呂梁山植被時空分布規(guī)律及地形差異影響

宋曉靜，周淑琴，荊耀棟，王貝貝

（山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷 030801）

呂梁山是拱衛(wèi)黃河生態(tài)安全的重要屏障，又是生態(tài)脆弱區(qū)、脫貧攻堅的主戰(zhàn)場，其環(huán)境和發(fā)展意義重大。20 世紀以來，伴隨城鎮(zhèn)化的深入推進，人類活動對植被的影響日漸顯著，資源、環(huán)境等問題也隨之出現，人類可持續(xù)發(fā)展與區(qū)域生態(tài)安全均面臨著嚴峻挑戰(zhàn)［1，2］。在自然要素與人類活動的雙重作用下，山地生態(tài)系統(tǒng)遭受到前所未有的威脅［3］。呂梁山作為重要的自然地理分界線，在雙重干擾下，其生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能必然會發(fā)生變化。

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在自然地理環(huán)境中起著“指示器”的作用［4-6］，是監(jiān)測生態(tài)環(huán)境、進行區(qū)域生態(tài)風險評價的指標［7，8］，其動態(tài)變化反映植被對生態(tài)環(huán)境的響應程度。植被指數包括增強植被指數（Enhanced vegetation index，EVI）、土壤調整植被指數（Soil adjusted vegetation index，SAVI）和歸一化植被指數（Normalized difference vegetation index，NDVI）等，為較大尺度監(jiān)測植被狀況提供了技術可能［9］。其中，NDVI 對植被的分布、密度及變化非常敏感，能在較大時空尺度上反映區(qū)域植被覆蓋信息，因此被認為是表征地表植被覆蓋動態(tài)的有效指標，被廣泛用于生態(tài)變化的研究中。前人基于NDVI 監(jiān)測植被覆蓋變化已取得大量成果。如，Tucker 等［10］首次使用NDVI 對非洲大陸進行土地覆蓋分類；張珍珍等［11］以3 期遙感數據提取NDVI，分析梵凈山植被覆蓋度時空變化，并得出地形因子影響人類活動的空間分布；張玉琴等［12］基于Landsat ETM+/OLI 遙感數據、DEM 數據，研究2004—2018 年武夷山保護區(qū)6 種坡度類型下的植被覆蓋變化以及不同坡度的植被改善和退化狀況；張學玲等［13］、陳秀妍等［14］利用NDVI 數據對植被時空變化以及地形因子對植被分布格局的影響進行分析，并建議加快退化地區(qū)的生態(tài)修復和整治力度。

呂梁山黃土丘陵溝壑區(qū)是生態(tài)安全格局中黃土高原-川滇生態(tài)屏障的重要組成部分，對黃河中下游的生態(tài)安全具有重要影響。同時，呂梁山也是重點生態(tài)脆弱區(qū)，地形復雜，生物多樣性和景觀異質性并存。研究植被的發(fā)展變化對區(qū)域自然保護、生態(tài)文明建設以及城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，但目前系統(tǒng)全面地分析呂梁山植被覆蓋時空變化的文獻較少。因此，從自然地理單元的角度出發(fā)，基于系統(tǒng)論對呂梁山的植被變化進行研究，分析NDVI 的時空變化特征以及地形因子對NDVI的影響。

1 研究區(qū)概況

呂梁山（110°38'—113°48'E，36°07'—40°30'N）位于黃土高原東部，山西省西部，東北與大同盆地相接，東南部屬臨汾盆地（圖1）。區(qū)域西部黃土堆積，水土流失嚴重；東部為斷層構造，地勢陡峭［15，16］。研究區(qū)屬大陸性季風氣候，年均溫6.5～13.0 ℃，年降水量374～700 mm，降雨季節(jié)分配不均，夏季降水量占全年的2/3 以上。土壤以褐土、淡褐土、山地褐土、棕壤以及草甸土為主，植被主要有華北落葉松、油松、云杉、白杄和青杄林林地。呂梁山區(qū)涵蓋13 個國家級貧困縣，交通不便，生產力水平低，經濟發(fā)展動力不足，城鎮(zhèn)化進程緩慢［17］。獨特的地理環(huán)境導致該地水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱，植被在山區(qū)生態(tài)安全中扮演著重要作用。

