五臺山風景區植被覆蓋度近25 a來的時空變化分析

王 宇，段永紅，白 杰

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

五臺山地區的動植物資源豐富，區域內植物種類達600余種，植被的垂直地帶性明顯，植被種類以草地為主，有華北地區較為完整的高山草甸草原生態系統[1]。五臺山自然保護區的建立對于研究這一地區的生物多樣性，保障區域內高山草甸生態系統的穩定性，維持這一地區的生態平衡都有重要的意義。近年來，人類對保護區及周邊地區的開發力度逐年增強，風景區內的旅游活動及景點的開發也越來越頻繁，這些活動都對保護區內的植被造成了極大的威脅。對保護區內破壞狀況的調查對于制定五臺山地區的可持續發展戰略，治理周邊區域的開發亂象，發展生態旅游事業都有積極的作用。

遙感技術因其覆蓋面積大、實時性強、獲取速度快等優點被廣泛應用于農業、林業、地質、水文、軍事、環保等領域。我國應用遙感方法對植被的調查始于20世紀20年代[2]，遙感大面積同步觀測的特點及其與GPS，GIS的綜合運用使其在這方面的研究越來越多，研究方向也越來越廣泛。20世紀90年代末，遙感技術被應用于保護區的調查與動態監測[3]，這一領域的研究主要分為：對保護區土地利用動態變化的研究[4]；對保護區植被變化的研究[5]；對保護區人為活動的研究[6]。隨著定量遙感的迅速發展，使用遙感技術可以有效地對林業資源和植被變化實施快速監測，并可進一步分析評估其誘因[7]。

研究使用 1990，1995，2000，2005，2010，2015 年6期TM影像分析了近25 a來五臺山地區的植被變化情況。本研究有利于對五臺山的植被變化狀況進行動態監測，對于研究造成五臺山植被破壞的原因并據此提出對策有重要的意義。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

五臺山位于山西省東北部，屬于太行山系的一支，地域范圍包括五臺縣全境、繁峙縣南山區、原平市東山區、定襄縣東北山區、盂縣北山區和河北省阜平縣西山區，面積約有6 530 km2，北臺頂為華北地區最高峰，海拔3 061 m[8]。五臺山是首批國家級風景名勝區、首批國家森林公園、首批5A級景區[9]，還是我國最早建立的2個草地類的保護區之一。本研究以五臺山5座臺峰及其山體延伸范圍內的山區為研究對象，研究區東西最長距離約為100 km，南北最長距離約為80 km，總面積約為6萬hm2。區域內山體多為土石山區，氣候屬于暖溫帶濕潤半濕潤氣候，臺頂2 600 m以上屬于高寒氣候[10]。全年平均氣溫為-5℃，極端最低氣溫可達-39.5℃，極端最高氣溫只有20℃。平均年降水量828.5 mm，主要集中在夏季，區域降雨量受地形影響較大，南坡多于北坡，全年無霜期僅有72 d左右，冬天長達270 d。五臺山的森林多分布于海拔2 000 m左右的山坡上，主要喬木有落葉松、油松、青楊、白樺、云杉等[11]，林帶上下分布著亞高山草甸、林緣草地、灌叢草地和山地草原[12]。

1.2 數據來源

本研究的主要數據為6期TM影像，影像獲取時間分別為1990年9月16日，1995年6月26日，2000年5月6日，2005年6月21日，2010年5月2日，2015年7月3日，研究中還用到了空間分辨率為30 m的DEM數據。研究中用ENVI 5.1進行影像的預處理及植被覆蓋度的計算，用ArcGIS 10.0進行地形分析以及制圖工作。

2 研究方法

2.1 研究數據預處理

本研究數據的預處理包括對遙感影像的預處理和對多源數據投影坐標的變換2個部分。首先需要對6期TM影像進行大氣校正，利用地形圖對其進行幾何校正；然后以TM影像為參照，對DEM數據進行坐標投影的變換；最后用研究區的矢量邊界對TM影像和DEM數據進行裁剪。

2.2 研究區植被覆蓋度估算

目前運用遙感技術提取區域內植被覆蓋信息的方法主要分為經驗模型法、植被指數法以及混合像元分解法[13-15]。本研究運用植被指數法對1990—2015年的6期TM影像進行植被覆蓋信息提取。選用歸一化植被指數（NDVI）對植被覆蓋度進行估算，歸一化植被指數不僅能部分消除地形、大氣、陰影的影響，而且能有效區分植被與巖石、裸土，是植被覆蓋度的最佳指示因子[16]。在計算歸一化植被指數時，選用對綠色植物吸收較強的紅波段及對綠色植物高反射、高透射的近紅外波段，即TM影像中的3波段與4波段。歸一化植被指數的計算公式如下。

