近20年寶雞市植被覆蓋度動態變化及驅動力分析

2015-01-07 03:05:18秦超李君軼陳宏飛

山東農業科學 2014年9期

秦超+李君軼+陳宏飛

摘要：植被覆蓋度是反映地區生態環境的重要指標，本文利用1988、2000、2007年三期TM遙感數據，計算出寶雞市的歸一化植被指數（NDVI），并通過像元二分模型計算出不同時段的植被覆蓋度，最后將歸一化植被指數的差值進行分級，以此來分析寶雞市1988～2007近20年的植被覆蓋變化動態。結果表明：1988～2000年間，極低覆蓋度、高覆蓋度、極高覆蓋度比例都呈現出減少趨勢，減少比例分別為寶雞市土地面積的0.02%、1.66%和1.98%，其他各級別植被覆蓋度也都有不同程度下降；2000～2007年間，極高植被覆蓋度增大的比例達到8.04%。NDVI差值指數分級結果顯示，1988～2000年植被退化明顯，2000～2007年有大幅度改善；從長時間序列看，生態退化比較明顯的區域是金臺區、扶風縣、岐山縣、鳳翔縣。人為因素是影響植被覆蓋變化的主要驅動因素，主要包括山區或平原區的生態綠化工程、城市景觀綠化工程、農業產業結構調整、畜牧業發展、人口因素等。

關鍵詞：歸一化植被指數（NDVI）；植被覆蓋度； NDVI差值指數；動態變化；寶雞市

中圖分類號：S181.1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）09-0098-08

植被是覆蓋地表的森林、灌叢、草地與農作物等群落的總稱，具有截流降雨、減緩徑流、防沙治沙、保水固土等功能[1]。同時，植被影響地氣系統的能量平衡，在氣候、水文和生化循環中起著重要作用，是氣候和人文因素對環境影響的敏感指標[2]。植被覆蓋度是全球、區域變化眾多監測模型中所需的重要參數，是描述生態系統的重要基礎數據，在生態系統中發揮著重要的作用[3，4]；較大尺度的植被覆蓋變化體現了自然和人類活動對自然生態環境的作用。因此，獲取地表植被覆蓋及其變化信息對揭示地表空間變化規律、探討變化的驅動因子和驅動力、分析評價區域生態環境具有重要的現實意義[5]。

植被覆蓋度是刻畫陸地表面植被數量的一個重要參數，也是指示生態系統變化的重要指標。目前，遙感技術已成為監測區域地表植被覆蓋變化的主要手段，因此不依賴于植被覆蓋率實測數據而直接由植被指數向植被覆蓋率轉換的方法就成為該領域研究發展的一種趨勢[6]。歸一化植被指數（NDVI）被定義為近紅外波段（NIR）與可見光紅波段（R）數值之差和這兩個波段數值之和的比值，即NDVI=（NIR-R）/（NIR+R），它特別適用于全球或各大陸等大尺度的植被動態監測，在植被遙感中的應用最為廣泛，也是監測地區或全球植被和生態變化的有效指標，更是植物生長狀態及空間分布密度的最佳指示因子[7]。

本研究主要利用1988、2000年以及2007年寶雞市Landsat-5衛星TM影像數據進行NDVI的提取，并通過植被覆蓋度估算模型（像元二分模型）分別得出三個時相的植被覆蓋分布情況，進而分析寶雞市1988～2007近20年間的植被覆蓋動態變化與研究區域的地理位置、氣候、水文、土地利用、人口分布及增長、工農業布局、農業經濟發展、畜牧業發展、城市規劃等方面的關系，這對該區域景觀綠化和生態植被的恢復與重建具有重要的現實意義，并可為寶雞市的生態環境建設提供科學的決策支持。

1研究區域概況

寶雞地處東經106°18′～108°03′，北緯33°35′～35°06′，轄3區9縣，總面積1.82萬平方千米，常住人口372.7萬人。具有南、西、北三面環山，以渭河為中軸向東拓展，呈尖角開口槽形的特點；山、川、塬兼備，以山地、丘陵為主。屬暖溫帶半濕潤氣候，冬季天氣寒冷干燥，夏季溫熱多雨和炎熱干燥天氣交替出現；春、秋二季升溫迅速且多變少雨，秋季降溫迅速又多陰雨連綿，為關中秋季連陰雨最多的地區；年平均降水量在590～900 mm之間，是關中降水量最多的地區。寶雞地區生境條件多樣，植物種類豐富，區系成分復雜，植被類型多樣，主要包括落葉闊葉林、針葉林、灌叢、草原、蕈甸、水生和沼生植被、栽培植被等。森林覆被率達36%～42%，但分布不均，主要集中在秦嶺和關山，其它地方很少，關中盆地和臺塬地區以栽培植被為主。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源