圖1 研究區(qū)概況

2 數據源與方法

2.1 數據源及預處理

數據源包括遙感數據（MODIS NDVI）、數字高程數據（DEM）以及行政區(qū)劃數據。2000—2015 年NDVI采用MODND1M數據產品，空間分辨率為500 m，來源于地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/）。2016—2018 年NDVI 使用Terra-MOD13Q1 16 d 合成的產品數據，空間分辨率為500 m，數據來源于美國航空航天局（http：//nasa.gov/）。DEM 數據分辨率為30 m，數據來源于地理空間數據云平臺。山西省行政區(qū)界線下載自中國科學院資源環(huán)境科學數據中心（http：//www.resdc.cn/）。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI 均值法 為消除冰雪的干擾，結合研究區(qū)物候特征，選取2000—2018 年植被覆蓋最好的6—8 月作為研究時段。采用最大值合成法將各月數據合成為年數據，并計算其平均值。得到的年均NDVI 可以較好地反映該時間范圍內地表的植被覆蓋狀況，并能有效消除不同地區(qū)的季節(jié)變化對植被覆蓋的影響［18］。

2.2.2 趨勢分析法 為定量研究NDVI的變化趨勢，采用一元線性回歸模擬每個柵格的變化趨勢。以單個像元的時間變化特征來反映整體變化，用以描述區(qū)域時空格局的演變規(guī)律［19-21］。Slope表示該回歸方程的斜率，若Slope＞0，表示植被指數隨時間變化而增加，并且數值越大，地區(qū)植被覆蓋改善狀況越明顯；若Slope＜0，則表示植被指數隨時間變化而減少。

式中，i為年份序號，n 代表年間隔（n=19）；NDVIi表示第i年的平均NDVI（全年平均）。

3 結果與分析

3.1 呂梁山NDVI時間變化

2000—2018 年呂梁山NDVI 整體呈增加趨勢，線性斜率為0.009 8，變化不明顯（圖2）。19 年間NDVI總均值為0.62，其中2013 年達到峰值，為0.70，2001 年呈最低值，為0.48。2000—2007 年中各年均NDVI 都小于總均值，原因在于呂梁山區(qū)涵蓋13 個國家級貧困縣，各縣區(qū)在謀求脫貧致富的過程中忽視對生態(tài)環(huán)境的保護，造成植被覆蓋下降。2008—2018 年，NDVI 在波動中變化，但各年均NDVI 都高于總均值，并在2013 年達到最高點。政府在致力于經濟發(fā)展的同時也逐步意識到需要相應的政治文明和生態(tài)環(huán)境作為保障［22］。中共十八大、十九大中也著重強調生態(tài)保護的重要性，呂梁山各縣政府響應國家號召，積極退耕還林、還草，加快呂梁山生態(tài)系統(tǒng)保護和修復步伐，使得呂梁山實現復綠、增綠。

圖2 2000—2018 年呂梁山區(qū)年均NDNI曲線及其線性趨勢

3.2 呂梁山NDVI空間變化

由圖3 可知，呂梁山NDVI 空間分布呈自西向東逐漸遞增趨勢。呂梁山脈中段包括關帝山等地年均NDVI 普遍較高，最高達0.88；晉西由于背靠黃土高原，水土流失嚴重，蒸發(fā)量高于降水量，晉西北則由于地處忻州盆地、大同盆地，北部與內蒙古高原相鄰，溫度低，降雨量少，植被生長缺乏光熱條件，導致植被覆蓋相對偏低，最低為0.18。

圖3 2000—2018 年呂梁山年均NDVI空間分布

根據呂梁山植被分布狀況，采用自然間斷點法將變化趨勢劃分為5 個等級，分別為退化、基本穩(wěn)定、輕微改善、中度改善、明顯改善，詳見表1。由表1 和圖4 可知，植被覆蓋明顯改善區(qū)面積為2 488.00 km2，占研究區(qū)面積的8.06%，集中分布于晉西、晉西南。這類地區(qū)常年受水土流失影響，植被破壞嚴重，但經過多年規(guī)模化綜合治理，植被生長狀況有明顯好轉。中度改善區(qū)的面積為8 643.50 km2，輕微改善區(qū)的面積為14 217.25 km2，二者占總面積的74.02%。植被改善區(qū)域大致分布在保德、靜樂、臨縣、方山、中陽、離石區(qū)等縣。其中，大部分區(qū)域均屬呂梁山生態(tài)治理重點推進縣，在生態(tài)修復過程中，大力實施三北防護林、天然林保護工程，建設完善的森林生態(tài)系統(tǒng)?；痉€(wěn)定區(qū)域的面積為5 466.50 km2，占總面積的17.70%。植被穩(wěn)定區(qū)主要集中于管涔山、關帝山及中條山等高海拔山區(qū)，人為干擾少，植被生長狀況穩(wěn)定。而退化面積為70.75 km2，僅占總面積的0.23%。退化植被區(qū)面積占比少，且分布較為分散，大致分布在太原盆地以及嵐縣、婁煩縣、文水等縣區(qū)。退化原因多與山西省的資源優(yōu)勢相關。煤炭開采造成多地地面沉降、地裂縫，煤矸石的亂堆亂放破壞土壤結構，造成水土環(huán)境污染，破壞植物生長環(huán)境。

