秦巴山地植被覆盖度时空动态特征研究——以陕西省宁强县为例

秦巴山地植被覆盖度时空动态特征研究——以陕西省宁强县为例

王志杰1,2，苏嫄3

(1.贵州大学 生命科学学院， 贵州 贵阳 550025；2.陕西理工学院 历史文化与旅游学院， 陕西 汉中 723000；3.陕西理工学院 文学院， 陕西 汉中 723000)

[摘要]以位于陕南秦巴山地的宁强县为研究对象，利用宁强县1990年、2000年和2010年的TM遥感图像，运用基于归一化植被指数的像元二分模型法，提取并分析了宁强县近20年来植被覆盖度的时空动态变化特征。结果表明：宁强县近20年来植被覆盖整体较好，均大于78%，且植被覆盖度整体略有上升；近20年来，宁强县植被覆盖经历退化和恢复两个时期。1990—2000年，为宁强县植被覆盖退化期，近一半乡镇植被覆盖度出现不同程度降低；2000—2010年，为宁强县植被覆盖恢复期，各覆盖度等级面积以增加为主；2010年宁强县仍有11个乡镇植被覆盖度较1990年有所降低，今后应继续加强植被恢复、保护和建设，保障南水北调中线水源地生态环境的质量。

[关键词]植被覆盖度；时空动态；遥感；秦巴山地

[文章编号]1673-2944(2015)05-0060-06

[中图分类号]S127； X87

收稿日期：2015-03-24

基金项目：陕西理工学院科研基金资助项目(SLGKYQD2-32)

作者简介：王志杰(1986—)，男，甘肃省会宁县人，陕西理工学院讲师，博士，主要研究方向为区域环境的演变监测与评价、遥感与GIS应用。

植被不仅为动植物提供必不可少的栖息地，而且通过对陆地表面的保护、气候的改善、生态过程的维持以及生物多样性的保护等提供重要的生态系统服务功能[1]。植被覆盖度作为植被的直观量化指标，对水文、生态、全球变化等都具有重要意义[2-3]。关于植被覆盖度的测量，随着遥感技术的不断发展，利用遥感数据提取植被覆盖度的方法近年来得到学界的广泛研究和应用。与传统的地表实测法比较，由于遥感测量法基于空间数据连续，在大中尺度区域具有一定的优势，因此近年来备受关注[4]。特别是源于定量遥感线性光谱混合模型的混合像元分解法[5]，因其经济方便，且可以利用不同时相的遥感影像估算植被覆盖度，适于植被覆盖度的动态监测研究而得到较为广泛的应用[3]。实际应用中，研究者大多利用基于归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)的像元二分模型进行区域植被覆盖度的提取和植被信息的动态监测[6-8]。

宁强县位于陕西省西南部的秦巴山区，是汉江的发源地，属南水北调中线工程水源区，也是丹江口库区及上游水土保持工程项目县。宁强县植被覆盖的动态变化在一定程度上反映着水土保持治理的成效，其植被覆盖的优劣也直接关系到汉江上游流域的水质和生态环境质量，对南水北调中线工程的运行具有重要影响。鉴于此，本研究以宁强县1990年、2000年和2010年Landsat-5 TM遥感图像为基本数据源，运用基于NDVI的像元二分模型，提取宁强县3个时相的植被覆盖度，并利用GIS空间分析技术，分析了近20年来，宁强县植被覆盖度的时空动态变化特征，以期明确该地区植被恢复与建设的效果，揭示植被覆盖度的时间和空间变化规律，为今后该地区及南水北调中线水源地生态环境保护和建设提供科学依据。

