張 靜 朱夢(mèng)娜 宋佳佳 宋辛辛* 王譽(yù)璐

(鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院,河南 鄭州450044)

1 概述

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一部分,是生態(tài)系統(tǒng)變化的指示器[1]。在土壤侵蝕、水文、養(yǎng)分流失等地表物質(zhì)遷移過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,它通常用于研究植被與地表物質(zhì)遷移的關(guān)系,以表征植被覆蓋空間分布的復(fù)雜性、覆蓋度及變化特征,同時(shí)也是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中植被覆蓋度是衡量植物群落覆蓋地表狀況和生態(tài)環(huán)境狀況的一個(gè)綜合量化指標(biāo)[2-4],該指標(biāo)在水文、氣象、生態(tài)等方面或全球性的研究中起著越來(lái)越重要的作用[5,6]。獲取區(qū)域地表植被覆蓋狀態(tài),對(duì)于揭示地表植被變化及植被動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),分析、評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

精確測(cè)算植被覆蓋度對(duì)了解區(qū)域環(huán)境狀況非常重要,但傳統(tǒng)的基于地面樣方的植被覆蓋度估算方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力、且精度不高,已無(wú)法適應(yīng)和滿(mǎn)足區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需要。遙感等信息技術(shù)的發(fā)展,特別是對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展和高分辨率商業(yè)衛(wèi)星的投入使用,為研究區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境提供了新的技術(shù)手段,利用多波段、多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)植被覆蓋狀況已成為國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

植被覆蓋度的研究方法有地表實(shí)測(cè)法和遙感檢測(cè)法。地表實(shí)測(cè)法通常作為一種較小范圍內(nèi)植被覆蓋度監(jiān)測(cè)和較大范圍內(nèi)植被覆蓋度檢測(cè)的遙感監(jiān)測(cè)輔助手段,并為遙感監(jiān)測(cè)提供相關(guān)數(shù)據(jù),其中包括目估法[7]、采樣法[8]、儀器法、模型法等；在大、中尺度的區(qū)域研究中,遙感方法是監(jiān)測(cè)全球和區(qū)域植被變化的有效手段,利用遙感數(shù)據(jù)與方法分析植被的覆蓋變化具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1],遙感監(jiān)測(cè)是通過(guò)不同衛(wèi)星多時(shí)段、多波段對(duì)地觀測(cè),為研究植被覆蓋度創(chuàng)造條件,常用方法有回歸模型法[9]、植被指數(shù)法[10]和像元分解模型法[11]等。其中,武娜[1]等人在植被遙感監(jiān)測(cè)研究中指出：利用遙感進(jìn)行植被監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)中,以歸一化植被指數(shù)應(yīng)用最廣泛,它能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化,且NDVI 能夠精確地反映植被綠度、光合作用強(qiáng)變,反映植被代謝強(qiáng)度及其季節(jié)和年際變化。

黃河小浪底水利樞紐工程是黃河干流三門(mén)峽以下唯一能夠取得較大庫(kù)容的控制性工程,為國(guó)家“八五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。小浪底水庫(kù)的建設(shè)、建成與投入使用對(duì)周邊植被的演替和恢復(fù)帶來(lái)一系列的顯著影響。本文基于地理信息系統(tǒng)平臺(tái),利用多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù),根據(jù)歸一化植被指數(shù)定量分析小浪底水庫(kù)運(yùn)行前后庫(kù)區(qū)植被覆蓋度時(shí)空分布變化,以期了解小浪底水庫(kù)的運(yùn)行對(duì)當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w影響狀況及存在的問(wèn)題,并由此提出應(yīng)對(duì)措施。