表1 NDVI趨勢分級及像元占比

3.3 呂梁山NDVI對地形因子的影響

3.3.1 植被分布與高程的相關性 呂梁山分布有山川、盆地等多種地貌，尤其東側多是斷層構造，地勢陡峭。水熱條件差異明顯，氣溫低，降水少，土壤侵蝕時有發(fā)生。根據其地質地貌條件將高程劃分為5等，各高程等級所占面積依次為Ⅲ級（1 250～1 500 m）的32.69%、Ⅱ級（1 000～1 250 m）的29.51%、Ⅳ級（1 500～1 800 m）的23.26%、Ⅴ級（1 800～2 100 m）的6.65%、Ⅰ級（<1 000 m）的6.14%、Ⅵ級（2 100～2 400 m）的1.50%、Ⅶ級（＞2 400 m）的0.25%（圖5）。

圖4 2000—2018 年呂梁山平均NDVI的變化趨勢

圖5 呂梁山高程分級

呂梁山年均NDVI 隨海拔升高呈先升高后降低的特征；植被多集中于1 000～1 800 m，像元占比達85.47%（圖6）。其中1 250～1 500 m 的植被覆蓋面積最大，2 100～2 400 m 的高山地區(qū)NDVI 均值最大，為0.780，低海拔區(qū)（海拔＜1 250 m）NDVI 增幅較低，2000—2018 年增幅僅為0.687%。這是因為低海拔區(qū)地勢平坦開闊，為當地居民的生產生活創(chuàng)造了優(yōu)勢條件，人為擾動頻繁，使得NDVI 相應減少。隨著海拔升高，封山育林使植物群落迅速生長，保土固肥的能力增強，植被狀況好轉［23］。當海拔高度在2 100～2 400 m 的高山區(qū)，植被NDVI 達到最高，這是由于該高程等級內多為云杉等常綠植被分布，植被穩(wěn)定生長。當海拔＞2 400 m，由于高海拔帶來的低溫和低氣壓，多生長苔蘚、地衣等植被，NDVI有所下降?？傊?，5 個海拔等級下的植被NDVI 都隨年份增加呈增長趨勢。這也與近年來國家加大對生態(tài)環(huán)境的保護，包括大力實施國家京津風沙源治理，三北防護林、天然林保護，建立自然保護區(qū)和生態(tài)廊道等政策相關。低海拔區(qū)域因其地形優(yōu)勢，植被因其易于恢復，高海拔區(qū)域的植被變化相對穩(wěn)定，變化趨勢不明顯。

圖6 不同海拔上NDVI分布及像元占比

3.3.2 植被分布與坡度的相關性 坡度是區(qū)域地形的組成部分之一，對地表徑流、土壤性質具有重要影響，同樣也會限制人類在區(qū)域內的活動強度，因此不同坡度帶所形成的植被覆蓋程度以及植被群落各有差異［24］?，F基于DEM 提取研究區(qū)范圍內的坡度數據，參照自然資源部頒布的《第三次全國土地調查技術規(guī)程》，將呂梁山的坡度重分類為6級：平坡（＜5°）、較緩坡地（5°～8°）、緩坡地（8°～15°）、較陡坡地（15°～25°）、陡坡地（25°～35°）、急陡坡地（＞35°），呂梁山坡度情況詳見圖7。在此基礎上，將坡度數據與NDVI均值進行疊加分析，從而得到不同坡度帶下的平均NDVI。

由圖8 可知，就像元個數而言，緩坡地＞較緩坡地＞平坡＞較陡坡地＞陡坡地＞急陡坡地，呂梁山整體坡度在25°以下；而對于NDVI 均值而言，隨著坡度等級不斷升高，NDVI 也隨之增大，陡坡地時達到最高，之后下降。其中，坡度＜15°的地區(qū)像元數占像元總數的94%以上，大多為生產生活用地，且坡度越低，受人類活動影響越明顯。但由于地勢較為平緩，水土更適宜植被生長，植被恢復也相對較快；隨著坡度增加，伴隨有偶發(fā)性水土流失以及生長季溫度較低等諸多原因，植被恢復需要的時間也有所延長；坡度＞25°的地區(qū)人為擾動少，坡度越大植被狀況越穩(wěn)定；坡度＞35°時，NDVI 下降。隨著坡度增大，積溫越少，降水更易流失，單位面積上的降雨量越少［25］，因此植被覆蓋度降低。