式中，DNNIR，DNR分別為TM影像中紅波段與近紅外波段的反射率，即3波段與4波段的反射率。

目前，利用歸一化植被指數估算植被覆蓋度最常用的方法為像元二分模型法，也是利用遙感影像估算大面積植被覆蓋狀況最有效的途徑之一[17]。該模型假設影像每個像元的信息都是由植被信息和土壤信息2個部分組成的，則植被信息占像元的面積比例就是該像元的植被覆蓋度f[18]。設裸土的像元信息為Ssoil，純植被覆蓋區域的像元信息為Sveg，則觀測到的影像信息S表示如下。

整個研究區的植被覆蓋度F計算公式如下。

使用歸一化植被指數計算植被覆蓋度時取累計頻率為5%的NDVI值為NDVIsoil，取累計頻率為95%的NDVI值為NDVIveg。由此得出植被覆蓋度的估算公式如下。

2.3 研究區植被覆蓋度變化趨勢分析

利用線性傾向趨勢估計對1990—2015年間研究區的植被覆蓋度進行趨勢分析，即選取年平均植被覆蓋度值在像元尺度進行一元線性回歸，通過對植被覆蓋度均值的回歸運算分析研究區植被覆蓋度的變化趨勢[19]。

式中，Sslope為回歸斜率，n為監測年數；Fi為第i年的植被覆蓋度值。

回歸斜率可以反映出1990—2015年植被覆蓋度的變化趨勢與幅度，當斜率大于0時，表明植被覆蓋度呈上升趨勢，當斜率小于0時，表明植被覆蓋度呈下降趨勢，且斜率的絕對值越大，變化幅度越大。基于該斜率可以計算研究區內的植被覆蓋度變化率，計算公式如下。

植被覆蓋度變化率＝Sslope/植被覆蓋度均值×10×100% （6）

3 結果與分析

3.1 研究區植被覆蓋度分級結果

以研究區1990—2015年生長季的TM-NDVI數據為基礎，利用像元二分模型估算1990—2015年五臺山核心區的植被覆蓋度。根據水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準（SL 190—2007）》，將不同的水土流失等級對應不同的植被覆蓋度[20]。結合五臺山地區的實際情況，將植被覆蓋度大小分為5級：＜30%（低植被覆蓋度）、30%～45%（中低植被覆蓋度）、45%～60%（中等植被覆蓋度）、60%～75%（中高植被覆蓋度）和＞75%（高植被覆蓋度）。分級結果如圖1所示。

從圖1可以看出，五臺山地區的植被覆蓋度分級分布有較強的空間規律性，總體呈現中間高、四周低的趨勢。這與五臺山地區的地形狀況有關，中間為山區，森林、草甸面積大，受人類活動擾動較小；周邊為居民聚集區，森林、草甸面積小，受人類活動擾動大。從各年份的植被覆蓋度情況來看，1990，1995年研究區中的山區多為高植被覆蓋度區域，2000，2005，2010年研究區以中高分辨率區域為主，但中低、低分辨率區域逐漸增多，到2015年時研究區內的中低、低分辨率區域達到最多，高分辨率區域也是6期影像中最少的。

3.2 研究區植被覆蓋度變化

表1 1990—2015年植被覆蓋度平均值

表1為6期影像植被覆蓋度平均值的統計結果，可以看出，2015年與1990年相比，植被覆蓋度平均值下降約21百分點，2000—2010年植被覆蓋度變化最明顯，10 a約降低了15.06%。從圖2可以看出，研究區的植被覆蓋度呈現不斷下降的趨勢，且2000年以后的下降速度明顯加快。基于表1中的數據對其進行變化趨勢分析，得出回歸斜率約為-0.009，印證了研究區域植被覆蓋度在這25 a中有明顯的降低趨勢，其植被覆蓋度變化率約為15.3%。

遙感變化檢測是通過比值或差值運算得到不同影像的變化區域及變化狀況的方法，圖3為1990—2015年間植被覆蓋度變化檢測結果。從1990，2015年的變化檢測結果可以看出，研究區植被覆蓋度在25 a中變化明顯，大部分區域都有不同程度的降低。西臺頂西側、南臺頂南側降低的最為明顯，北臺頂北側的變化相對較小，東臺頂東側的變化最小。從各時間階段的變化來看，2000—2005年研究區植被覆蓋度的降低幅度最大，變化區域也最為廣泛；1990—1995年降低幅度最小，而且沒有變化量明顯較高的區域。從各區域變化時間來看，南臺頂南側的植被破壞主要發生在2000—2005年；西臺頂西側與北臺頂北側的變化主要發生在2010—2015年，其他區域的植被破壞在各時間段比較平均，沒有植被覆蓋度快速降低的明顯時間節點。另外，從圖3可以看出，這25 a間以臺懷鎮為中心的五臺山旅游區植被覆蓋度降低幅度也較大，大部分區域的降低幅度在30%以上，幾座臺峰的變化尤為明顯。

