陕西省丹江流域NDVI分布及其与土地利用的关系

张军,贾春蓉,李鹏,唐辉

(1.西安理工大学水利水电学院,710048,西安;2.西华师范大学国土资源学院,637009,四川南充)

陕西省丹江流域NDVI分布及其与土地利用的关系

张军1,2,贾春蓉2,李鹏1†,唐辉1

(1.西安理工大学水利水电学院,710048,西安;2.西华师范大学国土资源学院,637009,四川南充)

植被覆盖是陆地生态系统的主体,研究植被空间分布格局与土地利用之间的关系,对于生态环境保护和水土流失防治具有积极意义。以南水北调中线工程水源地,丹江流域为研究对象,利用MODIS 250m NDVI数据,结合地理信息系统技术,对丹江流域NDVI等级分布图和DEM图叠加,得到NDVI在不同海拔、坡度和坡向等地形因子的分布情况,并且与土地利用进行相关分析。结果表明:1)丹江流域NDVI平均值为0.84,表明流域植被覆盖较好。高植被覆盖分布于流域边缘高山区,东北和东南较集中;中植被覆盖分布于丹江流域河道两侧川塬区和低山区,西北和南部较集中;低植被覆盖位于丹江流域川道区,呈点和线状分布。2)不同海拔和坡度,植被覆盖面积呈单峰分布,平地的植被覆盖面积接近0;不同坡向植被覆盖面积差异不明显。3)除坡向外,不同海拔和坡度,高、中植被覆盖与耕地、林地和草地显著相关;不同地形因子下,低植被覆盖与建设用地和水域显著相关。丹江流域植被覆盖度与人类活动范围呈逆向分布,说明人类活动对植被分布影响较大;优化土地利用,适当增加林地覆盖面积,有利于提高丹江流域的水土保持功能。

丹江流域;NDVI;地形因子;土地利用

植被是连接大气、土壤和水分等自然要素的纽带,在水土保持、大气调节以及整个生态系统稳定性中,扮演了一个重要的角色[1-3],而植被空间格局不仅影响生态系统结构和功能[4],还反映土壤侵蚀与水土流失情况[5-6];因此,植被格局成为研究区域生态系统结构和防治水土流失的关键。传统植被调查方法耗费大量人力、物力,且时效性差,难以对大尺度植被分布进行监测[7]。遥感(remote sensing,RS)技术的迅速发展,为植被覆盖监测提供了一个新的发展方向[8-9],而归一化植被指数[10-13](normalized difference vegetation index,NDVI)通过植被对光合有效辐射吸收能力,反映地表植被的繁茂程度,已成为研究植被格局的重要方法[14-16]。陈斌等分析了雅鲁藏布江流域植被格局与NDVI分布的空间响应关系[17]。M.L.Costantini等使用NDVI对Volcanic Lake流域植被格局进行研究,并分析了混交林潜在的脆弱性[18]。程圣东等分析了文安驿流域植被覆盖与地貌因子之间的关系[5]。

丹江流域作为南水北调中线工程的水源地,其生态环境问题一直备受关注[19]。前人为此做了大量研究,例如:陈磊等分析了丹汉江流域土地利用时空变化[20];王星等对丹汉江流域退耕地恢复过程中植被演替规律进行了研究[21];马彩虹等采用NDVI数据,分析了汉江流域植被年和季节变化趋势[22];李小燕等分析了汉江流域NDVI与水热指数的时空变化关系[23]。然而,在丹江流域分析不同地形因子条件下,植被格局分布及其与土地利用关系的报道还不多;因此,本文以丹江流域为研究对象,利用MODIS-NDVI数据,基于数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)生成地形因子,应用(Geographic Information System,GIS)叠加分析植被空间分布特征。在此基础上,探讨植被覆盖度与土地利用之间的关系,为保持流域植被覆盖、优化土地利用结构和生态环境保护提供参考,为防止水土流失、保护水源区提供依据。

