黔中水利枢纽区植被覆盖度时空变化及驱动力分析——以平坝为例

蒋 翼, 周忠发, 黄登红

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院/地理与环境科学学院, 贵阳 550001；2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地, 贵阳 550001)

植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover, FVC)是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[1]，是指示地表植被覆盖的一个重要指标和描述生态系统的基本指标[2]。植被是全球陆地生态系统中的重要组成部分[3]，陆地生态系统的任何变化必然在植被类型、数量或质量方面有所响应。因此，区域及全球范围的植被覆盖度估算对植被及相关领域的研究具有十分重要的意义[4]。

近年来，随着遥感技术的不断发展，遥感方法相较于传统的测量和估算方法具有实时、连续监测和监测范围广等明显优势[5]。不少学者利用MODIS-NDVI数据分析植被覆盖度的历年变化趋势及其对气候因子的响应关系[6-8]或探讨植被覆盖度的时空格局与人类活动的相关关系[9-13]；靖娟利等[14]以TM/ETM+影像为基础，分析了漓江流域植被覆盖度的时空变化特征，并结合地质数据分析了地质条件对植被覆盖度的影响；甘春英等[15]利用TM影像估算连江流域粤北喀斯特山区植被覆盖度，结合地质图分析了地质构造对植被覆盖度的影响；韩涛等[16]利用EOS/MODIS数据从面积变化和类型转换趋势方面分析石羊河流域甘肃省植被覆盖度时空格局演变；马琳雅等[17]利用Terra/MODIS月植被指数分析了不同等级的草地植被覆盖度时空分布特征及面积变化动态。将气候因子、地质条件、人类活动与植被覆盖度相结合的植被覆盖度相关研究较多，集成地形起伏度、海拔、坡度、土壤类型等驱动因子综合分析黔中水利枢纽区的植被覆盖变化研究较少。

黔中水利枢纽区位于中国西南喀斯特地区，工程性缺水严重，是典型的脆弱生态环境，也是中国乃至世界具有重要地理意义的典型地区[18]。黔中水利枢纽区东北部平坝县山地植被功能性破坏，逢恶劣天气易导致泥石流等山体滑坡，遇干旱时节则会溪水干枯、泥沙堆积，从而导致水源涵养功能降低或缺失。因此研究以平坝县为例，运用归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)和像元二分模型，估算2001年、2005年、2010年、2013年的植被覆盖度，探讨植被覆盖度与地形起伏度、海拔、坡度和土壤类型等因子的响应关系和时空变化规律，为平坝县水土保持提供科学理论依据，对黔中水利枢纽区生态环境保护具有重要意义。

1 研究区概况

平坝县地处黔中水利枢纽区东北部，属于贵州省安顺市，其地理位置为105°59′23″—106°34′3″E，26°15′16″—26°37′37″N，国土面积999 km2，共辖10个乡(镇、街道)，是安顺市的“东大门”。境内属于亚热带湿润型季风气候，气候温和，四季分明，降水充沛，年平均气温14.36℃，年平均降水量1 102 mm，年平均相对湿度87.93%。平坝县林地面积为395.42 km2,森林覆盖率为31.10%，有林地面积为140.10 km2，疏林地面积为2.03 km2，灌木林地面积为207.7 km2。境内水系发育，均属乌江水系，地层岩性以碳酸盐岩为主，土壤类型以黄壤、石灰土和水稻土为主(图1)。境内以高原平地为主体，整个地势中间低，四周高，平均海拔1 250 m，地貌类型为喀斯特高原盆地，独特的自然条件决定了该区生态环境的脆弱性。

图1 研究区土壤分布

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选取2001年、2005年、2010年、2013年Landsat TM/OLI影像，4期影像空间分辨率均为30 m，平均云量低于10%，数据质量良好，且数据获取时间均为9月，处于植被生长旺季，具有可比拟性，能满足研究需要。影像来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)。运用ENVI 5.3软件对数据进行预处理，主要包括配准、几何校正、图像增强和大气校正。采用GDEM提供的DEM数据(分辨率为30 m)，运用ArcGIS 10.1空间分析模块提取平坝县的地形起伏度、海拔和坡度。运用ArcGIS 10.1软件将平坝县1∶50万土壤类型图数字化，得到研究区土壤类型分布图。

2.2 归一化植被指数(NDVI)提取

植被指数是指从多光谱遥感数据影像中提取的有关地球表面植被状况的定量数据[5]。归一化植被指数(NDVI)是以距离为基础，基于物理知识，将大气、植被覆盖和土壤背景综合在一起考虑,并通过数学和物理及逻辑经验及通过模拟不断发展而成的植被生长状态及植被覆盖度最佳指示因子[19]。归一化植被指数NDVI的计算公式为:

