雷雨, 馮彬, 謝瑤瑤, 胡露, 趙姍姍, 董鑫*

1. 四川省甘孜衛(wèi)生學校，四川 甘孜 626001；

2. 西華師范大學生命科學學院，四川 南充 637002；

3. 西華師范大學環(huán)境科學與工程學院，四川 南充 637002；

4. 西華師范大學管理學院，四川 南充 637002

植被是生態(tài)系統(tǒng)中最基本的成分，也是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中最重要的組成部分之一[1-2]。植被覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎數(shù)據(jù)，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化有重要的指示作用[3]。因此，在區(qū)域生態(tài)監(jiān)測中，植被覆蓋度作為一個重要指標來評估生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的變化及地質災害的影響空間范圍及程度[4]。通過研究植被覆蓋度及空間格局變化能夠方便了解該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化，并結合影響植被覆蓋度的地形因子要素分析，對于認識地表空間區(qū)域變化具有直接現(xiàn)實意義[5-6]。

傳統(tǒng)的估算方法存在效率低、范圍小等缺點，而遙感數(shù)據(jù)宏觀、快捷、信息量豐富，可以定量反映植被生長狀況、植被覆蓋度等信息[7]，基于遙感影像的植被覆蓋度估算能進行多尺度、大范圍、連續(xù)長時間的植被覆蓋度估算[8]。近年來，3S技術在生態(tài)質量評價和建設項目環(huán)境影響評價等相關研究領域占據(jù)越來越重要的位置[9]，遙感技術使得宏觀區(qū)域數(shù)據(jù)獲得更加方便快捷，GIS技術可對于空間地理數(shù)據(jù)進行管理和分析處理[10]。

四川省地處青藏高原地震區(qū)，是地震災害較為嚴重的地區(qū)[11]。地震造成的次生地質災害會致使災區(qū)樹木被埋、倒伏及折斷，破碎和松散的土壤可以直接破壞或推翻大面積的森林，造成災區(qū)植被覆蓋面顯著減少，對自然環(huán)境造成極大的破壞[12]。利用3S技術對地震前后進行區(qū)域尺度的動態(tài)生態(tài)監(jiān)測，能為區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善、未來生態(tài)環(huán)境建設提供科學決策支持[13]。本研究基于ENVI 5.3及ArcGIS 10.2軟件，利用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)分析四川省九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后植被覆蓋度的空間格局變化，從而判斷地震對于植被覆蓋度的影響程度和空間范圍，研究結果能對九寨溝自然保護區(qū)震后生態(tài)修復與重建提供一定的科學參考,同時幫助我們深入理解地震對不同地形因子的植被覆蓋度的影響機制與變化規(guī)律。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

九寨溝國家級自然保護區(qū)是岷山山系大熊貓種群的核心棲息地和走廊帶，具有典型的自然生態(tài)系統(tǒng)，為全國生物多樣性保護的核心區(qū)域之一[14]。研究區(qū)動植物資源豐富，具有極高的生態(tài)保護、科學研究和旅游價值。2017年8月8日21時19分46秒，四川省北部阿壩州九寨溝縣發(fā)生7.0級地震，地震毀壞了森林植被的完整性，并且震后誘發(fā)了大量的滑坡及泥石流等次生災害，導致了嚴重的生態(tài)環(huán)境破壞。此外，滑坡及崩塌形成的堆積物在強降雨的影響下再次形成泥石流，沖毀大量的植被，形成二次破壞。

1.2 數(shù)據(jù)來源

影像數(shù)據(jù)來源于九寨溝地震前后2016年11月和2017年12月云量較少的Landsat8衛(wèi)星OLI傳感器數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m（見表1）。由于在數(shù)據(jù)搜集的過程中存在一定困難，包括云量遮蔽過多、積雪大片覆蓋、數(shù)據(jù)缺失且無法下載等情況，未能選擇兩個年度時間完全相同的影像，而是盡量選擇了較合適時間點的可用數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)。數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m，用于地形因子的提取。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)來源Tab. 1 Source of remote sensing image data

