趙麗紅，王　屏，歐陽(yáng)勛志，吳志偉

1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南昌　330045 2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌　330045 3 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽(yáng)　110016

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南昌市植被覆蓋度時(shí)空演變及其對(duì)非氣候因素的響應(yīng)

趙麗紅1,2，王屏2，歐陽(yáng)勛志1,*，吳志偉3

1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，南昌330045 2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌330045 3 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽(yáng)110016

摘要:植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植被覆蓋在空間上的差異是氣候和人類活動(dòng)交互作用的結(jié)果。隨著城市擴(kuò)張，人類活動(dòng)的加劇及不合理的土地利用方式導(dǎo)致了很多生態(tài)問(wèn)題，對(duì)植被覆蓋有重大影響?；诘匦握{(diào)節(jié)植被指數(shù)的像元二分模型，利用3期landsat- 5 TM影像圖分析南昌市植被覆蓋度時(shí)空演變特征，并結(jié)合DEM數(shù)據(jù)分析植被覆蓋度及變化的地形梯度分異規(guī)律，利用3期土地利用圖量化植被覆蓋度變化對(duì)土地利用方式轉(zhuǎn)變的響應(yīng)。結(jié)果顯示：1)研究區(qū)2001—2010年植被覆蓋度從0.54下降為0.42，總體上呈退化趨勢(shì)，2005年之后植被退化有所減緩；2)植被覆蓋度的地形梯度變化顯著。植被覆蓋度與高程呈高度的正相關(guān)性，在坡度0—22°梯度帶呈現(xiàn)較高的正相關(guān)，在坡度22—40°梯度帶呈現(xiàn)較高的負(fù)相關(guān)。80%以上植被覆蓋變化集中在海拔30 m以下、坡度4 °以下的區(qū)域；3)植被覆蓋度變化是地形與土地利用綜合作用的結(jié)果。在平原低丘區(qū)，土地利用行為是植被覆蓋變化的主導(dǎo)因素。城市的建設(shè)和擴(kuò)張導(dǎo)致占用耕地、林地和草地，以及大面積的撂荒、伐林等土地活動(dòng)對(duì)植被覆蓋退化的貢獻(xiàn)率為50%以上，是植被覆蓋退化的主要原因，而退耕還林還草、廢棄地復(fù)墾、后備資源開(kāi)發(fā)為植被覆蓋增加的主要原因?？蔀槠皆颓饏^(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和構(gòu)建環(huán)境友好型土地利用模式提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋度；時(shí)空演變；地形梯度；土地利用；南昌市

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有截留降雨、減少雨滴擊濺、減緩地表徑流、保土固土等功能，是土壤侵蝕與水土流失的主要監(jiān)測(cè)因子[1]。植被覆蓋度是反映生態(tài)系統(tǒng)變化的重要參數(shù)，是評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是否健康、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是否良好的重要指標(biāo)[2- 3]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍基于遙感手段，利用模型法[4- 6]、植被指數(shù)法[7- 8]和像元分解模型法[9- 14]等方法進(jìn)行植被覆蓋度的反演，評(píng)價(jià)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境[8]。而像元分解模型法實(shí)質(zhì)上是對(duì)植被指數(shù)法的改進(jìn)，為當(dāng)前的主流方法。綜觀國(guó)內(nèi)對(duì)植被覆蓋度的研究，多采用國(guó)外的研究方法，選擇區(qū)域大都為丘陵山地區(qū)，具有水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的特征，如齊清[15]、張寶慶[1]、李旭譜[16]、廖清飛[17]、秦超[18]、嚴(yán)恩萍[19]、李恒凱[14]等分別以黃土高原、西北五省、青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)、陜西省、京津地區(qū)、江西贛州市為研究區(qū)，進(jìn)行植被覆蓋時(shí)空演變遙感監(jiān)測(cè)與分析。研究表明植被覆蓋變化與氣候、地形有顯著的相關(guān)性，氣候因素在長(zhǎng)時(shí)間序列上對(duì)植被的生長(zhǎng)和分布起著主要作用，但短期內(nèi)植被覆蓋的變化主要受人類活動(dòng)的影響[20]。目前在人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋變化的影響研究方面欠缺，特別是平原低丘區(qū)的毀林開(kāi)荒、退耕還林、開(kāi)發(fā)建設(shè)等土地利用活動(dòng)對(duì)區(qū)域植被覆蓋的影響。土地利用方式的轉(zhuǎn)變對(duì)土壤的主要理化特性皆有影響[21- 22]，毀林開(kāi)荒、圍湖造田、建設(shè)用地占耕地等土地利用方式會(huì)嚴(yán)重破壞土壤，影響生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[23]。當(dāng)然一些土地利用方式也有利于水土流失的治理和植被的恢復(fù)，如退耕還林。因此以平原低丘區(qū)為研究區(qū)，量化研究人類活動(dòng)(土地利用行為)對(duì)植被覆蓋度的影響顯得尤其重要。

