地形因子对长汀县植被覆盖度时空特征的驱动影响

田 地, 张厚喜, 刘 政, 胡亚林

(福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

植被是陆地生态系统的主体，受地形、气候、土壤等多种环境因子的制约[1-3].同时，植被也是连接大气、土壤和水分的“纽带”，具有减少雨滴激溅、减缓地表径流、保土固土的功能，是控制土壤侵蚀与水土流失的重要因子.植被覆盖度(fractional vegetation coverage, FVC)是指单位面积内植被地上部分(包括叶、茎、枝)在地面垂直投影面积的百分比[4-5]，是地表植被生长趋势的重要参量，也是区域生态退化监测最重要、最敏感的指标.获取地表植被覆盖度及其变化信息，对揭示地表植被时空变化规律，探讨植被覆盖变化驱动因子，评价区域生态环境具有重要意义.

植被变化与地理环境和人类活动密切相关，其中地形因子对植被生长具有重要影响.有研究表明，岷江上游流域低植被覆盖度区域受坡度影响显著，而极高植被覆盖度区域受高程影响显著[6].汶川地震灾区的植被覆盖度受坡度和高程影响较大，而受坡向影响较弱[7].在赤水河流域，坡度和坡向对植被覆盖的影响都明显高于高程[3].同时王毅和郭跃[8]研究发现，贵州省普定县喀斯特地貌区植被覆盖度的分布与地形因子的空间关系具有不确定性，地形因素主要通过影响人类活动间接影响植被覆盖度.可见，地形因子对植被覆盖度变化的影响具有复杂性，不同地区影响植被覆盖度的关键地形因子不同.

长汀县是我国典型的红壤水土流失区，因其土壤侵蚀的典型性、严重性与治理的长期性，长汀县植被治理和恢复一直受到政府与社会的高度重视.徐涵秋等[9]和张灿等[10]基于Landsat TM/ETM+/OLI影像数据，发现了长汀县近30年来植被覆盖度恢复效果显著.然而，目前针对长汀县地区高程、坡度、坡向等地形因子对该地区植被覆盖度时空变化影响的研究未见报道.因此，本研究采用ArcGIS10.2和ENVI5.3软件，以福建省长汀县的LandsatTM/OLI遥感影像数据为基础，采用改进像元二分模型，探究长汀县植被覆盖度时空变化特征.同时，通过DEM数据提取地形因子，分析植被覆盖度与高程、坡度、坡向等地形因子的定量关系，旨在明确长汀地区植被覆盖度时空变化特征及其与地形因子的关系，为该区水土流失植被治理和生态环境建设提供依据.

1 数据与方法

1.1 研究区概况

长汀县位于福建省西部山区，武夷山脉南麓，南部近邻广东，西部接壤江西，是闽、粤、赣三省的边陲要冲，全县总面积3 090 km2，范围北纬25°18′40″—26 °02 ′05″，东经116°00′45″—116°39′20″.长汀县呈四周隆起中部下凹的盆地类型，地势自北向南倾斜，全县最高海拔1 459 m，最低海拔238 m.气候类型为亚热带季风性气候，年均气温18.3 ℃，年均降水量1 730.4 mm.由于该地区雨量充沛，年内分配不均，风化作用十分强烈，土壤易受侵蚀，是我国亚热带红壤水土流失最为严重的地区之一.

1.2 数据来源及处理

1.2.1 植被覆盖度遥感数据 本研究采用的遥感数据为Landsat TM以及Landsat OLI影像，源自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，影像行列编号均为121-042，空间分辨率为30 m.遥感影像的选择需满足以下两方面要求：首先，选取云含量较低的遥感影像反演植被覆盖度，保证提取结果的精确度；其次，为减少因植被生长发育所引起的误差，均选取植被发育情况相近的时间段.因此，本研究所选取的长汀县2000—2016年间遥感影像均为秋季(9—11月)且云量低于5%的遥感影像.各时期所选择遥感数据源的信息如表1.