1材料与方法

1.1　研究区概况

宁强县位于陕西省西南部、汉中市西部，坐标介于105°20′10″—106°35′18″E、32°37′06″—33°12′42″N之间，总面积3 282.73 km2。境内分属嘉陵江、汉江两大长江支流，嘉陵江贯穿该县南北，汉江发源于该县北部，水资源极为丰富，有“三千里汉江第一城”之美誉。中低山区地貌，北属秦岭山地，大部分海拔1 000～1 600 m；南属大巴山山系，大部分海拔1 000～1 800m。该区地处我国南北过渡的中间地带，特殊的地理位置决定了其气候的独特性：西部属于北亚热带季风气候区，东部为北亚热带与暖温带过渡地域；气候温和，雨量充沛，四季分明。据2005年统计资料，全区年平均气温在13.5~15 ℃，年降水量655~1 100 mm，年日照时数1 395~1 729 h。土壤以黄棕壤为主，成土母质以页岩、千枚岩为主，质地疏松，透水性好，抗冲蚀能力差。全县坡耕地量大，大于25°的坡耕地占耕地面积的52.77%。再加上长期乱垦滥伐，全县水土流失面积共有2 071 km2，占总面积的63.9%，平均土壤侵蚀模数为4 642 t/(km2·a)，属中度侵蚀。水土流失类型以水力侵蚀为主，兼有重力侵蚀，且面蚀严重。该县属南水北调中线工程水源区，也是目前实施的丹江口库区及上游水土保持工程项目县[9-10]。

1.2　数据源

本文选取1990年、2000年和2010年3个时相的Landsat-5 TM卫星遥感图像为基本遥感数据源，图像空间分辨率为30 m×30 m，且3个时相的遥感图像成像时间接近(均处于7—9月之间)，植被处于同一物候期，植被覆盖度的时空动态变化具有可比性，图像质量良好。所有遥感图像均来源于国际科学数据镜像网站(http://www.gscloud.cn/)，并已完成辐射校正和几何粗校正。坐标系统为WGS_1984_UTM_Zone_48N,遥感图像基本特征见表1。另外，非遥感数据还包括研究区1∶50 000地形图和行政区划图等资料和数据，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。

表1　遥感图像数据的基本特征

1.3　数据处理与方法

1.3.1　遥感图像预处理

由于研究区的完整遥感图像需要相邻2景遥感图像(行列号分别为129/37和128/37)拼接方能实现，因此研究以ERDAS 9.2软件为数据处理平台，首先以研究区1∶50 000地形图为标准参照，分别对3期遥感图像(共6景遥感图像)采用二次多项式方法进行几何精校正，校正时像元重采样采用双线性内插法，像元大小为30 m×30 m，校正精度控制在1个像元内。然后将同一时相的两幅遥感影像采用mosaic功能进行拼接，进而利用研究区行政区划边界进行裁剪，得到研究区3个时相的遥感图像。

1.3.2　植被覆盖度信息提取

植被覆盖度是指植物的枝、茎、叶在地面的垂直投影面积所占统计区域总面积的百分比[11]，是衡量地表植被状况的一个最重要的指标。传统的植被覆盖度提取方法是通过野外实际观测，但该方法对于大面积植被覆盖度的获取而言较为困难。近年来，随着遥感技术的迅速发展，应用遥感影像计算的植被指数估算植被覆盖度作为一种新兴的方法，得到了广泛的应用。本研究中植被覆盖度的提取以基于NDVI的像元二分模型方法进行，计算公式为

(1)

(2)

式中：ρNIR为近红外波段的反射率，ρR为红光波段的反射率，NDVI为归一化植被指数，fg为植被覆盖度，NDVIsoil为无植被覆盖区域的NDVI值，即无植被像元的NDVI值；NDVIveg代表被植被完全覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值。其中NDVIsoil和NDVIveg值的提取方法为选取只有一种土地利用方式和一种土壤类型的NDVI图像内累计频率为5%的NDVI指数作为NDVIsoil值，选取累计频率为95%的NDVI指数作为NDVIveg值[2]。

植被覆盖度的提取在ENVI 5.1软件平台上运用Band math功能实现，并对计算得到的植被覆盖度数据，依照水利部《土壤侵蚀分类分级标准》中关于植被覆盖度的分级标准，划分为≤10%、10%~30%、30%~45%、45%~60%、60%~75%和≥75%这6个等级，进而在ArcGIS 10.2软件平台上得到研究区植被覆盖度分级图(图1)。

