湯河流域30 余年植被覆蓋度變化及其驅動因素分析

李 喆，張冬冬，張 賽，豆靖濤，寧立波

（1 河南省地質環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州，450016；2 河南省自然資源科技創(chuàng)新中心，河南 鄭州，450016；3 中國地質大學（武漢）環(huán)境學院，湖北 武漢，430074）

湯河發(fā)源于太行山東麓，屬海河衛(wèi)河上游水系，流域面積1287.0km2，干流全長73.3km。改革開放以來，流域內人類活動加劇，植被覆蓋發(fā)生較大變化，對生態(tài)系統(tǒng)的影響較大，已有學者對此有所關注[1,2]，但其重點都在湯河濕地，缺少流域尺度的研究。植被覆蓋度的變化研究是生態(tài)系統(tǒng)演化過程和演替研究的基礎[3]，通過遙感數(shù)據(jù)和軟件進行植被覆蓋度解譯是現(xiàn)在的常用手段，諸多學者做過這方面的研究[4-9]，但是對于流域尺度不同地形地貌特征下的植被覆蓋度解譯尚不多見?；诖耍疚囊院幽鲜恿饔驗槔?，進行植被覆蓋度及變化的解譯，分析其變化的驅動因素，為流域生態(tài)建設和保護提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和解譯方法

根據(jù)湯河流域情況，本文選取1987 年、1995年、2005 年及2019 年夏季四期遙感影像資料，運用ENVI 軟件和ArcGIS 軟件，提取湯河流域不同時期的歸一化植被指數(shù)（NDVI），將植被覆蓋率分為五個等級：低植被覆蓋度（0

植被指數(shù)(Vegetation Index)，又稱光譜植被指數(shù)，指由遙感傳感器獲取的多光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)線性和非線性組合而成的對植被有一定指示意義的各種數(shù)值[3，10]。它是根據(jù)植被反射波段的特性計算出來的，能反映地表植被生長狀況、覆蓋情況、生物量和植被種植特征的間接指標[5]。歸一化植被指數(shù)（NDVI），又稱標準化植被指數(shù)，定義為近紅外波段NIR（0.7-1.1μm）與可見光紅波段R（0.4-0.7μm）數(shù)值之差及這兩個波段數(shù)值之和的比值[4，11]。

NDVI 廣泛應用于植被研究以及植物物候研究中，它是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關，對植被蓋度的檢測幅度較寬，有較好的時相和空間適應性[12-14]。計算公式為[3]：

其中：NIR 為近紅外波段，R 為紅波段。

將歸一化指數(shù)代入像元二分模型公式整理后可得：

2 解譯結果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上方法，進行遙感數(shù)據(jù)解譯，并繪制的植被覆蓋圖（圖1）和植被覆蓋度變化曲線圖（圖2）。

圖1 不同時期湯河流域植被覆蓋度分布圖

圖1 不同時期湯河流域植被覆蓋度分布圖

圖2 1987-2019 年湯河流域植被覆蓋情況變化圖

2.1 高植被覆蓋度區(qū)及驅動因素分析

湯河流域的高植被覆蓋度區(qū)域主要集中在流域中游及下游的農(nóng)田區(qū)域。從圖1 可知，1987 年高植被覆蓋度為占比最高的部分，覆蓋區(qū)域除中部和東部的大片區(qū)域以外，在上游山地也有零星分布。1995 年高植被覆蓋度區(qū)域大幅減少，占比減少了14.72%，與1987 年相比，主要變化體現(xiàn)在研究區(qū)中部和東部的面積大幅度減少，由片狀分布變?yōu)闂l帶狀分布。僅在研究區(qū)南部出現(xiàn)了高植被覆蓋度區(qū)域的小幅增加。2005 年高植被覆蓋度面積進一步減少，占比減小到3.66%，為四期遙感解譯結果的歷史最低值，與之前的結果相比，原本分布在中部、東部和南部的大面積高植被覆蓋度區(qū)域都不復存在，僅在研究區(qū)西側的溝谷及山前平地處零星分布。2019 年高植被覆蓋度為四期遙感數(shù)據(jù)中占比最高的年份，為32.27%。自2005 年至2019 年，年平均占比增加2.04%，不僅涵蓋了原本位于研究區(qū)中部、東部和南部的農(nóng)田區(qū)域，在研究區(qū)西側的山地區(qū)域也存在大量分布（見表1）。

