杜鵬舉，孫煜航，趙志杰，李振山

（1.北京大學 環(huán)境科學與工程學院，北京 100871；2.北京大學深圳研究生院 環(huán)境與能源學院，廣東 深圳 518055）

植被是覆蓋地表的植物群落的總稱，是陸地生態(tài)系統(tǒng)不可替代的成分［1］，植被覆蓋的變化可以反映自然演化和人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響［2］。 氣候變化特別是氣溫和降水等對植被影響很大［3-4］，除此之外，人類活動對植被覆蓋的影響也不容忽視［5］。

近年來，遙感數(shù)據(jù)因具有覆蓋范圍廣、易于獲取等優(yōu)勢而廣泛應用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域，其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）在植被的動態(tài)監(jiān)測中取得了較好的應用效果［6-8］。 許多學者對黃河下游寬灘區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化及其影響因素進行了研究，但這些研究集中在黃河河道演變［2］、洪水漫灘概率風險分析［9］、灘區(qū)內土地利用／覆蓋現(xiàn)狀［10］等方面，對寬灘區(qū)及周邊區(qū)域植被覆蓋變化的研究較少。 從研究范圍看，黃河下游植被覆蓋研究多局限于黃河三角洲［11］、濕地自然保護區(qū)［12］等。 為掌握黃河下游寬灘區(qū)植被的變化特征，筆者基于1987—2017年7 期Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)，研究黃河下游寬灘區(qū)沿線植被覆蓋時空變化特征及影響因素，以期為黃河下游寬灘區(qū)治理和生態(tài)保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文研究黃河下游寬灘區(qū)為桃花峪至陶城鋪河段灘區(qū)，寬灘區(qū)大堤堤距平均9.2 km，大堤之間寬灘區(qū)面積2579.21 km2。 寬灘區(qū)及沿線行政區(qū)地處華北平原，地勢平緩，海拔為41～98 m，年平均氣溫12.0～14.8 ℃，年平均降水量550～650 mm，水、熱等資源比較充足。

黃河下游寬灘區(qū)是黃河行洪、泄洪和沉沙的重要區(qū)域。 黃河下游寬灘區(qū)分布在包括河南、山東兩省下轄的20 個縣級行政區(qū)，截至2017年年底這些縣級行政區(qū)常住人口達1383.27 萬，因“二級懸河”、漫灘洪水及生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件的制約，寬灘區(qū)沿線社會經(jīng)濟發(fā)展不均衡。 以黃河下游寬灘區(qū)及其沿線20 個縣級行政區(qū)為研究區(qū)，分析其植被覆蓋時空變化特征及影響因素。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采用Landsat 系列影像的地形精度校正（L1TP）數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。 研究區(qū)形狀狹長，需3 景影像覆蓋，綜合考慮成像時間、云量和影像質量等因素，選擇1987年、1994年、1998年、2003年、2008年、2013年和2017年植被生長茂盛、植被覆蓋度高的7—8月影像研究植被覆蓋情況，并選擇2017年逐月遙感影像研究寬灘區(qū)沿線行政區(qū)和寬灘區(qū)月際植被覆蓋度變化。

經(jīng)濟、社會和人口等社會經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計資料來自2018年《河南統(tǒng)計年鑒》、2018年《牡丹區(qū)統(tǒng)計年鑒》、2018年《東明統(tǒng)計年鑒》、2017年《梁山縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、2017年《鄆城縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》、2017年《鄄城縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》和2018年《臺前縣政府工作報告》等。

2.2 基于NDVI 的植被覆蓋度計算

像元二分模型［13］將遙感影像的每一個像元看作無植被覆蓋地表（即裸地）和全植被覆蓋地表（即植被），任一像元的反射率值可以表示為全植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分線性加權的和。 Gutman 等［14］在實踐中總結出歸一化植被指數(shù)NDVI與地區(qū)植被覆蓋度FVC之間的關系，并構建了基于NDVI的像元二分模型：

式中：NDVIveg、NDVIsoil分別為全植被覆蓋、無植被覆蓋情況下的NDVI值。

理想情況下，NDVIsoil值接近0，NDVIveg值接近1，但受太陽輻射、大氣狀況等因素影響，這兩個值會隨著遙感影像成像時間和空間變化，因此Gillies 等［15］對式（1）進行了修正：

式中：NDVImax、NDVImin分別為研究區(qū)NDVI的最大值、最小值，考慮到存在信號噪聲，筆者通過NDVI直方圖統(tǒng)計累計頻率95%、5%對應的值來確定NDVImax、NDVImin，其中最大值代表全植被覆蓋時的NDVI值，最小值代表無植被覆蓋時的NDVI值。

