鄂西南地區近期植被覆蓋度時空變化特征及原因分析

摘要：在Spot Vegetation NDVI時序數據的基礎上，結合土地利用數據，對鄂西南地區近13年來植被覆蓋狀況的時空變化過程進行系統分析，并對其變化原因進行了探討。結果表明，鄂西南地區主要土地利用類型為林地，絕大多數地區植被覆蓋度均在75%以上，植被覆蓋狀況和生態環境整體優良；2001-2009年鄂西南地區植被覆蓋狀況保持穩定，并從2010年后開始呈現明顯好轉的態勢，植被覆蓋度好轉地區的面積大于變差地區的面積，表明該區域自實施一系列林業生態工程以來生態環境得到了保護和逐步恢復。氣溫和降水量對鄂西南地區植被覆蓋狀況變化的影響不明顯；2001年以來林業生態工程的實施是引起鄂西南地區自然植被覆蓋狀況逐步好轉的主要原因，而城鎮和耕地周邊的土地開發利用活動是引起局部地區植被覆蓋下降的重要因素。

關鍵詞：植被覆蓋度；時空變化；原因；林業生態工程；鄂西南地區

中圖分類號：S771.8；X87 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4514-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.040

Abstract： With the support of land use data and long time series data of spot vegetation NDVI，the spatial-temporal variations of the vegetation coverage from 2001 to 2013 were systematically analyzed， and the main causes in the southwest of Hubei province in the recent years were explored. The results showed that the main land use type was woodland and the vegetation coverage degree in most parts of the region was more than 75%. The vegetation cover condition remained stable in 2001 to 2009 and got better after 2010， and the areas that vegetation coverage degree increased was larger than that of decreased，which indicated that the forestry ecological projects had shown effect during 2001 to 2013. The natural factors， such as temperature and precipitation，had a weak influence on vegetation coverage changes；the key factor of the improvement for vegetation coverage degree was the implement of forestry ecological projects. The land exploitation around the urban and cultivated land was also the main cause that the vegetation coverage decreased in some areas.

Key words： vegetation coverage degree；spatial-temporal variations；cause；forestry ecological project；the southwest of Hubei province

當前，以植被減少、水土流失、土地荒漠化、生物多樣性減少等為主的生態環境退化問題已經給中國社會經濟的可持續發展構成了嚴重威脅[1]。在1998年遭遇長江特大洪水泛濫后，中國政府開始在生態環境脆弱地區實施了天然林資源保護工程、重點防護林體系建設工程和退耕還林還草工程等林業生態工程。植被覆蓋度作為監測地表植被生長狀況的重要指標，為分析評價生態工程區生態環境的演變提供了可靠有效的手段[2]。以植被覆蓋度為基礎開展的生態環境遙感監測為此提供了重要途徑，尤其適用于區域或者更大尺度生態工程成效的長時間序列監測評價[3-5]。近年來，許多學者通過建立植被覆蓋度模型對生態工程區生態環境保護與治理效果做了大量的研究，如2009年吳云等[6]對三北防護林工程區的植被覆蓋變化及驅動因素進行了分析；2011年劉洛等[7]利用多期土地利用和歸一化植被指數（NDVI）數據對京津風沙源治理工程區的生態環境現狀和變化趨勢開展系統分析；2012年范建忠等[8]定量估算了2001-2010年陜西省重點生態建設工程區植被覆蓋度的時空變化特征；2015年何遠梅等[9]對黃土高原區退耕還林（草）工程實施后的植被覆蓋空間分布特征和不同氣候帶植被恢復狀況做了詳細的深入分析。

