2000—2017年秦岭地区植被覆盖时空变化特征研究

2018-11-06罗增奇成军锋仇宽彪卢军智

陕西林业科技 2018年4期

罗增奇，成军锋*，仇宽彪，卢军智

(1.陕西千渭之会国家湿地公园管理处，陕西宝鸡 721004；2.太湖流域管理局太湖流域水土保持监测中心站，上海 200434；3.环境保护部南京环境科学研究所，南京 210042；4.宝鸡市林业科技信息中心，陕西宝鸡 721000)

植被是陆地生态系统的主体，联接了土壤圈、水圈和大气圈的物质循环与能量流动，在生态环境上具有调节气候、调节碳氧平衡、保持土壤水分、减少水土流失等作用[1]。同时，植被覆盖是区域生态环境的重要组成之一。因此研究区域植被覆盖状况有重要意义。

目前，采用光谱植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)对区域植被变化进行监测与分析是植被变化研究中的主要方法[2-4]。一般认为，尽管NDVI在植被覆盖度较高时易出现饱和现象，但在大多数情况下，其与植被覆盖度、生物量、叶面积指数及土地利用之间均密切相关[5]。对区域植被覆盖而言，不同高程和坡度区域的NDVI存在差异[6,7]。农村居民点分布[8]及其它建设用地扩张[9]则会影响区域NDVI的变化特征。这些研究虽然详尽分析了地形和坡度这两个基本的地形要素对NDVI的影响，但地表起伏才是限制农业生产、土地利用、人口分布及地质灾害的主要地貌特征[10,11]。但对于不同地表起伏状况下植被覆盖变化的研究还较为缺乏。

秦岭山区是我国南北方的自然分界线，植被类型多样，且垂直地带性明显。随着全球气候变化，秦岭气温[12]、降水[13,14]、南北坡太阳辐射[15]、近地面水汽压[16]、风速[17]、绝对湿度[18]及日照时数[19]等气象因素均有显著变化。因此本文选取秦岭这一自然分界线区域，分析2000-2017年间其植被覆盖的时空变化特征。

1 研究区和研究方法

1.1 研究区概况

秦岭山区大致位于105°30′～110°05′E，32°40′～34°35′N之间，地处我国亚热带和暖温带的生态过渡带，是我国南北自然环境的分界线。秦岭海拔平均在300～2 000 m之间，山地北仰南俯。北坡属于暖温带半湿润气候带，南坡则属于亚热带湿润气候带。同时，秦岭亦是我国重要的生物地理分界线，北坡广泛分布暖温带落叶阔叶林，而南坡则分布北亚热带落叶常绿阔叶混交林。由于山势高耸，植被垂直地带性表现明显。

本研究区域主要涉及位于陕西省和甘肃成县境内的秦岭部分，包括南坡的汉江谷地、嘉陵江谷地以及北坡的关中平原，其行政范围涉及陕西省汉中、安康、商洛、宝鸡、咸阳、西安和渭南等市。研究区范围见图1。

图1 研究区位置图

1.2 数据源及预处理

归一化植被指数(NDVI)能较好的反映地表植被分布状况及变化特征，是目前应用相当普遍的光谱植被指数。

本研究采用的MOD13A3数据产品中的NDVI数据源。该产品为MODIS的逐月NDVI四级产品，空间分辨率1 km，通过分幅形式提供下载。本次研究区域涉及h26v05和h27v05两个图幅。数据产品日期为2000-2017年间4-10月。为消除云、大气以及太阳高度角等因素的影响，该数据采用最大值合成法获得逐月NDVI。MOD13A3数据进行坐标投影变换、拼接以及重采样处理。处理后影像采用WGS_1984坐标系，高斯克吕格投影，空间分辨率为1 km。对4-10月的逐月NDVI采用平均NDVI，作为年均NDVI值。计算方法为：

地形数据采用空间分辨率为90 m的DEM数据。根据莫申国(2008)的研究[20]，在采用能够提取秦岭地区地表起伏度的DEM是100 m，因此本文选取90 m的DEM数据进行地表起伏度提取。DEM数据从地理空间数据云下载。

1.3 研究方法

1.3.1 地表起伏度提取海拔高度和起伏度是描述地表形态的两个重要因子，是山地结构和格局研究的重要指标。地形起伏度，是指地面一定距离或面积范围内最大高差，是研究山地格局的重要指标。参照已有研究[20]，采用起伏度和海拔对秦岭山区地貌类型进行划分。第一级以起伏度分类，将地表形态分为平原、台地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地；第二级以海拔分类，将地表形态分为低海拔、中海拔和高海拔。根据研究，秦岭地区地表起伏度宜采用4 km2网格进行计算[20]。分别计算各网格内地表高程差和平均高程，按照表1进行地貌形态分类。