1.3 植被指數(shù)的提取

1.3.1 歸一化植被指數(shù)的計算

在對研究區(qū)域進行生態(tài)評價時，植被作為最基本的評價因子，其指數(shù)模型有150余種，常用的也有40多種[15-16]。其中，歸一化植被指數(shù)（NDVI）使用最為廣泛和頻繁[17]。通過近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差與這兩個波段數(shù)值之和的比值計算獲得NDVI數(shù)值。

其計算表達式為：

NDVI=NIR-RED/NIR+RED

公式中，NIR—近紅外波段反射率；RED—可見光波段的反射率。

NDVI<0時表示圖像中覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射； NDVI=0表示巖石及裸地，此時NIR與RED接近相等； NDVI>0表示有植被覆蓋，且NDVI的值隨覆蓋度增大而增大。綜上，NDVI是探索研究區(qū)域內森林植被和生態(tài)格局的重要因子，它是對區(qū)域內植被類型、覆蓋形態(tài)、生長狀況等的綜合反應，對植被覆蓋度的檢測幅度較寬，有較好的時相和空間適應性[18]。

1.3.2 植被覆蓋度計算

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)計區(qū)總面積的百分比，計算公式如下[19-21]：

NDVIsoil ——完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值

NDVIveg ——完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值

1.3.3 覆蓋度變化與地形因子分析

基于ENVI 5.3中進行輻射定標、大氣校正、邊界裁剪及歸一化植被指數(shù)（NDVI）計算后，將九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后NDVI數(shù)據(jù)分別使用Statistics/Compute Statistics查看純植被像元對應值，將最大值與最小值作為純像元值進行波段計算，得到九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC），在ArcGIS 10.2軟件中，將九寨溝國家級自然保護區(qū)植被覆蓋度基于間斷值20、40、60、80劃分為低、較低、中、較高、高覆蓋度5類[22-24]。將植被覆蓋度與功能區(qū)劃、地形因子進行疊加分析，探究地震前后研究區(qū)植被覆蓋度的空間格局變化。

2 結果與分析

2.1 歸一化植被指數(shù)

如九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后NDVI指數(shù)分布圖可見，地震導致研究區(qū)NDVI指數(shù)明顯下降，其峰值由0.584下降至0.528；NDVI指數(shù)下降的主要區(qū)域集中在研究區(qū)北部的震中周邊區(qū)域（見圖1）。

圖1 九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后NDVI示意圖Fig. 1 Schematic diagram of NDVI in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

2.2 植被覆蓋度

由九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后植被覆蓋度圖可見，地震導致九寨溝國家級自然保護區(qū)北部、中部及西南部區(qū)域植被覆蓋度顯著下降，對保護區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重影響（見圖2）。

圖2 九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后植被覆蓋度圖Fig. 2 Vegetation coverage classification diagram in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

將九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后不同植被覆蓋度區(qū)域面積進行統(tǒng)計，通過數(shù)據(jù)比較分析可知：（1）地震后，植被低覆蓋度區(qū)域面積擴大，擴大面積占研究區(qū)總面積的14.53%；（2）植被中覆蓋度和較高覆蓋度區(qū)域的面積下降最明顯，下降面積分別占研究區(qū)總面積的5.54%和4.79%；（3）研究區(qū)植被覆蓋度整體上減少（見表2）。結果表明，地震給九寨溝國家級自然保護區(qū)的植被帶來了負面的影響，低植被覆蓋度范圍在震后明顯增加，而較高覆蓋度和高覆蓋度的區(qū)域面積在震后有所減少。

表2 九寨溝國家級自然保護區(qū)植被覆蓋度面積變化表Tab. 2 Changes of vegetation coverage classification area in Jiuzhaigou National Nature Reserve