南昌市位于江西省中部偏北，處贛江、撫河尾閭，鄱陽(yáng)湖之濱，是江西省省會(huì)，是鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心城市，推動(dòng)著全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程。南昌市以地丘、崗地和沖積平原地貌為主，平均海拔為25 m，降雨量充沛，土地利用以耕地和林地為主，水土流失問(wèn)題比較嚴(yán)重。1998年南昌市實(shí)施了“平垸行洪、退田還湖”以及“退耕還林”、“一大四小”工程，另一方面隨著城市的擴(kuò)張，人類活動(dòng)的加劇及不合理的土地利用方式導(dǎo)致了諸多生態(tài)問(wèn)題，加劇了城市的水土流失。因此在這段時(shí)期南昌市的植被覆蓋如何變化?植被覆蓋變化呈現(xiàn)怎樣的地形梯度規(guī)律？植被覆蓋變化與土地利用行為有何關(guān)系？基于此背景及目的，本文以GIS和RS為技術(shù)支撐，分析南昌市在城市擴(kuò)張下的植被覆蓋時(shí)空變化特征，尤其是分析土地利用方式的轉(zhuǎn)變對(duì)植被覆蓋度變化的驅(qū)動(dòng)，為今后建立友好型土地利用模式，協(xié)調(diào)新型城鎮(zhèn)化下社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾提供參考。

1研究數(shù)據(jù)及方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究時(shí)間尺度為10年(2001—2010年)，所采用的遙感數(shù)據(jù)為landsat- 5 TM影像圖，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)來(lái)源于“地理空間數(shù)據(jù)云”遙感數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)。為便于進(jìn)行時(shí)空變化分析，選擇地面站接收時(shí)間為2001年、2005年和2010年，條帶號(hào)為121和122，行編號(hào)為40。3期影像數(shù)據(jù)平均云量均低于10%，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，且所選擇的3期數(shù)據(jù)時(shí)相為6月，處于植被生長(zhǎng)旺季，具有可比擬性，能滿足研究需求。另30 m的DEM和對(duì)應(yīng)的3期土地利用現(xiàn)狀圖皆來(lái)源于南昌市土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)，用于提取地形及土地利用信息，以分析植被覆蓋對(duì)地形和土地利用方式等非氣候因素的響應(yīng)。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

在ENVI 5.1平臺(tái)對(duì)獲取遙感影像圖進(jìn)行預(yù)處理。輻射定標(biāo)與大氣校正是數(shù)據(jù)預(yù)處理關(guān)鍵，首先將灰度值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值或反射率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大氣校正，去除大氣對(duì)地面地物輻射反射的影響，還原地物本身的反射光譜特征。對(duì)校正后的圖像進(jìn)行重投影，將“WGS- 84”轉(zhuǎn)換為“西安80”地理坐標(biāo)系。運(yùn)用“Seamless Mosaic”工具對(duì)進(jìn)行無(wú)縫拼接，再以南昌市行政界線為掩膜文件進(jìn)行裁剪，最終獲取南昌市2001年、2005年和2010年遙感影像圖。在ArcGIS 10.2平臺(tái)對(duì)DEM圖和土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行重投影，投影為西安80坐標(biāo)，建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3植被覆蓋度估算方法

1.3.1地形調(diào)節(jié)植被指數(shù)計(jì)算

本文引用江洪等[24]的研究，用紅光波段構(gòu)建陰影植被指數(shù)(SVI)，與歸一化植被指數(shù)(NDVI)進(jìn)行線性組合，構(gòu)建地形調(diào)節(jié)植被指數(shù)(TAVI)。

SVI =(MR-BR)/BR

(1)

TAVI =NDVI+f(Δ)×SVI

(2)

式中,BR表示紅光波段，MR表示紅光波段的最大值，f(Δ)表示地形調(diào)節(jié)因子。f(Δ)的確定至關(guān)重要，可從f(Δ)為零開(kāi)始進(jìn)行優(yōu)化匹配，當(dāng)陽(yáng)坡的最大TAVI與陰坡的最大TAVI值相當(dāng)或近似時(shí)，則該時(shí)的f(Δ)為最優(yōu)值。

1.3.2基于TAVI的像元二分模型法

像元二分模型假設(shè)像元信息分為植被部分所貢獻(xiàn)的信息(Sveg)和由無(wú)植被覆蓋部分(Ssoil)所貢獻(xiàn)的信息兩部分[25]。假設(shè)混合像元中植被覆蓋的面積比例即為該像元的植被覆蓋度(FVC)，而土壤覆蓋的面積比則為1-FVC，則有：

