張鈴林 ，楊存建

(1.四川師范大學 地理與資源科學學院，四川 成都 610101；2.四川師范大學 西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室，四川 成都 610068)

植被是一種重要的自然資源，陸地植被作為生態(tài)系統(tǒng)的一部分，它的變化對于研究一個地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)情況具有重要意義[1]。為改善生態(tài)環(huán)境，我國先后實施各種有關環(huán)境保護的生態(tài)工程，如長江防護林建設、天然林資源保護(天保工程)、“退耕還林”等工程。這些生態(tài)工程涉及到我國多個省市地區(qū)，對這些地方的植被恢復產(chǎn)生較大影響。植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)作為一種衡量植被覆蓋狀況的重要指標，在各類有關植被的研究中得到廣泛應用[2]。計算植被覆蓋度的模型較多，其中像元二分模型是目前國內(nèi)外比較常用的一種，我國學者也利用此模型進行了大量研究，如董弟文等[3]、李海峰[4]。在研究內(nèi)容上，我國學者也不僅僅局限于只關注植被變化的多少，而是從氣候[5]、地形[6]等因素分析植被變化的原因，探究引起植被覆蓋度變化的驅(qū)動力[7]。隨著遙感技術的發(fā)展，研究所能使用的數(shù)據(jù)也更多，如Landsat系列數(shù)據(jù)[8]、MODIS系列數(shù)據(jù)[9,10]、哨兵數(shù)據(jù)[11]、高分系列數(shù)據(jù)[12]、無人機影像[13]等等。遙感數(shù)據(jù)的發(fā)展使研究者在研究范圍上有了更多選擇，大的范圍比如省[14]，較小的范圍如市[15]、縣[16]等。在研究尺度的選擇上，目前我國學者在縣域尺度上研究還較少，尤其是四川盆地邊緣山區(qū)，目前較少有學者展開探究。

本研究以四川省劍閣縣作為研究區(qū)域。該地區(qū)作為四川省的林業(yè)大縣，自20 世紀80年代以來，為進一步改善本地的植被覆蓋狀況，劍閣縣響應國家政策在當?shù)叵群髮嵤┝酥T多生態(tài)工程，包括1989年起開展的長江防護林工程、1999年起開展的退耕還林和2000年起開展的天保一期工程、2011年起開展的天保二期工程和2014年起開展的新一輪退耕還林，但到目前為止尚未有學者對該地區(qū)的植被覆蓋變化情況展開研究。為分析這些工程前后該地區(qū)的植被變化情況，選擇這些工程開展前后的影像數(shù)據(jù)進行研究。由于四川地區(qū)常年多云霧，使影像的質(zhì)量受到影響，故選擇1986、1995、2011和2019年共4期質(zhì)量較好的影像進行研究。本研究以Landsat系列遙感數(shù)據(jù)為基礎，借助像元二分模型計算該地區(qū)的植被覆蓋度，并在此基礎上借助DEM高程數(shù)據(jù)研究劍閣縣的植被覆蓋變化與地形因子之間的關系，分析該地區(qū)在經(jīng)歷諸多生態(tài)工程后植被的變化情況，以期為劍閣縣的生態(tài)環(huán)境保護和管理提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

劍閣縣位于四川省廣元市境內(nèi)(31°31′～32°21′N，105°10′～105°49′E)，該縣位于四川盆地邊緣，屬于盆地邊緣山區(qū)，北部為高大的秦嶺山脈，屬于典型的低山地貌，地勢自西北部向東南部逐漸降低，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，降水充沛，氣候宜人[17]。該區(qū)域地理位置優(yōu)越，位于四川省的北部，處于四川、甘肅和陜西三省結合部，歷史文化底蘊深厚，有著名的劍門蜀道文化等等。除此之外，由于四季分明，氣候溫和，劍閣縣的植物資源也較為豐富，是四川省有名的林業(yè)大縣，常見樹種有柏木(Cupressusfunebris)、榿木(Alnuscremastogyne)、麻櫟(Quercusacutissima)、馬尾松(Pinusmassoniana)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、榆樹(Ulmuspumila)和油桐(Verniciafordii)等[18]。因此對該地區(qū)的植被覆蓋情況展開研究是十分有意義的。