2.3 植被覆蓋度的空間格局變化

2.3.1 植被覆蓋度與功能區(qū)劃重疊分析

對四川九寨溝國家級自然保護區(qū)不同功能區(qū)劃的覆蓋度面積進行統(tǒng)計，結果顯示：由表可知：（1）地震前，較高及高植被覆蓋度區(qū)域集中在核心區(qū)與實驗區(qū)，較低及低植被覆蓋度區(qū)域集中核心區(qū)與緩沖區(qū)；（2）地震后，較高及高植被覆蓋度區(qū)域集中在核心區(qū)與實驗區(qū)，但面積有所減少，實驗區(qū)所占比例增大；較低及低植被覆蓋度區(qū)域集中核心區(qū)與緩沖區(qū)，面積都有所增加；（3）地震后不同功能區(qū)植被覆蓋度與震前相比，低覆蓋度范圍內面積增加明顯，而其他覆蓋度范圍內植被數(shù)量則下降，表明震后植被覆蓋度在各功能區(qū)總體上呈下降趨勢；（4）震中位于核心區(qū)，地震后，核心區(qū)植被覆蓋度下降幅度較大，表明地震對四川九寨溝國家級自然保護區(qū)核心區(qū)帶來了較大的影響。

2.3.2 植被覆蓋度與海拔重疊分析

對四川九寨溝國家級自然保護區(qū)不同海拔區(qū)間（< 2 500 m，2 500~3 000 m，3 000~3 500 m，3 500~4 000 m和> 4 000 m）覆蓋度面積進行統(tǒng)計[25]。結果顯示：（1）研究區(qū)植被低覆蓋度面積隨著海拔高度的增加而增加，其他覆蓋度在0~3 500 m區(qū)間內上升，在大于3 500 m區(qū)間內下降；（2）地震前高覆蓋度區(qū)域集中在3 000~3 500 m區(qū)間，地震后高覆蓋度區(qū)域集中在2 500~3 000 m區(qū)間；（3）地震對< 4 000 m區(qū)域的植被影響較大，對> 4 000 m區(qū)域內的植被影響較?。ㄒ姳?）。

表4 九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后不同海拔區(qū)間植被覆蓋度面積統(tǒng)計表Tab. 4 Statistics of vegetation coverage area at different altitude areas in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

表3 九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前后不同功能區(qū)植被覆蓋度表Tab. 3 Vegetation coverage in different functional areas in Jiuzhaigou National Nature Reserve before and after the earthquake

2.3.3 植被覆蓋度與坡度重疊分析

對四川九寨溝國家級自然保護區(qū)不同坡度區(qū)間（<15°，15°~25°，25°~35°，35°~45°，45°~55°，55°~65°和>65°）覆蓋度面積進行統(tǒng)計[26]。結果顯示：（1）植被覆蓋度從0°~45°坡度區(qū)間內隨著坡度的增加而增加，大于45°坡度后，植被覆蓋度隨著坡度的增加而減少；（2）地震前，高、較高植被覆蓋度區(qū)域集中在15°~45°區(qū)間，地震后，高、較高植被覆蓋度區(qū)域集中在25°~45°區(qū)間；（3）地震源附近坡度以15°~45°為主，此區(qū)間植被覆蓋度在震后面積減少明顯，坡度25°~35°區(qū)間內植被減少面積最大，以此區(qū)間為中心，植被覆蓋度減少的程度向兩邊遞減，即坡度在越平緩及越陡峭的情況下，植被覆蓋度的減少程度越不明顯（見表5和表6）。

表5 九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前不同坡度范圍植被覆蓋度表Tab. 5 Vegetation coverage in different slope ranges inJiuzhaigou National Nature Reserve before the earthquake

表6 九寨溝國家級自然保護區(qū)地震后不同坡度范圍植被覆蓋度表Tab. 6 Vegetation coverage in different slope ranges in Jiuzhaigou National Nature Reserve after the earthquake