FVC=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(3)

當(dāng)遙感信息S選擇為T(mén)AVI時(shí)，公式(3)可以表示為：

FVC=(TAVI-TAVIsoil)/(TAVIveg-TAVIsoil)

(4)

式中，Ssoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)的植被指數(shù)值，Sveg表示純植被像元的植被指數(shù)值。植被覆蓋類型是隨景觀類型而變化的[25]，可將土地利用類型作為計(jì)算TAVIsoil和TAVIveg的基礎(chǔ)。按不同土地類型提取相對(duì)應(yīng)的TAVIveg和TAVIsoil值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)，TAVIveg與TAVIsoil分別取累積頻率95%與5%時(shí)對(duì)應(yīng)的值。

1.4植被覆蓋度對(duì)非氣候因子響應(yīng)分析方法

對(duì)3期植被覆蓋度圖進(jìn)行差值運(yùn)算，從DEM數(shù)據(jù)中提取高程和坡度，再對(duì)其進(jìn)行重分類劃分梯度帶。運(yùn)用“分區(qū)統(tǒng)計(jì)”方法對(duì)植被覆蓋度圖、植被覆蓋變化差值圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析不同梯度帶的植被覆蓋度變化規(guī)律。將3期土地利用圖進(jìn)行疊加分析，獲取2001—2005年和2005—2010年兩時(shí)段的土地利用變化圖斑，將其與植被覆蓋變化差值圖進(jìn)行交叉面積統(tǒng)計(jì)，以分析植被覆蓋變化對(duì)土地利用方式轉(zhuǎn)變的響應(yīng)。

2結(jié)果與分析

2.1植被覆蓋度時(shí)空演變特征

按上述方法估算出2001年、2005年和2010年植被覆蓋度，按照等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[14]得到3期植被覆蓋度等級(jí)圖(圖1)和兩時(shí)段的植被覆蓋度變化等級(jí)圖(圖2)。

統(tǒng)計(jì)各等級(jí)的植被覆蓋度面積(表1)及覆蓋度變化面積(表2)。

圖1　研究區(qū)植被覆蓋度分布Fig.1　FVC in the study area

圖2　研究區(qū)植被覆蓋度變化Fig.2　The variation of FVC in study area

植被覆蓋度等級(jí)FVCrank閾值區(qū)間Thresholdinterval面積比例Areapercentage/%2001年2005年2010年2001—2005年變化幅度/%Rangeability(2001—2005)2005—2010年變化幅度/%Rangeability(2005—2010)無(wú)植被Non-vegetation≤015.5221.9617.686.43-4.28裸地Bareland0

表2　植被覆蓋度變化級(jí)別面積比例

研究區(qū)2001年、2005年和2010年的植被覆蓋度均值分別為0.54、0.45和0.42，植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2005年之后下降幅度稍小。從表1和圖1可知南昌市植被覆蓋度以中度覆蓋和高度覆蓋為主，主要分布在新建縣、南昌縣、進(jìn)賢縣、安義縣和灣里區(qū)。10年間南昌市植被覆蓋度呈現(xiàn)由高度覆蓋向中低度覆蓋、低度覆蓋演變的特點(diǎn)，植被覆蓋呈退化趨勢(shì)。植被高度覆蓋占總面積比由48.21%降為28.44%，中度覆蓋區(qū)比較穩(wěn)定，面積百分比在16%左右，中低度覆蓋和低度覆蓋區(qū)面積由11.13%、6.71%上升為17.91%和16.04%。從表2可知，兩時(shí)段植被退化區(qū)面積占總面積比分別為56.17%和43.09%，其中以嚴(yán)重退化為主，但2005年后退化有所減緩；植被覆蓋穩(wěn)定區(qū)面積比分別占21.41%和23.97%；植被覆蓋增加面積比由22.41%上升為32.94%。從空間分布來(lái)看(圖2)，植被退化與增加呈現(xiàn)空間聚集特征。2001—2005年植被覆蓋退化以新建縣、安義縣、進(jìn)賢縣最為明顯。2005—2010年除南昌縣、新建縣、進(jìn)賢縣和西湖區(qū)仍呈一定退化趨勢(shì)外，其它區(qū)域植被覆蓋均從低度覆蓋向高度覆蓋轉(zhuǎn)變，植被覆蓋有所提高，以安義縣、青山湖區(qū)和東湖區(qū)最為明顯。

