偃师区不同坡度带植被覆盖度分布研究

王国重，李中原，程焕玲，张继宇，高镜清，杨 丹，李秀红，卢圆章

（1.黄河水文水资源科学研究院，郑州 450004；2.河南省水文水资源局，郑州 450003；3.河南省水土保持监测总站，郑州 450008；4.河南黄河河务局，郑州 450003；5.郑州大学生态与环境学院，郑州 450001；6.河南省周口水文水资源勘测局，河南周口 466000；7.河南中原光电测控技术有限公司，郑州 450000）

坡度和植被盖度是影响区域水土流失的重要因素，坡度的大小关系着水土的留存，水土的多寡会直接影响地表植被的种类与数量，进而影响植被覆盖分布。曹梓豪等［1，2］采用模拟降雨试验探讨了坡度与植被覆盖对坡面产流产沙的影响，发现坡面产流引发的土壤侵蚀受坡度的影响较为明显，在汇流过程中产生的土壤侵蚀效应受植被覆盖的影响则更为显著；张祎帆等［3］在此基础上，进一步研究了坡度和植被盖度对坡面流侵蚀水流动力学参数的影响；王志刚等［4］经实地调查，以地类、坡度与植被盖度为指标对毛家湾小流域的土壤侵蚀量进行估算，取得了满意的结果；房世波等［5］利用遥感解译和GIS 技术研究了鄂尔多斯植被盖度分布，认为是受环境因素的综合影响所致；丁翔［6］以黄土区露天煤矿排土场为例，研究了坡度坡向对植被盖度的影响，认为坡度对植被盖度有较强的影响；张景洲等［7］通过人工模拟试验研究了6 种坡度、3 种植被排列方式对坡面流Fr 的影响；赵鸿雁等［8］基于遥感影像研究了甘肃省中东部生态修复工程下不同坡度带植被盖度的变化；李石华等［9］根据遥感影像和DEM 数据研究了抚仙湖流域不同坡度带植被盖度的分异特征；李照金等［10］做了不同坡度下有无植被覆盖对边坡稳定性的试验，结果证明植被护坡是一种经济环保、增加边坡稳定性的方式。

上述研究有的是关于坡度与植被覆盖联合作用对水土流失、边坡的影响，有的只是简单认为坡度对植被盖度有着较强的影响，缺乏对二者间关系深入细致的研究。洛阳市偃师区是河南省最早开展生态清洁小流域建设的试点区，本研究根据其2016 年遥感影像和DEM 数据研究该市不同坡度带植被覆盖分布状况，以期为该城市规划、经济发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 偃师区概况

偃师区是河南省洛阳市下属的一个区，东接巩义市，西邻洛龙区与孟津区，南屏嵩山，北与孟州市隔黄河相望，地处东经 112°26′15″—113°00′00″、北纬 34°27′30″—34°50′00″。地势自西向东倾斜、南北高中间低，地貌景观大致呈槽形，地形大体可分为山地、丘陵、坡地、平原4 类［11］。属暖温带大陆性季风气候，年均气温14.2 ℃、无霜期211 d，全年日照时数2 248.3 h、年均降水量500～600 mm。

1.2 数据来源与处理

采用偃师区2016 年9 月23 日云量为2.36%的Landsat 8 数据影像，其投影坐标为WGS1984UTM-49N。在ENVI 中对该影像进行辐射定标、大气校正；遥感影像的裁剪采用矢量格式的偃师区边界图（坐标系为GCS WGS1984），用ArcGIS 软件转换边界图坐标系为WGS1984UTM49N，再由转换后的边界图在ENVI 中裁剪栅格影像数据，得到偃师区遥感影像。所用DEM 源于90 m 分辨率的SRTM 数字高程数据，借助ArcGIS 软件经坐标转换、坡度生成、坡度分级等操作形成坡度分级图。

1.3 研究方法

首先由偃师区遥感影像计算植被指数（NDVI），基于像元二分法计算植被覆盖度（FVC），其公式为：

式中，NDVImin为裸土覆盖像元的NDVI值；NDVImax为纯植被像元的NDVI值。取累积概率接近5%、95%的NDVI值作为最小值和最大值，即NDVImin=0.158 830、NDVImax=0.706 606，参考文献［12，13］对植被覆盖度进行6 级分类：＞80%、60%～80%、45%～60%、30%～45%、10%～30%、＜10%，并对每种分级设置不同的颜色，得到偃师区植被分级图。

