姚鎮(zhèn)海, 吳丹娃, 褚榮浩, 姚葉青, 何彬方, 黃 勇
(1.安徽省公共氣象服務(wù)中心, 安徽 合肥 230031; 2.安徽省氣象科學(xué)研究所, 安徽 合肥 230031)
植被是旅游資源的重要組成部分,其釋放出的氧氣或負(fù)離子非常利于人體的保健[1]。對植被資源的發(fā)掘就是讓“綠水青山”助力安徽旅游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,為創(chuàng)建美麗安徽添磚加瓦。植被覆蓋度不僅能表征植被茂盛程度,而且能體現(xiàn)植物光合作用面積多寡,是反映生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)法通過測得植被垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比給出植被覆蓋度的實(shí)測結(jié)果。該方法雖然受效率低、監(jiān)測區(qū)域面積的限制,但精度優(yōu)良,實(shí)時(shí)性好。使用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行植被覆蓋度的估算,相比傳統(tǒng)儀器觀測方法變得更加簡潔、時(shí)間連續(xù)性好、覆蓋面積廣闊,利于多研究領(lǐng)域應(yīng)用推廣[2]。除了傳統(tǒng)監(jiān)測、衛(wèi)星監(jiān)測,基于無人機(jī)多光譜影像亦可獲取地表植被信息。無人機(jī)遙感技術(shù)具有作業(yè)效率高、靈活性好、空間分辨率優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),非常適宜局地考察監(jiān)測。但受無人機(jī)系統(tǒng)續(xù)航能力局限性,其監(jiān)測范圍和長時(shí)間觀測能力難以媲美衛(wèi)星遙感手段。受葉綠素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和含水量等要素影響,植被在可見光到近紅外光譜段呈現(xiàn)典型的光譜曲線,采用不同譜段測量值進(jìn)行組合,得到植被指數(shù)用于表征地面植被生長特征[3-5]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)對植被綠色信息敏感,對全球或區(qū)域植被生長監(jiān)測有良好的效果。NDVI估算植被覆蓋度則是一種成熟的技術(shù)方法[6-8]。已有研究表明:影響植被覆蓋度主要?dú)夂蛞蛩赜薪邓?、氣溫,隨季節(jié)性變化,各氣候區(qū)氣候因子的影響程度不同[9-13]。植被覆蓋度具有時(shí)空尺度的依賴性,不同時(shí)空尺度下呈現(xiàn)明顯差異[14-16]。
安徽省擁有平原、丘陵、山地等豐富的地形地貌。皖北平原多耕地,大別山和皖南山區(qū)旅游資源豐富,森林茂盛。雖然前人對安徽省植被指數(shù)和氣候要素的關(guān)系有過研究,但對于植被覆蓋度與地形之間的關(guān)系研究相對較少。對安徽省植被覆蓋度動態(tài)變化與地形響應(yīng)的研究分析,可為安徽省農(nóng)業(yè)種植,或發(fā)展相關(guān)旅游產(chǎn)業(yè)提供精細(xì)化的生態(tài)學(xué)參考依據(jù)。因此,本研究基于安徽省2001—2019年的MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù),計(jì)算出植被覆蓋度,結(jié)合安徽省土地分類和地形數(shù)據(jù),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法研究植被覆蓋度的動態(tài)變化與地形因子的相互關(guān)系,為安徽省生態(tài)建設(shè)提供理論支持。
