青海湟水流域植被覆蓋度時空變化分析

王兮之,陸龍,梁釗雄

(1.佛山大學 資源環境系,廣東 佛山 528000;2.蘭州工業研究所,蘭州 730050)

植被覆蓋度是指植被在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比[1-2],它反映了地表植被分布規律,對探討植被分布影響因子,分析評價區域生態環境,及時準確地掌握植被動態變化至關重要,也是評價環境生態條件優劣的一個主要指標。近年來隨著遙感對地觀測技術的發展,應用遙感數據估算大范圍的植被覆蓋度得到廣泛應用。像元二分法就是通過建立植被覆蓋度和全植被覆蓋、純土壤覆蓋之間的關系模型來計算植被覆蓋度的方法。相關研究表明,即使不經過大氣糾正,利用此模型也可以對植被動態變化做出可靠的估算[3-4]。MODIS衛星數據空間分辨率較高,時間分辨率高,實時性強,成像范圍大,資源來源均勻、連續,獲取成本低,在宏觀區域植被覆蓋研究中更具優勢[5]。本文利用2001-2009年250 m分辨率的MODIS-NDVI數據與地形特征數據,對湟水流域的植被覆蓋度時空變化進行分析,研究結果將有助于了解該流域植被覆蓋動態變化及生態環境響應,為湟水流域生態環境評價以及流域水資源綜合管理和可持續發展提供決策支持。

1 流域概況

湟水河是青海省東北部最主要河流,也是黃河上游的最大支流。該流域位于北緯 36°20′-38°25′,東經100°42′-103°15′,流域面積 32 900 km2,海拔5 197～1 578 m,屬青藏高原與黃土高原過渡地帶。湟水流域西起日月山,與青海湖內陸水系相接;北依祁連山,和河西走廊內陸水系相鄰;南以拉脊山為界,與黃河干流水系相鄰;東連甘肅省黃河支流莊浪河水系。大地構造屬祁連山褶皺帶,地質條件復雜,水系分布獨特,由西北向東南走向的祁連山、達坂山和拉脊山三條平行的山脈和其間的兩條谷地組成了湟水干流和支流大通河[6](圖1)。湟水干流與大通河形成了兩種截然不同的自然景觀共處于一個流域的獨特格局。

圖1 湟水流域位置圖

湟水流域內由于相對高差大,氣溫、降水、植被、土壤隨地形、海拔高度的不同有明顯的差異。當地根據地形、氣候、土壤、植被及農業特點不同分為3種地貌單元,即腦山區、淺山區和川水區,腦山區屬半濕潤區,淺山區和川水區屬半干旱地區。腦山區約占流域面積的2/3,植被較好,局部山坡伴生天然林木,放牧草場占有很大比重;淺山區地表黃土覆蓋,植被稀少,水土流失嚴重,川水區為干流的河谷地帶,一般由多級階地構成,村莊、工廠、公路、農田多分布于Ⅱ-Ⅳ級階面上,氣候溫和,耕作歷史悠久,灌溉設施較為完善,作物產量較高[7]。

2 研究方法

2.1 數據處理

根據SRTM(分辨率為90 m)地形數據并借助ArcGIS的水文分析模塊功能,確定湟水流域及其子流域邊界。基于流域的地形特征劃分研究區為腦山區(2 700 m 以上)、淺山區(2 200～2 700 m)與川水區(2 200 m以下)[8]的分布和范圍(圖1)。

遙感數據采用美國LPDAAC(Land Process Distributed Active Archive Center)提供的MODIS植被指數產品MOS13Q1,該數據為250 m分辨率的16 d合成植被指數(NDVI)。NDVI對于葉綠素含量比較敏感,更好地反映植被的冠層結構[9],本研究使用了2001-2009年8月共計9個時相的NDVI數據。

2.2 植被覆蓋度估算

利用像元二分模型估算植被覆蓋度。采取基于NDVI的像元二分模型法反演植被覆蓋度,即假定每個像元所對應的地表單元上僅存在兩種覆蓋類型,分別是植被和背景裸地,每個像元的歸一化植被指數NDVI是植被和裸地所對應的NDVI值的加權和,而其權值即為這兩種覆蓋類型在像元內的面積百分比。由此得出植被覆蓋度的計算公式[4]：

