地形因子對長汀縣植被覆蓋度時空特征的驅(qū)動影響

田 地, 張厚喜, 劉 政, 胡亞林

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，受地形、氣候、土壤等多種環(huán)境因子的制約[1-3].同時，植被也是連接大氣、土壤和水分的“紐帶”，具有減少雨滴激濺、減緩地表徑流、保土固土的功能，是控制土壤侵蝕與水土流失的重要因子.植被覆蓋度(fractional vegetation coverage, FVC)是指單位面積內(nèi)植被地上部分(包括葉、莖、枝)在地面垂直投影面積的百分比[4-5]，是地表植被生長趨勢的重要參量，也是區(qū)域生態(tài)退化監(jiān)測最重要、最敏感的指標(biāo).獲取地表植被覆蓋度及其變化信息，對揭示地表植被時空變化規(guī)律，探討植被覆蓋變化驅(qū)動因子，評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義.

植被變化與地理環(huán)境和人類活動密切相關(guān)，其中地形因子對植被生長具有重要影響.有研究表明，岷江上游流域低植被覆蓋度區(qū)域受坡度影響顯著，而極高植被覆蓋度區(qū)域受高程影響顯著[6].汶川地震災(zāi)區(qū)的植被覆蓋度受坡度和高程影響較大，而受坡向影響較弱[7].在赤水河流域，坡度和坡向?qū)χ脖桓采w的影響都明顯高于高程[3].同時王毅和郭躍[8]研究發(fā)現(xiàn)，貴州省普定縣喀斯特地貌區(qū)植被覆蓋度的分布與地形因子的空間關(guān)系具有不確定性，地形因素主要通過影響人類活動間接影響植被覆蓋度.可見，地形因子對植被覆蓋度變化的影響具有復(fù)雜性，不同地區(qū)影響植被覆蓋度的關(guān)鍵地形因子不同.

長汀縣是我國典型的紅壤水土流失區(qū)，因其土壤侵蝕的典型性、嚴(yán)重性與治理的長期性，長汀縣植被治理和恢復(fù)一直受到政府與社會的高度重視.徐涵秋等[9]和張燦等[10]基于Landsat TM/ETM+/OLI影像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了長汀縣近30年來植被覆蓋度恢復(fù)效果顯著.然而，目前針對長汀縣地區(qū)高程、坡度、坡向等地形因子對該地區(qū)植被覆蓋度時空變化影響的研究未見報道.因此，本研究采用ArcGIS10.2和ENVI5.3軟件，以福建省長汀縣的LandsatTM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)像元二分模型，探究長汀縣植被覆蓋度時空變化特征.同時，通過DEM數(shù)據(jù)提取地形因子，分析植被覆蓋度與高程、坡度、坡向等地形因子的定量關(guān)系，旨在明確長汀地區(qū)植被覆蓋度時空變化特征及其與地形因子的關(guān)系，為該區(qū)水土流失植被治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

長汀縣位于福建省西部山區(qū)，武夷山脈南麓，南部近鄰廣東，西部接壤江西，是閩、粵、贛三省的邊陲要沖，全縣總面積3 090 km2，范圍北緯25°18′40″—26 °02 ′05″，東經(jīng)116°00′45″—116°39′20″.長汀縣呈四周隆起中部下凹的盆地類型，地勢自北向南傾斜，全縣最高海拔1 459 m，最低海拔238 m.氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫18.3 ℃，年均降水量1 730.4 mm.由于該地區(qū)雨量充沛，年內(nèi)分配不均，風(fēng)化作用十分強(qiáng)烈，土壤易受侵蝕，是我國亞熱帶紅壤水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一.

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1 植被覆蓋度遙感數(shù)據(jù) 本研究采用的遙感數(shù)據(jù)為Landsat TM以及Landsat OLI影像，源自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，影像行列編號均為121-042，空間分辨率為30 m.遙感影像的選擇需滿足以下兩方面要求：首先，選取云含量較低的遙感影像反演植被覆蓋度，保證提取結(jié)果的精確度；其次，為減少因植被生長發(fā)育所引起的誤差，均選取植被發(fā)育情況相近的時間段.因此，本研究所選取的長汀縣2000—2016年間遙感影像均為秋季(9—11月)且云量低于5%的遙感影像.各時期所選擇遙感數(shù)據(jù)源的信息如表1.

表1 2000—2016年間長汀縣植被覆蓋度反演遙感數(shù)據(jù)源Table 1 Source information on remote sensing data for fractional vegetation coverage in Changting County from 2000 to 2016

首先，將遙感數(shù)據(jù)投影方式均轉(zhuǎn)換為基于WGS-84坐標(biāo)系的通用橫軸墨卡托投影，并進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理.然后，采用相同投影的矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪得到研究區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù).

