宁都县植被覆盖度变化及其对地形因子的响应分析

焦 雄，郭忠录，郝好鑫

(华中农业大学 水土保持研究中心，湖北 武汉 430070)

植被具有截留降雨、减缓径流、防风固沙、保水固土等功能，植被覆盖的多少是影响地表径流的重要指标之一。植被覆盖度(VFC)是指植被在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[1]，是衡量地表植被状况的重要指标。在山地丘陵的生态研究中，地形分异主要体现在高程、坡度和坡向上[2]，了解不同地形的植被分异，有助于政府因地制宜地制定水土保持和生态环境保护政策。宁都县地属南方红壤区，土层含较多粉砂和细砂，质地疏松，近年来因城市建设扩张和土地整治，部分地区植被覆盖低下，造成了严重的水土流失。进行植被覆盖度时空变化及与地形因子关系的研究，有助于了解该区域的植被动态变化趋势及其在不同地形上的特征，明确植被退化的区域，有针对性地进行水土流失防治，这对当地的生态保护和水土保持有着重要意义。

1 研究区概况

宁都县是江西省赣州市市辖县，位于江西省东南部，赣州市北部，地理位置为26°05′18″～27°08′13″N、115°40′20″～116°17′15″E，总面积4 053.16 km2。年平均气温14～19 ℃，北部山区低，南部丘陵、河谷地区高。年平均降水量在1 500～1 700 mm之间，大致北部多、南部少，东部多、西部少。地处南方红壤区，土壤类型复杂多样，以地带性红壤为主，还有山地黄壤、黄棕壤、紫色土、潮砂土、石灰土、黄泥土和水稻土等。土地利用类型以耕地、林地和草地为主，植被类型主要有针叶林、阔叶林、灌丛和灌草丛等，植被覆盖度较高，植物种类多，生物多样性丰富。

2 研究材料与方法

2.1 数据来源与处理

两期Landsat系列遥感卫星图，均来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，其中2010年数据是选择9月份云量较少的30 m分辨率Landsat TM5遥感影像图，2017年数据是选择9月份云量较少的30 m分辨率Landsat OLT8遥感影像图；宁都县30 m分辨率DEM数据从国家地球系统科学数据共享服务平台(http://www.geodata.cn/)获得。本研究主要利用ENVI 5.3对两期遥感影像进行大气校正等预处理、解译及植被反演，结合ArcGIS 10.2对数据进行叠加分析，并通过Origin 2017进行图表绘制与相关分析。

2.2 地形因子的分级与提取

江西宁都县最低海拔154 m，最高海拔1 416 m，利用ArcGIS对高程栅格数据按照150 m为间隔将宁都县高程划分为9个高程带，宁都县70%以上国土面积在海拔150～450 m之间，地区海拔较低；以22.5°为间隔将研究区域坡向划分为5个等级，即平面、阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡，其中阳坡与半阳坡构成的向阳坡面积比例为51.96%，阴坡与半阴坡构成的向阴坡面积比例为47.93%，总体分布均衡；根据宁都县地形变化及其植被分布情况，借鉴水土流失调查中采用的8°作为缓坡和斜坡界线的方法[3]，经过ArcGIS重分类，将区域坡度变化划分为平缓坡地(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°)6个等级，其中平缓坡地和斜坡地是宁都县的主要地形。

2.3 像元二分模型

像元二分模型[4]是混合像元分解中最简单的模型，能很好地削弱土壤、大气等对植被指数的影响，它的原理是假设遥感图像中每个像元所包含的地表光谱信息由植被和土壤两部分组成，那么任一像元的信息由这两部分线性合成，各因子的权重是各自的面积在像元中所占的比例，植被覆盖度(VFC)即是植被的权重。计算公式[5]为

(2)

