官渡河流域植被覆蓋變化與地形因子相關(guān)性

陳洪磊, 歐陽煒, 呂鳳玲, 宋艷暾, 郝 蓉

(華中農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院 水土保持研究中心, 武漢 430070)

植被是反映某一區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況最為重要的因素，是連接土壤圈、大氣圈、水圈、生物圈的自然紐帶[1]。植被覆蓋度是定量研究時首要考慮的因子之一，通常指植被在地面的垂直投影面積與所占統(tǒng)計區(qū)域總面積的比值，是衡量植被變化、生態(tài)環(huán)境變化、氣候變化等研究的重要指標之一[2-3]。常用的測量方法有地表實測法和遙感監(jiān)測方法。宏觀尺度上由于地表實測法工作量大、耗時多、受自然環(huán)境影響較大，而利用遙感影像則可以很好地避免以上問題，并且遙感影像還具有多空間、多光譜、多時相等特點，使遙感影像監(jiān)測法成為最簡潔高效的估算植被覆蓋度的主要手段。在眾多植被指數(shù)中，NDVI是最常見、有效的反映植被生長狀態(tài)和植被覆蓋度的指標之一[4]。

自20世紀80年代來以來，國內(nèi)外大量學者已經(jīng)對植被變化與氣候因子二者之間的響應關(guān)系做了大量研究。如Posse等對10 aNDVI進行逐月分析，得到影響植被覆蓋變化最為重要的兩個因素是降雨量和溫度。何月等利用1982—2010年浙江省兩種NDVI指數(shù)反演了該地區(qū)植被覆蓋狀況，并從不同的時間尺度分析了氣溫、降雨、濕潤指數(shù)等氣象因子與植被覆蓋變化的響應特征，發(fā)現(xiàn)GIMMS和MODIS兩種不同的NDVI指數(shù)顯著性具有一致性，濕潤指數(shù)與NDVI的相關(guān)關(guān)系較降雨、氣溫更高[5-9]。

流域植被的形成和變化與流域下墊面因子相適應，且受其制約[10]。流域下墊面因子包括土壤物理性質(zhì)、地形、地貌、土地利用方式等方面[11]。在山地生態(tài)學研究中，地形分異主要體現(xiàn)在坡度、坡向和高程上[12]。了解不同地形植被分異，有利于制定因地適宜的生態(tài)保護政策，推動研究區(qū)決策的可行性和科學性，是山地生態(tài)學研究的核心熱點問題[13]。國內(nèi)學者已經(jīng)對不同地區(qū)的植被NDVI時空變化趨勢及其在地形因子上的分布做了很多研究[14-16]。吳志杰等利用Landsat 8 OLI 提取出NDVI數(shù)據(jù)，并基于像元二分模型估算南方丘陵區(qū)植被覆蓋度，發(fā)現(xiàn)當坡度大于10°時，陽坡植被覆蓋度明顯比陰坡植被覆蓋度偏高的結(jié)論[17]。目前，學者對官渡河所屬的堵河流域已經(jīng)開展了大量研究[18-19]，對采取定量分析的方式分析植被覆蓋度在不同影響因子下具體的變化研究比較少。本文定量計算植被覆蓋度等級與各地形因子等級的相關(guān)性及時空動態(tài)變化趨勢，這對保護和監(jiān)測南水北調(diào)中線水源區(qū)水量變化、用水安全及水土保持研究具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

官渡河流域位于南水北調(diào)中線水源區(qū)，為漢江最大的支流堵河上游，發(fā)源于神農(nóng)架西麓和重慶市巫山縣東北部山麓，流經(jīng)湖北省竹溪縣、竹山縣、房縣、神農(nóng)架林區(qū)，匯入堵河，最終匯入漢江。介于31°25′—32°16′N和109°38′—110°23′E，面積約2 871 km2。官渡河流域位于中國地勢第二階梯東源，屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，流域地勢由西南向東北傾斜，最高海拔2 994 m,最低海拔277 m，平均海拔1 342 m，最高落差2 717 m。土地利用類型以林地為主，其次為坡耕地和灌木叢。研究區(qū)屬于亞熱帶常綠闊葉混交林帶，植被覆蓋度較高，植物種類多，生物多樣性豐富。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