自1998年起為維護(hù)區(qū)域的生態(tài)安全，南昌市實(shí)施了“平垸行洪、退田還湖”等工程，在一定程度上增加了水域面積，另一方面受降水影響，河流湖泊蓄積量增加，水域面積增加。2005—2010年之間，特別是2007—2009年間，南昌市年降水量與近30年偏差值在-400 mm左右。此外三峽水庫(kù)建成之后，水庫(kù)下游的徑流過(guò)程發(fā)生改變，鄱陽(yáng)湖水位也在一定程度上受到影響。受該些因素影響，研究區(qū)鄱陽(yáng)湖水體萎縮，轉(zhuǎn)變?yōu)闉┑睾突牟莸?。隨著對(duì)濕地保護(hù)力度的加大，河流湖泊周邊植被發(fā)育良好，植被覆蓋呈劇烈增加趨勢(shì)。

2.2植被覆蓋度的地形梯度變異規(guī)律

2.2.1植被覆蓋度的高程梯度變化

圖3　植被覆蓋度隨高程梯度變化Fig.3　The change of FVC with slope elevation

南昌市為低丘平原地貌，將0—60 m以10 m為間距分成6個(gè)梯度帶，60—100 m劃為一個(gè)梯度帶，100—500 m以100 m為間距分成4個(gè)梯度帶，500 m以上劃為一個(gè)梯度帶，共劃分為12個(gè)梯度帶。分別對(duì)3期植被覆蓋度及兩時(shí)段植被覆蓋變化等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3)，植被覆蓋表現(xiàn)出明顯的垂直地帶性，呈梯度變化，即隨著高程的增加植被覆蓋度也有所增加。高程30 m以下的植被覆蓋度在0.4左右，且隨高程增加而緩慢增加；30—60 m梯度帶植被覆蓋度隨高程增加，上升幅度有所提高；100—200 m梯度帶植被覆蓋度上升較大，300 m以上植被覆蓋度變化不大，穩(wěn)定在0.75左右。將高程與3期植被覆蓋度進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)分別為0.94 、0.97、0.95，結(jié)果表明植被覆蓋度與高程呈高度正相關(guān)。2001—2005年植被覆蓋退化與增加隨高程變化上下波動(dòng)，無(wú)顯著相關(guān)。高程梯度帶內(nèi)植被覆蓋退化面積占總覆蓋退化面積比例、植被覆蓋增加面積占總增加面積比例隨高程增加而降低，75%植被覆蓋變化區(qū)域集中在高程30 m以下。2005—2010年，在高程100 m以上植被覆蓋退化占同一梯度面積比急劇下降，植被覆蓋增加占同一梯度面積比急劇上升，但在500 m以上呈反向變化。

2.2.2植被覆蓋度的坡度梯度變化

南昌市坡度范圍為0—40°，其中0—6°區(qū)域占85%，16°以上占5%。根據(jù)研究區(qū)地形特點(diǎn)，以2°為間隔進(jìn)行坡度梯度帶劃分，共劃分20個(gè)帶。分別對(duì)3期植被覆蓋度和兩時(shí)段植被覆蓋變化級(jí)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出結(jié)果如圖4。坡度在0—10°梯度帶植被覆蓋度略有下降，主要是該梯度區(qū)域地勢(shì)較平緩，為人類活動(dòng)的主要區(qū)域，植被生長(zhǎng)受人為干擾較嚴(yán)重；10—22°梯度帶植被覆蓋度開(kāi)始增加。在10—16°梯度帶增加速度較快，主要是因?yàn)槭苋藶楦蓴_較小，土地利用方式單一，主要為林地。16—22°梯度帶植被覆蓋度增加較緩慢，達(dá)到最高值；22—24°梯度帶植被覆蓋度開(kāi)始下降，在38°以上急劇下降。將坡度與3期植被覆蓋度進(jìn)行相關(guān)分析，在坡度0—22°梯度帶呈較高的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.89、0.88和0.91；在坡度22—40°梯度帶呈很高的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.97、-0.98和-0.98。85%植被覆蓋變化區(qū)域集中在4°以下，隨坡度增加人類活動(dòng)干擾減少，植被退化程度有所減緩。坡度12°以上植被增加隨坡度梯度上升明顯，植被退化隨坡度梯度上升而減緩。2005—2010年植被覆蓋增加速度大于植被覆蓋退化速度，但由于發(fā)生面積較小，不能逆轉(zhuǎn)整個(gè)研究區(qū)植被覆蓋退化的趨勢(shì)。

