胡孟珂 于歡 孔博 熊梓璇 徐濤

摘要：植被覆蓋度是反映一個(gè)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康程度的重要指標(biāo)，掌握植被覆蓋度變化特征有助于了解地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變，對于指導(dǎo)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，應(yīng)用像元二分模型進(jìn)行植被覆蓋度提取，采用一元線性回歸分析、穩(wěn)定性分析和GIS空間分析等方法分析了2001～2020年嘉陵江流域植被覆蓋度時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：① 2001～2020年嘉陵江流域的植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)上升趨勢，植被覆蓋率較好，位于0.70～0.81之間。② 流域內(nèi)38.05%的區(qū)域植被保持穩(wěn)定不變，呈現(xiàn)改善狀態(tài)的區(qū)域占44.69%，主要為東南部低海拔地區(qū)和隴南地區(qū)，呈現(xiàn)退化的區(qū)域占17.26%，主要為高海拔地區(qū)和城市周邊區(qū)域。流域內(nèi)植被穩(wěn)定性大部分為弱變異，中等變異區(qū)與河流相關(guān)性較高，強(qiáng)變異區(qū)分布于城市地區(qū)和高山雪線附近。③ 在500～1 000 m海拔范圍內(nèi)，植被改善比例達(dá)到最大，在3 000～4 000 m海拔范圍內(nèi)，植被的退化比例最大。植被改善主要的坡度范圍為0°～18°，但在0°～5°范圍內(nèi)植被退化的比例較大。隨著坡度的不斷升高，植被的退化比例逐漸升高，改善比例逐漸下降。植被覆蓋度變化的坡向差異不大，各個(gè)坡向基本一致，以穩(wěn)定和改善為主。④ 礦產(chǎn)開發(fā)、城市擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)種植等人類活動(dòng)是導(dǎo)致植被破壞的重要原因。研究表明，近20 a來嘉陵江流域生態(tài)環(huán)境逐漸向著良性的方向發(fā)展。研究成果可幫助相關(guān)部門構(gòu)建嘉陵江流域生態(tài)保護(hù)屏障，為流域生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測和治理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：植被覆蓋度; 時(shí)空變化; NDVI; 像元二分模型; 嘉陵江流域

中圖法分類號(hào)： Q948 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.013

0 引 言

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的比例[1-3]。環(huán)境變化、人類活動(dòng)、自然災(zāi)害等因素都會(huì)引起植被覆蓋度的變化。植被覆蓋度在反映地區(qū)表面植被群落生長趨勢，評價(jià)地區(qū)生態(tài)環(huán)境健康程度，及指示地區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化中具有十分重要的意義[4]。因此研究一個(gè)區(qū)域的植被覆蓋度變化特征有利于掌握一個(gè)區(qū)域的水文、生態(tài)、環(huán)境變化等情況[5-6]。