經(jīng)過處理得到的植被覆蓋度FVC介于0～1 之間，將植被覆蓋度分為4 個等級［16］：地表植被覆蓋度低于0.3 為無植被覆蓋，地表植被覆蓋度0.3～0.5 為低植被覆蓋，地表植被覆蓋度0.5～0.7 為中植被覆蓋，地表植被覆蓋度大于0.7 為高植被覆蓋，分別為1、2、3、4 級。

2.3 植被覆蓋度變化分析

采用差值法研究不同時期的植被覆蓋度變化情況，具體計算公式：

式中：Rp、Rl分別為研究區(qū)前一時期和后一時期的植被覆蓋度等級；ΔR為植被覆蓋度變化，ΔR=-3 為嚴重退化、ΔR=-2 為中度退化、ΔR=-1 為輕微退化、ΔR=0 為未變化、ΔR=1 為輕微改善、ΔR=2 為中度改善、ΔR=3 為極度改善。

2.4 空間重心轉移模型

空間重心轉移模型［17］是對研究對象的空間分布進行描述的方法。 采用空間重心轉移模型分析研究區(qū)不同等級植被覆蓋度的遷移方向和軌跡，重心計算公式為

2.5 轉移矩陣分析

轉移矩陣可以全面、具體地分析研究區(qū)植被覆蓋變化的數(shù)量結構特征和各等級植被覆蓋度之間的轉化關系，從而提高對植被覆蓋動態(tài)變化過程的認識［18］。一定時段內第i級植被覆蓋度轉移為第j級植被覆蓋度的土地面積占比所組成的矩陣，即轉移矩陣。 利用轉移矩陣計算植被覆蓋度變化的凈變化量、交換變化量和總變化量。 凈變化量Dj反映各等級植被覆蓋度面積占比的絕對變化量，計算公式為

交換變化量Sj反映不同等級植被覆蓋度之間相互轉換的總量，計算公式為

各等級植被覆蓋度的凈變化量和交換變化量共同構成總變化量Cj，能夠綜合反映某等級植被覆蓋度的絕對與交換變化量，

式中：Fj＋為T1年j級植被覆蓋度的面積百分比；F＋j為T2年j級植被覆蓋度的面積百分比；Fjj為T1年至T2年j級植被覆蓋度保持不變的面積百分比。

3 結果分析

3.1 植被覆蓋度時空分布特征

黃河下游桃花峪至陶城鋪河段沿線行政區(qū)和寬灘區(qū)內月平均植被覆蓋度總體變化趨勢均呈現(xiàn)明顯“雙峰型”特征（見圖1），寬灘區(qū)沿線、寬灘區(qū)內植被覆蓋度最大值出現(xiàn)在7月，分別為0.701、0.719，植被覆蓋度最小值出現(xiàn)在10月，分別為0.404、0.355；寬灘區(qū)沿線和寬灘區(qū)內6月和10月植被覆蓋度均顯著減小。

圖1 2017年植被覆蓋度月際變化

典型年份7—8月植被覆蓋度均值見圖2。 寬灘區(qū)沿線7—8月植被覆蓋度均值為0.654 ～0.736，最小值出現(xiàn)在1987年，最大值出現(xiàn)在2013年，在1987—2017年呈波動增大趨勢，增長速率為0.015／10 a，表明植被覆蓋狀況不斷改善。 寬灘區(qū)內7—8月植被覆蓋度均值為0.531～0.719，最小值出現(xiàn)在1987年，最大值出現(xiàn)在2017年，整體呈增大趨勢，增長速率為0.063／10 a。 值得注意的是，寬灘區(qū)內植被覆蓋度增長速率是寬灘區(qū)沿線的4.2 倍，2003年之后寬灘區(qū)內植被覆蓋度與寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度的差距逐漸減小并在2017年實現(xiàn)反超。

圖2 典型年份7—8月植被覆蓋度均值

寬灘區(qū)沿線不同植被覆蓋度等級面積占比見圖3，可以看出，各年份高植被覆蓋面積占比最大，均在50%以上，無植被覆蓋、低植被覆蓋和中植被覆蓋面積占比較小，無植被覆蓋面積占比為10%左右。

圖3 典型年份不同等級植被覆蓋度面積占比

利用Landsat 影像數(shù)據(jù)反演得到寬灘區(qū)沿線1987年、1998年、2008年和2017年4 期植被覆蓋度數(shù)據(jù)，并進一步得到各等級植被覆蓋度分布，見圖4。