圖4　植被覆蓋度隨坡度梯度變化Fig.4　The change of FVC with slope

2.3植被覆蓋度對(duì)土地利用方式轉(zhuǎn)變的響應(yīng)分析

將3期土地利用類型圖進(jìn)行疊加分析，確定土地利用方式的轉(zhuǎn)變類型為27類。將植被覆蓋變化類型(退化和增加)面積占同一轉(zhuǎn)變類型區(qū)域面積比定義為響應(yīng)度，閾值范圍為“0—1”，趨近于1說(shuō)明響應(yīng)度大，反之響應(yīng)度小，結(jié)果如圖5。為便于統(tǒng)計(jì)與制圖，對(duì)土地轉(zhuǎn)換類型名稱進(jìn)行簡(jiǎn)化，如將“林地轉(zhuǎn)耕地”簡(jiǎn)化為“林轉(zhuǎn)耕”，“建設(shè)用地轉(zhuǎn)草地”簡(jiǎn)化為“建轉(zhuǎn)草”，“水域轉(zhuǎn)其它土地”簡(jiǎn)寫(xiě)成“水轉(zhuǎn)其它”，其它名稱亦同。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)近60%的植被覆蓋度變化區(qū)域的土地利用方式均發(fā)生轉(zhuǎn)變。植被覆蓋度退化對(duì)土地利用方式轉(zhuǎn)變的響應(yīng)強(qiáng)度為“其它轉(zhuǎn)草”>“林轉(zhuǎn)荒草”>“耕轉(zhuǎn)荒草”>“耕轉(zhuǎn)水”>“草轉(zhuǎn)建”>“林轉(zhuǎn)建”>“草轉(zhuǎn)水”>“林轉(zhuǎn)其它”>“林轉(zhuǎn)耕”>“耕轉(zhuǎn)建”>“其它轉(zhuǎn)建”，響應(yīng)度均在0.5以上，其它轉(zhuǎn)換類型植被覆蓋度退化較少?！捌渌D(zhuǎn)草”表現(xiàn)為園地轉(zhuǎn)草地，雖響應(yīng)強(qiáng)度大，但占總退化面積比例不大；研究區(qū)以耕地和林地為主，結(jié)合響應(yīng)度可知植被覆蓋退化主要是由于大量的耕地、林地轉(zhuǎn)荒草地和建設(shè)用地所致，此外“草轉(zhuǎn)建”及“林轉(zhuǎn)耕”也有較大影響。植被覆蓋度增加對(duì)土地利用方式轉(zhuǎn)變的響應(yīng)強(qiáng)度為“草轉(zhuǎn)林”>“荒草地轉(zhuǎn)林”>“建轉(zhuǎn)草”>“建轉(zhuǎn)耕”>“水轉(zhuǎn)耕”>“耕轉(zhuǎn)林”>“其它轉(zhuǎn)林”>“水轉(zhuǎn)草”，響應(yīng)度均在0.5以上，其它轉(zhuǎn)換類型植被覆蓋度增加較少。

圖5　土地利用方式轉(zhuǎn)變類型下的植被覆蓋度變化響應(yīng)Fig.5　The response of FVC change with land use change

結(jié)合土地利用方式和相關(guān)政策，將土地利用方式轉(zhuǎn)變歸并為“建設(shè)占用”、“土地開(kāi)發(fā)”、“土地復(fù)墾”、“退耕還林”、“退田還湖”、“圍湖造田”、“毀林開(kāi)荒”、“撂荒”等八種類型。在GIS下運(yùn)用空間分析模塊中的區(qū)域統(tǒng)計(jì)進(jìn)行面積制表，統(tǒng)計(jì)八種土地利用變化方式下的植被覆蓋變化面積，將植被覆蓋變化類型(退化和增加)面積占同一類型區(qū)域面積比表征植被覆蓋變化對(duì)土地利用方式轉(zhuǎn)變類型的響應(yīng)程度。毀林開(kāi)荒、建設(shè)占用、退田還湖、撂荒等土地利用行為導(dǎo)致植被退化的面積分別占同一類型區(qū)域的面積比分別為69%、52%、49%和48%，而其它土地利用變化類型導(dǎo)致植被覆蓋退化的面積比較?。煌恋亻_(kāi)發(fā)、退耕還林、土地復(fù)墾、圍湖造田等土地利用變化類型導(dǎo)致植被覆蓋增加的面積分別占同一類型區(qū)域的面積比分別為80%、73%、61%和72%，其它類型植被覆蓋增加較少。

3討論

3.1植被覆蓋度遙感估算方法的可靠性

根據(jù)測(cè)算原理不同植被覆蓋度的估算方法多樣。傳統(tǒng)的方法雖然精度高但是耗時(shí)耗力，適用于小范圍植被覆蓋度的測(cè)算。運(yùn)用遙感手段進(jìn)行植被覆蓋度的調(diào)查成為當(dāng)前主流，其具有范圍廣、效率高的特點(diǎn)。采用像元二分法進(jìn)行植被覆蓋度的提取較普遍，主要是像元二分模型計(jì)算較簡(jiǎn)單，削弱了土壤背景、植被類型和大氣對(duì)植被指數(shù)的影響，具有推廣性。植被覆蓋度遙感監(jiān)測(cè)最關(guān)鍵的是植被指數(shù)的選擇與植被指數(shù)轉(zhuǎn)換方法[26]。目前應(yīng)用較廣的仍是NDVI，但其消除土壤背景影響的能力較差，易達(dá)到飽和[26]，主要是由于山體陰影造成的。多個(gè)研究[24,27- 28]驗(yàn)證得出TAVI通過(guò)波段的線性組合即可消除地形干擾，不需要高精度的DEM數(shù)據(jù)，沒(méi)有其他的限定條件，具有較高的實(shí)用意義[28]。

