1993—2019年龙脊梯田植被覆盖度变化及其空间分布格局*

王醒，方荣杰，张帅普，黄卉，黄朗，吴忠军

(1.桂林理工大学，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学，岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004；3.桂林理工大学，旅游与风景园林学院，广西 桂林 541004)

植被是陆地生态系统存在的基础，也是生物、大气、水分和土壤等要素相互联结的枢纽，在维持生态平衡、调节气候、涵养水源、保土固土等方面具有重要作用[1-3]。植被覆盖度(fractional vegetation cover，Fvc)作为衡量植被覆盖状况的重要指标，是了解区域生态系统环境变化的重要途径[4]，其变化特征可以指示区域生态环境变化状况，被广泛应用于气候、生态、水文等研究领域[5-7]。

植被覆盖度时空分布特征受到社会、人文、自然等因素的综合影响，在不同空间位置对各影响因子的响应程度不同[8]。高程、坡度、坡向等地形因子是影响植被覆盖变化的重要自然因素，对植被覆盖度的影响主要体现为静态响应[9-10]，即空间分布上植被覆盖度对地形响应在不同空间地域上往往呈显著差异[11]。有研究表明，在我国北方延河流域植被覆盖度随高程及坡度的升高总体呈先增加后减少的趋势，阴坡的植被覆盖度最高[12]；而在西南地区，高程大于4 000 m时，植被覆盖度随高程的升高逐渐下降，而且退化趋势也最为显著[13]。秦岭山地植被覆盖在低海拔区域呈减少趋势，中海拔区呈明显的上升趋势，且北坡的植被覆盖度在2 000 m以上的高海拔区域较为稳定，而南坡在2 500～3 100 m区域内有较明显的减小趋势[14]。此外，不同地形因子对不同区域植被覆盖度的主导作用不同[13]。熊俊楠等[15]和刘尧文等[16]在汶川地震灾区、平潭岛等地区研究发现高程和坡度比坡向更能影响植被覆盖度的变化；而蔡宏等[17]在赤水河流域研究表明植被覆盖度受坡向、坡度的影响明显高于高程。植被覆盖度与地形因子间的关系具有复杂性及不确定性，基于不同地区地形特征的差异性来探究植被覆盖度的空间分布规律始终备受关注[9，18]。梯田是我国重点关注的山地地区农业耕种模式之一，其独特的平面和剖面形态是由人工改变地形而形成。有大规模梯田的山丘地区因梯田梯式分布而具有独特的地形地貌，梯田与周山森林植被的叠加形成稳定的景观格局，该格局可在减少水土流失等生态保护方面发挥强大的功能，因此山区梯田是具有生态效益和经济效益并存区域[19-20]。尽管前人学者已对不同区域尺度的植被覆盖度分布特征及其对地形因子的响应机制进行许多研究，但人工梯田地形的特殊性且地表覆盖受农业耕种模式的影响严重，对具有独特景观格局的梯田地区植被覆盖度变化及其对地形因子的响应仍需进一步探究。

龙脊梯田旅游开发始于1992年，是我国AAAA级重点农业旅游景区。龙脊梯田独特的空间结构由森林、村寨及梯田组成，是典型自然-人工复合生态系统，但近些年来，随着龙脊梯田旅游产业的快速发展，人类活动愈发增强，多处地表受到流水侵蚀、重力坍塌等影响，境内植被生态景观日益破碎，高山区域的地形结构及植被覆盖已随区域的发展发生了明显变化。因此，本文以龙脊梯田小流域为研究对象，利用1993—2019年3期Landsat遥感影像及DEM地形数据，深入研究龙脊梯田旅游区自开发以来植被覆盖度的时空分布格局及其对地形的响应特征，以期为龙脊梯田生态环境建设及保护提供科学依据。

1 研究区概况

龙脊梯田位于广西桂林市龙胜各族自治县龙脊镇龙脊山(109°32′～110°14′E、25°35′～26°17′N)，分为金坑(大寨)瑶族梯田观景区和平安壮族梯田观景区。采用高程数据提取龙脊镇上游小流域作为研究范围，其面积为126.80 km2。研究区域主要包含平安、中禄、大寨、江柳、黄江、马海6个行政村。区域内崇山峻岭，溪流纵横。梯田主要分布在海拔300～1 100 m之间。海拔在700 m以上的山地占3/5以上，最大坡度达50°。该区域地处中亚热带季风气候区，四季分明。夏季为东南风，冬季多西北风，风力一般1～3级。年平均气温14.4～16.9 ℃，最热月(7月)平均气温25.4 ℃，最高气温32 ℃，最冷月(1月)平均气温7.1 ℃，最低气温-6 ℃。年降雨量1 600～1 700 mm，雨量丰沛，且主要集中在5—9月，年均日照时数1 225.7 h，平均无霜期290 d。植被主要有人工杉木林、竹林、混交林、水稻等，森林覆盖率达75.6%以上。土壤类型主要为红壤土、黄壤土及黄棕壤土。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

