陳 財(cái) 楊 斌 李 丹 趙浩舟 韓彤彤

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010)

良好的生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的重要前提，它承載著人類社會(huì)發(fā)展所需各類原材料的生產(chǎn)和廢棄物的回收分解[1-2]。生態(tài)環(huán)境中植被變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響和反作用已成為全球生態(tài)系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容，并且植被是指示生態(tài)環(huán)境變化的基本指標(biāo)。近年來、國內(nèi)外學(xué)者常采用植被覆蓋度來直接度量某地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化情況[3-5]。基于此，通過計(jì)算岷江上游流域植被覆蓋度的時(shí)空變化規(guī)律來對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。

植被覆蓋度指植物群落總體或各個(gè)體的地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分?jǐn)?shù)，其測(cè)量估算方法大致分為地面直接測(cè)量估算和遙感測(cè)量估算2種方法。地面直接測(cè)量估算方法適用地區(qū)較少、估算精度較低、且不易開展。遙感測(cè)量估算方法因采用先進(jìn)的遙感技術(shù)，具有檢測(cè)范圍廣、精度高和空間連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在高海拔、高裂度和高風(fēng)險(xiǎn)的“三高”地區(qū)，為大范圍的植被覆蓋度信息提取提供便利[6-7]。遙感測(cè)量估算方法又分為回歸模型法、植被指數(shù)法和像元分解法，其中像元分解法對(duì)于高山地區(qū)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以在一定程度上削減大氣和土壤等因素對(duì)植被蓋度所產(chǎn)生的影響[8-10]。通過對(duì)比分析前人在植被覆蓋度測(cè)量方法上的研究成果，選用像元分解法對(duì)岷江上游流域的植被覆蓋度進(jìn)行反演，利用遙感和地理信息技術(shù)分析1994-2014年間岷江上游植被覆蓋度的時(shí)空變化規(guī)律，為岷江上游流域生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、恢復(fù)和評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)揭示該地區(qū)植被生長(zhǎng)發(fā)育的年周期規(guī)律。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

1.1 研究區(qū)概況

岷江上游流域(圖1)地處四川盆地丘陵地向川西北高原過渡區(qū)域，地理位置位于31°26' N～33°16' N，102°59' E～104°14' E 之間，流域面積為2.24×104km2，該流域是長(zhǎng)江中上游生態(tài)屏障的保障，也是成都平原和岷江中下游地區(qū)的綠色水庫和生態(tài)屏障[11-12]。岷江上游流域以高山峽谷為主，地勢(shì)南高北低，區(qū)域內(nèi)海拔最高為5 840 m，最低海拔780 m，平均海拔3 400 m，海拔差異顯著，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜。降雨主要集中在5-10月，占全年降水量的80%～90%，以暴雨居多。自然資源被過度開發(fā)，生態(tài)環(huán)境遭到極大破壞，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，水土流失加劇，干涸河谷面積不斷變大。該流域地形地貌復(fù)雜，人文地理矛盾突出，是我國生態(tài)脆弱帶和《全國生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃》中的重點(diǎn)治理區(qū)域[13-14]。在2008年汶川大地震的劇烈干擾下，該流域生態(tài)環(huán)境急劇退化，對(duì)成都平原及長(zhǎng)江中下游生態(tài)造成嚴(yán)重影響。

1.2 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

研究采用Landsat 系列遙感數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù)中心(http://glovis.usgs.gov/)。Landsat系列遙感數(shù)據(jù)具有較高的時(shí)間空間分辨率、覆蓋范圍廣以及免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地表信息。此次使用遙感數(shù)據(jù)分別選取多個(gè)時(shí)期軌道行列號(hào)為行130，列037，038，039的數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)是從中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心四川省站點(diǎn)下載的氣溫、降雨量和平均相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。

研究區(qū)內(nèi)全年分為干濕兩季，由于研究區(qū)夏季數(shù)據(jù)能更好反映出岷江上游植被生長(zhǎng)變化情況，因此選取1994，1999，2004，2009，2014年5個(gè)時(shí)期夏季數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選取的時(shí)間及區(qū)域含云量如表1所示。

