四川省汶川縣植被覆蓋度空間變化及其自然驅(qū)動力

潘薈交 彭文甫 祝聰 王鳳毛

摘要：植被覆蓋度適用于描述生態(tài)系統(tǒng)，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化起著重要指示作用。以四川省汶川縣2002年、2008年、2017年的中分辨率成像光譜儀（MODIS）的歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算植被覆蓋度（FVC）、植被覆蓋變化趨勢和變異系數(shù)，分析四川省汶川縣植被覆蓋度的空間格局及其穩(wěn)定性，并利用地理探測器模型討論影響其變化的自然因素。結(jié)果表明，（1）汶川縣植被覆蓋總體狀況良好，植被覆蓋度>0.8的面積接近汶川縣總面積的66.2%，主要分布在汶川縣東南部三江鎮(zhèn)、水磨鎮(zhèn)，北部的龍溪鄉(xiāng)，岷江支流燒湯河、正河兩側(cè)山坡，海拔高度為2 000～4 000 m;（2）植被覆蓋的平均變異系數(shù)為19.76%，不顯著變化區(qū)域的面積占總面積的62.35%，整體相對穩(wěn)定;（3）根據(jù)地理探測器模型可知影響汶川縣植被覆蓋度空間分布的主要因子是地貌類型、土壤類型、高程、氣溫等，其解釋力度都在60%以上;植被類型和降水量是次要因素，而坡向和坡度對植被覆蓋度空間分布的影響較小，解釋力度不足3%。汶川縣植被覆蓋度變化空間差異明顯，因地制宜的生態(tài)保護策略初見成效，但還須進一步跟進。

關(guān)鍵詞：汶川縣;植被覆蓋度;空間格局;自然驅(qū)動力;地理探測器;植被指數(shù)

中圖分類號： Q948 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）24-0239-05

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計總面積的百分比[1]。植被覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化有重要的指示作用[2]。人類活動及自然災(zāi)害都會影響植被覆蓋度發(fā)生相應(yīng)的變化，通過對植被覆蓋度的估算，可以對生態(tài)環(huán)境進行有效監(jiān)控。傳統(tǒng)的估算方法存在效率低、范圍小等缺點，而遙感數(shù)據(jù)宏觀、快捷、信息量豐富，可以定量反映植被生長狀況、植被覆蓋度等信息[3]，基于遙感影像的植被覆蓋度估算能進行多尺度、大范圍、連續(xù)長時間的植被覆蓋度估算[4]。我國學(xué)者對三江源、黃河流域、黃土高原、內(nèi)蒙古草原、北方荒漠等生態(tài)脆弱地區(qū)都進行了植被覆蓋時空變化研究[5-7]，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善、未來生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了科學(xué)決策支持。

四川省汶川縣位于成都平原與川西高原的咽喉之地，是岷江上游典型的生態(tài)脆弱區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害頻繁。“5·12”汶川大地震之后該地區(qū)成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的重點地區(qū)。趙旦等利用遙感檢測地震后農(nóng)田和森林植被的恢復(fù)情況[8];彭文甫等對岷江流域汶川-都江堰段植被覆蓋進行了動態(tài)監(jiān)測[9];花利忠等利用遙感技術(shù)進行了汶川大地震滑坡造成的生態(tài)服務(wù)價值損失評估[10]。但少有專家對汶川縣較長時間的植被覆蓋空間變化格局進行深入探討。本研究將采用人機交互式遙感圖像解譯方法，獲取較準(zhǔn)確的汶川縣植被覆蓋數(shù)據(jù)，采用像元二分模型估算汶川縣植被覆蓋度，探討汶川縣植被覆蓋的空間分異規(guī)律。并通過地理探測器模型對植被覆蓋度的變化及驅(qū)動力進行深入探討，以期為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境進行有針對性的保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