表1 2000—2016年间长汀县植被覆盖度反演遥感数据源Table 1 Source information on remote sensing data for fractional vegetation coverage in Changting County from 2000 to 2016

首先，将遥感数据投影方式均转换为基于WGS-84坐标系的通用横轴墨卡托投影，并进行几何校正、辐射定标和大气校正等预处理.然后，采用相同投影的矢量边界数据裁剪得到研究区域的遥感影像数据.

1.2.2 地形数据 地形因子包括高程、坡度和坡向，为30 m地面分辨率ASTER GDEM V2高程数据，源自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，坡度及坡向数据主要基于DEM数据通过ArcGIS 10.2软件3D Analyst模块Aspect及Slope工具生成.依据研究区海拔高度，将长汀县划分为7个海拔高程，即第1高程(<300 m)、第2高程(300～400 m)、第3高程(400～500 m)、第4高程(500～600 m)、第5高程(600～700 m)、第6高程(700～800 m)、第7高程(≥800 m).依据《水土保持综合治理规划通则GB T15772—2008》[11]和水土流失调查中常用的8°作为缓坡和斜坡界线的方法，将坡度分为平坡(0°～5°)、缓坡(5°～8°)、斜坡(8°～15°)、陡坡(15°～25°)、急坡(25°～35°)和险坡(>35°)等6个等级.考虑到坡向对植被长势的影响，将研究区划分为为平地(0°)、阴坡(0°～67.5°，337.5°～360°)、半阴坡(67.5°～112.5°，292.5°～337.5°)、半阳坡(112.5°～157.5°，247.5°～292.5°)、阳坡(157.5°～247.5°)5种坡向类型[12].

1.3 研究方法

1.3.1 基于像元二分模型的植被覆盖度计算 本研究中长汀县植被覆盖度采用改进的像元二分模型来估算，公式如下[13]：

FVC=(N-Nsoil)/(Nveg-Nsoil)

(1)

式中，FVC为植被覆盖度，N为任意像元的归一化植被指数(NDVI)，Nsoil代表纯裸地的植被指数，Nveg代表纯植被覆盖的植被指数.归一化植被指数N公式如下[14]：

N=(NIR-R)/(NIR+R)

(2)

式中，NIR为近红外波段的反射率，R为红光波段的反射率.

根据影像的NDVI序列，采用5%和95%置信度截取NDVI的上下阈值，在置信区间内取最大值和最小值分别代替Nveg和Nsoil.利用ENVI 5.3软件估算长汀县6期植被覆盖度，并依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2008)[15]，利用ArcGIS 10.2软件栅格重分类工具将研究区植被覆盖度分为5个等级：Ⅰ级植被覆盖度为裸地(FVC,0)，Ⅱ级植被覆盖度为低覆盖度(FVC,0～25%)，Ⅲ级植被覆盖度为中覆盖度(FVC,25%～50%)，Ⅳ级植被覆盖度为高覆盖度(FVC,50%～75%)，Ⅴ级植被覆盖度为极高覆盖度(FVC,>75%).植被覆盖度均值，依据研究区植被覆盖度总值与像元总数进行计算，公式为：

(3)

1.3.2 基于差值法的植被覆盖度动态特征及植被恢复等级提取 通过对各期植被覆盖度栅格图像数据进行逐像元做差值运算，并对结果进行标准化分级，来衡量植被动态变化的趋势、大小及空间特征，计算公式如下[16-17]：

ΔFVC=FVCa-FVCb

(4)

式中，ΔFVC为栅格图像数据的差值，FVCa和FVCb为第a和b期栅格图像数据.此外，基于2000年和2016年的植被覆盖度栅格影像做差值运算，分析植被衰退恢复演变特征，并将植被覆盖度分成6个衰退恢复等级：严重退化(-100%,-15%]、中度退化(-15%,-5%]、轻微退化(-5%,0]、轻微改善(0,5%]、中度改善(5%,15%]、极度改善(15%,100%].

1.3.3 地形因子与植被覆盖度关系 首先利用ArcGIS 10.2软件栅格转点工具将6期植被覆盖度图转为点数据，再利用多值提取至点工具将地形因子栅格数据提取至植被覆盖度点数据，最后利用空间统计工具获得各高程、坡度及坡向的植被覆盖度均值.

