洞庭湖區(qū)植被覆蓋度下降成因分析

韓沁哲，邵佳麗，陳磊士，周 碧

（1.湖南省氣象科學(xué)研究所/湖南省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，長沙 410118；2.國家氣象衛(wèi)星中心，北京 100081）

洞庭湖（28°44′—29°35′N，111°53′—113°05′E）位于湖南省東北部，承接湘、資、沅、澧四水形成沉積型盆地，是兼具蓄洪功能的過水性湖泊，全年水位波動變化較大，呈現(xiàn)“漲水是湖，退水為洲”的動態(tài)景觀，建有4個不同級別的自然保護區(qū)。洞庭湖區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，光熱充足，有全省最優(yōu)越的光能資源，土壤以水稻土為主，是全省水稻、油菜、甜橙等農(nóng)產(chǎn)品種植的最適宜區(qū)。2014年7月國務(wù)院批復(fù)《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》，把洞庭湖區(qū)定位為中部地區(qū)崛起的典型示范區(qū)。根據(jù)陳強等［1］的研究，洞庭湖區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)類型的健康狀況和基本特征處于較差的狀態(tài)。

中國氣象中心提供的植被覆蓋度趨勢率數(shù)據(jù)顯示，2000—2019年洞庭湖區(qū)90.3%的區(qū)域植被覆蓋度呈正向變化，年均總增速0.39%，植被覆蓋狀況持續(xù)改善，但在益陽市南縣、沅江市，岳陽市華容縣，常德市武陵區(qū)、鼎城區(qū)、漢壽縣、澧縣，有部分區(qū)域植被覆蓋度下降趨勢明顯，而且洞庭湖區(qū)植被覆蓋度增速低于全省平均增速（0.51%）。本研究旨在找出洞庭湖區(qū)植被覆蓋度增長趨勢率偏低的成因。

雷璇等［2］利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取東洞庭湖濕地植被進行格局變化分析；陳燕芬等［3］基于MO?DIS時間序列研究濕地沼澤和植被的面積變化；龍岳紅等［4］基于離散小波多分辨率分析，發(fā)現(xiàn)洞庭湖流域植被動態(tài)變化特征和降水有密切關(guān)系；曾光明等［5］發(fā)現(xiàn)東洞庭湖植被與高程及水環(huán)境有很大相關(guān)性。本研究選擇洞庭湖區(qū)湖南省境內(nèi)部分的岳陽市、益陽市、常德市3個市級行政區(qū)作為主要研究區(qū)域，以EOS/MODIS、FY-3/MERSI等衛(wèi)星估測陸地植被覆蓋度和長序列水體面積，再結(jié)合中國科學(xué)院土地利用分類數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、NPP_VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)、湖南統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)等，分地類定量化地探索氣候因子、人為因素對洞庭湖區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度下降造成的影響，對洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)研究具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用MODIS數(shù)據(jù)計算植被覆蓋度數(shù)據(jù)，利用FY-3衛(wèi)星計算洞庭湖水體面積，基于NASA網(wǎng)站共享的美國NPP氣象衛(wèi)星可見光紅外成像輻射儀VIIRS的DNB微光波段數(shù)據(jù)計算夜間燈光指數(shù)。土地利用分類數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院土地資源分類系統(tǒng)LUCC土地利用/覆蓋遙感監(jiān)測分類數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)來源于湖南省氣候中心，中國縣級行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心提供的全國1∶100萬數(shù)據(jù)庫，歐美黑楊砍伐面積來源于當(dāng)?shù)刈匀槐Ｗo區(qū)統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于湖南省統(tǒng)計局發(fā)布的《湖南統(tǒng)計年鑒》《湖南農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 植被覆蓋度數(shù)據(jù)處理

1）植被覆蓋度計算。以EOS/MODIS、FY-3/MERSI等衛(wèi)星的歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，計算陸地植被覆蓋度。

式中，Ck為k時段陸地植被覆蓋度；Vk為k時段NDVI；Vsoil為像元顯示為純土壤時的NDVI，根據(jù)中國陸地特點設(shè)為常數(shù)0.05；Vmax為像元顯示為全植被覆蓋下的NDVI，根據(jù)中國陸地特點設(shè)為常數(shù)0.95。

2）植被覆蓋度趨勢率計算。基于2000—2019年洞庭湖區(qū)植被覆蓋度柵格圖計算柵格圖像中各像元趨勢率。

式中，Ci為第i年植被覆蓋度；a為截距；b為植被覆蓋度趨勢率；ti為基礎(chǔ)年到第i年的年序。

3）植被覆蓋度年均值和年差值的計算。利用2000年、2005年、2010年、2015年地表分類數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計 2000—2004 年、2005—2009 年、2010—2014年、2015—2019年不同地類的植被覆蓋度均值。