图1　宁强县1990年、2000年和2010年植被覆盖度等级分布图

2结果与分析

2.1　植被覆盖度总体变化特征

从宁强县3个不同时期的植被覆盖图分析可以看出，宁强县1990年、2000年和2010年的平均植被覆盖度分别为78.48%、78.05%和79.12%。整体而言，宁强县植被覆盖良好，且略有增长趋势。从不同植被覆盖度等级的面积分布比例也可以看出(表2)：V级(60%~75%)和VI级(≥75%)的覆盖度等级面积均占3个时期植被覆盖度的90%乃至95%以上。各覆盖度等级的面积比例动态变化显示，1990—2000年的10年间，大于60%的V级和VI级覆盖度等级面积比例略有下降，降幅分别约1.3%和0.9%；30%~60%间的III级和IV级覆盖度等级面积比例均略有增加，减幅分别为0.3%和2.9%；同时，10%~30%的II级覆盖度等级面积比例也出现减少趋势，减幅约0.1%。这反映出1990—2000年间，宁强县植被有被破坏的现象发生，高覆盖度等级和低覆盖度等级面积比例均出现减小趋势，这一时期为宁强县的植被覆盖的退化期。2000—2010年的10年间，2010年宁强县小于75%的II、III、IV和V级覆盖度等级面积比例较之2000年均有不同程度的减少，而≥75%的VI级覆盖度等级面积较之2000年有较大幅度增长，增幅约3.5%，反映出2000—2010年间宁强县植被恢复效果较好，高覆盖度等级面积显著增长，而中低覆盖度等级面积有不同程度减小，即这一时期为宁强县植被覆盖的恢复期。

表2　1990年、2000年和2010年宁强县不同植被覆盖度等级的面积比例

2.2　不同植被覆盖等级的时间变化特征

从不同植被覆盖度等级的转移面积统计可以发现：1990—2000年间(表3)，除VI级植被覆盖等级外，I级—V级植被覆盖度等级分别有0.09 km2、5.85 km2、8.1 km2、54.72 km2和342.83 km2的区域植被覆盖度均有所上升，约占到1990年各对应植被覆盖度等级的50%~90%(V级的植被覆盖增加面积占1990年V级植被覆盖等级面积的36%)；而各植被覆盖度等级在上升的同时，也有部分呈降低的趋势，I级—IV级植被覆盖度等级的面积有近5%~15%的面积降低，而V级和VI级植被覆盖度等级分别有114.72 km2和390.60 km2的面积有所退化，退化面积分别占1990年两个等级面积的12%和17%。总体而言，1990—2000年间，各级植被覆盖度等级升高的面积约411.59 km2，而等级降低的面积约有511.96 km2，即植被覆盖退化的面积约大于植被覆盖升高的100 km2，且以V级和VI级的植被退化面积最大，而其它各等级的植被覆盖整体以增长为主。

表3　1990—2000年不同植被覆盖度等级面积转移矩阵　　(单位：km 2)

而在2000—2010年间(表4)，除VI级植被覆盖度等级外，其他各植被覆盖度等级的升高面积占到2000年各自对应覆盖度等级总面积的约80%以上(V级植被覆盖度等级的升高面积占2000年V级总面积的37%)，而各植被覆盖等级面积的减小比例均小于5%。VI级植被覆盖度等级降低的面积比例最大，也仅占2000年VI级植被覆盖度等级面积的10%。总体上，2000—2010年，各植被覆盖度等级的增长面积达到495.12 km2，而植被覆盖等级降低的面积近274.12 km2，约是增加面积的一半，这也说明这十年来，植被覆盖有大幅增加，植被覆盖状况整体好转。

表4　2000—2010年不同植被覆盖度等级面积转移矩阵　　(单位：km 2)

2.3　植被覆盖度的空间变化特征

比较宁强县26个乡镇在1990—2010年间植被覆盖度的变化特征可以发现(图2)：1990—2000年间，县域内的广坪镇、安乐河乡、燕子砭镇、苍社乡、太阳岭乡、巨亭乡、曾家河乡、巩家河乡、庙坝乡、大安镇、代家坝镇、阳平关镇和胡家坝镇等13个乡镇的平均植被覆盖度呈减小趋势，减幅在0.24%~4.02%之间，其中安乐河乡、燕子砭镇、苍社乡和太阳岭乡4个乡镇的减幅较大，均大于3%；植被覆盖度减小的乡镇主要集中在宁强县的西部和北部。其他13个乡镇的平均植被覆盖度均有不同程度的增加，增幅在0.04%~2.45%之间，其中以南部的巴山镇增幅最大，为2.45%。这说明在1990—2000年的10年间，宁强县近一半的乡镇植被有被破坏的现象发生，植被覆盖有退化的趋势。