圖4 不同時期各等級植被覆蓋度空間分布

整體上寬灘區(qū)沿線植被覆蓋情況較好，大部分地 區(qū)為高植被覆蓋。 1987年寬灘區(qū)沿線西南部植被覆蓋狀況較差，東北部植被覆蓋狀況較好，鄭州市金水區(qū)和開封市區(qū)周圍有明顯無植被覆蓋地表；1998年各地區(qū)植被覆蓋狀況比較均衡，其中黃河長垣—東明段沿線有大面積無植被覆蓋地表；2008年無植被覆蓋和低植被覆蓋地表主要集中在鄭州市金水區(qū)、惠濟區(qū)，原陽縣，開封市區(qū)和菏澤市牡丹區(qū)；2017年低植被覆蓋和無植被覆蓋區(qū)域在城鎮(zhèn)化地區(qū)有所擴張，且鄭州、開封城區(qū)植被覆蓋狀況整體較差。

3.2 植被覆蓋度動態(tài)變化特征

統(tǒng)計得出不同時段不同等級植被覆蓋度面積轉移矩陣，見表1。 1987—1998年，寬灘區(qū)沿線植被覆蓋呈改善趨勢，總的植被覆蓋改善面積占比為31.26%，其中中植被覆蓋轉移為高植被覆蓋的面積占比最大，為14.81%；總的植被覆蓋退化面積占比為15.90%，其中高植被覆蓋轉移為中植被覆蓋的面積占比最大，為4.89%。 1998—2008年，寬灘區(qū)沿線植被覆蓋狀況仍呈改善趨勢，但植被覆蓋狀況改善的面積比1987—1998年的小，植被覆蓋改善面積占比為19.05%，其中中植被覆蓋向高植被覆蓋轉移的面積占比最大，為7.07%；植被覆蓋退化面積占比為14.82%，其中高植被覆蓋向中植被覆蓋轉移的面積占比最大，為5.33%。2008—2017年，寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度下降，植被覆蓋改善、退化面積占比分別為13.25%、21.43%，高植被覆蓋退化為較低等級植被覆蓋的面積占總退化面積的74.00%，這是2008—2017年植被覆蓋度下降的主要原因。

表1 研究區(qū)1987—2017年不同等級植被覆蓋度面積占比轉移矩陣 %

在1987—2017年不同時段不同等級植被覆蓋度面積占比轉移矩陣基礎上，計算出各等級植被覆蓋度的凈變化量和交換變化量，見表2。 1987—1998年，各等級植被覆蓋度的主導變化均為交換變化，但程度不同：高植被覆蓋的總變化量最大，其中凈變化量面積占比為15.60%，交換變化量為19.64%，表明高植被覆蓋面積占比的變化大部分表現(xiàn)為空間位置的轉移，但也有相當數(shù)量的高植被覆蓋凈增加，與植被覆蓋狀況改善的結論一致；無植被覆蓋凈變化量面積占比只有0.76%，無植被覆蓋的變化主要表現(xiàn)為空間位置的轉移。 1998—2008年，寬灘區(qū)沿線不同植被覆蓋度等級的總變化量仍較大，但各等級植被覆蓋度的凈變化量較小，表明1998—2008年各等級植被覆蓋度變化以空間位置轉移為主。 2008—2017年，高植被覆蓋凈減少面積占比為7.35%，研究區(qū)植被覆蓋度出現(xiàn)退化，從交換變化量來看，各等級植被覆蓋度變化仍以空間位置轉移為主。

表2 1987—2017年不同等級植被覆蓋度面積占比變化%

寬灘區(qū)沿線1987—2017年植被覆蓋度變化空間分布情況見圖5，可以看出，植被覆蓋度變化呈現(xiàn)以下特點：退化區(qū)域集中分布在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的城區(qū)及其周邊，其中東北部山東段菏澤市牡丹區(qū)、鄆城縣和梁山縣，以及西南部河南鄭州市惠濟區(qū)、金水區(qū)，開封市市區(qū)和鄭開大道沿線中牟縣植被退化比較嚴重，沿河灘區(qū)也有零星分布；改善區(qū)域集中分布在沿河灘區(qū)和城鎮(zhèn)化水平較低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中極度改善區(qū)域多分布在桃花峪至長垣縣的沿黃寬灘區(qū)內。

