朱洪琴,王敬文,許彥紅,期俊程,羅 航,彭澤喜

(1.西南林業(yè)大學(xué),昆明 650224；2.玉溪市林業(yè)和草原局,云南 玉溪 653100)

林分植被覆蓋度在很大程度上反映了林分生態(tài)系統(tǒng)的健康情況。植被覆蓋的時空變化是林分生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展方向的判斷依據(jù),因此,對林分植被覆蓋良性變化及惡性變化的驅(qū)動力進(jìn)行多因素分析,可以很好地為林地生態(tài)環(huán)境保護(hù)及政策優(yōu)化提供理論依據(jù),對林業(yè)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有一定借鑒意義。植被覆蓋的變化是人與自然相互作用的反映,遙感技術(shù)的不斷發(fā)展,為更快捷便利地監(jiān)測地區(qū)的植被覆蓋變化分析提供了可能,也有利于進(jìn)一步探究造成這些變化的各因素之間的相互作用。

遙感數(shù)據(jù)在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于植被覆蓋研究領(lǐng)域,一部分學(xué)者利用NDVI數(shù)據(jù)和利用像元二分法對NDVI進(jìn)行處理,得到植被覆蓋數(shù)據(jù),對植被覆蓋的時空變化格局進(jìn)行分析,如,綜合使用NDVI時間序列影像及相關(guān)統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)和單因素方差分析法[1]、一元線性回歸[2]、混合像元分解模型[3-6]、實地調(diào)查分析[7]、趨勢分析法[8-9],以及采用趨勢分析和疊加分析、顯著性檢驗和格網(wǎng)計算等方法對植被覆蓋變化趨勢、植被覆蓋退化的空間格局及其影響因素進(jìn)行分析[10-13]；劉虎等[14]基于遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Ecology Index,RSEI)分析了研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況及其時空變化特征；馬偉波等[15]利用地形位置指數(shù)和坡度位置指數(shù)方法研究赤水河流域植被生長季NDVI時空變化及地形分異特征。還有的通過引入信息熵分析草地生態(tài)系統(tǒng)時空變化趨勢[16]，也有學(xué)者運用EVI數(shù)據(jù)分析草原退化時空格局,如,韋惠蘭等[17]基于MODIS-EVI數(shù)據(jù)及社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)反演了瑪曲草原退化的時空格局。據(jù)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),MODIS EVI是對NDVI的發(fā)展和延續(xù),它從植被指數(shù)計算公式和合成方法兩方面做了改進(jìn),運用MODIS EVI數(shù)據(jù)對植被覆蓋的時空變化進(jìn)行分析比NDVI數(shù)據(jù)更具實際意義[18-19]。

目前的研究大多以植被覆蓋退化為研究分析對象,并未對植被的良性發(fā)展進(jìn)行對應(yīng)分析,也并未對兩者之間存在的差異進(jìn)行進(jìn)一步討論,所以通過對植被覆蓋的時空變化研究,進(jìn)一步分析造成變化的驅(qū)動因子是十分必要的,特別是現(xiàn)有研究很少考慮到微地形因子產(chǎn)生的微氣候條件對植被覆蓋的影響,所以本次研究可為林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供更有力和更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

玉溪市位于云南省中部,地處滇中腹地,北鄰省會昆明市,東南與紅河哈尼族彝族自治州接壤,南與普洱市相連,西與楚雄彝族自治州毗鄰。地理坐標(biāo)處于北緯23°19′～24°53′、東經(jīng)101°16′～103°09′之間。目前,全市土地總面積為1 496 708.0hm2,林地面積為1 088 595.9hm2,公益林面積占林業(yè)用地的52.46%,玉溪市公益林既有力地支撐了綠色生態(tài)安全屏障建設(shè)和生物多樣性保護(hù),又為林產(chǎn)業(yè)發(fā)展留下了足夠的空間。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

研究采用的數(shù)據(jù)主要有:2010—2019年每16天一期的MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)增強植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index—EVI)(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)和30m DEM(http://www.gscloud.cn/sources),以及玉溪市林草局提供的國家級、省級公益林?jǐn)?shù)據(jù)和最新“二調(diào)”數(shù)據(jù),包含大型水體、村級以上居民點、鄉(xiāng)級以上道路矢量數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

