程?hào)|亞，李旭東，安 芬，應(yīng) 奎，郭曉芳，龍映豪，方冰軻

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

流域是水系集水面，是重要的自然地理單元[1]。中國(guó)西南高原山地眾多，流域廣泛分布，眾多的流域成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和自然要素變化的重要分界[2-3]。自中國(guó)政府實(shí)施退耕還林政策以來(lái)，中國(guó)西南高原山地眾多的小流域植被發(fā)生了明顯變化。探究中國(guó)西南高原山地小流域植被變化，揭示地理環(huán)境與植被變化的關(guān)系，對(duì)山區(qū)小流域資源開(kāi)發(fā)和生態(tài)保護(hù)具有重要意義，也為中小尺度退耕還林和植被保護(hù)提供理論參考。植被變化是流域資源環(huán)境變化的重要體現(xiàn)，也是地理環(huán)境差異的表征之一[4]。大流域植被變化研究中，如長(zhǎng)江流域植被變化[5]、黃河流域植被變化[6]、珠江流域植被變化[7]等，這些研究很好地闡明了流域植被變化時(shí)空特征及影響因素，為流域資源開(kāi)發(fā)管理提供了科學(xué)支撐。當(dāng)前我國(guó)學(xué)者對(duì)大中尺度流域植被研究已具有一定基礎(chǔ)。西南山區(qū)喀斯特地貌分布廣泛，石漠化問(wèn)題突出，該地理背景深刻影響著區(qū)域資源環(huán)境變化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等諸多層面[8-10]。近年來(lái)，西南石漠化高原山區(qū)生態(tài)保護(hù)治理日益受到重視，山區(qū)治理和植被恢復(fù)已成為生態(tài)恢復(fù)的重要支撐，也是山區(qū)生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵[11-12]。但當(dāng)前關(guān)于植被變化的研究中，更多揭示植被變化特征及其影響因素[13-15]，較少涉及地貌等層面植被變化研究。高原山區(qū)地貌類型復(fù)雜多樣，植被變化的地貌差異值得深入探討。研究西南地區(qū)高原山區(qū)流域特殊地貌和小流域植被變化特征，以期為西南山區(qū)小流域開(kāi)發(fā)治理提供參考，為相關(guān)研究提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑灘河位于貴州省東北部(圖1a)，流域面積約200.52 km2，屬于烏江支流，是思南縣和石阡縣境內(nèi)的重要河流。流域地勢(shì)南高北低，南部海拔約1 100 m，北部注入烏江河口海拔約400 m(圖1b)。根據(jù)中國(guó)1∶100萬(wàn)地貌類型空間分布數(shù)據(jù)，流域地貌大致劃分為中海拔丘陵、小起伏中山、小起伏低山、中起伏低山和其他地貌區(qū)5類(圖1c)。北部小起伏度低山，地形平坦，是人類活動(dòng)主要分布區(qū)；南部為中海拔丘陵和小起伏度中山，人口分布相對(duì)較少。流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，降水豐沛，氣候相對(duì)溫和；流域植被屬于亞熱帶常綠闊葉林，南部植被覆蓋相對(duì)較高，北部植被相對(duì)較少。

圖1 研究區(qū)位置、海拔和主要地貌類型Fig.1 Location, elevation and main landform types of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

Landsat序列遙感影像和DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)，選取1989—2017年(1989、1996、2002、2008、2011、2017)6期遙感影像，數(shù)據(jù)精度均為30 m。地貌數(shù)據(jù)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)中國(guó)1∶100萬(wàn)地貌類型空間分布數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為1 km。