1.2.2 地形數(shù)據(jù) 地形因子包括高程、坡度和坡向，為30 m地面分辨率ASTER GDEM V2高程數(shù)據(jù)，源自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，坡度及坡向數(shù)據(jù)主要基于DEM數(shù)據(jù)通過ArcGIS 10.2軟件3D Analyst模塊Aspect及Slope工具生成.依據(jù)研究區(qū)海拔高度，將長汀縣劃分為7個海拔高程，即第1高程(<300 m)、第2高程(300～400 m)、第3高程(400～500 m)、第4高程(500～600 m)、第5高程(600～700 m)、第6高程(700～800 m)、第7高程(≥800 m).依據(jù)《水土保持綜合治理規(guī)劃通則GB T15772—2008》[11]和水土流失調(diào)查中常用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法，將坡度分為平坡(0°～5°)、緩坡(5°～8°)、斜坡(8°～15°)、陡坡(15°～25°)、急坡(25°～35°)和險坡(>35°)等6個等級.考慮到坡向?qū)χ脖婚L勢的影響，將研究區(qū)劃分為為平地(0°)、陰坡(0°～67.5°，337.5°～360°)、半陰坡(67.5°～112.5°，292.5°～337.5°)、半陽坡(112.5°～157.5°，247.5°～292.5°)、陽坡(157.5°～247.5°)5種坡向類型[12].

1.3 研究方法

1.3.1 基于像元二分模型的植被覆蓋度計算 本研究中長汀縣植被覆蓋度采用改進(jìn)的像元二分模型來估算，公式如下[13]：

FVC=(N-Nsoil)/(Nveg-Nsoil)

(1)

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，N為任意像元的歸一化植被指數(shù)(NDVI)，Nsoil代表純裸地的植被指數(shù)，Nveg代表純植被覆蓋的植被指數(shù).歸一化植被指數(shù)N公式如下[14]：

N=(NIR-R)/(NIR+R)

(2)

式中，NIR為近紅外波段的反射率，R為紅光波段的反射率.

根據(jù)影像的NDVI序列，采用5%和95%置信度截取NDVI的上下閾值，在置信區(qū)間內(nèi)取最大值和最小值分別代替Nveg和Nsoil.利用ENVI 5.3軟件估算長汀縣6期植被覆蓋度，并依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2008)[15]，利用ArcGIS 10.2軟件柵格重分類工具將研究區(qū)植被覆蓋度分為5個等級：Ⅰ級植被覆蓋度為裸地(FVC,0)，Ⅱ級植被覆蓋度為低覆蓋度(FVC,0～25%)，Ⅲ級植被覆蓋度為中覆蓋度(FVC,25%～50%)，Ⅳ級植被覆蓋度為高覆蓋度(FVC,50%～75%)，Ⅴ級植被覆蓋度為極高覆蓋度(FVC,>75%).植被覆蓋度均值，依據(jù)研究區(qū)植被覆蓋度總值與像元總數(shù)進(jìn)行計算，公式為：

(3)

1.3.2 基于差值法的植被覆蓋度動態(tài)特征及植被恢復(fù)等級提取 通過對各期植被覆蓋度柵格圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元做差值運(yùn)算，并對結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分級，來衡量植被動態(tài)變化的趨勢、大小及空間特征，計算公式如下[16-17]：

ΔFVC=FVCa-FVCb

(4)

式中，ΔFVC為柵格圖像數(shù)據(jù)的差值，F(xiàn)VCa和FVCb為第a和b期柵格圖像數(shù)據(jù).此外，基于2000年和2016年的植被覆蓋度柵格影像做差值運(yùn)算，分析植被衰退恢復(fù)演變特征，并將植被覆蓋度分成6個衰退恢復(fù)等級：嚴(yán)重退化(-100%,-15%]、中度退化(-15%,-5%]、輕微退化(-5%,0]、輕微改善(0,5%]、中度改善(5%,15%]、極度改善(15%,100%].