表1 遙感數(shù)據(jù)信息表Table 1 Information table of remote sensing data

2 研究方法

2.1 總體研究思路

為達(dá)到研究目的，本文采用的總體研究思路是：利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算各時(shí)期植被覆蓋度的空間分布圖，分析其時(shí)空變化趨勢(shì)，并與氣象資料和人類活動(dòng)進(jìn)行比較分析，通過考察植被覆蓋度與上述因素的相關(guān)性，探討植被覆蓋度的變化規(guī)律及控制因素。研究的方法流程如圖2所示。

圖2 研究方法流程圖Fig.2 Flow chart of research methods

2.2 數(shù)據(jù)處理

首先利用ENVI遙感圖像處理軟件，對(duì)每個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、歸一化、拼接、裁剪等處理，旨在減少大氣和太陽高度角變化等帶來的誤差，得到各時(shí)期岷江上游流域的遙感數(shù)據(jù)影像圖。

氣象數(shù)據(jù)中，平均降雨量、平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)及平均相對(duì)濕度等均使用當(dāng)年直接觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS軟件對(duì)研究區(qū)站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值分析，得出研究區(qū)內(nèi)平均降雨量、氣溫、年日照時(shí)數(shù)以及平均相對(duì)濕度。

2.3 像元二分法模型

像元二分法模型是利用遙感數(shù)據(jù)將地面地物信息分為植被覆蓋區(qū)域和非植被覆蓋區(qū)域[13-15]；像元二分法模型可以在一定程度上削減大氣、土壤與植被類型等因素對(duì)估算植被蓋度所產(chǎn)生的影響。指示植被生長(zhǎng)的因子有許多，如NDVI,SAVI,TSAVI等，在長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)過程中得出NDVI是指示植被生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被覆蓋情況的最佳指示因子，因此，首先計(jì)算NDVI，用公式表示為：

式中：ρNIR和ρR分別為近紅外波段和紅光波段的反射率值。

然后利用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度，該模型假設(shè)像元由植被和非植被線性混合，將植被覆蓋度定義為像元植被指數(shù)與非植被指數(shù)之間的線性差值，用公式表示為：

式中：NDVIveg是植被覆蓋下的NDVI值； NDVIsoil是非植被值，因此，NDVIsoil和NDVIveg的取值是計(jì)算植被覆蓋度的關(guān)鍵。理論上NDVIsoil應(yīng)該接近于0的固定值，但實(shí)際中NDVIveg和NDVIsoil受環(huán)境、植被類型和生長(zhǎng)狀況等因素的影響，也會(huì)隨區(qū)域的不同而有所變化。目前，NDVIsoil和NDVIveg的取值主要有3種方法：(1)根據(jù)已有研究結(jié)果取經(jīng)驗(yàn)值；(2)根據(jù)NDVI圖像中的灰度分布，取值置信區(qū)間；(3)分別取整景NDVI圖像中的最大值和最小值。本文主要針對(duì)天然植被，因此需將研究區(qū)內(nèi)的耕地、水體、建筑用地進(jìn)行掩模處理，在以往研究中得出耕地掩模的下限NDVI=0.18，水體的NDVI值為負(fù)值，建筑用地的下限NDVI=0，用該值運(yùn)算可以通過掩模計(jì)算將研究區(qū)內(nèi)耕地提取出來。結(jié)合前人研究成果和實(shí)際情況對(duì)NDVIveg和NDVIsoil進(jìn)行科學(xué)取值，不同程度的植被群落像元的NDVI范圍處于0.3～0.8之間。確定NDVI的值之后，為了將不同時(shí)期和空間位置上的植被覆蓋度更好地比較分析，且經(jīng)多方案試驗(yàn)并參考野外考察結(jié)果以及參照土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程以及《林地分類標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)分級(jí)文獻(xiàn)后，決定將其劃分為5個(gè)等級(jí)[15]：Ⅰ級(jí)，0.75～1.0，極高覆蓋度；Ⅱ級(jí)，0.6～0.75，高覆蓋度；Ⅲ級(jí)，0.4～0.6，中等覆蓋度；Ⅳ級(jí)，0.15～0.4，低覆蓋度；Ⅴ級(jí)，0～0.15，極低覆蓋度。Fc所對(duì)應(yīng)的值越大，表明植被覆蓋度越大，植被生長(zhǎng)越好。