2.3.4 植被覆蓋度與坡向重疊分析

對四川九寨溝國家級自然保護區(qū)不同坡向：0°~22.5°和337.5°~360°（北坡）、22.5°~67.5°（東北坡）、67.5°~112.5°（東坡）、112.5°~157.5°（東南坡）、157.5°~202.5°（南坡）、202.5°~247.5°（西南坡）、247.5°~292.5°（西 坡）、292.5°~337.5°（西北）的覆蓋度面積進行統(tǒng)計[27]。結果顯示：（1）以157.5°~202.5°（南坡）為中心，植被覆蓋度向兩邊逐漸增加，坡向在0°~22.5°和337.5°~360°（北坡）范圍內植被覆蓋度幾近為0；（2）地震前后，高、較高植被覆蓋度區(qū)域都集中在坡向為東坡、東南坡、南坡和西南坡的區(qū)域；（3）震中位于東北坡到西北坡范圍內，震前該區(qū)域內植被生長狀況最為優(yōu)良而震后覆蓋度顯著減少（見表7和表8）。

表7 九寨溝國家級自然保護區(qū)地震前不同坡向范圍植被覆蓋度表Tab. 7 Vegetation coverage in different slope directions in Jiuzhaigou National Nature Reserve before the earthquake

表8 九寨溝國家級自然保護區(qū)地震后不同坡向范圍植被覆蓋度表Tab. 8 Vegetation coverage in different slope directions in Jiuzhaigou National Nature after the earthquake Reserve

3 討論

由于云量、積雪、大氣輻射等因素影響，無法得到地震前后相同時間點的九寨溝保護區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)，這對結果有一定的影響。為將數(shù)據(jù)影響最小化，研究選取了可獲得數(shù)據(jù)中時間點最接近，云量、積雪、大氣輻射等影響因素最小的兩期遙感影像。

研究發(fā)現(xiàn)，地震帶來的強大沖擊毀壞了九寨溝國家級自然保護區(qū)的森林植被，導致四川九寨溝國家級自然保護區(qū)植被覆蓋度整體上減少且震中區(qū)域范圍內覆蓋度明顯下降，低植被覆蓋度面積占比在震后明顯提高，而較高覆蓋度和高覆蓋度的區(qū)域面積在震后明顯減少，植被覆蓋減少的區(qū)域主要集中在保護區(qū)北部、中部及西南部。

震中位于保護區(qū)核心區(qū)，地震后，核心區(qū)低植被覆蓋面積增幅最大，表明保護區(qū)核心區(qū)受到了地震的最強影響。地震對海拔< 4 000 m的區(qū)域植被影響較大，對海拔> 4 000 m的區(qū)域內植被影響較小。這可能與植被分布有關，在海拔> 4 000 m的區(qū)域，植被分布較稀疏且不易受到滑坡、崩塌及泥石流的次生災害影響。植被在坡度25°~35°區(qū)間，坡向為東坡、東南坡、南坡和西南坡的區(qū)域生長狀態(tài)較好，因此，受到地震影響，植被覆蓋減少的面積較多。

九寨溝的自然風光雖造就了九寨溝的生態(tài)及旅游價值，但也帶來了地震后生態(tài)恢復的一系列難題。地震時產(chǎn)生的植被破壞，地震后強降雨沖刷地面及陡坡使得泥石堆積形成泥石流，泥石流對植被及土地進行的二次破壞，這些都使得生態(tài)被破壞、植被覆蓋度降低。且在進行生態(tài)人工修復的過程中，由于九寨溝的高海拔及陡坡的存在，給生態(tài)恢復任務帶來了很大的困難，植被及生態(tài)的恢復非一朝一夕能夠完成，需要不斷地探索，將科學技術方法與生態(tài)檢測相結合，不斷嘗試新的方法。研究結果可為災后重建和生態(tài)恢復提供一定的科學參考：對于覆蓋度變化明顯的區(qū)域進行實地考察，按照坡度、坡向、海拔、功能區(qū)分別調查植被覆蓋度明顯變化的區(qū)域范圍，找到當?shù)卣鸷蟮纳鷳B(tài)破壞因素，因地制宜清理積壓的淤泥，疏通被堵塞的河流小溪，清理滑坡、泥石流等帶來的堆積物。重點考察覆蓋度變化最明顯的坡度、海拔、坡向和功能區(qū)區(qū)域，進一步推進災后植被恢復工作。