王兮之,梁釗雄

(佛山大學資源環(huán)境系,廣東佛山528000)

植被覆蓋作為地球表層的自然狀態(tài),是全球環(huán)境變化中許多自然、生態(tài)過程的一個重要變量[1-2]。植被覆蓋及其空間格局變化對流域生態(tài)水文過程及其生態(tài)環(huán)境效應起著至關重要的作用。近年來隨著遙感對地觀測技術的快速發(fā)展,國內外應用遙感技術進行了大量植被覆蓋變化的研究[3-8]。利用高時間分辨率影像獲取土地覆被信息,通過分析時間序列植被指數來實現(xiàn),歸一化植被指數(NDV I)是其中較常用的植被監(jiān)測指標,因此NDV I常被直接或間接用于研究植被覆蓋變化研究[9-10]。

在中國大部分地區(qū)植被活動顯示增強而珠江流域植被活動減弱的趨勢下[6],連江流域植被覆蓋及時空格局是如何變化?連江流域地處西南巖溶區(qū)東緣的粵北,是我國南方土地石漠化的主要區(qū)域之一。喀斯特環(huán)境是一種脆弱的生態(tài)環(huán)境,不僅成土慢、土被不連續(xù)、土層淺薄、土壤蓄水性差、地表干燥,對植被生長不利,而且在外部條件作用下生態(tài)系統(tǒng)很容易發(fā)生逆向演替[11]。過去的近30年,隨著社會經濟的飛速發(fā)展,該地區(qū)的土地利用/土地覆蓋發(fā)生了較大的變化。一方面隨著國家“退耕還林、還草”等相關政策的實施,整體自然環(huán)境得到了局部的改善;另一方面,由于地處喀斯特生態(tài)脆弱地帶,日益加劇的人類活動對自然的影響加劇了石漠化的擴張以及水土流失,進一步加劇了植被退化。

基于RS與GIS技術,以珠江下游的連江流域為研究對象,應用250 m空間分辨率的MODISNDV I最新的全球植被指數變化數據,對該流域2001-2008年冬季的植被覆蓋空間格局及時間序列變化進行綜合分析,闡明連江流域植被覆蓋變化的整體狀況,以期為該流域進行巖溶區(qū)植被覆蓋變化的水文、氣候、生態(tài)環(huán)境效應的研究奠定基礎。

1 研究區(qū)概況

連江流域位于東經 112°10′-113°18′,北緯 24°09′-25°07′,面積為 10 061 km2,是珠江水系兩個主要支流之一北江的第一大支流,地處粵北地區(qū)西部。流域地處我國亞熱帶濕潤區(qū)的南亞熱帶季風氣候區(qū),年均氣溫19～20℃,多年平均降雨量為1 770 mm。連江全長275 km,河道平均坡降0.77%,集水面積100 km2以上的支流有30條[12]。流域石灰?guī)r山區(qū)約占流域面積的60%,巖溶與非巖溶地形相互交錯,呈現(xiàn)典型喀斯特地貌。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

遙感數據采用美國LPDAAC(Land Process Distributed Active A rchiveCenter)提供的MODIS植被指數產品MOS13Q1,該數據為250 m分辨率的16 d合成植被指數(NDV I)。NDV I對于葉綠素含量比較敏感,更好地反映植被的冠層結構[13-14],研究使用2001-2008年1月份共8個時相冬季的NDVI數據。流域范圍的確定是根據地形數據SRTM(Shuttle Radar Topography M ission),該測量數據覆蓋中國全境,分辨率為90 m,可以在 ftp://e0m ss21u.ecs.nasa.gov/srtm/地址免費獲取。

2.2 研究方法

應用SRTM數據并借助A rcGIS的水文分析模塊功能,確定連江流域及其子流域邊界;對MODIS-NDVI數據進行密度分割分類,植被指數按照0～0.2,0.2～0.4,0.4～0.6,0.6～0.8,0.8～1.0的植被指數范圍進行分區(qū)[15],即劃分為低植被覆蓋區(qū)、較低植被覆蓋區(qū)、中度植被覆蓋區(qū)、較高植被覆蓋區(qū)和高植被覆蓋區(qū) 5種植被覆蓋類型;利用FRAGSTAT景觀格局分析軟件,從景觀水平和類型層次上對獲得植被覆蓋類型數據進行空間格局分布及其動態(tài)特征分析。

