張 靜 朱夢娜 宋佳佳 宋辛辛* 王譽璐

(鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院,河南 鄭州450044)

1 概述

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一部分,是生態(tài)系統(tǒng)變化的指示器[1]。在土壤侵蝕、水文、養(yǎng)分流失等地表物質(zhì)遷移過程中發(fā)揮著重要作用,它通常用于研究植被與地表物質(zhì)遷移的關(guān)系,以表征植被覆蓋空間分布的復(fù)雜性、覆蓋度及變化特征,同時也是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中植被覆蓋度是衡量植物群落覆蓋地表狀況和生態(tài)環(huán)境狀況的一個綜合量化指標(biāo)[2-4],該指標(biāo)在水文、氣象、生態(tài)等方面或全球性的研究中起著越來越重要的作用[5,6]。獲取區(qū)域地表植被覆蓋狀態(tài),對于揭示地表植被變化及植被動態(tài)變化趨勢,分析、評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。

精確測算植被覆蓋度對了解區(qū)域環(huán)境狀況非常重要,但傳統(tǒng)的基于地面樣方的植被覆蓋度估算方法既費時又費力、且精度不高,已無法適應(yīng)和滿足區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)動態(tài)監(jiān)測的需要。遙感等信息技術(shù)的發(fā)展,特別是對地觀測技術(shù)的迅速發(fā)展和高分辨率商業(yè)衛(wèi)星的投入使用,為研究區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境提供了新的技術(shù)手段,利用多波段、多時相遙感影像數(shù)據(jù)監(jiān)測植被覆蓋狀況已成為國內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點。

植被覆蓋度的研究方法有地表實測法和遙感檢測法。地表實測法通常作為一種較小范圍內(nèi)植被覆蓋度監(jiān)測和較大范圍內(nèi)植被覆蓋度檢測的遙感監(jiān)測輔助手段,并為遙感監(jiān)測提供相關(guān)數(shù)據(jù),其中包括目估法[7]、采樣法[8]、儀器法、模型法等；在大、中尺度的區(qū)域研究中,遙感方法是監(jiān)測全球和區(qū)域植被變化的有效手段,利用遙感數(shù)據(jù)與方法分析植被的覆蓋變化具有獨特的優(yōu)勢[1],遙感監(jiān)測是通過不同衛(wèi)星多時段、多波段對地觀測,為研究植被覆蓋度創(chuàng)造條件,常用方法有回歸模型法[9]、植被指數(shù)法[10]和像元分解模型法[11]等。其中,武娜[1]等人在植被遙感監(jiān)測研究中指出：利用遙感進(jìn)行植被監(jiān)測的數(shù)據(jù)中,以歸一化植被指數(shù)應(yīng)用最廣泛,它能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化,且NDVI 能夠精確地反映植被綠度、光合作用強變,反映植被代謝強度及其季節(jié)和年際變化。

黃河小浪底水利樞紐工程是黃河干流三門峽以下唯一能夠取得較大庫容的控制性工程,為國家“八五”重點建設(shè)項目。小浪底水庫的建設(shè)、建成與投入使用對周邊植被的演替和恢復(fù)帶來一系列的顯著影響。本文基于地理信息系統(tǒng)平臺,利用多時相遙感影像數(shù)據(jù),根據(jù)歸一化植被指數(shù)定量分析小浪底水庫運行前后庫區(qū)植被覆蓋度時空分布變化,以期了解小浪底水庫的運行對當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w影響狀況及存在的問題,并由此提出應(yīng)對措施。

2 研究區(qū)概況

小浪底工程位于河南省洛陽市孟津縣與濟源市之間,1991年4 月動工興建,主體工程于1994 年9 月12 日正式開工,1997年10 月28 日小浪底工程順利實現(xiàn)大河截流。2000 年11 月30日大壩主體全部完工。2001 年12 月31 日,工程全部竣工。2002年至2008 年,小浪底工程先后通過了安全技術(shù)鑒定、工程及移民部分竣工初步驗收和水土保持、環(huán)境保護(hù)、勞動安全衛(wèi)生等專項驗收,并于2009 年4 月7 日竣工驗收。本文以河南省境內(nèi)小浪底水庫及其周邊縣市為研究區(qū)域,涉及陜縣、洛寧縣、澠池縣、宜陽縣、新安縣、濟源市、孟津縣、孟州市、沁陽市、溫縣、博愛縣、鞏義市、原陽縣、中牟縣等20 個縣(市)區(qū),經(jīng)緯度范圍跨度為東經(jīng)111.12°-114°,北緯32.72°-35.16°,見圖1。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