歸一化植被指數(shù)[7-8]（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是反映植被長勢和營養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一，且與植被覆蓋度有高度相關(guān)性。目前，國內(nèi)外應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的提取植被覆蓋度的模型是像元二分模型，它是一種基于NDVI對植被覆蓋度進(jìn)行提取的模型，研究表明像元二分模型提取植被覆蓋度可靠性較高[3-6]。王磊等利用多年遙感數(shù)據(jù)分析了南充市轄區(qū)近15 a植被覆蓋度變化特征[3]。鄧晨暉等在秦嶺植被覆蓋度時(shí)空變化的研究中得出秦嶺地區(qū)植被變化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，但其中人類活動(dòng)的影響最大[4]。許玉鳳等基于2000～2014年NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，應(yīng)用像元二分模型，研究了15 a來貴州省高原植被覆蓋度時(shí)空變化特征[9]。劉洪鵠等利用線性相關(guān)分析方法分析了1981～2006年嘉陵江流域植被覆蓋度時(shí)空變化[10]。俱戰(zhàn)省等利用Landsat遙感數(shù)據(jù)研究了1987～2015年嘉陵江源區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化特征，研究表明研究區(qū)植被改善面積多于退化面積，礦產(chǎn)資源的開采對于植被的影響較大[11]。楊瑞瑞等基于NDVI數(shù)據(jù)集，采用相關(guān)性分析、趨勢分析和滯后性分析方法分析了若爾蓋地區(qū)植被覆蓋度與氣候因子的相關(guān)關(guān)系[12]。吳志杰等以Landsat8 OLI為遙感數(shù)據(jù)源，評價(jià)了植被覆蓋度對地形因子的響應(yīng)[13]。彭飛等在研究呼倫貝爾草原植被覆蓋度時(shí)空變化特征時(shí)應(yīng)用了異常變化點(diǎn)檢測算法，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，深入研討了氣象因子與植被覆蓋度變化之間的關(guān)系[14]。張亮等在對長江流域植被覆蓋度變化進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，整個(gè)長江流域植被覆蓋度都呈現(xiàn)出上升趨勢，氣溫是所有因素中的主導(dǎo)因素[15]。1999年退耕還林工程率先在川、陜、甘三省試點(diǎn)，嘉陵江流域地處三省交界處，但有關(guān)嘉陵江流域近20 a來植被變化趨勢的研究卻很少。有些研究針對的是嘉陵江部分區(qū)域，研究范圍太小，不足以反映整個(gè)流域的情況;另一些研究因時(shí)段較短（退耕還林工程實(shí)施以來），也不足以反映長期的變化情況。

本文以整個(gè)嘉陵江流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用像元二分模型，結(jié)合MODIS遙感影像數(shù)據(jù)對嘉陵江流域的植被覆蓋度進(jìn)行估算;并應(yīng)用趨勢分析法、穩(wěn)定性分析法、GIS空間分析技術(shù)等，分析了2001～2020年植被覆蓋度時(shí)空變化特征及其對地形因子的響應(yīng)，以為流域生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

嘉陵江發(fā)源于秦嶺，因流經(jīng)陜西嘉陵谷而得名，向西南流經(jīng)陜西、甘肅、四川省和重慶市，于重慶市朝天門匯入長江。其流域面積約16萬km2，是長江支流中流域面積最大，流量第二的大河。發(fā)源地到廣元市昭化區(qū)以上為上游，昭化區(qū)到重慶市合川區(qū)為中游，合川區(qū)至重慶市朝天門河口為下游，河流的絕大部分流經(jīng)四川盆地東北部。本文選取嘉陵江流域?yàn)檠芯繀^(qū)（見圖1），研究區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，降水量年際變化大，氣候較為濕潤。流域內(nèi)地貌類型較多，在上游段，河流主要在山地地形中穿行，屬于山區(qū)河流。在中游段，河道逐漸開闊，地形條件也變?yōu)榕璧睾颓鹆?。在下游段，河流流?jīng)四川盆地東部平行嶺谷區(qū)，形成峽谷河流。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局（NASA）提供的2001～2020年MOD13Q1級(jí)柵格化的NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品（https：∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。覆蓋研究區(qū)的是三景影像數(shù)據(jù)，即h26v05，h27v05，h27v06。采用MODIS官網(wǎng)網(wǎng)站提供的MODIS Reprojection Tool（MRT）完成對原始影像的拼接和重投影等處理。為最大程度消除云、霧、大氣和非生長季的影響，選取植物生長最為旺盛的生長季（6～9月）作為研究時(shí)段，采用最大值合成法（MVC）合成生長季每月最大NDVI數(shù)據(jù)集，再將這4個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成平均得到年度NDVI數(shù)據(jù)集。在合成前，先篩選出質(zhì)量較差的月份，再選擇相鄰年份相同月份質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到平均值以代替該年質(zhì)量較差月份的數(shù)據(jù)參與年NDVI平均值的計(jì)算。

DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：∥www.gscloud.cn/）的90 m空間分辨率的SRTMDEMUTM數(shù)據(jù)，經(jīng)拼接、投影、重采樣后得到空間分辨率為250 m的數(shù)據(jù)，與處理后的NDVI數(shù)據(jù)空間分辨率保持一致。嘉陵江流域矢量范圍來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：∥www.resdc.cn/）。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度估算