本研究采用30 m分辨率的Landsat-5衛星TM影像數據，成像時間分別為1988、2000、2007年，來源于中國科學院計算機網絡信息中心的地理空間數據云中心。經查詢，這三期影像成像時間均在植被生長茂盛季節，尤其適合植被指數的研究，且影像云量較少，質量較好，完全能滿足研究需求。經ERDAS 2011、ENVI4.8等軟件對遙感影像進行幾何校正、輻射校正、大氣校正、直方圖匹配后，再分別利用影像的第3和第4波段開展相關的研究工作。

本研究利用的統計數據主要來源于《陜西省統計年鑒》、《寶雞年鑒》、《陜西省國民經濟和社會發展統計公報》、《寶雞市國民經濟和社會發展統計公報》、《寶雞市林業統計年鑒》以及《寶雞市地理志》等相關書籍，氣象資料主要來源于中國氣象科學數據共享服務網。

2.2研究方法

2.2.1植被覆蓋度的計算與分級植被覆蓋度的遙感估算模型有很多[8～10]，其中應用較廣的是像元分解模型法，也稱亞像元分解法，即在一定假設條件下分解多個組分構成的像元中的遙感信息（光譜波段或植被指數），建立像元分解模型，從而獲得植被覆蓋度。像元分解模型法中最常用的是像元二分模型，即：

所覆蓋的像元或純植被像元的NDVI值。有關該模型：①NDVIsoil對于大多數類型的裸地表面，理論上應該接近零，但由于受眾多因素影響，NDVIsoil其變化范圍一般為-0.1～0.2[11，12]；②NDVIveg代表全植被覆蓋像元的最大值，由于植被類型的影響，NDVIveg值也會隨著時間和空間的變化而改變，因此，計算植被覆蓋度時，即使同一景影像，對于NDVIsoil和NDVIveg值也不能取固定值[13]；③實際應用中，土地利用圖和土壤圖應作為計算NDVIveg和NDVIsoil值的基礎，在沒有實測數據的情況下，就只能取NDVImax與NDVImin為圖像中給定置信度的置信區間內的最大值與最小值[14]。像元二分模型被廣泛應用于植被覆蓋度研究中[15，16]。endprint

本研究根據水利部1996年頒布的土壤侵蝕分類分級標準（SL190-96），將不同的水土流失等級對應于不同等級的植被覆蓋度，同時結合寶雞市具體情況，將植被覆蓋度分為五級：極低植被覆蓋（0

2.2.2 NDVI差值指數該指數是利用1988、2000、2007年寶雞市三期NDVI的GIS圖件，通過差值計算得到，即：

體情況，將NDVI差值指數分級結果記為：1為嚴重退化（-2≤ΔNDVI≤-0.15），2為中度退化（-0.15<ΔNDVI≤-0.05），3為輕微退化（-0.05<ΔNDVI≤0），4為輕微改善（0<ΔNDVI≤0.05），5為中度改善（0.05

3結果與分析

3.1寶雞市植被覆蓋度的整體變化

1988～2000年間，低、中覆蓋度面積分別增加了32 795.82、43 973.82 hm2，分別占寶雞市土地面積的1.80%和2.42%，增加明顯；極低覆蓋度、高覆蓋度、極高覆蓋度比例均呈減少趨勢，減少面積分別為寶雞市土地面積的0.02%、1.66%和1.98%，其中，高植被覆蓋度、極高植被覆蓋度減少程度較大（表1）。

2000～2007年，極低覆蓋度、低覆蓋度、極高覆蓋度面積均增大，其中極高植被覆蓋度增加比例達8.04%；而中覆蓋度、高覆蓋度面積分別減少了48 948.03 hm2和116 850.33 hm2。總體而言，寶雞市2000～2007年的植被覆蓋度明顯優于1988～2000年（表1）。