自1987 年至2019 年，高植被覆蓋度區(qū)域經(jīng)歷了快速減少后又快速增加的變化階段，變化原因有：（1）受高植被覆蓋度區(qū)域與農(nóng)田大量重合的影響，農(nóng)業(yè)活動對高植被覆蓋度分布情況有著顯著影響。（2）植被長勢受氣候的影響較為明顯。若氣候較為干旱，影響的農(nóng)作物及林草的長勢，則可能出現(xiàn)高植被蓋度面積偏低的現(xiàn)象。（3）90 年代大量的土地開墾，使得原本高植被覆蓋度的大量農(nóng)田及林地、灌木、草本資源被破壞，從而占比較低。2019 年高植被覆蓋度廣泛分布于研究區(qū)的各個區(qū)域，且占比較高，原本研究區(qū)上游林地、灌木、草地等大量的極低、低植被覆蓋度區(qū)域轉化為高植被覆蓋度區(qū)域，表明除農(nóng)業(yè)活動以外，退耕還林還草等措施也可在短時間內顯著改善湯河流域的植被覆蓋度情況。

表1 不同年度高覆蓋度面積統(tǒng)計表

2.2 中高植被覆蓋度區(qū)及驅動因素分析

從圖1 可知，湯河流域中高植被覆蓋度區(qū)域緊鄰高植被覆蓋度區(qū)域分布，中高植被覆蓋度區(qū)域的位置和形狀的變化與高植被覆蓋度區(qū)域具有一定的互補性，常出現(xiàn)此消彼長的特點。中高植被覆蓋度的占比及變化趨勢與高植被覆蓋度大體一致，均表現(xiàn)為先顯著下降而后上升的趨勢。從表2可以看出，1987 年中高植被覆蓋度占比為20.09%，分布零散，多為斑塊狀，主要分布于高植被覆蓋度區(qū)域邊緣及高植被覆蓋度向中植被覆蓋度區(qū)域的過渡部分。1995 年中高植被覆蓋度占比為16.09%，與1987 年解譯結果對比，面積出現(xiàn)了小幅減少，原本零星分布有中高植被覆蓋度的區(qū)域變得更為破碎，呈小斑塊分布，彼此之間互不連接。2005 年中高植被覆蓋占比為7.75%，為四期遙感數(shù)據(jù)中的歷史最低值，僅在下游的小部分農(nóng)田及研究區(qū)上游的溝谷及山前平地有少量分布。2019 年中高植被覆蓋度占比最高，為36.73%。與2005 年相比，中高植被覆蓋度占比增長了28.61%，年均增長率為2.04%，為中高植被覆蓋度變化最明顯的時期。中高植被覆蓋度不僅廣泛分布于研究區(qū)各個區(qū)域，且廣泛連接為片狀，與高植被覆蓋度一起構成了湯河流域的主要覆蓋類型。由于中高植被覆蓋度區(qū)域主要分布于農(nóng)田區(qū)域，因此變化受人類活動影響較大，故與高植被覆蓋度區(qū)域變化情況較為一致。

表2 不同年度中高覆蓋度面積統(tǒng)計表

2.3 中植被覆蓋度區(qū)及驅動因素分析

由圖1 可以發(fā)現(xiàn)，湯河流域的中植被覆蓋度區(qū)是最為穩(wěn)定的區(qū)域，總體表現(xiàn)為下降趨勢，但基本保持在20%的范圍內。表3 可知，1987 年中等植被覆蓋度區(qū)域占比為23.18%，主要分布于中西部山地的山腰處及研究區(qū)東南部的村莊附近，且與低植被覆蓋度緊鄰。1995 年中植被覆蓋度為四期遙感數(shù)據(jù)的最大值，為27.25%，與1987 年的解譯結果相比，在原有中植被覆蓋度區(qū)域的基礎上進一步擴張，主要表現(xiàn)為中高植被覆蓋度向中植被覆蓋度轉化，且主要集中在上游的溝谷及山前平地，原因可能為人類的亂砍濫伐破壞了原有的林地、灌木、草地及農(nóng)田，使得土地退化。2005 年中植被覆蓋度區(qū)域占比為16.77%，較1995 年相比有明顯減少，主要集中在城鎮(zhèn)、村莊附近等人類活動集中的區(qū)域，在上游溝谷及山前平地有部分低植被覆蓋度區(qū)域向中植被覆蓋度轉化。2019 年中植被覆蓋度占比為16.40%，與2005 年相比，未出現(xiàn)明顯變化，表明中植被覆蓋度區(qū)域基本穩(wěn)定。自1995年至2019 年，隨著退耕還林還草等措施的落實，生態(tài)保護的功效逐漸顯著，中植被覆蓋度區(qū)域重新轉化為高、中高植被覆蓋度區(qū)域，中等植被覆蓋度區(qū)域減少到城鎮(zhèn)、村莊附近的部分區(qū)域及山區(qū)的零星區(qū)域。

