，高覆蓋度植被主要分布在靠近道路、城鎮(zhèn)農(nóng)村居民點(diǎn)和耕地區(qū)域，裸地和低覆蓋度多分布在中部海拔較低、地勢(shì)平緩的長(zhǎng)汀沿岸等人口分布密集區(qū).整體而言，由中部較低海拔的區(qū)域向四周較高海拔的地區(qū)，植被覆蓋度等級(jí)呈現(xiàn)上升趨勢(shì).

2000—2016年，各時(shí)期不同等級(jí)植被覆蓋度面積變化規(guī)律存在差異性(表3).Ⅰ級(jí)覆蓋度植被基本不變，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級(jí)覆蓋度植被面積整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)覆蓋度植被分別在2002—2006年間和2002—2010年間小幅增加.2002—2010年期間，Ⅴ級(jí)覆蓋度植被面積表現(xiàn)出小幅度衰減，但2000—2002年和2010—2016年間，Ⅴ級(jí)覆蓋度植被面積均顯著增加.整體而言，2000—2016年間長(zhǎng)汀縣Ⅰ級(jí)和Ⅴ級(jí)覆蓋度植被面積分別增加了5.27和582.49 km2，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級(jí)覆蓋度植被面積分別減少了145.39、150.04、292.95 km2.

植被覆蓋度 分級(jí)百分比/%面積/km2植被覆蓋度 分級(jí)百分比/%面積/km2裸地 Ⅰ129高覆蓋度 Ⅳ18558低覆蓋度 Ⅱ8253極高覆蓋度Ⅴ621 942中覆蓋度 Ⅲ11328

表3 長(zhǎng)汀縣2000—2016年間各時(shí)期不同等級(jí)植被覆蓋度面積的年變化量和變化率Table 3 Annual changes and ratios of different fractional vegetation coverage during different periods between 2000 and 2016 in Changting County

2.2長(zhǎng)汀縣植被覆蓋衰退與恢復(fù)時(shí)空特征

2000—2016年間，長(zhǎng)汀縣植被覆蓋以改善為主，總面積達(dá)2 294 km2，占長(zhǎng)汀縣總面積73.76%，其中輕微改善、中度改善、極度改善面積分別占長(zhǎng)汀縣面積13.64%、27.49%、32.63%(圖2).從空間分布而言，植被覆蓋度改善區(qū)域廣泛分布于研究范圍內(nèi)低山丘陵區(qū)域，且集中分布在河田盆地及周邊地區(qū).然而，2000—2016年，長(zhǎng)汀縣部分區(qū)域的植被覆蓋度呈現(xiàn)衰退趨勢(shì)，面積為816 km2，約占研究區(qū)總面積26.23%.

2.3 地形因子對(duì)長(zhǎng)汀植被覆蓋度時(shí)空分布格局的影響

不同地形條件下，長(zhǎng)汀縣2000—2016年期間各期植被覆蓋度的平均值存在明顯差異.隨著高程和坡度的增加，植被覆蓋度呈逐漸增加趨勢(shì)(圖3a，3b)；但坡向?qū)χ脖桓采w度影響較小，除平地植被覆蓋度僅為61.29%，其余坡向植被覆蓋度基本一致(圖3c).

圖2 長(zhǎng)汀縣2000—2016年間植被覆蓋度衰退與恢復(fù)的空間分布格局特征Fig.2 Spatial distribution pattern of the degraded and improved fractional vegetation coverage in Changting County from 2000 to 2016

圖3 長(zhǎng)汀縣2000—2016年間各時(shí)期不同地形因子條件下植被覆蓋度平均值Fig.3 Averages of fractional vegetation coverage under different topographical factors from 2000 to 2016 in Changting County

2000—2016年期間，不同地形條件下植被覆蓋度時(shí)間序列的變化規(guī)律亦存在差異.第1高程(H<300 m)地區(qū)地表植被覆蓋度增加最快，地表植被覆蓋度由26.62%提高至50.73%，增幅為24.11%；第2～6高程(300～800 m)地區(qū)，地表植被覆蓋度分別提高16.49%、9.17%、7.92%、5.60%和3.03%；第7高程帶(H≥800 m)地區(qū)地表植被覆蓋度增加最慢，增幅僅0.04%(圖4a).同樣，在平坡(0°～5 °)地形條件下植被覆蓋度增加最快，由38.11%增至56.36%，增幅為18.25%，而緩坡、斜坡、陡坡、急坡和險(xiǎn)坡地形條件下植被覆蓋度分別提高13.58%、9.02%、5.64%、3.52%、3.39%(圖4b).在不同坡向地形條件下，植被覆蓋度變化程度基本一致，其中平地、陽(yáng)坡、陰坡、半陰坡和半陽(yáng)坡地形條件下植被覆蓋度增幅分別為11.37%、9.74%、10.78%、10.68和9.94%(圖4c).