圖7 呂梁山坡度分級

圖8 不同坡度上NDVI分布及像元占比

3.3.3 植被分布與坡向的相關性 坡向是區(qū)域地形特征的另一重要內容，坡向對植被所受太陽輻射及蒸散作用具有重要影響，而太陽輻射和蒸散量是影響區(qū)域植被類型和植被生長的重要因素［26］?；诖?，坡向對于植被覆蓋度的空間分布特征及其變化具有重要影響。為研究植被與坡向的相關性，基于DEM 數據提取呂梁山的坡向值，并根據之前學者的研究將坡向劃分為5 類：平地（0°）、陽坡（135°～225°）、半陽坡（90°～135°，225°～270°）、半陰坡（45°～90°，270°～315°）、陰坡（0°～45°，315°～360°）［27］，呂梁山坡向情況詳見圖9。

在呂梁山植被NDVI 均值的比較中，陰坡＞半陰坡＞陽坡＞半陽坡＞平地（圖10），這與程圣東等［28］的研究一致。其中，陰坡植被的生長狀況明顯好于陽坡，其原因在于陰坡背靠陽光，受太陽輻射作用較少，水蒸發(fā)量低，土壤保有較高的含水量。另一方面這也與呂梁山的優(yōu)勢樹種遼東櫟有關。遼東櫟是一種喜溫涼濕潤的樹種，陰坡清涼且高含水量的環(huán)境滿足了該樹種的生長需要，同時它能夠改良土壤，防止水土流失，有效改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境。這與俞艷霞［29］對呂梁山南段的森林碳密度在不同坡向上的分布狀況相符。相反，陽坡的植被在生長過程中吸收大量的太陽輻射，導致土壤水分蒸發(fā)，土壤孔隙度收縮，植物微生物的種群群落發(fā)生變化，因此陽坡多用于坡地農業(yè)墾殖，隨著人口的不斷增加，陰坡才隨之被開墾。

圖9 呂梁山坡向分級

圖10 不同坡向上NDVI分布及像元占比

4 小結與討論

4.1 小結

基于長時間序列遙感數據分析了2000—2018年呂梁山NDVI 時空變化特征及其地形因子對ND?VI變化的影響，結論如下。

1）2000—2018 年呂梁山植被NDVI 整體呈增加趨勢，NDVI 年際總均值為0.62，2013 年達峰值，為0.70，2001 年最低，為0.48。

2）呂梁山NDVI 空間上分布不均，呂梁山脈主峰中段包括關帝山等地NDVI 較高，晉西、晉西北部等地NDVI 較低。NDVI 的變化空間差異顯著，全區(qū)99.77%的植被覆蓋穩(wěn)定趨向良好轉化。

3)呂梁山NDVI 的變化受地形影響差異顯著。高程1 250 m 以下NDVI 變化穩(wěn)定，高程1 250～2 400 m，海拔升高NDVI 增大，高程＞2 400 m，海拔升高NDVI減小。NDVI的變化在坡度35°出現反轉，坡度小于35°，NDVI 隨坡度增加而增大，坡度大于35°，NDVI 隨坡度增加而減小。從坡向來看，NDVI 均值呈陰坡>半陰坡>陽坡>半陽坡>平地。

4）呂梁山植被生態(tài)修復的過程中，一方面研究區(qū)分布有大片原始林地以及常綠植被帶，使得當地的植被覆蓋保持一定水平，另一方面與政策的導向作用密不可分。退耕還林還草、造林綠化工程等生態(tài)舉措有效改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，使植被覆蓋增加。

4.2 討論

以自然地理單元為背景，對呂梁山的植被NDVI進行研究。結果表明，NDVI的時空變化與自然因子之間顯著相關，在長時間序列上影響著植被的生長和分布，但就短期而言，植被變化更多受人類活動的影響。從政策和制度層面嚴格約束人類活動，加強植被的保護和修復對于呂梁山生態(tài)脆弱區(qū)綜合治理工作具有重要意義。因此，如何深入探討人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的影響，定位最顯著的因子，對呂梁山的生態(tài)文明建設至關重要。

在呂梁山生態(tài)修復過程中，還需緊密結合生態(tài)脆弱區(qū)的自然條件，因地制宜，大力推進造林綠化工程建設，加強新造林、未成林的管護［30］。對于忻州市7 縣、管涔山等地，應加強風沙地治理，打造完善的防風固沙體系；對于呂梁市9 縣以及關帝山等地，應重點關注黃河沿岸的森林生態(tài)系統(tǒng)；對于臨汾市6 縣，應大力建設生態(tài)經濟林，發(fā)展生態(tài)經濟型林果基地，以有效改善呂梁山區(qū)的生態(tài)環(huán)境，持續(xù)鞏固脫貧成果，提高民生福祉，增強區(qū)域經濟和資源環(huán)境全面、協調、可持續(xù)發(fā)展。