1973-2017年貴陽市飲用水源地植被覆蓋度的演變特征

趙衛權， 周忠發， 李 威， 楊家芳， 謝冬冬

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院/地理與環境科學學院， 貴州 貴陽 550001；2.貴州省山地資源研究所， 貴州 貴陽 550001； 3.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心， 貴州 貴陽 550001)

全球氣候變化與陸地生態系統響應(GCTE)是國際地圈生物圈計劃(IGBP)的核心研究內容[1-2]，得到了國際社會的廣泛關注。植被覆蓋度指標指示了植被的茂密程度和植物進行光合作用范圍大小，是反映地球表面植被群落等長勢、健康情況的有效指標，也是許多水土侵蝕模型的重要指標，對于揭示一定區域內的生態環境質量變化有著極其重要的作用[3-5]。貴陽市“兩湖一庫”地區是貴陽市重要的飲用水源地，其生態環境變化直接影響湖庫水質和水量。因此，在全球氣候變化的大背景下，研究飲用水源地地表植被覆蓋度演變規律及驅動力，監測植被覆蓋度變化方向，對保證貴陽市民飲水安全及評價周邊生態環境健康具有重要的理論和實際意義[6]。

早期的植被覆蓋計算方法，主要依據野外實際調查和估算，如地表實測法、目估法、采樣法等等，該方法量化指標有限，并且準確度低、時間人力等成本高、實效性差[6]。隨著遙感技術的迅速發展，不同類型衛星以不同分辨率和周期對地表進行觀測，為實現快捷、多尺度植被覆蓋度估算提供了堅實的數據基礎，通過遙感監測和模型方法的運算，不僅可以對植被覆蓋度進行大面積、較準確的估算，并且解決了植被覆蓋度的時效性問題，為多尺度、多分辨率、多方法的生態環境變化分析創造有利條件。1989年，萬恩璞等[7]利用遙感信息對長白山地區的植被覆蓋趨勢進行了分析，這是早期利用遙感技術進行植被覆蓋估算的案例；1996年，劉樹華等[8]就半干旱地區植被覆蓋度對氣候熱帶影像進行了數值模擬；1998年，孫紅雨等[9]利用NOVV/AVHRR數據提取NDVI指數，并與DEM數據相結合對區域的植被分類和景觀格局進行了研究；唐志光等[10]利用重歸一化植被指數，基于32 m分辨率的北京一號衛星(BJ-1)多光譜遙感影像數據和90 m分辨率的DEM數據，結合土地利用數據、土壤分布數據等輔助數據，對三江源自然保護區植被覆蓋度進行了估算和精度驗證；甘春英等[11]學者基于TM影像數據估算連江流域植被覆蓋度，通過疊加地質圖信息深入分析了1998年和2006年連江流域植被演變及分布特征；穆少杰等[2]基于MODIS-NDVI遙感數據估算內蒙古地區2001—2008年植被覆蓋度，并結合降雨和氣溫等氣候因子，探討植被覆蓋度與區域氣候變化的關系；吳端耀等[12]對貴州林草覆蓋度與降水之間關系進行了研究；雷聲劍等[13],孫傳亮等[14]，蔣翼等[15]，管文軻等[16]對區域時間序列的植被覆蓋度變化及驅動力進行不同程度的研究。

通過上述文獻統計可知，根據研究尺度需求的差異，植被覆蓋度估算方法主要由常規估算過渡到遙感估算，遙感估算方法大致可以分為3類，回歸模型、混合像元分解模型和其他模型，其中回歸模型不涉及復雜的遙感機理分析和模型分析，相對簡單且對局部的估算精度較高，但是該方法的局限性在于只適用于特定的區域和植被類型，推廣性較差；混合像元分解模型可以根據像元內不同地物類型進行遙感信息分解，具有較高的精度且適于推廣，混合像元分解模型中，當屬像元二分模型應用較為成熟。

目前對植被覆蓋度變化的研究主要側重于區域本身植被覆蓋研究，但對喀斯特高原城鎮飲用水源地周邊植被覆蓋度研究則極少，由于喀斯特地區的植被具有石生性、嗜鈣性等特點，喀斯特地區植被群落格局、景觀動態及覆蓋變化規律均有其獨特性，因此本文以“兩湖一庫”地區為案例，開展1973—2017年植被覆蓋度演變特征、方向、驅動機制等研究，揭示研究區植被覆蓋度狀況，以期為“兩湖一庫”地區生態建設與保護、用地規劃與布局等提供科學依據。

1 研究區概況

貴陽市紅楓湖、百花湖和阿哈水庫位于106°15′48″—106°46′57″E，26°15′42″—26°45′38″N之間，是貴陽市主城區的重要飲用水水源，簡稱“兩湖一庫”，被稱為貴陽市的“三口水缸”。為了數據資料的可獲取性，研究以鄉鎮界線為基礎，結合飲用水源保護區范圍確定研究區域，總面積為1 703.82 km2。該區域地處貴陽市西南部，分屬安順市的平壩區、黔南州的長順縣廣順鎮和貴陽市的清鎮市、烏當區和白云區。