1.3.3 地形因子與植被覆蓋度關(guān)系 首先利用ArcGIS 10.2軟件柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)工具將6期植被覆蓋度圖轉(zhuǎn)為點(diǎn)數(shù)據(jù)，再利用多值提取至點(diǎn)工具將地形因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)提取至植被覆蓋度點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后利用空間統(tǒng)計工具獲得各高程、坡度及坡向的植被覆蓋度均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 長汀縣植被覆蓋度時空變化特征

2000—2016年，長汀縣植被覆蓋度均值由68.59%增加至78.86%(圖1).2000—2002年和2006—2016年，長汀縣植被覆蓋度增速較快，平均每年提高1.32%和0.83%.然而，2002—2006年長汀縣植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢，降低了0.70%.長汀縣植被以極高覆蓋度(Ⅴ級)和高覆蓋度(Ⅳ級)植被為主，共2 500 km2，約占長汀縣總面積80%；裸地(Ⅰ級)和低覆蓋度(Ⅱ級)植被面積較小，達(dá)282 km2，約占長汀縣總面積9%(表2).極高覆蓋度植被在全縣范圍內(nèi)廣泛分布，高覆蓋度植被主要分布在靠近道路、城鎮(zhèn)農(nóng)村居民點(diǎn)和耕地區(qū)域，裸地和低覆蓋度多分布在中部海拔較低、地勢平緩的長汀沿岸等人口分布密集區(qū).整體而言，由中部較低海拔的區(qū)域向四周較高海拔的地區(qū)，植被覆蓋度等級呈現(xiàn)上升趨勢.

2000—2016年，各時期不同等級植被覆蓋度面積變化規(guī)律存在差異性(表3).Ⅰ級覆蓋度植被基本不變，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級覆蓋度植被面積整體呈現(xiàn)下降趨勢，但Ⅲ級和Ⅳ級覆蓋度植被分別在2002—2006年間和2002—2010年間小幅增加.2002—2010年期間，Ⅴ級覆蓋度植被面積表現(xiàn)出小幅度衰減，但2000—2002年和2010—2016年間，Ⅴ級覆蓋度植被面積均顯著增加.整體而言，2000—2016年間長汀縣Ⅰ級和Ⅴ級覆蓋度植被面積分別增加了5.27和582.49 km2，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級覆蓋度植被面積分別減少了145.39、150.04、292.95 km2.

植被覆蓋度 分級百分比/%面積/km2植被覆蓋度 分級百分比/%面積/km2裸地 Ⅰ129高覆蓋度 Ⅳ18558低覆蓋度 Ⅱ8253極高覆蓋度Ⅴ621 942中覆蓋度 Ⅲ11328

表3 長汀縣2000—2016年間各時期不同等級植被覆蓋度面積的年變化量和變化率Table 3 Annual changes and ratios of different fractional vegetation coverage during different periods between 2000 and 2016 in Changting County

2.2長汀縣植被覆蓋衰退與恢復(fù)時空特征

2000—2016年間，長汀縣植被覆蓋以改善為主，總面積達(dá)2 294 km2，占長汀縣總面積73.76%，其中輕微改善、中度改善、極度改善面積分別占長汀縣面積13.64%、27.49%、32.63%(圖2).從空間分布而言，植被覆蓋度改善區(qū)域廣泛分布于研究范圍內(nèi)低山丘陵區(qū)域，且集中分布在河田盆地及周邊地區(qū).然而，2000—2016年，長汀縣部分區(qū)域的植被覆蓋度呈現(xiàn)衰退趨勢，面積為816 km2，約占研究區(qū)總面積26.23%.

2.3 地形因子對長汀植被覆蓋度時空分布格局的影響

不同地形條件下，長汀縣2000—2016年期間各期植被覆蓋度的平均值存在明顯差異.隨著高程和坡度的增加，植被覆蓋度呈逐漸增加趨勢(圖3a，3b)；但坡向?qū)χ脖桓采w度影響較小，除平地植被覆蓋度僅為61.29%，其余坡向植被覆蓋度基本一致(圖3c).

圖2 長汀縣2000—2016年間植被覆蓋度衰退與恢復(fù)的空間分布格局特征Fig.2 Spatial distribution pattern of the degraded and improved fractional vegetation coverage in Changting County from 2000 to 2016

圖3 長汀縣2000—2016年間各時期不同地形因子條件下植被覆蓋度平均值Fig.3 Averages of fractional vegetation coverage under different topographical factors from 2000 to 2016 in Changting County

2000—2016年期間，不同地形條件下植被覆蓋度時間序列的變化規(guī)律亦存在差異.第1高程(H<300 m)地區(qū)地表植被覆蓋度增加最快，地表植被覆蓋度由26.62%提高至50.73%，增幅為24.11%；第2～6高程(300～800 m)地區(qū)，地表植被覆蓋度分別提高16.49%、9.17%、7.92%、5.60%和3.03%；第7高程帶(H≥800 m)地區(qū)地表植被覆蓋度增加最慢，增幅僅0.04%(圖4a).同樣，在平坡(0°～5 °)地形條件下植被覆蓋度增加最快，由38.11%增至56.36%，增幅為18.25%，而緩坡、斜坡、陡坡、急坡和險坡地形條件下植被覆蓋度分別提高13.58%、9.02%、5.64%、3.52%、3.39%(圖4b).在不同坡向地形條件下，植被覆蓋度變化程度基本一致，其中平地、陽坡、陰坡、半陰坡和半陽坡地形條件下植被覆蓋度增幅分別為11.37%、9.74%、10.78%、10.68和9.94%(圖4c).