為研究植被整體的發(fā)育和變化情況，本文還應(yīng)用一個(gè)綜合指標(biāo)“植被總量指標(biāo)”，用于表征植被面積在全區(qū)所占比例[15]，即：

式中：V為植物總量指標(biāo)；A為研究區(qū)總面積m2；R為遙感圖像空間分辨率m；Fc，i為第i個(gè)像元的植被覆蓋度；N為全區(qū)像元總數(shù)。由于Fc的相對(duì)性，V也只有相對(duì)意義，可用于不同時(shí)期植被發(fā)育整體情況的比較。

3 結(jié)果與分析

岷江上游流域在1994-2014年期間植被覆蓋度總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，特別是在2008年汶川大地震的強(qiáng)烈干擾下，下降尤為明顯。圖3為植被覆蓋度等級(jí)分類統(tǒng)計(jì)圖，研究結(jié)果著重從植被覆蓋度的數(shù)量、時(shí)空變換、影響因素3個(gè)方面進(jìn)行探討分析。分析得出，Ⅰ級(jí)植被覆蓋度下降面積達(dá)19.2%，主要向中低等級(jí)轉(zhuǎn)變，這對(duì)原本就脆弱的岷江上游流域生態(tài)環(huán)境造成不可逆向的破壞，同時(shí)威脅著長(zhǎng)江中下游的生態(tài)平衡和影響成都平原的發(fā)展。

3.1 1994-2014年岷江上游流域植被覆蓋度數(shù)量變化

表2為1994-2014年各級(jí)植被覆蓋度的面積變化情況。從表2可以看出，1994-1999年Ⅰ級(jí)植被覆蓋度的面積減少3 485.44 km2，Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)植被覆蓋度的面積分別增加1 456,367.36,271.04,1 384.32 km2(1999年數(shù)據(jù)變化波動(dòng)較大，其原因?yàn)樵阢氪ㄏ路接幸粔K積云，導(dǎo)致該年份波動(dòng)較大，但不同年份之間有波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì))；1999-2004年Ⅰ級(jí)植被覆蓋度面積增加2 441.6 km2，Ⅱ級(jí)覆蓋度和Ⅲ級(jí)覆蓋度面積分別減少1 646.4 km2，788.48 km2, Ⅳ級(jí)植被覆蓋度面積基本沒變，Ⅴ級(jí)植被覆蓋度面積增加1 413.12 km2；2004-2009年Ⅰ級(jí)植被覆蓋度面積減少560 km2，Ⅱ級(jí)植被覆蓋度、Ⅲ級(jí)植被覆蓋度和Ⅳ級(jí)植被覆蓋度面積分別增加327.04,250.88,1 184.96 km2，Ⅴ級(jí)植被覆蓋度面積減少1 247.68 km2；2009-2014年Ⅰ級(jí)植被覆蓋度面積減少4 309.76 km2，Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)植被覆蓋度面積分別增加3 053.12,739.2 km2，Ⅳ級(jí)植被覆蓋度面積減少805.36 km2，Ⅴ級(jí)植被覆蓋度面積增加1 475.36 km2。

從1994-2014年整體上看，Ⅰ級(jí)植被覆蓋度面積減少5 803.6 km2，減少比例為32.05%，Ⅱ級(jí)植被覆蓋度和Ⅲ級(jí)植被覆蓋度面積分別增加3 189.76 km2和568.96 km2，增加比例分別為150.69%和40.13%，Ⅳ植被級(jí)覆蓋度和Ⅴ級(jí)植被覆蓋度的面積也分別增加660.8 km2和1485.12 km2，增加比例分

