2000—2017年秦嶺地區(qū)植被覆蓋時空變化特征研究

羅增奇，成軍鋒*，仇寬彪，盧軍智

(1.陜西千渭之會國家濕地公園管理處，陜西 寶雞 721004；2.太湖流域管理局太湖流域水土保持監(jiān)測中心站，上海 200434；3.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，南京 210042；4.寶雞市林業(yè)科技信息中心，陜西 寶雞 721000)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，聯(lián)接了土壤圈、水圈和大氣圈的物質(zhì)循環(huán)與能量流動，在生態(tài)環(huán)境上具有調(diào)節(jié)氣候、調(diào)節(jié)碳氧平衡、保持土壤水分、減少水土流失等作用[1]。同時，植被覆蓋是區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要組成之一。因此研究區(qū)域植被覆蓋狀況有重要意義。

目前，采用光譜植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index,NDVI)對區(qū)域植被變化進行監(jiān)測與分析是植被變化研究中的主要方法[2-4]。一般認為，盡管NDVI在植被覆蓋度較高時易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，但在大多數(shù)情況下，其與植被覆蓋度、生物量、葉面積指數(shù)及土地利用之間均密切相關(guān)[5]。對區(qū)域植被覆蓋而言，不同高程和坡度區(qū)域的NDVI存在差異[6,7]。農(nóng)村居民點分布[8]及其它建設(shè)用地擴張[9]則會影響區(qū)域NDVI的變化特征。這些研究雖然詳盡分析了地形和坡度這兩個基本的地形要素對NDVI的影響，但地表起伏才是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用、人口分布及地質(zhì)災(zāi)害的主要地貌特征[10,11]。但對于不同地表起伏狀況下植被覆蓋變化的研究還較為缺乏。

秦嶺山區(qū)是我國南北方的自然分界線，植被類型多樣，且垂直地帶性明顯。隨著全球氣候變化，秦嶺氣溫[12]、降水[13,14]、南北坡太陽輻射[15]、近地面水汽壓[16]、風速[17]、絕對濕度[18]及日照時數(shù)[19]等氣象因素均有顯著變化。因此本文選取秦嶺這一自然分界線區(qū)域，分析2000-2017年間其植被覆蓋的時空變化特征。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺山區(qū)大致位于105°30′～110°05′E，32°40′～34°35′N之間，地處我國亞熱帶和暖溫帶的生態(tài)過渡帶，是我國南北自然環(huán)境的分界線。秦嶺海拔平均在300～2 000 m之間，山地北仰南俯。北坡屬于暖溫帶半濕潤氣候帶，南坡則屬于亞熱帶濕潤氣候帶。同時，秦嶺亦是我國重要的生物地理分界線，北坡廣泛分布暖溫帶落葉闊葉林，而南坡則分布北亞熱帶落葉常綠闊葉混交林。由于山勢高聳，植被垂直地帶性表現(xiàn)明顯。

本研究區(qū)域主要涉及位于陜西省和甘肅成縣境內(nèi)的秦嶺部分，包括南坡的漢江谷地、嘉陵江谷地以及北坡的關(guān)中平原，其行政范圍涉及陜西省漢中、安康、商洛、寶雞、咸陽、西安和渭南等市。研究區(qū)范圍見圖1。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

歸一化植被指數(shù)(NDVI)能較好的反映地表植被分布狀況及變化特征，是目前應(yīng)用相當普遍的光譜植被指數(shù)。

本研究采用的MOD13A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的NDVI數(shù)據(jù)源。該產(chǎn)品為MODIS的逐月NDVI四級產(chǎn)品，空間分辨率1 km，通過分幅形式提供下載。本次研究區(qū)域涉及h26v05和h27v05兩個圖幅。數(shù)據(jù)產(chǎn)品日期為2000-2017年間4-10月。為消除云、大氣以及太陽高度角等因素的影響，該數(shù)據(jù)采用最大值合成法獲得逐月NDVI。MOD13A3數(shù)據(jù)進行坐標投影變換、拼接以及重采樣處理。處理后影像采用WGS_1984坐標系，高斯克呂格投影，空間分辨率為1 km。對4-10月的逐月NDVI采用平均NDVI，作為年均NDVI值。計算方法為：

地形數(shù)據(jù)采用空間分辨率為90 m的DEM數(shù)據(jù)。根據(jù)莫申國(2008)的研究[20]，在采用能夠提取秦嶺地區(qū)地表起伏度的DEM是100 m，因此本文選取90 m的DEM數(shù)據(jù)進行地表起伏度提取。DEM數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云下載。

