黔中水利樞紐區植被覆蓋度時空變化及驅動力分析
——以平壩為例

蔣 翼, 周忠發, 黃登紅

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院/地理與環境科學學院, 貴陽 550001；2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地, 貴陽 550001)

植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover, FVC)是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比[1]，是指示地表植被覆蓋的一個重要指標和描述生態系統的基本指標[2]。植被是全球陸地生態系統中的重要組成部分[3]，陸地生態系統的任何變化必然在植被類型、數量或質量方面有所響應。因此，區域及全球范圍的植被覆蓋度估算對植被及相關領域的研究具有十分重要的意義[4]。

近年來，隨著遙感技術的不斷發展，遙感方法相較于傳統的測量和估算方法具有實時、連續監測和監測范圍廣等明顯優勢[5]。不少學者利用MODIS-NDVI數據分析植被覆蓋度的歷年變化趨勢及其對氣候因子的響應關系[6-8]或探討植被覆蓋度的時空格局與人類活動的相關關系[9-13]；靖娟利等[14]以TM/ETM+影像為基礎，分析了漓江流域植被覆蓋度的時空變化特征，并結合地質數據分析了地質條件對植被覆蓋度的影響；甘春英等[15]利用TM影像估算連江流域粵北喀斯特山區植被覆蓋度，結合地質圖分析了地質構造對植被覆蓋度的影響；韓濤等[16]利用EOS/MODIS數據從面積變化和類型轉換趨勢方面分析石羊河流域甘肅省植被覆蓋度時空格局演變；馬琳雅等[17]利用Terra/MODIS月植被指數分析了不同等級的草地植被覆蓋度時空分布特征及面積變化動態。將氣候因子、地質條件、人類活動與植被覆蓋度相結合的植被覆蓋度相關研究較多，集成地形起伏度、海拔、坡度、土壤類型等驅動因子綜合分析黔中水利樞紐區的植被覆蓋變化研究較少。

黔中水利樞紐區位于中國西南喀斯特地區，工程性缺水嚴重，是典型的脆弱生態環境，也是中國乃至世界具有重要地理意義的典型地區[18]。黔中水利樞紐區東北部平壩縣山地植被功能性破壞，逢惡劣天氣易導致泥石流等山體滑坡，遇干旱時節則會溪水干枯、泥沙堆積，從而導致水源涵養功能降低或缺失。因此研究以平壩縣為例，運用歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)和像元二分模型，估算2001年、2005年、2010年、2013年的植被覆蓋度，探討植被覆蓋度與地形起伏度、海拔、坡度和土壤類型等因子的響應關系和時空變化規律，為平壩縣水土保持提供科學理論依據，對黔中水利樞紐區生態環境保護具有重要意義。

1 研究區概況

平壩縣地處黔中水利樞紐區東北部，屬于貴州省安順市，其地理位置為105°59′23″—106°34′3″E，26°15′16″—26°37′37″N，國土面積999 km2，共轄10個鄉(鎮、街道)，是安順市的“東大門”。境內屬于亞熱帶濕潤型季風氣候，氣候溫和，四季分明，降水充沛，年平均氣溫14.36℃，年平均降水量1 102 mm，年平均相對濕度87.93%。平壩縣林地面積為395.42 km2,森林覆蓋率為31.10%，有林地面積為140.10 km2，疏林地面積為2.03 km2，灌木林地面積為207.7 km2。境內水系發育，均屬烏江水系，地層巖性以碳酸鹽巖為主，土壤類型以黃壤、石灰土和水稻土為主(圖1)。境內以高原平地為主體，整個地勢中間低，四周高，平均海拔1 250 m，地貌類型為喀斯特高原盆地，獨特的自然條件決定了該區生態環境的脆弱性。

圖1 研究區土壤分布

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

選取2001年、2005年、2010年、2013年Landsat TM/OLI影像，4期影像空間分辨率均為30 m，平均云量低于10%，數據質量良好，且數據獲取時間均為9月，處于植被生長旺季，具有可比擬性，能滿足研究需要。影像來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)。運用ENVI 5.3軟件對數據進行預處理，主要包括配準、幾何校正、圖像增強和大氣校正。采用GDEM提供的DEM數據(分辨率為30 m)，運用ArcGIS 10.1空間分析模塊提取平壩縣的地形起伏度、海拔和坡度。運用ArcGIS 10.1軟件將平壩縣1∶50萬土壤類型圖數字化，得到研究區土壤類型分布圖。

2.2 歸一化植被指數(NDVI)提取

植被指數是指從多光譜遙感數據影像中提取的有關地球表面植被狀況的定量數據[5]。歸一化植被指數(NDVI)是以距離為基礎，基于物理知識，將大氣、植被覆蓋和土壤背景綜合在一起考慮,并通過數學和物理及邏輯經驗及通過模擬不斷發展而成的植被生長狀態及植被覆蓋度最佳指示因子[19]。歸一化植被指數NDVI的計算公式為:

