剑阁县植被覆盖度时空变化及地形分异研究*

张铃林 ，杨存建

(1.四川师范大学 地理与资源科学学院，四川 成都 610101；2.四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川 成都 610068)

植被是一种重要的自然资源，陆地植被作为生态系统的一部分，它的变化对于研究一个地区的生态系统情况具有重要意义[1]。为改善生态环境，我国先后实施各种有关环境保护的生态工程，如长江防护林建设、天然林资源保护(天保工程)、“退耕还林”等工程。这些生态工程涉及到我国多个省市地区，对这些地方的植被恢复产生较大影响。植被覆盖度(fractional vegetation cover，FVC)作为一种衡量植被覆盖状况的重要指标，在各类有关植被的研究中得到广泛应用[2]。计算植被覆盖度的模型较多，其中像元二分模型是目前国内外比较常用的一种，我国学者也利用此模型进行了大量研究，如董弟文等[3]、李海峰[4]。在研究内容上，我国学者也不仅仅局限于只关注植被变化的多少，而是从气候[5]、地形[6]等因素分析植被变化的原因，探究引起植被覆盖度变化的驱动力[7]。随着遥感技术的发展，研究所能使用的数据也更多，如Landsat系列数据[8]、MODIS系列数据[9,10]、哨兵数据[11]、高分系列数据[12]、无人机影像[13]等等。遥感数据的发展使研究者在研究范围上有了更多选择，大的范围比如省[14]，较小的范围如市[15]、县[16]等。在研究尺度的选择上，目前我国学者在县域尺度上研究还较少，尤其是四川盆地边缘山区，目前较少有学者展开探究。

本研究以四川省剑阁县作为研究区域。该地区作为四川省的林业大县，自20 世纪80年代以来，为进一步改善本地的植被覆盖状况，剑阁县响应国家政策在当地先后实施了诸多生态工程，包括1989年起开展的长江防护林工程、1999年起开展的退耕还林和2000年起开展的天保一期工程、2011年起开展的天保二期工程和2014年起开展的新一轮退耕还林，但到目前为止尚未有学者对该地区的植被覆盖变化情况展开研究。为分析这些工程前后该地区的植被变化情况，选择这些工程开展前后的影像数据进行研究。由于四川地区常年多云雾，使影像的质量受到影响，故选择1986、1995、2011和2019年共4期质量较好的影像进行研究。本研究以Landsat系列遥感数据为基础，借助像元二分模型计算该地区的植被覆盖度，并在此基础上借助DEM高程数据研究剑阁县的植被覆盖变化与地形因子之间的关系，分析该地区在经历诸多生态工程后植被的变化情况，以期为剑阁县的生态环境保护和管理提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域自然概况

剑阁县位于四川省广元市境内(31°31′～32°21′N，105°10′～105°49′E)，该县位于四川盆地边缘，属于盆地边缘山区，北部为高大的秦岭山脉，属于典型的低山地貌，地势自西北部向东南部逐渐降低，属于亚热带湿润季风气候，降水充沛，气候宜人[17]。该区域地理位置优越，位于四川省的北部，处于四川、甘肃和陕西三省结合部，历史文化底蕴深厚，有著名的剑门蜀道文化等等。除此之外，由于四季分明，气候温和，剑阁县的植物资源也较为丰富，是四川省有名的林业大县，常见树种有柏木(Cupressusfunebris)、桤木(Alnuscremastogyne)、麻栎(Quercusacutissima)、马尾松(Pinusmassoniana)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、榆树(Ulmuspumila)和油桐(Verniciafordii)等[18]。因此对该地区的植被覆盖情况展开研究是十分有意义的。

图1 剑阁县地理区位Fig.1 Geographic map of Jiange County

1.2 数据来源以及预处理

本研究所选用的数据为Landsat系列遥感数据，数据来源于地理空间数据云平台。综合考虑到7—8月为该研究区域植被的生长期，所以分别选择1986年7月、1995年8月和2011年8月各一景Landsat 5 TM遥感影像，2019年8月一景Landsat 8 OLI遥感影像，在ENVI5.3软件中对影像进行辐射定标、大气校正和裁剪等预处理。使用的DEM高程数据也来源于地理空间数据云平台，空间分辨率为30 m，在ArcGIS10.3软件中处理，提取出海拔、坡度和坡向数据。