1 研究区概况

陕西省丹江流域位于E 109°30＇～111°1＇,N 33°12＇～34°11＇之间,干流长243.5 km,流域面积7 510 km2,年平均径流量17.1亿m3,年平均输沙量400万m3[24]。地形西北高、东南低,最高为丹江源头凤凰山,最低为丹江干流河谷出境处,相对高差达到1 700m左右。属于亚热带和温带气候,多年平均气温为7.8～14℃,无霜期为200 d左右。多年平均降雨量为750～850 mm[24],其中7—9月份占全年降水量的50%。土地利用类型以耕地、林地和草地为主。流域内主要农作物有玉米(Zea mays L.)、小麦(Triticum aestivum Linn.)和马铃薯(Solanum tuberosum L.);林地以侧柏(Platycladus orientalis (L.)Franco)、栎树(Quercus Linn.)和松树(Pinus tabulaeformis Carr.)等乔木为主;草本植物主要有茅草(Imperata cylindrica(Linn.)Beauv.)、鬼针(Bidens bipinnata L.)等。

2 材料与方法

2.1数据来源与处理

本文数据为MODIS中国NDVI合成产品(分辨率为250m)和DEM(分辨率为30 m),数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http:∥www.gscloud.cn)。2010年丹江流域土地利用数据来源于陕西省国土资源局。

首先,利用ArcGIS9.3水文分析工具,提取丹江流域DEM图;然后通过DEM图裁剪,获得丹江流域NDVI。采用国际通用的最大值合成法(Maximum Value Compositing,MVC),生成年NDVI值,目的是消除云、大气和太阳高度角等因素的干扰,保证地表植被覆盖状况的真实性[25-26]。

式中:INDVI为最大合成NDVI值;INDVIj为第j时段的NDVI值,本文INDVIj为2010年各月数据。

2.2分析方法

根据已有研究[27],并结合研究区域实际情况,将NDVI值划分为:低植被覆盖(INDVI≤0.65)、中植被覆盖(0.65＜INDVI≤0.85)和高植被覆盖(INDVI＞ 0.85)3个植被覆盖等级,反映植被的覆盖程度。

在ArcGIS9.3平台下,以丹江流域DEM图为基础,利用空间分析工具,分别提取高程、坡度和坡向等地形因子,生成高程、坡度和坡向等专题图。以各地形因子为基础,结合流域自然地貌特征,对地形因子进行分级(表1),生成地形因子分级专题图。最后,将各地形因子分级专题图与植被覆盖等级图进行空间叠加,分析植被覆盖度的地形特征分布。同时,采用Spearman相关分析,研究在不同地形因子下,植被覆盖和土地利用类型的相关性,具体分析在SPSS16.0软件中,选择“Analyze”—“Correlate”—“Bivariate Correlate”完成。

表1　地形因子分级体系Tab.1 Grade system of topographic factors

3 结果与分析

3.1丹江流域植被空间分布基本特征

图1　丹江流域NDVI空间分布图Fig.1 Spatial distribution of NDVI in Dan River Watershed

2010年丹江流域植被的空间分布特征见图1。丹江流域高植被覆盖面积占总面积的45.19%,分布于流域边缘高山地区,以及东北和东南丘陵沟谷区;中植被覆盖面积占总面积的53.67%,分布于丹江流域川源和低山地区,西北和南部较集中;低植被覆盖面积占总面积的1.14%,主要分布于丹江流域川道地区,呈点和线状分布。丹江流域地形西北高、东南低,最高为凤凰山,海拔1 964m,最低为丹江干流河各出境处,海拔210 m,相对高差达到1 754 m[24]。地形特征的差异,导致丹江流域自然条件出现垂直分异和水平变化[28]。垂直分异表现为一定海拔内,降雨量随海拔增高而增加,温度降低,引起土壤、植被和人类活动等随高度发生相应变化。水平变化表现在西北和东南方向上,湿润状况存在明显差异,即西北部比东南部更加湿润,出现西北部以森林为主,东南部以疏林、荒坡草灌为主的景观格局[29];然而,丹江流域这种垂直分异和水平变化犬牙交错、互相结合。近年来,由于上游地区植被破坏,林地退化严重,而中游丘陵沟谷区地势陡峭反而植被变得茂盛。可见,人类活动对丹江流域植被格局的影响显著。丹江流域不同地形因子NDVI平均值变化(表2)也表明:丹江流域NDVI平均值随海拔和坡度的增加而增加,且当坡度达到20°～25°时,其值趋于稳定;而在不同坡向上,除平地NDVI平均值较低外,其余坡向差异较小。