2 结果与分析

2.1 长汀县植被覆盖度时空变化特征

2000—2016年，长汀县植被覆盖度均值由68.59%增加至78.86%(图1).2000—2002年和2006—2016年，长汀县植被覆盖度增速较快，平均每年提高1.32%和0.83%.然而，2002—2006年长汀县植被覆盖度呈现下降趋势，降低了0.70%.长汀县植被以极高覆盖度(Ⅴ级)和高覆盖度(Ⅳ级)植被为主，共2 500 km2，约占长汀县总面积80%；裸地(Ⅰ级)和低覆盖度(Ⅱ级)植被面积较小，达282 km2，约占长汀县总面积9%(表2).极高覆盖度植被在全县范围内广泛分布，高覆盖度植被主要分布在靠近道路、城镇农村居民点和耕地区域，裸地和低覆盖度多分布在中部海拔较低、地势平缓的长汀沿岸等人口分布密集区.整体而言，由中部较低海拔的区域向四周较高海拔的地区，植被覆盖度等级呈现上升趋势.

2000—2016年，各时期不同等级植被覆盖度面积变化规律存在差异性(表3).Ⅰ级覆盖度植被基本不变，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级覆盖度植被面积整体呈现下降趋势，但Ⅲ级和Ⅳ级覆盖度植被分别在2002—2006年间和2002—2010年间小幅增加.2002—2010年期间，Ⅴ级覆盖度植被面积表现出小幅度衰减，但2000—2002年和2010—2016年间，Ⅴ级覆盖度植被面积均显著增加.整体而言，2000—2016年间长汀县Ⅰ级和Ⅴ级覆盖度植被面积分别增加了5.27和582.49 km2，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级覆盖度植被面积分别减少了145.39、150.04、292.95 km2.

植被覆盖度 分级百分比/%面积/km2植被覆盖度 分级百分比/%面积/km2裸地 Ⅰ129高覆盖度 Ⅳ18558低覆盖度 Ⅱ8253极高覆盖度Ⅴ621 942中覆盖度 Ⅲ11328

表3 长汀县2000—2016年间各时期不同等级植被覆盖度面积的年变化量和变化率Table 3 Annual changes and ratios of different fractional vegetation coverage during different periods between 2000 and 2016 in Changting County

2.2长汀县植被覆盖衰退与恢复时空特征

2000—2016年间，长汀县植被覆盖以改善为主，总面积达2 294 km2，占长汀县总面积73.76%，其中轻微改善、中度改善、极度改善面积分别占长汀县面积13.64%、27.49%、32.63%(图2).从空间分布而言，植被覆盖度改善区域广泛分布于研究范围内低山丘陵区域，且集中分布在河田盆地及周边地区.然而，2000—2016年，长汀县部分区域的植被覆盖度呈现衰退趋势，面积为816 km2，约占研究区总面积26.23%.

2.3 地形因子对长汀植被覆盖度时空分布格局的影响

不同地形条件下，长汀县2000—2016年期间各期植被覆盖度的平均值存在明显差异.随着高程和坡度的增加，植被覆盖度呈逐渐增加趋势(图3a，3b)；但坡向对植被覆盖度影响较小，除平地植被覆盖度仅为61.29%，其余坡向植被覆盖度基本一致(图3c).

图2 长汀县2000—2016年间植被覆盖度衰退与恢复的空间分布格局特征Fig.2 Spatial distribution pattern of the degraded and improved fractional vegetation coverage in Changting County from 2000 to 2016

图3 长汀县2000—2016年间各时期不同地形因子条件下植被覆盖度平均值Fig.3 Averages of fractional vegetation coverage under different topographical factors from 2000 to 2016 in Changting County

2000—2016年期间，不同地形条件下植被覆盖度时间序列的变化规律亦存在差异.第1高程(H<300 m)地区地表植被覆盖度增加最快，地表植被覆盖度由26.62%提高至50.73%，增幅为24.11%；第2～6高程(300～800 m)地区，地表植被覆盖度分别提高16.49%、9.17%、7.92%、5.60%和3.03%；第7高程带(H≥800 m)地区地表植被覆盖度增加最慢，增幅仅0.04%(图4a).同样，在平坡(0°～5 °)地形条件下植被覆盖度增加最快，由38.11%增至56.36%，增幅为18.25%，而缓坡、斜坡、陡坡、急坡和险坡地形条件下植被覆盖度分别提高13.58%、9.02%、5.64%、3.52%、3.39%(图4b).在不同坡向地形条件下，植被覆盖度变化程度基本一致，其中平地、阳坡、阴坡、半阴坡和半阳坡地形条件下植被覆盖度增幅分别为11.37%、9.74%、10.78%、10.68和9.94%(图4c).

