羅增奇，成軍鋒*，仇寬彪，盧軍智

(1.陜西千渭之會(huì)國家濕地公園管理處，陜西 寶雞 721004；2.太湖流域管理局太湖流域水土保持監(jiān)測中心站，上海 200434；3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042；4.寶雞市林業(yè)科技信息中心，陜西 寶雞 721000)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，聯(lián)接了土壤圈、水圈和大氣圈的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)，在生態(tài)環(huán)境上具有調(diào)節(jié)氣候、調(diào)節(jié)碳氧平衡、保持土壤水分、減少水土流失等作用[1]。同時(shí)，植被覆蓋是區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要組成之一。因此研究區(qū)域植被覆蓋狀況有重要意義。

目前，采用光譜植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index,NDVI)對(duì)區(qū)域植被變化進(jìn)行監(jiān)測與分析是植被變化研究中的主要方法[2-4]。一般認(rèn)為，盡管NDVI在植被覆蓋度較高時(shí)易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，但在大多數(shù)情況下，其與植被覆蓋度、生物量、葉面積指數(shù)及土地利用之間均密切相關(guān)[5]。對(duì)區(qū)域植被覆蓋而言，不同高程和坡度區(qū)域的NDVI存在差異[6,7]。農(nóng)村居民點(diǎn)分布[8]及其它建設(shè)用地?cái)U(kuò)張[9]則會(huì)影響區(qū)域NDVI的變化特征。這些研究雖然詳盡分析了地形和坡度這兩個(gè)基本的地形要素對(duì)NDVI的影響，但地表起伏才是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用、人口分布及地質(zhì)災(zāi)害的主要地貌特征[10,11]。但對(duì)于不同地表起伏狀況下植被覆蓋變化的研究還較為缺乏。

秦嶺山區(qū)是我國南北方的自然分界線，植被類型多樣，且垂直地帶性明顯。隨著全球氣候變化，秦嶺氣溫[12]、降水[13,14]、南北坡太陽輻射[15]、近地面水汽壓[16]、風(fēng)速[17]、絕對(duì)濕度[18]及日照時(shí)數(shù)[19]等氣象因素均有顯著變化。因此本文選取秦嶺這一自然分界線區(qū)域，分析2000-2017年間其植被覆蓋的時(shí)空變化特征。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺山區(qū)大致位于105°30′～110°05′E，32°40′～34°35′N之間，地處我國亞熱帶和暖溫帶的生態(tài)過渡帶，是我國南北自然環(huán)境的分界線。秦嶺海拔平均在300～2 000 m之間，山地北仰南俯。北坡屬于暖溫帶半濕潤氣候帶，南坡則屬于亞熱帶濕潤氣候帶。同時(shí)，秦嶺亦是我國重要的生物地理分界線，北坡廣泛分布暖溫帶落葉闊葉林，而南坡則分布北亞熱帶落葉常綠闊葉混交林。由于山勢高聳，植被垂直地帶性表現(xiàn)明顯。

本研究區(qū)域主要涉及位于陜西省和甘肅成縣境內(nèi)的秦嶺部分，包括南坡的漢江谷地、嘉陵江谷地以及北坡的關(guān)中平原，其行政范圍涉及陜西省漢中、安康、商洛、寶雞、咸陽、西安和渭南等市。研究區(qū)范圍見圖1。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

歸一化植被指數(shù)(NDVI)能較好的反映地表植被分布狀況及變化特征，是目前應(yīng)用相當(dāng)普遍的光譜植被指數(shù)。

本研究采用的MOD13A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的NDVI數(shù)據(jù)源。該產(chǎn)品為MODIS的逐月NDVI四級(jí)產(chǎn)品，空間分辨率1 km，通過分幅形式提供下載。本次研究區(qū)域涉及h26v05和h27v05兩個(gè)圖幅。數(shù)據(jù)產(chǎn)品日期為2000-2017年間4-10月。為消除云、大氣以及太陽高度角等因素的影響，該數(shù)據(jù)采用最大值合成法獲得逐月NDVI。MOD13A3數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)投影變換、拼接以及重采樣處理。處理后影像采用WGS_1984坐標(biāo)系，高斯克呂格投影，空間分辨率為1 km。對(duì)4-10月的逐月NDVI采用平均NDVI，作為年均NDVI值。計(jì)算方法為：