表2　不同地形因子的NDVI平均值Tab.2 Average NDVI value under different topographic factor

3.2植被覆盖度的海拔分布特征

植被覆盖度海拔分布特征见图2(a)。可以看出,不同植被覆盖度面积在海拔上呈单峰分布,高、中、低3个等级最大植被覆盖面积分别出现在海拔1 000～1 200,800～1 000和400～600 m,且海拔1 000～1 200m以下以中植被覆盖为主,以上以高植被覆盖为主,说明随海拔增高,植被覆盖越好。这主要是由于丹江流域相对高差较大,降雨量随海拔增加而增加,森林垂直分带明显。浦蕾等[30]的研究也表明,陕南植被NDVI与降雨存在正相关。从植被类型来看,海拔600～1 000 m为暖温半干旱性落叶阔叶林,1 000～1 500 m为温暖半湿润性松栎林, 1 500m以上为温和湿润性针阔叶混交林;而海拔400～600m为川道地区,城镇和水域集中,特别是商南—丹江盆地位于该区域,是导致植被覆盖较低的原因。

3.3植被覆盖度的坡度分布特征

植被覆盖度的坡度分布特征见图2(b)。可以看出:高、中植被覆盖面积在坡度上呈单峰分布,低覆盖面积呈递减分布。高、中最大植被覆盖面积分别出现在20°～25°和15°～20°,且以20°～25°为分界线,小于该坡度以中覆盖面积占主导,大于该坡度以高覆盖面积为主。主要是由于2007—2010年,“丹治”一期水土流失治理项目,取得了明显的生态、经济和社会效益。其次,国家大力推行的退耕还林(草)政策,禁止开垦25°以上陡坡地,使丹江流域生态环境得到很大改善。此外,随着坡度的增加,土地利用类型由建设用地和耕地向草地和林地转变,也是导致植被覆盖随坡度增加而增加的原因。

图2　植被覆盖度在不同海拔(a)、坡度(b)和坡向(c)的分布特征Fig.2 Distribution feature of vegetation coverage in different altitude(a),slope-degree(b),and slope-direction(c)

3.4植被覆盖度的坡向分布特征

植被覆盖度的坡向分布特征见图2(c)。可以看出,在平地,高、中、低植被覆盖面积几乎为0,而其他坡向上植被覆盖面积的大小为中覆盖＞高覆盖＞低覆盖。从不同坡向植被覆盖面积变化来看,中植被覆盖面积,阳坡和阴坡所占比例几乎相同,高植被覆盖面积,阳坡(52.02%)略高于阴坡(47.98%)。可能是因为丹江流域年降水量和光照条件阳坡均优于阴坡[29],导致阳坡植被多样性和植被覆盖度优于阴坡。例如:北坡800m以下为疏林、灌丛,仅有少量的侧柏林,而南坡1 000 m以下,为北亚热带常绿落叶混交林,主要树种有麻栎、侧柏等。低植被覆盖面积,阴坡高于阳坡,可能是由于低覆盖面积主要位于海拔较低、坡度平缓地区,阳坡光照条件好,建筑用地所占面积较大。

3.5植被覆盖度与土地利用类型的关系

植被覆盖度能反映植被生长状况,而土地利用能反映植被的水土保持功能;因此,本文对不同地形因子下,土地利用与植被覆盖进行相关分析。由表3可见,地形因子不同时,低植被覆盖与建设用地显著相关,说明道路和城市建设等人类活动,是导致植被覆盖较低的主要因素。海拔和坡度不同时,高、中植被覆盖区与耕地、草地和林地显著相关。可见这3种土地利用类型是丹江流域植被主要覆盖方式。从各相关系数数值来看,农地与中植被覆盖度的相关性大于高植被覆盖度,而林地正好相反,草地与中、高植被覆盖的相关性都很高。根据丹江流域土地利用类型统计,农地、林地和草地面积分别占流域总面积的21%,35%和41%。表明土地利用类型对植被覆盖的贡献度存在差异,草地的贡献最大,林地次之,耕地最小。罗伟祥等[31]研究认为,林地对径流和泥沙的拦蓄作用要大于草地;因此,在丹江流域长期规划中,应适当增加林地覆盖面积,合理搭配林地、草地和耕地三者之间的比例,以保持流域良好的植被覆盖,同时,又有利于提高植被的水土保持功能。此外,在不同坡向下,中、高植被覆盖度与土地利用类型的相关性不显著,说明坡向对植被覆盖度和土地利用类型的影响较小。