NDVI=(NNIR-R)/(NNIR+R)

(1)

式中：NDVI为归一化植被指数；NNIR为近红外波段的亮度值；R为红波段的亮度值。

运用公式(1)计算可得到4期平坝县的NDVI图像。NDVI值在(-1，+1)之间，植被覆盖越好即NDVI值越大。

2.3 估算植被覆盖度

本研究中利用像元二分模型估算植被覆盖度，像元二分模型对影像辐射校正影响不敏感，计算简便、结果可靠[15]。基本原理是假定一个像元信息S只由植被和土壤两部分所贡献，分别记为Sveg和Ssoil。根据李苗苗[20]、Gutman[21]的研究结合喀斯特地区的植被覆盖度状况，取经验值像元个数累计百分比为2%的NDVI值为裸土植被指数，像元个数累计百分比为98%的NDVI值为全植被覆盖植被指数，则有公式：

(2)

式中：FVC为植被覆盖度(%)，值在(-1，+1)之间；NDVI为影像上的归一化植被指数；Nsoil为影像上裸土区归一化植被指数；Nveg为影像上全植被覆盖区归一化植被指数。

2.4 地形梯度等级划分

综合考虑地形因子的可定量性和对植被覆盖度变化的影响程度，选取地形起伏度、海拔和坡度分析地形对植被覆盖度变化的影响。基于研究区实际情况，对地形起伏度、海拔和坡度因子进行分级(表1)。运用ArcGIS空间分析功能，对各地形因子进行重分类并统一为Cell size为30 m的栅格数据，栅格计算中地形因子划分的等级视作地形分区。

表1 地形起伏度、海拔和坡度因子分级及面积比例

3 结果与分析

3.1 平坝县植被覆盖度时空分布变化

3.1.1 平坝县植被覆盖度时间变化特征 参考甘春英等[15]的研究，将计算得到的植被覆盖度(FVC)分为5级：低植被覆盖度(FVC<10%)、较低植被覆盖度(10%≤FVC<30%)、中度植被覆盖度(30%≤FVC<50%)、较高植被覆盖度(50%≤FVC<70%)和高植被覆盖度(70%≥FVC)，统计各级植被覆盖度面积如表2所示。

2001年、2005年、2010年、2013年平坝县平均植被覆盖度分别为44.77%，53.37%，62.01%和56.96%，2001年平坝县各级植被覆盖度分布面积较为均匀，而较高植被覆盖度面积最大，占总面积比例为24.79%，2005年、2010年、2013年各级植被覆盖度分布面积差异明显，但占总面积比例最大的均为高植被覆盖度。由表2可知，从2001到2013年植被覆盖度整体呈上升趋势，年平均增速为0.94%，2001年植被质量低于2013年。其中，2001—2010年植被覆盖度呈上升趋势，年平均增速为1.72%，而2010—2013年植被覆盖度转为下降趋势，年平均降速为-1.26%。2001—2013年平坝县平均植被覆盖度的等级发生较明显的变化。2005年与2001年相比，低植被覆盖区所占比例明显下降，面积由156.3 km2减少到53.93 km2；高植被覆盖区所占比例明显上升，面积由199.34 km2增加到305.34 km2。2010年与2005年相比，较低植被覆盖区所占比例下降幅度最大，面积由180.11 km2减少到70.01 km2；高植被覆盖区所占比例上升最为明显，面积增加了117.03 km2。2013年与2010年相比，高植被覆盖区所占比例下降幅度最大，面积由422.37 km2减少到349.07 km2；较低植被覆盖区所占比例上升最为明显，面积由70.01 km2增加到108.95 km2。整体看来，2013年植被覆盖状况优于2001年。

表2 2001-2013年平坝县植被覆盖度变化

3.1.2 平坝县植被覆盖度空间变化特征 从2001—2013年平坝县植被覆盖度等级图(图2)来看，2001年平坝县植被覆盖整体较差，呈“西高东低”的分布特征。植被覆盖度等级以较高植被覆盖度为主，主要分布在平坝县西北地区，包括乐平乡(53.39%)、齐伯乡(52.46%)和十字乡(49.67%)；平坝县植被覆盖度最高的地区是天龙镇，以高植被覆盖度、较高植被覆盖度为主，平均植被覆盖度为54.29%；马场镇是植被最差的地区，以低植被覆盖度为主，平均植被覆盖度仅为37.08%。2005年平坝县植被覆盖度呈“西北和东南高、中间低”的分布特征，植被覆盖度等级以高植被覆盖度为主，主要分布在平坝县西北地区和东南地区，植被覆盖度最高的地区是齐伯乡，以高植被覆盖度为主，平均植被覆盖度为67.9%，植被覆盖度最低的地区是夏云镇，以低植被覆盖度和较低植被覆盖度为主，平均植被覆盖度为40.1%。2010年平坝县植被覆盖度空间分布差异明显，各级植被覆盖度由低到高分布面积逐渐增加，高植被覆盖区主要分布在齐伯乡(74.59%)、乐平乡(71.52%)，低植被覆盖度主要集中分布在十字乡(53.46%)和天龙镇(53.01%)，天龙镇也是平坝县平均植被覆盖度最低的地区。2013年平坝县植被覆盖度整体较好，呈“西北和东南高、中间低”的分布特征，主要以高植被覆盖度为主，分布在平坝县西北、北部和南部地区，包括乐平乡(64.72%)、齐伯乡(72.37%)、十字乡(68.58%)、羊昌乡(55.48%)；植被覆盖度最高的地区是齐伯乡，平均植被覆盖度为72.37%；夏云镇是植被最差的地区，平均植被覆盖度仅为45.88%。