1.3 研究方法

1.3.1 地表起伏度提取 海拔高度和起伏度是描述地表形態(tài)的兩個重要因子，是山地結(jié)構(gòu)和格局研究的重要指標。地形起伏度，是指地面一定距離或面積范圍內(nèi)最大高差，是研究山地格局的重要指標。參照已有研究[20]，采用起伏度和海拔對秦嶺山區(qū)地貌類型進行劃分。第一級以起伏度分類，將地表形態(tài)分為平原、臺地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地；第二級以海拔分類，將地表形態(tài)分為低海拔、中海拔和高海拔。根據(jù)研究，秦嶺地區(qū)地表起伏度宜采用4 km2網(wǎng)格進行計算[20]。分別計算各網(wǎng)格內(nèi)地表高程差和平均高程，按照表1進行地貌形態(tài)分類。

表1 秦嶺地區(qū)地貌形態(tài)分類及其編號

1.3.2NDVI變化趨勢分析 為反映2000-2017年間秦嶺山區(qū)NDVI的變化趨勢及空間差異，本文在像元尺度對NDVI與年份進行簡單線性回歸。簡單線性回歸的斜率作為18年間該像元NDVI的變化趨勢。

其中，slp表示斜率，y為NDVI，i表示年份，n表示年份長度，本文n=18，x表示年份。如果slp為正值，則表示2000—2017年間該像元NDVI呈增加趨勢，反之則呈減少趨勢。選擇P=0.01和P=0.05作為顯著度水平。

1.3.3NDVI變化趨勢預(yù)測(Hurst指數(shù)) 本文采用Hurst指數(shù)表征秦嶺地區(qū)NDVI的變化趨勢。Hurst指數(shù)(H)是定量描述時間序列長程依賴性的主要方法之一，在水文、氣候等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。目前，計算Hurst指數(shù)的方法較多，但研究表明重標極差(R/S)和小波分析法估算的Hurst指數(shù)更為可靠[21]。參照已有的植被研究[22]，本文采用重標極差(R/S)分析法計算Hurst指數(shù)，該方法最早由英國水文學家Hurst在研究尼羅河水庫流量和儲存能力的關(guān)系時提出[23]。其計算方法為：

(1)NDVI時間序列NDVIi，i=1,2,3,…,18，對于任意正整數(shù)m，有該時間序列的均值序列：

m=1,2,…,18

(2)計算該時間序列的累計離差：

1≤t≤m

(3)計算累計離差極差：

R(m)=maxX(t)-minX(t)

m=1,2,…,18

(4)計算累計離差標準差：

m=1,2,…,18

對于比值R(m)/S(m)@R/s，如存在R/S∞mH，則說明時間序列存在Hurst現(xiàn)象。H即為Hurst指數(shù)。兩邊取對數(shù)，則可通過最小二乘法得到H值。

根據(jù)H值，可判斷NDVI序列是否存在持續(xù)性。當0.5

2 結(jié)果與分析

2.1 地表起伏度

秦嶺地區(qū)地貌類型較為多樣。其中，從地表起伏度來看，秦嶺地區(qū)有平原、臺地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地六種。結(jié)合高、中、低三個海拔等級，秦嶺地區(qū)地貌類型有低海拔平原、低海拔臺地、中海拔臺地、低海拔丘陵、中海拔丘陵、小起伏低山、小起伏中山、中起伏低山、中起伏中山、大起伏低山和大起伏中山等11種類型。其中，以中起伏中山、小起伏低山和小起伏中山為主要類型，三者面積分別達33.0×103km2、22.0×103km2和20.0×103km2，面積總和占秦嶺地區(qū)總面積的77%(圖2)。

圖2 秦嶺地區(qū)各地貌類型面積分布圖

空間分布上來看，低海拔平原和和低海拔臺地主要分布在秦嶺北麓以及南部漢水上游冷水河段河谷地區(qū)。小起伏山地和小起伏中山則主要分布在秦嶺東南部和南部地區(qū)。中起伏中山則主要分布在秦嶺中部。秦嶺西北部主要為小起伏低山(圖3)。

2.2 NDVI空間分布

2000—2017年多年平均NDVI存在空間差異。秦嶺南坡多年平均NDVI高達0.83，而北坡多年平均NDVI為0.77。在秦嶺中部地區(qū)，NDVI較大，多在0.88以上；而東、西部NDVI則相對較小，其值在0.78～0.83之間。在秦嶺北坡關(guān)中平原，NDVI則普遍較小，多在0.3～0.5之間。此外，在嘉陵江、漢水等支流河谷地區(qū)，NDVI較小(圖4)。