表3　丹江流域植被覆盖度与土地利用类型的相关性Tab.3 Correlation between land-use and vegetation coverage in Dan RiverWatershed

4 结论

本文利用MODIS 250-m NDVI数据,结合GIS技术,对在不同地形因子下,丹江流域植被覆盖的空间分布进行分析,并探讨它与土地利用类型之间的关系,得到如下结论:

1)丹江流域以中、高植被覆盖面积为主,NDVI平均值为0.84,生态环境较好。高覆盖分布于流域边缘地区,东北和东南较集中;中覆盖分布于流域川塬、低山区,西北、南部较集中;低覆盖位于流域川道区,呈点、线状分布。

2)海拔不同时,NDVI均值呈上升状态。高、中、低植被最大覆盖面积分别出现在1 000～1 200, 800～1 000和400～600m。坡度不同时,NDVI均值先呈上升状态,到20°～25°后趋于稳定,高、中植被覆盖面积比例呈单峰分布,低植被覆盖呈递减分布, 20°～25°后,高植被覆盖面积大于中植被覆盖面积。坡向不同时,平地的NDVI均值最小,面积几乎接近于0,而其他坡度NDVI均值以及高、中、低覆盖面积比例变化均不明显。

3)除坡向外,海拔、坡度不同时,高、中植被覆盖与耕地、林地和草地显著相关(P＜0.05)。地形因子不同时,低植被覆盖度与建设用地、未利用地和水域显著相关(P＜0.05)。

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NDVI spatial distribution and its correlation w ith land-use in Dan River W atershed of Shaanxi Province

Zhang Jun1,2,Jia Chunrong2,Li Peng1,Tang Hui1

(1.College ofWater Resources and Hydraulic Power,Xi＇an University of Technology,710048,Xi＇an,China; 2.College of Land and Resources,China West Normal University,637009,Nanchong,Sichuan,China)

[Background]Vegetation coverage is the main body of terrestrial ecosystem.Detecting the spatial distribution pattern of vegetation and its correlation with land-use will benefit the regional ecological environment protection and soil erosion control.[M ethods]In this study,taking the Dan RiverWatershed,the water source of themiddle route of the South to North Water Diversion Project,as the research area,MODIS 250-m NDVI data and GIS technology were used to obtain spatial distribution features of the different NDVIdegree in the case of elevation,slope-degree and slope-direction via overlap of distribution maps of NDVI and topographic factors maps extracted from digital elevation model. Finally,the correlation between NDVI and land-use types was analyzed.[Results]The results showed that:1)The average NDVIvalue was 0.85,which indicated that the ecological environmentwas fine in Dan River Watershed.The high vegetation coverage distributed in marginal areas of watershed,and relatively concentrated in northeast and southeast;while themiddle vegetation coverage distributed in low mountain,and relatively concentrated in northwest and south.Low vegetation coverage distributed in theDan River valley as point and linearway,especially in city area.2)At the different elevation and slopedegree,the distribution of area percent of high and middle vegetation coverage was assumed as single peak.The vegetation coverage area percentwas proximal zero in the flat.The vegetation coverage area in the case of different slope-directions was not different dramatically.3)Except different slope-direction, at different elevation and slope-degree,the high and middle vegetation coverages were significantly correlated with farmland,forestland and grassland.Moreover,low vegetation coveragewas significantly in correlation with construction land and waters in the different topographic factors.[Conclusions]Some conclusions have been obtained that the degree of vegetation coverage showed obvious revese distribution characteristics with human activities range in Dan RiverWatershed,which indicated that human activities had a great impacton vegetation distribution Optimization of land use structure and appropriate increase of area were beneficial to improve the soil and water conservation function of Dan River Watershed.

Dan RiverWatershed;normalized difference vegetation index;topographic factors;land-use

Q948.2;P942

A

1672-3007(2016)02-0067-07

10.16843/j.sswc.2016.02.009

2015-06-29

2016-01-05

项目名称:国家自然科学基金重点项目“黄土高原生态建设的生态-水文过程响应机理研究”(41330858)

张军(1979—),男,博士研究生。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:zhang822@yeah.net

简介:李鹏(1974—),男,博士,教授。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:lipeng74@163.com