Fc=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)(1)式中：Fc——所求的植被覆蓋度;NDVI——像元的歸一化植被指數。NDVImin——純裸地覆蓋像元的最小值,理論上應該接近于零;NDVImax——純植被覆蓋像元的最大值,理論上應該接近于1。實際應用中NDVImin和NDVImax都是從MODIS數據獲取的,式(1)中的NDVImin和NDVImax分別為研究區內NDVI的最小值和最大值。

將計算得到的植被覆蓋度按照以下標準分級：Ⅰ級(低植被覆蓋度)：0～20%;Ⅱ級(較低植被覆蓋度)：20%～40%;Ⅲ級(中植被覆蓋度)：40%～60%;Ⅳ級(較高植被覆蓋度)：60%～80%;Ⅴ級(高植被覆蓋度)：80%～100%。進行分級處理,獲得湟水流域的植被覆蓋度分級圖,并基于流域和地形特征統計與分析研究區內植被覆蓋度時空變化情況。

3 結果分析

3.1 流域植被覆蓋度

根據湟水流域的地形特征,分別統計計算流域內不同子流域和不同地形區域的植被平均覆蓋度及空間分布變化,如表 1、圖2所示。

植被覆蓋度統計結果表明,湟水流域2001年植被平均覆蓋度為 68.77%,2009年為65.07%,從2001-2009年植被覆蓋度略有起伏但總體呈下降趨勢;大通河和湟水干流的植被平均覆蓋度變化趨勢與整個流域一致,但大通河流域的植被平均覆蓋度比湟水干流植被平均覆蓋度大約高1%～6%。流域內基于地形特征的不同區域的植被平均覆蓋度差異顯著,腦山區、淺山區和川水區 9 a的平均覆蓋度分別為71.87%、57.54%和42.79%,腦山區和淺山區的植被平均覆蓋度總體呈下降趨勢,而川水區的植被平均覆蓋度總體略有增加。

表1 2001-2009年湟水流域植被平均覆蓋度統計%

湟水流域2001-2009年植被覆蓋度空間分布及變化情況(圖2)結合圖1所示可知,流域內高植被覆蓋度與較高植被覆蓋度主要分布在大通河中、上游河流兩岸和湟水干流上游各支流水源區;中度植被覆蓋度與較低植被覆蓋度主要分布在大通河上游與出水口附近以及湟水干流中下游地區;低植被覆蓋度主要分布在大通河中游的最北部。腦山區以高植被覆蓋度與較高植被覆蓋度為主,淺山區以中植被覆蓋度與較高植被覆蓋度為主,川水區以中植被覆蓋度與較低植被覆蓋度為主。

圖2 2001-2009年湟水流域植被覆蓋度變化

3.2 流域植被覆蓋度變化

3.2.1 湟水流域植被覆蓋度變化 湟水流域以較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別占整個流域的46.78%、23.75%和20.38%,而低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占9.09%。流域2001-2009年植被覆蓋度變化如圖3所示,9 a來較高植被覆蓋度與高植被覆蓋度的數量變化劇烈,高植被覆蓋度呈明顯較少趨勢,而較高植被覆蓋度增加顯著;中度植被覆蓋度數量表現為緩慢增加狀態;較低植被覆蓋度數量略有變化,呈總體減少趨勢;流域植被覆蓋度總體表現為減少態勢。湟水流域的植被覆蓋度總體空間分布基本不變,但不同植被覆蓋度轉換較明顯,尤其高植被覆蓋度與較高植被覆蓋度之間的轉變顯著。