4 討論與結(jié)論

長汀縣植被覆蓋度整體情況較好，植被以高覆蓋和極高覆蓋度植被(即FVC>50%)為主，占研究區(qū)總面積的81.39%，這與汪小欽等[18]和楊婷婷等[19]調(diào)查的1988—2013年和2000—2014年長汀縣植被覆蓋度結(jié)果基本吻合.進(jìn)一步研究不同等級覆蓋度植被的面積動態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，2000—2016年間極高覆蓋度植被面積增幅顯著，裸地面積基本不變，低覆蓋度、中覆蓋度和高覆蓋度植被面積呈下降趨勢，與汪小欽等[18]研究結(jié)構(gòu)基本一致.從研究區(qū)植被空間分布來看，極高覆蓋度植被在全縣范圍內(nèi)廣泛分布，高覆蓋度植被主要分布在靠近道路、城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民點(diǎn)和耕地的區(qū)域，裸地和低覆蓋度多分布在中部海拔較低、地勢平緩的長汀沿岸人口分布密集區(qū).

圖4 長汀縣2000—2016年間不同地形因子條件下植被覆蓋度動態(tài)特征Fig.4 Changes in fractional vegetation coverage under different topographical factors from 2000 to 2016 in Changting County

2000—2016年間長汀縣植被覆蓋度呈增加趨勢，植被覆蓋度均值由68.59%提高至78.86%.張燦等[10]研究發(fā)現(xiàn)長汀縣植被覆蓋度均值由2001年的75.1%上升到2013年的86.5%.長汀縣植被恢復(fù)與諸多因素有關(guān)，其中政策因素推動的長汀縣水土流失治理發(fā)揮重要作用[2,20].此外，大量研究表明植被具有較強(qiáng)的自然演替和恢復(fù)能力，植被恢復(fù)后期，植被覆蓋度越高的區(qū)域自然恢復(fù)能力越強(qiáng)[21]，進(jìn)而導(dǎo)致長汀區(qū)域高覆蓋度植被面積不斷增加.

2000—2016年，長汀縣植被整體以改善為主，占區(qū)域面積的73.76%，主要分布于中部河田盆地的低山丘陵區(qū).同樣，楊婷婷等[19]和王文輝等[2]研究發(fā)現(xiàn)，長汀縣2000—2014年和2000—2010年間植被均以改善為主，占長汀縣總面積的88%.此外，張燦等[10]發(fā)現(xiàn)由于長汀植被覆蓋不斷改善，該區(qū)域生態(tài)質(zhì)量上升的面積約占長汀縣總面積的60%.然而，長汀縣仍有約26.23%區(qū)域的植被呈現(xiàn)退化特征，呈斑塊狀散布于研究區(qū)和長汀縣周邊區(qū)域.主要由于是近年來城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，大量城市建設(shè)和居住用地不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致城市植被覆蓋度明顯降低[22].

地形是影響植被覆蓋的一個重要自然因子，不同地形條件下水熱狀況不同，進(jìn)而導(dǎo)致不同地形因子條件下植被的空間分布格局存在差異[3,6].同時，不同地區(qū)植被覆蓋度空間分布格局的關(guān)鍵地形驅(qū)動因子不同[7,8,23].本研究中，長汀縣不同地形條件下植被覆蓋度時空動態(tài)特征均存在差異.隨著高程和坡度的增加，地表植被覆蓋度呈增加趨勢，與高海拔(>300 m)和大坡度(>8°)地區(qū)相比，高程<300 m和平緩坡地區(qū)植被覆蓋度明顯較低，原因可能是長汀縣城市和居住建設(shè)主要分布于沿江低海拔、坡度平緩的區(qū)域.高程<300 m和坡度<8°的地區(qū)，地表植被覆蓋度增速較快，而高海拔(>300 m)和大坡度(>8°)地區(qū)地表植被覆蓋度增速逐漸降低.

綜上研究表明，隨著我國南方紅壤水土流失區(qū)植被的恢復(fù)治理，2000—2016年期間長汀縣植被覆蓋整體呈增加趨勢，植被覆蓋不斷改善.然而，由于城市化擴(kuò)張和建設(shè)，部分地區(qū)植被覆蓋度呈一定程度的下降.此外，地形因子是影響長汀縣植被覆蓋度的重要自然因子，不同高程、坡度和坡向等地形因子條件下植被覆蓋存在明顯差異，且顯著影響長汀地區(qū)植被覆蓋的時空動態(tài)特征.