NDVI=(NNIR-R)/(NNIR+R)

(1)

式中：NDVI為歸一化植被指數；NNIR為近紅外波段的亮度值；R為紅波段的亮度值。

運用公式(1)計算可得到4期平壩縣的NDVI圖像。NDVI值在(-1，+1)之間，植被覆蓋越好即NDVI值越大。

2.3 估算植被覆蓋度

本研究中利用像元二分模型估算植被覆蓋度，像元二分模型對影像輻射校正影響不敏感，計算簡便、結果可靠[15]?；驹硎羌俣ㄒ粋€像元信息S只由植被和土壤兩部分所貢獻，分別記為Sveg和Ssoil。根據李苗苗[20]、Gutman[21]的研究結合喀斯特地區的植被覆蓋度狀況，取經驗值像元個數累計百分比為2%的NDVI值為裸土植被指數，像元個數累計百分比為98%的NDVI值為全植被覆蓋植被指數，則有公式：

(2)

式中：FVC為植被覆蓋度(%)，值在(-1，+1)之間；NDVI為影像上的歸一化植被指數；Nsoil為影像上裸土區歸一化植被指數；Nveg為影像上全植被覆蓋區歸一化植被指數。

2.4 地形梯度等級劃分

綜合考慮地形因子的可定量性和對植被覆蓋度變化的影響程度，選取地形起伏度、海拔和坡度分析地形對植被覆蓋度變化的影響。基于研究區實際情況，對地形起伏度、海拔和坡度因子進行分級(表1)。運用ArcGIS空間分析功能，對各地形因子進行重分類并統一為Cell size為30 m的柵格數據，柵格計算中地形因子劃分的等級視作地形分區。

表1 地形起伏度、海拔和坡度因子分級及面積比例

3 結果與分析

3.1 平壩縣植被覆蓋度時空分布變化

3.1.1 平壩縣植被覆蓋度時間變化特征 參考甘春英等[15]的研究，將計算得到的植被覆蓋度(FVC)分為5級：低植被覆蓋度(FVC<10%)、較低植被覆蓋度(10%≤FVC<30%)、中度植被覆蓋度(30%≤FVC<50%)、較高植被覆蓋度(50%≤FVC<70%)和高植被覆蓋度(70%≥FVC)，統計各級植被覆蓋度面積如表2所示。

2001年、2005年、2010年、2013年平壩縣平均植被覆蓋度分別為44.77%，53.37%，62.01%和56.96%，2001年平壩縣各級植被覆蓋度分布面積較為均勻，而較高植被覆蓋度面積最大，占總面積比例為24.79%，2005年、2010年、2013年各級植被覆蓋度分布面積差異明顯，但占總面積比例最大的均為高植被覆蓋度。由表2可知，從2001到2013年植被覆蓋度整體呈上升趨勢，年平均增速為0.94%，2001年植被質量低于2013年。其中，2001—2010年植被覆蓋度呈上升趨勢，年平均增速為1.72%，而2010—2013年植被覆蓋度轉為下降趨勢，年平均降速為-1.26%。2001—2013年平壩縣平均植被覆蓋度的等級發生較明顯的變化。2005年與2001年相比，低植被覆蓋區所占比例明顯下降，面積由156.3 km2減少到53.93 km2；高植被覆蓋區所占比例明顯上升，面積由199.34 km2增加到305.34 km2。2010年與2005年相比，較低植被覆蓋區所占比例下降幅度最大，面積由180.11 km2減少到70.01 km2；高植被覆蓋區所占比例上升最為明顯，面積增加了117.03 km2。2013年與2010年相比，高植被覆蓋區所占比例下降幅度最大，面積由422.37 km2減少到349.07 km2；較低植被覆蓋區所占比例上升最為明顯，面積由70.01 km2增加到108.95 km2。整體看來，2013年植被覆蓋狀況優于2001年。