3.3 人為活動對區域植被的影響分析

經過對研究區的實地走訪、調查，發現造成該區域植被破壞的原因主要有3點：（1）五臺山旅游區內旅游開發對高山植被的破壞；（2）研究區內的礦山開采活動對林地和草地的破壞；（3）旅游開發和礦山開發伴隨的道路建設對林地和草地的破壞。

旅游開發的影響區域為臺懷鎮周邊，主要為5座臺峰，造成植被破壞的原因包括寺廟建設、停車場等旅游基礎設施的建設及頻繁的旅游活動。雖然這些建筑的單個面積和總面積都較小，但多分布于亞高山草甸中，由于亞高山草甸的生態比較脆弱，破壞以后的恢復周期較長，因此，旅游開發可能會導致5座臺峰臺頂及周邊海拔較高區域的草甸造成難以修復的破壞。近年來，五臺山的旅游開發力度越來越大，5個臺頂的寺廟都在擴建，通往臺頂的道路也在不斷擴寬，這些開發活動都對臺頂及周邊的亞高山草甸造成了較大的破壞。

礦山開采區域分布于五臺山風景區的外圍，但由于開采區的面積大，開采活動對植被、水體、土壤等自然因素都有嚴重影響，因此，礦山開采對五臺山的生態環境影響最深遠。五臺山周邊的礦山開采區距離臺懷鎮直線距離在10～50 km，南臺頂南側的五臺縣境內、南臺頂西側的代縣境內以及西臺頂西側的繁峙縣境內是分布最聚集，面積最大的區域。由于礦山開采區的分布區域分散、面積大、海拔范圍大，因此，對區域內的林地和草甸影響都較大。

道路建設的目的是為旅游開發、礦山開采及周邊居民服務，因此，多分布于旅游區、居民區和開采區的周邊。旅游區中的道路寬度約5～15 m，海拔越高，道路的寬度越窄。這一部分道路主要影響5座臺峰的植被，由于臺頂部分區域的土質較為稀松，因此，在這些區域道路的破壞區域遠超道路本身范圍。采礦區周邊的道路，由于要滿足大型貨車的運行，且建設過程不規范，因此，寬度在5～30 m范圍內不等。這部分道路破壞的植被主要為五臺山周邊山區的林地和部分海拔較高區域的草地。在調查過程中還發現，五臺山周邊的風力發電站建設過程中的道路建設也造成了較大面積的植被破壞。風力發電站主要分布于西臺、中臺、北臺西側部分海拔較高的山體頂部，這些區域的植被多為草甸，這些區域的道路影響的植被也多為草甸。道路本身的面積雖然不大，但由于它本身的分布范圍廣、海拔跨度大，且道路周邊的人類活動頻繁，因此，對植被影響較大。

4 結論與討論

1990—2015年，研究區的植被覆蓋度降低約21%，降低趨勢明顯，其中在2000—2010年植被覆蓋度降幅最大，年平均降幅達到1.5%。植被覆蓋度變化最大的區域為南臺西南側與西臺西側，大部分區域的降幅都達到了30%以上。野外實地調查發現，南臺西南側和西臺西側都分布有大面積的礦山開采破壞區，這些區域的植被覆蓋度大幅降低可能與礦山開采活動有關。五臺山的5座臺峰位于五臺山草地自然保護區的范圍內，自1990年以來該區域的植被覆蓋度也明顯降低，且近年來降幅不斷增大，5個臺頂的旅游開發活動可能是造成這一變化的重要原因。此外，旅游開發、礦山開采過程中伴隨的道路建設也對五臺山地區的植被有較大的影響。綜上所述，五臺山地區的人為開發、開采活動是造成該區域近年來植被覆蓋度持續降低的重要原因。

針對上述的五臺山植被變化現狀及其原因，特提出以下建議。在五臺山的5座臺峰高海拔區域發展生態旅游，減少人為旅游開發活動對草甸的影響；加強對該區域，尤其是亞高山草甸區域道路建設的規劃，盡量避免不必要的道路建設，減少道路建設對植被的影響；加強對礦山開采區的規劃和管理，避免不規范甚至違法的開采活動；加強對開采區的生態恢復工作，避免對區域生態造成不可逆的破壞；加大對五臺山區域植被及生態的監測力度，保障對區域植被變化信息的及時獲取。

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