采用ArcGIS 10.2，ENVI 5.3.1進行遙感、地形數(shù)據(jù)處理,并使用Origin 2010進行圖表的繪制和相關(guān)分析。研究區(qū)遙感和DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，分辨率均為30 m。研究區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)局。共選取有代表性的5 a遙感數(shù)據(jù)，本文選取遙感數(shù)據(jù)2007年獲取時間為8月份，其余4期數(shù)據(jù)均為9月份，平均云量均低于20%，具有可比擬性，能充分代表研究區(qū)植被覆蓋的基本情況。Landsat7 ETM+機載掃描校正器在2003年發(fā)生故障，導致2003年以后獲取的影像無法正常使用，因此我們對2004年的數(shù)據(jù)需要使用SLC-OFF模型校正[20]。分別對5期遙感進行大氣校正操作，經(jīng)過5，4，3波段組合后裁剪出5期遙感數(shù)據(jù)。

1.3 分析方法

1.3.1 像元二分模型 像元二分模型是基于線性混合像元分解模型中估算植被覆蓋度簡單實用的模型[21]。其原理是假設(shè)遙感影像的每個像元只有綠色植被和裸土兩種地表覆蓋組成，則通過遙感傳感器所觀測到的每個像元的光譜信息SSUM就可以通過綠色植被所貢獻的信息SVEG與裸土覆蓋所貢獻的信息SSOIL兩部分構(gòu)成。將SSUM線性分解為SVEG和SSOIL兩部分：

SSUM=SVEG+SSOIL

(1)

式中：SVEG和SSOIL都是像元二分模型的參數(shù)，實際上表達了遙感信息與植被覆蓋度之間的關(guān)系，將NDVI同像元二分模型相結(jié)合，得到：

FC=(NNDVI-NNDVISoil)/(NNDVIveg-NNDVISoil)

(2)

式中：FC為一個像元內(nèi)的植被覆蓋度；NNDVI為該像元上的歸一化植被指數(shù)；NNDVIveg為影像上植被對應的NDVI值；NNDVISoil為影像上裸土對應的NDVI值。

參照陳云浩等[22]對植被覆蓋等級劃分及植被類型界定，對官渡河流域植被覆蓋度植被覆蓋等級進行劃分。

1.3.2 變化斜率法 利用變化斜率法[23]對官渡河流域1990—2010年植被覆蓋度趨勢變化進行分析，計算公式為：

植被覆蓋變化程度劃分標準[24]及變化程度狀況見表1。

表1 植被覆蓋變化程度劃分標準及變化程度狀況

1.3.3 地形、地貌因子的提取與分級 基于官渡河流域30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2提取地形因子并進行子流域的劃分與構(gòu)建。高程是影響植被分布的另一個重要因素，受垂直地帶性影響，山地中在一定高程范圍內(nèi)，隨著海拔升高，相應的溫度和濕度相應增加，由于海拔變化，不同海拔土壤理化性質(zhì)也會相應發(fā)生變化[25]。漢江流域高程200 m以下垂直地帶性受人為因素影響較大，本研究區(qū)最低高程為277 m,參照張靜等[26]對南水北調(diào)中線水源區(qū)高程因子劃分，本文以151 m為間隔將官渡河流域劃分18個高程帶；依據(jù)水土流失調(diào)查常用的8°法作為區(qū)別斜坡和緩坡的界限的依據(jù)[27]，將坡度劃分為6個等級；以22.5°為步長提取坡向因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋隨坡度變化特征分析

利用重分類后的坡度柵格圖分別與1990—2010年不同年份的植被覆蓋度柵格圖進行疊加分析操作，并分區(qū)統(tǒng)計得到不同時期植被覆蓋度在坡度上的變化趨勢如圖1所示：

