寧都縣植被覆蓋度變化及其對地形因子的響應(yīng)分析

焦 雄，郭忠錄，郝好鑫

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 水土保持研究中心，湖北 武漢 430070)

植被具有截留降雨、減緩徑流、防風固沙、保水固土等功能，植被覆蓋的多少是影響地表徑流的重要指標之一。植被覆蓋度(VFC)是指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比[1]，是衡量地表植被狀況的重要指標。在山地丘陵的生態(tài)研究中，地形分異主要體現(xiàn)在高程、坡度和坡向上[2]，了解不同地形的植被分異，有助于政府因地制宜地制定水土保持和生態(tài)環(huán)境保護政策。寧都縣地屬南方紅壤區(qū)，土層含較多粉砂和細砂，質(zhì)地疏松，近年來因城市建設(shè)擴張和土地整治，部分地區(qū)植被覆蓋低下，造成了嚴重的水土流失。進行植被覆蓋度時空變化及與地形因子關(guān)系的研究，有助于了解該區(qū)域的植被動態(tài)變化趨勢及其在不同地形上的特征，明確植被退化的區(qū)域，有針對性地進行水土流失防治，這對當?shù)氐纳鷳B(tài)保護和水土保持有著重要意義。

1 研究區(qū)概況

寧都縣是江西省贛州市市轄縣，位于江西省東南部，贛州市北部，地理位置為26°05′18″～27°08′13″N、115°40′20″～116°17′15″E，總面積4 053.16 km2。年平均氣溫14～19 ℃，北部山區(qū)低，南部丘陵、河谷地區(qū)高。年平均降水量在1 500～1 700 mm之間，大致北部多、南部少，東部多、西部少。地處南方紅壤區(qū)，土壤類型復(fù)雜多樣，以地帶性紅壤為主，還有山地黃壤、黃棕壤、紫色土、潮砂土、石灰土、黃泥土和水稻土等。土地利用類型以耕地、林地和草地為主，植被類型主要有針葉林、闊葉林、灌叢和灌草叢等，植被覆蓋度較高，植物種類多，生物多樣性豐富。

2 研究材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

兩期Landsat系列遙感衛(wèi)星圖，均來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，其中2010年數(shù)據(jù)是選擇9月份云量較少的30 m分辨率Landsat TM5遙感影像圖，2017年數(shù)據(jù)是選擇9月份云量較少的30 m分辨率Landsat OLT8遙感影像圖；寧都縣30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)從國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http://www.geodata.cn/)獲得。本研究主要利用ENVI 5.3對兩期遙感影像進行大氣校正等預(yù)處理、解譯及植被反演，結(jié)合ArcGIS 10.2對數(shù)據(jù)進行疊加分析，并通過Origin 2017進行圖表繪制與相關(guān)分析。

2.2 地形因子的分級與提取

江西寧都縣最低海拔154 m，最高海拔1 416 m，利用ArcGIS對高程柵格數(shù)據(jù)按照150 m為間隔將寧都縣高程劃分為9個高程帶，寧都縣70%以上國土面積在海拔150～450 m之間，地區(qū)海拔較低；以22.5°為間隔將研究區(qū)域坡向劃分為5個等級，即平面、陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡，其中陽坡與半陽坡構(gòu)成的向陽坡面積比例為51.96%，陰坡與半陰坡構(gòu)成的向陰坡面積比例為47.93%，總體分布均衡；根據(jù)寧都縣地形變化及其植被分布情況，借鑒水土流失調(diào)查中采用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法[3]，經(jīng)過ArcGIS重分類，將區(qū)域坡度變化劃分為平緩坡地(0°～5°)、緩坡地(5°～8°)、斜坡地(8°～15°)、陡坡地(15°～25°)、急坡地(25°～35°)、險坡地(>35°)6個等級，其中平緩坡地和斜坡地是寧都縣的主要地形。

2.3 像元二分模型

像元二分模型[4]是混合像元分解中最簡單的模型，能很好地削弱土壤、大氣等對植被指數(shù)的影響，它的原理是假設(shè)遙感圖像中每個像元所包含的地表光譜信息由植被和土壤兩部分組成，那么任一像元的信息由這兩部分線性合成，各因子的權(quán)重是各自的面積在像元中所占的比例，植被覆蓋度(VFC)即是植被的權(quán)重。計算公式[5]為

(2)

式中：NDVI為像元的歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil為裸土的植被指數(shù)；NDVIveg為純植被覆蓋的植被指數(shù)；VFC為植被覆蓋度。