再在ArcGIS 软件中将生成的植被覆盖分级图与坡度分级图进行坐标转换，将其坐标统一为CGCS2000：3 Degree GK zone 38，然后将二者矢量化后进行叠加，得到坡度与植被覆盖叠加结果，如图1所示。利用ArcGIS 软件的面积统计工具可以得到不同坡度带、植被覆盖度的面积。

图1 偃师区不同坡度带植被覆盖分类结果

2 结果与分析

2.1 偃师区坡度与植被覆盖分布状况

根据土地利用分级标准［14，15］，将偃师区地表坡度分为 7 级：≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、＞45°，利用 ArcGIS 软件对不同坡度带占总面积的比重进行了统计，结果如表1 所示；各级植被覆盖度占总面积的比重见表2。

由表1 可知，偃师区地表坡度不超过2°的面积占总面积的52.47%，6°以下面积占比达74.83%，90.36%的土地面积坡度在15°以下，坡度超过25°的面积仅占2.16%。表明偃师区较适宜人类居住、生活。

表1 不同坡度带占总面积比重

由表2 可知，偃师区地表植被覆盖状况良好，植被覆盖度在60%以上的面积占总面积的35.34%，植被覆盖度在45%以上的面积占比为48.72%，植被覆盖度超过30%的面积占比达63.26%，植被覆盖度在10%以下的面积仅占15.40%。由此可知，近年来偃师区水土保持和生态清洁小流域建设成绩显著，植被覆盖率大幅提高。

表2 各级植被覆盖度占总面积比重 （单位：%）

2.2 植被覆盖度与坡度的关系

2.2.1 不同坡度带植被覆盖分布特征 偃师区不同坡度带各级植被覆盖度面积占比如图2所示。由图2可知，≤2°的坡度中10%～30%植被覆盖度占总面积的 13.45%，占比最大，其次是＜10%、60%～80%、30%～45%、45%～60% 植被覆盖度，占比分别是10.95%、7.94%、7.81%、7.63%，＞80%植被覆盖度占比最少，仅为4.68%；2°～6°坡度中60%～80%植被覆盖度面积占比最大，为4.93%，其次是10%～30%、45%～60%、＞80%、30%～45%植被覆盖度，面积占比分别是4.02%、3.67%、3.49%、3.40%，＜10%植被覆盖度面积占比最小，为2.86%；6°～15°坡度带内＞80%、60%～80%植被覆盖度所占总面积比重略大，分别为5.90%、5.08%，10%～30%、＜10%植被覆盖度的面积占比相对较小，分别是0.91%、0.49%；15°～25°坡度中＞80%植被覆盖度面积占比最大，为5.28%，45%～60%、＜10%、30%～45%、10%～30%植被覆盖度占比较小，分别是0.22%、0.13%、0.09%、0.07%；25°～35°坡度带内也是＞80%植被覆盖度的面积占比最大（1.52%），＜10%、45%～60%、10%～30%、30%～45%植被覆盖度占比较小，分别是0.06%、0.03%、0.02%、0.02%；35°～45°带内主要是＞80%、60%～80%植被覆盖度分布，占比分别是0.23%、0.01%，其他植被覆盖度没有分布；＞45°坡度带内则表现为＞80%植被覆盖度最大，占总面积的0.03%。

图2 偃师区不同坡度带各级植被覆盖度面积占比

通过对各坡度带内不同植被覆盖度面积分布分析可以看出，在≤6°坡度内，10%～30%植被覆盖度占总面积的比重最大，为17.47%，其次是＜10%、60%～80%植被覆盖度分布，面积占比分别为13.81%、12.87%，45%～60%、30%～45%植被覆盖度面积占比较为接近，分别达11.30%、11.21%，＞80%植被覆盖度占总面积的比重最小，只有8.17%；在≤15°坡度内，偃师区各级植被覆盖度面积之和占总面积的比重超过90%，其中10%～30%植被覆盖度占总面积的18.38%，其次是60%～80%、＜10%、＞80%、45%～60%、30%～45%的植被覆盖度，分别占总面积的17.95%、14.30%、14.07%、13.31%、12.36%；≤25°坡度内各级植被覆盖度的面积之和占总面积的比重达97.86%，其中60%～80%、＞80%植被覆盖度占比较大，分别达19.65%、19.35%，其次为 10%～30%、＜10%、45%～60%、30%～45% 植被覆盖度分布，占比分别是18.45%、14.43%、13.53%、12.45%；坡度超过25°后，＞80%的植被覆盖度面积占比超过60%～80%的植被覆盖度，10%～30%的植被覆盖度占比排在第三位。随着坡度的增加，＞80%、60%～80%植被覆盖度占总面积的比重逐渐凸显，可见坡度是影响植被覆盖度分布的重要因素［16-19］。