地形數(shù)據(jù)采用空間分辨率為90 m的DEM數(shù)據(jù)。根據(jù)莫申國(2008)的研究[20]，在采用能夠提取秦嶺地區(qū)地表起伏度的DEM是100 m，因此本文選取90 m的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地表起伏度提取。DEM數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云下載。

1.3 研究方法

1.3.1 地表起伏度提取 海拔高度和起伏度是描述地表形態(tài)的兩個(gè)重要因子，是山地結(jié)構(gòu)和格局研究的重要指標(biāo)。地形起伏度，是指地面一定距離或面積范圍內(nèi)最大高差，是研究山地格局的重要指標(biāo)。參照已有研究[20]，采用起伏度和海拔對(duì)秦嶺山區(qū)地貌類型進(jìn)行劃分。第一級(jí)以起伏度分類，將地表形態(tài)分為平原、臺(tái)地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地；第二級(jí)以海拔分類，將地表形態(tài)分為低海拔、中海拔和高海拔。根據(jù)研究，秦嶺地區(qū)地表起伏度宜采用4 km2網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算[20]。分別計(jì)算各網(wǎng)格內(nèi)地表高程差和平均高程，按照表1進(jìn)行地貌形態(tài)分類。

表1 秦嶺地區(qū)地貌形態(tài)分類及其編號(hào)

1.3.2NDVI變化趨勢分析 為反映2000-2017年間秦嶺山區(qū)NDVI的變化趨勢及空間差異，本文在像元尺度對(duì)NDVI與年份進(jìn)行簡單線性回歸。簡單線性回歸的斜率作為18年間該像元NDVI的變化趨勢。

其中，slp表示斜率，y為NDVI，i表示年份，n表示年份長度，本文n=18，x表示年份。如果slp為正值，則表示2000—2017年間該像元NDVI呈增加趨勢，反之則呈減少趨勢。選擇P=0.01和P=0.05作為顯著度水平。

1.3.3NDVI變化趨勢預(yù)測(Hurst指數(shù)) 本文采用Hurst指數(shù)表征秦嶺地區(qū)NDVI的變化趨勢。Hurst指數(shù)(H)是定量描述時(shí)間序列長程依賴性的主要方法之一，在水文、氣候等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。目前，計(jì)算Hurst指數(shù)的方法較多，但研究表明重標(biāo)極差(R/S)和小波分析法估算的Hurst指數(shù)更為可靠[21]。參照已有的植被研究[22]，本文采用重標(biāo)極差(R/S)分析法計(jì)算Hurst指數(shù)，該方法最早由英國水文學(xué)家Hurst在研究尼羅河水庫流量和儲(chǔ)存能力的關(guān)系時(shí)提出[23]。其計(jì)算方法為：

(1)NDVI時(shí)間序列NDVIi，i=1,2,3,…,18，對(duì)于任意正整數(shù)m，有該時(shí)間序列的均值序列：

m=1,2,…,18

(2)計(jì)算該時(shí)間序列的累計(jì)離差：

1≤t≤m

(3)計(jì)算累計(jì)離差極差：

R(m)=maxX(t)-minX(t)

m=1,2,…,18

(4)計(jì)算累計(jì)離差標(biāo)準(zhǔn)差：

m=1,2,…,18

對(duì)于比值R(m)/S(m)@R/s，如存在R/S∞mH，則說明時(shí)間序列存在Hurst現(xiàn)象。H即為Hurst指數(shù)。兩邊取對(duì)數(shù)，則可通過最小二乘法得到H值。