由于不可避免存在噪聲，NDVIveg和NDVIsoil一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值。置信度的取值主要根據(jù)圖像實際情況來定，在這里我們選取累計百分比為5%和95%的置信區(qū)間所對應(yīng)的植被指數(shù)最小最大值計算VFC[6]。參照前人對植被覆蓋度等級的劃分標準[7]，結(jié)合前面的VFC估算值，將寧都縣的植被覆蓋度分為低覆蓋度(VFC≤0.1)、中低覆蓋度(0.1

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度變化

3.1.1 植被覆蓋度年際變化

根據(jù)前文植被覆蓋度分級標準， 利用ArcGIS進行重分類， 得到寧都縣植被覆蓋度等級圖(圖1)。 統(tǒng)計計算2010和2017年各覆蓋度等級植被面積及其比例，結(jié)果見表1。

圖1 2010和2017年植被覆蓋度等級分布

表1 2010和2017年各植被覆蓋度等級面積及比例

由圖1我們可以看出，寧都縣2010—2017年間植被覆蓋度總體上相對增加，植被覆蓋度較高的區(qū)域主要分布在寧都縣西北部、西部、東部及南部少部分區(qū)域，中部為縣中心，建筑用地比例較大，因此植被覆蓋度相對較低。通過表1我們可以看出，2010和2017年寧都縣植被覆蓋度均以中高覆蓋度和高覆蓋度等級為主，2010年中覆蓋度等級以上面積占比為79.75%，2017年中覆蓋度等級以上面積占比高達90.79%，有明顯增加，增幅為11.04百分點。

植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣能很好地定量反映地表植被的變化特征與過程，直觀地說明植被覆蓋的空間變化程度。在本研究中，利用ENVI 5.3中的變化檢測模塊對兩期植被覆蓋度等級圖進行計算，計算結(jié)果導(dǎo)入Excel，整理得到2010—2017年寧都縣各植被覆蓋度等級的轉(zhuǎn)移矩陣，見表2。

表2 2010—2017年各植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)移矩陣

由表2可知，寧都縣2010—2017年各植被覆蓋度等級都發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)移，低覆蓋度和中低覆蓋度等級向中高覆蓋度及高覆蓋度等級轉(zhuǎn)移506.44 km2，而中高覆蓋度及高覆蓋度等級向低覆蓋度和中低覆蓋度等級共轉(zhuǎn)移113.01 km2，中覆蓋度等級向中高覆蓋度和高覆蓋度等級共轉(zhuǎn)移534.61 km2，向中低覆蓋度和低覆蓋度等級共轉(zhuǎn)移86.82 km2。總體上，區(qū)域內(nèi)高覆蓋度等級的面積相對增加841.22 km2，且高覆蓋度等級未發(fā)生轉(zhuǎn)移面積達到1 265.19 km2?？梢钥闯?，寧都縣2010—2017年高覆蓋度等級面積是明顯增加的，主要從中高覆蓋度以下等級轉(zhuǎn)化而來。

3.1.2 植被覆蓋度變化趨勢分析

為了凸顯寧都縣的植被覆蓋度空間變化情況，本研究基于ArcGIS，運用影像差值計算的方法，將2010和2017年兩個時期的植被覆蓋度相減，得到了植被覆蓋度差值結(jié)果，并根據(jù)前人的研究對植被變化進行分級[8]，得到了寧都縣2010—2017年植被變化趨勢圖，見圖2。同時，對結(jié)果進行統(tǒng)計，計算出了各等級面積比例，見表3。

圖2 2010—2017年植被變化趨勢

表3 2010—2017年植被覆蓋度等級變化面積及比例

結(jié)合圖2和表3可以看出，2010—2017年寧都縣的植被覆蓋度變化明顯，整體上看，有將近40%的區(qū)域基本保持不變，植被退化的區(qū)域面積共有549.86 km2，約占13.57%，改善面積為1 892.49 km2，約占46.69%。植被改善的區(qū)域主要集中在寧都縣的東北、東部及西南部等部分地區(qū)，而退化的部分主要分布在寧都縣中部城區(qū)及部分進行土地整治的區(qū)域。總體來看，改善面積大于退化面積，植被覆蓋度還是相當高的，但是植被退化情況也是顯著可見的，主要原因可能是這些年中部城市用地擴增，以及地屬南方紅壤區(qū)，土層中含粉砂和細砂較多，土層較薄，是崩崗主要發(fā)生區(qū)域，出現(xiàn)了嚴重的水土流失。