2.1.1 数据来源

本次研究选取1993年9月、2006年9月、2019年10月3期影像数据，其中1993年9月和2006年9月为Landsat-5卫星TM数据，2019年10月为Landsat-8卫星OLI数据，数据均来源于美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)。本研究选取的3期遥感影像时间均处于9—10月，均为龙脊梯田的水稻生长末期，能较好反映出区域植被状况。地形数据采用30 m分辨率的DEM数据，来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台。

2.1.2 数据预处理

为减小光照、大气等因素的影响，分析数据前先利用ENVI 5.3软件对所获取的遥感影像进行辐射定标和大气校正、影像图像剪裁等预处理，提高遥感数据的精度和质量，之后计算归一化植被指数NDVI。基于DEM数据，利用ArcGis 10.2提取龙脊梯田分水岭作为本次研究流域的矢量边界。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆盖度的提取

植被覆盖度(Fvc)是植被冠层(包括叶、茎、枝)在地面上的垂直投影面积占统计区面积的百分比，其与归一化植被指数NDVI之间存在一定的关系[21]。本研究基于标准化植被指数(NDVI)的像元二分模型进行龙脊梯田植被覆盖度的反演，其原理是假设一个像元只包含纯植被和纯土壤两个信息[5]。计算方法如下。

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

式中:NDVI为单个像元NDVI值，NDVIsoil为裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，NDVIveg为完全被植被所覆盖的像元的NDVI值。理论上NDVIsoil数值应接近于0，NDVIveg数值代表全植被覆盖单位像元NDVI的最大值，但考虑到植被类型、噪声、地形及影像质量等多种因素的影响，NDVIsoil与NDVIveg值会与实际值发生偏差，一般取一定置信度范围内的最大值与最小值来代表。本文选取研究区遥感影像中NDVI值累积百分数为2%和98%附近的NDVI值来作为NDVIsoil和NDVIveg值。在ENVI 5.31系统中，通过遥感模型估算研究区1993年、2006年和2019年的植被覆盖度。根据研究区实际植被覆盖状况，将每期植被覆盖度划分5个级别[22-23]：低植被覆盖度(0～0.2)、较低植被覆盖度(0.2～0.4)、中植被覆盖度(0.4～0.6)、较高植被覆盖度(0.6～0.8)、高植被覆盖度(0.8～1)。

2.2.2 地形因子分级

根据研究区地形实际情况，将研究区的高程按300～500、500～700、700～900、900～1 100、1 100～1 300、1 300～1 500、1 500～1 700、>1 700 m划分为8个高程带。考虑区域地形对植被生长的影响，以8°作为缓坡和斜坡界线[24]，按0°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°划分为5个坡度带。坡向分为北、东北、东、东南、南、西南、西、西北面8个方向[17]。各地形等级面积所占研究区的比例见表1。

表1 研究区各地形等级面积占比

3 结果与分析

3.1 土地利用及植被覆盖度变化

3.1.1 土地利用类型

为更深入了解植被覆盖度的变化，本文采用监督分类和目视解译相结合的方法对龙脊梯田3期遥感数据进行土地利用类型解译，根据《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)，将区域为林地、耕地、建设用地、未利用地4个土地利用类型，如图2所示。1993—2019年，林地分布最广泛，其次是耕地，两者占地面积高达89%以上；建设用地面积不大，平均面积比例仅为5.78%，但其分布逐渐扩大；未利用地面积最小，由裸土地及局部稀疏草地组成，主要分布在东北方向的高山区域。

不同土地利用类型变化差异明显(表1)。26 a间，林地、建设用地面积总体增加，增加的大小表现为：建设用地>林地，而耕地面积总体减少，未利用地面积变化相对平稳，1993—2006年，林地、未利用地面积明显增加，耕地面积明显减小，建设用地面积变化不明显；2006—2019年，建设用地明显增加，未利用地面积明显减小，林地和耕地面积没有太大变化。

图1 1993、2006、2019年龙脊梯田土地利用类型

表2 1993—2019年土地利用类型面积占比

3.1.2 植被覆盖度时空分布特征

1993—2019年龙脊梯田植被覆盖整体状况良好，平均植被覆盖度达0.76以上(图2、图3)。各等级植被覆盖度在空间上差异较大，较高植被覆盖度和高植被覆盖度两等级分布较广，几乎遍及整个区域，主要集中在无梯田、无村民居住的中部及边缘的高山区域，二者占区域总面积的比例为1993年87.77%、2006年88.96%、2019年87.94%，即龙脊梯田87%以上的区域植被覆盖达到了较高水平以上；低、较低、中等植被覆盖度区域面积较小，主要分布在人类活动较大、耕地用地较多的区域。