图2 2001-2013年平坝县植被覆盖度等级

将计算得到的植被覆盖度变化率分为7级：剧烈减少区(变化率<-30%)、减少区(-30%≤变化率<-10%)、轻微减少区(-10%≤变化率<-5%)、稳定区(-5%≤变化率<5%)、轻微增加区(5%≤变化率<10%)、增加区(10%≤变化率<30%)和剧烈增加区(变化率≥30%)，分别统计分析不同土壤类型区各级面积占总面积的百分比(表3)。平坝县的植被覆盖度变化幅度以增加和剧烈增加为主，其次是稳定区。不同土壤类型区的植被覆盖度亦表现出如上特点，其中占总面积百分比最小的是轻微减少区，面积仅有43.78 km2，最大的是增加区，面积为265.31 km2；黄壤占总面积百分比最大的为剧烈增加区，面积为116.9 km2，但与增加区差值仅为0.85%；黄棕壤占总面积最小的为剧烈减少区，面积仅为0.46 km2，但轻微减少区比剧烈减少区仅大0.81%，而黄棕壤占总面积百分比最大的为剧烈增加区，高达33.23%，也是各土壤类型剧烈增加区占总面积百分比的最大值。

表3 各类土壤面积占总面积的百分比 %

通过2001年和2013年植被覆盖度叠加分析，得到近13年来植被覆盖度变化专题图(图3)。植被覆盖度剧烈减少区主要位于平坝县西南方向，包括天龙镇和白云镇，一方面平坝县西南方向喀斯特区各类岩石裂隙较多，地表落水洞分布较广，导致地表径流快速转为地下暗流，形成区域工程性缺水，并且喀斯特区主要组分为碳酸盐岩，其成土速度缓慢，且容易被流水冲刷溶蚀，导致区域水土流失现象显著，不利于植被的生长。另一方面，天龙镇与平坝县城较近，交通发达，建设用地面积逐年增加，植被覆盖度随之降低。植被覆盖度剧烈增加区主要分布在平坝县的南部和西北地区，随着近年来的退耕还林、还草、封山育林等工程性措施的实施，平坝县山区的森林得到了较好的保护，有利于植被生长，因而植被覆盖度大幅度增加。

图32001-2013年平坝县植被覆盖度变化

3.2 植被覆盖度结构变化的地形起伏度梯度差异

平坝县的植被覆盖度结构变化的地形起伏度梯度差异明显(表4)。植被覆盖度类型集中在地形起伏度80 m以下区域。地形起伏度0～20 m梯度的主要植被覆盖度类型为低植被覆盖度、较低植被覆盖度和中度植被覆盖度，2001—2013年较低植被覆盖度所占总面积比例变小，中度植被覆盖度所占总面积比例变大；地形起伏度20～80 m梯度的主要植被覆盖度类型为较高植被覆盖度和高植被覆盖度；地形起伏度>80 m梯度的主要植被覆盖度类型为高植被覆盖度，2001—2013年高植被覆盖度所占总面积比例显著上升。

地形起伏度0～80 m梯度，随着地形起伏度的增大，低植被覆盖度、较低植被覆盖度所占比例不断减小；地形起伏度>20 m梯度，随着地形起伏度的增大，中植被覆盖度所占比例不断减小；高植被覆盖度所占比例在地形起伏度>80 m梯度分级最大。2001—2013年低植被覆盖度和较低植被覆盖度面积的减少主要发生在地形起伏度0～40 m梯度；2001—2013年在地形起伏度>60 m梯度中植被覆盖度和较高植被覆盖度面积均呈下降趋势；高植被覆盖度在地形起伏度20～40 m梯度面积变化最明显，从2001年的57.12 km2增加到2013年的104.33 km2。