2.2.2 各级植被覆盖度随坡度的变化规律 偃师区各级植被覆盖度面积（以用地面积占总面积的百分比表示）随坡度的变化如图3 所示。

由图3 可知，＞80%植被覆盖度占总面积的比重随着坡度的增加呈先减少再增加而后逐渐减少的趋势，坡度超过6°以后各级植被覆盖度中都是＞80%的植被覆盖度占据优势地位，分别为总面积的5.90%、5.28%、1.52%、0.23%、0.03%；与＞80%的植被覆盖度相同，60%～80%植被覆盖度随着坡度的增加也呈先减少再增加而后不断减少的规律，该植被覆盖度在2°～6°坡度内分布面积占比最大，坡度超过6°后成为仅次于＞80%植被覆盖度的优势覆盖度。45%～60%、30%～45%、10%～30%、＜10%的植被覆盖度随坡度的变化规律一致，都是随着坡度的增加面积分布逐渐减少；在坡度≤2°范围内，10%～30%植被覆盖面积在各级植被覆盖度中最大，占总面积的13.45%，其次是＜10%的植被覆盖度，占总面积的10.95%；坡度超过 45°后，30%～45%、10%～30%、＜10%的植被覆盖度不再有面积分布。

图3 偃师区各级植被覆盖度随坡度的变化

3 小结与讨论

本研究借助Landsat 8 影像、DEM 提取了偃师市植被覆盖度、坡度分布数据，通过对其植被覆盖度与坡度分布的关系分析，得到如下结论。

1）各级植被覆盖度分布受 2°、6°、15°、25°坡度影响较大：在≤15°坡度范围内10%～30%植被覆盖度占总面积的比重最大，达 18.38%，但 2°～6°带内60%～80%的植被覆盖度面积分布比重最大，6°～15°带内为＞80%的植被覆盖度占比最大；坡度超过15°后，60%～80%、＞80%的植被覆盖度占总面积的比重迅速增加，占据优势地位，坡度超过25°后，＞80%植被覆盖度占总面积的比重又超过60%～80%的植被覆盖度，居于领先地位。各级植被覆盖度这种分布格局可能与人类活动、居住及用地类型的分布密切相关。

2）＞80%、60%～80%的植被覆盖度面积分布随着坡度的增加呈先减少再增加而后逐渐减少的趋势，坡度超过6°后＞80%、60%～80%的植被覆盖度分布在同一坡度带的各级植被覆盖度中均占据优势地位；45%～60%、30%～45%、10%～30%、＜10%的植被覆盖度分布均随着坡度的增加逐渐减少，坡度超过45°后，30%～45%、10%～30%、＜10%的植被覆盖度不再有面积分布。充分说明偃师区近年来退耕还林还草、环境保护工作效果明显，植被覆盖率大幅提高。

井学辉等［20］基于遥感影像和DEM 数据研究了阿尔泰山小东沟林区植被随坡度的变化规律；邓涵中［21］采用GIS 空间分析模块并结合环境数据，分析了不同环境因子对梵净山植被分布的影响，认为坡度是影响梵净山植被类型分布格局的主要因素；张春英等［22］的研究表明武夷山自然遗产地的植被景观指数随坡度的增加呈先增加后减少的趋势。文雅琴等［23］的研究表明，植被覆盖度＞15%时，土壤含水量随着植被覆盖度的提高呈抛物线增大趋势；李元寿［24］对青藏高原多年冻土区的风火山小流域草甸覆盖变化对水循环的影响进行了研究，发现植被覆盖度越高其涵养水源、保持水土的功效越明显；黄德青等［25］研究了祁连山北坡草地植被与生物量、土壤含水量的关系，认为植被覆盖度越高，生物量、土壤含水量也相应越大，呈显著的正指数关系。偃师区早在2006 年就开展了生态清洁小流域建设，植被覆盖度随坡度增加而增加，植被覆盖度的增加不仅涵养了水源，也使生物量、土壤含水量大大增加，有效缓解了水土流失，美化了环境，人民生活水平也日益改善。