鄂西南地區作為鄂西生態旅游圈的重要組成部分和全國重要生態功能區的組成部分，2000年以來湖北省政府先后在該地區實施了天然林資源保護工程、退耕還林工程、低產林改造工程等。該區林業生態工程的實施已開展了10多年，工程實施效果如何，生態環境是否得到改善，至今尚未見報道。為此全面掌握該區域植被覆蓋變化狀況，全面分析評價近年來該地區植被覆蓋變化的主要原因，揭示林業生態工程實施的成效，從而為未來生態保護工程的實施和該地區生態環境的保護和治理提供科學建議具有重要的現實意義。本研究應用Spot Vegetation NDVI 長時間序列數據，系統分析了鄂西南地區2001-2013年的植被覆蓋度的時空變化特征，并在此基礎上探討了引起植被覆蓋變化的主要原因，以監測評估該地區林業生態工程實施在改善區域生態環境中的效果，以期為當地政府科學把握區域生態環境變化態勢提供技術和理論支持，為客觀評估林業生態工程成效提供參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究區概況

鄂西南地區指恩施土家族苗族自治州和宜昌，地跨東經108°23′-112°04′、北緯29°07′-31°34′，位居湖北省轄境內，云貴高原東部，現轄5個市（宜都市、當陽市、枝江市、恩施市、利川市）11個縣（遠安縣、興山縣、秭歸縣、長陽土家族自治縣、五峰土家族自治縣、建始縣、巴東縣、咸豐縣、宣恩縣、來鳳縣、鶴峰縣）、5個區（夷陵區、西陵區、伍家崗區、點軍區、猇亭區），南界湖南，北抵鄂西北山區，東連江漢平原西側的丘陵崗地，西至重慶市。鄂西南地區冬少嚴寒，夏無酷暑，雨量充沛，四季分明，水熱同季，寒旱同季。該地區屬亞熱帶季風性山地濕潤氣候，由于地形海拔落差大，小氣候特征明顯，氣候垂直差異突出。區內土壤類型多樣，主要有水稻土、潮土、黃棕壤、紫色土、黃壤等。區內自然景觀秀美，水資源充沛，生物多樣性豐富。鄂西南地區境內有3個國家級自然保護區、4個省級自然保護區。該區植被覆蓋率高，區內主要分布著中亞熱帶常綠闊葉林帶和闊葉混交林等，有領春木、銀雀、連香、珙桐等40余種植物和林麝、紅點髭蟬、脆蛇蜥等80余種動物，均屬于國家級珍稀保護動植物，是華中地區重要的“動植物基因庫”。

1.2 數據及方法

為了分析鄂西南地區的植被覆蓋度時空變化特征及驅動因素，本研究主要采用的數據包括兩類：①土地利用數據。該數據集來源于中國科學院資源環境科學數據中心1∶10萬比例尺土地利用現狀數據集。該數據集是以Landsat MSS/TM/ETM遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型[10-14]。本研究利用GIS技術，從2010年土地利用數據中提取鄂西南地區土地利用數據，將林地、草地、未利用地作為自然植被覆蓋區，用于分析自然植被覆蓋度時空變化的主要特征。②NDVI數據。該數據集包括2001-2013年1 km空間分辨率的Spot Vegetation NDVI逐旬時間序列數據。

由于NDVI可以很好地反映地表植被覆蓋狀況[15，16]，本研究利用最大值合成法（MVC）來獲取鄂西南2001-2013年的年最大NDVI[17]，進而采用均值法，分別統計區域內所有像元的年最大NDVI及其年際變化趨勢[17]。考慮到NDVI的計算會包括耕地和居民地等土地覆蓋類型，而耕地和居民地NDVI的變化主要是由于人類活動所導致，因此，在土地利用數據的基礎上僅分析林地、草地和未利用土地等自然植被NDVI的變化特征。

此外，利用年變化傾向率來揭示鄂西南年NDVI的長期變化趨勢。年變化傾向率是通過對研究區分析對象每一個像元對應的值與年份進行線性擬合，并用最小二乘法來計算，公式如下：

