半湿润半干旱过渡区洮河流域植被盖度变化特征

许幼霞, 周 旭, 赵 娟, 周秋文, 韦小茶

(贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001)

半湿润半干旱过渡区洮河流域植被盖度变化特征

许幼霞, 周 旭, 赵 娟, 周秋文, 韦小茶

(贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001)

[目的] 通过对半湿润半干旱过渡区洮河流域较高空间分辨率植被盖度变化分析，为新一轮退耕还林还草政策落实，流域生态文明建设和可持续发展决策等提供参考。 [方法] 以1993年Landsat 5 TM, 2001年Landsat 7 ETM+, 2015年Landsat 8 OLI和ASTER GDEM为数据源，先用像元二分模型反演植被盖度，再用流域分区、高程、坡度及坡向分级所得基础单元，统计分析各单元内的植被盖度均值和植被盖度变化面积比例。 [结果] 1993—2015年洮河流域植被盖度均值增加了17.52%，正向变化面积比占62.24%，负向变化面积仍占有6.41%；3期数据均表明，高程2 500 m以下植被盖度最低，高程4 000 m以上无明显变化与负向变化面积比例之和最大；坡度0°～5°,10°～15°之间植被盖度均值最低但增幅最大，无明显变化和负向变化面积比例之和随坡度增加而增加，并在60°以上达到最大；坡向对植被盖度分布的限制作用逐渐减弱。[结论] 洮河流域植被地形分异特征明显，植被盖度总体呈现增加趋势，但还存在一定的负向变化；未来应重视高程2 500 m以下，坡度20°以下，坡向为平地、西坡、南坡的植被恢复；加强 4 000 m以上，坡度45°以上和东坡、东北坡现有植被生态保护。

植被盖度变化; 高程; 坡度; 坡向; 半干旱半湿润过渡区; 洮河流域

陆地表面典型过渡区是地理学、生态学和大气科学等多学科高度重视的热点区域[1-5]。中国半干旱半湿润过渡区主要分布在东北、华北及青藏高原中东部[6]，面积超过全国土地面积的1/3，是生态环境十分脆弱且对全球变化高度敏感的区域。植被作为陆地生态系统的重要组分，也是全球及区域尺度生态环境变化的关键指标。中国在东北及青藏高原等典型过渡区的植被变化研究成果丰硕[7-15]。但这些成果多用NOAA/AVHRR，GIMMS NDVI，SPOT VEGETATION或MODIS NDVI等较低空间分辨率数据，研究大区域植被整体变化特征，及其与气温、降水、干燥度或人类活动等因素的关系。植被变化是多因素、多时空尺度长期相互作用的结果。以水土保持与生态恢复为根本目的的造林、种草、退耕还林还草等植被活动，已大量落实到小流域或坡面等小范围尺度，大空间尺度的宏观趋势研究已不足以支撑后续生态恢复工程布局与效益评价等。高程、坡度和坡向通过影响降雨分配和土壤水分运移等，进而影响小气候变化，同时影响人类活动的可进入性。焦超卫等[16]研究证实植被分布与高程、坡度和坡向关系密切；周旭等[17]研究发现不同高程和坡向分区内，植被恢复的空间差异和可持续性差异显著；蔡宏等[18]研究指出植被变化受坡向和坡度的影响较大。洮河流域是黄河上游一级支流，具有高寒湿润半湿润与温带半干旱气候特征，是青藏高原东缘向陇西黄土高原过渡区，同时是典型的半湿润半干旱过渡区。因此，用30 m较高空间分辨率遥感数据，探明洮河流域植被盖度变化特征，能够为多时空尺度植被盖度变化分析，新一轮退耕还林还草政策落实以及流域生态文明建设和可持续发展决策等提供参考。