圖1 植被覆蓋度在坡度上變化趨勢

從圖1中可以看出，隨著坡度增加，植被覆蓋度也不斷增加。平坡地植被覆蓋度最低，植被覆蓋度5期均值約為88.07%；植被覆蓋度最高的為險坡地，植被覆蓋度5期均值約為90.60%。坡度范圍在0°～15°范圍內(nèi)隨著坡度的增加植被覆蓋度變化量增大，說明平坡地、緩坡地、斜坡地植被覆蓋度受坡度影響較大；斜坡地至陡坡地之間和陡坡地至急坡地之間變化量較少，明顯看出陡坡地即坡度范圍在15°～25°為明顯的分界線，坡度范圍在15°～25°以下的區(qū)域植被覆蓋度受坡度影響比較明顯，坡度范圍在15°～25°以上的區(qū)域植被覆蓋度受坡度影響相對比較小。

將植被覆蓋變化趨勢斜率圖和坡度等級柵格圖進行疊加分析，并分區(qū)統(tǒng)計植被覆蓋斜率在不同坡度上變化狀況(圖2)。

圖2 植被覆蓋度變化斜率在坡度上變化趨勢

從圖2可以看出:總體上植被覆蓋變化趨勢(斜率平均值)隨著坡度的增大呈現(xiàn)先降低后升高，隨后逐漸降低的趨勢。植被覆蓋斜率變化趨勢最明顯的為平坡地(0°～5°)，斜率平均值為0.010 8。其次是陡坡地(15°～25°)，斜率平均值為0.009 0，小于25°坡度變化趨勢明顯，險坡地(>35°)植被覆蓋變化趨勢減弱。

2.2 植被覆蓋隨坡向變化特征分析

將得到的官渡河流域坡向分布柵格圖和不同時期植被覆蓋度柵格圖進行疊加，并分區(qū)統(tǒng)計出不同時期官渡河流域植被覆蓋度在不同坡向上變化的趨勢如圖3所示。平面植被覆蓋度最低，陽坡植被覆蓋度最高，半陰坡和半陽坡植被覆蓋度相當。說明官渡河流域植被覆蓋度變化受坡向影響明顯。

將植被覆蓋變化趨勢斜率圖和不同坡向等級柵格圖進行疊加，并統(tǒng)計不同坡度上植被覆蓋斜率變化如圖4所示。向陽的坡向植被覆蓋斜率變化趨勢相對較高，背陽的坡向植被覆蓋斜率變化趨勢相對較低。陽坡植被覆蓋斜率變化趨勢最高，變化斜率為0.010 2，半陽坡次之，變化斜率為0.009 5。半陰坡變化斜率為0.007 5，陰坡的變化斜率為0.006 6。

2.3 植被覆蓋隨高程變化特征分析

按照151 m為間隔，將官渡河流域重分類為18個高程帶，得到高程帶柵格圖。通過高程帶柵格圖與不同時期植被覆蓋度柵格圖進行疊加統(tǒng)計分析，得到不同時期植被覆蓋變化隨高程變化特征如圖5所示。

圖3 植被覆蓋度在坡向上變化趨勢

圖4 植被覆蓋度變化斜率在坡向上變化趨勢

圖5 植被覆蓋度在高程上變化趨勢

從圖5可以看出，不同時期植被覆蓋度與高程相關(guān)性系數(shù)R2分別為0.870 0，0.871 5，0.830 1，0.824 9，0.822 2,相關(guān)性較強。不同時期植被覆蓋度隨著高程的增加均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。277～500 m高程帶植被覆蓋度最低，1 771～1 887 m高程帶植被覆蓋度最高，超過1 771～1 887 m后隨著高程的增加，植被覆蓋度逐漸減少。

將植被覆蓋斜率圖同高程帶柵格圖進行疊加分析，并分區(qū)統(tǒng)計出結(jié)果，得到植被覆蓋斜率在不同高程帶上變化趨勢如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著高程的增加，植被覆蓋度變化斜率呈現(xiàn)先增加，再減少的趨勢。當高程帶在782～905 m的時候，植被覆蓋變化趨勢達到最大值，斜率為0.012 6，隨后植被覆蓋斜率隨著高程的增加不斷降低，1 887～2 016 m高程帶為轉(zhuǎn)折點，高程帶在1 887～2 016 m時，植被覆蓋變化斜率為0.003 3，高程帶介于1 887～2 016 m和2 166～2 342 m之間，植被覆蓋斜率隨著高程的增加而增加。從變化量上看，當高程超過1 350～1 455 m時，植被覆蓋變化斜率幅度較大。