中國(guó)1∶100萬(wàn)地貌類型空間分布原始數(shù)據(jù)來(lái)源于《中華人民共和國(guó)地貌圖集(1∶100萬(wàn))》，該數(shù)據(jù)是全面反映我國(guó)地貌宏觀規(guī)律，揭示區(qū)域地貌空間分異的國(guó)家級(jí)基本比例尺圖集，利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)研究已得到廣泛應(yīng)用，其研究成果在土地調(diào)查、區(qū)域規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等方面具有較好的應(yīng)用前景。該數(shù)據(jù)包括多種地貌類別，主要包括平原、臺(tái)地、丘陵、山地等，不同類別下劃分為若干小類別(以上資料由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)集相關(guān)介紹整理得出)。流域邊界利用相關(guān)數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，結(jié)合百度地圖、谷歌地圖、高德地圖等進(jìn)行粗略校正，故研究區(qū)流域范圍可能與實(shí)際范圍存在偏差。由于本研究重點(diǎn)探究小流域植被變化特征，流域范圍不影響研究視角與切入點(diǎn)，故此處不進(jìn)行更多探討。

1.2.2 數(shù)據(jù)選取依據(jù)

選取6期遙感影像，選取原則與依據(jù)如下：中國(guó)正式退耕還林開(kāi)始于20世紀(jì)90年代末期，受數(shù)據(jù)獲取的影響，本文選取鄰近年份(1996年)體現(xiàn)退耕還林開(kāi)始前的植被特征。20世紀(jì)80年代是中國(guó)植被覆蓋相對(duì)較差的階段，也是未實(shí)施退耕還林的時(shí)期，故本文選取1989年體現(xiàn)該時(shí)期的植被覆蓋特征。中國(guó)退耕還林大規(guī)模實(shí)施階段為21世紀(jì)初期，故選取2002年作為初期的代表階段。2008年中國(guó)西南大旱，其植被變化可能不同于其他時(shí)期，故選取該年表征特殊影響階段。2017年為近期植被覆蓋特征，由于2008—2017年時(shí)間跨度較大，中間年份難以獲取，故本文挑選2011年作為過(guò)渡年份。

1.2.3 遙感影像處理

對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，使研究結(jié)果具有對(duì)比性，處理過(guò)程如下：

1)數(shù)據(jù)下載與流域邊界校正。選取影像為云量較少，不影響研究區(qū)研究的日期，且均為植被生長(zhǎng)季(每年的5月15日至9月15日)，減少后期反演偏差。

2)影像輻射定標(biāo)。輻射定標(biāo)是進(jìn)行影像處理的重要環(huán)節(jié)，也是后期定量研究的基礎(chǔ)。輻射定標(biāo)轉(zhuǎn)換為輻射亮度數(shù)據(jù)，減少不確定性和誤差。

3)大氣校正。大氣校正有較多方法，研究采用FLASSH大氣校正，大氣校正后統(tǒng)一異常值處理。

4)計(jì)算NDVI與植被覆蓋度。大氣校正后計(jì)算NDVI，利用像元二分模型反演，后期采用ENVI、Arcgis等軟件對(duì)研究區(qū)剪裁處理。

1.2.4 植被與地貌數(shù)據(jù)處理

分時(shí)段植被覆蓋度變化中，為清晰反映不同時(shí)段變化特征，對(duì)植被覆蓋度分類統(tǒng)計(jì)。參考以往的研究，根據(jù)本文的實(shí)際情況。統(tǒng)計(jì)值依次劃分為：顯著減少(減少>20%)、輕微減少(減少>5%～20%)、基本穩(wěn)定(-5%～5%)、輕微增加(增加>5%～20%)、顯著增加(增加>20%)。

由于地貌類型數(shù)據(jù)精度相對(duì)較粗且較為宏觀，對(duì)本文來(lái)講，其數(shù)據(jù)精度有限，直接采用此數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。但該數(shù)據(jù)是以全國(guó)為尺度度量，與其他研究可對(duì)比性較強(qiáng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，故本文采用此數(shù)據(jù)的過(guò)程中需要進(jìn)行小幅度調(diào)整。很多學(xué)者基于降尺度方法解決此類問(wèn)題，但本流域范圍相對(duì)較小，故地貌數(shù)據(jù)剪裁后，柵格轉(zhuǎn)面處理，依據(jù)流域邊界調(diào)整更為科學(xué)合理。調(diào)整前后數(shù)據(jù)差異相對(duì)較小(表1、圖1c)，可滿足研究需要。地貌類型選取基于大于3%占比取值，小于此值歸為一類，大于此值單獨(dú)分類。

