基于MODIS-NDVI的连江流域植被覆被及空间格局变化分析*

王兮之,梁钊雄

(佛山大学资源环境系,广东佛山528000)

植被覆盖作为地球表层的自然状态,是全球环境变化中许多自然、生态过程的一个重要变量[1-2]。植被覆盖及其空间格局变化对流域生态水文过程及其生态环境效应起着至关重要的作用。近年来随着遥感对地观测技术的快速发展,国内外应用遥感技术进行了大量植被覆盖变化的研究[3-8]。利用高时间分辨率影像获取土地覆被信息,通过分析时间序列植被指数来实现,归一化植被指数(NDV I)是其中较常用的植被监测指标,因此NDV I常被直接或间接用于研究植被覆盖变化研究[9-10]。

在中国大部分地区植被活动显示增强而珠江流域植被活动减弱的趋势下[6],连江流域植被覆盖及时空格局是如何变化?连江流域地处西南岩溶区东缘的粤北,是我国南方土地石漠化的主要区域之一。喀斯特环境是一种脆弱的生态环境,不仅成土慢、土被不连续、土层浅薄、土壤蓄水性差、地表干燥,对植被生长不利,而且在外部条件作用下生态系统很容易发生逆向演替[11]。过去的近30年,随着社会经济的飞速发展,该地区的土地利用/土地覆盖发生了较大的变化。一方面随着国家“退耕还林、还草”等相关政策的实施,整体自然环境得到了局部的改善;另一方面,由于地处喀斯特生态脆弱地带,日益加剧的人类活动对自然的影响加剧了石漠化的扩张以及水土流失,进一步加剧了植被退化。

基于RS与GIS技术,以珠江下游的连江流域为研究对象,应用250 m空间分辨率的MODISNDV I最新的全球植被指数变化数据,对该流域2001-2008年冬季的植被覆盖空间格局及时间序列变化进行综合分析,阐明连江流域植被覆盖变化的整体状况,以期为该流域进行岩溶区植被覆盖变化的水文、气候、生态环境效应的研究奠定基础。

1 研究区概况

连江流域位于东经 112°10′-113°18′,北纬 24°09′-25°07′,面积为 10 061 km2,是珠江水系两个主要支流之一北江的第一大支流,地处粤北地区西部。流域地处我国亚热带湿润区的南亚热带季风气候区,年均气温19～20℃,多年平均降雨量为1 770 mm。连江全长275 km,河道平均坡降0.77%,集水面积100 km2以上的支流有30条[12]。流域石灰岩山区约占流域面积的60%,岩溶与非岩溶地形相互交错,呈现典型喀斯特地貌。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

遥感数据采用美国LPDAAC(Land Process Distributed Active A rchiveCenter)提供的MODIS植被指数产品MOS13Q1,该数据为250 m分辨率的16 d合成植被指数(NDV I)。NDV I对于叶绿素含量比较敏感,更好地反映植被的冠层结构[13-14],研究使用2001-2008年1月份共8个时相冬季的NDVI数据。流域范围的确定是根据地形数据SRTM(Shuttle Radar Topography M ission),该测量数据覆盖中国全境,分辨率为90 m,可以在 ftp://e0m ss21u.ecs.nasa.gov/srtm/地址免费获取。

2.2 研究方法

应用SRTM数据并借助A rcGIS的水文分析模块功能,确定连江流域及其子流域边界;对MODIS-NDVI数据进行密度分割分类,植被指数按照0～0.2,0.2～0.4,0.4～0.6,0.6～0.8,0.8～1.0的植被指数范围进行分区[15],即划分为低植被覆盖区、较低植被覆盖区、中度植被覆盖区、较高植被覆盖区和高植被覆盖区 5种植被覆盖类型;利用FRAGSTAT景观格局分析软件,从景观水平和类型层次上对获得植被覆盖类型数据进行空间格局分布及其动态特征分析。

3 结果分析

3.1 流域植被覆盖变化

由图1与图2可知,连江流域2001-2008年1月植被覆盖以中度和较高植被覆盖区为主。低植被覆盖区所占面积数量很小且相对稳定;较低植被覆盖区面积数量由2001年412.04 km2增加到2008年的755.24 km2;中度植被覆盖区面积增加明显,年均增长率约为4.1%且年际间起伏变化较大;较高植被覆盖区面积减少显著,年均递减率约为2.2%且年际间起伏变化也较大;高植被覆盖区面积数量由2001年775.96 km2减少到2008年的363.03 km2。总之,近8年来连江流域的植被覆盖呈总体退化趋势,即较高与高植被覆盖区面积减少而中度与较低植被覆盖区面积增加。这一结果与王兆礼等[6]结论一致且对其结果的后续变化给予了进一步的确定。