图2 1993、2006、2019年龙脊梯田植被覆盖度

图3 1993—2019年龙脊梯田植被覆盖度均值及不同等级面积比例

1993—2019年，植被覆盖度总体变化呈“低、较低、高植被覆盖度增加，中等、较高植被覆盖度减小”的特征；植被覆盖度在1993—2006年间发生了较大变化，较高、高级别植被覆盖度分别呈明显减小、增加趋势，变化均达14%以上，低、较低、中植被覆盖度变化相对较小，其中低、较低、中植被覆盖度分别呈增加、增加、减小趋势；各等级植被覆盖度在2006—2019年间没有太大变化。

3.2 植被覆盖度面积转移

表3展示了龙脊梯田不同等级植被覆盖度转移特征。1993—2019年高植被覆盖度未发生级别变化的比例最大，高达83.27%；其次是低、较高植被覆盖度，中等、较高植被覆盖度未发生级别变化的比例最小。在植被覆盖度发生级别变化中，1993—2006年低植被覆盖度主要转移至中等植被覆盖度，而较低植被覆盖度主要转移至中等、较高植被覆盖度，中等、较高植被覆盖度主要转移至比各自高一级别的植被覆盖度；2006—2019年低、较低、中植被覆盖度均主要转移至较高植被覆盖度，而较高植被覆盖度主要转移至高植被覆盖度；整体而言，1993—2019年低、较低、中等植被覆盖度均主要转移至较高植被覆盖度，较高植被覆盖度主要转移至高植被覆盖度。可见，龙脊梯田多处低植被覆盖度级别有所提高，植被覆盖度逐渐改善，植被生长整体态势良好。

表3 1993—2019年不同植被覆盖度面积转移比例

3.3 植被覆盖度地形响应分析

3.3.1 高程响应

在不同高程范围内，水、热、人类活动等是影响植被覆盖度发生较大变化的重要因素。图4展示了研究区以10 m为间隔高程范围内的平均植被覆盖度及各高程带平均植被覆盖度变化。1993、2006、2019年植被覆盖度随高程的升高总体呈逐渐增加的趋势，并具有明显的高程分带特征。300～600 m范围内随高程的升高植被覆盖度迅速增加，且植被覆盖度较低；超过600 m范围植被覆盖度变化缓慢且复杂，呈波浪式上升的变化趋势，主要为较高植被覆盖度等级以上，尤其是高程>1 500 m基本只分布高植被覆盖度。

图4 1993—2019年植被覆盖度随高程变化特征及各高程带平均植被覆盖度变化率

从图4(b)可知，在各高程带(表1)上，1993—2019年植被覆盖度总体呈逐年增加的变化特征。其中植被覆盖度在300～500 m高程带上增加的幅度最大；1993—2006年，植被覆盖度在1 300～1 700 m高程带减少，在其余高程带增加； 2006—2019年，植被覆盖度在500～1 100 m高程带减少，且减少值随高程的增高而增大，但在其余高程带增加。

3.3.2 坡向响应

不同坡向的降雨、太阳辐射等因子强度不同，因而植被生长所需的水、热、光照等条件不同，导致植被覆盖度在各坡向上呈现一定的差异[25-27]。图5展示了研究区不同坡向上的植被覆盖度的分布特征。植被覆盖度分布在各坡向上无明显差异，3个时相植被覆盖度最大值和最小值差值最大仅为0.07。1993、2006、2019年植被覆盖度在东北、北、东面最高(分别为0.80、0.81、0.80)，最小值(分别为0.73、0.78、0.76)分别出现在西北面、东南面、北面。1993—2019年植被覆盖度在各坡向上整体上呈增加的趋势，2006年植被覆盖度总体要高于1993、2019年；2019年植被覆盖度在东北、东面低于1993年，在其他坡向上均高于1993年。

3.3.3 坡度响应

图6展示研究区以1°为间隔坡度范围内的平均植被覆盖度及各坡度带平均植被覆盖度变化。1993、2006、2019年植被覆盖度随坡度的增大呈先增加后减小的趋势，以35°为分界点。在0°～15°范围内3期植被覆盖度间差异不显著，植被覆盖度较低，且逐年降低；超过>15°范围内，植被覆盖度差异随坡度的增大逐渐显著，植被覆盖度较高，总体呈逐年增加的变化趋势，特别是1993—2006年植被覆盖度在>35°范围上增加的幅度最大，植被覆盖得到很大的改善。