本研究為更好的突出TAVI抗地形影響效果，選取了灣里區(qū)部分山地為樣區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證(圖6)。從圖6中很易目視判別，與NDVI相比TAVI很好的消除了地形紋理。山體陽(yáng)坡的TAVI值低于NDVI值，而陰坡的TAVI值明顯高于NDVI值，陰坡陽(yáng)坡的TAVI值非常近似。結(jié)果充分說(shuō)明TAVI有效的對(duì)山體陰坡信息進(jìn)行了補(bǔ)償，而對(duì)山體陽(yáng)坡信息進(jìn)行了抑制，與現(xiàn)實(shí)的植被指數(shù)較貼近，為植被覆蓋度測(cè)算的精度奠定了基礎(chǔ)，且這一結(jié)果與江洪[24]、劉亞迪[28]的研究結(jié)論一致。通過(guò)植被覆蓋度變化對(duì)非氣候因素的響應(yīng)分析可說(shuō)明像元二分模型可準(zhǔn)確模擬植被覆蓋度的變化趨勢(shì)。但該種方法受遙感影像分辨率、植被類型和植物群落垂直尺度異質(zhì)性影響[12]，所以遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果不能完全代替地面調(diào)查結(jié)果，如何充分利用高分影像圖提高植被覆蓋度估算模型精度也成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[12]。

圖6　樣區(qū)影像、TAVI和NDVI對(duì)比Fig.6　The contrast of image,TAVI and NDVI in the sample area

3.2平原低丘區(qū)植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)力

植被覆蓋變化及其在空間上的差異性是一個(gè)自然和人類活動(dòng)交互作用的過(guò)程，氣候?qū)χ脖桓采w的影響主要表現(xiàn)為氣溫與降水對(duì)植被生長(zhǎng)的影響[20]。一般來(lái)說(shuō)氣候與地形有較大的相關(guān)性，研究區(qū)屬平原低丘區(qū)，除山地外，區(qū)域的氣候差異不大。2007—2009年南昌市降水量與以往偏差-400 mm，降水量對(duì)植被覆蓋影響具有滯后性，對(duì)丘陵區(qū)影響不大，但對(duì)濱湖河灘區(qū)域有影響，體現(xiàn)在由于河流湖面萎縮導(dǎo)致的裸露灘涂的植被覆蓋增加。本文僅分析在不考慮氣候因素影響下，人類活動(dòng)與地形對(duì)植被覆蓋度變化的影響。結(jié)果表明植被覆蓋度與地形梯度呈高度正相關(guān)，坡度22°以下呈正相關(guān)，坡度22°以上呈負(fù)相關(guān)，這與李恒凱[14]、廖清飛[17]等的研究結(jié)論一致。呈現(xiàn)該變化特征的原因?yàn)槟喜械靥巵啛釒?，年平均降水?515—1595 mm，雨量充沛，山區(qū)降雨量頻繁。隨著坡度增加，受水力侵蝕導(dǎo)致水土流失增強(qiáng)，造成土壤養(yǎng)分的流失，植被覆蓋度急劇下降。研究區(qū)的植被覆蓋退化受自然水土流失影響僅表現(xiàn)在陡坡，但這部分面積所占比重較小，僅為0.2%。80%以上植被覆蓋變化集中在海拔30 m以下、坡度4°以下的區(qū)域，是人類主要活動(dòng)區(qū)域，為人們進(jìn)行各項(xiàng)生產(chǎn)生活的主要場(chǎng)所，特別是城市的擴(kuò)張對(duì)生態(tài)的干擾極大，造成較嚴(yán)重的城市人為水土流失。

3.3土地利用方式轉(zhuǎn)型對(duì)植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)占主導(dǎo)