2.4 植被覆蓋隨地質(zhì)變化特征分析

按照地質(zhì)屬性將官渡河流域地質(zhì)劃分為21個地質(zhì)組，然后將不同時期植被覆蓋度柵格圖同地質(zhì)圖進行疊加分析，并分區(qū)統(tǒng)計出不同地質(zhì)條件下植被覆蓋度情況如圖7所示。不同地質(zhì)單元組植被覆蓋變化各不相同。植被覆蓋度在0101143植被覆蓋度值最低，明顯低于其其他地質(zhì)組，該組地質(zhì)特征為下組為變質(zhì)陸源碎屑巖及變基性火山巖，中組為板巖、千枚巖、含碳白云巖、灰?guī)r、硅質(zhì)巖，上組為厚層碳酸鹽巖；植被覆蓋度在0101110植被覆蓋度值最高，該單元組地質(zhì)特征為以生物屑灰?guī)r、灰?guī)r、泥質(zhì)瘤狀灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、泥灰?guī)r等夾頁巖等為主。說明植被受地質(zhì)構(gòu)造影響比較明顯。

將地質(zhì)圖同植被覆蓋斜率柵格圖進行疊加分析，并分區(qū)統(tǒng)計出不同地質(zhì)單元組植被覆蓋斜率變化如圖8所示。植被受地質(zhì)構(gòu)造影響明顯，不同地質(zhì)單元組植被覆蓋斜率變化各異。在0101113地質(zhì)組植被覆蓋斜率變化值最高，為0.017 0，該組地質(zhì)特征下部為變質(zhì)陸源碎屑巖,底部含礫石或礫巖，上部為變質(zhì)基性火山巖。在0101320組植被變化斜率最低，為0.000 1。

2.5 不同流域植被覆蓋變化特征分析

本文依據(jù)官渡河實際情況結(jié)合大量試驗，將官渡河流域劃分為43個子流域，并結(jié)合地質(zhì)、DEM等信息，把官渡河流域劃分上、中、下游3級河段，將1990—2010年植被覆蓋圖與子流域圖進行空間分析，計算得出不同子流域及其植被覆蓋度變化狀況如圖9所示，植被覆蓋度在不同河段呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，上游植被覆蓋度相對較高，中游次之，下游植被覆蓋度相對較低。

注：0101331(梅子埡組)，0101232竹溪組、0101143(江西溝組、霍河組、耀嶺河組)，010100(武當山(巖)群變火山碎屑—沉積巖組)，0101112(江西溝組、霍河組)，0101322(梁山組、吳家坪組)，0101141(楊家堡組、竹山組)，0101338(魯家坪組、箭竹壩組)，0101111(楊柳崗組、華嚴寺組)0101110(南津關(guān)組、紅花園組)，0101232(紗帽組、羅惹坪組、新灘組)，0101113(耀嶺河組)，0101322(梁山組、瓦房灣大水溝組)，0101320(周沖村組、青龍組)，0101238(牛蹄塘組、石牌組)，0101336(覃家廟組、婁山關(guān)組)，0101010(臺子組、礦石山組)，0101113(蓮沱組、南沱組)，0101222(揚子西南緣峨眉山玄武巖組、宣威組黑泥哨組)，0101110(寶塔組、黃泥崗組、龍馬溪組)，0101320(大冶組、雷口坡組、巴東組)。