別為122.92%和663%。據(jù)此，岷江上游流域20年間植被覆蓋度整體呈現(xiàn)向低等級(jí)轉(zhuǎn)換趨勢(shì)，植被覆蓋度逐漸降低。

3.2 植被覆蓋度時(shí)空變化

由圖3可知，1994年除在黑水縣、理縣、汶川和茂縣具有典型的干涸河谷區(qū)之外，全區(qū)的植被態(tài)勢(shì)覆蓋全面，植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)好。1999年全區(qū)植被覆蓋有明顯變化，在松潘縣以北和小娃溝、漁子溪、西河、岷江干流流域沿岸以及黑水縣西北植被覆蓋度變化明顯向低等級(jí)轉(zhuǎn)變，黑水河、孟屯溝流域干涸河谷區(qū)植被覆蓋度向高等級(jí)轉(zhuǎn)變。2004年松潘境內(nèi)、漁子溪沿岸植被覆蓋有明顯好轉(zhuǎn)，但是依然存在部分地區(qū)植被覆蓋較低，黑水、茂縣、理縣、汶川的干涸河谷區(qū)在擴(kuò)大。2009年全區(qū)植被態(tài)勢(shì)良好，全區(qū)干涸河谷區(qū)面積有明顯減少，松潘縣以北岷江流域植被態(tài)勢(shì)正在逐漸恢復(fù)，但是在汶川境內(nèi)岷江主干流的植被覆蓋度遭到嚴(yán)重破壞。2014年全區(qū)植被普遍下降，松潘縣境內(nèi)植被遭到破壞最為嚴(yán)重，黑水河、孟屯溝、雜谷腦河、漁子溪流域干涸河谷區(qū)面積驟增。

從1994-2014年植被覆蓋度圖可以得出，全區(qū)植被覆蓋度正在逐漸降低，松潘縣和黑水河、孟屯溝、雜谷腦河、漁子溪流域干旱河谷區(qū)面積在逐漸擴(kuò)大。

圖3 1994-2014年植被覆蓋度分類等級(jí)圖Fig.3 Vegetation coverage classification grade map from 1994 to 2014

覆蓋度等級(jí) 面積/km2 1994-2004年 1994年1999年2004年2009年2014年變化面積/km2變化比例/%Ⅰ級(jí)18 110.414 624.9617 066.5616 506.5612 296.8-5 803.632.05Ⅱ級(jí)2 116.83 572.81 926.42 253.445 306.563 189.76150.69Ⅲ級(jí)1 417.921 785.28996.81 247.681 986.88568.9640.13Ⅳ級(jí)537.6808.64828.82 013.761 198.4660.8122.92Ⅴ級(jí)2241 608.321 581.44333.761 709.121 485.12663

3.3 影響因素分析

岷江上游流域特有的氣候類型和自然環(huán)境以及人類社會(huì)活動(dòng)等因素造成其植被生長(zhǎng)的獨(dú)特性。降雨量和氣溫對(duì)植被的生長(zhǎng)有著重要的決定因素，1994-2014年，20年間岷江上游流域降雨量和氣溫都呈現(xiàn)一個(gè)上升趨勢(shì)，特別是在2008年汶川大地震之后降雨量和氣溫的變化波動(dòng)劇烈(圖4、圖5)，結(jié)合植被覆蓋度圖得出，植被覆蓋度的變化與當(dāng)?shù)亟涤炅亢蜌鉁爻守?fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合研究區(qū)的降雨特點(diǎn)，研究區(qū)內(nèi)降雨主要集中在夏季，大多以暴雨為主，這對(duì)研究區(qū)內(nèi)的水土流失以及對(duì)植被的生長(zhǎng)極其不利，且降雨量以暴雨的形式逐漸增加對(duì)干涸河谷的不斷沖刷及擴(kuò)大具有直接影響，對(duì)流域地區(qū)人類活動(dòng)產(chǎn)生直接影響。從圖6可知，年日照時(shí)數(shù)的增加對(duì)植被光合作用的增加有益，但是溫度的升高影響植被的光合作用，這將導(dǎo)致植被直接枯萎。從圖7可知，氣溫的升高以及日照時(shí)數(shù)的增加導(dǎo)致平均相對(duì)濕度下降，這對(duì)原本就炎熱的氣候來說，使得植被生長(zhǎng)環(huán)境更加惡劣，對(duì)土壤含水量的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用不斷加強(qiáng)，直接影響到植物從土壤中吸取營養(yǎng)物質(zhì)和植物的光合作用；氣溫的升高也使得濕潤(rùn)河床正在逐漸干涸化，影響植被的生長(zhǎng)，也是干旱河谷不斷擴(kuò)大的直接原因。由圖8可知，植物總量指標(biāo)總體上呈現(xiàn)出下降，植物總量少，直接影響植被群落的穩(wěn)定性。