圖5 1987—2017年植被覆蓋度變化空間分布

各等級植被覆蓋度在1987年、1998年、2008年、2017年的重心坐標及遷移變化軌跡見圖6。 總體來看，研究區(qū)各等級植被覆蓋度重心分布較為集中，且各時期無植被覆蓋、低植被覆蓋、中植被覆蓋、高植被覆蓋的重心呈從西南向東北偏移趨勢，西南部植被覆蓋度相對較低，東北部植被覆蓋度相對較高。 無植被覆蓋、低植被覆蓋和中植被覆蓋重心遷移方向基本一致，均經(jīng)歷了先向東北方向遷移后向西南方向遷移的過程；高植被覆蓋重心的遷移方向則與其他等級的相反，即先向西南方向遷移后向東北方向遷移。

圖6 不同時期各等級植被覆蓋度重心遷移軌跡

3.3 植被覆蓋度變化因素分析

苗晨等［19］研究指出，華北平原植被覆蓋度年內變化與該區(qū)域農(nóng)業(yè)耕作制度密切相關，可以清晰反映出冬小麥-夏玉米輪作的特征。 黃河下游寬灘區(qū)地處華北平原，農(nóng)耕面積廣，植被覆蓋度月際變化的“雙峰型”反映了冬小麥-夏玉米輪作的特征。

河道收束對灘區(qū)內植被覆蓋度提高起重要作用。黃河下游河道面積由1987年的814.2 km2縮小到2017年的203.6 km2，1987年、2017年植被覆蓋情況見圖7。1987年，黃河下游河道前半段寬且多曲，后半段窄且平直，沿河灘地植被覆蓋度也不同：前半段灘地植被覆蓋度以無植被覆蓋和低植被覆蓋居多，后半段植被覆蓋情況明顯優(yōu)于前半段，部分區(qū)域高植被覆蓋區(qū)域緊鄰河道。 2017年受小浪底水庫調水調沙影響，黃河下游河道變窄、河勢穩(wěn)定，緊鄰河道嫩灘逐漸變?yōu)楦?，原來無植被覆蓋和低植被覆蓋區(qū)域變成高植被覆蓋區(qū)域，呈現(xiàn)出極度改善區(qū)域緊鄰河道的現(xiàn)象，這是2008—2017年灘區(qū)植被覆蓋度逐漸趕上并反超寬灘區(qū)沿線行政區(qū)植被覆蓋度的重要原因。

圖7 黃河下游寬灘區(qū)內1987年和2017年植被覆蓋情況

植被覆蓋度同時受社會經(jīng)濟活動的影響，以縣級行政區(qū)為單位，在2017年植被覆蓋度基礎上，選取各縣級行政區(qū)的人均GDP、城鎮(zhèn)化率、第一產(chǎn)業(yè)占比、第二產(chǎn)業(yè)占比、第三產(chǎn)業(yè)占比、糧食播種面積6 個社會經(jīng)濟指標與各縣級行政區(qū)的植被覆蓋度進行相關性分析，其相關系數(shù)分別為-0.591**、-0.557**、0.399、0.531*、-0.582**、0.684**，其中**表示在0.01 水平顯著相關、*表示在0.05 水平顯著相關。 寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度與人均GDP、城鎮(zhèn)化率和第三產(chǎn)業(yè)占比極顯著負相關，與糧食播種面積極顯著正相關，與第二產(chǎn)業(yè)占比顯著正相關，說明城鎮(zhèn)化進程加快，服務業(yè)蓬勃發(fā)展，經(jīng)濟水平提高造成地表植被覆蓋度下降。

4 結論

通過對黃河下游寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度變化特征進行分析，得出以下結論：從時間上看，1987—2017年黃河下游寬灘區(qū)沿線植被覆蓋整體呈改善趨勢，灘區(qū)內植被覆蓋度由1987年的0.531 增大到2017年的0.719，寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度由1987年的0.654 增大到2017年的0.700，且寬灘區(qū)內植被覆蓋度在2003年之后與寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度差距逐漸減小并在2017年反超；寬灘區(qū)沿線、寬灘區(qū)內植被覆蓋度年內變化呈明顯“雙峰型”特征；從空間上看，寬灘區(qū)沿線西南部植被覆蓋度較小，東北部植被覆蓋度較大，無植被覆蓋和低植被覆蓋區(qū)域集中在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展地區(qū)及其周邊；寬灘區(qū)沿線植被覆蓋度年內變化受農(nóng)業(yè)輪作耕種制度影響較大；小浪底水庫調水調沙造成河道收束對寬灘區(qū)內植被覆蓋度提高起到重要作用。