表2 2001-2013年平壩縣植被覆蓋度變化

3.1.2 平壩縣植被覆蓋度空間變化特征 從2001—2013年平壩縣植被覆蓋度等級圖(圖2)來看，2001年平壩縣植被覆蓋整體較差，呈“西高東低”的分布特征。植被覆蓋度等級以較高植被覆蓋度為主，主要分布在平壩縣西北地區，包括樂平鄉(53.39%)、齊伯鄉(52.46%)和十字鄉(49.67%)；平壩縣植被覆蓋度最高的地區是天龍鎮，以高植被覆蓋度、較高植被覆蓋度為主，平均植被覆蓋度為54.29%；馬場鎮是植被最差的地區，以低植被覆蓋度為主，平均植被覆蓋度僅為37.08%。2005年平壩縣植被覆蓋度呈“西北和東南高、中間低”的分布特征，植被覆蓋度等級以高植被覆蓋度為主，主要分布在平壩縣西北地區和東南地區，植被覆蓋度最高的地區是齊伯鄉，以高植被覆蓋度為主，平均植被覆蓋度為67.9%，植被覆蓋度最低的地區是夏云鎮，以低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度為主，平均植被覆蓋度為40.1%。2010年平壩縣植被覆蓋度空間分布差異明顯，各級植被覆蓋度由低到高分布面積逐漸增加，高植被覆蓋區主要分布在齊伯鄉(74.59%)、樂平鄉(71.52%)，低植被覆蓋度主要集中分布在十字鄉(53.46%)和天龍鎮(53.01%)，天龍鎮也是平壩縣平均植被覆蓋度最低的地區。2013年平壩縣植被覆蓋度整體較好，呈“西北和東南高、中間低”的分布特征，主要以高植被覆蓋度為主，分布在平壩縣西北、北部和南部地區，包括樂平鄉(64.72%)、齊伯鄉(72.37%)、十字鄉(68.58%)、羊昌鄉(55.48%)；植被覆蓋度最高的地區是齊伯鄉，平均植被覆蓋度為72.37%；夏云鎮是植被最差的地區，平均植被覆蓋度僅為45.88%。

圖2 2001-2013年平壩縣植被覆蓋度等級

將計算得到的植被覆蓋度變化率分為7級：劇烈減少區(變化率<-30%)、減少區(-30%≤變化率<-10%)、輕微減少區(-10%≤變化率<-5%)、穩定區(-5%≤變化率<5%)、輕微增加區(5%≤變化率<10%)、增加區(10%≤變化率<30%)和劇烈增加區(變化率≥30%)，分別統計分析不同土壤類型區各級面積占總面積的百分比(表3)。平壩縣的植被覆蓋度變化幅度以增加和劇烈增加為主，其次是穩定區。不同土壤類型區的植被覆蓋度亦表現出如上特點，其中占總面積百分比最小的是輕微減少區，面積僅有43.78 km2，最大的是增加區，面積為265.31 km2；黃壤占總面積百分比最大的為劇烈增加區，面積為116.9 km2，但與增加區差值僅為0.85%；黃棕壤占總面積最小的為劇烈減少區，面積僅為0.46 km2，但輕微減少區比劇烈減少區僅大0.81%，而黃棕壤占總面積百分比最大的為劇烈增加區，高達33.23%，也是各土壤類型劇烈增加區占總面積百分比的最大值。

表3 各類土壤面積占總面積的百分比 %

通過2001年和2013年植被覆蓋度疊加分析，得到近13年來植被覆蓋度變化專題圖(圖3)。植被覆蓋度劇烈減少區主要位于平壩縣西南方向，包括天龍鎮和白云鎮，一方面平壩縣西南方向喀斯特區各類巖石裂隙較多，地表落水洞分布較廣，導致地表徑流快速轉為地下暗流，形成區域工程性缺水，并且喀斯特區主要組分為碳酸鹽巖，其成土速度緩慢，且容易被流水沖刷溶蝕，導致區域水土流失現象顯著，不利于植被的生長。另一方面，天龍鎮與平壩縣城較近，交通發達，建設用地面積逐年增加，植被覆蓋度隨之降低。植被覆蓋度劇烈增加區主要分布在平壩縣的南部和西北地區，隨著近年來的退耕還林、還草、封山育林等工程性措施的實施，平壩縣山區的森林得到了較好的保護，有利于植被生長，因而植被覆蓋度大幅度增加。

圖32001-2013年平壩縣植被覆蓋度變化

3.2 植被覆蓋度結構變化的地形起伏度梯度差異

平壩縣的植被覆蓋度結構變化的地形起伏度梯度差異明顯(表4)。植被覆蓋度類型集中在地形起伏度80 m以下區域。地形起伏度0～20 m梯度的主要植被覆蓋度類型為低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中度植被覆蓋度，2001—2013年較低植被覆蓋度所占總面積比例變小，中度植被覆蓋度所占總面積比例變大；地形起伏度20～80 m梯度的主要植被覆蓋度類型為較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度；地形起伏度>80 m梯度的主要植被覆蓋度類型為高植被覆蓋度，2001—2013年高植被覆蓋度所占總面積比例顯著上升。

地形起伏度0～80 m梯度，隨著地形起伏度的增大，低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度所占比例不斷減?。坏匦纹鸱?20 m梯度，隨著地形起伏度的增大，中植被覆蓋度所占比例不斷減??；高植被覆蓋度所占比例在地形起伏度>80 m梯度分級最大。2001—2013年低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度面積的減少主要發生在地形起伏度0～40 m梯度；2001—2013年在地形起伏度>60 m梯度中植被覆蓋度和較高植被覆蓋度面積均呈下降趨勢；高植被覆蓋度在地形起伏度20～40 m梯度面積變化最明顯，從2001年的57.12 km2增加到2013年的104.33 km2。