1.3 研究方法

1.3.1 像元二分模型

利用像元二分模型计算研究区的植被覆盖度，其计算公式如下。

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中，FVC为植被覆盖度，NDVI为归一化植被指数，NDVIsoil表示完全为裸土或者是无植被覆盖情况下的NDVI值，NDVIveg表示纯植被像元的NDVI值。在没有实测数据情况下，可以取一定置信区间的NDVImax和NDVImin代替NDVIveg和NDVIsoil[19]。在本研究中选择统计值中98%和2%的NDVI值作为NDVImax和NDVImin。

1.3.2 差值法

为了进一步分析1986年至2019年剑阁县植被覆盖度变化的情况，采用差值法计算不同时期植被覆盖度的变化量。

2 结果与分析

2.1 剑阁县1986—2019年植被覆盖度空间分布

基于像元二分模型，利用4期植物生长期的遥感影像计算该地区1986、1995、2011和2019年4个时期的植被覆盖度。为了进一步分析剑阁县植被覆盖度的空间分布情况，将计算出来的植被覆盖度划分为5个等级，结合陈妮等[20]的研究，不同等级的划分阈值分别为：低(<0.2)、中低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、中高(0.6～0.8)、高(>0.8)。剑阁县各年份的植被覆盖度分布情况如图2所示，其平均植被覆盖情况如图3所示。同时，统计各年份不同植被覆盖度等级的面积比例，以此分析该地区的不同等级植被覆盖度的变化情况。

剑阁县的植被覆盖情况在1986年至2019年一直处于一个较好的状况(图2)。其中，1986年低植被覆盖度和中低植被覆盖度主要分布在该县的东南角，到2019年，该区域的植被覆盖情况明显好转。

图2 1986-2019年剑阁县的植被覆盖度Fig.2 Vegetation coverage in Jiange County from 1986 to 2019

将1986年、1995年、2011年和2019年的植被覆盖度影像叠加计算其平均植被覆盖度(图3)。在研究时间段，剑阁县的平均植被覆盖以中高植被覆盖度和高植被覆盖度为主，其中最为典型的为北部山脉周边地区，比如剑门关镇。而低植被覆盖度和中低植被覆盖度主要分布在研究区域的南部，即公兴镇、金仙镇和香沉镇等地。

如图4所示，在1986年至2019年，剑阁县以中高植被覆盖度和高植被覆盖度为主，二者所占比例之和超过了50%。其中，高植被覆盖度所占面积逐年增加，其分布范围从开始的北部山脉附近逐步扩散到其他地区。研究区域低植被覆盖度和中低植被覆盖度所占比例较小。

图4 剑阁县的植被覆盖度及各等级的比例Fig.4 Vegetation coverage and proportion of each grade in Jiange County

2.2 剑阁县1986—2019年植被覆盖度时空变化分析

为了进一步分析在不同时间段内剑阁县植被的改善与退化分布情况，通过差值法对植被覆盖度影像进行计算，参考杨灿等[21]的研究方法以及本地区的特点，将变化值设置阈值划分为5个等级：显著退化(<-0.3)、轻微退化(-0.3～-0.1)、稳定(-0.1～0.1)、轻微改善(0.1～0.3)、显著改善(>0.3)。剑阁县植被的改善与退化分布状况如图5所示。利用转移矩阵进一步分析该地区植被覆盖度的年际变化情况，结果见表1。

图5 剑阁县33年期间的植被变化情况Fig.5 Vegetation changes in Jiange County during 33 years

表1 剑阁县植被覆盖度的转移矩阵Tab.1 Transfer matrix of vegetation coverage in Jiange County km2