表1 秦岭地区地貌形态分类及其编号

1.3.2NDVI变化趋势分析为反映2000-2017年间秦岭山区NDVI的变化趋势及空间差异，本文在像元尺度对NDVI与年份进行简单线性回归。简单线性回归的斜率作为18年间该像元NDVI的变化趋势。

其中，slp表示斜率，y为NDVI，i表示年份，n表示年份长度，本文n=18，x表示年份。如果slp为正值，则表示2000—2017年间该像元NDVI呈增加趋势，反之则呈减少趋势。选择P=0.01和P=0.05作为显著度水平。

1.3.3NDVI变化趋势预测(Hurst指数) 本文采用Hurst指数表征秦岭地区NDVI的变化趋势。Hurst指数(H)是定量描述时间序列长程依赖性的主要方法之一，在水文、气候等领域有广泛应用。目前，计算Hurst指数的方法较多，但研究表明重标极差(R/S)和小波分析法估算的Hurst指数更为可靠[21]。参照已有的植被研究[22]，本文采用重标极差(R/S)分析法计算Hurst指数，该方法最早由英国水文学家Hurst在研究尼罗河水库流量和储存能力的关系时提出[23]。其计算方法为：

(1)NDVI时间序列NDVIi，i=1,2,3,…,18，对于任意正整数m，有该时间序列的均值序列：

m=1,2,…,18

(2)计算该时间序列的累计离差：

1≤t≤m

(3)计算累计离差极差：

R(m)=maxX(t)-minX(t)

m=1,2,…,18

(4)计算累计离差标准差：

m=1,2,…,18

对于比值R(m)/S(m)@R/s，如存在R/S∞mH，则说明时间序列存在Hurst现象。H即为Hurst指数。两边取对数，则可通过最小二乘法得到H值。

根据H值，可判断NDVI序列是否存在持续性。当0.5

2 结果与分析

2.1 地表起伏度

秦岭地区地貌类型较为多样。其中，从地表起伏度来看，秦岭地区有平原、台地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地六种。结合高、中、低三个海拔等级，秦岭地区地貌类型有低海拔平原、低海拔台地、中海拔台地、低海拔丘陵、中海拔丘陵、小起伏低山、小起伏中山、中起伏低山、中起伏中山、大起伏低山和大起伏中山等11种类型。其中，以中起伏中山、小起伏低山和小起伏中山为主要类型，三者面积分别达33.0×103km2、22.0×103km2和20.0×103km2，面积总和占秦岭地区总面积的77%(图2)。

图2 秦岭地区各地貌类型面积分布图

空间分布上来看，低海拔平原和和低海拔台地主要分布在秦岭北麓以及南部汉水上游冷水河段河谷地区。小起伏山地和小起伏中山则主要分布在秦岭东南部和南部地区。中起伏中山则主要分布在秦岭中部。秦岭西北部主要为小起伏低山(图3)。

2.2 NDVI空间分布

2000—2017年多年平均NDVI存在空间差异。秦岭南坡多年平均NDVI高达0.83，而北坡多年平均NDVI为0.77。在秦岭中部地区，NDVI较大，多在0.88以上；而东、西部NDVI则相对较小，其值在0.78～0.83之间。在秦岭北坡关中平原，NDVI则普遍较小，多在0.3～0.5之间。此外，在嘉陵江、汉水等支流河谷地区，NDVI较小(图4)。

图3 秦岭地区地貌分区图

图4 2000-2017年秦岭地区多年平均NDVI分布图

从地貌类型的多年NDVI分布来看，海拔高度和地表起伏度对NDVI有影响。低海拔平原、台地和丘陵多年平均NDVI较小，其值在0.7以下；中海拔丘陵和中海拔台地多年平均NDVI在0.74～0.77之间；中起伏中山、大起伏中山多年平均NDVI较大，其值在0.85以上(图5)。

图5 2000-2017年秦岭地区不同地貌类型多年平均NDVI图

2.3 NDVI变化趋势

2000—2017年间，秦岭地区NDVI年际变化显示出较为明显的空间分异特征(图6)。NDVI显著减少的地区主要集中在秦岭北坡渭河南岸关中平原地区，以及秦岭南坡汉水谷地，此两地NDVI的年均降幅均约为每年0.03。NDVI显著增加的地区则主要分布在秦岭南坡西部与东南部地区，其中在成县附近的嘉陵江流域、安康市汉水谷地两边NDVI增幅较大，平均可达每年0.01。

从各地貌类型NDVI的年际变化趋势来看，低海拔平原、中海拔台地、中海拔平原和低海拔丘陵NDVI年际变化趋势均为负值，表明研究期内这四个地貌类型区植被覆盖有所减小。其中，低海拔平原NDVI平均降幅最大，降幅超过每年0.006，这也表明秦岭地区低海拔平原区植被破坏最为严重。而在其他的地貌类型区，NDVI变化趋势均为正值，表明研究期内其他地貌类型区植被覆盖有所改善。其中，在中起伏低山、小起伏中山和小起伏低山区NDVI增幅超过每年0.002 5，表明这些地区植被恢复较好(图7)。