圖1 劍閣縣地理區(qū)位Fig.1 Geographic map of Jiange County

1.2 數(shù)據(jù)來源以及預處理

本研究所選用的數(shù)據(jù)為Landsat系列遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺。綜合考慮到7—8月為該研究區(qū)域植被的生長期，所以分別選擇1986年7月、1995年8月和2011年8月各一景Landsat 5 TM遙感影像，2019年8月一景Landsat 8 OLI遙感影像，在ENVI5.3軟件中對影像進行輻射定標、大氣校正和裁剪等預處理。使用的DEM高程數(shù)據(jù)也來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，空間分辨率為30 m，在ArcGIS10.3軟件中處理，提取出海拔、坡度和坡向數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 像元二分模型

利用像元二分模型計算研究區(qū)的植被覆蓋度，其計算公式如下。

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil表示完全為裸土或者是無植被覆蓋情況下的NDVI值，NDVIveg表示純植被像元的NDVI值。在沒有實測數(shù)據(jù)情況下，可以取一定置信區(qū)間的NDVImax和NDVImin代替NDVIveg和NDVIsoil[19]。在本研究中選擇統(tǒng)計值中98%和2%的NDVI值作為NDVImax和NDVImin。

1.3.2 差值法

為了進一步分析1986年至2019年劍閣縣植被覆蓋度變化的情況，采用差值法計算不同時期植被覆蓋度的變化量。

2 結果與分析

2.1 劍閣縣1986—2019年植被覆蓋度空間分布

基于像元二分模型，利用4期植物生長期的遙感影像計算該地區(qū)1986、1995、2011和2019年4個時期的植被覆蓋度。為了進一步分析劍閣縣植被覆蓋度的空間分布情況，將計算出來的植被覆蓋度劃分為5個等級，結合陳妮等[20]的研究，不同等級的劃分閾值分別為：低(<0.2)、中低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、中高(0.6～0.8)、高(>0.8)。劍閣縣各年份的植被覆蓋度分布情況如圖2所示，其平均植被覆蓋情況如圖3所示。同時，統(tǒng)計各年份不同植被覆蓋度等級的面積比例，以此分析該地區(qū)的不同等級植被覆蓋度的變化情況。

劍閣縣的植被覆蓋情況在1986年至2019年一直處于一個較好的狀況(圖2)。其中，1986年低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度主要分布在該縣的東南角，到2019年，該區(qū)域的植被覆蓋情況明顯好轉。

圖2 1986-2019年劍閣縣的植被覆蓋度Fig.2 Vegetation coverage in Jiange County from 1986 to 2019

將1986年、1995年、2011年和2019年的植被覆蓋度影像疊加計算其平均植被覆蓋度(圖3)。在研究時間段，劍閣縣的平均植被覆蓋以中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，其中最為典型的為北部山脈周邊地區(qū)，比如劍門關鎮(zhèn)。而低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度主要分布在研究區(qū)域的南部，即公興鎮(zhèn)、金仙鎮(zhèn)和香沉鎮(zhèn)等地。

如圖4所示，在1986年至2019年，劍閣縣以中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，二者所占比例之和超過了50%。其中，高植被覆蓋度所占面積逐年增加，其分布范圍從開始的北部山脈附近逐步擴散到其他地區(qū)。研究區(qū)域低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度所占比例較小。

圖4 劍閣縣的植被覆蓋度及各等級的比例Fig.4 Vegetation coverage and proportion of each grade in Jiange County

2.2 劍閣縣1986—2019年植被覆蓋度時空變化分析

為了進一步分析在不同時間段內(nèi)劍閣縣植被的改善與退化分布情況，通過差值法對植被覆蓋度影像進行計算，參考楊燦等[21]的研究方法以及本地區(qū)的特點，將變化值設置閾值劃分為5個等級：顯著退化(<-0.3)、輕微退化(-0.3～-0.1)、穩(wěn)定(-0.1～0.1)、輕微改善(0.1～0.3)、顯著改善(>0.3)。劍閣縣植被的改善與退化分布狀況如圖5所示。利用轉移矩陣進一步分析該地區(qū)植被覆蓋度的年際變化情況，結果見表1。

圖5 劍閣縣33年期間的植被變化情況Fig.5 Vegetation changes in Jiange County during 33 years

表1 劍閣縣植被覆蓋度的轉移矩陣Tab.1 Transfer matrix of vegetation coverage in Jiange County km2