表1 研究區(qū)不同地貌類型處理前后比例對(duì)比Tab.1 Comparison of different landform types before and after treatment in the study area

1.3 研究方法

植被指數(shù)是反映植被變化的重要指標(biāo)，如EVI、NDVI、RVI等，這些指標(biāo)在生態(tài)保護(hù)、區(qū)域規(guī)劃、資源環(huán)境建設(shè)等方面發(fā)揮重要的價(jià)值。其中，歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized difference vegetation index)應(yīng)用較為廣泛[16-18]，NDVI計(jì)算的基本原理是利用近紅外波段和紅波段進(jìn)行計(jì)算[16-17]，公式[16-17]表達(dá)如下：

(1)

(1)式中，NDVI是歸一化植被指數(shù)，NNIR為近紅外波段，NR為紅波段。

像元二分模型估算植被覆蓋度VC(Vegetation coverage)與文獻(xiàn)[16]相同，公式[16]如下：

(2)

(2)式中，VC為植被覆蓋度，VCNDVImax為完全植被覆蓋區(qū)，VCNDVI min為裸地或無(wú)植被覆蓋區(qū)。由于學(xué)者們對(duì)最大值和最小值取值并非完全一致，本文VCNDVI min和VCNDVImax取值，下限設(shè)定為5%，上限設(shè)定為95%。

2 植被覆蓋度時(shí)空變化特征

2.1 植被覆蓋度時(shí)空變化特征

1989—2017年，黑灘河流域植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì) (圖2)。1989年流域植被覆蓋度為61.45%，2017年為67.49%，提高了6.04。植被覆蓋度最低的年份是2008年，為54.51%，2011年植被覆蓋度達(dá)到65%以上，反映出黑灘河流域植被覆蓋得到快速恢復(fù)。為便于比較，將研究時(shí)段分為1989—1996年、1996—2002年、2002—2008年、2008—2011年、2011—2017年、1989—2017年6個(gè)階段。從1989—2017年植被覆蓋度變化階段看，2個(gè)階段植被覆蓋度下降，其余階段植被覆蓋度上升(圖3)。1996—2002年、2002—2008年植被覆蓋度均為下降階段，年均下降0.07%、1.25%，其中2002—2008年下降最為劇烈，2008—2011年植被覆蓋度上升最快(11%)，年均上升3.67%。1989—2017年流域植被覆蓋度總體不斷上升，1998年之前植被覆蓋度上升可能與人口外流有關(guān)，人口外流會(huì)使部分耕地轉(zhuǎn)換為林地，促進(jìn)植被恢復(fù)。1998年后植被覆蓋度上升得益于國(guó)家退耕還林還草、封山育林等政策實(shí)施。2002—2008年流域植被覆蓋度下降可能與自然災(zāi)害相關(guān)，2008年中國(guó)西南地區(qū)大范圍旱災(zāi)可能是導(dǎo)致流域植被覆蓋度急劇下降的重要原因。

