基于MODIS-NDVI的連江流域植被覆被及空間格局變化分析*

王兮之,梁釗雄

(佛山大學(xué)資源環(huán)境系,廣東佛山528000)

植被覆蓋作為地球表層的自然狀態(tài),是全球環(huán)境變化中許多自然、生態(tài)過(guò)程的一個(gè)重要變量[1-2]。植被覆蓋及其空間格局變化對(duì)流域生態(tài)水文過(guò)程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)隨著遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行了大量植被覆蓋變化的研究[3-8]。利用高時(shí)間分辨率影像獲取土地覆被信息,通過(guò)分析時(shí)間序列植被指數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),歸一化植被指數(shù)(NDV I)是其中較常用的植被監(jiān)測(cè)指標(biāo),因此NDV I常被直接或間接用于研究植被覆蓋變化研究[9-10]。

在中國(guó)大部分地區(qū)植被活動(dòng)顯示增強(qiáng)而珠江流域植被活動(dòng)減弱的趨勢(shì)下[6],連江流域植被覆蓋及時(shí)空格局是如何變化?連江流域地處西南巖溶區(qū)東緣的粵北,是我國(guó)南方土地石漠化的主要區(qū)域之一?？λ固丨h(huán)境是一種脆弱的生態(tài)環(huán)境,不僅成土慢、土被不連續(xù)、土層淺薄、土壤蓄水性差、地表干燥,對(duì)植被生長(zhǎng)不利,而且在外部條件作用下生態(tài)系統(tǒng)很容易發(fā)生逆向演替[11]。過(guò)去的近30年,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,該地區(qū)的土地利用/土地覆蓋發(fā)生了較大的變化。一方面隨著國(guó)家“退耕還林、還草”等相關(guān)政策的實(shí)施,整體自然環(huán)境得到了局部的改善;另一方面,由于地處喀斯特生態(tài)脆弱地帶,日益加劇的人類活動(dòng)對(duì)自然的影響加劇了石漠化的擴(kuò)張以及水土流失,進(jìn)一步加劇了植被退化。

基于RS與GIS技術(shù),以珠江下游的連江流域?yàn)檠芯繉?duì)象,應(yīng)用250 m空間分辨率的MODISNDV I最新的全球植被指數(shù)變化數(shù)據(jù),對(duì)該流域2001-2008年冬季的植被覆蓋空間格局及時(shí)間序列變化進(jìn)行綜合分析,闡明連江流域植被覆蓋變化的整體狀況,以期為該流域進(jìn)行巖溶區(qū)植被覆蓋變化的水文、氣候、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

連江流域位于東經(jīng) 112°10′-113°18′,北緯 24°09′-25°07′,面積為 10 061 km2,是珠江水系兩個(gè)主要支流之一北江的第一大支流,地處粵北地區(qū)西部。流域地處我國(guó)亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)的南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫19～20℃,多年平均降雨量為1 770 mm。連江全長(zhǎng)275 km,河道平均坡降0.77%,集水面積100 km2以上的支流有30條[12]。流域石灰?guī)r山區(qū)約占流域面積的60%,巖溶與非巖溶地形相互交錯(cuò),呈現(xiàn)典型喀斯特地貌。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

遙感數(shù)據(jù)采用美國(guó)LPDAAC(Land Process Distributed Active A rchiveCenter)提供的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOS13Q1,該數(shù)據(jù)為250 m分辨率的16 d合成植被指數(shù)(NDV I)。NDV I對(duì)于葉綠素含量比較敏感,更好地反映植被的冠層結(jié)構(gòu)[13-14],研究使用2001-2008年1月份共8個(gè)時(shí)相冬季的NDVI數(shù)據(jù)。流域范圍的確定是根據(jù)地形數(shù)據(jù)SRTM(Shuttle Radar Topography M ission),該測(cè)量數(shù)據(jù)覆蓋中國(guó)全境,分辨率為90 m,可以在 ftp://e0m ss21u.ecs.nasa.gov/srtm/地址免費(fèi)獲取。

2.2 研究方法

應(yīng)用SRTM數(shù)據(jù)并借助A rcGIS的水文分析模塊功能,確定連江流域及其子流域邊界;對(duì)MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行密度分割分類,植被指數(shù)按照0～0.2,0.2～0.4,0.4～0.6,0.6～0.8,0.8～1.0的植被指數(shù)范圍進(jìn)行分區(qū)[15],即劃分為低植被覆蓋區(qū)、較低植被覆蓋區(qū)、中度植被覆蓋區(qū)、較高植被覆蓋區(qū)和高植被覆蓋區(qū) 5種植被覆蓋類型;利用FRAGSTAT景觀格局分析軟件,從景觀水平和類型層次上對(duì)獲得植被覆蓋類型數(shù)據(jù)進(jìn)行空間格局分布及其動(dòng)態(tài)特征分析。