1986年至1995年剑阁县的植被变化情况以稳定和改善为主，如北部山脉附近，植被覆盖度多年较稳定。究其主要原因是由于剑阁县自1989年起开始进行长江防护林工程建设，实施了封山育林、森林抚育和飞播造林等诸多造林措施，这些生态保护措施改善了剑阁县的植被覆盖情况。1995年至2011年剑阁县的植被变化情况也是以稳定和改善为主，分析其原因，主要是因为在该时间段进一步实施了“退耕还林”“天保工程”两大生态工程建设。剑阁县自1999年起开始实施退耕还林，这一工程使剑阁县的林地和耕地情况得到进一步改善，而自2000年起该地区开展“天保一期工程”，通过各种措施对该地的林地产生较大影响。2011—2019年，剑阁县的植被变化情况依旧是以稳定和改善为主，因为自2011年起剑阁县进一步实施“天保二期工程”，随后不久从2014年起又实施新一轮的“退耕还林”工程，加大森林资源的保护力度，这让剑阁县的生态环境得到进一步改善。

从整体情况进行分析，1986年至2019年剑阁县的植被变化在整体上以改善和稳定区域占优势，如东南部在1986年植被覆盖度较低，但在变化图中植被明显改善，其主要原因是“退耕还林”和诸多造林工程改善了这部分地区的林地植被，使裸露的土地逐渐减少。除了水域外，北部的山脉和中部部分地区植被较稳定。整个县域内退化的区域分布比较零散，但是分布依然有规律，据剑阁县33年期间的植被变化情况(图5)分析，其中比较明显的退化区域主要分布在河流附近，主要原因是水域的面积增加，如修建水库、河流的河道变宽等因素，导致水域周边原本被植被覆盖的地区被水淹没，致使植被覆盖度下降，如闻溪河周边区域；其次是建设用地面积的增加，比如剑阁县县城所在地随着城市面积的扩大，原本是植被的区域被房屋所覆盖，其植被覆盖度明显下降。

为了进一步分析剑阁县的植被覆盖度年际变化，对2019年和1986年两期数据进行叠加分析，获取1986年至2019年植被覆盖度的转移矩阵。从表1转移矩阵中可以看出，在该时间段剑阁县的高植被覆盖度的稳定性最好，其中大部分面积保持不变，同时除了低植被覆盖度以外，其他3个植被覆盖度等级大多向高植被覆盖度等级转变，且3个植被覆盖度等级向高植被覆盖度转变的面积超过了自身面积的一半，最终高植被覆盖度区域的面积总共增加了1 126.28 km2。低植被覆盖度区域虽然变化面积不多，但其本身所占面积不大。虽然不同等级植被覆盖度之间转变情况不同，但仍可以看出植被覆盖度等级的转变是向好的方向发展。

2.3 剑阁县植被覆盖度变化与地形因子的关系

为了进一步分析剑阁县地形与植被变化的关系，将提取出的高程、坡度和坡向等3个地形因子划分等级与1986年至2019年的植被覆盖度差值影像叠加分析，探究在不同等级地形因子上植被的退化与改善变化情况。参考研究区域的实际情况对地形因子进行重分类，将高程划分为8个等级：<500 m、500～600 m、600～700 m、700～800 m、800～900 m、900～1 000 m、1 000～1 100 m、>1 100 m。根据水土流失调查常用的8°作为缓坡和斜坡界线的方法，将该区域的坡度划分为平坡地(0～5°)、缓坡地(5°～8°)、斜坡地(8°～15°)、陡坡地(15°～25°)、急坡地(25°～35°)、险坡地(>35°)[22]。将坡向划分为5个等级(阴坡、阳坡、半阴坡、半阳坡和平地)[23]。

2.3.1 高程因子

如图6所示，在1986年至2019年期间，剑阁县植被的改善主要发生在海拔500～700 m范围，其中：植被轻微改善主要发生在海拔600～700 m范围，在该海拔区域改善面积达到309.27 km2；植被显著改善主要发生在海拔500～600 m范围，在该海拔区域改善面积达到194.65 km2。同一时期，植被轻微退化和显著退化主要发生在500～600 m海拔范围，在这个范围植被退化面积总共达到了90.68 km2。在每个高度等级中，植被改善区域的面积明显大于退化区域。