安徽省地處長江中下游地區(qū),是暖溫帶與亞熱帶過渡區(qū),受季風(fēng)氣候影響四季分明,物種多樣,山區(qū)森林資源豐富。東鄰江蘇省,南接江西省,東南與浙江省接壤,西邊與河南、湖北省接壤,北邊與河南、山東省相會。位于114°54′—119°27′E和29°41′—34°38′N之間。東西寬、南北長分別約450 km,570 km。作為中國東部地區(qū)的農(nóng)業(yè)和旅游大省,安徽省地勢西高東低、南高北低(圖1)。涵蓋平原、丘陵和山地等地貌。其中,皖西坐落著大別山腹地,南部為皖南山區(qū)。
圖1 安徽省地形圖
遙感數(shù)據(jù)來源于EOS/MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)網(wǎng)址:https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov。其中2001—2019年MOD13Q1歸一化植被指數(shù)NDVI產(chǎn)品時(shí)間分辨率16 d,空間分辨率500 m×500 m。MCD12 Q1土地分類數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 a,空間分辨率500 m×500 m。地理地形數(shù)據(jù)包括安徽省DEM柵格數(shù)據(jù)、行政邊界矢量數(shù)據(jù)。其中DEM高程數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供的SRTM3高程數(shù)據(jù),分辨率90 m×90 m,重采樣到500 m×500 m。
使用MRT (MODIS Reprojection Tools)將MOD13A1 NDVI數(shù)據(jù)、MCD12 Q1土地分類數(shù)據(jù)各自拼接,并將其轉(zhuǎn)換為WGS 84/Albers Equal Area Conic投影結(jié)果。采用最大合成法(MVC)將16 d的NDVI數(shù)據(jù)合成為逐年各月結(jié)果[17]。最后使用安徽省矢量邊界裁切得到研究區(qū)內(nèi)的遙感影像。研究表明,平原地區(qū)進(jìn)行坡向提取生成的結(jié)果較為隨機(jī),缺乏物理意義,地理分析時(shí)需要將其剔除[18]。故依據(jù)DEM的空間分辨率,在ArcGIS中將DEM高度大于100 m作為閾值進(jìn)行掩模,提取掩膜內(nèi)的數(shù)據(jù)用于坡向分析。
基于像元二分模型法計(jì)算植被覆蓋度。單個(gè)遙感影像的像元由包含植被在內(nèi)的多種混合地物組成。每個(gè)像元的NDVI值理論上可劃分為純植被和土壤合成的混合像元,計(jì)算公式如下:
NDVI=NDVIv×Vc+NDVIs×(1-Vc)
(1)
式中:NDVI代表混合像元?dú)w一化植被指數(shù),NDVIv為純植被NDVI值,NDVIs為土壤NDVI值,Vc為混合像元下的植被覆蓋度。其中,NDVIv與NDVIs是獲取植被覆蓋度的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)??赏ㄟ^獲取NDVI灰度值分布,基于累計(jì)頻率法得到多年逐月NDVIv與NDVIs數(shù)值[19-20]。在植被稀疏地區(qū)和中國荒漠地區(qū),二分模型估算植被覆蓋度誤差較大,但在中國東南等季風(fēng)區(qū)可以良好適用。由此得植被覆蓋度計(jì)算公式:
(2)