图1 连江流域2001-2008年植被覆盖面积变化

3.2 流域植被覆盖空间格局变化特征

用景观格局指数描述区域空间格局及变化是景观生态学最常用的定量化研究方法[16]。本研究在类型水平上选取斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、分维数(PAFRAC)、散布与并列指数(IJI)、相似邻接比(PLADJ)和聚集度(AI);景观水平上选取斑块数、景观形状指数、分维数、连通度(CONTAG)、散布与并列指数、多样性(SHDI)、均匀性(SHEI)和聚集度对2001-2008年连江流域植被覆盖区的空间格局进行分析。

3.2.1 类型水平空间格局特征 斑块数和最大斑块指数可以反映景观的破碎化程度,由表1可以看出8 a来,各类植被覆盖类型变化差异明显。低植被覆盖区的斑块数与斑块最大面积指数变化相对较小,表明该类斑块相对比较稳定;较低与中度植被覆盖区的斑块数减少,斑块最大面积指数增加,说明这两种类型斑块向大型化发展,破碎程度减低;较高植被覆盖区的斑块数增加,斑块最大面积指数减少,表明该类型斑块向小型化发展且破碎程度增加;高植被覆盖区的斑块数减少,斑块最大面积指数也减少,说明该类型斑块向大型化发展且破碎程度增加。

图2 连江流域2001-2008年植被覆盖面积变化

表1 连江流域2001-2008年类型水平斑块数与最大斑块指数

景观形状指数和分维数分别反映的是景观斑块的复杂程度和稳定性,由表2可知2001-2008年,低与较低植被覆盖区的景观形状指数和分维数变化起伏相对较小,说明这两种类型斑块的复杂程度和稳定性变化不明显;中度、较高和高植被覆盖区的景观形状指数和分维数都有较显著的减少趋势,表明这三种类型斑块的复杂程度不断减小且稳定性也呈下降趋势。

相似邻接比与聚集度指数都反映斑块的聚散性,斑块要素在其分布区内越丛生、越聚集,则斑块的结合度就越大。由表3可知8 a来,低和较低植被覆盖区的相似邻接比与聚集度指数较小,说明这两种类型斑块分散度大、连接性差;中度植被覆盖区的相似邻接比与聚集度指数最大且略有增长,表明该类斑块的聚集程度最高且呈继续增加的趋势;较高与高植被覆盖区的相似邻接比与聚集度指数保持相对稳定,表明这两种类型斑块分散度与连接性基本不变。

表2 连江流域2001-2008年类型景观形状指数与分维数

表3 连江流域2001-2008年类型水平相似邻接比与聚集度指数

散布与并列指数测量的是与某要素相邻的其它要素数量多少,以此反映不同景观要素空间分布关系[16],其值越高,则与该要素相邻的要素越多。从图3可以看出2001-2008年,低与较高植被覆盖区的散布与并列指数较高但下降很显著,即这两种类型的斑块与其它斑块之间交错分布的机会减少,空间关系趋于简单化,与较低高植被覆盖区的情况类似;中度植被覆盖区的散布与并列指数较高且增加,表明该类斑块与其它斑块之间交错分布的机会较大且有进一步增加的趋势;高植被覆盖区的散布与并列指数很低且略有减少,说明该类斑块与其它斑块之间交错分布的机会较小且有进一步减少的趋势。

3.2.2 景观水平空间格局特征 连江流域景观水平上的景观指数如表4所示,定量反映了整个研究区的总体景观空间格局与变化特征。景观破碎化可以用斑块数和连通度来反映,从表4可知,2001-2008年连江流域景观斑块总数减少,连通度略有增加,同时散布与并列指数减少和聚集度增加,都从不同的侧面表明了整个区域的破碎程度减少,连通性提高;景观形状指数和分维数分别表明了景观斑块的复杂程度和稳定性。从表4可以看出2001-2008年,连江流域的形状指数降低了5.817 4,分维数也降低了0.039 5,说明8 a来景观整体的复杂程度在减少,稳定性也在减弱;多样性和均匀度指数反映区域空间结构的异质性特征,2001-2008年连江流域多样性和均匀度都有所增加,表明整个区域的景观异质性也逐渐提高,景观向多样化和均匀化方向发展。

图3 连江流域2001-2008年类型水平散布与并列指数

表4 连江流域2001-2008年景观水平指数变化

4 结论与讨论

连江流域近8 a来的植被覆盖呈总体退化趋势,主要表现为较高与高植被覆盖区面积减少而中度与较低植被覆盖区面积增加。从景观水平上分析,连江流域的破碎程度减少即连通性提高,同时整个流域的景观异质性在逐渐提高,景观向多样化和均匀化方向发展。类型水平上各类景观要素在破碎化程度、复杂性和稳定性、聚集性、空间分布关系方面变化差异显著,其中较高与中度植被覆盖空间特征变化对整个流域空间格局动态起决定性作用。植被覆盖分布及其空间格局动态变化与相关环境要素之间的响应,以及对流域生态水文过程影响需要进一步深入研究。如何利用长时间序列及年内时间变化遥感数据,分析NDVI时空变化特征与降水、温度、径流等的相关性,即研究流域植被覆盖变化所引起的水文、气候及其生态环境效应,将对连江流域水资源管理及其石漠化治理具有重要的现实意义。

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