2 研究區(qū)概況

小浪底工程位于河南省洛陽(yáng)市孟津縣與濟(jì)源市之間,1991年4 月動(dòng)工興建,主體工程于1994 年9 月12 日正式開(kāi)工,1997年10 月28 日小浪底工程順利實(shí)現(xiàn)大河截流。2000 年11 月30日大壩主體全部完工。2001 年12 月31 日,工程全部竣工。2002年至2008 年,小浪底工程先后通過(guò)了安全技術(shù)鑒定、工程及移民部分竣工初步驗(yàn)收和水土保持、環(huán)境保護(hù)、勞動(dòng)安全衛(wèi)生等專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)收,并于2009 年4 月7 日竣工驗(yàn)收。本文以河南省境內(nèi)小浪底水庫(kù)及其周邊縣市為研究區(qū)域,涉及陜縣、洛寧縣、澠池縣、宜陽(yáng)縣、新安縣、濟(jì)源市、孟津縣、孟州市、沁陽(yáng)市、溫縣、博愛(ài)縣、鞏義市、原陽(yáng)縣、中牟縣等20 個(gè)縣(市)區(qū),經(jīng)緯度范圍跨度為東經(jīng)111.12°-114°,北緯32.72°-35.16°,見(jiàn)圖1。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

圖1 研究區(qū)域范圍示意圖

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文根據(jù)小浪底工程修建及運(yùn)行時(shí)間段,選用1987-2020年時(shí)間跨度為33 年的遙感影像數(shù)據(jù),即1987 年、1989 年、1993年、2002 年、2008 年、2016 年、2018 年、2020 年(共計(jì)8 年,6-10月份)植被生長(zhǎng)季、云量較少的多景Landsat 影像為主要數(shù)據(jù)源,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)。

3.2 研究方法

本研究根據(jù)植被指數(shù)估算原理,通過(guò)對(duì)像元二分模型[10,12,13,14]的推導(dǎo),建立歸一化植被指數(shù)[12,13,15](Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)模型,目的對(duì)小浪底水庫(kù)運(yùn)行前后庫(kù)區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行遙感估算。

首先,對(duì)八個(gè)時(shí)段影像做預(yù)處理(包括輻射定標(biāo)、去云層和條帶處理、掩膜統(tǒng)計(jì)、大氣校正、鑲嵌及裁剪等),利用ENVI5.3軟件根據(jù)NDVI 計(jì)算流程得出研究區(qū)植被指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。若統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常值,則對(duì)植被指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果再做去除異常值處理,然后分別取累積概率為5%和90%的NDVI 值作為NDVImin和NDVImax。

根據(jù)公式(1)計(jì)算像元的植被覆蓋度：

其中Fg表示此像元的植被覆蓋度(植被覆蓋面積所占的比例),NDVImin和NDVImax分別是區(qū)域內(nèi)最小和最大的NDVI 值,由于不可避免存在噪聲,NDVImin和NDVImax一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值。

當(dāng)NDVI 小于NDVImin時(shí),Fg取值為0；NDVI 大于NDVImax,Fg取值為1；介于兩者之間的像元使用上式計(jì)算。

然后利用Band Math 流程化工具,輸入公式(2)進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算。最后得到單波段的植被覆蓋度圖像文件,再借助于ARCGIS10.6 制作植被覆蓋度分級(jí)圖。

4 研究結(jié)果

4.1 植被覆蓋度時(shí)空變化

本文研究結(jié)果取NDVI 指數(shù)置信度區(qū)間為5%和90%,得到NDVImin和NDVImax參數(shù)結(jié)果,見(jiàn)表1 所示。

表1 NDVI 指數(shù)置信度區(qū)間為5%和90%參數(shù)

根據(jù)上表可得到8 期研究區(qū)域植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)圖,為了更加直觀地反應(yīng)植被覆蓋情況,根據(jù)等級(jí)劃分對(duì)應(yīng)表2,對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì),得到植被覆蓋度分級(jí)圖,見(jiàn)圖2。

表2 植被覆蓋度等級(jí)劃分表[16]