由于區(qū)域內(nèi)水資源和森林資源豐富，改革發(fā)展前期對(duì)區(qū)域內(nèi)資源的不合理開發(fā)，大量砍伐樹木以換取短暫的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，導(dǎo)致植被覆蓋度降低。在改革發(fā)展中期，水資源充沛，在該流域地區(qū)建有許多大大小小的水利發(fā)電站，水電站的修建及水庫的修建和管道的鋪設(shè)都對(duì)區(qū)域環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。特別是在2008年汶川大地震的影響下，對(duì)該流域的水電站造成嚴(yán)重破壞，對(duì)該流域的發(fā)電站的水庫的維修、取水管道的再鋪設(shè)工程以及發(fā)電站的重建等對(duì)區(qū)域產(chǎn)生巨大的影響。在2008年后，人類活動(dòng)越加頻繁，自然資源的不合理開發(fā)以及保護(hù)工程實(shí)施不夠及時(shí)與完備，也是造成2008年后植被覆蓋度迅速降低的主要因素。

圖4 氣溫變化趨勢(shì)Fig.4 Trend of temperature change

圖5 降雨量趨勢(shì)Fig.5 Rainfall trend

圖6 年日照時(shí)數(shù)Fig.6 Annual sunshine hours

圖7 年平均相對(duì)濕度Fig.7 Annual average relative humidity

圖8 植物總量變化Fig.8 Total plant change

4 結(jié)論

應(yīng)用像元分解法提取岷江上游流域植被覆蓋度得出，從1994-2014年岷江上游流域植被覆蓋度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降速度為2.27，且植被覆蓋度的穩(wěn)定性也在降低。1994-2014年20年間Ⅰ級(jí)植被覆蓋度面積減少5 803.6 km2，Ⅱ級(jí)植被覆蓋度、Ⅲ級(jí)植被覆蓋度面積分別增加3 189.76 km,568.96 km2，Ⅳ級(jí)植被覆蓋度、Ⅴ級(jí)植被覆蓋度面積分別增加1 485.12，660.8 km2。不同等級(jí)植被覆蓋度相互轉(zhuǎn)換，研究區(qū)內(nèi)仍以Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)植被覆蓋為主，但是Ⅴ級(jí)面積不斷增加，且Ⅰ級(jí)植被覆蓋度在逐漸向其他等級(jí)轉(zhuǎn)換，影響區(qū)域環(huán)境生態(tài)平衡。植被覆蓋度的空間格局與變化表現(xiàn)出岷江上游流域干流和支流沿岸減少，與河流的走勢(shì)表現(xiàn)出一致性，岷江上游流域干涸河谷面積不斷增加，與研究區(qū)內(nèi)的降雨與氣溫變化以及人類頻繁活動(dòng)所造成的結(jié)果相吻合。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)岷江上游流域的植被生態(tài)的保護(hù)以及科學(xué)合理地開發(fā)和利用岷江上游流域資源，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域植被生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。