先將收集的230幅EVI數(shù)據(jù),利用MODIS處理工具M(jìn)RT(MODIS Reprojection Tool)和ENVI軟件,經(jīng)幾何精糾正、輻射校正、大氣校正等預(yù)處理,并采用最大值合成法[20](Maximum Value Composite,MVC)得到每年的最大EVI數(shù)據(jù)。而后利用ArcGIS軟件結(jié)合自編代碼將所有數(shù)據(jù)批量裁剪得出研究區(qū)范圍,利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度、坡向提取和通過鄰域計算,窗口逐一設(shè)置為2,3,…,49km試驗,利用均值變點法[21]選擇最佳窗口為18km,計算得出地形起伏度[22]。城市化過程中,大量人為活動對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了極大影響,明顯表現(xiàn)在植被覆蓋的變化[23]。因此,將大型水體、居民點、道路、公益林界依次計算成本距離,并對人為活動量化。

2.3 植被覆蓋變化分析

研究采用普通最小二乘法(Ordinary Least Squares)建立一元線性回歸模型[3],用斜率表示10年間EVI數(shù)據(jù)在每個像元上的變化趨勢,斜率計算如式(1)所示。

(1)

對每個像元的斜率進(jìn)行T檢驗[24],顯著性水平代表斜率變化可置信程度的高低,計算如式(2)、(3)。研究選用雙側(cè)檢驗,選用α=0.05的統(tǒng)計顯著水平,剔除結(jié)果不顯著數(shù)據(jù)。

(2)

(3)

3 結(jié)果和結(jié)論

3.1 變化特征

趨勢線分析法是對一組隨時間變化的變量進(jìn)行回歸分析,判斷其變化的趨勢。植被覆蓋時空格局和變化圖(圖1)揭示了玉溪市2010—2019年植被覆蓋隨時間變化的情況。圖中表明,玉溪市大部分地區(qū)在這10年內(nèi),植被覆蓋有向好趨勢,改善較為明顯的區(qū)域主要在北部,特別是易門、峨山,退化區(qū)主要分布在西南部的新平和元江,但大部分為輕微退化。

圖1 玉溪市林分植被覆蓋時空變化圖

為更好地說明整體變化情況,特建立2010—2019年EVI變化轉(zhuǎn)移矩陣(表1),列名為2010年EVI,行名為2019年EVI,如第2行第3列即2010年EVI2級變?yōu)?019年3級的面積占比,EVI等級取值范圍詳如表注所述?？梢缘贸?EVI由2010年轉(zhuǎn)移到2019年變小部分占總體29.05%,其中EVI變小后值依然保持在0.5以上部分占71.57%。從表2可以看出,植被覆蓋變化情況明顯改善的面積占比約為10.44%；輕微改善占50.36%；基本不變約為0.07%；輕微退化約為30.45%；嚴(yán)重退化占8.68%。

表1 玉溪市2010—2019年EVI變化轉(zhuǎn)移矩陣

表2 玉溪市林分植被覆蓋變化情況表

3.2 驅(qū)動力分析

將退化面積和改善面積兩者分別與人為(道路、居民區(qū)、公益林管護(hù)、大型水體)和自然(DEM、坡向、坡度、地形起伏度)因素建模,將各變量按照分級與植被覆蓋變化趨勢在該區(qū)間的平均值進(jìn)行曲線擬合選出最佳曲線進(jìn)行分析。圖2是各變量的處理結(jié)果。

3.2.1公益林管護(hù)區(qū)

在生態(tài)環(huán)境問題日益顯著的背景下,世界各國都響應(yīng)了不同生態(tài)補償政策,我國實施了一系列的生態(tài)保護(hù)工程,如,天然林保護(hù)、退耕還林還草和山水林田湖草系統(tǒng)性生態(tài)保護(hù)修復(fù)等工程[25-26]。生態(tài)公益林在一定程度上維護(hù)和改善了生態(tài)環(huán)境,保持了生態(tài)平衡,保護(hù)了生物多樣性,滿足了人類社會的生態(tài)、社會需求和可持續(xù)發(fā)展等方面的需求。研究以公益林管護(hù)區(qū)做成本距離分析,以此對公益林管護(hù)進(jìn)行量化分析,將量化值按自然間斷點分級法(Jenks)分為10級。