3.3 植被覆盖度结构变化的海拔梯度差异

平坝县的植被覆盖度结构变化的海拔梯度差异显著(表5)。植被覆盖度类型主要分布在海拔1 200～1 400 m的区域。海拔936～1 300 m梯度的主要植被覆盖度类型为中植被覆盖度、较高植被覆盖度和高植被覆盖度，2001—2013年高植被覆盖度所占面积比例增加变化最为明显；海拔1 300～1 621 m梯度的主要植被覆盖度类型为较高植被覆盖度和高植被覆盖度，2001—2013年较高植被覆盖度所占总面积比例变小，高植被覆盖度所占总面积比例变大。

随着海拔增大，较低植被覆盖度所占总面积比例先增大后减小，而高植被覆盖度所占总面积比例先减小后增大。低植被覆盖度、较低植被覆盖度和中植被覆盖度的减少主要发生在海拔>1 200 m梯度，而较低植被覆盖度的增加主要发生在海拔936～1 300 m梯度。高植被覆盖度在海拔1 400～1 621 m梯度所占总面积比例最大，2001—2013年该区高植被覆盖度面积增加149.71 km2。

表4 2001-2013年植被覆盖度的地形起伏度差异

表5 2001-2013年植被覆盖度的海拔差异

3.4 植被覆盖度结构变化的坡度梯度差异

平坝县的植被覆盖度结构变化的坡度梯度差异明显(表6)。植被覆盖度类型集中在坡度25°以下区域。坡度0°～5°梯度的主要植被类型为较低植被覆盖度和中度植被覆盖度，2001—2013年较低植被覆盖度所占总面积比例变小，中度植被覆盖度反之；坡度>5°梯度的主要植被类型为较高植被覆盖度和高植被覆盖度，2001—2013年较高植被覆盖度所占总面积比例变小，高植被覆盖度所占总面积比例明显变大。

随着坡度的增大，低植被覆盖度和较低植被覆盖度所占比例均不断减小，中度植被覆盖度和较高植被覆盖度所占比例表现为先增加后减小，而高植被覆盖度则持续增加。低植被覆盖度和较低植被覆盖度在坡度0°～5°梯度面积最大，高植被覆盖度面积最大的区域为坡度5°～15°梯度。2001—2013年中度植被覆盖度和较高植被覆盖度在坡度0°～5°梯度面积变大，在坡度>5°梯度面积变小。在坡度5°～15°梯度高植被覆盖度面积变化最为显著，从2001年的89.92 km2增加到2013年的166.17 km2。

表6 2001-2013年植被覆盖度的坡度差异

4 结 论

(1) 2001—2013年，平坝县植被覆盖度整体呈显著增加趋势，年增速为0.94%；其中2010年植被覆盖度为62.01%，2010年之前植被覆盖度呈持续增加趋势，年增速为1.72%，而2010年之后呈下降态势，年降速为-1.26%；高植被覆盖区面积增加最为明显，变化率高达75.11%。

(2) 平坝县植被覆盖空间格局整体呈现“西北高、东低”的分布特征，高值区主要包括齐伯乡、乐平乡和十字乡，低值区主要在高峰镇、马场镇和夏云镇。天龙镇水土流失现象显著，水土流失面积逐年增加，植被覆盖度剧烈减少；马场镇和羊昌乡南部在封山育林政策的保护下，植被覆盖度剧烈增加。

(3) 植被覆盖度类型集中在地形起伏度80 m以下区域；低植被覆盖度、较低植被覆盖度和中度植被覆盖度主要分布在地形起伏度0～20 m梯度，较高植被覆盖度和高植被覆盖度主要分布在地形起伏度20～40 m梯度。

(4) 植被覆盖度类型主要分布在海拔1 200～1 400 m的区域；低植被覆盖度、较低植被覆盖度和中度植被覆盖度主要分布在海拔1 200～1 300 m梯度，高植被覆盖度主要分布在海拔1 300～1 400 m梯度；随着海拔增大，较低植被覆盖度所占总面积比例先增大后减小，而高植被覆盖度所占总面积比例先减小后增大。

(5) 植被覆盖度类型集中在坡度25°以下区域；低植被覆盖度和较低植被覆盖度主要分布在坡度0°～5°梯度，较高植被覆盖度和高植被覆盖度主要分布在坡度5°～15°梯度；随着坡度的增大，低植被覆盖度和较低植被覆盖度所占比例均不断减小，中度植被覆盖度和较高植被覆盖度所占比例表现为先增加后减小，而高植被覆盖度则持续增加。

因贵州省多云雾天气，难以获取同时相全覆盖影像数据，且受Landsat影像重访周期和图像质量的限制，可用影像较少，在未来的研究中拟使用多源遥感数据，减小时间分辨率、空间分辨率、波谱分辨率的误差，进一步提高研究结果的精度。