偃師區(qū)不同坡度帶植被覆蓋度分布研究

王國(guó)重，李中原，程煥玲，張繼宇，高鏡清，楊 丹，李秀紅，盧圓章

（1.黃河水文水資源科學(xué)研究院，鄭州 450004；2.河南省水文水資源局，鄭州 450003；3.河南省水土保持監(jiān)測(cè)總站，鄭州 450008；4.河南黃河河務(wù)局，鄭州 450003；5.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；6.河南省周口水文水資源勘測(cè)局，河南周口 466000；7.河南中原光電測(cè)控技術(shù)有限公司，鄭州 450000）

坡度和植被蓋度是影響區(qū)域水土流失的重要因素，坡度的大小關(guān)系著水土的留存，水土的多寡會(huì)直接影響地表植被的種類與數(shù)量，進(jìn)而影響植被覆蓋分布。曹梓豪等［1，2］采用模擬降雨試驗(yàn)探討了坡度與植被覆蓋對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，發(fā)現(xiàn)坡面產(chǎn)流引發(fā)的土壤侵蝕受坡度的影響較為明顯，在匯流過程中產(chǎn)生的土壤侵蝕效應(yīng)受植被覆蓋的影響則更為顯著；張祎帆等［3］在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了坡度和植被蓋度對(duì)坡面流侵蝕水流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響；王志剛等［4］經(jīng)實(shí)地調(diào)查，以地類、坡度與植被蓋度為指標(biāo)對(duì)毛家灣小流域的土壤侵蝕量進(jìn)行估算，取得了滿意的結(jié)果；房世波等［5］利用遙感解譯和GIS 技術(shù)研究了鄂爾多斯植被蓋度分布，認(rèn)為是受環(huán)境因素的綜合影響所致；丁翔［6］以黃土區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)為例，研究了坡度坡向?qū)χ脖簧w度的影響，認(rèn)為坡度對(duì)植被蓋度有較強(qiáng)的影響；張景洲等［7］通過人工模擬試驗(yàn)研究了6 種坡度、3 種植被排列方式對(duì)坡面流Fr 的影響；趙鴻雁等［8］基于遙感影像研究了甘肅省中東部生態(tài)修復(fù)工程下不同坡度帶植被蓋度的變化；李石華等［9］根據(jù)遙感影像和DEM 數(shù)據(jù)研究了撫仙湖流域不同坡度帶植被蓋度的分異特征；李照金等［10］做了不同坡度下有無植被覆蓋對(duì)邊坡穩(wěn)定性的試驗(yàn)，結(jié)果證明植被護(hù)坡是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保、增加邊坡穩(wěn)定性的方式。

上述研究有的是關(guān)于坡度與植被覆蓋聯(lián)合作用對(duì)水土流失、邊坡的影響，有的只是簡(jiǎn)單認(rèn)為坡度對(duì)植被蓋度有著較強(qiáng)的影響，缺乏對(duì)二者間關(guān)系深入細(xì)致的研究。洛陽市偃師區(qū)是河南省最早開展生態(tài)清潔小流域建設(shè)的試點(diǎn)區(qū)，本研究根據(jù)其2016 年遙感影像和DEM 數(shù)據(jù)研究該市不同坡度帶植被覆蓋分布狀況，以期為該城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 偃師區(qū)概況