2 結果與分析

2.1 鄂西南植被覆蓋度現狀

鄂西南土地利用類型空間分異明顯（圖1），其中林地面積31 659 km2，占全區土地總面積的73.64%，主要分布在咸豐縣、來鳳縣、宣恩縣、恩施市、建始縣、鶴峰縣、五峰土家族自治縣、長陽土家族自治縣、夷陵區、遠安縣的絕大部分山區；耕地面積6 856 km2，占全區土地總面積的15.95%，集中分布在枝江市和當陽市；草地面積2 994 km2，占全區總面積的6.96%，主要分布在利川市、巴東縣、秭歸縣；水域面積759.53 km2，占全區總面積的1.77%；城鄉、工礦、居民用地面積724.23 km2，占全區總面積的1.68%；未利用地面積僅為1.06 km2，不足全區總面積的0.001%，零散分布在西陵區、伍家崗區、崤亭區和恩施市。

2013年鄂西南全區平均植被覆蓋度為88%，最低植被覆蓋度為7%，最高植被覆蓋度為100%。植被覆蓋度大于90%的區域面積為12 724.15 km2，占自然植被覆蓋總面積的36.82%，主要集中在鶴峰縣、五峰土家族自治縣、宣恩縣的絕大部分地區；植被覆蓋度在75%～90%的區域面積為20 811.4 km2，占60.22%，主要集中在宜都市、長陽土家族自治縣、遠安縣、夷陵區、秭歸縣等地區；可見鄂西南植被覆蓋狀況以高覆蓋為主，植被覆蓋度在60%以上的地區總面積超過了67%。此外，植被覆蓋度在50%～75%的區域面積為957.55 km2，占植被覆蓋面積的2.77%，集中分布在恩施市區周圍和延河谷的平原地區。植被覆蓋度在50%以下的區域面積僅為64.65 km2，僅占植被覆蓋面積的0.19%，集中在恩施市以及西陵區、伍家崗區、崤亭區等小部分地區（圖2）。

2.2 鄂西南植被覆蓋度年際變化

2001年以來鄂西南地區全區平均植被覆蓋度年際變化曲線如圖3所示。13年以來年均植被覆蓋度均不低于80%，區域植被覆蓋狀況良好。2010年全區平均植被覆蓋度最低，為80%；2013年全區平均植被覆蓋度最高，為88%。2001-2009年年均植被覆蓋度相對穩定，而從2010年后全區平均植被覆蓋度呈現出明顯的上升趨勢，2013年全區平均植被覆蓋度比2010年提高了8個百分點。可見，2001-2013年鄂西南地區全區植被覆蓋狀況先保持穩定，后呈現明顯好轉的態勢。

為了進一步揭示鄂西南地區植被覆蓋度的年際變化，對該區植被覆蓋度按高低進行分級（圖4、表1），并對不同等級植被覆蓋度的面積進行統計。發現2001-2013年的13年間鄂西南地區不同等級植被覆蓋度的面積從高到低依次為高植被覆蓋度、較高植被覆蓋度、中植被覆蓋度、低植被覆蓋度。高植被覆蓋度分布面積最廣，各年份均在32 000 km2以上；較高植被覆蓋度分布面積排在第二位，不同年份面積變化波動較大，其中2003年分布面積最少為227.67 km2，2010年面積分布最多為2 085.38 km2；中植被覆蓋度分布面積各年份均在100 km2以下，在2005年面積最小為19.15 km2，在2010年面積最大為72.86 km2；而低植被覆蓋度分布面積最小，13年間僅增加了0.69 km2。

鄂西南不同等級植被覆蓋度的分布面積變化在不同的時間階段下呈現出顯著的差異性。2001-2010年，高植被覆蓋度分布面積基本保持穩定，10年間有所減少，從2001年到2010年減少了1 749.59 km2；較高植被覆蓋度和中植被覆蓋度分布面積均呈波動式增長趨勢，在2010年均達到最大，分別為2 085.38 km2和72.86 km2；低植被覆蓋度分布面積變化最小，10年間僅增加了17.52 km2。2010-2013年，高植被覆蓋度面積呈增加的趨勢，年均增加434.63 km2；較高植被覆蓋度面積呈減少趨勢，年均減少425.71 km2；中植被覆蓋度面積呈緩慢減少趨勢，年均減少2.85 km2；低植被覆蓋度面積變化較大，2011年前后呈現跳躍式的增減現象。

