焦 雄，郭忠錄，郝好鑫

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 水土保持研究中心，湖北 武漢 430070)

植被具有截留降雨、減緩徑流、防風(fēng)固沙、保水固土等功能，植被覆蓋的多少是影響地表徑流的重要指標(biāo)之一。植被覆蓋度(VFC)是指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[1]，是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)。在山地丘陵的生態(tài)研究中，地形分異主要體現(xiàn)在高程、坡度和坡向上[2]，了解不同地形的植被分異，有助于政府因地制宜地制定水土保持和生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策。寧都縣地屬南方紅壤區(qū)，土層含較多粉砂和細(xì)砂，質(zhì)地疏松，近年來(lái)因城市建設(shè)擴(kuò)張和土地整治，部分地區(qū)植被覆蓋低下，造成了嚴(yán)重的水土流失。進(jìn)行植被覆蓋度時(shí)空變化及與地形因子關(guān)系的研究，有助于了解該區(qū)域的植被動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)及其在不同地形上的特征，明確植被退化的區(qū)域，有針對(duì)性地進(jìn)行水土流失防治，這對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)保護(hù)和水土保持有著重要意義。

1 研究區(qū)概況

寧都縣是江西省贛州市市轄縣，位于江西省東南部，贛州市北部，地理位置為26°05′18″～27°08′13″N、115°40′20″～116°17′15″E，總面積4 053.16 km2。年平均氣溫14～19 ℃，北部山區(qū)低，南部丘陵、河谷地區(qū)高。年平均降水量在1 500～1 700 mm之間，大致北部多、南部少，東部多、西部少。地處南方紅壤區(qū)，土壤類型復(fù)雜多樣，以地帶性紅壤為主，還有山地黃壤、黃棕壤、紫色土、潮砂土、石灰土、黃泥土和水稻土等。土地利用類型以耕地、林地和草地為主，植被類型主要有針葉林、闊葉林、灌叢和灌草叢等，植被覆蓋度較高，植物種類多，生物多樣性豐富。

2 研究材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

兩期Landsat系列遙感衛(wèi)星圖，均來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，其中2010年數(shù)據(jù)是選擇9月份云量較少的30 m分辨率Landsat TM5遙感影像圖，2017年數(shù)據(jù)是選擇9月份云量較少的30 m分辨率Landsat OLT8遙感影像圖；寧都縣30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)從國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://www.geodata.cn/)獲得。本研究主要利用ENVI 5.3對(duì)兩期遙感影像進(jìn)行大氣校正等預(yù)處理、解譯及植被反演，結(jié)合ArcGIS 10.2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，并通過(guò)Origin 2017進(jìn)行圖表繪制與相關(guān)分析。

2.2 地形因子的分級(jí)與提取

江西寧都縣最低海拔154 m，最高海拔1 416 m，利用ArcGIS對(duì)高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)按照150 m為間隔將寧都縣高程劃分為9個(gè)高程帶，寧都縣70%以上國(guó)土面積在海拔150～450 m之間，地區(qū)海拔較低；以22.5°為間隔將研究區(qū)域坡向劃分為5個(gè)等級(jí)，即平面、陰坡、半陰坡、陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡，其中陽(yáng)坡與半陽(yáng)坡構(gòu)成的向陽(yáng)坡面積比例為51.96%，陰坡與半陰坡構(gòu)成的向陰坡面積比例為47.93%，總體分布均衡；根據(jù)寧都縣地形變化及其植被分布情況，借鑒水土流失調(diào)查中采用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法[3]，經(jīng)過(guò)ArcGIS重分類，將區(qū)域坡度變化劃分為平緩坡地(0°～5°)、緩坡地(5°～8°)、斜坡地(8°～15°)、陡坡地(15°～25°)、急坡地(25°～35°)、險(xiǎn)坡地(>35°)6個(gè)等級(jí)，其中平緩坡地和斜坡地是寧都縣的主要地形。

2.3 像元二分模型

像元二分模型[4]是混合像元分解中最簡(jiǎn)單的模型，能很好地削弱土壤、大氣等對(duì)植被指數(shù)的影響，它的原理是假設(shè)遙感圖像中每個(gè)像元所包含的地表光譜信息由植被和土壤兩部分組成，那么任一像元的信息由這兩部分線性合成，各因子的權(quán)重是各自的面積在像元中所占的比例，植被覆蓋度(VFC)即是植被的權(quán)重。計(jì)算公式[5]為

(2)

式中：NDVI為像元的歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil為裸土的植被指數(shù)；NDVIveg為純植被覆蓋的植被指數(shù)；VFC為植被覆蓋度。