經(jīng)曲線擬合,對改善部分而言,公益林管護(hù)區(qū)擬合結(jié)果R2最大為0.954 7,由圖3(a)可得,在成本距離為100以內(nèi),隨著距離增加,其改善速度也略有上升,但超過這個距離,其改善速度開始下降。對退化部分而言如圖3(b),最大R2為0.943 5,距離在100以內(nèi),退化速度略有降低,在此之外,退化速度明顯增快。結(jié)果表明,在公益林有效管護(hù)范圍內(nèi),植被覆蓋改善速度逐漸增快,退化速度放緩,反映出公益林管護(hù)對植被覆蓋改善有明顯作用。

3.2.2地形起伏度

地形起伏度能描述地貌隆起、切割程度,對水土的流失與積聚都有影響,可直接或間接地影響植物的生長和分布[22]。根據(jù)其值的分布情況,按自然間斷點分級法(Jenks)分為10級。

圖2 各變量圖

圖3 斜率與公益林成本距離擬合關(guān)系

經(jīng)曲線擬合,對改善部分而言,擬合最大R2為0.995 4,由圖4(a)可得,地形起伏度為150m范圍內(nèi),植被覆蓋改善速度逐漸增強,150～500m以內(nèi),隨著地形起伏度增加植被覆蓋改善速度逐漸降低,超過500m后又逐漸增高；對退化部分而言,擬合最大R2為0.944 3,如圖4(b),隨著地形起伏度的增加,植被覆蓋退化速度越低。

對處于地形起伏度小的林分,人們有意識保護(hù)植被,所以植被覆蓋改善較快,在起伏度為150～500m范圍內(nèi),人為活動較為密集,故改善速度逐漸降低。在地形起伏度大的地方,基本沒有人為活動,故植被覆蓋改善較快。

3.2.3大型水體

玉溪市大型水體主要分布在澄江、江川和通海,有撫仙湖、星云湖、杞麓湖等大型水域及各地水庫江河面域。大型水域周邊的林分處于重要的生態(tài)地位,政府對大型水域周邊的林分進(jìn)行管護(hù)。研究依據(jù)玉溪市大型水體的分布進(jìn)行成本距離分析,以簡單量化實施管護(hù)政策的影響,按自然間斷點分級法(Jenks)分為10級。

經(jīng)曲線擬合,對改善部分而言,擬合最大R2為0.926 7,由圖5(a)可得,在成本距離為200以內(nèi),隨著距離增加植被覆蓋改善速度逐漸增高,超過200后,逐漸降低；對退化部分而言,擬合最大R2為0.868 6,如圖5(b),在距離為150以內(nèi),隨著距離的改善,植被覆蓋退化速度增快,在距離為150以外,退化速度逐漸降低。

大型水體周邊的管護(hù),在有效保護(hù)范圍內(nèi)植被覆蓋改善較快,但超過有效范圍之后植被覆蓋改善速度就大幅度降低,有可能是一定范圍內(nèi)的非管護(hù)地區(qū)水肥條件優(yōu)渥,有農(nóng)田或耕地對其造成一定的影響。

圖4 斜率與地形起伏度擬合關(guān)系

圖5 斜率與大型水體成本距離擬合關(guān)系

3.2.4DEM

海拔不同其水分、溫度、濕度條件不同,也就有著不同的森林植被,所以林分植被覆蓋會因海拔不同而呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。根據(jù)值的分布情況,按自然間斷點分級法(Jenks)分為20級。

經(jīng)曲線擬合,對改善部分而言,擬合最大R2為0.878 2,由圖6(a)可得,在DEM為2 000m以內(nèi),隨著DEM增加植被覆蓋改善速度逐漸增加,超過2 000m后,逐漸降低；對退化部分而言,擬合最大R2為0.897 6,如圖6(b),隨著DEM的增加,植被覆蓋退化速度增加。

以2 000m為節(jié)點,超過之后隨DEM的不斷升高,植被改善速度降低,退化速度增加,這是因為海拔越高,生長環(huán)境越惡劣。

3.2.5坡向

不同的坡向其光照條件不同,陰坡陽坡的生長條件就會存在差異,植被覆蓋在陰坡陽坡的趨勢就會不同。根據(jù)值的分布情況,按自然間斷點分級法(Jenks)分為20級。