黑灘河流域植被覆蓋度總體呈南高北低的空間特征(圖3)。1989年植被覆蓋度最高區(qū)域位于流域西部，達(dá)到60%以上。1996年流域南部植被覆蓋度明顯提高，大部分區(qū)域植被覆蓋度達(dá)到60%以上，流域北部區(qū)域植被覆蓋度總體較低。2002年植被覆蓋度與1996年空間趨勢(shì)基本一致，未發(fā)生明顯變化。2008年流域植被覆蓋度下降明顯，流域北部區(qū)域植被覆蓋度多在40%以下，南部區(qū)域植被覆蓋度在50%～70%左右。2011年和2017年植被覆蓋度明顯提升，2011年植被覆蓋度最高區(qū)主要位于流域中南部，中部提升明顯；2017年中部植被覆蓋度已達(dá)60%以上，并呈繼續(xù)上升趨勢(shì)。流域植被覆蓋度北低南高，這與人口活動(dòng)密切相關(guān)。北部地形平坦，人口稠密，人類活動(dòng)對(duì)植被影響較大，流域植被覆蓋度相對(duì)較低；南部地形起伏大，坡度較大，人口相對(duì)較少，對(duì)植被恢復(fù)有利，植被覆蓋度相對(duì)較高。1989年，流域南部山區(qū)植被覆蓋度相對(duì)較低，可能由于在20世紀(jì)80至90年代退耕還林并未大規(guī)模實(shí)施有關(guān)。

圖2 1989—2017年黑灘河流域植被覆蓋度時(shí)間變化特征Fig.2 Vegetation coverage time characteristics of Heitan river basin during 1989—2017

圖3 1989—2017年黑灘河流域植被覆蓋度空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of vegetation coverage of Heitan river basin during 1989—2017

2.2 植被覆蓋度各時(shí)段特征

黑灘河流域各時(shí)段植被覆蓋度占比變化不一致(表2)。1989—2017年植被覆蓋度呈顯著減少類型，占比大致呈現(xiàn)倒V型變化趨勢(shì)，2002—2008年占比最高達(dá)30%以上。1989—2017年植被覆蓋度呈輕微減少類型，占比總體處于逐漸減少趨勢(shì)，植被覆蓋度年均變化占比2008—2011年最高。1989—2017年植被覆蓋度基本穩(wěn)定類型變化不一致，2002—2008年占比最低。2008—2011年流域植被覆蓋度顯著增加類型和輕微增加類型明顯提高，屬整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)最高階段。2002—2008年植被覆蓋度顯著減少類型占比最高，表明該階段植被退化嚴(yán)重，該階段植被覆蓋下降可能與2008年旱災(zāi)關(guān)系密切。2008—2011年顯著增加類型和輕微增加類型占比最高，該階段植被覆蓋度恢復(fù)較快。2008年西南大旱，旱災(zāi)可能是導(dǎo)致植被覆蓋下降劇烈的重要原因。

1989—2017年黑灘河流域各時(shí)段植被覆蓋度空間差異顯著(圖4)。1989—1996年流域植被覆蓋度顯著增加位于南部及偏東部，西部和中部基本穩(wěn)定或輕微減少，北部則呈下降趨勢(shì)。1996—2002年植被覆蓋度在北部輕微增加，南部植被覆蓋度變化不大，局部區(qū)域微小下降；2002—2008年流域植被覆蓋度下降明顯，尤其是北部地區(qū)，流域南部偏西區(qū)域植被覆蓋度增加明顯，但范圍較??；2008—2011年流域植被覆蓋度顯著上升，主要位于中北部；2011—2017年流域植被覆蓋度變化不大，處于基本不變和微小上升趨勢(shì)。從1989—2017年流域總體植被覆蓋度變化特征看，南部和東北部區(qū)域植被上升明顯，中北部區(qū)域植被微小上升，北部區(qū)域植被呈下降趨勢(shì)。該地區(qū)北部人口稠密，南部人口稀疏，人口多容易導(dǎo)致植被破壞，特別是近年來(lái)城鎮(zhèn)化加快推進(jìn)，不可避免占用部分林地和草地，影響植被恢復(fù)。

表2 1989—2017年黑灘河流域植被覆蓋度各時(shí)段變化類型占比Tab.2 Staged variation characteristics of vegetation coverage of Heitan river basin during 1989—2017