1 研究区概况

洮河为黄河上游右岸一级支流，位于101°30′—104°20′E，34°05′—35°58′N，流域面积约25 527 km2[19-20]。河流发源于昆仑山余脉西倾山的勒尔当，由西向东经碌曲、临潭、卓尼至岷县北折，经临洮到永靖矛龙峡汇入黄河，干流全长673 km。流域内地势自西南向东北逐级降低，最高高程4 866 m，最低高程1 002 m。地貌以白石山、太子山为界，分别是甘南高原和陇西黄土高原，属于青藏高原东缘向黄土高原西南缘过渡带。集水单元以岷县断面和海甸峡断面为界，分别为上、中、下游。下游为黄土高原温带半干旱气候区，沟壑纵横，塬梁峁与深切河谷相间分布，年均降水量400～600 mm，植被以半干旱稀疏林地与稀疏草地为主。中上游为甘南高原高寒湿润半湿润气候区，由地势平缓、河谷开阔的草原区过渡为高山耸立、河流曲折的森林草原区，年均降水量600～900 mm，植被以高寒草原草甸和山地森林为主。中上游水源涵养能力强，是引洮工程的饮水区；下游地表破碎，水土流失严重。独特的自然要素区域差异是资源利用与生态恢复的基础条件。

2 数据与方法

2.1 数据来源与预处理

为了研究相对精细尺度的植被盖度变化特征，本研究分别从中国地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn/)和美国马里兰大学GLCF平台(http:∥www.landcover.org/)，下载洮河流域1993年Landsat 5 TM，2001年Landsat 7 ETM+，2015年Landsat 8 OLI和ASTER GDEM数据，空间分辨率均为30 m。遥感数据行列号分别为130/35，130/36，131/35，131/36，成像时间集中在植被生长季，图像质量较好。所有数据均用ENVI 5.0和ArcGIS 10.2进行波段合成、几何校正、快速大气校正、拼接和裁剪等预处理，投影定义为我国常用的Albers双标准纬线等面积割圆锥投影。

2.2 研究方法

(1)

式中：NDVI——归一化植被指数;NIR——近红外波;R——红光波段;VC——植被盖度;NDVIsoil——完全裸露土壤的NDVI值;NDVIveg——完全植被覆盖的NDVI值。

反演结果经流域专家实地调研，目视估测现状植被盖度检验精度达90%以上。再参考水利部《土壤侵蚀分级标准》，将植被盖度分为1级植被覆盖(<30%)、2级植被覆盖(30%～45%)、3级植被覆盖(45%～60%)、4级植被覆盖(60%～75%)和5级植被覆盖(>70%)。植被覆盖级别越高，长势和盖度越好，反演得到3期植被盖度图为后续分析做准备。

2.2.2 植被盖度变化分析 为分析植被盖度变化特征，参考文献[16-18]，用DEM提取出高程、坡度和坡向3因子数据后，再按表1将各因子数据进行分级得到相应的统计分析基础单元。

表1 地形因子分级标准

为分析植被盖度整体变化特征，将流域内典型地貌分区图、高程、坡度及坡向分级图分别与3期植被盖度图空间叠加，运用公式(2)逐像元统计各基础单元内的植被盖度均值，均值越大表明植被覆盖整体质量越高。

(2)

为分析不同单元内、不同年份间植被盖度的正负向变化特征，将2015年植被盖度减去1993年植被盖度后，用公式(3)逐像元判断出植被盖度变化方向后，再统计各向植被盖度变化的面积比例，比例越大表明该类植被变化主导性越强。

(3)

式中：DVC(i,j)——植被盖度变化阈值;VC′——2015与1993年植被盖度之差; i——VC′的第i行，j——VC′的第j行; M——总行数; N——总列数。若DVC(i,j)>1则表示正向变化，若DVC(i,j)<1则表示负向变化，若-1≤DVC(i,j)≤1则表示无明显变化。

