辽河保护区植被覆盖度时空动态变化及驱动因素

杨春艳，高艳妮，刘学*，孙倩莹，王世曦，杨彩云，虞慧怡，贾振宇

1.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，中国环境科学研究院 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 3.贵州师范大学地理与环境科学学院

辽河保护区于2010年划定，其对保护辽河干流及河岸带生态系统具有重要作用。保护区内植被可以通过削减污染物，提供养分和能量以及调节河流微气候等功能改善河流水质和维持水生生物多样性，具有廊道、缓冲带和护岸三大功能[1-3]。因此，河岸带植被退化和恢复常被用于评价河岸带生态状况，其中植被恢复也常被视为河岸带生态恢复的主要目的；植被时空动态变化是反映生态状况的重要指标，常用于评估河岸植被和保护河流生态系统恢复情况[4]。

植被覆盖度(fractional vegetation coverage，FVC)是衡量地表植被状况的重要指标，影响大气和地表之间碳、水、能量转化，已广泛用于反映地区生态环境的整体状况[5-6]。目前，植被覆盖度测定主要有实地测量和遥感监测，遥感监测是运用最为广泛的测定手段且方法众多，也是区域尺度上植被覆盖度的主要监测手段[7-11]。国内外学者借助遥感观测技术对区域植被覆盖度的时空变化规律进行研究，并探讨了气温、降水和人类活动对其的影响[12-14]。如刘宪锋等[15]通过分析2000—2009年黄土高原地区植被覆盖度时空变化，发现降水与气温的增加以及人为修复植被是该地区植被覆盖度增加的主要原因；Jiang等[16]通过研究黄土高原植被覆盖度，发现近年来黄土高原生态环境状况得到改善；夏会娟等[17]基于MODIS NDVI(normalized difference vegetation index，归一化植被指数)分析了辽河保护区划定前(2000—2009年)和划定后(2010—2015年)植被覆盖时空动态，发现河岸带封育区内的自然恢复和小型人工湿地建设促进了NDVI的增加；杨绘婷等[18]运用MODIS NDVI遥感数据反演区域植被覆盖的空间格局和变化规律，结合同期降水量和温度数据，分析了植被的变化对气候的影响；穆少杰等[19]通过模拟潜在植被指数和遥感监督分类的方法，分析流域植被和潜在植被分布格局，得出植被退化的空间态势。人为因素主要是通过改变土地利用土地覆被影响植被覆盖，如农牧耕作和城市建设等对植被覆盖产生负面影响，退耕还林还草工程能促进植被恢复[20-22]。

辽河保护区划定后，河道两侧实行自然封育和退耕还林还草措施，农田大幅度转为草地和林地，植被在区域上呈不同程度的恢复趋势，对辽河河岸生态状况产生了一定的影响。本研究通过2000—2018年辽河保护区的植被覆盖度数据，分析辽河保护区划定前(2000—2009年)和划定后(2011—2018年)植被覆盖的时空动态变化，及其对区域植被恢复退化的影响；结合年降水量、年均气温、土地利用等数据，探讨辽河保护区划定前和划定后的植被覆盖变化驱动因素，分析辽河保护区在植被保护方面的成效，以期量化辽河保护区划定对植被恢复和保护的影响。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区

辽河保护区位于我国东北地区的西南部(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)，起始于东西辽河交汇处，终于盘锦入海口，总面积为1 869.2 km2。其地处中高纬度，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，多年平均气温自下游平原向上游山区逐渐降低，气温年际变化较大，年均气温为4～9 ℃；降水量自西北向东南递增，多年平均降水量为450～650 mm，降水量年际变化较大，年内分配不均，主要集中在6—9月。辽河保护区主要包括封育区(河道两侧500 m范围内)和农田耕作区(河道两侧500 m范围外)。

1.2 数据来源与处理

植被覆盖度数据基于MODIS NDVI数据和Landsat TMOLI影像，通过融合生成了30 m NDVI数据集，采用国际通用的最大值合成方法(maximum value composite syntheses，MVC)获取年NDVI数据，以减少云和物候循环的影响，利用像元二分法求得植被覆盖度。计算公式如下：

FVC=(NDVI-NDVIs)(NDVIv-NDVIs)×100%

式中：FVC为植被覆盖度，%；NDVIs为研究区裸土NDVI，取经验值0.05；NDVIv为研究区植被NDVI像元最大值，取经验值0.95。

其他数据主要包括辽河保护区边界、辽河保护区2010—2018年土地利用以及长时间序列的水文监测数据。其中，辽河保护区边界来自于辽河管委会；辽河保护区2010—2018年土地利用数据是基于2010—2018年0.5～2 m无偏移Google earth高清影像，采用面向对象分类法和人机交互解译的方法提取的；长时间序列的水文监测数据来源于辽河水文年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆盖度变化