由于不可避免存在噪聲，NDVIveg和NDVIsoil一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值。置信度的取值主要根據(jù)圖像實(shí)際情況來(lái)定，在這里我們選取累計(jì)百分比為5%和95%的置信區(qū)間所對(duì)應(yīng)的植被指數(shù)最小最大值計(jì)算VFC[6]。參照前人對(duì)植被覆蓋度等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]，結(jié)合前面的VFC估算值，將寧都縣的植被覆蓋度分為低覆蓋度(VFC≤0.1)、中低覆蓋度(0.1

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度變化

3.1.1 植被覆蓋度年際變化

根據(jù)前文植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)， 利用ArcGIS進(jìn)行重分類， 得到寧都縣植被覆蓋度等級(jí)圖(圖1)。 統(tǒng)計(jì)計(jì)算2010和2017年各覆蓋度等級(jí)植被面積及其比例，結(jié)果見表1。

圖1 2010和2017年植被覆蓋度等級(jí)分布

表1 2010和2017年各植被覆蓋度等級(jí)面積及比例

由圖1我們可以看出，寧都縣2010—2017年間植被覆蓋度總體上相對(duì)增加，植被覆蓋度較高的區(qū)域主要分布在寧都縣西北部、西部、東部及南部少部分區(qū)域，中部為縣中心，建筑用地比例較大，因此植被覆蓋度相對(duì)較低。通過(guò)表1我們可以看出，2010和2017年寧都縣植被覆蓋度均以中高覆蓋度和高覆蓋度等級(jí)為主，2010年中覆蓋度等級(jí)以上面積占比為79.75%，2017年中覆蓋度等級(jí)以上面積占比高達(dá)90.79%，有明顯增加，增幅為11.04百分點(diǎn)。

植被覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣能很好地定量反映地表植被的變化特征與過(guò)程，直觀地說(shuō)明植被覆蓋的空間變化程度。在本研究中，利用ENVI 5.3中的變化檢測(cè)模塊對(duì)兩期植被覆蓋度等級(jí)圖進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Excel，整理得到2010—2017年寧都縣各植被覆蓋度等級(jí)的轉(zhuǎn)移矩陣，見表2。

表2 2010—2017年各植被覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣

由表2可知，寧都縣2010—2017年各植被覆蓋度等級(jí)都發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)移，低覆蓋度和中低覆蓋度等級(jí)向中高覆蓋度及高覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)移506.44 km2，而中高覆蓋度及高覆蓋度等級(jí)向低覆蓋度和中低覆蓋度等級(jí)共轉(zhuǎn)移113.01 km2，中覆蓋度等級(jí)向中高覆蓋度和高覆蓋度等級(jí)共轉(zhuǎn)移534.61 km2，向中低覆蓋度和低覆蓋度等級(jí)共轉(zhuǎn)移86.82 km2?？傮w上，區(qū)域內(nèi)高覆蓋度等級(jí)的面積相對(duì)增加841.22 km2，且高覆蓋度等級(jí)未發(fā)生轉(zhuǎn)移面積達(dá)到1 265.19 km2。可以看出，寧都縣2010—2017年高覆蓋度等級(jí)面積是明顯增加的，主要從中高覆蓋度以下等級(jí)轉(zhuǎn)化而來(lái)。

3.1.2 植被覆蓋度變化趨勢(shì)分析

為了凸顯寧都縣的植被覆蓋度空間變化情況，本研究基于ArcGIS，運(yùn)用影像差值計(jì)算的方法，將2010和2017年兩個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度相減，得到了植被覆蓋度差值結(jié)果，并根據(jù)前人的研究對(duì)植被變化進(jìn)行分級(jí)[8]，得到了寧都縣2010—2017年植被變化趨勢(shì)圖，見圖2。同時(shí)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出了各等級(jí)面積比例，見表3。

圖2 2010—2017年植被變化趨勢(shì)

表3 2010—2017年植被覆蓋度等級(jí)變化面積及比例

結(jié)合圖2和表3可以看出，2010—2017年寧都縣的植被覆蓋度變化明顯，整體上看，有將近40%的區(qū)域基本保持不變，植被退化的區(qū)域面積共有549.86 km2，約占13.57%，改善面積為1 892.49 km2，約占46.69%。植被改善的區(qū)域主要集中在寧都縣的東北、東部及西南部等部分地區(qū)，而退化的部分主要分布在寧都縣中部城區(qū)及部分進(jìn)行土地整治的區(qū)域?？傮w來(lái)看，改善面積大于退化面積，植被覆蓋度還是相當(dāng)高的，但是植被退化情況也是顯著可見的，主要原因可能是這些年中部城市用地?cái)U(kuò)增，以及地屬南方紅壤區(qū)，土層中含粉砂和細(xì)砂較多，土層較薄，是崩崗主要發(fā)生區(qū)域，出現(xiàn)了嚴(yán)重的水土流失。