根據(jù)H值，可判斷NDVI序列是否存在持續(xù)性。當(dāng)0.5

2 結(jié)果與分析

2.1 地表起伏度

秦嶺地區(qū)地貌類型較為多樣。其中，從地表起伏度來看，秦嶺地區(qū)有平原、臺(tái)地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地六種。結(jié)合高、中、低三個(gè)海拔等級(jí)，秦嶺地區(qū)地貌類型有低海拔平原、低海拔臺(tái)地、中海拔臺(tái)地、低海拔丘陵、中海拔丘陵、小起伏低山、小起伏中山、中起伏低山、中起伏中山、大起伏低山和大起伏中山等11種類型。其中，以中起伏中山、小起伏低山和小起伏中山為主要類型，三者面積分別達(dá)33.0×103km2、22.0×103km2和20.0×103km2，面積總和占秦嶺地區(qū)總面積的77%(圖2)。

圖2 秦嶺地區(qū)各地貌類型面積分布圖

空間分布上來看，低海拔平原和和低海拔臺(tái)地主要分布在秦嶺北麓以及南部漢水上游冷水河段河谷地區(qū)。小起伏山地和小起伏中山則主要分布在秦嶺東南部和南部地區(qū)。中起伏中山則主要分布在秦嶺中部。秦嶺西北部主要為小起伏低山(圖3)。

2.2 NDVI空間分布

2000—2017年多年平均NDVI存在空間差異。秦嶺南坡多年平均NDVI高達(dá)0.83，而北坡多年平均NDVI為0.77。在秦嶺中部地區(qū)，NDVI較大，多在0.88以上；而東、西部NDVI則相對(duì)較小，其值在0.78～0.83之間。在秦嶺北坡關(guān)中平原，NDVI則普遍較小，多在0.3～0.5之間。此外，在嘉陵江、漢水等支流河谷地區(qū)，NDVI較小(圖4)。

圖3 秦嶺地區(qū)地貌分區(qū)圖

圖4 2000-2017年秦嶺地區(qū)多年平均NDVI分布圖

從地貌類型的多年NDVI分布來看，海拔高度和地表起伏度對(duì)NDVI有影響。低海拔平原、臺(tái)地和丘陵多年平均NDVI較小，其值在0.7以下；中海拔丘陵和中海拔臺(tái)地多年平均NDVI在0.74～0.77之間；中起伏中山、大起伏中山多年平均NDVI較大，其值在0.85以上(圖5)。

圖5 2000-2017年秦嶺地區(qū)不同地貌類型多年平均NDVI圖

2.3 NDVI變化趨勢

2000—2017年間，秦嶺地區(qū)NDVI年際變化顯示出較為明顯的空間分異特征(圖6)。NDVI顯著減少的地區(qū)主要集中在秦嶺北坡渭河南岸關(guān)中平原地區(qū)，以及秦嶺南坡漢水谷地，此兩地NDVI的年均降幅均約為每年0.03。NDVI顯著增加的地區(qū)則主要分布在秦嶺南坡西部與東南部地區(qū)，其中在成縣附近的嘉陵江流域、安康市漢水谷地兩邊NDVI增幅較大，平均可達(dá)每年0.01。

從各地貌類型NDVI的年際變化趨勢來看，低海拔平原、中海拔臺(tái)地、中海拔平原和低海拔丘陵NDVI年際變化趨勢均為負(fù)值，表明研究期內(nèi)這四個(gè)地貌類型區(qū)植被覆蓋有所減小。其中，低海拔平原NDVI平均降幅最大，降幅超過每年0.006，這也表明秦嶺地區(qū)低海拔平原區(qū)植被破壞最為嚴(yán)重。而在其他的地貌類型區(qū)，NDVI變化趨勢均為正值，表明研究期內(nèi)其他地貌類型區(qū)植被覆蓋有所改善。其中，在中起伏低山、小起伏中山和小起伏低山區(qū)NDVI增幅超過每年0.002 5，表明這些地區(qū)植被恢復(fù)較好(圖7)。