4 討論與結(jié)論

長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度整體情況較好，植被以高覆蓋和極高覆蓋度植被(即FVC>50%)為主，占研究區(qū)總面積的81.39%，這與汪小欽等[18]和楊婷婷等[19]調(diào)查的1988—2013年和2000—2014年長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度結(jié)果基本吻合.進(jìn)一步研究不同等級(jí)覆蓋度植被的面積動(dòng)態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，2000—2016年間極高覆蓋度植被面積增幅顯著，裸地面積基本不變，低覆蓋度、中覆蓋度和高覆蓋度植被面積呈下降趨勢(shì)，與汪小欽等[18]研究結(jié)構(gòu)基本一致.從研究區(qū)植被空間分布來(lái)看，極高覆蓋度植被在全縣范圍內(nèi)廣泛分布，高覆蓋度植被主要分布在靠近道路、城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民點(diǎn)和耕地的區(qū)域，裸地和低覆蓋度多分布在中部海拔較低、地勢(shì)平緩的長(zhǎng)汀沿岸人口分布密集區(qū).

圖4 長(zhǎng)汀縣2000—2016年間不同地形因子條件下植被覆蓋度動(dòng)態(tài)特征Fig.4 Changes in fractional vegetation coverage under different topographical factors from 2000 to 2016 in Changting County

2000—2016年間長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，植被覆蓋度均值由68.59%提高至78.86%.張燦等[10]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度均值由2001年的75.1%上升到2013年的86.5%.長(zhǎng)汀縣植被恢復(fù)與諸多因素有關(guān)，其中政策因素推動(dòng)的長(zhǎng)汀縣水土流失治理發(fā)揮重要作用[2,20].此外，大量研究表明植被具有較強(qiáng)的自然演替和恢復(fù)能力，植被恢復(fù)后期，植被覆蓋度越高的區(qū)域自然恢復(fù)能力越強(qiáng)[21]，進(jìn)而導(dǎo)致長(zhǎng)汀區(qū)域高覆蓋度植被面積不斷增加.

2000—2016年，長(zhǎng)汀縣植被整體以改善為主，占區(qū)域面積的73.76%，主要分布于中部河田盆地的低山丘陵區(qū).同樣，楊婷婷等[19]和王文輝等[2]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)汀縣2000—2014年和2000—2010年間植被均以改善為主，占長(zhǎng)汀縣總面積的88%.此外，張燦等[10]發(fā)現(xiàn)由于長(zhǎng)汀植被覆蓋不斷改善，該區(qū)域生態(tài)質(zhì)量上升的面積約占長(zhǎng)汀縣總面積的60%.然而，長(zhǎng)汀縣仍有約26.23%區(qū)域的植被呈現(xiàn)退化特征，呈斑塊狀散布于研究區(qū)和長(zhǎng)汀縣周邊區(qū)域.主要由于是近年來(lái)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，大量城市建設(shè)和居住用地不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致城市植被覆蓋度明顯降低[22].

地形是影響植被覆蓋的一個(gè)重要自然因子，不同地形條件下水熱狀況不同，進(jìn)而導(dǎo)致不同地形因子條件下植被的空間分布格局存在差異[3,6].同時(shí)，不同地區(qū)植被覆蓋度空間分布格局的關(guān)鍵地形驅(qū)動(dòng)因子不同[7,8,23].本研究中，長(zhǎng)汀縣不同地形條件下植被覆蓋度時(shí)空動(dòng)態(tài)特征均存在差異.隨著高程和坡度的增加，地表植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，與高海拔(>300 m)和大坡度(>8°)地區(qū)相比，高程<300 m和平緩坡地區(qū)植被覆蓋度明顯較低，原因可能是長(zhǎng)汀縣城市和居住建設(shè)主要分布于沿江低海拔、坡度平緩的區(qū)域.高程<300 m和坡度<8°的地區(qū)，地表植被覆蓋度增速較快，而高海拔(>300 m)和大坡度(>8°)地區(qū)地表植被覆蓋度增速逐漸降低.

綜上研究表明，隨著我國(guó)南方紅壤水土流失區(qū)植被的恢復(fù)治理，2000—2016年期間長(zhǎng)汀縣植被覆蓋整體呈增加趨勢(shì)，植被覆蓋不斷改善.然而，由于城市化擴(kuò)張和建設(shè)，部分地區(qū)植被覆蓋度呈一定程度的下降.此外，地形因子是影響長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度的重要自然因子，不同高程、坡度和坡向等地形因子條件下植被覆蓋存在明顯差異，且顯著影響長(zhǎng)汀地區(qū)植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征.