3.2 植被覆蓋度與地形因子的相關(guān)性

3.2.1 植被覆蓋度與高程的關(guān)系

為了清楚地表現(xiàn)植被覆蓋度與高程之間的關(guān)系，本研究通過ArcGIS將高程柵格數(shù)據(jù)與植被覆蓋度數(shù)據(jù)進行疊加分析，并進行分區(qū)統(tǒng)計，結(jié)果見圖3。由圖3可看出，2010年植被覆蓋度隨高程增加先升高后降低，2017年則隨高程增加呈雙峰變化趨勢，整體上兩期植被覆蓋度隨高程增加呈先升高后降低的趨勢。這表明植被覆蓋度隨著海拔上升先是增加的，隨著海拔繼續(xù)升高，受溫度、降雨、土壤等因素的影響，植被覆蓋度開始下降。2010年植被覆蓋度平均值在0.4～0.8之間，且在海拔750～1 050 m范圍內(nèi)最高，在海拔150～300 m范圍內(nèi)最低；2017年植被覆蓋度平均值在0.60～0.85之間，在海拔450～750 m范圍內(nèi)為最高，在海拔1 350～1 500 m范圍內(nèi)最低。可以看到，在海拔450～1 050 m范圍內(nèi)兩期植被覆蓋度都很高，表明寧都縣植被主要分布在該高程范圍內(nèi)。

圖3 2010、2017年各高程帶植被覆蓋度均值分布

3.2.2 植被覆蓋度與坡度的關(guān)系

將寧都縣兩期植被覆蓋度分級圖與坡度分級圖疊加分析、分區(qū)統(tǒng)計，結(jié)果見圖4。

整體上看，寧都縣2017年植被覆蓋度大于2010年，且隨著坡度增大植被覆蓋度也逐漸增加。平緩坡地植被覆蓋度最小，2010年為0.28左右，2017年為0.23左右；2010和2017年植被覆蓋度最高的坡度類型均為險坡地，分別為0.78和0.81。結(jié)合前面的坡度分級，坡度在0°～8°和25°以上，也就是平緩坡地到緩坡地和急坡地到險坡地之間，植被覆蓋度變化較大，說明植被覆蓋度在0°～8°和25°以上受坡度影響較大。從圖4中可以看出，植被覆蓋度平均值在緩坡地至急坡地之間受坡度影響較小。

圖4 2010、2017年各坡度植被覆蓋度均值分布

3.2.3 植被覆蓋度與坡向的關(guān)系

將寧都縣兩期植被覆蓋度分級圖與坡向分級圖疊加分析、分區(qū)統(tǒng)計，結(jié)果見圖5。

圖5 2010、2017年各坡向植被覆蓋度均值分布

從圖5可以看出，區(qū)域植被覆蓋度平均值整體表現(xiàn)為2017年大于2010年，兩期植被覆蓋度平均值與坡向的關(guān)系大致呈隨坡度增加植被覆蓋度逐漸升高的趨勢。2010、2017年兩期都是平面的植被覆蓋度最小，分別為0.28和0.24；陽坡植被覆蓋度最大，分別為0.6和0.7左右。由圖5還可看出，兩期中平面到陰坡植被覆蓋度平均值變化量都很大，中高以上植被覆蓋度平均值都集中在陰坡到陽坡之間，向陽坡(半陽坡和陽坡)植被覆蓋度總和要多于向陰坡(陰坡和半陰坡)，因為向陽坡陽光充足，溫度適中，有利于植被生長，向陰坡則陽光較少，溫度偏低，不太利于植被生長。這說明區(qū)域植被覆蓋度受坡向的影響明顯。

4 結(jié) 論

本研究基于寧都縣DEM數(shù)據(jù)和遙感衛(wèi)星影像，提取了研究區(qū)的高程、坡度、坡向和兩期植被覆蓋度，重點分析了2010—2017植被覆蓋度動態(tài)變化及其與不同地形因子的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，寧都縣植被覆蓋度整體以中高覆蓋度和高覆蓋度為主，2017年覆蓋度整體比2010年高，尤其是高覆蓋度面積有很大的增加，主要是由2010年中高覆蓋度以下等級轉(zhuǎn)化而來；從植被覆蓋度變化趨勢分析看，2010—2017年各植被覆蓋度等級都有不同程度的退化和改善，改善總面積大于退化總面積；植被覆蓋度變化受地形因子影響比較明顯，且對不同地形因子響應(yīng)程度不同。寧都縣2010、2017年植被覆蓋度總體上都是隨著高程增加而呈先升高后降低的趨勢，這與湯巧英等[9]在延河流域的研究結(jié)果相似；寧都縣不同時期向陽坡的植被覆蓋度均比向陰坡的高；2010和2017年植被覆蓋度均隨坡度的增加呈現(xiàn)升高趨勢，在平緩坡地到緩坡地(0°～8°)和急坡地到險坡地(25°以上)之間，植被覆蓋度變化較大，在緩坡地到急坡地之間植被覆蓋度變化不明顯。