圖1 研究區(qū)域范圍示意圖

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)小浪底工程修建及運行時間段,選用1987-2020年時間跨度為33 年的遙感影像數(shù)據(jù),即1987 年、1989 年、1993年、2002 年、2008 年、2016 年、2018 年、2020 年(共計8 年,6-10月份)植被生長季、云量較少的多景Landsat 影像為主要數(shù)據(jù)源,數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)。

3.2 研究方法

本研究根據(jù)植被指數(shù)估算原理,通過對像元二分模型[10,12,13,14]的推導(dǎo),建立歸一化植被指數(shù)[12,13,15](Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)模型,目的對小浪底水庫運行前后庫區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行遙感估算。

首先,對八個時段影像做預(yù)處理(包括輻射定標(biāo)、去云層和條帶處理、掩膜統(tǒng)計、大氣校正、鑲嵌及裁剪等),利用ENVI5.3軟件根據(jù)NDVI 計算流程得出研究區(qū)植被指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。若統(tǒng)計數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常值,則對植被指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果再做去除異常值處理,然后分別取累積概率為5%和90%的NDVI 值作為NDVImin和NDVImax。

根據(jù)公式(1)計算像元的植被覆蓋度：

其中Fg表示此像元的植被覆蓋度(植被覆蓋面積所占的比例),NDVImin和NDVImax分別是區(qū)域內(nèi)最小和最大的NDVI 值,由于不可避免存在噪聲,NDVImin和NDVImax一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值。

當(dāng)NDVI 小于NDVImin時,Fg取值為0；NDVI 大于NDVImax,Fg取值為1；介于兩者之間的像元使用上式計算。

然后利用Band Math 流程化工具,輸入公式(2)進(jìn)行植被覆蓋度計算。最后得到單波段的植被覆蓋度圖像文件,再借助于ARCGIS10.6 制作植被覆蓋度分級圖。

4 研究結(jié)果

4.1 植被覆蓋度時空變化

本文研究結(jié)果取NDVI 指數(shù)置信度區(qū)間為5%和90%,得到NDVImin和NDVImax參數(shù)結(jié)果,見表1 所示。

表1 NDVI 指數(shù)置信度區(qū)間為5%和90%參數(shù)

根據(jù)上表可得到8 期研究區(qū)域植被覆蓋度統(tǒng)計圖,為了更加直觀地反應(yīng)植被覆蓋情況,根據(jù)等級劃分對應(yīng)表2,對植被覆蓋度進(jìn)行分級統(tǒng)計,得到植被覆蓋度分級圖,見圖2。

表2 植被覆蓋度等級劃分表[16]

由圖2 可知,1987-2020 年小浪底周邊植被覆蓋的時空變化情況,1987-2008 年西部和西南部裸地和低等植被覆蓋區(qū)域的面積逐漸減少,2008-2020 年東部河口地區(qū)裸地和低等植被覆蓋區(qū)域的面積逐漸增多；1987-1993 年小浪底水庫內(nèi)部和黃河水域均有明顯的植被覆蓋面積增加,但在2002-2020 年水庫內(nèi)部及黃河水域呈現(xiàn)無植被覆蓋和低等植被覆蓋,如圖2。

自小浪底水庫修建運行起,水庫季節(jié)性蓄水,改善水庫周邊局部小氣候。西部、西南部多丘陵山地,為植被生長提供光熱水等自然資源條件, 表現(xiàn)在1987-2008 年西部和西南部植被覆蓋面積增多且逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)等植被覆蓋。2008-2020 年研究區(qū)域下游河口地區(qū)裸地和低等植被覆蓋范圍擴大,由于上游水庫長期蓄水,水體攜帶泥沙量發(fā)生變化,營養(yǎng)物質(zhì)被攔截,水流下瀉流速發(fā)生變化,水溫降低,地下水位抬升,土壤水鹽運動發(fā)生變化,土地水漬化、鹽堿化加重,不利于農(nóng)作物、林木等植被的生長。小浪底水庫建成后,上游河道由原來的河道型轉(zhuǎn)變?yōu)楹葱?水流速度減慢,自凈能力減弱。蓄水后,水庫內(nèi)部的土壤中含有化肥農(nóng)藥等有機污染物、工程及生活殘留垃圾浸沒在水底,導(dǎo)致水體水溫分層、水質(zhì)下降、水分鹽度增高、自凈含氧能力下降,因此水庫內(nèi)部及黃河水域植被減少,甚至成為無植被覆蓋即裸地。

4.2 不同植被覆蓋度面積變化

為了定量分析研究區(qū)域植被覆蓋度變化情況,本文利用ARCGIS10.6 對植被覆蓋度分級圖做重分類,并利用字段計算器,根據(jù)像元個數(shù)及單個像元面積,對植被覆蓋度進(jìn)行面積統(tǒng)計,見表3。