研究區(qū)70%以上的面積在高程30 m、坡度4°以下，為人類生產(chǎn)活動(dòng)的主要區(qū)域，顯然以人為主導(dǎo)的資源開(kāi)發(fā)與土地利用等活動(dòng)是植被覆蓋變化的主要原因。城市的建設(shè)和擴(kuò)張導(dǎo)致占用耕地、林地和草地，以及大面積的撂荒和伐林，這些土地利用方式是植被覆蓋退化的主要原因。毀林開(kāi)荒導(dǎo)致了土壤侵蝕性退化，使水土流失加劇，生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的多樣性逐步消失，主要分布在新建縣、灣里區(qū)、安義縣和進(jìn)賢縣的丘陵山地區(qū)。撂荒主要分布安義縣、新建縣南部和進(jìn)賢縣的西部。濫開(kāi)濫墾的耕地撂荒，如毀林開(kāi)荒后的撂荒和圍湖造田后的撂荒使得原有的植被很難在短時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù)，導(dǎo)致地表裸露，易發(fā)生沙化和荒漠化，主要分布在沿湖沿江的南昌縣北部、新建縣北部和南部，以及進(jìn)賢縣的低丘區(qū)。

退耕還林還草、廢棄地復(fù)墾、后備資源開(kāi)發(fā)是植被覆蓋增加的主要原因。退耕還林在研究區(qū)的丘陵山地區(qū)均有分布。2002—2007年南昌市完成退耕還林工程21451 hm2，完成9053.33 hm2坡耕地和沙化耕地的退耕還林，主要分布在新建縣、安義縣、進(jìn)賢縣和灣里區(qū)。退耕還林工程的實(shí)施，特別是對(duì)荒灘地、低產(chǎn)農(nóng)田實(shí)施退耕還林，調(diào)整了土地利用結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，如進(jìn)賢縣前坊鎮(zhèn)萬(wàn)畝油茶豐產(chǎn)林基地、架橋鄉(xiāng)的千畝吳茱萸藥材基地和新建縣生米鎮(zhèn)的千畝楊樹(shù)工業(yè)原料林基地等。坡地開(kāi)發(fā)為林地可以控制水土流失，但是灘涂開(kāi)發(fā)區(qū)土壤砂性重，結(jié)構(gòu)差，植被少，易形成水土流失。

對(duì)3期土地利用圖進(jìn)行疊加后獲取土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果顯示研究區(qū)2001—2005年耕地面積減少119966.3 hm2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、林地和荒草地，林地面積減少45352.74 hm2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、荒草地和建設(shè)用地。說(shuō)明隨著城市化進(jìn)程的加快，出現(xiàn)大量建設(shè)占用、亂采亂挖等現(xiàn)象，同時(shí)也存在生態(tài)退耕、毀林開(kāi)發(fā)和耕地撂荒并存的不合理土地利用模式。這些土地利用方式致使人為水土流失日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)水土流失面積占區(qū)域總面積的18.8%，其中進(jìn)賢縣、新建縣和安義縣水土流失較嚴(yán)重。城市的水土流失也不容忽視，這直接導(dǎo)致了2001—2005年植被覆蓋的嚴(yán)重退化。研究區(qū)2005—2010年耕地減少63866.38 hm2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、建設(shè)用地和荒草地，林地減少30451.38 hm2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地。說(shuō)明城市擴(kuò)張占用耕地和林地現(xiàn)象依然存在，生態(tài)退耕、毀林開(kāi)發(fā)和耕地撂荒并存的矛盾仍然突出，這也是2005—2010年間植被覆蓋持續(xù)退化的原因。隨著第二輪土地規(guī)劃工作的開(kāi)展與實(shí)施，建設(shè)環(huán)境友好型的土地利用模式成為工作的重中之重。研究區(qū)加大了生態(tài)退耕力度，通過(guò)土地整治增加耕地面積56557.61 hm2，林地面積增加39181.43 hm2。這些舉措都有利于植被覆蓋度的增加和植被質(zhì)量的提高，在一定程度上減緩了植被覆蓋的退化。另一方面針對(duì)人為水土流失情況，2005年以來(lái)南昌市加大了對(duì)水土流失的治理，以青山湖為試點(diǎn)進(jìn)行了城市水土流失治理。安義縣被列為長(zhǎng)江流域生態(tài)修復(fù)工程試點(diǎn)縣，經(jīng)過(guò)十年的治理生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)森林覆蓋率均增加了5%，水土流失治理程度達(dá)到90%以上[29]，因此青山湖區(qū)、安義縣和主城區(qū)植被覆蓋均有明顯提高。