2.3 鄂西南植被覆蓋度年際變化趨勢

從鄂西南地區植被覆蓋度年際變化趨勢看，13年間植被覆蓋度變化顯著（變化趨勢達到95%的信度）的地區分布空間差異較大，但好轉地區的面積大于植被覆蓋度變差地區的面積（表2、圖5）。由表2可知，植被覆蓋度增長地區的面積（包括明顯好轉和輕微好轉）共12 527.65 km2，占總顯著變化總面積的37.09%，其中明顯好轉的區域面積有157.90 km2，占總變化面積的0.47%，主要集中在巴東縣、秭歸縣、夷陵區的沿河谷地帶；輕微好轉的區域面積最大，有12 369.75 km2，占總變化面積的36.62%，在各縣市均有所分布。植被覆蓋度基本穩定的區域面積有9 182.13 km2，占總變化面積的27.18%。而植被覆蓋度變差的面積（包括輕微變差和明顯變差）共12 069.83 km2，占總變化面積的35.73%，其中輕微變差的區域面積也相對較大，占總變化面積的34.54%，各個縣市也均有所分布；明顯變差的區域面積有403.51 km2，占總變化面積的1.19%，主要集中在恩施市、西陵區、伍家崗區、崤亭區的城鎮周邊地區。

2.4 鄂西南植被覆蓋度變化原因分析

2.4.1 氣候因素 許多學者研究發現，植被覆蓋狀況的空間分布及其變化與氣候條件密切相關。氣候的變化會引起植被生長發育狀況和植被分布格局的改變，也會隨著研究區的植被類型、地形地貌而表現出很強的空間異質性[18-20]。鄂西南地區年平均氣溫和降水變化趨勢（圖6）表明，2001-2013年鄂西南地區年平均氣溫均略低于15 ℃，其中2006年氣溫最高為14.5 ℃，2012年氣溫最低為13.0 ℃，氣溫年際波動很小，對該地區植被覆蓋度的變化影響有限。

2001年以來鄂西南地區年平均降水量均大于800 mm，其中在2002年降水量最大為1 477 mm，在2006年降水量最小為980 mm。結合該地區植被覆蓋度的年際變化曲線（圖3、圖4）分析，2002-2006年鄂西南年降水量逐年減少，但植被覆蓋度并沒有降低，也沒有出現高植被覆蓋度向低植被覆蓋度明顯轉換的現象；2007-2008年降水量均較高，但植被覆蓋度并沒有顯著提高，僅較高植被覆蓋度和中植被覆蓋度地區面積稍微有所增加。可見，盡管13年來該區年均降水量高低起伏，但全區年均降水量足以滿足植物生長需求，從而對植被覆蓋度的影響較小。

2.4.2 人為因素 鄂西南地區地表植被覆蓋變化與當地區域生態背景有著密切聯系。區內主要土地利用類型為林地，區域生態背景優良。鶴峰縣多年來一直作為湖北省林業重點大縣，林業生產基礎條件非常優越[21]，2013年植被覆蓋度達到90%以上的面積有1 848.12 km2，占全縣總面積的63.9%。