表3 植被覆蓋度面積統(tǒng)計表 單位：平方千米

圖2 1987-2020 年植被覆蓋度分級圖

由表3 可知：1987-2020 年小浪底流域周邊的優(yōu)等植被覆蓋面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低等植被覆蓋面積；其中,優(yōu)等植被覆蓋面積在1989 年達(dá)到次高峰,面積達(dá)到10342.5 平方千米,2008 年面積最大為14856.5 平方千米,2016 年面積最小,為5891.4 平方千米；整體來看,優(yōu)等植被覆蓋區(qū)域的面積自1987 年開始呈現(xiàn)波動起伏,在1987-1989 年、1993-2008 年、2016-2020 年均呈上升趨勢,在1989-1993 年、2008-2016 年呈下降趨勢；同時中等植被覆蓋和良等植被覆蓋區(qū)域的面積沒有明顯的變化；2016-2020 年裸地和低植被覆蓋區(qū)域面積要比1987-2008 年要高?；趩尾ǘ沃脖桓采w度圖像文件,本文利用ENVI5.3 軟件,對植被覆蓋度圖像像元值進(jìn)行基本數(shù)理統(tǒng)計分析,得到1987-2020 年單波段影像的均值,見圖3。

圖3 平均植被覆蓋度變化趨勢圖

1987-1993 年平均植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢,且1989-2018年平均植被覆蓋度低于1987 年,但在1993-2020 年均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。根據(jù)小浪底工程修建與運行時期已有相關(guān)研究分析得出,1991 年9 月小浪底前期工程動工興建,工程建在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的淺山丘陵地帶,植被稀少、巖石裸露、地處溝壑且河谷狹窄。前期工程興建,庫區(qū)及周邊動土開挖導(dǎo)致地表植被破壞、河流植被面積及河濱植被減少、生物多樣性降低,水庫淹沒區(qū)和浸沒區(qū)使得原有植被死亡；在后期蓄水運行中,局部地區(qū)地下水位抬升,出現(xiàn)土壤沼澤化、鹽堿化,抑制植被生長,因此在1993-2008 年平均植被覆蓋度沒有明顯的變化,相對較低。

小浪底工程在2001 年全部竣工,2002-2008 年前后實現(xiàn)各項驗收。小浪底水庫正常運行后,“庫區(qū)效應(yīng)”增加了周邊的空氣濕度,局部地區(qū)干燥度降低,降水增多,氣溫升高,無霜期日數(shù)增加,使得光熱水等生產(chǎn)潛力有了很大提高,生態(tài)環(huán)境向著良性發(fā)展,在一定程度上促進(jìn)植被生長,因此在1993-2020 年,小浪底庫區(qū)植被覆蓋度均有增加。介玉娥[17]等在研究小浪底水庫蓄水后氣候變化對生態(tài)及農(nóng)業(yè)上的影響研究上同樣也指出：小浪底水庫的蓄水對庫區(qū)降水量有明顯的增加,平均增幅為16.9%,庫區(qū)及周邊的溫度也呈增加趨勢。

小浪底工程在建設(shè)初期,河南省內(nèi)小浪底流域及周邊的平均植被覆蓋度有一定的減少,但在后期的運行中,對植被覆蓋度的提升起到了一定的積極作用。同時在2016 年開始,裸地和低等植被覆蓋區(qū)域相對擴大,優(yōu)等植被覆蓋區(qū)域相對集中,需要進(jìn)一步加強植被建設(shè),盡可能減少水庫建設(shè)運行對植被環(huán)境生長的弊端。

5 結(jié)論

本文根據(jù)植被的光譜特征,利用遙感植被解釋,通過獲取多時相、多尺度的遙感影像數(shù)據(jù),連續(xù)監(jiān)測河南省境內(nèi)小浪底庫周的多年植被覆蓋度,從而得出區(qū)域植被覆蓋度時空變化圖,定量分析了小浪底水庫運行對庫區(qū)植被覆蓋度情況的影響,并得出以下主要結(jié)論：

5.1 小浪底水庫建成初期,季節(jié)性蓄水,改善了西部和西南部光熱水資源條件,促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)林等植被生長；但水庫下游區(qū)域由于長期蓄水,帶來一定的弊端,抑制區(qū)域內(nèi)植被生長。

5.2 自小浪底水庫正常運行投入使用起,小浪底流域優(yōu)等植被覆蓋面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于低等植被覆蓋面積,且優(yōu)等植被覆蓋區(qū)域多集中在西部及西南部；平均植被覆蓋面積自1993 年至2020年呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,說明小浪底水庫后期的穩(wěn)定運作有利于植被生長。

5.3 小浪底水庫運行對河南省內(nèi)小浪底流域的植被覆蓋度的提升起到了一定的積極作用,但目前還需要加強區(qū)域植被生態(tài)建設(shè)；應(yīng)及時采取相應(yīng)的措施減少水庫運行帶來的弊端,以恢復(fù)植被生長。