3 结果与分析

3.1 全流域植被盖度变化特征

遥感反演植被盖度空间分布如图1所示。由图1可见，3期植被盖度均呈由南向北逐渐降低的趋势。统计全流域及各地貌单元的植被盖度均值如图2所示。由图2可见，洮河下游黄土区、中上游甘南高原区和全流域的植被盖度均值，1993年分别为22.63%，56.99%和48.36%，2001年分别为25%，63.4%和53.75%。2015年分别为58.03%，71.15%和65.88%。黄土区和甘南高原植被盖度差距呈减小趋势，植被盖度总体呈增加趋势，全流域平均增加了17.42%。全流域1,2,3,4,5各级植被覆盖面积比例，1993年分别为29%，10.33%，21.66%，28.51%和10.49%，2001年分别为30.63%，8.9%，13.6%，18.08%和28.79%，2015年分别为8.2%，8.3%，17.5%，29.5%和36.6%。全流域植被盖度变化主要表现为较低植被覆盖面积比例减少和较高植被覆盖面积比例增加。22a间洮河流域植被盖度变化空间分布如图3所示。

统计发现，全流域植被盖度正向变化面积比例为66.23%，无明显变化面积比例为31.35%，负向变化面积比例为6.41%，植被盖度变化以大面积正向变化为主。正向变化集中分布在下游黄土区和洮河中游大拐弯处，表明黄土区恶劣自然条件下人为植被恢复效果已较显著。无明显变化出现在下游黄土区北端及黄土区西南缘向甘南高原过渡区内、中游森林区南缘和上游草原区，表明在地形边缘和林地边缘过渡区的植被恢复还有待加强。负向变化零星分布在上游草原区。

图1 洮河流域3期植被盖度空间分布

图2 洮河流域植被盖度均值分区统计

图3 洮河流域22 a间植被盖度变化空间分布

3.2 植被盖度随高程变化特征

洮河植被盖度均值随高程变化的分异特征如图4所示。由图4可见，3期植被盖度随高程变化均表现为随高程增加先增加后减少，盖度均值最小值都出

现在2 000 m以下，高程上升到2 000 m后均迅速增加，3 000～3 500 m区间出现最大值，4 000 m后又迅速减小。这与洮河流域高程2 000 m后，地貌由陇西黄土高原向甘南高原过渡，半湿润气候条件下降水量增加土壤水分条件变好，4 000 m以上高寒气候水热条件变差等垂向分异规律是相适应的。同时，各高程带上2015年植被盖度均值均明显高于2000年的值，这与李常斌等发现近期洮河流域气温持续增加，杨林山等指出气温增加促进上游植被恢复、人工措施促进下游植被活动增强等解释是较符合的。22 a间植被盖度均值增幅较大出现在1 500～2 000 m(23.09%)和2 000～2 500 m(29.11%)区间，增幅较小出现在3 500～4 000 m(12.19%),4 000 m以上(9.09%)区间。总体来看，低海拔植被盖度一直处于较低水平，但增长速度最快，仍是未来植被生态恢复的关键带。海拔4 000 m以上，植被盖度较低且恢复速度慢，要特别注意这一地带现有植被保护。

植被盖度变化面积比例随高程变化的分异特征如图5所示。由图5可见，在各级高程范围植被盖度变化表现为:正向变化面积比例>无明显变化面积比例>负向变化面积比例。同时，随着海拔升高正向变化逐渐变小而负向变化逐渐增加，1 500～2 000 m,2 500～3 000 m,3 000～3 500 m,3 500～4 000 m及4 000 m以上区间负向变化与无明显变化面积比之和较大，分别为32.81%，36.57%，45.62%，43.55%和56.34%，这些地区在生态恢复的同时要特别注意负向变化问题，防止生态退化。

注：1表示高程范围为1 002～1 500 m;2为1 500～2 000 m;3为2 000～2 500 m;4为2 500～3 000 m;5为3 000～3 500 m;6为3 500～4 000;7为4 000以下。下同。图4 洮河流域植被盖度均值随高程变化统计

图5 洮河流域植被盖度变化随高程变化统计

3.3 植被盖度随坡度变化特征

植被盖度均值随坡度变化的分异特征如图6所示。由6可见，3期植被盖度均值均随坡度增加而先缓慢增加后迅速减少，植被盖度增幅随坡度增加而迅速减小，说明坡度越高植被恢复越困难。植被盖度最低值出现在0°～5°,10°～15°之间，但增幅最快，22 a间分别增加20.26%和19.96%。3期盖度值均在10°～15°之间出现凹陷，说明这2个坡度级植被受人类活动影响大，且对恢复重建措施响应最快。2015年植被盖度值在各个坡度级上均较1993和2001年有较明显增加，且最大值所在坡度由1993年和2001年的30°～35°之间下移到25°～30°之间，这是气候暖干化背景下，持续落实25°以上坡耕地退耕还林还草的重要成效。