2.2.5 植被覆蓋度等級(jí)劃分

為更加直觀地展現(xiàn)近20 a來嘉陵江流域植被覆蓋度變化情況，對歷年植被覆蓋度進(jìn)行等比例閾值劃分，將植被覆蓋度等級(jí)劃分為5級(jí)，具體劃分情況為：極低植被覆蓋（0≤FVC<0.2）;低植被覆蓋（0.2≤FVC<0.4）;中等植被覆蓋（0.4≤FVC<0.6）;高植被覆蓋（0.6≤FVC<0.8）;極高植被覆蓋（0.8≤FVC≤1.0）。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時(shí)間變化特征

2001～2020年嘉陵江流域植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)上升趨勢（見圖2～3）。年平均植被覆蓋度在0.70～0.81之間，植被覆蓋度較好，最低出現(xiàn)在2001年，2020年到達(dá)峰值。從變化趨勢來看，2001～2013年間植被覆蓋度整體上呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，但在2006年和2011年出現(xiàn)低谷。其原因在于：2006年夏季川渝地區(qū)發(fā)生了歷史罕見的旱災(zāi)，降水量減少直接影響到植物生長，導(dǎo)致該年植被覆蓋度出現(xiàn)低谷[25];2011年嘉陵江流域先后遭遇了3次暴雨，暴雨引起的洪水以及帶來的次生災(zāi)害，如水土流失、土壤鹽堿化、滑坡等導(dǎo)致了該年植被覆蓋減少[26]。2012～2013年間，被破壞的植被逐漸恢復(fù)到了被破壞前的狀態(tài)。2013～2018年，植被覆蓋度呈現(xiàn)出平緩的下降趨勢，這與該時(shí)段內(nèi)較快的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著一定的關(guān)系。2018～2020年，在政府有關(guān)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的支持下，流域內(nèi)植被覆蓋度出現(xiàn)了快速上升的趨勢。

3.2 植被覆蓋度空間變化趨勢

利用IDL 8.5軟件編程實(shí)現(xiàn)2001～2020年間逐像元一元線性回歸分析并對斜率進(jìn)行重分類（見表3），最終得到近20 a來嘉陵江流域植被覆蓋度變化趨勢圖和顯著性檢驗(yàn)圖（見圖4）。

從變化程度來看，嘉陵江流域38.05%的區(qū)域植被覆蓋度保持穩(wěn)定。1999年川陜甘3省率先啟動(dòng)“退耕還林、荒山造林”工程，工程實(shí)施20 a以來，流域內(nèi)39.48%的區(qū)域呈現(xiàn)改善狀態(tài)，分布于東南部海拔較低的區(qū)域，這些區(qū)域水熱條件優(yōu)越，因此植被長勢好。明顯改善的區(qū)域占5.21%，主要分布于流域北部的隴南地區(qū)，隴南地區(qū)退耕還林成果十分顯著，植被覆蓋度明顯提高。退化的區(qū)域多為高海拔地區(qū)，占16.29%。高海拔地區(qū)的氣溫、降水等條件較為惡劣，這是影響植被生長，造成植被退化的原因。嚴(yán)重退化區(qū)域占0.97%，點(diǎn)狀分布于各個(gè)城市群周邊，由此可見城市的快速擴(kuò)張對其周邊的植被造成了嚴(yán)重的破壞。從變化顯著性來看，呈現(xiàn)增長趨勢的區(qū)域占總面積的44.69%，其中43.12%的區(qū)域通過了顯著性水平為0.05的檢驗(yàn)，表現(xiàn)為顯著改善;呈現(xiàn)退化趨勢的區(qū)域占總面積的17.26%，其中2.97%的區(qū)域通過了顯著性水平為0.05的檢驗(yàn)，表現(xiàn)為顯著退化。鄧元杰等[29]分析了1995～2015年長江中上游NDVI時(shí)空變化，研究表明植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域包括嘉陵江流域，與本節(jié)分析結(jié)果相符。