2.4 NDVI變化趨勢預(yù)測

Hurst指數(shù)分析表明，2000-2017年間秦嶺地區(qū)NDVI增加，且在今后一段時(shí)間仍會(huì)保持上升趨勢的區(qū)域，其面積超過78.0×103km2，占秦嶺地區(qū)總面積的72%。NDVI有增加趨勢，而在今后一段時(shí)間有所下降的地區(qū)，與NDVI有減小趨勢，而在今后一段時(shí)間仍保持下降趨勢的區(qū)域，兩者面積大體相同，分別為15.0×103km2和12.0×103km2。而NDVI有減小趨勢，而今后可能增加的地區(qū)則僅有3.0×103km2，大約只有秦嶺地區(qū)總面積的3%。

從空間分布來看，原先有減小趨勢的地區(qū)，今后NDVI仍會(huì)繼續(xù)減小的地區(qū)，主要集中在秦嶺北麓關(guān)中平原南緣，以及南坡漢水支流河谷地帶。而原先上升，今后可能下降的地區(qū)分布較為分散，大體散布在南坡的山區(qū)。NDVI原先減少、而后增加的地區(qū)，主要集中分布在秦嶺南北坡分水嶺沿線，顯示高山地區(qū)植被狀況的變化(圖8)。

圖6 2000-2017年秦嶺地區(qū)NDVI變化趨勢圖注：灰色區(qū)域表示NDVI變化趨勢不顯著(P>0.05)。

圖7 2000-2017年秦嶺地區(qū)不同地貌類型NDVI年際變化趨勢圖

圖8 秦嶺地區(qū)NDVI未來變化趨勢圖

在低海拔平原、低海拔臺(tái)地、中海拔臺(tái)地和低海拔丘陵地區(qū)，NDVI原先減少、而后可能繼續(xù)減少的地區(qū)在各區(qū)總面積中的占比較大，面積比重分別為85%、86%、83%和47%，顯示上述各區(qū)植被狀況可能會(huì)持續(xù)變差。而在中海拔丘陵、小起伏低山、小起伏中山、中起伏低山、中起伏中山、大起伏低山和大起伏中山地區(qū)，NDVI原先增加、而后也繼續(xù)增加的面積占比較大，其面積比重均在60%以上，顯示上述區(qū)域植被狀況持續(xù)改善，這可能與該地區(qū)人為活動(dòng)較少、林草面積廣布有關(guān)。值得注意的是，在低海拔丘陵地區(qū)，NDVI原先增加、而后繼續(xù)增加的面積比重達(dá)39%，與NDVI原先減少、而后繼續(xù)減少的區(qū)域面積比重47%大致相當(dāng)，表明該地貌類型區(qū)植被變化較為復(fù)雜，植被覆蓋的影響因素較多(見表2)。

表2 秦嶺地區(qū)NDVI未來變化趨勢在各地貌類型區(qū)中的面積比例

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

多年平均NDVI的空間分布特征大體與研究期內(nèi)秦嶺地區(qū)土地利用類型的分布相似。多年平均NDVI的低值區(qū)大多分布在城鎮(zhèn)周邊等建設(shè)用地密集區(qū)域，如關(guān)中平原，以及嘉陵江、漢水等河谷地區(qū)。而多年平均NDVI的高值區(qū)則主要分布在山地等植被受人為干擾較少的地區(qū)。這也從各地貌類型的多年平均NDVI的分析結(jié)果中得到驗(yàn)證。