3 結果分析

3.1 流域植被覆蓋變化

由圖1與圖2可知,連江流域2001-2008年1月植被覆蓋以中度和較高植被覆蓋區(qū)為主。低植被覆蓋區(qū)所占面積數量很小且相對穩(wěn)定;較低植被覆蓋區(qū)面積數量由2001年412.04 km2增加到2008年的755.24 km2;中度植被覆蓋區(qū)面積增加明顯,年均增長率約為4.1%且年際間起伏變化較大;較高植被覆蓋區(qū)面積減少顯著,年均遞減率約為2.2%且年際間起伏變化也較大;高植被覆蓋區(qū)面積數量由2001年775.96 km2減少到2008年的363.03 km2?？傊?近8年來連江流域的植被覆蓋呈總體退化趨勢,即較高與高植被覆蓋區(qū)面積減少而中度與較低植被覆蓋區(qū)面積增加。這一結果與王兆禮等[6]結論一致且對其結果的后續(xù)變化給予了進一步的確定。

圖1 連江流域2001-2008年植被覆蓋面積變化

3.2 流域植被覆蓋空間格局變化特征

用景觀格局指數描述區(qū)域空間格局及變化是景觀生態(tài)學最常用的定量化研究方法[16]。本研究在類型水平上選取斑塊數(NP)、最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、分維數(PAFRAC)、散布與并列指數(IJI)、相似鄰接比(PLADJ)和聚集度(AI);景觀水平上選取斑塊數、景觀形狀指數、分維數、連通度(CONTAG)、散布與并列指數、多樣性(SHDI)、均勻性(SHEI)和聚集度對2001-2008年連江流域植被覆蓋區(qū)的空間格局進行分析。

3.2.1 類型水平空間格局特征 斑塊數和最大斑塊指數可以反映景觀的破碎化程度,由表1可以看出8 a來,各類植被覆蓋類型變化差異明顯。低植被覆蓋區(qū)的斑塊數與斑塊最大面積指數變化相對較小,表明該類斑塊相對比較穩(wěn)定;較低與中度植被覆蓋區(qū)的斑塊數減少,斑塊最大面積指數增加,說明這兩種類型斑塊向大型化發(fā)展,破碎程度減低;較高植被覆蓋區(qū)的斑塊數增加,斑塊最大面積指數減少,表明該類型斑塊向小型化發(fā)展且破碎程度增加;高植被覆蓋區(qū)的斑塊數減少,斑塊最大面積指數也減少,說明該類型斑塊向大型化發(fā)展且破碎程度增加。

圖2 連江流域2001-2008年植被覆蓋面積變化

表1 連江流域2001-2008年類型水平斑塊數與最大斑塊指數

景觀形狀指數和分維數分別反映的是景觀斑塊的復雜程度和穩(wěn)定性,由表2可知2001-2008年,低與較低植被覆蓋區(qū)的景觀形狀指數和分維數變化起伏相對較小,說明這兩種類型斑塊的復雜程度和穩(wěn)定性變化不明顯;中度、較高和高植被覆蓋區(qū)的景觀形狀指數和分維數都有較顯著的減少趨勢,表明這三種類型斑塊的復雜程度不斷減小且穩(wěn)定性也呈下降趨勢。

相似鄰接比與聚集度指數都反映斑塊的聚散性,斑塊要素在其分布區(qū)內越叢生、越聚集,則斑塊的結合度就越大。由表3可知8 a來,低和較低植被覆蓋區(qū)的相似鄰接比與聚集度指數較小,說明這兩種類型斑塊分散度大、連接性差;中度植被覆蓋區(qū)的相似鄰接比與聚集度指數最大且略有增長,表明該類斑塊的聚集程度最高且呈繼續(xù)增加的趨勢;較高與高植被覆蓋區(qū)的相似鄰接比與聚集度指數保持相對穩(wěn)定,表明這兩種類型斑塊分散度與連接性基本不變。

表2 連江流域2001-2008年類型景觀形狀指數與分維數

表3 連江流域2001-2008年類型水平相似鄰接比與聚集度指數

散布與并列指數測量的是與某要素相鄰的其它要素數量多少,以此反映不同景觀要素空間分布關系[16],其值越高,則與該要素相鄰的要素越多。從圖3可以看出2001-2008年,低與較高植被覆蓋區(qū)的散布與并列指數較高但下降很顯著,即這兩種類型的斑塊與其它斑塊之間交錯分布的機會減少,空間關系趨于簡單化,與較低高植被覆蓋區(qū)的情況類似;中度植被覆蓋區(qū)的散布與并列指數較高且增加,表明該類斑塊與其它斑塊之間交錯分布的機會較大且有進一步增加的趨勢;高植被覆蓋區(qū)的散布與并列指數很低且略有減少,說明該類斑塊與其它斑塊之間交錯分布的機會較小且有進一步減少的趨勢。