图6 1993—2019年植被覆盖度随坡度变化特征及各坡带平均植被覆盖度变化

4 讨论与结论

龙脊梯田以林地、耕地为主要土地利用类型，两者占地总面积达89%以上，植被覆盖度变化与人类活动密切相关，1993—2019年各级别植被覆盖度时空分布特征具有明显差异，较高、高植被覆盖度主要分布在林地区域；中等植被覆盖度主要分布在以梯田为主的耕地区域，中等植被覆盖度是农田农作物生长状况的鼎盛时期[28]，大面积修造梯田不仅改变地貌特征，对区域植被覆盖也产生较大影响；低、较低植被覆盖度面积最小，主要分布在建设用地区域，该区域是旅游开发的主要场地，植被生长易受人类活动的影响。1993—2006年，植被覆盖度发生较大变化，中等、较高、高级别植被覆盖度面积分别呈减小、减小、增加趋势，这是由于从1998年政府为了龙脊景区旅游业的快速发展加大资金投入，并于2001年成立景区的经营管理部门，更加重视自然景观的建设，加强梯田周边生态环境的修复和保护[29]，实施局部退耕还林措施，使中等、较高植被覆盖度向更高级别转换；近几年随着区域旅游业的快速发展，游客日益增多，住房及交通道路等建设用地范围逐渐扩大，造成生态植被的破环，导致2019年局部区域植被覆盖度有所减小。

不同地形条件下，植被覆盖度的空间分布格局因水、热、人类活动等因素不同而存在差异[13]。龙脊梯田植被覆盖度在各坡向上差异不显著，但整体随高程的上升呈增加的趋势，由于较低高程带300～1 100 m主要为区域旅游范围，梯田分布较多，人类活动频繁，植被生长状态较差；而高程>1 100 m的高山区域主要分布水源林，沟壑纵横，土质疏松，植被生长所需的水分、养分条件充足，且人类活动较少，因此，植被覆盖较高，植被生长状态良好。坡度是影响物质和能量在岩石圈的运移与转换主要因素之一，不同坡度上环境具有的物质和能量不同，导致植被覆盖度在各坡度上存在差异[30]。区域植被覆盖度随坡度的增大呈先增加后减小的趋势，地势比较平坦区域是人类活动及生产建设的主要场所，植被受人类活动影响较大，植被覆盖度较低；随坡度增大，人类活动逐渐变小，土壤水分及养分能满足植被生长的需要，植被数量增多，植被覆盖度增大；而坡度过于陡峭的地势不利于水土保持，养分容易流失，进而影响植被对水分及养分的吸收，植被覆盖度有一定程度的降低[16,31-32]。

1993—2019年龙脊梯田植被覆盖度分布特征主要受人类活动、海拔、坡度等因素的影响，人类通过人工林种植扩大林地面积，提高区域植被覆盖度，但人类活动范围也在变大，低、较低植被覆盖度不断扩大。因此，在维持区域旅游业快速发展的同时，应该注重生态环境保护，重点治理区域梯田分布较广、人类活动较大的低海拔及地势平坦区域的生态环境，实施局部封山育林的措施，促进植被生长，加大生态环境的建设及管理，实现可持续发展。

本研究基于像元二分模型反演龙脊梯田不同时期的植被覆盖度，并分析植被覆盖度空间分布及其对地形驱动因子的响应特征，结论如下：

(1)龙脊梯田以林地、耕地为主要土地利用类型，1993—2006年平均植被覆盖度增加，而2006—2019年平均植被覆盖度呈略减趋势。植被覆盖度等级以较高植被覆盖度和高植被覆盖度为主，两者占区域总面积高达87%以上，主要分布在林地区域。

(2)1993—2019年低、较低、中等植被覆盖度发生等级变化主要向较高植被覆盖度转移，较高植被覆盖度发生等级变化主要向高植被覆盖度转移，高植被覆盖度有83.27%植被面积未发生等级变化。

(3)植被覆盖度对不同地形因子具有不同响应特征。植被覆盖度在各坡向无明显差异，但北、东北、东方向的植被覆盖度较西北、东南方向高。植被覆盖度在不同高程、坡度等级区间呈显著差异，植被覆盖度整体随高程增加呈波浪式上升的趋势，低植被覆盖度主要出现在人类活动较大、农业用地较多的300～600 m低海拔带区域，高植被覆盖度主要出现在>1 500 m高程范围内；植被覆盖度随坡度的增加而呈先增加后减小趋势，在0°～8°坡度范围内最低，在25°～35°坡度上最高。