分别取辽河保护区划定前和划定后植被覆盖度的多年平均值代表研究区的植被覆盖状况，将植被覆盖度分为低(FVC<10%)、较低(10%≤FVC<30%)、中(30%≤FVC<70%)、较高(70%≤FVC<90%)和高(FVC≥90%)5类，分析辽河保护区划定前后植被覆盖度空间分布的差异，并采用斜率趋势分析法分析植被覆盖度变化的长期趋势。计算公式如下：

(1)

式中：S为植被覆盖度增长斜率，%a；j为某个年份。利用t检验对植被覆盖度增长斜率进行显著性检验，根据t检验结果，将变化趋势分为明显增加(S>0,P≤0.01)、略微增加(S>0,P≤0.05)、基本不变(S=0或P>0.05)、略微降低(S<0,P≤0.05)、明显降低(S<0,P≤0.01)5类。

1.3.2植被恢复与退化

将2000—2009年的植被覆盖度作为生态本底，以2010年为基准年，评估辽河保护区划定后(2011—2018年)植被覆盖度变化情况；参考GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》[23]，采用植被覆盖度变化率对植被退化/恢复进行分级，将植被恢复/退化类型划分为基本不变、轻度退化、中度退化、重度退化、略微恢复、中度恢复和明显恢复7个等级(表1)。

1.3.3驱动因素

选取年均气温、年降水量等因素分析研究区内植被覆盖度与气候因素的相关性，选取合适的气象参数，建立FVC和气候因素间的回归方程，并采用残差分析法分析人类活动对植被覆盖度的影响[24]。计算公式如下：

ε=FVC实际-FVC模拟

(2)

FVC模拟=α×pre+β×tem

(3)

式中：ε为残差，表示人类活动对植被覆盖度的贡献量，%；FVC实际为实际植被覆盖度，%；FVC模拟为气象模拟植被覆盖度，%；pre为年降水量；tem为年均气温；α、β为系数。

2 结果与讨论

2.1 植被覆盖度时空动态变化

2000—2018年辽河保护区植被覆盖度空间分布见图1。从图1可以看出，辽河保护区植被覆盖度平均值为56.49%，高植被覆盖度区域主要分布在下游河段和上游河段；中植被覆盖度区域主要分布在中游河段；低植被覆盖度区域主要分布在河道附近，常年受到河水频繁淹没，尤其是6—9月丰水期河流水量较大，河道附近的植被部分被淹没，从而降低了地表植被覆盖度[25-26]。从图1和表2可以看出，2000—2018年，有78.81%的区域植被覆盖度基本不变；13.65%的区域呈降低趋势，明显降低的面积约为84.67 km2，主要分布在中游河段，属于河流两岸的河流潮间带；7.54%的区域呈增加趋势，有55.52 km2的区域植被覆盖度明显增加，主要分布在辽河入海口岸边带和上游河段。

图1 2000—2018年辽河保护区植被覆盖度空间变化Fig.1 Spatial change distribution of FVC in Liaohe Conservation Area in 2000-2018

表2 辽河保护区植被覆盖度变化等级面积及占比

2000—2018年辽河保护区植被覆盖度随时间变化见图2。

图2 辽河保护区植被覆盖度随时间变化Fig.2 Temporal change of FVC in Liaohe Conservation Area

从图2可以看出，2000—2018年辽河保护区植被覆盖度整体增长斜率为0.002 6%/a，呈略微增加趋势。2000—2009年植被覆盖度呈增加趋势，增长斜率为0.67%/a；2011—2018年呈波动平稳趋势，增长斜率为-0.27%/a。辽河保护区划定前、划定后植被覆盖度平均值分别为56.88%、56.07%。

辽河保护区划定前后植被覆盖度空间分布变化见图3。从表2和图3可以看出，辽河保护区划定前，有33.20%的区域植被覆盖度呈增加趋势，明显增加的区域面积为264.12 km2，集中分布在下游和上游河段；有7.61%的区域植被覆盖度呈降低趋势，明显降低的区域面积为52.90 km2，分布离散。相对于保护区划定前，

图3 辽河保护区成立前、后植被覆盖度空间分布变化Fig.3 Spatial change of FVC before and after the establishment of Liaohe Conservation Area

保护区划定后植被覆盖度有

下降的趋势，下降面积占比为27.21%，其中有331.04 km2的区域呈明显降低趋势，上、中、下游河段均有集中分布，出现了区域连片降低的趋势。尤其是辽河保护区入海口河段陆地区域植被覆盖度下降明显；而植被覆盖度增加的区域约占辽河保护区的13.70%，有131.22 km2的面积呈明显增加趋势。

2.2 植被恢复退化情况

基于植被覆盖度的植被恢复/退化程度见表3。从表3可以看出，辽河保护区划定以来，植被退化面积占比呈先降低后增加的趋势，尤其是2015—2018年植被覆盖度退化面积较基准年大。植被恢复面积占比呈先增加后降低的趋势，2014年植被恢复面积占比最大。从辽河保护区划定后植被恢复/退化面积变化来看，植被恢复主要出现在2013年，恢复面积比退化面积约增加6.54 km2；其他年份植被恢复面积均小于植被退化面积，尤其是2015—2018年植被退化情况较严重。总的来看，2012—2014年植被得到了一定的恢复，恢复面积和退化面积基本持平，但2015—2018年植被又出现退化情况。