植被覆蓋度下降面積計算，利用中國科學(xué)院土地利用/覆蓋遙感監(jiān)測分類數(shù)據(jù)的地類shp圖，統(tǒng)計洞庭湖區(qū)在該地類范圍內(nèi)當(dāng)Cn-Cn-1＜0時累計的像元面積。植被覆蓋度下降程度計算，利用中國科學(xué)院土地利用/覆蓋遙感監(jiān)測分類數(shù)據(jù)的地類shp圖，計算洞庭湖區(qū)在該地類范圍內(nèi)當(dāng)Cn-Cn-1＜0時所有此類像元植被覆蓋度的平均值。其中，Cn為第n年全年平均陸地植被覆蓋度；Cn-1為n-1年的全年平均陸地植被覆蓋度。

1.2.2 水體面積計算 以EOS/MODIS、FY-3/MER?SI等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的紅光波段和近紅外波段計算每月洞庭湖水體面積最大值，再通過全年各月洞庭湖水體面積計算年平均水體面積和最大水體面積。

式中，RRED指紅光波段反射率；RNIR指近紅外波段的反射率；RN/Rth為RNIR與RRED比值對應(yīng)的閾值，參考閾值為0.7。在白天晴空或薄云天氣條件下，當(dāng)比值小于等于0.7時判識為水體。

1.2.3 燈光數(shù)據(jù)處理 根據(jù)美國國家海洋與大氣管理局免費發(fā)布的NPP_VIIRS長時間序列夜間燈光影像數(shù)據(jù)集，獲取了2012—2017年DNB影像，去除閃電等異常值，計算得到2012—2017年各縣（市）年合成產(chǎn)品，利用該產(chǎn)品統(tǒng)計夜間燈光指數(shù)，以及夜間燈光指數(shù)大于1的區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度下降情況。

1.2.4 相關(guān)系數(shù)閾值界定 相關(guān)系數(shù)絕對值在0～0.3為低度相關(guān)，在0.3～0.6為中度相關(guān)，大于0.6為高度相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度與地類面積變化的關(guān)系

洞庭湖區(qū)濕地植被主要集中在洞庭湖自然保護區(qū)核心區(qū)，林地和草地主要分布在洞庭湖區(qū)周邊丘陵山地，東南部以油茶林為主，西南部以楠竹林為主，西部以杉木林為主［6］，但面積最大的植被類型為作物植被（水田、旱地），分布在垸區(qū)，主要以水稻、油菜、玉米、棉花、水果等作物為主。根據(jù)劉紀(jì)遠等［7，8］的地表分類結(jié)果，利用2000年、2005年、2010年、2015年地表分類數(shù)據(jù)計算各地類變化。結(jié)果表明，2000—2015年林地、水田、旱地、湖泊、草地面積呈減少趨勢，減少趨勢為湖泊＞水田＞林地＞旱地＞草地，其中湖泊在2000—2005年為略增加趨勢，但在2005—2015年為快速減少趨勢，河渠水塘、濕地、人口聚集區(qū)面積呈增加趨勢，增速為人口聚集區(qū)＞河渠水塘＞濕地（表 1）。

表1 2000—2015年洞庭湖各地類面積占比 （單位：%）

從表1可以看出，各地類變化面積很小，地表分類結(jié)果不能體現(xiàn)植被覆蓋度下降的原因。因此，本研究針對洞庭湖區(qū)林地、水田、旱地、人口聚集區(qū)、濕地、湖泊6種地類，計算2000—2019年植被覆蓋度變化特征。結(jié)果表明，6種地類2000—2019年植被覆蓋度均呈增加趨勢，趨勢率為林地＞旱地＞湖泊＞濕地＞水田＞人口聚集區(qū)；平均植被覆蓋度為林地＞旱地＞水田＞濕地＞人口聚集區(qū)＞湖泊；植被覆蓋度增長趨勢率為負值的面積占該地類自身面積的比重表現(xiàn)為人口聚集區(qū)＞水田＞濕地＞湖泊＞旱地＞林地；植被覆蓋度增長趨勢率為負值的面積占全湖趨勢率為負值面積的比重為水田＞人口聚集區(qū)＞濕地＞湖泊＞旱地＞林地（表 2）。湯旭光等［9］研究發(fā)現(xiàn)，千島湖流域是受人為干擾較大的地域，如河、湖附近的城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)業(yè)用地及其園地，其NDVI明顯低于自然林地，本研究結(jié)果說明洞庭湖流域與千島湖流域在該方面特征類似。植被覆蓋度下降區(qū)主要集中在水田、人口聚集區(qū)和濕地地類，根據(jù)陳強等［1］的研究，洞庭湖區(qū)人工生態(tài)系統(tǒng)的頻繁更新變化使其生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性都低于自然生態(tài)系統(tǒng)；而在自然生態(tài)系統(tǒng)中，森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性最高，濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性最低，易于受到環(huán)境變化和人類干擾的影響，本研究結(jié)果與其結(jié)論一致。