植被盖度变化面积比例随坡度变化的分异特征如图7所示。由图7可见，植被盖度正向变化面积比例较大值依次在0°～5°(占67.25%),5°～10°(占66.22%),10°～15°(占66.91%)，15°～20°(占64.29%)之间，且正向变化面积比例随坡度增加呈减少趋势，说明坡度越低，植被恢复越快。无明显变化和负向变化面积比例之和较大的依次在60°以上(占67.48%),55°～60°(占58.82%),50°～55°(占53.92%),45°～50°(占51.12%)之间，整体呈随坡度增加而增加的趋势，这些坡度级仍然是未来植被生态恢复的关键区域。

注：a为0～5°;b为5～10°;c为10～15°;d为15～20°;e为20～25°;f为25～30°;g为30～35°;h为35～40°;i为40～45°;为45～50°;k为50～55°;e为55～60°;m为60°以上。图6 洮河流域植被盖度随坡度变化统计

图7 洮河流域植被盖度变化随坡度变化统计

3.4 植被盖度随坡向变化特征

植被盖度均值随坡向变化的分异特征如图8所示，3期植被盖度均值都在平地达到最小值。1993和2001年都在东北坡达到最高值分别为51.11%和57.29%，东北坡、东坡植被明显高于南坡及其他坡向；较好的体现了干旱条件下阳坡光照较强、水分较差、植被较差，而阴坡光照较弱、水分较好、植被较好的自然状态。2015年，植被盖度最大值变为东坡为67.46%，在各个坡向上平均增加了18.29%，在平地、西坡、南坡增幅较大，分别为23.66%，18.64%，18.25%。同时，植被盖度值在个坡向的差距变小，在造林、种草和退耕还林还草等积极人类活动与当地水热条件耦合作用下，坡向对植被盖度分布的限制作用在逐渐减弱。

植被盖度变化面积比例随高程变化的分异特征如图9所示。可见，植被盖度正向变化面积比例较大的依次为平地(68.65%)、南坡(65.40%)、西坡(64.63%)和西南坡(64.5%)；无明显变化面积比例较大的依次为东北坡(34.33%)、北坡(34.25%)、西北坡(32.56%)；负向变化面积比例较大的依次为东坡(8.16%)、东北坡(7.73%)、东南坡(6.99%)。北坡、东北坡和东坡的负向变化与无明显变化面积比例之和均在40%左右，植被恢复过程中可能存在顾此失彼的问题，未来在原本植被长势较好的阴坡上仍有较强的植被恢复潜力。

图8 洮河流域植被盖度随坡向变化统计

图9 洮河流域植被盖度变化随坡向变化统计

4 结 论

(1) 全流域植被盖度变化主要表现为流域北部植被盖度值增加迅速而南部增加缓慢，较低植被覆盖面积减少而较高植被覆盖面积增加。1993—2015年，洮河流域植被盖度总体平均增加了17.52%，黄土区植被盖度增加35.4%，甘南高原增加14.16%，北部增加较快而南部增加缓慢。22 a间1,2,3,4,5级植被盖度变化值分别为-20.8%,-2.07%,-4.16%，0.95%，26.09%，低级植被盖度减小而高级植被盖度增加。

(2) 植被盖度在高程上的分异特征表现为盖度均值随高程增加而先增加后减少，海拔越低植被恢复速度越快，海拔越高负向变化越大。3期植被盖度峰值均出现在3 000～3 500 m范围内，最低值出现在2 500 m以下；低海拔植被盖度较低，但增长速度较快，海拔4 000 m以上，植被盖度较低且恢复速度慢。同时，随着海拔升高正向变化逐渐变小而负向变化逐渐增加，要特别注意高海拔区域现有植被的保护。