表3 不同年度中覆蓋度面積統(tǒng)計表

2.4 低植被覆蓋度區(qū)及驅動因素分析

由圖1 可知，低植被覆蓋度為湯河流域植被覆蓋度變化最為明顯的類型。從表4 可以看出，1987 年低植被覆蓋度占比為19.96%，主要集中于上游的山地海拔較高的區(qū)域。1995 年低植被覆蓋度占比為28.98%，除原有的低植被覆蓋度部分，在研究區(qū)東部也有零星碎斑塊狀分布，在研究區(qū)東南部有少量呈片狀分布，主要為中植被覆蓋度向低植被覆蓋度轉化。2005 年低植被覆蓋度占比最高，為51.32%，為研究區(qū)的主要覆蓋類型，在中部、東部的農(nóng)田區(qū)域均呈大量片狀分布。2019 年低植被覆蓋度占比為8.17%，與2005 年相比出現(xiàn)大幅降低，占比減少43.15%，年減少率為3.08%，表現(xiàn)為低植被覆蓋度區(qū)域大幅轉化為中、中高、高植被覆蓋度區(qū)域。四期遙感數(shù)據(jù)中，低植被覆蓋度區(qū)域變化趨勢為先快速增加后快速降低。

分析其原因如下：（1）20 世紀80-90 年代大量的人類開墾，使得原本植被覆蓋度較高的農(nóng)田及林地、灌木草本資源被破壞，向低植被覆蓋度轉化，從而占比增加；（2）2005 年的遙感數(shù)據(jù)采集時間為農(nóng)作物輪作間歇期，此時農(nóng)田大量閑置，未種植農(nóng)作物，使得低植被覆蓋度主要集中于研究區(qū)中部及東部的農(nóng)田區(qū)域；（3）農(nóng)業(yè)活動及退耕還林還草等措施在短時間內使湯河流域的植被覆蓋度情況顯著向好發(fā)展。

表4 不同年度低覆蓋度面積統(tǒng)計表

2.5 極低植被覆蓋度區(qū)及驅動因素分析

由圖1 可以看出，湯河流域極低植被覆蓋度區(qū)主要分布在研究區(qū)中城鎮(zhèn)分布較為密集的區(qū)域。從表5 可知，1987 年極低植被覆蓋度占比為10.19%，在研究區(qū)城鎮(zhèn)及村莊密集處，呈斑塊狀分布，在東北部出現(xiàn)了連成一塊的片狀分布。1995 年極低植被覆蓋度占比為15.83%，與1987 年的遙感結果相比，極低植被覆蓋度的面積有所增加，主要體現(xiàn)在研究區(qū)西側的山地區(qū)域。2005 年，極低植被覆蓋度占比為四期遙感影像中最高的年份，為20.51%，除前述的范圍以外，在研究區(qū)東南部的農(nóng)田區(qū)域也大量出現(xiàn)，由碎斑塊狀連接為大片分布。2019 年極低植被覆蓋度占比為6.43%，主要分布在城鎮(zhèn)及村落區(qū)域、交通運輸用地、水體及山地海拔較高處的部分區(qū)域。湯河流域極低植被覆蓋度的變化趨勢為先緩慢上升后快速降低，與低植被覆蓋度變化趨勢相同，表明2005-2019 年間湯河流域植被覆蓋情況顯著好轉。

表5 不同年度極低覆蓋度面積統(tǒng)計表

3 結論

（1）1987-2005 年間，湯河流域的植被覆蓋呈惡化趨勢，以“逆向轉化”為主。1987-1995 年，湯河流域原本占主要的高、中高植被覆蓋度區(qū)域不斷退化，低、極低植被覆蓋度區(qū)域不斷增加。2005 年湯河流域低等級植被覆蓋度區(qū)域進一步擴張，除了人為對自然資源的破壞，該年出現(xiàn)的干旱也是重要因素之一。

（2）2005-2019 年間，湯河流域的植被覆蓋顯著改善，以“正向轉化”為主。湯河流域從以低、極低植被覆蓋度為主轉化為高、中高植被覆蓋度為主要植被覆蓋類型，表明人類活動對植被生存域的改造作用巨大。

（3）人類活動是湯河流域植被覆蓋度變化的主要驅動因素，人類對湯河流域改造加強，導致湯河流域植被覆蓋程度的改變，表現(xiàn)在不同等級植被覆蓋度區(qū)域位置、面積的變化。植被覆蓋情況可以綜合反映該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)演化過程，對該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)保護和生態(tài)修復具有重要意義。