汶川縣位于四川省西北部，處于成都平原與川西高原交接地帶，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自然資源豐富，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，水土流失嚴(yán)重，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。總面積為4 084 km2，下轄9個鎮(zhèn)、3個鄉(xiāng)。境內(nèi)地勢由北向東南傾斜，西部多分布海拔3 000 m以上的高山，四姑娘山海拔為6 250 m，東南部漩口鎮(zhèn)的岷江出口處海拔僅780 m[10]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)來自美國航空航天局（NASA）官方網(wǎng)站（ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）。本研究選取2002—2017年5—10月間質(zhì)量相對較好的數(shù)據(jù)。通過中分辨率成像光譜儀（MODIS）重投影工具將投影轉(zhuǎn)換為通用橫軸墨卡托投影（UTM），地理坐標(biāo)系設(shè)置為WGS_84。采用最小二乘法進行濾波處理重建數(shù)據(jù)，最后通過最大合成法減少云、太陽高度角等的影響，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量[11]。

四川省汶川縣30 m分辨率數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：www.gscloud.cn）下載，經(jīng)拼接、轉(zhuǎn)換裁剪后得到。汶川縣氣象資料來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心;植被類型、地貌類型、土壤類型數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，利用ArcGIS 10.2進行克里金（Kriging）插值處理，得到同期分辨率一致的柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度計算 基于遙感影像的植被覆蓋度估算方法有回歸模型法、植被指數(shù)法、像元分解模型法等[12]。有研究選擇模型簡單的像元二分模型法，該模型受影像輻射校正較小。其原理是假設(shè)一個混合像元的信息（S）是由裸土（Ssoil）與綠色植被（Sveg）2個部分所貢獻[13]。

假設(shè)像元中有植被覆蓋的區(qū)域面積比例即為該像元的植被覆蓋度（FVC），則裸土覆蓋區(qū)面積比例為（1-FVC）[8-9]，求解FVC得：

由于NDVI與植被覆蓋度之間呈極顯著的線性相關(guān)，所以將二者進行轉(zhuǎn)換可以直接提取植被覆蓋度信息[14]，其計算公式為

其中：NDVIsoil為純土壤像元的最小值，理論上接近于0;NDVIveg為純植被像元的最大值，理論上接近于1[15]，但實際上由于大氣條件、地表濕度以及太陽光照等原因，上述這2個值并不是定值。兩者的取值是像元二分模式應(yīng)用的關(guān)鍵，目前不同研究的取值方法有很大差異[2]。本研究根據(jù)影像質(zhì)量集合實地考察，采用累計頻率2%為置信度，進行植被覆蓋度的估算。

2.2.2 植被覆蓋度變化趨勢分析 為研究2002—2017年植被覆蓋度逐像元變化趨勢，利用一元線性回歸模型，將植被覆蓋度與時間序列做回歸分析[16]，計算公式如下：

式中：K為變化趨勢的斜率，K>0表示監(jiān)測時段內(nèi)植被覆蓋度增加，K<0表示監(jiān)測時段內(nèi)植被覆蓋度減少;n為監(jiān)測年數(shù);Fi代表第i年的植被覆蓋度[17]。以0.01、0.05為中間值，將汶川植被覆蓋度逐像元變化趨勢定義為極顯著退化、顯著退化、不顯著退化、不顯著改善、顯著改善、極顯著改善等[18]。

2.2.3 變異系數(shù) 為研究植被覆蓋度在2002—2017年間相對變化程度，通過計算基于像元的植被覆蓋度變異系數(shù)來描述汶川植被覆蓋度的穩(wěn)定性[19]，其計算公式如下：

式中：CV為變異系數(shù);n為監(jiān)測年數(shù);F為研究時段平均植被覆蓋度;Fi為第i年的植被覆蓋度。

2.2.4 地理探測器模型 地理探測器是探測和利用空間分異性，以及揭示其背后驅(qū)動力的一組統(tǒng)計學(xué)方法;該模型由王勁峰團隊提出，目前在自然科學(xué)、社會科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和人類健康等相關(guān)領(lǐng)域都有應(yīng)用[20]。本研究運用地理探測器模型來探測影響植被覆蓋度空間變化的影響因子，其模型如下：

式中：q表示某因子解釋了q×100%的汶川縣植被覆蓋度的變化;h=1，…，L為影響因子的分層數(shù);Nh和N分別為影響因子的層h和整個汶川縣的樣本數(shù);σh和σ分別為層h和整個汶川縣的植被覆蓋度變化的方差。q的值域為[0，1]，q越大表明該因子對汶川植被覆蓋度變化的解釋力越強[21]。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度空間結(jié)構(gòu)特征