依據(jù)上述計(jì)算方法,給出植被覆蓋度多年平均逐月空間分布場與年變化結(jié)果。定義春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至翌年2月),分別計(jì)算各季節(jié)植被覆蓋度。依據(jù)安徽省海拔分布,將DEM劃分為7個(gè)區(qū)間:200 m以下;200~350,350~500,500~750,750~1 000,1 000~1 250 m和1 250 m以上。統(tǒng)計(jì)各海拔區(qū)段內(nèi)植被覆蓋度的平均值,結(jié)合各海拔區(qū)段內(nèi)土地類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果,分析植被覆蓋度垂直方向分布特征。使用高度大于100 m的海拔掩膜處理后的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡向。定義北坡(337.5°~22.5°)、東北坡(22.5°~67.5°)、東坡(67.5°~112.5°)、東南坡(112.5°~157.5°)、南坡(157.5°~202.5°)、西南坡(202.5°~247.5°)、西坡(247.5°~292.5°)和西北坡(292.5°~337.5°)這8個(gè)坡向。統(tǒng)計(jì)各坡向內(nèi)的植被覆蓋度和土地類型,分析植被覆蓋度水平向分布特征(圖2)。
圖2 植被覆蓋度計(jì)算與海拔、坡向分析流程圖
圖3為安徽省各月植被覆蓋度空間分布狀況。從圖3可知,全省植被覆蓋度低值區(qū)(0.2以下)多為河流、湖泊,表現(xiàn)為條帶狀、塊狀的圖斑。植被覆蓋度季節(jié)變化顯著,夏高冬低。1月、10—12月,山區(qū)植被覆蓋度高于平原,且差異明顯。2—5月,淮北平原地區(qū)高于山區(qū),6月迅速減小。安徽省淮北平原為小麥主產(chǎn)區(qū),冬小麥生長、收割會造成植被覆蓋度的變化。7—9月植被覆蓋度達(dá)到最高值,全省大部地區(qū)超過0.8,且山區(qū)平原差異達(dá)到最小,體現(xiàn)出全省范圍夏季植被生長繁茂的特征。安徽省最大的淡水湖巢湖,全年植被覆蓋度呈現(xiàn)低值(低于0.2),但7—10月西半湖值區(qū)介于0.2~0.4之間,比其他湖區(qū)偏高,這可能與水體表面的葉綠素成分增多有關(guān)。
圖3 安徽省各月植被覆蓋度空間分布特征
統(tǒng)計(jì)全省植被覆蓋度的逐年變化,得到如圖4結(jié)果。由圖4可知:2001—2019年全省植被覆蓋度呈現(xiàn)波動上升趨勢。變化范圍在0.72~0.80之間,擬合表達(dá)式為y=0.003 9x-7.085 1,R2值高達(dá)0.814 8,與時(shí)間相關(guān)性顯著。近19 a來全省植被覆蓋度以0.003 9/a的變化率上升。
圖4 安徽省2001-2019年植被覆蓋度變化
基于MCD12 Q1土地分類數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)各類地表類型的植被覆蓋度年變化。受數(shù)據(jù)空間分辨率和混合像元的影響,我們發(fā)現(xiàn)土地分類數(shù)據(jù)里:多樹草地、稀樹草地在光譜特性與時(shí)間變化上類似,無法進(jìn)一步區(qū)分每個(gè)子類的詳細(xì)特征。為利于統(tǒng)計(jì),區(qū)分類別,故將這兩類地物合并為一大類:多樹/稀樹草地,統(tǒng)計(jì)名稱定義為“樹草地”(下同)。給出了6類地物:常綠林、落葉林、混交林、樹草地、耕地和城鎮(zhèn)的植被覆蓋度逐年變化(圖5)。其數(shù)值從高到低分別為:常綠林>混交林>落葉林>樹草地>耕地>城鎮(zhèn),這與下墊面植被類型等因素有關(guān)。6類地物中,耕地、城鎮(zhèn)、樹草地和常綠林植被覆蓋度上升趨勢顯著,且通過顯著性0.05檢驗(yàn)。其中耕地年變化趨勢最高,達(dá)0.005 5/a,城鎮(zhèn)0.002 8/a,樹草地為0.002 6/a。而常綠林植被覆蓋度年變化趨勢最低,為0.000 5/a。落葉林與混交林年變化趨勢不顯著,且未通過顯著性檢驗(yàn)。