由圖2 可知,1987-2020 年小浪底周邊植被覆蓋的時(shí)空變化情況,1987-2008 年西部和西南部裸地和低等植被覆蓋區(qū)域的面積逐漸減少,2008-2020 年?yáng)|部河口地區(qū)裸地和低等植被覆蓋區(qū)域的面積逐漸增多；1987-1993 年小浪底水庫(kù)內(nèi)部和黃河水域均有明顯的植被覆蓋面積增加,但在2002-2020 年水庫(kù)內(nèi)部及黃河水域呈現(xiàn)無(wú)植被覆蓋和低等植被覆蓋,如圖2。

自小浪底水庫(kù)修建運(yùn)行起,水庫(kù)季節(jié)性蓄水,改善水庫(kù)周邊局部小氣候。西部、西南部多丘陵山地,為植被生長(zhǎng)提供光熱水等自然資源條件, 表現(xiàn)在1987-2008 年西部和西南部植被覆蓋面積增多且逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)等植被覆蓋。2008-2020 年研究區(qū)域下游河口地區(qū)裸地和低等植被覆蓋范圍擴(kuò)大,由于上游水庫(kù)長(zhǎng)期蓄水,水體攜帶泥沙量發(fā)生變化,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被攔截,水流下瀉流速發(fā)生變化,水溫降低,地下水位抬升,土壤水鹽運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化,土地水漬化、鹽堿化加重,不利于農(nóng)作物、林木等植被的生長(zhǎng)。小浪底水庫(kù)建成后,上游河道由原來(lái)的河道型轉(zhuǎn)變?yōu)楹葱?水流速度減慢,自?xún)裟芰p弱。蓄水后,水庫(kù)內(nèi)部的土壤中含有化肥農(nóng)藥等有機(jī)污染物、工程及生活殘留垃圾浸沒(méi)在水底,導(dǎo)致水體水溫分層、水質(zhì)下降、水分鹽度增高、自?xún)艉跄芰ο陆?因此水庫(kù)內(nèi)部及黃河水域植被減少,甚至成為無(wú)植被覆蓋即裸地。

4.2 不同植被覆蓋度面積變化

為了定量分析研究區(qū)域植被覆蓋度變化情況,本文利用ARCGIS10.6 對(duì)植被覆蓋度分級(jí)圖做重分類(lèi),并利用字段計(jì)算器,根據(jù)像元個(gè)數(shù)及單個(gè)像元面積,對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表3。

表3 植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)表 單位：平方千米

圖2 1987-2020 年植被覆蓋度分級(jí)圖

由表3 可知：1987-2020 年小浪底流域周邊的優(yōu)等植被覆蓋面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低等植被覆蓋面積；其中,優(yōu)等植被覆蓋面積在1989 年達(dá)到次高峰,面積達(dá)到10342.5 平方千米,2008 年面積最大為14856.5 平方千米,2016 年面積最小,為5891.4 平方千米；整體來(lái)看,優(yōu)等植被覆蓋區(qū)域的面積自1987 年開(kāi)始呈現(xiàn)波動(dòng)起伏,在1987-1989 年、1993-2008 年、2016-2020 年均呈上升趨勢(shì),在1989-1993 年、2008-2016 年呈下降趨勢(shì)；同時(shí)中等植被覆蓋和良等植被覆蓋區(qū)域的面積沒(méi)有明顯的變化；2016-2020 年裸地和低植被覆蓋區(qū)域面積要比1987-2008 年要高?；趩尾ǘ沃脖桓采w度圖像文件,本文利用ENVI5.3 軟件,對(duì)植被覆蓋度圖像像元值進(jìn)行基本數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,得到1987-2020 年單波段影像的均值,見(jiàn)圖3。