1986年至1995年劍閣縣的植被變化情況以穩(wěn)定和改善為主，如北部山脈附近，植被覆蓋度多年較穩(wěn)定。究其主要原因是由于劍閣縣自1989年起開始進行長江防護林工程建設，實施了封山育林、森林撫育和飛播造林等諸多造林措施，這些生態(tài)保護措施改善了劍閣縣的植被覆蓋情況。1995年至2011年劍閣縣的植被變化情況也是以穩(wěn)定和改善為主，分析其原因，主要是因為在該時間段進一步實施了“退耕還林”“天保工程”兩大生態(tài)工程建設。劍閣縣自1999年起開始實施退耕還林，這一工程使劍閣縣的林地和耕地情況得到進一步改善，而自2000年起該地區(qū)開展“天保一期工程”，通過各種措施對該地的林地產(chǎn)生較大影響。2011—2019年，劍閣縣的植被變化情況依舊是以穩(wěn)定和改善為主，因為自2011年起劍閣縣進一步實施“天保二期工程”，隨后不久從2014年起又實施新一輪的“退耕還林”工程，加大森林資源的保護力度，這讓劍閣縣的生態(tài)環(huán)境得到進一步改善。

從整體情況進行分析，1986年至2019年劍閣縣的植被變化在整體上以改善和穩(wěn)定區(qū)域占優(yōu)勢，如東南部在1986年植被覆蓋度較低，但在變化圖中植被明顯改善，其主要原因是“退耕還林”和諸多造林工程改善了這部分地區(qū)的林地植被，使裸露的土地逐漸減少。除了水域外，北部的山脈和中部部分地區(qū)植被較穩(wěn)定。整個縣域內(nèi)退化的區(qū)域分布比較零散，但是分布依然有規(guī)律，據(jù)劍閣縣33年期間的植被變化情況(圖5)分析，其中比較明顯的退化區(qū)域主要分布在河流附近，主要原因是水域的面積增加，如修建水庫、河流的河道變寬等因素，導致水域周邊原本被植被覆蓋的地區(qū)被水淹沒，致使植被覆蓋度下降，如聞溪河周邊區(qū)域；其次是建設用地面積的增加，比如劍閣縣縣城所在地隨著城市面積的擴大，原本是植被的區(qū)域被房屋所覆蓋，其植被覆蓋度明顯下降。

為了進一步分析劍閣縣的植被覆蓋度年際變化，對2019年和1986年兩期數(shù)據(jù)進行疊加分析，獲取1986年至2019年植被覆蓋度的轉移矩陣。從表1轉移矩陣中可以看出，在該時間段劍閣縣的高植被覆蓋度的穩(wěn)定性最好，其中大部分面積保持不變，同時除了低植被覆蓋度以外，其他3個植被覆蓋度等級大多向高植被覆蓋度等級轉變，且3個植被覆蓋度等級向高植被覆蓋度轉變的面積超過了自身面積的一半，最終高植被覆蓋度區(qū)域的面積總共增加了1 126.28 km2。低植被覆蓋度區(qū)域雖然變化面積不多，但其本身所占面積不大。雖然不同等級植被覆蓋度之間轉變情況不同，但仍可以看出植被覆蓋度等級的轉變是向好的方向發(fā)展。

2.3 劍閣縣植被覆蓋度變化與地形因子的關系

為了進一步分析劍閣縣地形與植被變化的關系，將提取出的高程、坡度和坡向等3個地形因子劃分等級與1986年至2019年的植被覆蓋度差值影像疊加分析，探究在不同等級地形因子上植被的退化與改善變化情況。參考研究區(qū)域的實際情況對地形因子進行重分類，將高程劃分為8個等級：<500 m、500～600 m、600～700 m、700～800 m、800～900 m、900～1 000 m、1 000～1 100 m、>1 100 m。根據(jù)水土流失調(diào)查常用的8°作為緩坡和斜坡界線的方法，將該區(qū)域的坡度劃分為平坡地(0～5°)、緩坡地(5°～8°)、斜坡地(8°～15°)、陡坡地(15°～25°)、急坡地(25°～35°)、險坡地(>35°)[22]。將坡向劃分為5個等級(陰坡、陽坡、半陰坡、半陽坡和平地)[23]。

2.3.1 高程因子

如圖6所示，在1986年至2019年期間，劍閣縣植被的改善主要發(fā)生在海拔500～700 m范圍，其中：植被輕微改善主要發(fā)生在海拔600～700 m范圍，在該海拔區(qū)域改善面積達到309.27 km2；植被顯著改善主要發(fā)生在海拔500～600 m范圍，在該海拔區(qū)域改善面積達到194.65 km2。同一時期，植被輕微退化和顯著退化主要發(fā)生在500～600 m海拔范圍，在這個范圍植被退化面積總共達到了90.68 km2。在每個高度等級中，植被改善區(qū)域的面積明顯大于退化區(qū)域。

圖6 劍閣縣不同海拔區(qū)域的植被覆蓋面積變化Fig.6 Changes of vegetation coverage at different altitudes in Jiange County