經(jīng)曲線擬合,對改善部分而言,擬合最大R2為0.605 3,由圖7(a)可得,在坡向為陰坡(0°～112.5°,292.5°～360°),植被覆蓋改善速度逐漸增加,在陽坡(112.5°～292.5°),逐漸降低；對退化部分而言,擬合最大R2為0.891 9,如圖7(b),在陰坡,植被覆蓋退化速度降低,在陽坡,植被覆蓋退化速度逐漸改善?？赡苁怯捎陉庩柶鹿庹蘸退值纫蛩匾鸬牟町?。

圖6 斜率與DEM擬合關(guān)系

圖7 斜率與坡向擬合關(guān)系

3.2.6坡度

依據(jù)國際地理學(xué)聯(lián)合會地貌調(diào)查與地貌制圖委員會關(guān)于地貌詳圖應(yīng)用的坡地分類來劃分坡度等級,規(guī)定:0°～0.5°為平原,0.5°～2°為微斜坡,2°～5°為緩斜坡,5°～15°為斜坡,15°～35°為陡坡,35°～55°為峭坡,55°～90°為垂直壁。

坡度是限制人類活動比較明顯的因素,坡度較大的地域,往往不利于人們開墾作業(yè),活動不便,所以人為活動較少,但坡度較大就會影響植被對水分和營養(yǎng)的保存,所以坡度對于植被覆蓋的趨勢具有兩面性。根據(jù)值的分布情況,按自然間斷點分級法(Jenks)分為20級。

經(jīng)曲線擬合,對改善部分而言,擬合最大R2為0.939 4,由圖8(a)可得,在坡度為35°以內(nèi),即陡坡以下植被覆蓋改善速度隨坡度增加逐漸降低,在35°以外,即陡坡以上改善速度明顯降低；對退化部分而言,擬合最大R2為0.947 6,如圖8(b),當(dāng)坡度小于35°時,植被覆蓋退化速度逐漸降低,大于35°時,退化速度明顯降低。

3.2.7居民區(qū)

居民區(qū)能直接反應(yīng)人為活動和城市化進(jìn)程,對植被覆蓋的變化有著很重要的研究價值。研究對村以上居民區(qū)進(jìn)行成本距離分析,對居民人為活動影響簡單量化,按自然間斷點分級法(Jenks)分為10級。

經(jīng)曲線擬合,對改善部分而言,擬合最大R2為0.946 9,由圖9(a)可得,在成本距離為150以內(nèi),植被覆蓋改善速度逐漸降低,在距離150以外,改善速度逐漸升高；對退化部分而言,擬合最大R2為0.892 3,如圖9(b),隨著距離逐漸增大,植被覆蓋退化速度逐漸增強。在居民點周圍的林分,人們有意識地進(jìn)行保護(hù),所以植被覆蓋改善較快；在居民區(qū)周邊的一定成本距離內(nèi),會存在一些放牧和采伐現(xiàn)象,所以呈現(xiàn)出植被改善減緩的情況；在距離更遠(yuǎn)的區(qū)域,人為活動較少,故而植被覆蓋改善會較快。

圖8 斜率與坡度擬合關(guān)系

圖9 斜率與居民區(qū)成本距離擬合關(guān)系

3.2.8道路

道路是一項基本民生工程,也是城市化進(jìn)程的一個縮影。近年來,玉溪市道路發(fā)展迅速,生態(tài)環(huán)境對其影響的反饋結(jié)果也值得探究,為模擬道路修建、運輸?shù)葘χ脖桓采w的影響并對其進(jìn)行簡單量化,將道路進(jìn)行成本距離分析。根據(jù)值的分布情況,按自然間斷點分級法(Jenks)分為10級。

經(jīng)曲線擬合,對改善部分而言,擬合最大R2為0.934 3,由圖10(a)可得,在成本距離為100以內(nèi),植被覆蓋改善速度逐漸升高,在距離100以外,改善速度逐漸降低；對退化部分而言,擬合最大R2為0.940 0,如圖10(b),在成本距離為100以內(nèi),植被覆蓋退化速度明顯改善；在距離100以外,退化速度逐漸改善。在鄉(xiāng)級以上道路周邊,尤其是高速公路周邊進(jìn)行綠化一直備受關(guān)注,所以道路周邊的植被覆蓋改善速度會有所增長。與道路的邊帶綠化相比而言,離道路一定距離的林分增長速度就不及人們重點管護(hù)的地區(qū),故而植被覆蓋改善放緩,但到了人為影響較少區(qū)域,植被覆蓋改善的速度又會增長,退化速度減緩。