從NDVI的變化趨勢來看，低海拔的平原和臺(tái)地區(qū)，NDVI有逐漸減小的變化趨勢，而在中起伏低山、中山等地區(qū)，NDVI則有逐漸增加的變化趨勢，這是因?yàn)榈秃０纹皆团_(tái)地區(qū)人口密度較大，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張，農(nóng)村居民點(diǎn)散布，對(duì)平原和河谷臺(tái)地的植被有持續(xù)性的影響。

一般地，低海拔地區(qū)由于可進(jìn)入度較高，人為干擾也較為劇烈和頻繁；而高海拔地區(qū)可進(jìn)入度則較低，人為干擾則相對(duì)較弱。同樣，平原、臺(tái)地地區(qū)可進(jìn)入度較高，人為干擾也較為劇烈和頻繁；而各種山區(qū)可進(jìn)入度較小，而人為干擾也相對(duì)較小。而秦嶺地區(qū)植被基礎(chǔ)較好，因此在控制人為干擾后，植被覆蓋便有逐年改善的趨勢。

但部分人為干擾可能對(duì)植被恢復(fù)有促進(jìn)作用。2000—2017年間秦嶺地區(qū)實(shí)施退耕還林還草工程。按照工程要求，在所有坡度大于25°的地區(qū)必須要退耕還林還草。以漢中市為例，1999開始，漢中市開始實(shí)施退耕還林工程，到2004年，累計(jì)完成退耕還林163.6×103hm2，其中退耕地造林105.7×103hm2，荒山造林57.9×103hm2。這些造林區(qū)域大體在秦巴山脈中低山及低山丘陵地區(qū)[24]。

今后，在秦嶺南北坡分水嶺附近，NDVI有增加的趨勢，這可能與林線上移有關(guān)。研究顯示，近30年秦嶺地區(qū)氣溫呈上升趨勢，高海拔地區(qū)NDVI與氣溫的相關(guān)性最高[25]，未來該區(qū)域NDVI的增加趨勢，很可能是由于氣溫升高所帶來的植被向高海拔擴(kuò)張分布的結(jié)果。

在低海拔丘陵地區(qū)，今后雖然有近一半的面積其NDVI呈繼續(xù)減小趨勢，但亦約40%的面積其NDVI有增大趨勢。這表明未來植被保護(hù)的重點(diǎn)在于低海拔丘陵區(qū)。除了完善城鎮(zhèn)規(guī)劃和農(nóng)業(yè)規(guī)劃外，尚有從城市森林、鄉(xiāng)村人居林的角度開展森林建設(shè)的必要。

3.2 結(jié)論

本文選取秦嶺山區(qū)這一在我國自然環(huán)境的過渡區(qū)域，分析研究了2000—2017年該區(qū)域植被在不同地貌類型區(qū)的時(shí)空分布特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)2000—2017年間，秦嶺地區(qū)NDVI的高值區(qū)位于秦嶺中西部山區(qū)，而低值區(qū)則主要位于北坡關(guān)中平原以及南坡的嘉陵江、漢水河谷地區(qū)；從地貌類型來看，低海拔平原、臺(tái)地和丘陵NDVI僅在0.7以下，而中起伏中山和大起伏中山NDVI高達(dá)0.85。

(2)NDVI顯著減少的地區(qū)主要集中在秦嶺北坡渭河南岸關(guān)中平原地區(qū)，以及秦嶺南坡漢水谷地，而顯著增加的地區(qū)則主要分布在秦嶺南坡西部與東南部地區(qū)；從地貌類型來看，低海拔平原、中海拔臺(tái)地、中海拔平原和低海拔丘陵NDVI有所減小，而山地區(qū)NDVI則有所增大。

(3)今后，秦嶺地區(qū)有72%的面積其NDVI將繼續(xù)增大；NDVI繼續(xù)減小的地區(qū)則主要集中在秦嶺北麓關(guān)中平原南緣，以及南坡漢水河谷地帶；NDVI原先減少、而后增加的地區(qū)，主要集中分布在秦嶺南北坡分水嶺沿線高山地區(qū)。