表3 辽河保护区植被恢复/退化面积占比

2.3 驱动因素

根据年降水量、年均气温和植被覆盖度数据分布特点，年降水量在不同区间对植被覆盖度的影响不同，当年降水量小于600 mm时，其与植被覆盖度存在明显的正相关关系，相关系数为0.93(P<0.05)，R2为0.870 6，即植被覆盖度随着年降水量的增加而增大；当年降水量大于600 mm时，其与植被覆盖度存在显著的负相关关系，R2为0.772 5，即植被覆盖度随着年降水量的增加而降低〔图4(a)〕；年均气温与植被覆盖度没有显著相关关系〔图4(b)〕。Rodriguez等[27-28]的研究也表明，在干旱、半干旱地区植被生长的限制性因子主要与水分有关。辽河保护区植被覆盖度与年降水量、年均气温间之所以呈现出这样的关系，主要是由于辽河保护区内年均气温差异小，而年降水量的时空差异比较明显；另外，辽河保护区是河滨保护带，年降水量增加会直接导致辽河河道水位上涨，使得河道两岸的部分草本湿地被淹没，从而降低了植被覆盖度，这就导致年降水量达到一定程度植被覆盖度出现降低的趋势。为进一步提高模型精度和准确度，在模拟植被覆盖度的过程中，研究同时考虑年降水量、年均气温2个因子，并基于分段函数，以年降水量为自变量、年均气温为协变量，做偏相关回归，回归方程及相关参数见表4。

图4 年降水量、年均气温与辽河保护区植被覆盖度相关性分析Fig.4 Correlation analysis between precipitation,temperature and FVC in Liaohe Conservation Area

表4 基于年降水量、气温模拟辽河保护区植被覆盖度相关参数

根据植被覆盖度实际值和模拟值，研究辽河保护区植被覆盖度受人类活动的影响，结果见图5。由图5(a)可见，2000—2018年人类活动对植被覆盖度的贡献率平均约占0.41%，辽河保护区划定后人类活动对植被覆盖度的贡献率平均增至1.12%，增加了0.71个百分点。由图5(b)可见，2012—2014年人类活动对植被覆盖度的影响为正向，尤其是2014年人类活动对植被覆盖度贡献率达最大，为8.42%。人类活动对植被覆盖度的影响主要通过改变土地利用类型及方式来实现[19-21]，根据辽河保护区2010—2018年土地利用数据，耕地大面积退耕，草地和河滨湿地大面积增加，在一定程度上促进了植被恢复，使辽河保护区各类土地利用面积发生了变化，在一定程度上影响了区域内植被覆盖度。如2015—2018年草地面积减少了5 149 km2，河流、湖泊、水库等水面面积增加了约3 400 km2，河滨湿地面积增加了约6 700 km2。根据辽河干流六间房多年年平均径流量实测数据，辽河流域年径流量由2000—2009年的12.48亿m3增至2011—2018年的29.37亿m3，增加了16.89亿m3，这也直接导致了河道水量增加，并使得河道两侧低洼地段的草地被淹没。由此可见，虽然人类活动干扰减弱对辽河保护区内植被恢复有促进作用，但是降水量的增加在一定程度上弱化了植被恢复成效，甚至产生了负面效应。

图5 辽河保护区人类活动对植被覆盖度的影响Fig.5 Influence of human activities on FVC in Liaohe Conservation Area

3 结论

(1)2000—2018年辽河保护区植被覆盖度整体呈略微增加趋势，其增加斜率为0.002 6%/a。植被覆盖度增加主要发生在2000—2009年，其增加斜率为0.67%/a；而2011—2018年植被覆盖度呈波动减少趋势，其变化斜率为-0.27%/a。

(2)从植被覆盖度空间分布来看，低植被覆盖度区域主要分布在河道附近，较高植被覆盖度区域主要分布在河道两侧的农田区域。2000—2018年，植被覆盖度降低的区域主要分布在河道两侧的河岸带，尤其是地势较低洼的河段两侧；2000—2009年，植被覆盖度出现了区域性增加趋势，主要分布在河道两侧的农田、林地；2011—2018年植被覆盖度出现了区域性变差趋势，主要分布在地势较低洼的河段两侧。相对于基准年(2010年)，辽河保护区植被在2012—2014年呈现出轻微的恢复趋势，但2015—2018年又出现了退化趋势。

(3)年降水量、年均气温与植被覆盖度相关分析显示，年均气温与植被覆盖度没有显著相关关系，年降水量在不同区间对植被覆盖度的影响不同。基于年降水量和年均气温数据分段函数模拟了植被覆盖度，通过与实际植被覆盖度对比发现，辽河保护区划定后(2011—2018年)人类活动对植被覆盖度的贡献率增至1.12%，尤其是2014年，人类活动对植被恢复的作用明显。