圖3 秦嶺地區(qū)地貌分區(qū)圖

圖4 2000-2017年秦嶺地區(qū)多年平均NDVI分布圖

從地貌類型的多年NDVI分布來看，海拔高度和地表起伏度對NDVI有影響。低海拔平原、臺地和丘陵多年平均NDVI較小，其值在0.7以下；中海拔丘陵和中海拔臺地多年平均NDVI在0.74～0.77之間；中起伏中山、大起伏中山多年平均NDVI較大，其值在0.85以上(圖5)。

圖5 2000-2017年秦嶺地區(qū)不同地貌類型多年平均NDVI圖

2.3 NDVI變化趨勢

2000—2017年間，秦嶺地區(qū)NDVI年際變化顯示出較為明顯的空間分異特征(圖6)。NDVI顯著減少的地區(qū)主要集中在秦嶺北坡渭河南岸關(guān)中平原地區(qū)，以及秦嶺南坡漢水谷地，此兩地NDVI的年均降幅均約為每年0.03。NDVI顯著增加的地區(qū)則主要分布在秦嶺南坡西部與東南部地區(qū)，其中在成縣附近的嘉陵江流域、安康市漢水谷地兩邊NDVI增幅較大，平均可達每年0.01。

從各地貌類型NDVI的年際變化趨勢來看，低海拔平原、中海拔臺地、中海拔平原和低海拔丘陵NDVI年際變化趨勢均為負值，表明研究期內(nèi)這四個地貌類型區(qū)植被覆蓋有所減小。其中，低海拔平原NDVI平均降幅最大，降幅超過每年0.006，這也表明秦嶺地區(qū)低海拔平原區(qū)植被破壞最為嚴重。而在其他的地貌類型區(qū)，NDVI變化趨勢均為正值，表明研究期內(nèi)其他地貌類型區(qū)植被覆蓋有所改善。其中，在中起伏低山、小起伏中山和小起伏低山區(qū)NDVI增幅超過每年0.002 5，表明這些地區(qū)植被恢復較好(圖7)。

2.4 NDVI變化趨勢預(yù)測

Hurst指數(shù)分析表明，2000-2017年間秦嶺地區(qū)NDVI增加，且在今后一段時間仍會保持上升趨勢的區(qū)域，其面積超過78.0×103km2，占秦嶺地區(qū)總面積的72%。NDVI有增加趨勢，而在今后一段時間有所下降的地區(qū)，與NDVI有減小趨勢，而在今后一段時間仍保持下降趨勢的區(qū)域，兩者面積大體相同，分別為15.0×103km2和12.0×103km2。而NDVI有減小趨勢，而今后可能增加的地區(qū)則僅有3.0×103km2，大約只有秦嶺地區(qū)總面積的3%。

從空間分布來看，原先有減小趨勢的地區(qū)，今后NDVI仍會繼續(xù)減小的地區(qū)，主要集中在秦嶺北麓關(guān)中平原南緣，以及南坡漢水支流河谷地帶。而原先上升，今后可能下降的地區(qū)分布較為分散，大體散布在南坡的山區(qū)。NDVI原先減少、而后增加的地區(qū)，主要集中分布在秦嶺南北坡分水嶺沿線，顯示高山地區(qū)植被狀況的變化(圖8)。

圖6 2000-2017年秦嶺地區(qū)NDVI變化趨勢圖注：灰色區(qū)域表示NDVI變化趨勢不顯著(P>0.05)。

圖7 2000-2017年秦嶺地區(qū)不同地貌類型NDVI年際變化趨勢圖

圖8 秦嶺地區(qū)NDVI未來變化趨勢圖

在低海拔平原、低海拔臺地、中海拔臺地和低海拔丘陵地區(qū)，NDVI原先減少、而后可能繼續(xù)減少的地區(qū)在各區(qū)總面積中的占比較大，面積比重分別為85%、86%、83%和47%，顯示上述各區(qū)植被狀況可能會持續(xù)變差。而在中海拔丘陵、小起伏低山、小起伏中山、中起伏低山、中起伏中山、大起伏低山和大起伏中山地區(qū)，NDVI原先增加、而后也繼續(xù)增加的面積占比較大，其面積比重均在60%以上，顯示上述區(qū)域植被狀況持續(xù)改善，這可能與該地區(qū)人為活動較少、林草面積廣布有關(guān)。值得注意的是，在低海拔丘陵地區(qū)，NDVI原先增加、而后繼續(xù)增加的面積比重達39%，與NDVI原先減少、而后繼續(xù)減少的區(qū)域面積比重47%大致相當，表明該地貌類型區(qū)植被變化較為復雜，植被覆蓋的影響因素較多(見表2)。