图6 剑阁县不同海拔区域的植被覆盖面积变化Fig.6 Changes of vegetation coverage at different altitudes in Jiange County

2.3.2 坡度因子

如图7所示，植被覆盖的变化主要发生在斜坡地和陡坡地，也就是坡度8°～25°的范围。植被的轻微退化和显著退化主要发生在斜坡地，在这个范围退化面积总共达到124.33 km2。轻微改善和显著改善主要发生在陡坡地，在这个范围改善的面积总共达到594.53 km2。而在各个坡度的植被中，植被的改善区面积都大于退化区。

图7 剑阁县不同坡度的植被覆盖度变化情况Fig.7 Changes of vegetation coverage at different slopes in Jiange County

2.3.3 坡向因子

如图8所示，除平地外，植被改善区在半阳坡的面积最大，轻微改善和显著改善区域在半阳坡的总面积达到了482.91 km2。植被退化区在阳坡的面积最大，轻微退化和显著退化区域在阳坡的总面积达到了83.80 km2。在各个坡向上植被改善区面积均大于退化区面积。

图8 剑阁县不同坡向的植被覆盖度变化情况Fig.8 Changes of vegetation coverage in different slope directions in Jiange County

3 讨论与结论

3.1 讨论

剑阁县位于四川盆地边缘，区域内降水充沛，且气温适宜。自1986年至2019年，该地区经历了“长江防护林建设”“天保工程”和“退耕还林”等诸多生态工程。研究结果表明，这些生态工程对剑阁县的生态环境产生了积极影响。在进行地形分析时，植被的退化区域主要发生在海拔500～600 m范围，究其原因，主要是由于在该海拔范围人类活动比较频繁，对植被的干扰较大。因此保护森林植被除了要积极展开各项生态修复工程外，还应注重培养人们的森林保护意识，合理规划、进行各项土地开发活动。同时，在坡度25°以上的区域以改善为主也反映出“退耕还林”工程在当地实施情况较好，后期也应该进一步巩固各项生态修复工程现有的成果，加强植被保护的力度。而另一方面对植被资源进行保护的同时，为了促进剑阁县本地产业的进一步发展，也应考虑森林资源的合理开发，对当地森林资源的开发利用进行合理规划，比如木材加工业、养殖业、发展经济林以及与剑阁县本地旅游部门结合打造绿色旅游项目等。

此外，本研究也存在一些不足之处，由于四川地区云雾较多，本次研究所选择的部分影像存在薄雾，虽然经过校正但依旧对研究结果产生一定影响，因此在未来的研究中应该考虑使用质量更好、更清晰的影像以确保其结果更加准确。

3.2 结论

基于1986年至2019年4期Landsat系列遥感影像数据，利用归一化植被指数和像元二分模型，结合DEM高程数据，以四川省剑阁县作为研究区域，对该区域的植被覆盖情况进行研究，本次研究结论如下。

(1)1986—2019年，剑阁县的植被覆盖情况较好，该地区的植被覆盖度明显提升，植被覆盖度以中高植被覆盖度和高植被覆盖度为主，并且高植被覆盖度所占比例呈逐年上升趋势。以差值法分析植被的年际变化，剑阁县的植被以稳定和改善为主。通过转移矩阵分析1986年至2019年的植被年际变化，发现除了低植被覆盖度以外，各等级植被覆盖度之间的转变以向高植被覆盖度转变为主。

(2)从地形因子方面分析，植被覆盖度的改善与退化情况在不同海拔、坡度和坡向上存在差异，在高程因子上，植被的改善主要发生在海拔500～700 m的区域，退化主要发生在海拔500～600 m的区域；在坡度因子上，植被退化主要发生在斜坡地，改善主要发生在陡坡地，在25°以上的区域主要为改善区域，坡度较陡的地区植被得到很好的改善；在坡向因子上，植被改善主要发生在半阳坡，退化主要发生在阳坡。在有关各个地形因子的分析当中，植被改善区域均占明显优势。