偃師區(qū)是河南省洛陽市下屬的一個(gè)區(qū)，東接鞏義市，西鄰洛龍區(qū)與孟津區(qū)，南屏嵩山，北與孟州市隔黃河相望，地處東經(jīng) 112°26′15″—113°00′00″、北緯 34°27′30″—34°50′00″。地勢(shì)自西向東傾斜、南北高中間低，地貌景觀大致呈槽形，地形大體可分為山地、丘陵、坡地、平原4 類［11］。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.2 ℃、無霜期211 d，全年日照時(shí)數(shù)2 248.3 h、年均降水量500～600 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用偃師區(qū)2016 年9 月23 日云量為2.36%的Landsat 8 數(shù)據(jù)影像，其投影坐標(biāo)為WGS1984UTM-49N。在ENVI 中對(duì)該影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正；遙感影像的裁剪采用矢量格式的偃師區(qū)邊界圖（坐標(biāo)系為GCS WGS1984），用ArcGIS 軟件轉(zhuǎn)換邊界圖坐標(biāo)系為WGS1984UTM49N，再由轉(zhuǎn)換后的邊界圖在ENVI 中裁剪柵格影像數(shù)據(jù)，得到偃師區(qū)遙感影像。所用DEM 源于90 m 分辨率的SRTM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)，借助ArcGIS 軟件經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、坡度生成、坡度分級(jí)等操作形成坡度分級(jí)圖。

1.3 研究方法

首先由偃師區(qū)遙感影像計(jì)算植被指數(shù)（NDVI），基于像元二分法計(jì)算植被覆蓋度（FVC），其公式為：

式中，NDVImin為裸土覆蓋像元的NDVI值；NDVImax為純植被像元的NDVI值。取累積概率接近5%、95%的NDVI值作為最小值和最大值，即NDVImin=0.158 830、NDVImax=0.706 606，參考文獻(xiàn)［12，13］對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行6 級(jí)分類：＞80%、60%～80%、45%～60%、30%～45%、10%～30%、＜10%，并對(duì)每種分級(jí)設(shè)置不同的顏色，得到偃師區(qū)植被分級(jí)圖。

再在ArcGIS 軟件中將生成的植被覆蓋分級(jí)圖與坡度分級(jí)圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將其坐標(biāo)統(tǒng)一為CGCS2000：3 Degree GK zone 38，然后將二者矢量化后進(jìn)行疊加，得到坡度與植被覆蓋疊加結(jié)果，如圖1所示。利用ArcGIS 軟件的面積統(tǒng)計(jì)工具可以得到不同坡度帶、植被覆蓋度的面積。

圖1 偃師區(qū)不同坡度帶植被覆蓋分類結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 偃師區(qū)坡度與植被覆蓋分布狀況

根據(jù)土地利用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［14，15］，將偃師區(qū)地表坡度分為 7 級(jí)：≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°，利用 ArcGIS 軟件對(duì)不同坡度帶占總面積的比重進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示；各級(jí)植被覆蓋度占總面積的比重見表2。

由表1 可知，偃師區(qū)地表坡度不超過2°的面積占總面積的52.47%，6°以下面積占比達(dá)74.83%，90.36%的土地面積坡度在15°以下，坡度超過25°的面積僅占2.16%。表明偃師區(qū)較適宜人類居住、生活。

表1 不同坡度帶占總面積比重

由表2 可知，偃師區(qū)地表植被覆蓋狀況良好，植被覆蓋度在60%以上的面積占總面積的35.34%，植被覆蓋度在45%以上的面積占比為48.72%，植被覆蓋度超過30%的面積占比達(dá)63.26%，植被覆蓋度在10%以下的面積僅占15.40%。由此可知，近年來偃師區(qū)水土保持和生態(tài)清潔小流域建設(shè)成績(jī)顯著，植被覆蓋率大幅提高。