2.4 NDVI变化趋势预测

Hurst指数分析表明，2000-2017年间秦岭地区NDVI增加，且在今后一段时间仍会保持上升趋势的区域，其面积超过78.0×103km2，占秦岭地区总面积的72%。NDVI有增加趋势，而在今后一段时间有所下降的地区，与NDVI有减小趋势，而在今后一段时间仍保持下降趋势的区域，两者面积大体相同，分别为15.0×103km2和12.0×103km2。而NDVI有减小趋势，而今后可能增加的地区则仅有3.0×103km2，大约只有秦岭地区总面积的3%。

从空间分布来看，原先有减小趋势的地区，今后NDVI仍会继续减小的地区，主要集中在秦岭北麓关中平原南缘，以及南坡汉水支流河谷地带。而原先上升，今后可能下降的地区分布较为分散，大体散布在南坡的山区。NDVI原先减少、而后增加的地区，主要集中分布在秦岭南北坡分水岭沿线，显示高山地区植被状况的变化(图8)。

图6 2000-2017年秦岭地区NDVI变化趋势图注：灰色区域表示NDVI变化趋势不显著(P>0.05)。

图7 2000-2017年秦岭地区不同地貌类型NDVI年际变化趋势图

图8 秦岭地区NDVI未来变化趋势图

在低海拔平原、低海拔台地、中海拔台地和低海拔丘陵地区，NDVI原先减少、而后可能继续减少的地区在各区总面积中的占比较大，面积比重分别为85%、86%、83%和47%，显示上述各区植被状况可能会持续变差。而在中海拔丘陵、小起伏低山、小起伏中山、中起伏低山、中起伏中山、大起伏低山和大起伏中山地区，NDVI原先增加、而后也继续增加的面积占比较大，其面积比重均在60%以上，显示上述区域植被状况持续改善，这可能与该地区人为活动较少、林草面积广布有关。值得注意的是，在低海拔丘陵地区，NDVI原先增加、而后继续增加的面积比重达39%，与NDVI原先减少、而后继续减少的区域面积比重47%大致相当，表明该地貌类型区植被变化较为复杂，植被覆盖的影响因素较多(见表2)。

表2 秦岭地区NDVI未来变化趋势在各地貌类型区中的面积比例

3 结论与讨论

3.1 讨论

多年平均NDVI的空间分布特征大体与研究期内秦岭地区土地利用类型的分布相似。多年平均NDVI的低值区大多分布在城镇周边等建设用地密集区域，如关中平原，以及嘉陵江、汉水等河谷地区。而多年平均NDVI的高值区则主要分布在山地等植被受人为干扰较少的地区。这也从各地貌类型的多年平均NDVI的分析结果中得到验证。

从NDVI的变化趋势来看，低海拔的平原和台地区，NDVI有逐渐减小的变化趋势，而在中起伏低山、中山等地区，NDVI则有逐渐增加的变化趋势，这是因为低海拔平原和台地区人口密度较大，城镇用地扩张，农村居民点散布，对平原和河谷台地的植被有持续性的影响。

一般地，低海拔地区由于可进入度较高，人为干扰也较为剧烈和频繁；而高海拔地区可进入度则较低，人为干扰则相对较弱。同样，平原、台地地区可进入度较高，人为干扰也较为剧烈和频繁；而各种山区可进入度较小，而人为干扰也相对较小。而秦岭地区植被基础较好，因此在控制人为干扰后，植被覆盖便有逐年改善的趋势。

但部分人为干扰可能对植被恢复有促进作用。2000—2017年间秦岭地区实施退耕还林还草工程。按照工程要求，在所有坡度大于25°的地区必须要退耕还林还草。以汉中市为例，1999开始，汉中市开始实施退耕还林工程，到2004年，累计完成退耕还林163.6×103hm2，其中退耕地造林105.7×103hm2，荒山造林57.9×103hm2。这些造林区域大体在秦巴山脉中低山及低山丘陵地区[24]。

今后，在秦岭南北坡分水岭附近，NDVI有增加的趋势，这可能与林线上移有关。研究显示，近30年秦岭地区气温呈上升趋势，高海拔地区NDVI与气温的相关性最高[25]，未来该区域NDVI的增加趋势，很可能是由于气温升高所带来的植被向高海拔扩张分布的结果。

在低海拔丘陵地区，今后虽然有近一半的面积其NDVI呈继续减小趋势，但亦约40%的面积其NDVI有增大趋势。这表明未来植被保护的重点在于低海拔丘陵区。除了完善城镇规划和农业规划外，尚有从城市森林、乡村人居林的角度开展森林建设的必要。