2 數據來源和方法

2.1 數據來源

研究數據主要為不同平臺、不同時段的遙感影像數據，包括1973年5月份的MSS影像、1993年和2001年6月份的TM影像、2008年4月份的TM影像數據以及2017年4月份Landsat 8 OLI遙感數據；遙感影像數據分空間分辨率主要以30 m為主,且數據采集時間分布在4—6月這3個月，處于春夏交際的時期，相對集中，地表植被覆蓋變化較小。遙感影像數據分別經過通過輻射定標、去云處理、大氣校正、幾何校正等預處理。利用ENVI軟件進行格式轉換和投影變換(Albers/WGS1984)，采用ArcGIS 10.4軟件進行數據計算和分析。

2.2 研究方法

2.2.1 像元二分模型估算植被覆蓋度 植被指數是根據植被光譜信息，對波段進行組合形成的一種反映地表植被狀況的數學指標，利用植被指數可以有效評估植被的覆蓋程度、生長狀況和生物量等[17-23]。在植被指數中，歸一化差分植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)能夠部分消除太陽高度角、衛星觀測角、地形、云影等與大氣有關的輻射變化的影響，是反映植被長勢及植被覆蓋度的重要因子。植被覆蓋度(fractional vegetation coverage, FVC)指植被的垂直投影面積與地面統計面積的比例，是描述植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標[24-27]。植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關性，通常通過建立二者之間的轉換關系模型，估算植被覆蓋度。本研究采用較為常用的歸一化植被指數像元二分法估算植被覆蓋度。

假設每個遙感數據像元的NDVI值均可以由植被和土壤兩部分組成，則其公式如下[28]：

NDVI=NDVIvCi+NDVIs(1-Ci)

(1)

式中：NDVIv為全部被植被所覆蓋區域的NDVI值； NDVIs為全裸土或無植被覆蓋的NDVI值；Ci為植被覆蓋度。根據公式(1)，Ci的公式如下：

Ci=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(2)

對于大多數裸地表面，NDVIs理論值為0，并且不易變化；但是受土壤、氣候等其它因素影響，NDVIs會隨著空間改變而變化。與此同時，NDVIv值也會隨著植被類型及其時空演變而變化。本研究主要針對植被覆蓋變化特征及趨勢進行研究，結合研究區域的實際情況，采用最大值和最小值代替兩種極端植被指數。故本文選取研究區內NDVImax和NDVImin代表NDVIv和NDVIs，計算公式表示為：

Ci=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(3)

2.2.2 植被覆蓋度分級 依據NDVI計算出來的植被覆蓋度像元值范圍在[0，1]之間，為了定量化分等定級地描述各種狀態下植被覆蓋數量分布和變化趨勢，需要將植被覆蓋度進行分級[6]。分級標準參照楊勝天等[28]、蘇偉等[29]和張麗等[30]對區域植被覆蓋度的分級方法，結合“兩湖一庫”地區實際情況，將貴陽市郊“兩湖一庫”地區的植被覆蓋度劃分為5個等級(見表1)。

表1 貴陽市“兩湖一庫”地區植被覆蓋度等級劃分

2.2.3 植被覆蓋度動態模型 為定量化表征植被覆蓋度變化方向與程度，利用植被覆蓋度的分級結果構建植被覆蓋度動態變化模型D[31-32]，D=Fj-Fi，其中，D值為植被覆蓋度變化方向和程度值，D=0時表示植被變化較穩定，D>0表示植被得到改善，值越大表示改善程度越明顯，反之當D<0時表示植被狀況在退化；Fj為第j年植被覆蓋度等級賦值，j取值為1993,1999,2008,2017；Fi為第i年植被覆蓋度賦值，i取值為1973,1993,1999,2008，D取值范圍為-4～4(見表2)。

表2 1973-2017年貴陽市植被覆蓋度變化

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度時空變化特征

根據表3和附圖14(見封3)可知，1973年“兩湖一庫”地區的低植被覆蓋度區域比例較小，占整個研究區域的4.25%，中覆蓋度區域比例最大(38.05%)，中高覆蓋度和高覆蓋度共占41.27%，植被覆蓋度等級較高的區域，主要集中在紅楓湖下游和百花湖西邊和北邊地區，以扎佐林場為中心，周邊森林覆蓋率較高。

表3 1973-2017年貴陽市“兩湖一庫”地區植被覆蓋度比例 %

由表3和附圖15(見封3)可知，1993年研究區域低覆蓋度和中低覆蓋度面積比例分別增加了2.74%和10.56%，中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例分別減少了3.11%，8.92%和1.27%。除了地表作物種植和生長的影響，受改革開放政策的影響可能性較大，貴陽市處于從開始發展到大力發展時期，地表植被覆蓋度總體處于退化狀態。

由表3和附圖16(見封3)可知，2001年研究區域的低覆蓋度區域的面積比例有所增加，中低覆蓋度和中覆蓋度分別減少了2.78%和5.55%，中高覆蓋度和高覆蓋度面積比例增加，覆蓋度改善區域主要發生在庫區周邊和城市周邊。