3.3 植被覆蓋度穩(wěn)定性分析

經(jīng)分析與統(tǒng)計(jì)，嘉陵江流域2001～2020年植被覆蓋度穩(wěn)定性（見圖5）表現(xiàn)為：① 流域內(nèi)弱變異區(qū)占比為82.82%，植被覆蓋度比較穩(wěn)定。② 中等變異區(qū)占比為16.98%，呈現(xiàn)出明顯的沿河流分布的特征，這與嘉陵江及其支流年際流量變化有一定的關(guān)系。流域北部的隴南地區(qū)退耕還林成果十分顯著，也表現(xiàn)為中等變異。③ 強(qiáng)變異區(qū)的占比很小，總和僅為0.20%，分布于各個(gè)城市建成區(qū)的附近，以川東地區(qū)和重慶市區(qū)最為顯著。還有一部分強(qiáng)變異區(qū)域位于高山山頂?shù)难┚€附近，呈點(diǎn)狀和環(huán)狀分布。雪線的變化也會(huì)引起附近植被的變化。

3.4 植被覆蓋度時(shí)空變化對地形因子的響應(yīng)

3.4.1 植被覆蓋度對海拔的響應(yīng)

將植被覆蓋度變化趨勢與海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析后，得到植被變化與海拔的關(guān)系（見圖6）。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，在500～1 000 m海拔范圍內(nèi)，植被改善比例最大，約為58.64%，由于這一區(qū)域海拔較低而且人類活動(dòng)較少，再加之國家有關(guān)“退耕還林，荒山造林”政策，因此在這一區(qū)域植被的改善最為明顯。在3 000～4 000 m海拔范圍內(nèi)，植被的退化比例最大，約為34.09%。在500～4 000 m海拔范圍內(nèi)，隨著海拔的升高，植被的退化比例也不斷升高，改善的比例不斷下降，說明隨著海拔的升高，高海拔地區(qū)低溫、降水少的氣候環(huán)境對植物的生長造成了負(fù)面影響。在海拔低于500 m的范圍內(nèi)，人類活動(dòng)較多，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對植被的生長造成了很大的影響。研究區(qū)內(nèi)，海拔高于4 000 m的區(qū)域相對較少，但是也明顯表現(xiàn)出高海拔區(qū)域植被變化特征，即處于穩(wěn)定狀態(tài)的植被占比最大，植被退化的比例高于改善的比例。

3.4.2 植被覆蓋度對坡度的響應(yīng)

將植被覆蓋度變化趨勢與坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析后，得到植被變化與坡度的關(guān)系（見圖7）。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，植被改善主要的范圍為0°～18°，由于退耕還林政策的實(shí)施，林業(yè)資源得到了很好的保護(hù)，因此植被生長較好，得到了明顯的改善。但在0°～5°坡度范圍內(nèi)植被退化占比較大，此區(qū)域?yàn)槿祟惢顒?dòng)的主要區(qū)域，人類的生產(chǎn)生活幾乎都在該區(qū)域開展，所以植被受到人類影響較大，退化較為嚴(yán)重。隨著坡度的不斷升高，植被的退化占比逐漸升高，改善比例逐漸下降。這是因?yàn)槠露壬呤沟闷旅娣e溫較少、單位面積上的平均降水量也小、水分不容易被土壤吸收、水土流失嚴(yán)重，所以植被退化面積比例有所上升[27-28]。

3.4.3 植被覆蓋度對坡向的響應(yīng)

將植被覆蓋度變化趨勢與坡向數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析后，得到植被變化與坡向的關(guān)系（見圖8）。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，植被覆蓋度變化的坡向差異較小，各個(gè)坡向基本一致，以穩(wěn)定和改善為主，退化的比例只占到了17%左右。這說明在嘉陵江流域植被覆蓋度的變化受坡向的影響較小。原因在于：雖然陽坡接收到的太陽輻射較多，但水分蒸發(fā)量也較大;陰坡接收太陽輻射少，但土壤濕潤，土壤腐殖質(zhì)含量高，農(nóng)業(yè)種植與其他人類活動(dòng)也多在陽坡。多種效應(yīng)相互抵消使得坡向?qū)χ脖桓采w度的影響不明顯[28-29]。

