赫曉慧， 牛金星， 鄭東東， 王 璐， 郭恒亮

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

植被覆蓋度可定義為單位面積內(nèi)植被的垂直投影面積[1],它是衡量地表植被狀況的一個最重要的指標(biāo),也是許多學(xué)科的重要參數(shù)[2]，在對生態(tài)環(huán)境進行評估的時候頗具重要性。植被覆蓋度是生態(tài)學(xué)和水文學(xué)方面的重要指標(biāo)，常見于多種氣候、水文模型中。對于植被覆蓋度的監(jiān)測也被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境調(diào)查、水土保持研究等多領(lǐng)域當(dāng)中[3]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，采用遙感技術(shù)監(jiān)測不同時相的植被覆蓋度也已成為可能。在各種監(jiān)測方法中，應(yīng)用最廣的當(dāng)屬植被屬性與簡單光譜指數(shù)的相關(guān)分析法及其回歸模型法[4]。在此，我們采用基于NDVI的等密度模型[5]進行植被覆蓋度的反演，并結(jié)合鄭州市氣象局提供的降雨量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實地考察等與反演得到的植被覆蓋度情況進行相關(guān)行分析，明確花園口段濕地的生態(tài)環(huán)境分布情況和變化趨勢，為以后的濕地治理、保護、研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

鄭州市黃河濕地自然保護區(qū)位于鄭州市北部，屬黃河中下游地區(qū)，地理位置約為113°23′—114°02′E，34°51′—35°01′N。保護區(qū)建立于1999年，是黃河河流濕地中建立較早的保護區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。在季風(fēng)影響下，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季干寒，四季分明，光、熱、水資源比較豐富，雨熱同期，有利于多種植物生長。年平均氣溫14.2 ℃，年平均日照為2 366 h，年平均無霜期227 d，年平均降水天數(shù)82.3 d，年平均自然降雨量656 mm。區(qū)內(nèi)河道年徑流量在3.0×1010～6.0×1010m3。

保護區(qū)濕地類型主要有河流濕地和沼澤濕地兩大類，其中河流濕地包括永久河流(河床、低河漫灘)、洪泛平原濕地(二灘)；沼澤濕地包括草本沼澤和灌叢沼澤。由于河流反復(fù)沖淤和人類頻繁活動，保護區(qū)天然森林早已蕩然無存，絕大部分自然植被被農(nóng)田、人工林及村落取代，保護區(qū)內(nèi)大部分農(nóng)田分布在老灘，二灘在非汛季也有較多分布。主要農(nóng)作物有小麥、玉米、大豆、花生、高粱等。

2 數(shù)據(jù)處理

本文采用了鄭州黃河濕地自然保護區(qū)1999—2011年的Landsat TM(ETM+)遙感數(shù)字圖像13景，成像時間為每年的9月，2010年10月的校正過的SPOT 5遙感數(shù)字圖像1景。采用改進的DOS大氣校正方法對13景TM(ETM+)影像進行大氣校正，圖像增強，并基于SPOT 5影像對TM(ETM+)影像進行幾何精校正。處理后的TM(ETM+)影像質(zhì)量明顯提高。

3 研究方法

植被歸一化指數(shù)(NDVI)能反映出植物冠層的背景影響，其大小取決于植被覆蓋度VFC(水平密度)和葉面積指數(shù)LAI(垂直密度)等要素[6]，我們可以用NDVI反推植被覆蓋度VFC和葉面積指數(shù)LAI[7]。

等密度模型的應(yīng)用前提是假設(shè)影像上的像元是由裸土和植被兩部分構(gòu)成的，同時植被覆蓋部分的垂直密度要足夠的高(LAI→∞，NDVIVFC→NDVI∞)。得出植被指數(shù)與覆蓋度的關(guān)系式：

NDVI=VFC×NDVI∞+(1-VFC)×NDVI0

(1)

VFC=(NDVI- NDVI0)/(NDVI∞- NDVI0)

(2)

式中：NDVI0——裸土地或者無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值； NDVI∞——完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即高垂直密度的NDVI值。在進行運算時，其置信度取5%，在置信區(qū)間(5%～95%)內(nèi)將NDVI的最小值作為NDVI0，將NDVI的最大值作為NDVI∞[7]。植被覆蓋度反演技術(shù)路線見圖1。