圖5 安徽省2001-2019年不同地表類型植被覆蓋度變化
由圖6可知,不同海拔區(qū)間內(nèi),植被覆蓋度四季差異明顯。夏季呈現(xiàn)高值,冬季為低值。各季節(jié)中200 m以下植被覆蓋度達(dá)到最低,200~350 m陡然增加,體現(xiàn)出該海拔區(qū)間植被覆蓋類型的變化。海拔500~1 250 m植被覆蓋度變化不甚顯著,1 250 m以上則呈輕微下降趨勢。
為進(jìn)一步探究植被覆蓋度隨海拔變化的原因,分類地表類型像元,給出土地分類空間場[21],并結(jié)合植被覆蓋度多年平均結(jié)果,對不同海拔區(qū)間內(nèi)的常綠林、落葉林、混交林、樹草地、耕地、水體和城鎮(zhèn)7類地物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。由表1可知,200 m以下區(qū)域耕地面積比例最大,為72.21%,樹草地占18.16%,林地面積比例低至2.8%;200~350 m林地和樹草地面積比例增加,分別達(dá)到31.23%和65.62%,結(jié)合圖5中各類地物植被覆蓋度數(shù)值相互關(guān)系可知,林地、樹草地的植被覆蓋度高于耕地。進(jìn)而解釋了圖6中該區(qū)間植被覆蓋度陡然增加的原因。350 m以上地區(qū)以林地和樹草地覆蓋為主,隨海拔增加,樹草地、常綠林面積比例呈下降趨勢,落葉林、混交林有一定程度增加趨勢。海拔1 000 m以上,耕地、城鎮(zhèn)和水體基本無面積分布。1 250~1 750 m,落葉林面積比例最高,達(dá)到56.1%,混交林面積比例減少至31.49%,常綠林面積比例最低,為0.28%。
圖6 安徽省不同季節(jié)植被覆蓋度均值隨高程變化特征
表1 安徽省不同海拔區(qū)間內(nèi)各地表類型面積比例變化
如圖7所示,各坡向植被覆蓋度四季差異顯著,從高到低排序?yàn)椋合募?秋季>春季>冬季,反映安徽省四季植被生長的變化特點(diǎn)。植被覆蓋度夏季最高,各坡向均高于0.9;冬季最低,介于0.75~0.8之間;秋季、春季,則分別位于0.85~0.9,0.8左右變化。隨坡向分布,四季植被覆蓋度呈現(xiàn)峰谷變化特征顯著。北坡為峰值,南坡為谷值。
圖7 安徽省四季植被覆蓋度隨坡向分布特征
為進(jìn)一步分析植被覆蓋度隨坡向呈峰谷變化原因,統(tǒng)計(jì)各坡向的地表類型面積,得到各地表類型面積比例隨坡向變化特征(圖8)。由表1可知,海拔200 m以上,耕地、城鎮(zhèn)累計(jì)面積比例過低,分別僅4.32%和0.19%,在圖8中已不便區(qū)分。故將耕地和城鎮(zhèn)歸類在一組中。水體為水平面,坡向值無意義,故不納入坡向統(tǒng)計(jì)討論中。各坡向混交林、樹草地面積之和比例最高,兩者在各坡向面積比例差異存在變化。而耕地、城鎮(zhèn)面積比例最低,各坡向差異較小。全省南、北坡混交林與樹草地面積和分別為84%,86%。南、北坡的混交林面積比例分別為21%,44%;樹草地面積比例分別為63%,42%。而常綠林、落葉林、城鎮(zhèn)、耕地的面積比例之和不足20%。北坡樹草地、混交林面積比例幾乎各占一半,分別為44%,42%,混交林面積比例(42%)高于南坡(21%)。結(jié)合圖5中各類地物植被覆蓋度相互關(guān)系可知:混交林植被覆蓋度數(shù)值高于樹草地。進(jìn)而解釋了全省范圍植被覆蓋度北坡大于南坡的原因。
圖8 安徽省各地表類型面積比例隨坡向變化特征
定義東南、西南、南坡向?yàn)槟舷蛏絽^(qū),東北、西北、北坡向?yàn)楸毕蛏絽^(qū),逐年統(tǒng)計(jì)北向、南向山區(qū)植被覆蓋度差異,給出變化結(jié)果(圖9)。由圖9可知,2001—2019年南北向山區(qū)四季植被覆蓋度差異值均呈現(xiàn)波動下降趨勢,介于0.004~0.025之間變化。其中春、秋季南、北向山區(qū)植被覆蓋度逐年差異呈現(xiàn)高值,且彼此接近;冬季次之;夏季南、北向山區(qū)植被覆蓋度逐年差異達(dá)到最低。