圖7 不同地質(zhì)條件下植被覆蓋度在坡向上變化趨勢

圖8 不同地質(zhì)條件下植被覆蓋度變化斜率在坡向上變化趨勢

將子流域柵格圖同植被覆蓋變化斜率圖疊加，并分區(qū)統(tǒng)計得出研究區(qū)不同河段植被覆蓋變化狀況見表2。

圖9 子流域植被覆蓋度狀況

表2 不同河段VFCslope

從表2可以看出，官渡河流域上游河段退化區(qū)域面積為27.42 km2，約占官渡河上游河段的2.30%。約有46.33%的區(qū)域保持基本不變，共有611.85 km2區(qū)域植被蓋度發(fā)生改善，約占官渡河上游河段面積的51.37%。官渡河流域中游河段退化區(qū)域面積為103.53 km2，約占官渡河中游河段的9.40%，約有39.58%的區(qū)域保持基本不變，共有562.26 km2區(qū)域植被蓋度發(fā)生改善，約占官渡河中游河段面積的51.03%。官渡河流域下游河段退化區(qū)域面積為154.20 km2，約占官渡河中游河段的27.15%，約有31.76%的區(qū)域保持基本不變，共有233.30 km2區(qū)域植被蓋度發(fā)生改善，約占官渡河下游河段面積的41.08%。官渡河流域退化區(qū)域面積為285.15 km2，約占官渡河流域總面積的10%，約有40.85%的區(qū)域保持基本不變，共有1 407.42 km2區(qū)域植被蓋度發(fā)生改善，約官渡河流域總面積49.15%。

官渡河流域不同河段，植被覆蓋變化趨勢顯著，不同河段由于地形地勢等原因，趨勢變化各異，但總體上按河流上、中、下游植被覆蓋呈現(xiàn)逐漸退化的趨勢，本文認為，受地形地勢影響，水流上游河段受人類活動影響比較小，下游河段受人類影響比較顯著。該流域20 a來植被覆蓋呈明顯的改善趨勢。

3 討 論

坡度影響土壤水分和土壤肥力，從而影響植被覆蓋變化[14]。根據(jù)退耕還林(草)政策的相關(guān)規(guī)定，坡度范圍在15°和25°的區(qū)域，有選擇的執(zhí)行退耕還林(草)，大于25°的區(qū)域必須執(zhí)行退耕還林(草)政策。根據(jù)本文研究，官渡河流域大于25°的區(qū)域約有76.38%，比重較大，執(zhí)行效果較好；官渡河流域整體海拔較高，不同坡向水熱條件也有顯著差異。此外人類活動多集中在向陽區(qū)域。由于陽坡水熱條件、太陽輻射、日照時數(shù)等均大于同區(qū)域其他坡向，所以同區(qū)域不同時期陽坡區(qū)域植被覆蓋度最高，植被覆蓋斜率變化趨勢也最為明顯；不同海拔高度范圍內(nèi)水熱條件、土壤性質(zhì)、相對濕度等存在明顯差異。隨著海拔增加，溫度、降雨、土壤肥沃程度隨之而降低，植被生長受到影響，從而植被覆蓋度呈逐漸降低的趨勢。此外，海拔較低的地方，地勢往往相對平坦，官渡河流域受地形地貌條件影響，耕地相對較少，所在區(qū)域經(jīng)濟水平相對落后，不合理的人類活動嚴重影響到植被覆蓋變化；官渡河流域地質(zhì)情況復雜，不同地質(zhì)單元組由于成土母質(zhì)不同，容易受環(huán)境影響發(fā)生風化和化學變化，所以該流域植被覆蓋變化差異較大。

4 結(jié) 論

(1) 植被覆蓋度在不同河段呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，上游植被覆蓋度相對較高，中游次之，下游植被覆蓋度相對較低。

(2) 植被覆蓋變化受地形因子影響比較明顯,且與不同地形因子響應程度不同，對不同時期植被覆蓋度，高程和坡度對其影響明顯高于坡向。坡度上：隨著坡度的不斷增加，植被覆蓋度也隨著增大；坡向上：整體上向陽區(qū)植被覆蓋度要大于同區(qū)域的背陽區(qū)；高程上：官渡河流域不同時期植被覆蓋度隨著高程的增加均出現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

(3) 不同地質(zhì)單元組植被覆蓋變化各不相同。