4結(jié)論

本文采用TAVI像元二分模型對(duì)南昌市植被覆蓋度進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。2001—2010年近10年南昌市植被覆蓋度總體呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，表現(xiàn)為從高度覆蓋向中低度覆蓋、低度覆蓋轉(zhuǎn)化的特征，植被覆蓋以高度覆蓋為主，且表現(xiàn)出明顯的地形梯度規(guī)律。研究結(jié)果表明抗地形調(diào)節(jié)植被指數(shù)具有較好的抗地形效果，消除了地形對(duì)植被光譜信息的影響，提高了植被覆蓋度估算的精度。像元二分模型可準(zhǔn)確模擬植被覆蓋度的變化趨勢(shì)。短期內(nèi)植被覆蓋度的變化反應(yīng)了人類活動(dòng)的作用，表現(xiàn)為土地利用行為對(duì)植被覆蓋的影響。量化植被覆蓋度對(duì)土地利用方式轉(zhuǎn)變的響應(yīng)，豐富了植被覆蓋度變化的驅(qū)動(dòng)研究。退耕還林、土地開(kāi)發(fā)復(fù)墾和圍湖造田等土地利用行為對(duì)植被覆蓋增加有較大貢獻(xiàn)，而毀林開(kāi)荒、建設(shè)占用和撂荒等土地利用行為對(duì)植被覆蓋退化貢獻(xiàn)較大。因此在平原丘陵區(qū)應(yīng)制定合理的土地利用模式以保障城鎮(zhèn)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

由于本文未采用長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感數(shù)據(jù)，故未分析氣候因素對(duì)植被覆蓋度的影響。今后可考慮采用短周期的長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合氣候因素進(jìn)行更深入的研究。另可進(jìn)一步探討如何構(gòu)建友好型的土地利用模式，以提高植被質(zhì)量和減緩植被的退化，為區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)及城市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

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基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360181, 31160159)；江西省高校人文社科項(xiàng)目(GL1323)

收稿日期:2015- 06- 29;

修訂日期:2016- 02- 25

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: oyxz_2003@hotmail.com

DOI:10.5846/stxb201506291344

An analysis of the spatio-temporal variation in fractional vegetation cover and its relationship with non-climate factors in Nanchang City, China

ZHAO Lihong1, 2, WANG Pin2, OUYANG Xunzhi1,*, WU Zhiwei3

1.CollegeofForestry,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China2.CollegeofLandResourceandEnvironment,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China3.InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences，Shenyang110016,China

Abstract：Vegetation is an important component of the terrestrial ecosystem, and its spatio-temporal variations are determined by the interactions of various natural and human factors. Generally, climatic factors (e.g., temperature and precipitation) regulate the growth and spatial distribution patterns of vegetation across a landscape in the long term, whereas non-climatic factors, such as human activities, determine the changes in vegetation cover in the short term. The “returning farmland to lake” and “returning farmland to forest” projects implemented since 1998 have led to many ecological and environmental problems in Nanchang city. Previous studies have suggested that exploring the effects of non-climatic factors (e.g., topography and land use behavior) on vegetation cover can provide scientific bases and references for ecological and environmental monitoring in a low hilly plain region (e.g., Nanchang city). In this study, employing a dimidiate pixel model and three Landsat- 5 TM images, we investigated the spatio-temporal variations in fractional vegetation cover from 2001 to 2010 in Nanchang city. The topography-adjusted vegetation index was used to derive the dimidiate pixel model. The fractional vegetation cover was calculated based on Landsat- 5 TM images in 2001, 2005, and 2010. A digital elevation model (DEM) was used to investigate the effects of terrain factors on fractional vegetation cover. In addition, three periods of land use maps were used to characterize the response of fractional vegetation cover change to land use change based on the “overlap” and “zonal statistics” tools in ArcGIS. The results showed that: 1) the mean values for fractional vegetation cover in Nanchang city were 0.54, 0.45, and 0.42 in 2001, 2005, and 2010, respectively. Overall, the fractional vegetation cover decreased from 2001 to 2010, and this trend was retarded after 2005. Spatially, locations with high fractional vegetation cover were clustered at the center of Nanchang city. Specifically, the fractional vegetation cover degenerated obviously in Xinjian County, Anyi County, and Jinxian County from 2001 to 2005. From 2005 to 2010, the fractional vegetation cover declined in Nanchang County, Jinxian County, and Xihu District and significantly increased in other counties, especially in Anyi County and QinShanhu and DongHu districts. 2) Relationships between fractional vegetation cover and terrain were significant. Specifically, the fractional vegetation cover was positively correlated with elevation and a slope gradient of 0—22 degrees and negatively correlated with a slope gradient of 22—40 degrees. More than 80% of the vegetation cover changes occurred in areas with an altitude of <30 m and a slope of <4 degrees. 3) The change in fractional vegetation cover resulted from the interactions of terrain and land use. Land use played a predominant role in altering vegetation cover, especially in the low hilly plain areas. Converting cultivated land, forest land, and grassland to developed land, abandoning cultivated land, and cutting forestland were the main causes of vegetation cover degradation (accounting for 50%). The policies of speeding up of urbanization in the low hilly plain area and the returning of farmland to forest and grassland, reclaiming land, and developing reserved land resources were the main causes for the vegetation cover increase.

Key Words:fractional vegetation cover; spatio-temporal variation; terrain gradient; land use; Nanchang city

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