式中：NDVI为像元的归一化植被指数；NDVIsoil为裸土的植被指数；NDVIveg为纯植被覆盖的植被指数；VFC为植被覆盖度。

由于不可避免存在噪声，NDVIveg和NDVIsoil一般取一定置信度范围内的最大值与最小值。置信度的取值主要根据图像实际情况来定，在这里我们选取累计百分比为5%和95%的置信区间所对应的植被指数最小最大值计算VFC[6]。参照前人对植被覆盖度等级的划分标准[7]，结合前面的VFC估算值，将宁都县的植被覆盖度分为低覆盖度(VFC≤0.1)、中低覆盖度(0.1

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度变化

3.1.1 植被覆盖度年际变化

根据前文植被覆盖度分级标准， 利用ArcGIS进行重分类， 得到宁都县植被覆盖度等级图(图1)。 统计计算2010和2017年各覆盖度等级植被面积及其比例，结果见表1。

图1 2010和2017年植被覆盖度等级分布

表1 2010和2017年各植被覆盖度等级面积及比例

由图1我们可以看出，宁都县2010—2017年间植被覆盖度总体上相对增加，植被覆盖度较高的区域主要分布在宁都县西北部、西部、东部及南部少部分区域，中部为县中心，建筑用地比例较大，因此植被覆盖度相对较低。通过表1我们可以看出，2010和2017年宁都县植被覆盖度均以中高覆盖度和高覆盖度等级为主，2010年中覆盖度等级以上面积占比为79.75%，2017年中覆盖度等级以上面积占比高达90.79%，有明显增加，增幅为11.04百分点。

植被覆盖度等级转移矩阵能很好地定量反映地表植被的变化特征与过程，直观地说明植被覆盖的空间变化程度。在本研究中，利用ENVI 5.3中的变化检测模块对两期植被覆盖度等级图进行计算，计算结果导入Excel，整理得到2010—2017年宁都县各植被覆盖度等级的转移矩阵，见表2。

表2 2010—2017年各植被覆盖度等级转移矩阵

由表2可知，宁都县2010—2017年各植被覆盖度等级都发生了不同程度的转移，低覆盖度和中低覆盖度等级向中高覆盖度及高覆盖度等级转移506.44 km2，而中高覆盖度及高覆盖度等级向低覆盖度和中低覆盖度等级共转移113.01 km2，中覆盖度等级向中高覆盖度和高覆盖度等级共转移534.61 km2，向中低覆盖度和低覆盖度等级共转移86.82 km2。总体上，区域内高覆盖度等级的面积相对增加841.22 km2，且高覆盖度等级未发生转移面积达到1 265.19 km2。可以看出，宁都县2010—2017年高覆盖度等级面积是明显增加的，主要从中高覆盖度以下等级转化而来。

3.1.2 植被覆盖度变化趋势分析

为了凸显宁都县的植被覆盖度空间变化情况，本研究基于ArcGIS，运用影像差值计算的方法，将2010和2017年两个时期的植被覆盖度相减，得到了植被覆盖度差值结果，并根据前人的研究对植被变化进行分级[8]，得到了宁都县2010—2017年植被变化趋势图，见图2。同时，对结果进行统计，计算出了各等级面积比例，见表3。

图2 2010—2017年植被变化趋势

表3 2010—2017年植被覆盖度等级变化面积及比例

结合图2和表3可以看出，2010—2017年宁都县的植被覆盖度变化明显，整体上看，有将近40%的区域基本保持不变，植被退化的区域面积共有549.86 km2，约占13.57%，改善面积为1 892.49 km2，约占46.69%。植被改善的区域主要集中在宁都县的东北、东部及西南部等部分地区，而退化的部分主要分布在宁都县中部城区及部分进行土地整治的区域。总体来看，改善面积大于退化面积，植被覆盖度还是相当高的，但是植被退化情况也是显著可见的，主要原因可能是这些年中部城市用地扩增，以及地属南方红壤区，土层中含粉砂和细砂较多，土层较薄，是崩岗主要发生区域，出现了严重的水土流失。