3.3 植被覆蓋度結構變化的海拔梯度差異

平壩縣的植被覆蓋度結構變化的海拔梯度差異顯著(表5)。植被覆蓋度類型主要分布在海拔1 200～1 400 m的區域。海拔936～1 300 m梯度的主要植被覆蓋度類型為中植被覆蓋度、較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度，2001—2013年高植被覆蓋度所占面積比例增加變化最為明顯；海拔1 300～1 621 m梯度的主要植被覆蓋度類型為較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度，2001—2013年較高植被覆蓋度所占總面積比例變小，高植被覆蓋度所占總面積比例變大。

隨著海拔增大，較低植被覆蓋度所占總面積比例先增大后減小，而高植被覆蓋度所占總面積比例先減小后增大。低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中植被覆蓋度的減少主要發生在海拔>1 200 m梯度，而較低植被覆蓋度的增加主要發生在海拔936～1 300 m梯度。高植被覆蓋度在海拔1 400～1 621 m梯度所占總面積比例最大，2001—2013年該區高植被覆蓋度面積增加149.71 km2。

表4 2001-2013年植被覆蓋度的地形起伏度差異

表5 2001-2013年植被覆蓋度的海拔差異

3.4 植被覆蓋度結構變化的坡度梯度差異

平壩縣的植被覆蓋度結構變化的坡度梯度差異明顯(表6)。植被覆蓋度類型集中在坡度25°以下區域。坡度0°～5°梯度的主要植被類型為較低植被覆蓋度和中度植被覆蓋度，2001—2013年較低植被覆蓋度所占總面積比例變小，中度植被覆蓋度反之；坡度>5°梯度的主要植被類型為較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度，2001—2013年較高植被覆蓋度所占總面積比例變小，高植被覆蓋度所占總面積比例明顯變大。

隨著坡度的增大，低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度所占比例均不斷減小，中度植被覆蓋度和較高植被覆蓋度所占比例表現為先增加后減小，而高植被覆蓋度則持續增加。低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度在坡度0°～5°梯度面積最大，高植被覆蓋度面積最大的區域為坡度5°～15°梯度。2001—2013年中度植被覆蓋度和較高植被覆蓋度在坡度0°～5°梯度面積變大，在坡度>5°梯度面積變小。在坡度5°～15°梯度高植被覆蓋度面積變化最為顯著，從2001年的89.92 km2增加到2013年的166.17 km2。

表6 2001-2013年植被覆蓋度的坡度差異

4 結 論

(1) 2001—2013年，平壩縣植被覆蓋度整體呈顯著增加趨勢，年增速為0.94%；其中2010年植被覆蓋度為62.01%，2010年之前植被覆蓋度呈持續增加趨勢，年增速為1.72%，而2010年之后呈下降態勢，年降速為-1.26%；高植被覆蓋區面積增加最為明顯，變化率高達75.11%。

(2) 平壩縣植被覆蓋空間格局整體呈現“西北高、東低”的分布特征，高值區主要包括齊伯鄉、樂平鄉和十字鄉，低值區主要在高峰鎮、馬場鎮和夏云鎮。天龍鎮水土流失現象顯著，水土流失面積逐年增加，植被覆蓋度劇烈減少；馬場鎮和羊昌鄉南部在封山育林政策的保護下，植被覆蓋度劇烈增加。

(3) 植被覆蓋度類型集中在地形起伏度80 m以下區域；低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中度植被覆蓋度主要分布在地形起伏度0～20 m梯度，較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度主要分布在地形起伏度20～40 m梯度。

(4) 植被覆蓋度類型主要分布在海拔1 200～1 400 m的區域；低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中度植被覆蓋度主要分布在海拔1 200～1 300 m梯度，高植被覆蓋度主要分布在海拔1 300～1 400 m梯度；隨著海拔增大，較低植被覆蓋度所占總面積比例先增大后減小，而高植被覆蓋度所占總面積比例先減小后增大。

(5) 植被覆蓋度類型集中在坡度25°以下區域；低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度主要分布在坡度0°～5°梯度，較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度主要分布在坡度5°～15°梯度；隨著坡度的增大，低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度所占比例均不斷減小，中度植被覆蓋度和較高植被覆蓋度所占比例表現為先增加后減小，而高植被覆蓋度則持續增加。

因貴州省多云霧天氣，難以獲取同時相全覆蓋影像數據，且受Landsat影像重訪周期和圖像質量的限制，可用影像較少，在未來的研究中擬使用多源遙感數據，減小時間分辨率、空間分辨率、波譜分辨率的誤差，進一步提高研究結果的精度。