從圖1可以看出，汶川縣植被覆蓋度整體較高，植被覆蓋度大于0.8的高植被覆蓋區(qū)占汶川縣總面積的66.2%，主要分布在汶川縣東南部的三江鎮(zhèn)、水磨鎮(zhèn)，北部的龍溪鄉(xiāng)，岷江支流燒湯河、正河兩側(cè)高海拔山坡;植被覆蓋度為>0.7～0.8的區(qū)域占總面積的13.3%主要分布在映秀鎮(zhèn)、銀杏鄉(xiāng)中低山地區(qū)和西部中高山地區(qū);植被覆蓋度為>0.4～0.7的區(qū)域占總面積的11.4%，主要分布在西南部山區(qū)和威州鎮(zhèn)、克枯鄉(xiāng)，岷江與其支流雜谷腦河兩側(cè);植被覆蓋度>0.1～0.4的區(qū)域占總面積的4.94%，主要位于汶川縣西部高山植被與冰川間的過渡帶;植被覆蓋度≤0.1的區(qū)域占總面積的4.1%，主要位于汶川縣西部耿達鎮(zhèn)、臥龍鎮(zhèn)高原雪山。

在遙感（RS）技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)支持下，分別將重分類結(jié)果與汶川多年平均植被覆蓋度圖層進行疊加，統(tǒng)計出不同高程分級下不同等級植被覆蓋度面積[22]。

由表1可知，植被覆蓋度為0～0.4的無植被或者少植被地區(qū)主要是集中在4 000 m以上的高海拔地區(qū)，植被覆蓋度為>0.4～0.6的主要分布在海拔為 1 000～2 000、4 000～5 000 m的地區(qū);植被覆蓋度為>0.6～0.8的則在 5 000 m 以下各高程都有分布;植被覆蓋度>0.8的高植被覆蓋區(qū)域主要分布在海拔為2 000～4 000 m 的地區(qū)。汶川縣海拔在2 000～4 000 m 的地區(qū)植被生長狀況最好，以林地和高山草甸為主，海拔在1 000～2 000 m的地區(qū)植被生長狀況因受到人類活動的影響，其生長狀況次之，其中海拔為 5 000 m 以上的高海拔地區(qū)終年冰雪覆蓋，植被生長受限制，植被覆蓋度不高。

3.2 植被覆蓋度空間變化格局及穩(wěn)定性

結(jié)合圖2-a經(jīng)統(tǒng)計可知，研究時段內(nèi)汶川縣植被覆蓋度不顯著變化區(qū)域面積為 2 555.44 km2，占汶川縣總面積的62.35%;極顯著改善區(qū)面積為 143.13 km2，占汶川縣總面積的3.49%，主要集中在汶川縣東北角威州鎮(zhèn)、克枯鄉(xiāng)等地區(qū)，其中岷江上游干流雜谷腦河段植被覆蓋度的變化最為顯著;顯著改善區(qū)面積為562.38 km2，占汶川縣總面積的13.72%;極顯著退化區(qū)面積為196.81 km2，占汶川縣總面積的4.80%，主要集中在映秀鎮(zhèn)、漩口鎮(zhèn)、銀杏鄉(xiāng)等岷江流域;顯著退化區(qū)面積為 640.75 km2，占汶川縣總面積的15.63%;汶川縣顯著和極顯著變化的面積占總面積的37.65%，其中植被覆蓋度改善的面積略小于退化的面積，汶川縣植被覆蓋度整體是呈現(xiàn)退化趨勢的。

結(jié)合圖2-b經(jīng)過統(tǒng)計可知，平均變異系數(shù)為19.76%。變異系數(shù)≤15%的區(qū)域面積為 3 216 km2，占汶川縣總面積的78.47%，主要分布在汶川中部、東南角、北部的部分地區(qū)，該區(qū)域植被覆蓋度穩(wěn)定;變異系數(shù)為>15%～40%的區(qū)域面積為579.38 km2，占汶川縣總面積的14.14%，主要分布在位于岷江流域的漩口鎮(zhèn)、映秀鎮(zhèn)等地及岷江支流燒湯河、正河、雜谷腦河兩側(cè)海拔較高的高山邊緣地帶，該區(qū)域的植被覆蓋度不穩(wěn)定;變異系數(shù) >40% 的區(qū)域面積為303.13 km2，接近汶川縣總面積的7.39%，主要分布在海拔5 000 km以上的極低植被區(qū)，該地區(qū)的植被覆蓋度極不穩(wěn)定。