3.2基于NDVI差值結果的植被覆蓋空間變化分析

3.2.1全市域NDVI差值變化寶雞市NDVI差值指數分布及統計結果見圖1、圖2。從行政區劃上來看，1988～2000年間，植被退化與改善區域比較分散，植被覆蓋退化相對明顯，其中嚴重退化、中度退化、輕微退化面積分別為148 284.81、321 220.35、412 162.92 hm2，占全市土地面積的49.7%；植被改善的面積與退化面積相當，輕微改善、重度改善、極度改善的比例分別占寶雞市土地面積的22.78%、18.58%、8.95%，改善面積達到892 313.1 hm2。2000～2007年間，植被覆蓋情況以改善為主，其中輕微改善、重度改善、極度改善的面積分別達到391 918.32、467 821.44、244 495.08 hm2，分別占寶雞市土地面積的21.84%、26.07%、13.63%；而嚴重退化、中度退化、輕微退化面積分別占9.24%、13.00%、16.21%，改善面積為退化面積的1.6倍之多。需要說明的是，兩個時間段植被退化面積均表現為嚴重退化面積<中度退化面積<輕微退化面積。

整體而言，寶雞市植被覆蓋變化是朝著向環境有利的積極方向演化，這是寶雞市植被發展情況的主流趨勢，也說明近20年間寶雞市生態環境建設和生態恢復重建工作效果明顯，但仍要對植被生態建設保持清醒的認識，因為即使一小部分植被退化也可能會帶來嚴重的生態后果。

3.2.2寶雞市域內不同行政區劃單元的NDVI差值指數變化1988～2000年各行政區劃單元的植被覆蓋變化情況見表2。就植被退化而言，麟游縣、金臺區、千陽縣、鳳縣、陳倉區、岐山縣、隴縣退化面積較大，分別占各自行政區面積的58.69%、57.15%、56.42%、54.64%、54.33%、54.06%、52.81%，占全市植被退化總面積的11.4%、2.02%、6.04%、19.06%、14.93%、5.24%、13.75%。鳳縣地處秦嶺山區，天然植被覆蓋率較高，卻出現植被退化現象，說明在此期間植被遭到一定程度的破壞；隴縣擁有大面積的天然草場，植被退化也較明顯，可能原因是過度放牧同時又不注重生態恢復重建，使天然草場的生態系統遭到破壞，短期內不能恢復到原有的植被覆蓋水平。就植被改善而言，1988～2000年間，眉縣、太白縣植被改善面積較大，分別占各自縣域面積的67.43%、63.21%，其次是鳳翔縣、扶風縣、渭濱區等，說明寶雞市在建城區在植被綠化方面加大了力度。總體而言，1988～2000年寶雞市植被覆蓋度以改善為主。

2000～2007年植被覆蓋變化情況見表3。陳倉區、隴縣、千陽縣、麟游縣、鳳縣的植被改善面積較大，分別占各自行政區劃面積的72.36%、73.48%、83.31%、75.92%、68.86%。退化面積比較大的是眉縣和扶風縣，分別占其行政區劃面積的72.45%和69.61%；其次依次為太白縣、岐山縣、鳳翔縣等區域。太白縣植被覆蓋退化的原因可能是近幾年旅游業發展迅速，人為因素對植被覆蓋產生了影響。

mm之間，雖有一定波動，但整體呈遞減趨勢；最低、最高降水量分別出現在1995和1981年。年平均氣溫維持在12.5～14.7℃之間，呈現出緩慢上升趨勢。

1980～2010年降水量和氣溫的季節變化結果（圖4）顯示，降水量和平均氣溫季節變化明顯。降水主要集中在夏季和秋季（分別占年降水量的48.67%、28.67%），春季和冬季降水則相對較少。平均氣溫的年際間變化，四季均呈現出緩慢上升的趨勢；最高氣溫集中在夏季，冬季氣溫相對較低，這主要是因為寶雞市的特殊地形決定了其兼顧大陸性與季風氣候的特點。從長遠來看，夏季降水量充沛，且氣溫適宜，能夠滿足植被生長發育需求，是一年中植被快速生長的季節，可以考慮進行生態恢復重建工作。

4.2人為因素

4.2.1人口數量對植被覆蓋變化的影響1988～2007年間，寶雞人口數量持續增加，2007年的人口數量為1988年的1.2倍左右（圖5）。人口增加必然導致資源需求得不到滿足，出現亂砍亂伐以及占用原有的植被用地、綠地和耕地的現象；另外，城市人口數量增長也會使得基礎設施的投入力度加大，勢必會導致過分追求經濟發展而忽視生態環境的狀況；同時也會增加城市生態系統的負荷，不利于生態系統的自然循環。