3.5 人類活動(dòng)對植被覆蓋度變化的影響

已有學(xué)者的研究表明，人類的活動(dòng)是影響植被變化的重要因素[4，11，30-32]。嘉陵江流域礦產(chǎn)資源豐富，以煤礦、鐵礦為主，煤礦主要分布于華鎣山地區(qū)和大巴山地區(qū)。鐵礦主要分布于涪江流域，據(jù)最新探測結(jié)果顯示：平武境內(nèi)鐵礦估量5億～6億t。礦產(chǎn)資源一般位于植被較為豐富的山區(qū)，由于礦產(chǎn)露天開采、礦物棄渣、修建進(jìn)場道路等原因，大量的地表植被遭到破壞。礦區(qū)內(nèi)水土流失嚴(yán)重，即使停止開采活動(dòng)，植被也難以恢復(fù)（見圖9（a））。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)和擴(kuò)張也在加速，為增加新的居住用地或修建工業(yè)設(shè)施，植被也會(huì)遭到破壞[33]（見圖9（b））。此外，開墾農(nóng)業(yè)用地也會(huì)破壞大片森林、灌木叢和草地，造成人類居民點(diǎn)附近的植被覆蓋度下降，雖然近20 a“退耕還林、荒山造林”政策取得了很好的成效，但是相關(guān)部門仍需繼續(xù)貫徹落實(shí)相關(guān)規(guī)定，盡量減少人類活動(dòng)對于植被的影響（見圖9（c））。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合MODIS-NDVI數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等，運(yùn)用像元二分模型估算了2001～2020年嘉陵江流域的植被覆蓋度，并進(jìn)一步采用一元線性回歸分析、穩(wěn)定性分析和GIS空間分析等方法分析了20 a來嘉陵江流域植被覆蓋度空間變化特征，可以得出以下結(jié)論：

（1） 在時(shí)間上，2001～2020年嘉陵江流域的植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)上升趨勢，植被覆蓋率較好，位于0.70～0.81之間。2006，2011年受到自然災(zāi)害影響，植被覆蓋度有所下降。2013～2018年受人類活動(dòng)影響，植被覆蓋度緩慢下降。2018～2020年，在國家保護(hù)生態(tài)政策的支持下，植被覆蓋度呈現(xiàn)上升的趨勢。

（2） 在空間上，流域內(nèi)38.05%的區(qū)域植被覆蓋度保持穩(wěn)定不變，呈現(xiàn)改善狀態(tài)的區(qū)域占44.69%，主要為東南部低海拔地區(qū)和隴南地區(qū)，呈現(xiàn)退化的區(qū)域占17.26%，主要為高海拔地區(qū)和城市周邊區(qū)域。流域內(nèi)植被穩(wěn)定性大多為弱變異，中等變異區(qū)與河流相關(guān)性較高，強(qiáng)變異區(qū)主要分布于城市地區(qū)和高山雪線附近。

（3） 在植被覆蓋度變化對地形因子的響應(yīng)上，500～1 000 m海拔范圍內(nèi)，植被改善比例達(dá)到最大，3 000～4 000 m海拔范圍內(nèi)，植被的退化比例最大。植被改善主要的坡度范圍為0°～18°，但在0°～5°范圍內(nèi)植被退化的比例較大。隨著坡度的不斷升高，植被的退化占比逐漸升高，改善比例逐漸下降。植被覆蓋度變化的坡向差異不大，各個(gè)坡向基本相同，以穩(wěn)定和改善為主，退化的比例只占到了17%左右。

（4） 礦產(chǎn)開發(fā)、城市擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)種植等人類活動(dòng)也是導(dǎo)致植被退化的重要原因，建議相關(guān)部門加大監(jiān)管力度，保護(hù)生態(tài)環(huán)境免遭破壞。

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（編輯：黃文晉）