圖1 植被覆蓋度反演技術(shù)路線

在ENVI 4.7-band math中輸入式(2)進行植被覆蓋度的反演，并將結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS，按照0%～20%，20%～40%，40%～60%，60%～80%，80%～100%對植被覆蓋度進行分級處理，得到不同年份不同植被覆蓋度級別面積和分級圖。

4 植被覆蓋度變化情況分析

通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，黃河小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙實驗從2002年開始，截止到2011年，除了2003年調(diào)水調(diào)沙實驗時間為9月中旬，其他年份調(diào)水調(diào)沙實驗時間多是在6月份中下旬進行的。鄭州市多年月降雨量的分布圖見圖2。從圖2中可以看出，研究區(qū)的各月降雨量的分配為典型的單峰型曲線，多集中于5—9月，汛期降雨量占全年降雨量的60%以上。

圖2 鄭州站多年平均月降雨量

而我們選擇的遙感影像時間為9月份，一方面可以減少上游徑流量對本次研究的影響；另一方面，此時保護區(qū)內(nèi)部的農(nóng)田作物正處于灌漿和成熟期，生長穩(wěn)定。此時反演的植被覆蓋度通過矩陣運算求得的年平均植被覆蓋度具有很強的代表性。

鄭州黃河濕地自然保護區(qū)1999—2011年植被覆蓋度和降雨量的變化曲線見圖3。圖3表明，2007年之前鄭州黃河濕地自然保護區(qū)植被覆蓋度受到降雨量的明顯影響：1999—2001年保護區(qū)植被覆蓋度隨著降雨量的下降而下降；2001—2003年，隨著鄭州市降雨量逐年增加，保護區(qū)植被覆蓋度相應(yīng)增加。這兩個年份段的植被覆蓋度變化情況說明保護區(qū)生態(tài)環(huán)境很脆弱，對水分的依存度較高，植被缺水會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。2003—2007年保護區(qū)植被覆蓋度隨著降雨量的波動而相應(yīng)波動。

圖3 1999-2011年鄭州黃河濕地自然保護區(qū)植被覆蓋度與降雨量變化

但是2007—2011年的保護區(qū)植被覆蓋度并未隨著降雨量的增減而相應(yīng)增減，對此我們查閱了歷年保護區(qū)實地植被情況，并在2009—2011年對保護區(qū)進行了實地調(diào)研。保護區(qū)位于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)和人口密集區(qū)，距離鞏義、滎陽、鄭州、中牟等城市較近，鞏溫大橋、南水北調(diào)穿黃工程、黃河大橋、黃河二橋縱貫其間，四周為村落和農(nóng)田所包圍，受人為活動的影響較大。雖然經(jīng)過多年的保護，保護區(qū)濕地植被遭破壞的情況減少；但由于近年土地資源緊缺，尤其是靠近城市郊區(qū)的黃河老灘開發(fā)形式多樣，圍墾淤塞、挖塘造田、開溝排灌、無計劃用水引起黃河斷流以及無計劃地盲目開發(fā)等，保護區(qū)植被覆蓋度明顯衰退，植被覆蓋度由60%以上降到40%以下的地區(qū)多在上述地點附近。

5 結(jié) 論

(1)1999—2011年，鄭州市濕地保護區(qū)內(nèi)生態(tài)水平整體大幅下降，保護區(qū)內(nèi)部平均植被覆蓋度由60%下降到40%。從保障生態(tài)安全上講，保護區(qū)處于河南省中部生態(tài)脆弱地區(qū)，如果保護區(qū)生態(tài)遭到破壞，會影響到全省的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活， 從而威脅到鄭州市乃至河南省的生態(tài)安全。

(2)保護區(qū)植被狀況對降水的依賴顯著，這可從2007年之前的二者曲線圖明顯地看出來；2007年之后的趨勢與人類活動有很大關(guān)系，說明人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響很大。

(3)人類活動對植被破壞頗大。通過實地調(diào)查資料表明，人類活動使該區(qū)濕地遭受了很大程度的破壞，如不及時予以保護，則典型黃河濕地植被將遭到破壞，降低其應(yīng)有的保護價值。同時，也會加重水土流失，減少水源涵養(yǎng)，威脅黃河中下游用水安全，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

通過研究鄭州濕地保護區(qū)植被覆蓋度分布情況與演變規(guī)律，使我們能夠了解該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和驅(qū)動因素，認(rèn)識保護區(qū)建設(shè)的必要性和緊迫性，從而制定修復(fù)該區(qū)植被的規(guī)劃以提高黃河濕地的生態(tài)價值和經(jīng)濟價值。

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