4.2.2生態工程對植被覆蓋變化的影響寶雞市山區生態工程以保護天然林木、封山育林、退耕還林、零星植樹為主，天然林保護工程圍繞太白、鳳縣、眉縣、隴縣、岐山、渭濱等縣區進行。截至2010年，累計造林總面積達到65.64×104 hm2，是1988年的30倍有余，尤其是1997～2002年間，累積造林面積增速較快， 2002年累計造林6.32×104 hm2，達到歷史高位；寶雞市于1998年加大封山育林力度，到2010年底累計封山育林總面積達到22.74×104 hm2；零星植樹始終保持在（963.00～1773.90）×104株之間，可以看出寶雞市的生態恢復工程力度很大（表4）。

4.2.3城市園林綠化工程對植被覆蓋變化的影響為了建設生態寶雞，突出寶雞市“山、塬、水、林、城”融為一體的特色，寶雞市還特別注重城市的園林綠化工作，1989～2010年，城市園林綠地總面積逐年上升，2010年的綠化面積為1990年的6.2倍之多，尤其2001～2008年間，綠化面積增長速度最快。

4.2.4平原區農業產業結構調整對植被覆蓋變化的影響農、果、林業的發展可以調節區域小氣候，涵養水源，進而改善區域植被覆蓋情況。1990～2010年，寶雞市果業發展呈現上升勢頭，1990年僅有24.82×103 hm2， 2010年則達到58.65×103 hm2，約增長了1.4倍。1990～1995年增幅最為明顯，雖1997～2002年出現短暫的下降趨勢，但2003年以后，果業以平均每年3.73×103 hm2的速率逐年增長。

4.2.5畜牧業發展對植被覆蓋變化的影響過度放牧會破壞植被生態系統，影響生物多樣性及植被的自我修復功能，進而影響植被覆蓋情況。1989～2010年，寶雞市羊只圍欄量增幅比較明顯，2004年達到80多萬只，2004年以后呈現下降趨勢，尤其是2004～2007年間，下降幅度較大，這對于植被的自我恢復起到了關鍵作用，緩解了土地的荒漠化和鹽漬化。

5結論與討論

（1）本研究通過遙感影像并結合統計數據對寶雞市植被覆蓋度情況進行分析，結果表明，1988～2000年，低覆蓋度、中覆蓋度面積有所增加，而極低覆蓋度、高覆蓋度、極高覆蓋度面積都減少，減少比例分別為寶雞市土地面積的0.02%、1.66%和1.98%。2000～2007年間，極低、低、極高覆蓋度面積增大，極高植被覆蓋度增大比例達到8.04%，說明寶雞市封山育林、退耕還林、植樹種草、園林綠化、發展果林業等項目的實施使植被覆蓋得到明顯改善，植被覆蓋情況朝良好方向發展。

（2）從行政區域來看，2000～2007年整個研究區的植被改善情況明顯。1988～2000年間，麟游縣、金臺縣、千陽縣、鳳縣、陳倉區、岐山縣、隴縣退化面積較大；但2000～2007年間，陳倉區、隴縣、千陽縣、麟游縣、鳳縣的植被覆蓋情況得到很大改觀，各行政區改善面積占其土地面積的比例達68.86%～83.31%；眉縣、扶風縣退化比較嚴重。從長時間序列來看，寶雞中部的金臺區、扶風縣、岐山縣、鳳翔縣將是生態植被建設的重點關注區域。

（3）降水量和氣溫是影響植物生長的主要氣象因素，對寶雞市1980～2010年的年降水量和年均氣溫分析的結果顯示，年降水量總體呈遞減趨勢，而年均氣溫呈緩慢上升的趨勢；具有典型的大陸性季風氣候特征，降水集中在夏、秋兩季，夏季氣溫較高，有利于植被的發育。但兩者對植被覆蓋變化的具體影響還有待進一步研究。

（4）從影響植被覆蓋的人為因素來看，天然林木的保護工程、退耕還林工程、山區的封山育林工程對植被覆蓋情況影響較大，平原區果林業發展、新農村綠化、城市市區的園林綠化工程以及人口因素對相應的小區域也產生重要影響；牛羊放牧因素一定程度上也會制約草場植被生長發育，降低植被覆蓋度。

為了建設“綠色寶雞”、“生態寶雞”，要繼續實行天然林木保護工程以及封山育林工程，繼續加大園林綠化投資力度，對各類建筑進行合理布局，提高城市綠化率；還要重點整治污染物排放量較大的工廠（如電廠、造紙廠、化肥廠等），減少工業廢水的排放，持久地、循序漸進地提高植被覆蓋度。

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