3.2.2 景觀水平空間格局特征 連江流域景觀水平上的景觀指數如表4所示,定量反映了整個研究區(qū)的總體景觀空間格局與變化特征。景觀破碎化可以用斑塊數和連通度來反映,從表4可知,2001-2008年連江流域景觀斑塊總數減少,連通度略有增加,同時散布與并列指數減少和聚集度增加,都從不同的側面表明了整個區(qū)域的破碎程度減少,連通性提高;景觀形狀指數和分維數分別表明了景觀斑塊的復雜程度和穩(wěn)定性。從表4可以看出2001-2008年,連江流域的形狀指數降低了5.817 4,分維數也降低了0.039 5,說明8 a來景觀整體的復雜程度在減少,穩(wěn)定性也在減弱;多樣性和均勻度指數反映區(qū)域空間結構的異質性特征,2001-2008年連江流域多樣性和均勻度都有所增加,表明整個區(qū)域的景觀異質性也逐漸提高,景觀向多樣化和均勻化方向發(fā)展。

圖3 連江流域2001-2008年類型水平散布與并列指數

表4 連江流域2001-2008年景觀水平指數變化

4 結論與討論

連江流域近8 a來的植被覆蓋呈總體退化趨勢,主要表現(xiàn)為較高與高植被覆蓋區(qū)面積減少而中度與較低植被覆蓋區(qū)面積增加。從景觀水平上分析,連江流域的破碎程度減少即連通性提高,同時整個流域的景觀異質性在逐漸提高,景觀向多樣化和均勻化方向發(fā)展。類型水平上各類景觀要素在破碎化程度、復雜性和穩(wěn)定性、聚集性、空間分布關系方面變化差異顯著,其中較高與中度植被覆蓋空間特征變化對整個流域空間格局動態(tài)起決定性作用。植被覆蓋分布及其空間格局動態(tài)變化與相關環(huán)境要素之間的響應,以及對流域生態(tài)水文過程影響需要進一步深入研究。如何利用長時間序列及年內時間變化遙感數據,分析NDVI時空變化特征與降水、溫度、徑流等的相關性,即研究流域植被覆蓋變化所引起的水文、氣候及其生態(tài)環(huán)境效應,將對連江流域水資源管理及其石漠化治理具有重要的現(xiàn)實意義。

[1] H ansen M C,Def ries R S,Townshend JR G,et al.G lobal land cover classification at 1 km spatial resolution using a classification tree app roach[J].International Journal of Remote Sensing,2000,21(6/7):1331-1364.

[2] Bo les S H,Xiao X,Liu J,etal.Land cover characterization of temperate East Asia using mu lti-temporal VEGETATION sensor data[J].Remote Sensing of Environment,2004,90(4):477-489.

[3] 樸世龍,方精云.最近18年來中國植被覆蓋的動態(tài)變化[J].第四紀研究,2001,21(4):294-302.

[4] 徐永明,劉勇洪,魏鳴,等.基于MODIS數據的長江三角洲地區(qū)土地覆蓋分類[J].地理學報,2007,62(6):640-648.

[5] 楊勝天,劉昌明,孫睿.近20年來黃河流域植被覆蓋變化分析[J].地理學報,2002,57(6):679-684.

[6] 王兆禮,陳曉宏,李艷.珠江流域植被覆蓋時空變化分析[J].生態(tài)科學,2006,25(4):303-307.

[7] Ward low B D,Egbert S L,Kastens JH.Analysis of time-series MODIS 250 m vegetation index data for crop classification in the U SCentral G reat Plains[J].Remote Sensing of Environment,2007,108:290-310.

[8] Zhan X,Sohlberg R A,Townshend JRG,et al.Detection of land cover changes using MODIS 250 m data[J].Remote Sensing of Environment,2002,83:336-350.

[9] Cih lar J,Ly H,Xiao Q.Land cover classification with AVHRRmulti-channel composites in northern environments[J].Remote Sensing of Environment,1996,58(1):36-51.

[10] Price JC.Comparing MODIS and ETM+data for regional and g lobal classification[J].Remote Sensing of Environment,2003,86(4):1835-1852.

[11] 王秀春,黃秋昊,蔡運龍.貴州省烏江流域植被覆蓋動態(tài)變化分析[J].水土保持研究,2008,15(5):15-17.

[12] 鄒鳴.連江流域水文特性分析[J].廣東水利水電,2005(6):74-75.

[13] Deferis R S,Tow nshend JR G.NDV I-derived land cover classification at a global scale[J].International Journal of Remote Sensing,1994,15:3567-3586.

[14] Huete A,Justice C,Leeuw en wV.Modis Vegetation Index(MOD13)Version 3.A lgorithm Theoretical Basis Document,H ttp://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbdˉmod13.pd f,1999.

[15] 劉庾,畢如田,褚雅紅.基于 MOD IS影像的山西省植被指數分析[J].測繪與空間地理信息,2008,31(1):43-45.

[16] 曾加芹,歐陽華,牛樹奎,等.1985-2000年西藏地區(qū)景觀格局變化及影響因子分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(1):137-143.