2.3.2 坡度因子

如圖7所示，植被覆蓋的變化主要發(fā)生在斜坡地和陡坡地，也就是坡度8°～25°的范圍。植被的輕微退化和顯著退化主要發(fā)生在斜坡地，在這個范圍退化面積總共達到124.33 km2。輕微改善和顯著改善主要發(fā)生在陡坡地，在這個范圍改善的面積總共達到594.53 km2。而在各個坡度的植被中，植被的改善區(qū)面積都大于退化區(qū)。

圖7 劍閣縣不同坡度的植被覆蓋度變化情況Fig.7 Changes of vegetation coverage at different slopes in Jiange County

2.3.3 坡向因子

如圖8所示，除平地外，植被改善區(qū)在半陽坡的面積最大，輕微改善和顯著改善區(qū)域在半陽坡的總面積達到了482.91 km2。植被退化區(qū)在陽坡的面積最大，輕微退化和顯著退化區(qū)域在陽坡的總面積達到了83.80 km2。在各個坡向上植被改善區(qū)面積均大于退化區(qū)面積。

圖8 劍閣縣不同坡向的植被覆蓋度變化情況Fig.8 Changes of vegetation coverage in different slope directions in Jiange County

3 討論與結論

3.1 討論

劍閣縣位于四川盆地邊緣，區(qū)域內(nèi)降水充沛，且氣溫適宜。自1986年至2019年，該地區(qū)經(jīng)歷了“長江防護林建設”“天保工程”和“退耕還林”等諸多生態(tài)工程。研究結果表明，這些生態(tài)工程對劍閣縣的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了積極影響。在進行地形分析時，植被的退化區(qū)域主要發(fā)生在海拔500～600 m范圍，究其原因，主要是由于在該海拔范圍人類活動比較頻繁，對植被的干擾較大。因此保護森林植被除了要積極展開各項生態(tài)修復工程外，還應注重培養(yǎng)人們的森林保護意識，合理規(guī)劃、進行各項土地開發(fā)活動。同時，在坡度25°以上的區(qū)域以改善為主也反映出“退耕還林”工程在當?shù)貙嵤┣闆r較好，后期也應該進一步鞏固各項生態(tài)修復工程現(xiàn)有的成果，加強植被保護的力度。而另一方面對植被資源進行保護的同時，為了促進劍閣縣本地產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，也應考慮森林資源的合理開發(fā)，對當?shù)厣仲Y源的開發(fā)利用進行合理規(guī)劃，比如木材加工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、發(fā)展經(jīng)濟林以及與劍閣縣本地旅游部門結合打造綠色旅游項目等。

此外，本研究也存在一些不足之處，由于四川地區(qū)云霧較多，本次研究所選擇的部分影像存在薄霧，雖然經(jīng)過校正但依舊對研究結果產(chǎn)生一定影響，因此在未來的研究中應該考慮使用質(zhì)量更好、更清晰的影像以確保其結果更加準確。

3.2 結論

基于1986年至2019年4期Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，利用歸一化植被指數(shù)和像元二分模型，結合DEM高程數(shù)據(jù)，以四川省劍閣縣作為研究區(qū)域，對該區(qū)域的植被覆蓋情況進行研究，本次研究結論如下。

(1)1986—2019年，劍閣縣的植被覆蓋情況較好，該地區(qū)的植被覆蓋度明顯提升，植被覆蓋度以中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，并且高植被覆蓋度所占比例呈逐年上升趨勢。以差值法分析植被的年際變化，劍閣縣的植被以穩(wěn)定和改善為主。通過轉移矩陣分析1986年至2019年的植被年際變化，發(fā)現(xiàn)除了低植被覆蓋度以外，各等級植被覆蓋度之間的轉變以向高植被覆蓋度轉變?yōu)橹鳌?/p>

(2)從地形因子方面分析，植被覆蓋度的改善與退化情況在不同海拔、坡度和坡向上存在差異，在高程因子上，植被的改善主要發(fā)生在海拔500～700 m的區(qū)域，退化主要發(fā)生在海拔500～600 m的區(qū)域；在坡度因子上，植被退化主要發(fā)生在斜坡地，改善主要發(fā)生在陡坡地，在25°以上的區(qū)域主要為改善區(qū)域，坡度較陡的地區(qū)植被得到很好的改善；在坡向因子上，植被改善主要發(fā)生在半陽坡，退化主要發(fā)生在陽坡。在有關各個地形因子的分析當中，植被改善區(qū)域均占明顯優(yōu)勢。