3.2 植被覆盖度与地形因子的相关性

3.2.1 植被覆盖度与高程的关系

为了清楚地表现植被覆盖度与高程之间的关系，本研究通过ArcGIS将高程栅格数据与植被覆盖度数据进行叠加分析，并进行分区统计，结果见图3。由图3可看出，2010年植被覆盖度随高程增加先升高后降低，2017年则随高程增加呈双峰变化趋势，整体上两期植被覆盖度随高程增加呈先升高后降低的趋势。这表明植被覆盖度随着海拔上升先是增加的，随着海拔继续升高，受温度、降雨、土壤等因素的影响，植被覆盖度开始下降。2010年植被覆盖度平均值在0.4～0.8之间，且在海拔750～1 050 m范围内最高，在海拔150～300 m范围内最低；2017年植被覆盖度平均值在0.60～0.85之间，在海拔450～750 m范围内为最高，在海拔1 350～1 500 m范围内最低。可以看到，在海拔450～1 050 m范围内两期植被覆盖度都很高，表明宁都县植被主要分布在该高程范围内。

图3 2010、2017年各高程带植被覆盖度均值分布

3.2.2 植被覆盖度与坡度的关系

将宁都县两期植被覆盖度分级图与坡度分级图叠加分析、分区统计，结果见图4。

整体上看，宁都县2017年植被覆盖度大于2010年，且随着坡度增大植被覆盖度也逐渐增加。平缓坡地植被覆盖度最小，2010年为0.28左右，2017年为0.23左右；2010和2017年植被覆盖度最高的坡度类型均为险坡地，分别为0.78和0.81。结合前面的坡度分级，坡度在0°～8°和25°以上，也就是平缓坡地到缓坡地和急坡地到险坡地之间，植被覆盖度变化较大，说明植被覆盖度在0°～8°和25°以上受坡度影响较大。从图4中可以看出，植被覆盖度平均值在缓坡地至急坡地之间受坡度影响较小。

图4 2010、2017年各坡度植被覆盖度均值分布

3.2.3 植被覆盖度与坡向的关系

将宁都县两期植被覆盖度分级图与坡向分级图叠加分析、分区统计，结果见图5。

图5 2010、2017年各坡向植被覆盖度均值分布

从图5可以看出，区域植被覆盖度平均值整体表现为2017年大于2010年，两期植被覆盖度平均值与坡向的关系大致呈随坡度增加植被覆盖度逐渐升高的趋势。2010、2017年两期都是平面的植被覆盖度最小，分别为0.28和0.24；阳坡植被覆盖度最大，分别为0.6和0.7左右。由图5还可看出，两期中平面到阴坡植被覆盖度平均值变化量都很大，中高以上植被覆盖度平均值都集中在阴坡到阳坡之间，向阳坡(半阳坡和阳坡)植被覆盖度总和要多于向阴坡(阴坡和半阴坡)，因为向阳坡阳光充足，温度适中，有利于植被生长，向阴坡则阳光较少，温度偏低，不太利于植被生长。这说明区域植被覆盖度受坡向的影响明显。

4 结 论

本研究基于宁都县DEM数据和遥感卫星影像，提取了研究区的高程、坡度、坡向和两期植被覆盖度，重点分析了2010—2017植被覆盖度动态变化及其与不同地形因子的相关关系。结果表明，宁都县植被覆盖度整体以中高覆盖度和高覆盖度为主，2017年覆盖度整体比2010年高，尤其是高覆盖度面积有很大的增加，主要是由2010年中高覆盖度以下等级转化而来；从植被覆盖度变化趋势分析看，2010—2017年各植被覆盖度等级都有不同程度的退化和改善，改善总面积大于退化总面积；植被覆盖度变化受地形因子影响比较明显，且对不同地形因子响应程度不同。宁都县2010、2017年植被覆盖度总体上都是随着高程增加而呈先升高后降低的趋势，这与汤巧英等[9]在延河流域的研究结果相似；宁都县不同时期向阳坡的植被覆盖度均比向阴坡的高；2010和2017年植被覆盖度均随坡度的增加呈现升高趋势，在平缓坡地到缓坡地(0°～8°)和急坡地到险坡地(25°以上)之间，植被覆盖度变化较大，在缓坡地到急坡地之间植被覆盖度变化不明显。