3 結(jié)果分析

3.1 流域植被覆蓋變化

由圖1與圖2可知,連江流域2001-2008年1月植被覆蓋以中度和較高植被覆蓋區(qū)為主。低植被覆蓋區(qū)所占面積數(shù)量很小且相對(duì)穩(wěn)定;較低植被覆蓋區(qū)面積數(shù)量由2001年412.04 km2增加到2008年的755.24 km2;中度植被覆蓋區(qū)面積增加明顯,年均增長(zhǎng)率約為4.1%且年際間起伏變化較大;較高植被覆蓋區(qū)面積減少顯著,年均遞減率約為2.2%且年際間起伏變化也較大;高植被覆蓋區(qū)面積數(shù)量由2001年775.96 km2減少到2008年的363.03 km2?？傊?近8年來(lái)連江流域的植被覆蓋呈總體退化趨勢(shì),即較高與高植被覆蓋區(qū)面積減少而中度與較低植被覆蓋區(qū)面積增加。這一結(jié)果與王兆禮等[6]結(jié)論一致且對(duì)其結(jié)果的后續(xù)變化給予了進(jìn)一步的確定。

圖1 連江流域2001-2008年植被覆蓋面積變化

3.2 流域植被覆蓋空間格局變化特征

用景觀格局指數(shù)描述區(qū)域空間格局及變化是景觀生態(tài)學(xué)最常用的定量化研究方法[16]。本研究在類型水平上選取斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、分維數(shù)(PAFRAC)、散布與并列指數(shù)(IJI)、相似鄰接比(PLADJ)和聚集度(AI);景觀水平上選取斑塊數(shù)、景觀形狀指數(shù)、分維數(shù)、連通度(CONTAG)、散布與并列指數(shù)、多樣性(SHDI)、均勻性(SHEI)和聚集度對(duì)2001-2008年連江流域植被覆蓋區(qū)的空間格局進(jìn)行分析。

3.2.1 類型水平空間格局特征 斑塊數(shù)和最大斑塊指數(shù)可以反映景觀的破碎化程度,由表1可以看出8 a來(lái),各類植被覆蓋類型變化差異明顯。低植被覆蓋區(qū)的斑塊數(shù)與斑塊最大面積指數(shù)變化相對(duì)較小,表明該類斑塊相對(duì)比較穩(wěn)定;較低與中度植被覆蓋區(qū)的斑塊數(shù)減少,斑塊最大面積指數(shù)增加,說(shuō)明這兩種類型斑塊向大型化發(fā)展,破碎程度減低;較高植被覆蓋區(qū)的斑塊數(shù)增加,斑塊最大面積指數(shù)減少,表明該類型斑塊向小型化發(fā)展且破碎程度增加;高植被覆蓋區(qū)的斑塊數(shù)減少,斑塊最大面積指數(shù)也減少,說(shuō)明該類型斑塊向大型化發(fā)展且破碎程度增加。

圖2 連江流域2001-2008年植被覆蓋面積變化

表1 連江流域2001-2008年類型水平斑塊數(shù)與最大斑塊指數(shù)

景觀形狀指數(shù)和分維數(shù)分別反映的是景觀斑塊的復(fù)雜程度和穩(wěn)定性,由表2可知2001-2008年,低與較低植被覆蓋區(qū)的景觀形狀指數(shù)和分維數(shù)變化起伏相對(duì)較小,說(shuō)明這兩種類型斑塊的復(fù)雜程度和穩(wěn)定性變化不明顯;中度、較高和高植被覆蓋區(qū)的景觀形狀指數(shù)和分維數(shù)都有較顯著的減少趨勢(shì),表明這三種類型斑塊的復(fù)雜程度不斷減小且穩(wěn)定性也呈下降趨勢(shì)。