3.3 植被覆蓋度空間變化自然驅(qū)動力分析

利用地理探測器模型探測影響植被覆蓋空間變化的自然影響因子，自然因子選取地貌類型、坡向、多年平均降水量、土壤類型、坡度、高程、植被類型、多年平均氣溫等，定量分析影響力的大小。如表2所示，按照q排序表現(xiàn)為地貌類型（67.21%）>土壤類型（66.93%）>高程（65.11%）>氣溫（64.54%）>植被類型（23.57%）>降水量（21.13%）>坡向（2.40%）>坡度（1.39%）。地貌類型、土壤類型、高程、氣溫等4個自然因子是影響汶川縣植被覆蓋度空間分布的主要因素，其q都大于60%;植被類型和降水量是次要因素，其q分別為23.57%、21.13%;坡向和坡度對汶川縣植被覆蓋度空間分布的影響力較小，其解釋力度均不足3%。

4 結(jié)論與討論

本研究以四川省汶川縣為研究區(qū)，以2002年、2008年、2017年的MODIS NDVI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于像元二分模型估算了汶川縣植被覆蓋度，通過計算植被覆蓋度變化趨勢和變異系數(shù)，探討其空間分異規(guī)律及穩(wěn)定性，最后基于地理探測器模型分析了影響汶川縣植被覆被空間分布的自然因素，得出以下主要結(jié)論。

（1） 汶川縣擁有高質(zhì)量森林、草甸，多年平均植被覆蓋度在0.76以上，整體情況較好，>0.8的高植被覆蓋度區(qū)的面積接近汶川縣總面積的66.2%，主要分布在汶川縣東南部三江鎮(zhèn)、水磨鎮(zhèn)，北部的龍溪鄉(xiāng)，岷江支流燒湯河、正河兩側(cè)高海拔山坡，海拔高度為2 000～4 000 m;植被覆蓋度為>0.7～0.8的主要分布在映秀鎮(zhèn)、銀杏鄉(xiāng)中低山地區(qū)和西部中高山地區(qū);植被覆蓋度為>0.4～0.7的區(qū)域主要分布在海拔為3 000～5 000 m 的西南部的山區(qū)和威州鎮(zhèn)、克枯鄉(xiāng)，岷江與其支流雜谷腦河兩側(cè);植被覆蓋度為>0.1～0.4的區(qū)域主要位于汶川縣西部高山植被與冰川間的過渡帶;植被覆蓋度≤0.1的區(qū)域主要位于汶川縣西部耿達鎮(zhèn)、臥龍鎮(zhèn)海拔 5 000 m 以上的雪山。

研究時段汶川縣植被覆蓋度不顯著變化區(qū)域的面積占汶川縣總面積的62.35%。顯著、極顯著退化區(qū)域占汶川縣總面積的20.43%主要集中在映秀鎮(zhèn)、漩口鎮(zhèn)、銀杏鄉(xiāng)等岷江流域;顯著改善、極顯著改善的區(qū)域占汶川縣總面積的17.21%，主要在汶川縣東北角威州鎮(zhèn)、克枯鄉(xiāng)等地區(qū)，岷江上游干流雜谷腦河段最為顯著。改善的面積略小于退化的面積，汶川縣植被覆蓋情況有一定的退化。

（2） 汶川縣植被覆蓋度平均變異系數(shù)為19.76%，變異系數(shù)≤15%的穩(wěn)定區(qū)域面積為 3 216 km2，占汶川縣總面積的78.47%，主要分布在汶川中部、東南角、北部的部分地區(qū)。變異系數(shù)較高的西部山區(qū)依然是關(guān)注的重點地區(qū)，耿達鎮(zhèn)、臥龍鎮(zhèn)、綿虒鎮(zhèn)內(nèi)部變異差異明顯，是生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的重點。

（3） 利用地理探測器模型進行因子探測，地貌類型、氣溫、土壤類型、高程等4個自然因子是影響汶川縣植被覆蓋度空間分布的最主要因素，其影響力為64%～68%，植被類型和降水量為次要因素，坡向和坡度的影響力較小。

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