圖4 1989—2017年黑灘河流域植被覆蓋度各時(shí)段空間變化特征Fig.4 Spatial variation characteristics of vegetation coverage in Heitan river basin during 1989—2017

2.3 不同地貌植被覆蓋度時(shí)間變化特征

1989—2017年黑灘河流域不同地貌區(qū)植被覆蓋度差異較大，中海拔丘陵、小起伏低山和其他地貌區(qū)植被覆蓋度總體先下降后上升(圖5)。小起伏中山植被覆蓋度總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)；中海拔丘陵區(qū)植被覆蓋度在2002年最低，1989年最高，中海拔丘陵主要分布在流域南部，2002年南部植被覆蓋度最低，此原因尚且不明；小起伏低山植被覆蓋度最低，均在60%左右；小起伏中山植被覆蓋度總體上升，2017年已達(dá)75%左右，這種變化主要得益于退耕還林還草工程實(shí)施；中起伏低山和其他地貌植被覆蓋度總體上升，2008年存在一個(gè)獨(dú)特變化。2008年不同地貌植被覆蓋度多表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，2008年西南大旱，說(shuō)明旱災(zāi)嚴(yán)重影響植被生長(zhǎng)。1989—2017年中海拔丘陵植被覆蓋度始終處于最高和較高水平(表3)，小起伏度低山植被覆蓋度始終處于較低水平，僅1989年排名略高。1989—2017年小起伏低山植被覆蓋度改善最明顯，1996年后植被覆蓋度維持較高水平。中起伏度低山植被覆蓋度排名波動(dòng)大，其他地貌植被覆蓋基本穩(wěn)定。中海拔丘陵植被覆蓋度最高，主要是南部高海拔區(qū)，人口較少，植被覆蓋度屬較高水平。小起伏低山主要位于中北部，人口密集是植被覆蓋較低的關(guān)鍵原因。

2.4 不同地貌植被覆蓋度時(shí)段變化特征

1989—2017年，黑灘河流域不同地貌區(qū)各時(shí)段植被覆蓋度變化情況見(jiàn)表4。1989—2017年，流域中海拔丘陵區(qū)植被覆蓋度總體呈下降態(tài)勢(shì)，只在2002—2008年、2008—2011年植被覆蓋度上升，但上升幅度不大；流域小起伏低山區(qū)植被覆蓋度總體呈上升態(tài)勢(shì)，上升幅度不大，只增加了0.07%，期間上升速度各階段不一致，其中2008—2011年上升幅度最大這種變化趨勢(shì)與整體植被改善有關(guān)；小起伏中山區(qū)植被覆蓋度處于上升趨勢(shì)，主要在流域南部，但在2002—2008年植被覆蓋度下降，這與氣象災(zāi)害相關(guān)；中起伏低山和其他地貌區(qū)植被覆蓋度在2008—2011年上升最顯著。從總體來(lái)看，1989—2017年中海拔丘陵區(qū)植被覆蓋度下降較多，其他地貌植被覆蓋度總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。

圖5 1989—2017年黑灘河流域不同地貌植被覆蓋度時(shí)間變化特征Fig.5 Time characteristics of different landforms vegetation coverage in Heitan river basin during 1989—2017

表3 1989—2017年黑灘河流域不同地貌植被覆蓋度排名及其變化
Tab.3 Ranking of different landforms vegetation coverage in Heitan river basin during 1989—2017

地貌類型區(qū)年份排名變化198919962002200820112017階段排名變化(年)1989—19961996—20022002—20082008—20112011—20171989—2017中海拔丘陵111121---1-1-小起伏低山4555551----1小起伏中山522232-3--1-1-3中起伏低山2334141- 1-3 32其他地貌區(qū)3443431--11-1-

表4 1989—2017年黑灘河流域不同地貌植被覆蓋度時(shí)段變化特征Tab.4 Variation characteristics of vegetation coverage during different landforms in Heitan river basin during 1989—2017