林業生態工程的實施是引起鄂西南地區2001年以來自然植被覆蓋狀況逐步好轉的主要原因。根據恩施市、宜昌市林業廳的重點林業工程報告，2001-2013年湖北省政府在鄂西南地區先后實施了天然林資源保護工程、退耕還林工程、低產林改造工程，截至2010年全區累計完成天然林保護公益林建設2 265.13 km2，封山育林1 940.97 km2、人工造林133.40 km2、飛播植樹造林190.76 km2；退耕還林建設755.51 km2，其中坡耕地退耕還林520.59 km2，宜林荒山造林234.92 km2等。2001年以來在時間序列上連續有效政策的實施加上充足資金的保障，林業生態工程的實施對該地區自然植被的保護與恢復發揮了重要作用，使得該地區植被覆蓋度呈現出穩步提升的局面。

在自然植被整體覆蓋狀況好轉的同時，鄂西南局部地區植被覆蓋狀況仍有變差的現象發生，這與該區域土地開發利用的格局有著密切聯系，如城鎮化進程的加快，促使城鎮周邊土地利用類型由林地、草地轉化成為城鎮用地或耕地。隨著經濟發展，鄂西南地區的城鎮化水平正在進一步提高[22]，受人類城鎮化土地利用開發的干擾，恩施市、宜昌市的西陵區、伍家崗區、崤亭區等城鎮周邊的植被覆蓋度明顯變差（圖5）。隨著人口增長對糧食需求量的增大，枝江市、當陽市靠近耕地的部分區域植被覆蓋度也受人類干擾的影響出現輕微變差的現象。恩施機場二期工程在2011年開工擴建[23]，在保持高植被覆蓋狀況穩定的前提下使得該年較高植被覆蓋面積和中植被覆蓋面積有所減少，低植被覆蓋分布面積有所增加，增加了778.81 km2（圖4）。此外，一些經濟用材林達到成熟期砍伐后也會使得區域植被整體覆蓋度下降，如鄂西南在2010年高植被覆蓋地區面積較2009年有所減少（圖3和圖4），減少了1 733.48 km2，分析發現主要減少區域集中在恩施市、秭歸縣、巴東縣等林業大縣，各縣高植被覆蓋地區面積均減少了100 km2以上。

3 結論

植被覆蓋度作為監測地表植被生長狀況的重要指標，為分析評價區域生態環境的演變提供了可靠有效手段。本研究在Spot Vegetation NDVI時序數據的基礎上，結合土地利用數據，對鄂西南地區近13年來植被覆蓋狀況的時空變化過程進行了系統分析，并對其變化原因進行了探討，主要結論如下。

1）鄂西南地區主要土地利用類型為林地，絕大多數地區植被覆蓋度均在75%以上，植被覆蓋狀況和生態環境整體優良。

2）2001-2013年鄂西南地區年均植被覆蓋度整體呈現逐步好轉的態勢。2001-2009年全區植被覆蓋狀況保持穩定，并從2010年以后開始呈現明顯好轉的態勢。表明該區域自實施一系列林業生態工程以來生態環境得到了保護和逐步恢復。

3）2001-2013年鄂西南地區植被覆蓋度年際變化趨勢好轉比較明顯，植被覆蓋度好轉地區的面積大于植被覆蓋度變差地區的面積。

4）氣溫和降水量對鄂西南地區植被覆蓋狀況變化的影響不明顯。2001年以來林業生態工程的實施是引起鄂西南地區自然植被覆蓋狀況逐步好轉的主要原因。而城鎮和耕地周邊的土地開發利用活動是引起局部地區植被覆蓋下降的重要因素。

本研究運用Spot Vegetation NDVI時序數據深入分析了鄂西南地區植被覆蓋的變化過程，這表明運用遙感快速監測評價區域生態環境的演變過程是切實可行的。鄂西南地區植被覆蓋度受人為因素的影響較大，研究區內植被覆蓋度的變化是因生態工程的實施、土地開發利用格局的變化等諸多因素引起的。為此，在該地區要持續實施林業生態工程，并鞏固已有林業生態工程的建設成效，在保護天然優良生態系統和生態環境的前提下合理開發利用有限的土地資源，盡量減少農田、城鎮周邊人為干擾對生態環境的影響。

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