圖10 斜率與道路成本距離擬合關(guān)系

3.3 綜合分析

經(jīng)單因素分析后,以它們之間的關(guān)系進(jìn)行變量處理,而后隨機篩選出30 000個隨機點進(jìn)行逐步回歸建模。

對改善部分而言,從表3中可以看出,模型的R2為0.364,模型經(jīng)7次逐步回歸發(fā)現(xiàn),8個原始變量,7個保留,地形起伏度被剔除。常數(shù)和各變量都通過T檢驗,方差膨脹因子均較小,沒有多重共線性。由表4系數(shù)可以看出,道路和居民區(qū)與植被覆蓋改善速度呈負(fù)相關(guān),DEM、坡度、坡向、大型水體、公益林管護(hù)區(qū)與植被覆蓋改善速度呈正相關(guān)；對植被覆蓋改善速度影響大小依次是:坡度、DEM、公益林管護(hù)區(qū)、道路、居民區(qū)、大型水體、坡向。

對退化部分而言,從表5中可以看出,模型的R2為0.336,模型經(jīng)7次逐步回歸后,8個原始變量,7個保留,坡向被剔除。各變量都通過T檢驗,方差膨脹因子均較小,沒有多重共線性。由表6系數(shù)可以看出,道路和居民區(qū)與植被覆蓋退化速度呈正相關(guān),DEM、坡度、地形起伏度、大型水體、公益林管護(hù)區(qū)與之呈負(fù)相關(guān)；對植被覆蓋退化速度影響大小依次是:居民區(qū)、地形起伏度、坡度、DEM、公益林管護(hù)、道路、大型水體。

表3 模型摘要表

表4 系數(shù)表

表5 模型摘要表

表6 系數(shù)表

據(jù)兩個系數(shù)表,可得出就植被覆蓋改善部分的模型如式(4)所示,就植被覆蓋退化部分模型如式(5)所示。

y1=1.95×10-4+1.05×10-9x12+2.48×10-6x22+1.67×10-13x34-6.38×10-10x43+9.53×10-11x53+6.48×10-10x63-3.50×10-10x73

(4)

y2=1.43×10-5-9.83×10-10x12-2.25×10-7x22+4.11×10-10x43-1.16×10-10x53-6.10×10-10x63+4.73×10-4ln(x7)-4.82×10-5ln(x8)

(5)

式中:y1為改善區(qū)斜率；y2為退化區(qū)斜率；x1—x8依次為DEM、坡度、坡向、道路、大型水體、公益林管護(hù)區(qū)、居民區(qū)、地形起伏度。

4 結(jié)論與討論

此次研究對植被覆蓋的改善和退化分別進(jìn)行了驅(qū)動力分析,結(jié)果表明，改善與退化的驅(qū)動力不盡相同,影響機制也存在差異,這為更好制定生態(tài)保護(hù)相關(guān)政策提供了有力的科學(xué)依據(jù)。道路和居民區(qū)的發(fā)展對植被覆蓋退化有很大的影響,在發(fā)展經(jīng)濟的過程中,要充分考慮對生態(tài)環(huán)境造成的影響。

公益林管護(hù)和大型水體對植被覆蓋改善有推動作用,玉溪市在生態(tài)文明建設(shè)過程中,應(yīng)多加強生態(tài)公益林建設(shè)和水源區(qū)周邊的生態(tài)管護(hù),特別是植被覆蓋出現(xiàn)退化趨勢區(qū)域,爭取提高植被覆蓋質(zhì)量和生態(tài)效率,加大宣傳力度,鼓勵公眾積極參與并踐行國家各項生態(tài)政策,為云南建設(shè)成為全國生態(tài)文明建設(shè)排頭兵助力。

本文研究結(jié)果與宋春橋等[8]的研究結(jié)果一致,而與周婷等[13]的研究結(jié)果有些許不同,其中有中心城鎮(zhèn)距離的結(jié)果與此次研究不一致,可能是選取的樣本存在差異、城市發(fā)展水平不同導(dǎo)致的。本次研究因數(shù)據(jù)原因未能對玉溪市土地利用轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行研究,但對居民點及道路進(jìn)行的研究也能解釋城市化對它的影響。研究選取的影響因素并不能完全覆蓋整個影響面,但這幾個因素也具有很好的代表性。