4 讨论与结论

长汀县植被覆盖度整体情况较好，植被以高覆盖和极高覆盖度植被(即FVC>50%)为主，占研究区总面积的81.39%，这与汪小钦等[18]和杨婷婷等[19]调查的1988—2013年和2000—2014年长汀县植被覆盖度结果基本吻合.进一步研究不同等级覆盖度植被的面积动态变化发现，2000—2016年间极高覆盖度植被面积增幅显著，裸地面积基本不变，低覆盖度、中覆盖度和高覆盖度植被面积呈下降趋势，与汪小钦等[18]研究结构基本一致.从研究区植被空间分布来看，极高覆盖度植被在全县范围内广泛分布，高覆盖度植被主要分布在靠近道路、城镇及农村居民点和耕地的区域，裸地和低覆盖度多分布在中部海拔较低、地势平缓的长汀沿岸人口分布密集区.

图4 长汀县2000—2016年间不同地形因子条件下植被覆盖度动态特征Fig.4 Changes in fractional vegetation coverage under different topographical factors from 2000 to 2016 in Changting County

2000—2016年间长汀县植被覆盖度呈增加趋势，植被覆盖度均值由68.59%提高至78.86%.张灿等[10]研究发现长汀县植被覆盖度均值由2001年的75.1%上升到2013年的86.5%.长汀县植被恢复与诸多因素有关，其中政策因素推动的长汀县水土流失治理发挥重要作用[2,20].此外，大量研究表明植被具有较强的自然演替和恢复能力，植被恢复后期，植被覆盖度越高的区域自然恢复能力越强[21]，进而导致长汀区域高覆盖度植被面积不断增加.

2000—2016年，长汀县植被整体以改善为主，占区域面积的73.76%，主要分布于中部河田盆地的低山丘陵区.同样，杨婷婷等[19]和王文辉等[2]研究发现，长汀县2000—2014年和2000—2010年间植被均以改善为主，占长汀县总面积的88%.此外，张灿等[10]发现由于长汀植被覆盖不断改善，该区域生态质量上升的面积约占长汀县总面积的60%.然而，长汀县仍有约26.23%区域的植被呈现退化特征，呈斑块状散布于研究区和长汀县周边区域.主要由于是近年来城镇化快速发展，大量城市建设和居住用地不断扩展，导致城市植被覆盖度明显降低[22].

地形是影响植被覆盖的一个重要自然因子，不同地形条件下水热状况不同，进而导致不同地形因子条件下植被的空间分布格局存在差异[3,6].同时，不同地区植被覆盖度空间分布格局的关键地形驱动因子不同[7,8,23].本研究中，长汀县不同地形条件下植被覆盖度时空动态特征均存在差异.随着高程和坡度的增加，地表植被覆盖度呈增加趋势，与高海拔(>300 m)和大坡度(>8°)地区相比，高程<300 m和平缓坡地区植被覆盖度明显较低，原因可能是长汀县城市和居住建设主要分布于沿江低海拔、坡度平缓的区域.高程<300 m和坡度<8°的地区，地表植被覆盖度增速较快，而高海拔(>300 m)和大坡度(>8°)地区地表植被覆盖度增速逐渐降低.

综上研究表明，随着我国南方红壤水土流失区植被的恢复治理，2000—2016年期间长汀县植被覆盖整体呈增加趋势，植被覆盖不断改善.然而，由于城市化扩张和建设，部分地区植被覆盖度呈一定程度的下降.此外，地形因子是影响长汀县植被覆盖度的重要自然因子，不同高程、坡度和坡向等地形因子条件下植被覆盖存在明显差异，且显著影响长汀地区植被覆盖的时空动态特征.