表2 各級(jí)植被覆蓋度占總面積比重 （單位：%）

2.2 植被覆蓋度與坡度的關(guān)系

2.2.1 不同坡度帶植被覆蓋分布特征 偃師區(qū)不同坡度帶各級(jí)植被覆蓋度面積占比如圖2所示。由圖2可知，≤2°的坡度中10%～30%植被覆蓋度占總面積的 13.45%，占比最大，其次是＜10%、60%～80%、30%～45%、45%～60% 植被覆蓋度，占比分別是10.95%、7.94%、7.81%、7.63%，＞80%植被覆蓋度占比最少，僅為4.68%；2°～6°坡度中60%～80%植被覆蓋度面積占比最大，為4.93%，其次是10%～30%、45%～60%、＞80%、30%～45%植被覆蓋度，面積占比分別是4.02%、3.67%、3.49%、3.40%，＜10%植被覆蓋度面積占比最小，為2.86%；6°～15°坡度帶內(nèi)＞80%、60%～80%植被覆蓋度所占總面積比重略大，分別為5.90%、5.08%，10%～30%、＜10%植被覆蓋度的面積占比相對(duì)較小，分別是0.91%、0.49%；15°～25°坡度中＞80%植被覆蓋度面積占比最大，為5.28%，45%～60%、＜10%、30%～45%、10%～30%植被覆蓋度占比較小，分別是0.22%、0.13%、0.09%、0.07%；25°～35°坡度帶內(nèi)也是＞80%植被覆蓋度的面積占比最大（1.52%），＜10%、45%～60%、10%～30%、30%～45%植被覆蓋度占比較小，分別是0.06%、0.03%、0.02%、0.02%；35°～45°帶內(nèi)主要是＞80%、60%～80%植被覆蓋度分布，占比分別是0.23%、0.01%，其他植被覆蓋度沒有分布；＞45°坡度帶內(nèi)則表現(xiàn)為＞80%植被覆蓋度最大，占總面積的0.03%。

圖2 偃師區(qū)不同坡度帶各級(jí)植被覆蓋度面積占比

通過對(duì)各坡度帶內(nèi)不同植被覆蓋度面積分布分析可以看出，在≤6°坡度內(nèi)，10%～30%植被覆蓋度占總面積的比重最大，為17.47%，其次是＜10%、60%～80%植被覆蓋度分布，面積占比分別為13.81%、12.87%，45%～60%、30%～45%植被覆蓋度面積占比較為接近，分別達(dá)11.30%、11.21%，＞80%植被覆蓋度占總面積的比重最小，只有8.17%；在≤15°坡度內(nèi)，偃師區(qū)各級(jí)植被覆蓋度面積之和占總面積的比重超過90%，其中10%～30%植被覆蓋度占總面積的18.38%，其次是60%～80%、＜10%、＞80%、45%～60%、30%～45%的植被覆蓋度，分別占總面積的17.95%、14.30%、14.07%、13.31%、12.36%；≤25°坡度內(nèi)各級(jí)植被覆蓋度的面積之和占總面積的比重達(dá)97.86%，其中60%～80%、＞80%植被覆蓋度占比較大，分別達(dá)19.65%、19.35%，其次為 10%～30%、＜10%、45%～60%、30%～45% 植被覆蓋度分布，占比分別是18.45%、14.43%、13.53%、12.45%；坡度超過25°后，＞80%的植被覆蓋度面積占比超過60%～80%的植被覆蓋度，10%～30%的植被覆蓋度占比排在第三位。隨著坡度的增加，＞80%、60%～80%植被覆蓋度占總面積的比重逐漸凸顯，可見坡度是影響植被覆蓋度分布的重要因素［16-19］。

2.2.2 各級(jí)植被覆蓋度隨坡度的變化規(guī)律 偃師區(qū)各級(jí)植被覆蓋度面積（以用地面積占總面積的百分比表示）隨坡度的變化如圖3 所示。

由圖3 可知，＞80%植被覆蓋度占總面積的比重隨著坡度的增加呈先減少再增加而后逐漸減少的趨勢(shì)，坡度超過6°以后各級(jí)植被覆蓋度中都是＞80%的植被覆蓋度占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，分別為總面積的5.90%、5.28%、1.52%、0.23%、0.03%；與＞80%的植被覆蓋度相同，60%～80%植被覆蓋度隨著坡度的增加也呈先減少再增加而后不斷減少的規(guī)律，該植被覆蓋度在2°～6°坡度內(nèi)分布面積占比最大，坡度超過6°后成為僅次于＞80%植被覆蓋度的優(yōu)勢(shì)覆蓋度。45%～60%、30%～45%、10%～30%、＜10%的植被覆蓋度隨坡度的變化規(guī)律一致，都是隨著坡度的增加面積分布逐漸減少；在坡度≤2°范圍內(nèi)，10%～30%植被覆蓋面積在各級(jí)植被覆蓋度中最大，占總面積的13.45%，其次是＜10%的植被覆蓋度，占總面積的10.95%；坡度超過 45°后，30%～45%、10%～30%、＜10%的植被覆蓋度不再有面積分布。