在三峽工程建設(shè)的2003年、2006年、2009年3個重要蓄水年間，所有地類的植被覆蓋度變化一致，為2003年減少、2004年增加、2005年減少、2006年增加、2008—2009年持平；但是在非蓄水年的其他年份，湖泊、濕地2個地類的植被覆蓋度變化和其他地類是相反的（圖1）。

表2 2000—2019年洞庭湖不同地類植被覆蓋度分析

圖1 2000—2019年洞庭湖區(qū)不同地類植被覆蓋度年差值

2.2 各地類植被覆蓋度下降成因分析

為進一步找到洞庭湖區(qū)植被覆蓋度下降成因，本研究主要針對水田、人口聚集區(qū)和濕地3種地類的不同特點分別進行干擾因子的計算對比。

2.2.1 水田植被覆蓋度下降成因分析 計算2000—2019年水田地類植被覆蓋度下降面積和下降程度，并與該時間段內(nèi)洞庭湖區(qū)稻谷播種面積、玉米播種面積、糧食產(chǎn)量、稻谷產(chǎn)量、水果產(chǎn)量5個因子的年差值進行相關(guān)性分析，探索其農(nóng)業(yè)成因關(guān)系。結(jié)果表明，水田植被覆蓋度下降面積與糧食產(chǎn)量年差值呈中度負相關(guān)，與水果產(chǎn)量年差值呈中度正相關(guān)；水田植被覆蓋度下降程度與玉米播種面積年差值呈中度正相關(guān)；水田植被覆蓋度年差值與稻谷播種面積年差值、糧食產(chǎn)量年差值、稻谷產(chǎn)量年差值呈中度正相關(guān)，與水果產(chǎn)量年差值呈中度負相關(guān)（表3）。分析其原因與湖區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整有很大關(guān)系。由于近年來稻谷市場不景氣，湖區(qū)糧食播種面積持續(xù)減少，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植方向紛紛向效益高的瓜果類種植、稻田養(yǎng)魚蝦等方向傾斜，或者種植玉米等青飼料發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)。

對2000—2019年水田地類植被覆蓋度下降面積和下降程度與氣溫、日照時數(shù)、降水量等氣候因子的年差值進行相關(guān)性分析，探索其氣候成因。結(jié)果表明，水田植被覆蓋度下降面積、下降程度與5—8月降水量、降水量年差值均呈高度或中度負相關(guān)（表 4）。

2.2.2 人口聚集區(qū)植被覆蓋度下降成因分析 利用NPP_VIIRS數(shù)據(jù)分縣計算2012—2017年洞庭湖區(qū)燈光指數(shù)年差值和燈光面積年差值，并把燈光指數(shù)大于1的區(qū)域作為人口聚集區(qū)計算該區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度下降像元的面積年差值，再結(jié)合2012—2017年湖南省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)中各縣級行政區(qū)的地區(qū)生產(chǎn)總值、工業(yè)主要營業(yè)收入、房屋建筑竣工面積的年差值，從植被覆蓋度下降面積以及下降程度2個角度來分析其與城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟快速發(fā)展之間的聯(lián)系。另外再與2000—2019年氣溫、日照時數(shù)、降水量等氣候因子的年差值進行相關(guān)性分析，探索其氣候成因。結(jié)果表明，燈光指數(shù)年差值、地區(qū)生產(chǎn)總值年差值與人口聚集區(qū)的植被覆蓋度下降面積分別呈高度和中度正相關(guān)（表5）；5—8月降水量、降水量年差值與人口聚集區(qū)的植被覆蓋度下降面積均呈高度負相關(guān)（表 6）。

表3 2000—2019年水田的植被覆蓋度下降與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)

表4 2000—2019年水田的植被覆蓋度下降與氣候因子的相關(guān)系數(shù)