圖3 平均植被覆蓋度變化趨勢(shì)圖

1987-1993 年平均植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且1989-2018年平均植被覆蓋度低于1987 年,但在1993-2020 年均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。根據(jù)小浪底工程修建與運(yùn)行時(shí)期已有相關(guān)研究分析得出,1991 年9 月小浪底前期工程動(dòng)工興建,工程建在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的淺山丘陵地帶,植被稀少、巖石裸露、地處溝壑且河谷狹窄。前期工程興建,庫(kù)區(qū)及周邊動(dòng)土開(kāi)挖導(dǎo)致地表植被破壞、河流植被面積及河濱植被減少、生物多樣性降低,水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)和浸沒(méi)區(qū)使得原有植被死亡；在后期蓄水運(yùn)行中,局部地區(qū)地下水位抬升,出現(xiàn)土壤沼澤化、鹽堿化,抑制植被生長(zhǎng),因此在1993-2008 年平均植被覆蓋度沒(méi)有明顯的變化,相對(duì)較低。

小浪底工程在2001 年全部竣工,2002-2008 年前后實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)驗(yàn)收。小浪底水庫(kù)正常運(yùn)行后,“庫(kù)區(qū)效應(yīng)”增加了周邊的空氣濕度,局部地區(qū)干燥度降低,降水增多,氣溫升高,無(wú)霜期日數(shù)增加,使得光熱水等生產(chǎn)潛力有了很大提高,生態(tài)環(huán)境向著良性發(fā)展,在一定程度上促進(jìn)植被生長(zhǎng),因此在1993-2020 年,小浪底庫(kù)區(qū)植被覆蓋度均有增加。介玉娥[17]等在研究小浪底水庫(kù)蓄水后氣候變化對(duì)生態(tài)及農(nóng)業(yè)上的影響研究上同樣也指出：小浪底水庫(kù)的蓄水對(duì)庫(kù)區(qū)降水量有明顯的增加,平均增幅為16.9%,庫(kù)區(qū)及周邊的溫度也呈增加趨勢(shì)。

小浪底工程在建設(shè)初期,河南省內(nèi)小浪底流域及周邊的平均植被覆蓋度有一定的減少,但在后期的運(yùn)行中,對(duì)植被覆蓋度的提升起到了一定的積極作用。同時(shí)在2016 年開(kāi)始,裸地和低等植被覆蓋區(qū)域相對(duì)擴(kuò)大,優(yōu)等植被覆蓋區(qū)域相對(duì)集中,需要進(jìn)一步加強(qiáng)植被建設(shè),盡可能減少水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行對(duì)植被環(huán)境生長(zhǎng)的弊端。

5 結(jié)論

本文根據(jù)植被的光譜特征,利用遙感植被解釋,通過(guò)獲取多時(shí)相、多尺度的遙感影像數(shù)據(jù),連續(xù)監(jiān)測(cè)河南省境內(nèi)小浪底庫(kù)周的多年植被覆蓋度,從而得出區(qū)域植被覆蓋度時(shí)空變化圖,定量分析了小浪底水庫(kù)運(yùn)行對(duì)庫(kù)區(qū)植被覆蓋度情況的影響,并得出以下主要結(jié)論：

5.1 小浪底水庫(kù)建成初期,季節(jié)性蓄水,改善了西部和西南部光熱水資源條件,促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)林等植被生長(zhǎng)；但水庫(kù)下游區(qū)域由于長(zhǎng)期蓄水,帶來(lái)一定的弊端,抑制區(qū)域內(nèi)植被生長(zhǎng)。

5.2 自小浪底水庫(kù)正常運(yùn)行投入使用起,小浪底流域優(yōu)等植被覆蓋面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于低等植被覆蓋面積,且優(yōu)等植被覆蓋區(qū)域多集中在西部及西南部；平均植被覆蓋面積自1993 年至2020年呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì),說(shuō)明小浪底水庫(kù)后期的穩(wěn)定運(yùn)作有利于植被生長(zhǎng)。

5.3 小浪底水庫(kù)運(yùn)行對(duì)河南省內(nèi)小浪底流域的植被覆蓋度的提升起到了一定的積極作用,但目前還需要加強(qiáng)區(qū)域植被生態(tài)建設(shè)；應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的措施減少水庫(kù)運(yùn)行帶來(lái)的弊端,以恢復(fù)植被生長(zhǎng)。