3.2.2 湟水干流與大通河流域植被覆蓋度變化 由圖2可知,湟水干流和大通河流域的植被覆蓋度差異明顯。湟水干流以較高植被覆蓋度、中植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別為43.57%、25.41%和21.74%,而低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占9.28%;大通河流域以較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別為50.61%、26.17%和14.49%,而低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占8.73%。從2001-2009年兩子流域各級植被覆蓋度的變化較大且也有一定差異。湟水干流的高植被覆蓋度和較低植被覆蓋度表現為減少態勢,而較高植被覆蓋度增加明顯,中植被覆蓋度數量略有增加而較低植被覆蓋度卻略有減少;大通河流域的高植被覆蓋度減少趨勢十分顯著而較高植被覆蓋度增加趨勢較明顯,中植被覆蓋度是略有增加而較低植被覆蓋度卻略有減少。兩子流域植被覆蓋度的總體變化與湟水流域一致,但變化的數量與程度上有顯著差異。

圖3 2001-2009年湟水流域植被覆蓋度變化

圖4 2001-2009年湟水干流植被覆蓋度變化

圖5 2001-2009年大通河流域植被覆蓋度變化

3.3 基于地形特征的湟水流域植被覆蓋度特征

3.3.1 流域植被覆蓋度特征 根據湟水流域的地形特征,即分別對腦山區、淺山區和川水區的植被覆蓋度變化情況。腦山區以較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別占整個流域的54.35%、30.87%和9.72%,而低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占5.05%;淺山區以中植被覆蓋度和較高植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別占整個流域的49.39%和35.12%,而中植被覆蓋度、低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度共占15.49%;川水區以較低植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主,9 a的平均植被覆蓋度分別占整個流域的51.01%和43.11%,而較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和低植被覆蓋度共占5.88%。

圖6 2001-2009年腦山區植被覆蓋度變化

圖7 2001-2009年淺山區植被覆蓋度變化

圖8 2001-2009年川水區植被覆蓋度變化

3.3.2 植被覆蓋度變化 湟水流域內腦山區、淺山區和川水區植被覆蓋度及其變化差異十分顯著。由圖6-8可知,從2001-2009年腦山區的高植被覆蓋度減少趨勢顯著,而較高植被覆蓋度增加趨勢明顯,中植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和低植被覆蓋度基本保持不變,表明腦山區的高植被覆蓋度和較高植被覆蓋度之間轉換較大;淺山區的高植被覆蓋度和較低植被覆蓋度呈減少趨勢,而中植被覆蓋度增加趨勢明顯,較高植被覆蓋度雖有一定起伏但保持相對穩定;川水區的中植被覆蓋度減少趨勢明顯,而較低植被覆蓋度增加趨勢顯著,較高植被覆蓋度雖有一定起伏變化,但保持基本穩定,表明川水區的中植被覆蓋度和較低植被覆蓋度之間轉換劇烈。

4 結論

以2001-2009年的MODIS-NDVI和地形數據為基礎,分析湟水流域基于流域和地形特征的植被覆蓋度時空分布與變化。湟水流域以較高植被覆蓋度、中高植被覆蓋度與高植被覆蓋度為主。湟水干流和大通河流域的植被覆蓋度空間分布差異顯著,湟水干流以較高植被覆蓋度、中植被覆蓋度和高度植被覆蓋度為主;大通河流域以較高植被覆蓋度、高植被覆蓋度和中植被覆蓋度為主。基于地形特征的湟水流域植被覆蓋度分布地帶性特點明顯,腦山區以高植被覆蓋度和較高植被覆蓋度為主;淺山區以較高植被覆蓋度和中度植被覆蓋度為主;川水區以中度植被覆蓋度和低植被覆蓋度為主。

近9 a來湟水流域植被覆蓋度變化總體呈下降趨勢,尤其是較高植被覆蓋度與高植被覆蓋度之間的數量變化劇烈,即高植被覆蓋度呈明顯較少而較高植被覆蓋度顯著增加。湟水干流的高植被覆蓋度和較低植被覆蓋度表現為減少,而較高植被覆蓋度明顯增加;大通河流域的高植被覆蓋度減少,明顯而較高植被覆蓋度增加;腦山區的高植被覆蓋度減少,而較高植被覆蓋度增加,淺山區的高植被覆蓋度和較低植被覆蓋度減少而中植被覆蓋度增加,川水區的中植被覆蓋度減少,而較低植被覆蓋度增加。

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