表5 2012—2017年人口聚集區(qū)的植被覆蓋度下降與經(jīng)濟、城鎮(zhèn)化進程和燈光指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

表6 2000—2019年人口聚集區(qū)的植被覆蓋度下降與氣候因子的相關(guān)系數(shù)

2.2.3 洲灘濕地植被覆蓋度下降成因分析 計算2000—2019年洲灘濕地植被覆蓋度下降面積和下降程度，并與該時間段內(nèi)洞庭湖年平均水體面積、洞庭湖年最大水體面積、溫度、日照時數(shù)、降水量的年差值及人為因素6個因子進行性關(guān)性分析，探索其成因關(guān)系。由于人類盲目開墾，大面積種植楊樹、蘆葦?shù)热藶楦蓴_，會導(dǎo)致物種生物多樣性下降、地力衰退、土壤旱化、地下水位降低［10］，為了恢復(fù)洞庭湖濕地的生態(tài)功能，湖南省自2017年7月開始全面清理洞庭湖自然保護區(qū)核心區(qū)內(nèi)的歐美黑楊，因此人為因素主要考慮歐美黑楊砍伐面積的影響。

由表7可知，洞庭湖水體面積減小、氣溫上升、日照時間增多會造成洲灘濕地植被覆蓋度下降面積增加；各因子對洲灘濕地植被覆蓋度下降面積的影響為年平均水體面積＞年平均氣溫＞日照時數(shù)＞最大水體面積＞年降水量＞楊樹砍伐面積；楊樹砍伐面積與植被覆蓋度下降面積呈中度負相關(guān)（表7）。洞庭湖水體面積減小以及氣候變化的影響，容易造成大范圍洲灘濕地植被覆蓋度下降。如2006年洞庭湖水體面積為2000—2019年最小值，造成洲灘濕地植被覆蓋度下降面積達87%（2000—2019年下降面積第二大值）；2004年洞庭湖區(qū)日照時數(shù)達2000—2019年第二大值，造成洲灘濕地植被覆蓋度下降面積達89%（2000—2019年下降面積最大值）。

洞庭湖水體面積增加、日照時數(shù)減少、降水量增加、氣溫下降會造成洲灘濕地植被覆蓋度下降程度增加；各因子對洲灘濕地植被覆蓋度下降程度的影響為年平均水體面積＞最大水體面積＞日照時數(shù)＞年降水量＞年平均氣溫；楊樹砍伐面積與植被覆蓋度下降程度無關(guān)（表7）。根據(jù)曾光明等［11］的研究，濕地植被在夏季易于被淹沒，使NDVI下降，因此該區(qū)域的植被覆蓋度與水體面積變化關(guān)系密切，當(dāng)水位超過24 m以上部分濕地植被被水淹沒，造成植被覆蓋度下降。

洲灘濕地植被覆蓋度下降面積和下降程度相關(guān)系數(shù)為-0.699，呈負相關(guān)，兩者變化的氣候驅(qū)動因子是相反的；洲灘濕地植被覆蓋度下降面積與氣候變化、水體面積變化都有關(guān)系，而下降程度與水體面積變化關(guān)系更為密切。該結(jié)論使圖1的情況得到合理解釋，三峽蓄水期間的豐水年，上游來水被截留，洞庭湖水體面積并沒有像往年那樣增加，使得洲灘植被未被湖水淹沒而使植被覆蓋度下降，失去了水體面積變化影響的洲灘濕地，植被覆蓋度變化與其他地類變化趨同。

表7 2000—2019年洲灘濕地的植被覆蓋度下降與不同因子的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

洞庭湖區(qū)2000—2019年植被覆蓋度下降區(qū)域主要集中在水田、人口聚集區(qū)和濕地地類。水田地類植被覆蓋度下降的主導(dǎo)氣候影響因子是5—8月降水量；人為因素主要是湖區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，導(dǎo)致水田地類植被覆蓋度的下降。人口聚集區(qū)植被覆蓋度下降的主導(dǎo)氣候影響因子也是5—8月降水量；人為因素主要是地區(qū)生產(chǎn)總值、燈光指數(shù)，人口聚集、經(jīng)濟快速發(fā)展等。洲灘濕地植被覆蓋度下降面積與溫度、日照時數(shù)、降水量3個氣候因子以及水體面積變換都有密切聯(lián)系；下降程度與水體面積變化關(guān)系更密切，但三峽蓄水會減輕這種影響；楊樹砍伐會對洲灘濕地植被覆蓋度下降面積產(chǎn)生影響。