岷江上游流域植被覆蓋度及其與地形因子的相關性

張詩羽, 張 毅, 王昌全, 曾志超

(四川農業(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，具有涵養(yǎng)水源、保持水土、調節(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，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系的重要途徑。目前，借助RS與GIS技術來進行植被覆蓋度的相關研究已成為當前環(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、山體滑坡等自然災害時有發(fā)生，同時人口增長的壓力也導致水土流失加劇，加之干旱河谷氣候使該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。目前，關于該區(qū)域已有的研究多集中在土壤、水文、氣候、地質地貌、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技術支持下，結合海拔高度、坡度、坡向對岷江上游地區(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)內溝壑縱橫，地形極為復雜，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絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網站(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、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。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)對應于近紅外波段NIR，第4波段(0.630～0.680 μm)對應于可見光紅光波段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)內總像元數(shù)，得到研究區(qū)平均植被覆蓋度，即研究區(qū)內各像元植被覆蓋度值的算術平均數(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的植被覆蓋度圖，按照公式(3)計算各范圍內的平均植被覆蓋度，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、坡向之間的關系，是通過它們之間的面積數(shù)量關系來實現(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，構建統(tǒng)計樣本，以各個子流域內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系數(shù)，研究變量間的線性相關關系。

2 結果與分析

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，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性結果，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性。Ⅰ級植被覆蓋度與坡度的相關性強于海拔和坡向，且與坡度2,3級呈負相關，與坡度4,5級呈正相關，這與坡度變化引起的水熱條件不同有關。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性增強，與坡度的相關性減弱；Ⅲ級與海拔和坡向的相關性則明顯大于坡度；Ⅳ和Ⅴ級與海拔、坡度、坡向的部分地形等級因子均表現(xiàn)出較強的相關性。Ⅵ級植被覆蓋度與海拔因子的相關性最強，且與海拔2,3級呈正相關，與海拔5級呈負相關。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；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)為負相關關系。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，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，這一結論與李崇魏等[16]對岷江上游流域植被格局與環(huán)境關系研究的結果吻合。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，這與該高程帶的植被生長的有利條件有很大關系；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，人工干預變弱，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性分析

注：*，**分別表示在置信度為0.05，0.01時，相關性是顯著的。

坡向對植被覆蓋度的影響主要體現(xiàn)在降雨和溫度上。岷江上游地區(qū)位于橫斷山區(qū)東側，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構調整和生態(tài)保護建設時，應充分考慮到地形因子的限制條件，在緩坡區(qū)(8°～25°)應加強退耕還林、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，應重在保護，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 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)植被與地形的復雜關系。

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