表2 秦嶺地區(qū)NDVI未來變化趨勢在各地貌類型區(qū)中的面積比例

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

多年平均NDVI的空間分布特征大體與研究期內(nèi)秦嶺地區(qū)土地利用類型的分布相似。多年平均NDVI的低值區(qū)大多分布在城鎮(zhèn)周邊等建設(shè)用地密集區(qū)域，如關(guān)中平原，以及嘉陵江、漢水等河谷地區(qū)。而多年平均NDVI的高值區(qū)則主要分布在山地等植被受人為干擾較少的地區(qū)。這也從各地貌類型的多年平均NDVI的分析結(jié)果中得到驗證。

從NDVI的變化趨勢來看，低海拔的平原和臺地區(qū)，NDVI有逐漸減小的變化趨勢，而在中起伏低山、中山等地區(qū)，NDVI則有逐漸增加的變化趨勢，這是因為低海拔平原和臺地區(qū)人口密度較大，城鎮(zhèn)用地擴張，農(nóng)村居民點散布，對平原和河谷臺地的植被有持續(xù)性的影響。

一般地，低海拔地區(qū)由于可進入度較高，人為干擾也較為劇烈和頻繁；而高海拔地區(qū)可進入度則較低，人為干擾則相對較弱。同樣，平原、臺地地區(qū)可進入度較高，人為干擾也較為劇烈和頻繁；而各種山區(qū)可進入度較小，而人為干擾也相對較小。而秦嶺地區(qū)植被基礎(chǔ)較好，因此在控制人為干擾后，植被覆蓋便有逐年改善的趨勢。

但部分人為干擾可能對植被恢復有促進作用。2000—2017年間秦嶺地區(qū)實施退耕還林還草工程。按照工程要求，在所有坡度大于25°的地區(qū)必須要退耕還林還草。以漢中市為例，1999開始，漢中市開始實施退耕還林工程，到2004年，累計完成退耕還林163.6×103hm2，其中退耕地造林105.7×103hm2，荒山造林57.9×103hm2。這些造林區(qū)域大體在秦巴山脈中低山及低山丘陵地區(qū)[24]。

今后，在秦嶺南北坡分水嶺附近，NDVI有增加的趨勢，這可能與林線上移有關(guān)。研究顯示，近30年秦嶺地區(qū)氣溫呈上升趨勢，高海拔地區(qū)NDVI與氣溫的相關(guān)性最高[25]，未來該區(qū)域NDVI的增加趨勢，很可能是由于氣溫升高所帶來的植被向高海拔擴張分布的結(jié)果。

在低海拔丘陵地區(qū)，今后雖然有近一半的面積其NDVI呈繼續(xù)減小趨勢，但亦約40%的面積其NDVI有增大趨勢。這表明未來植被保護的重點在于低海拔丘陵區(qū)。除了完善城鎮(zhèn)規(guī)劃和農(nóng)業(yè)規(guī)劃外，尚有從城市森林、鄉(xiāng)村人居林的角度開展森林建設(shè)的必要。

3.2 結(jié)論

本文選取秦嶺山區(qū)這一在我國自然環(huán)境的過渡區(qū)域，分析研究了2000—2017年該區(qū)域植被在不同地貌類型區(qū)的時空分布特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)2000—2017年間，秦嶺地區(qū)NDVI的高值區(qū)位于秦嶺中西部山區(qū)，而低值區(qū)則主要位于北坡關(guān)中平原以及南坡的嘉陵江、漢水河谷地區(qū)；從地貌類型來看，低海拔平原、臺地和丘陵NDVI僅在0.7以下，而中起伏中山和大起伏中山NDVI高達0.85。

(2)NDVI顯著減少的地區(qū)主要集中在秦嶺北坡渭河南岸關(guān)中平原地區(qū)，以及秦嶺南坡漢水谷地，而顯著增加的地區(qū)則主要分布在秦嶺南坡西部與東南部地區(qū)；從地貌類型來看，低海拔平原、中海拔臺地、中海拔平原和低海拔丘陵NDVI有所減小，而山地區(qū)NDVI則有所增大。

(3)今后，秦嶺地區(qū)有72%的面積其NDVI將繼續(xù)增大；NDVI繼續(xù)減小的地區(qū)則主要集中在秦嶺北麓關(guān)中平原南緣，以及南坡漢水河谷地帶；NDVI原先減少、而后增加的地區(qū)，主要集中分布在秦嶺南北坡分水嶺沿線高山地區(qū)。