(3) 植被盖度在坡度上的分异特征表现为植被盖度均值随坡度增加而先缓慢增加后迅速减少，无明显变化与负向变化之和随坡度增加而增加。坡度越低植被恢复越快，坡度越高植被恢复越困难。3期数据均在10°～15°之间出现凹陷且增幅较大，说明洮河流域10°～15°坡度级受人类活动影响最大，坡度45°以上无明显变化与正向变化之和的平均值为56.13%，未来植被生态恢复与保护应十分重视这些区域。

(4) 植被盖度在坡向上的分异特征表现为植被盖度均值在平地达到最小值，在东北坡和东坡达到最高值，北坡、东北坡、东坡无明显变化和负向变化之和较大，均在40%左右，要注意生态恢复过程中顾此失彼的问题。2015年植被盖度均值在各个坡向上的差距变小，表明在积极人类活动与当地水热条件耦合作用下，坡向对植被盖度分布的限制作用在逐渐减弱。

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Vegetation Coverage Variation Features River in Semi-humid and Semi-dry Transitional Region of Taohe River Basin

XU Youxia, ZHOU Xu, ZHAO Juan, ZHOU Qiuwen, WEI Xiaocha

(SchoolofGeographicandEnvironmentalSciences,GuizhouNormalUniversity,Guiyang，Guizhou550001,China)

[Objective] The objective of this paper was to analyze the variation of vegetation coveragein in semi-humid and semi-dry transitional region of Taohe River basin through high resolution RS image in order to provide a reference for the implementation of new way of returning farmland to forest and grassland, and for decision making of the basin’s ecological civilization construction and sustainable development. [Methods] Landsat 5TM in 1993, Landsat 7ETM+in 2000, Landsat 8 OLI in 2015 and ASTER GDEM data sets were used in this paper. Firstly, Dimidiate Pixel Model was used to invert vegetation coverage. Then base units extracted from the basin partition, elevation, slope and aspect were used to count and analyze the mean and variation area ratio of vegetation coverage. [Results] On a whole level, vegetation coverage mean increased by 17.52% in Taohe River basin from 1993 to 2015. Increased area covered 62.24% and the decreased covered 6.41%. The date sets showed that the lowest vegetation coverage was below the altitude of 2 000 m. The sum area ratio of decrease and no significant change run up to the maximum as the altitude is above 4 000 m. Vegetation coverage reached the lowest but increased fast in the slopes between 0°～5° and 10°～15°. The sum area ratio of decrease and no significant change grew with the increase of slope, and reached its highest as it was above 60° (covered 67.48%). Effect of slope exposure to the the distribution of the vegetation coverage was weaken. [Conclusion] The results showed that the basin’s general trend of vegetation coverage was increasing, but there were still decrease in some areas and had significant variation features. In the future we should pay great attention to vegetation restoration in the areas as the elevation is below 2 500 m, slope grade is below 20° and the slope aspect is western, southern or at level ground. Existing vegetation should be well protected in the elevation above 4 000 m, and when slope is above 45° and slope aspect is eastern and northeast.

vegetation coverage; elevation; slope; aspect; semi-humid and semi-dry transitional region; Taohe basin

2016-01-14

2016-03-17

国家“十二五”科技支撑计划项目“黄河中游河川径流锐减驱动力及人为调控效应研究”(2012BAB02B00); 黄河水利委员会科技项目; 贵州省教育厅教改项目

许幼霞(1991—),女(汉族),安徽省合肥市人,硕士研究生,研究方向为土地规划与GIS应用。E-mail:394159469@qq.com。

周旭(1981—),男(汉族),四川省古蔺县人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事遥感水文与GIS应用研究。E-mail:zxzy8178@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.052

A

1000-288X(2016)06-0308-07

S717， S157.1

文献参数： 许幼霞, 周旭, 赵娟, 等.半湿润半干旱过渡区洮河流域植被盖度变化特征[J].水土保持通报，2016,36(6)：308-314.