图2　宁强县各乡镇植被覆盖度空间变化特征

2000—2010年间，仅青木川镇、黄家坝乡、巨亭乡、曾家河乡、代家坝镇和舒家坝乡这6个乡镇的植被覆盖度有减小的趋势，减幅在0.39%~2.20%之间，其中巨亭乡、曾家河乡和代家坝镇3个乡镇的植被覆盖度自1990年以来的近20年间呈持续减小趋势，较之1990年，这3个乡镇在2010年的植被覆盖度减幅分别达到2.36%、2.17%和3.33%，而其它20个乡镇的植被覆盖度在2000年之后均有不同程度的增加，这也进一步说明2000年之后，宁强县的植被覆盖整体上有所好转。

宁强县各乡镇的植被覆盖在经历了1990—2000年间的退化期和2000—2010年的恢复期，在2010年，广坪镇、安乐河乡、燕子砭镇、苍社乡、太阳岭乡、黄坝驿乡、巨亭乡、曾家河乡、代家坝镇、阳平关镇和舒家坝乡这11个乡镇的植被覆盖度较之1990年依然有所减小，因此，今后应继续加强植被恢复和建设，以保证植被覆盖的持续增加。

3结论与讨论

为探明秦巴山地植被覆盖度的动态变化特征，本文以位于南水北调中线水源地的秦巴山区宁强县为研究对象，以遥感和GIS技术为基础，运用基于NDVI的像元二分模型法，对宁强县1990年、2000年和2010年的植被覆盖度进行了计算和时空动态变化特征分析，研究得到如下结果：

宁强县近20年来(1990—2010年)植被覆盖度整体较好，均大于78%，并且植被覆盖度整体上略有上升趋势。

1990—2000年间，为宁强县植被覆盖的退化期，近一半乡镇的植被覆盖度出现不同程度的降低，且以植被覆盖度大于60%的高覆盖度等级退化较为严重，这说明该时期人类活动依然较明显地破坏着该区域的植被覆盖，高植被覆盖区的植被遭到破坏与砍伐，导致植被退化；2000—2010年间，为宁强县植被覆盖的恢复期，全县6个乡镇植被覆盖度有所减小，其他20个乡镇植被覆盖度均有不同程度的升高，且各覆盖度等级面积均以增加为主，植被覆盖状况整体好转，这反映出国家实施的一系列生态环境治理工程(“退耕还林(草)”工程、“丹治”工程等)取得明显成效[12-13]。

在经历了植被的退化和恢复两个时期后，2010年宁强县依然有11个乡镇的植被覆盖度较之1990年有所降低，今后应继续加强植被恢复、保护和建设，如在植被覆盖持续退化的乡镇继续大力推进“退耕还林(草)”工程建设，加强封山育林、严禁放牧等植被保育管理；对于植被覆盖较好和植被覆盖转好的乡镇，应重点进行植被防护，确保植被覆盖的稳定增长。同时，应着力加强全县植被覆盖的生态服务功能价值的提升，以切实保障该县作为南水北调中线工程水源地的生态环境质量。

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[责任编辑：李 莉]

Spatial-temporal dynamic changes of vegetation coverage in Qinba mountains region ——Taking Ningqiang County as an Example

WANG Zhi-Jie1,2,SU Yuan3

(1.College of Life Science, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2. School of History and Tourism, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China;3.School of Chinese and Literature, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Abstract:Vegetation coverage, as a visual quantitative vegetation indicator, has great significance for hydrology, ecology and global change, etc. In this study, taking the Ningqiang County as the research object andthe TM remote images in 1990, 2000 and 2010 as the basic data sources, we have extracted and analyzed the spatial and temporal dynamic changes of vegetation coverage in the Ningqiang County in the last 20 years. The results show that: 1) During the last 20 years, the vegetation coverage of Ningqiang County has been larger than 78%, and it was slightly higher in 2010 than in 1990. 2) the vegetation coverage of the Ningqiang County has experienced the degradation and recovery periods during the last 20 years. Between 1990 and 2000, it was the degradation period with the vegetation coverage in nearly half of the townships decreasing. between 2000 and 2010, it was the recovery period with the area of every level of coverage ranks increasing. 3) The vegetation coverage of 11 townships in 2010 was still smaller than that in 1990. Therefore, great efforts should be furthered in the vegetation restoration, protection and construction in the future, so as to guarantee the quality of the ecological environment of the water source of south-to-north water diversion project.

Key words:vegetation coverage;spatial-temporal dynamic features;remote sensing;Qinba mountains region