圖9 安徽省南、北向山區(qū)植被覆蓋度差異逐年變化特征
計(jì)算南、北向山區(qū)植被覆蓋度差異值的多年平均,得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果:北向、南向山區(qū)植被覆蓋度差異在夏季達(dá)到最低,僅0.009 3;秋季達(dá)到最高,達(dá)到0.014 2。春冬季分別為0.013 9,0.012 5。
(1) 植被覆蓋度隨時(shí)間變化。安徽省1月、10—12月,山區(qū)植被覆蓋度高于平原地區(qū),差異明顯。2—5月,淮北平原地區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)高值,6月迅速減小,反映作物(小麥)種植、收割對下墊面植被覆蓋度的影響。7—9月植被覆蓋度達(dá)到最高值,全省范圍差異最小,體現(xiàn)全省夏季植被生長繁茂的特征。夏秋季巢湖西半湖數(shù)值比其他湖區(qū)偏高,上述水華地區(qū)靠近合肥市,城市化帶來的排放,會促使水體富營養(yǎng)化。而該時(shí)間段內(nèi)氣候特性利于滋生藍(lán)藻,藍(lán)藻中的葉綠素使得水體植被覆蓋度數(shù)值增高[22]。李晟銘等[23]也提到巢湖西北部水體夏秋季節(jié)易產(chǎn)生藍(lán)藻,是水華大爆發(fā)的核心區(qū)。由于植被特征的差異,不同地表類型植被覆蓋度從高到低分別為:常綠林>混交林>落葉林>樹草地>耕地>城鎮(zhèn)。各地表類型的植被覆蓋度變化略有差異,但整體來看。安徽省植被覆蓋度還是以年變化率0.003 9/a的速度呈逐年波動上升趨勢,側(cè)面說明安徽省重視生態(tài)建設(shè),采取積極的植樹造林措施帶來的積極影響。
(2) 植被覆蓋度隨海拔變化。不同海拔區(qū)間內(nèi),植被覆蓋度四季差異明顯,受下墊面植被影響顯著。海拔200 m以下地表類型以耕地為主,林地面積最小,植被覆蓋度呈現(xiàn)最低值;200~350 m林地和樹草地面積比例增加,導(dǎo)致該區(qū)間植被覆蓋度上升明顯;350~1 000 m之間處于丘陵地區(qū),下墊面植被類型豐富,以林地、樹草地為主,植被覆蓋度變化不明顯;1 250 m以上,落葉林面積比例最高,混交林、常綠林面積比例進(jìn)一步減小,該區(qū)間內(nèi)植被覆蓋度呈下降趨勢[24],很好體現(xiàn)出下墊面植被類型的變化。綜上可知,垂直方向上,安徽省植被呈現(xiàn)耕地、常綠林、混交林、落葉林、樹草地的地帶性分布特征,使得植被覆蓋度呈現(xiàn)特征性的變化規(guī)律。
(3) 植被覆蓋度隨坡向變化。各坡向四季植被覆蓋度從高到低分別為:夏季>秋季>春季>冬季。植被覆蓋度隨坡向呈顯著峰谷變化特征。姚鎮(zhèn)海等[25]對全國月平均植被指數(shù)空間分布特征分析表明:植被指數(shù)隨坡向呈現(xiàn)“雙峰雙谷”變化特征,東南、西北坡為峰值,西南、東北坡為谷值異。與本次研究結(jié)果在時(shí)間上分布特征有類似之處,但空間分布特征存在差異。這是由于全國尺度下,植被分布更能體現(xiàn)出中國季風(fēng)氣候的風(fēng)向變化宏觀特征[26]。安徽省位于華東地區(qū),全年水熱差異比全國范圍更小,受氣候地理地形等因素影響,植被分布差異比全國更低,因而人為活動對植被覆蓋的影響相會比季風(fēng)氣候影響更明顯[27]。安徽省四季植被覆蓋度北坡呈現(xiàn)峰值,南坡谷值。徐京京等[28]、桃等[29]、魏建瑛等[30]研究表明,南向山區(qū)為向陽面,適宜人類農(nóng)事生產(chǎn)種植混交林經(jīng)濟(jì)灌木。筆者實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),安徽省山區(qū)的經(jīng)濟(jì)作物主要為茶葉和竹林。在此過程中導(dǎo)致地表植被類型演變,亦可能是造成南坡覆蓋度低于北坡的人為因素之一。