相似鄰接比與聚集度指數(shù)都反映斑塊的聚散性,斑塊要素在其分布區(qū)內(nèi)越叢生、越聚集,則斑塊的結(jié)合度就越大。由表3可知8 a來(lái),低和較低植被覆蓋區(qū)的相似鄰接比與聚集度指數(shù)較小,說(shuō)明這兩種類型斑塊分散度大、連接性差;中度植被覆蓋區(qū)的相似鄰接比與聚集度指數(shù)最大且略有增長(zhǎng),表明該類斑塊的聚集程度最高且呈繼續(xù)增加的趨勢(shì);較高與高植被覆蓋區(qū)的相似鄰接比與聚集度指數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定,表明這兩種類型斑塊分散度與連接性基本不變。

表2 連江流域2001-2008年類型景觀形狀指數(shù)與分維數(shù)

表3 連江流域2001-2008年類型水平相似鄰接比與聚集度指數(shù)

散布與并列指數(shù)測(cè)量的是與某要素相鄰的其它要素?cái)?shù)量多少,以此反映不同景觀要素空間分布關(guān)系[16],其值越高,則與該要素相鄰的要素越多。從圖3可以看出2001-2008年,低與較高植被覆蓋區(qū)的散布與并列指數(shù)較高但下降很顯著,即這兩種類型的斑塊與其它斑塊之間交錯(cuò)分布的機(jī)會(huì)減少,空間關(guān)系趨于簡(jiǎn)單化,與較低高植被覆蓋區(qū)的情況類似;中度植被覆蓋區(qū)的散布與并列指數(shù)較高且增加,表明該類斑塊與其它斑塊之間交錯(cuò)分布的機(jī)會(huì)較大且有進(jìn)一步增加的趨勢(shì);高植被覆蓋區(qū)的散布與并列指數(shù)很低且略有減少,說(shuō)明該類斑塊與其它斑塊之間交錯(cuò)分布的機(jī)會(huì)較小且有進(jìn)一步減少的趨勢(shì)。

3.2.2 景觀水平空間格局特征 連江流域景觀水平上的景觀指數(shù)如表4所示,定量反映了整個(gè)研究區(qū)的總體景觀空間格局與變化特征。景觀破碎化可以用斑塊數(shù)和連通度來(lái)反映,從表4可知,2001-2008年連江流域景觀斑塊總數(shù)減少,連通度略有增加,同時(shí)散布與并列指數(shù)減少和聚集度增加,都從不同的側(cè)面表明了整個(gè)區(qū)域的破碎程度減少,連通性提高;景觀形狀指數(shù)和分維數(shù)分別表明了景觀斑塊的復(fù)雜程度和穩(wěn)定性。從表4可以看出2001-2008年,連江流域的形狀指數(shù)降低了5.817 4,分維數(shù)也降低了0.039 5,說(shuō)明8 a來(lái)景觀整體的復(fù)雜程度在減少,穩(wěn)定性也在減弱;多樣性和均勻度指數(shù)反映區(qū)域空間結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性特征,2001-2008年連江流域多樣性和均勻度都有所增加,表明整個(gè)區(qū)域的景觀異質(zhì)性也逐漸提高,景觀向多樣化和均勻化方向發(fā)展。

圖3 連江流域2001-2008年類型水平散布與并列指數(shù)

表4 連江流域2001-2008年景觀水平指數(shù)變化

4 結(jié)論與討論

連江流域近8 a來(lái)的植被覆蓋呈總體退化趨勢(shì),主要表現(xiàn)為較高與高植被覆蓋區(qū)面積減少而中度與較低植被覆蓋區(qū)面積增加。從景觀水平上分析,連江流域的破碎程度減少即連通性提高,同時(shí)整個(gè)流域的景觀異質(zhì)性在逐漸提高,景觀向多樣化和均勻化方向發(fā)展。類型水平上各類景觀要素在破碎化程度、復(fù)雜性和穩(wěn)定性、聚集性、空間分布關(guān)系方面變化差異顯著,其中較高與中度植被覆蓋空間特征變化對(duì)整個(gè)流域空間格局動(dòng)態(tài)起決定性作用。植被覆蓋分布及其空間格局動(dòng)態(tài)變化與相關(guān)環(huán)境要素之間的響應(yīng),以及對(duì)流域生態(tài)水文過(guò)程影響需要進(jìn)一步深入研究。如何利用長(zhǎng)時(shí)間序列及年內(nèi)時(shí)間變化遙感數(shù)據(jù),分析NDVI時(shí)空變化特征與降水、溫度、徑流等的相關(guān)性,即研究流域植被覆蓋變化所引起的水文、氣候及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng),將對(duì)連江流域水資源管理及其石漠化治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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