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié)論

利用1989—2017年貴州省黑灘河小流域近30年的遙感影像，探究流域植被覆蓋度時(shí)空變化特征及影響因素，研究結(jié)果表明：

1)1989—2017年黑灘河流域植被覆蓋度由61.45%上升到67.49%，2011年后植被覆蓋度上升最為明顯；2)1989—2017年黑灘河流域植被覆蓋度總體南高北低,其中1989—1996年、1989—2017年南部植被覆蓋度上升相對(duì)較多；3)1989—2017年黑灘河流域中海拔丘陵區(qū)植被覆蓋度較高，小起伏低山區(qū)植被覆蓋度較低，小起伏中山區(qū)植被覆蓋度上升最明顯。

基于西南小流域探究植被覆蓋度時(shí)空變化特征，分析不同地貌類型植被變化，其變化具有一定規(guī)律性。1989—2017年流域植被覆蓋度總體上升，但在2008年屬最低異常變化特征，這是因?yàn)槲髂洗蠛祰?yán)重影響植被生長(zhǎng)，導(dǎo)致植被覆蓋度降低。2011年后植被覆蓋上升較快，植被恢復(fù)明顯。2011年后退耕還林與生態(tài)保護(hù)受到高度重視，有利于植被恢復(fù)。流域南部人口較少，人類活動(dòng)對(duì)植被破壞相對(duì)較小，植被恢復(fù)較快；北部人口稠密，近年來(lái)城鎮(zhèn)化發(fā)展，城鎮(zhèn)建設(shè)與交通建設(shè)加快推進(jìn)，不可避免占用部分林地和草地，植被恢復(fù)較慢。1989—2017年流域不同地貌植被覆蓋改善程度并不一致，植被覆蓋改善方式與地形、人類活動(dòng)密切相關(guān)。流域地勢(shì)南高北低，南部多小起伏中山和中海拔丘陵，植被覆蓋度相對(duì)較高，并一直呈較高趨勢(shì)；北部相對(duì)平坦，地形屬于小起伏低山地形區(qū)，有利于人類活動(dòng)，居民點(diǎn)密集，人口分布較多，植被易受到破壞，盡管近年來(lái)植被覆蓋上升，但流域北部區(qū)域植被改善有限。

3.2 討論

研究時(shí)段內(nèi)，黑灘河流域植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)。研究認(rèn)為這與中國(guó)政府實(shí)施退耕還林對(duì)植被恢復(fù)具有較為明顯的作用，與其他學(xué)者研究結(jié)果基本一致。如許玉鳳等[19]研究認(rèn)為貴州省近年來(lái)植被總體處于恢復(fù)改善趨勢(shì)，不同生態(tài)恢復(fù)工程植被恢復(fù)效果具有差異；王永峰等[20]對(duì)廣西植被研究亦表明其植被也處于改善趨勢(shì)。在西南山區(qū)流域植被變化研究中，不同流域雖表現(xiàn)為不同的植被恢復(fù)過(guò)程，但其變化趨勢(shì)總體改善。這與蘇俊磊等[21]對(duì)西江流域的植被變化研究，程?hào)|亞等[16]對(duì)石阡河流域植被變化的研究，石悅樾等[22]對(duì)烏江流域變化的研究都基本一致。

測(cè)度1989—2017年小流域植被變化特征，其結(jié)果能反映植被好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，也能反映不同地貌植被變化特征?；诓煌孛仓脖蛔兓芯浚饔虻孛差愋碗m多樣，但很多地貌類型占比少，歸納為其他地貌區(qū)進(jìn)行分析，導(dǎo)致整體地貌類型偏少，也是本文的不足。因此，文章仍有一些問(wèn)題值得進(jìn)一步分析：一是近30年西南小流域植被覆蓋變化的時(shí)間序列特征；二是需要選擇更多地貌類型探究小流域植被覆蓋差異。