3.2 植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性

3.2.1 植被覆蓋度與高程的關(guān)系

為了清楚地表現(xiàn)植被覆蓋度與高程之間的關(guān)系，本研究通過(guò)ArcGIS將高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)與植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，并進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖3。由圖3可看出，2010年植被覆蓋度隨高程增加先升高后降低，2017年則隨高程增加呈雙峰變化趨勢(shì)，整體上兩期植被覆蓋度隨高程增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。這表明植被覆蓋度隨著海拔上升先是增加的，隨著海拔繼續(xù)升高，受溫度、降雨、土壤等因素的影響，植被覆蓋度開始下降。2010年植被覆蓋度平均值在0.4～0.8之間，且在海拔750～1 050 m范圍內(nèi)最高，在海拔150～300 m范圍內(nèi)最低；2017年植被覆蓋度平均值在0.60～0.85之間，在海拔450～750 m范圍內(nèi)為最高，在海拔1 350～1 500 m范圍內(nèi)最低?？梢钥吹剑诤０?50～1 050 m范圍內(nèi)兩期植被覆蓋度都很高，表明寧都縣植被主要分布在該高程范圍內(nèi)。

圖3 2010、2017年各高程帶植被覆蓋度均值分布

3.2.2 植被覆蓋度與坡度的關(guān)系

將寧都縣兩期植被覆蓋度分級(jí)圖與坡度分級(jí)圖疊加分析、分區(qū)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖4。

整體上看，寧都縣2017年植被覆蓋度大于2010年，且隨著坡度增大植被覆蓋度也逐漸增加。平緩坡地植被覆蓋度最小，2010年為0.28左右，2017年為0.23左右；2010和2017年植被覆蓋度最高的坡度類型均為險(xiǎn)坡地，分別為0.78和0.81。結(jié)合前面的坡度分級(jí)，坡度在0°～8°和25°以上，也就是平緩坡地到緩坡地和急坡地到險(xiǎn)坡地之間，植被覆蓋度變化較大，說(shuō)明植被覆蓋度在0°～8°和25°以上受坡度影響較大。從圖4中可以看出，植被覆蓋度平均值在緩坡地至急坡地之間受坡度影響較小。

圖4 2010、2017年各坡度植被覆蓋度均值分布

3.2.3 植被覆蓋度與坡向的關(guān)系

將寧都縣兩期植被覆蓋度分級(jí)圖與坡向分級(jí)圖疊加分析、分區(qū)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖5。

圖5 2010、2017年各坡向植被覆蓋度均值分布

從圖5可以看出，區(qū)域植被覆蓋度平均值整體表現(xiàn)為2017年大于2010年，兩期植被覆蓋度平均值與坡向的關(guān)系大致呈隨坡度增加植被覆蓋度逐漸升高的趨勢(shì)。2010、2017年兩期都是平面的植被覆蓋度最小，分別為0.28和0.24；陽(yáng)坡植被覆蓋度最大，分別為0.6和0.7左右。由圖5還可看出，兩期中平面到陰坡植被覆蓋度平均值變化量都很大，中高以上植被覆蓋度平均值都集中在陰坡到陽(yáng)坡之間，向陽(yáng)坡(半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡)植被覆蓋度總和要多于向陰坡(陰坡和半陰坡)，因?yàn)橄蜿?yáng)坡陽(yáng)光充足，溫度適中，有利于植被生長(zhǎng)，向陰坡則陽(yáng)光較少，溫度偏低，不太利于植被生長(zhǎng)。這說(shuō)明區(qū)域植被覆蓋度受坡向的影響明顯。

4 結(jié) 論

本研究基于寧都縣DEM數(shù)據(jù)和遙感衛(wèi)星影像，提取了研究區(qū)的高程、坡度、坡向和兩期植被覆蓋度，重點(diǎn)分析了2010—2017植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化及其與不同地形因子的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，寧都縣植被覆蓋度整體以中高覆蓋度和高覆蓋度為主，2017年覆蓋度整體比2010年高，尤其是高覆蓋度面積有很大的增加，主要是由2010年中高覆蓋度以下等級(jí)轉(zhuǎn)化而來(lái)；從植被覆蓋度變化趨勢(shì)分析看，2010—2017年各植被覆蓋度等級(jí)都有不同程度的退化和改善，改善總面積大于退化總面積；植被覆蓋度變化受地形因子影響比較明顯，且對(duì)不同地形因子響應(yīng)程度不同。寧都縣2010、2017年植被覆蓋度總體上都是隨著高程增加而呈先升高后降低的趨勢(shì)，這與湯巧英等[9]在延河流域的研究結(jié)果相似；寧都縣不同時(shí)期向陽(yáng)坡的植被覆蓋度均比向陰坡的高；2010和2017年植被覆蓋度均隨坡度的增加呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在平緩坡地到緩坡地(0°～8°)和急坡地到險(xiǎn)坡地(25°以上)之間，植被覆蓋度變化較大，在緩坡地到急坡地之間植被覆蓋度變化不明顯。