圖3 偃師區(qū)各級(jí)植被覆蓋度隨坡度的變化

3 小結(jié)與討論

本研究借助Landsat 8 影像、DEM 提取了偃師市植被覆蓋度、坡度分布數(shù)據(jù)，通過對(duì)其植被覆蓋度與坡度分布的關(guān)系分析，得到如下結(jié)論。

1）各級(jí)植被覆蓋度分布受 2°、6°、15°、25°坡度影響較大：在≤15°坡度范圍內(nèi)10%～30%植被覆蓋度占總面積的比重最大，達(dá) 18.38%，但 2°～6°帶內(nèi)60%～80%的植被覆蓋度面積分布比重最大，6°～15°帶內(nèi)為＞80%的植被覆蓋度占比最大；坡度超過15°后，60%～80%、＞80%的植被覆蓋度占總面積的比重迅速增加，占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，坡度超過25°后，＞80%植被覆蓋度占總面積的比重又超過60%～80%的植被覆蓋度，居于領(lǐng)先地位。各級(jí)植被覆蓋度這種分布格局可能與人類活動(dòng)、居住及用地類型的分布密切相關(guān)。

2）＞80%、60%～80%的植被覆蓋度面積分布隨著坡度的增加呈先減少再增加而后逐漸減少的趨勢(shì)，坡度超過6°后＞80%、60%～80%的植被覆蓋度分布在同一坡度帶的各級(jí)植被覆蓋度中均占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位；45%～60%、30%～45%、10%～30%、＜10%的植被覆蓋度分布均隨著坡度的增加逐漸減少，坡度超過45°后，30%～45%、10%～30%、＜10%的植被覆蓋度不再有面積分布。充分說明偃師區(qū)近年來退耕還林還草、環(huán)境保護(hù)工作效果明顯，植被覆蓋率大幅提高。

井學(xué)輝等［20］基于遙感影像和DEM 數(shù)據(jù)研究了阿爾泰山小東溝林區(qū)植被隨坡度的變化規(guī)律；鄧涵中［21］采用GIS 空間分析模塊并結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)，分析了不同環(huán)境因子對(duì)梵凈山植被分布的影響，認(rèn)為坡度是影響梵凈山植被類型分布格局的主要因素；張春英等［22］的研究表明武夷山自然遺產(chǎn)地的植被景觀指數(shù)隨坡度的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)。文雅琴等［23］的研究表明，植被覆蓋度＞15%時(shí)，土壤含水量隨著植被覆蓋度的提高呈拋物線增大趨勢(shì)；李元壽［24］對(duì)青藏高原多年凍土區(qū)的風(fēng)火山小流域草甸覆蓋變化對(duì)水循環(huán)的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度越高其涵養(yǎng)水源、保持水土的功效越明顯；黃德青等［25］研究了祁連山北坡草地植被與生物量、土壤含水量的關(guān)系，認(rèn)為植被覆蓋度越高，生物量、土壤含水量也相應(yīng)越大，呈顯著的正指數(shù)關(guān)系。偃師區(qū)早在2006 年就開展了生態(tài)清潔小流域建設(shè)，植被覆蓋度隨坡度增加而增加，植被覆蓋度的增加不僅涵養(yǎng)了水源，也使生物量、土壤含水量大大增加，有效緩解了水土流失，美化了環(huán)境，人民生活水平也日益改善。