(4) 南、北向山區(qū)植被覆蓋度差異。南向、北向山區(qū)植被覆蓋度差異在夏季達(dá)到最低,秋季達(dá)到最高。造成這種差異的原因如下:①安徽地處長江中下游地帶,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候和溫帶季風(fēng)氣候交界地帶,夏季受梅雨風(fēng)帶的移動,全省降水隨坡向分布不均。相比降水量,NDVI與氣溫線性正相關(guān)性更高,而降水與NDVI存在非線性正相關(guān)性,且年際關(guān)系呈現(xiàn)弱相關(guān)[31]。氣溫對安徽省植被覆蓋影響更加顯著,起著主導(dǎo)作用。②屈非凡等[32]及姚鎮(zhèn)海[33]對月平均氣溫分布式模擬研究結(jié)果表明,夏季中國東部地區(qū)南、北坡向氣溫差異達(dá)到最低,春、秋季差異則增大。這是造成夏季南、北坡向植被覆蓋度差異小于春、秋季的原因。
本次研究主要討論了安徽省植被覆蓋的動態(tài)變化與地形因子的相互關(guān)系,由于安徽省山區(qū)具有地形復(fù)雜、植被種類繁多等特點(diǎn),需結(jié)合高分辨率遙感資料和現(xiàn)場勘測資料,研究山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等小尺度下的生態(tài)資源分布規(guī)律。展望未來,安徽省一方面需進(jìn)一步做好植樹造林、退耕還林、城市污水治理等生態(tài)保護(hù)工作。另一方面,采用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),并結(jié)合便攜式氣象站、負(fù)離子監(jiān)測儀,甚至無人機(jī)多光譜遙感等現(xiàn)場勘查資料,開展山區(qū)生態(tài)資源普查技術(shù)的研究,為我省旅游資源的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù),讓“綠水青山”更好地造福于人們美好生活。
(1) 2001—2019年安徽省植被覆蓋度呈逐年波動上升趨勢。植被覆蓋度季節(jié)變化顯著。1月、10—12月,山區(qū)植被覆蓋度高于平原。2—5月,淮北平原地區(qū)的植被覆蓋度高于山區(qū),6月迅速減小。7—9月全省植被覆蓋度達(dá)到高值,大部地區(qū)植被覆蓋度高于0.8,空間差異最小,體現(xiàn)夏季全省植被繁茂的特征。
(2) 不同海拔區(qū)間內(nèi),植被覆蓋度呈夏高冬低的特點(diǎn)。海拔200 m以下平原地區(qū)以耕地為主,植被覆蓋度呈現(xiàn)最低值,春、夏、秋、冬四季分別達(dá)0.73,0.79,0.68,0.58;200~350 m林地和樹草地面積比例增加,植被覆蓋度陡然增加;500~1 250 m以林地和樹草地覆蓋為主,植被覆蓋度變化不甚顯著;1 250 m以上呈下降趨勢。
(3) 安徽全省四季植被覆蓋度從高到低依次為:夏季>秋季>春季>冬季。山區(qū)各坡向混交林和樹草地面積之和比例最高(>80%)。全省南、北坡的混交林面積比例分別為:21%,44%,樹草地面積比例分別為63%,42%。四季植被覆蓋度隨坡向呈現(xiàn)峰谷變化特征顯著,北坡、南坡為分別為峰值、谷值。夏季南、北向山區(qū)植被覆蓋度差異最低(0.009 3);秋季最高(0.014 2);春、冬季分別為0.013 9,0.012 5。
(4) 2001—2019年全省南、北向山區(qū)四季植被覆蓋度差異值呈波動下降趨勢,介于0.004~0.025之間變化。南、北向山區(qū)逐年植被覆蓋度差異在春、秋季呈現(xiàn)高值,且彼此接近,冬季次之,夏季南、北向山區(qū)逐年植被覆蓋度差異達(dá)到低值。