由表3和附圖17(見封3)可知，2008年“兩湖一庫”地區植被低覆蓋度面積比增加2.82%，中低覆蓋度面積比例減少7.22%，中覆蓋度和中高覆蓋度面積比例分別減少5.24%和4.99%，高覆蓋度面積比例增加14.63%，覆蓋度變化明顯區域，主要分布在“兩湖一庫”周邊和城市化發展區域，主要退化區域發生在水域周邊和城市周邊，原因是由于城市化進行加快，土地利用總體規劃的管控力不強，人們主要關注度投入到經濟發展，而對于生態保護的力度不夠。

由表3和附圖18(見封3)可知，2008年至2017年期間，中低覆蓋度、中覆蓋度和中高覆蓋地面積比例分別減少8.79%，9.39%和1.75%，其中中低覆蓋度和中覆蓋比例減少較多，低覆蓋度和高覆蓋度面積比例分別增加2.97%和16.96%，總體上看，2008年至2017年期間，高植被覆蓋度比例增幅較大，說明“兩湖一庫”地區的植被保護狀況良好，但是從附圖18(見封3)中可以看出，近10 a來“兩湖一庫”地區城鎮建設加速，例如“兩湖一庫”中部區域的清鎮市周邊建設、南部區域的貴安新區建設、東南區域的小河至石板鎮一帶、貴陽老城區及周邊建設等，建設用地的擴展式、蛙跳式蔓延吞沒了部分中低覆蓋度和中覆蓋度區域。

由圖1可知，“兩湖一庫”地區地表低覆蓋度呈現持續上升態勢，中低覆蓋度表現出“升—降—降”變化規律，中覆蓋度則呈現持續下降趨勢，中高覆蓋度呈現“降—升—升”發展態勢，高覆蓋度亦呈現“降—升—升”變化格局。根據表3可知：1973年地表植被覆蓋度主要以中覆蓋度和高覆蓋度為主，整體覆蓋度水平較高；1993年，研究區域的植被覆蓋度整體水平較1973年有所下降，除了降雨、氣溫、自然災害等因素影響外，主要是由于貴陽市城市擴張和土地開發活動的開展；2001年研究區域的植被覆蓋度有所改善，主要表現為低覆蓋度和高覆蓋度都有所增長，低覆蓋度面積比例增加主要由于城市建設加速，高覆蓋度面積比例增加則主要由于“退耕還林”政策的影響和人們開始重視生態環境的意識增加；2008年和2001年變化趨勢類似，但是2008年的變化幅度大于2001年，主要原因是貴安新區建設和生態環境建設力度加大，大面積的中低覆蓋度區域變為建設用地，同時，部分中低覆蓋度區域經過改善成為高覆蓋度地區。

圖1 1973-2017年貴陽市“兩湖一庫”地區植被蓋度變化

3.2 植被覆蓋度演化規律

如表4所示，在1973—1993年這20 a間，約54%區域出現植被覆蓋明顯退化現象；有41%的植被覆蓋發生一般性退化或退化不明顯；有42%的區域植被覆蓋度等級未發生明顯變化，地表植被覆蓋相對穩定；有15.82%的地區植被覆蓋有所改善提高；只有3.22%的地區植被覆蓋情況改善明顯。在1993-2001年間，只有3.89%的地區植被覆蓋發生了明顯退化；有21.24%的區域植被覆蓋發生一般性退化；有47.27%的區域地表植被相對穩定，植被覆蓋度未發生明顯變化；有22.77%的區域植被有所改善；4.84%的區域植被覆蓋度升高，地表植被覆蓋情況改善明顯。在2001—2008年間，有10.38%區域的植被覆蓋發生明顯退化；有17.91%的區域植被覆蓋發生一般性退化；有34.33%的區域地表植被相對穩定；24.18%的區域植被有所改善；13.20%的區域植被覆蓋度升高，地表植被覆蓋情況改善明顯。在2008—2017年間，有8.77%區域的植被覆蓋度發生明顯退化，9.49%區域為一般性退化，39.37%區域地表覆蓋度較穩定，23.63%區域植被覆蓋度升高，18.74%區域的植被覆蓋情況得到明顯改善。

表4 1973-2017年貴陽市“兩湖一庫”地區植被覆蓋度變化 %

如表5所示，“兩湖一庫”地區地表植被覆蓋度年際變化差異較大。1973—1993年間，地表植被覆蓋變化較大，平均每年有0.48%植被覆蓋發生明顯退化，但是年均只有0.16%地區植被覆蓋情況發生明顯改善；1993—2001年間，年均地表植被覆蓋度退化率為0.49%，而年均地表植被覆蓋度改善率明顯提高，變化率比前一時段增加接近4倍；2001—2008年，年均地表植被覆蓋度退化率明顯高于前一時段，主要由于城市化的快速推進，同時地表植被覆蓋度改善率也明顯提升，這主要源于重視城市環城林帶的建設和“退耕還林”政策的實施；2008—2017年間，退化區域與改善區域都比較明顯，退化區域比例為0.97%，改善區域為2.88%，為前一時期改善比例的2倍之多。總之，1993年后研究區域的總體地表植被覆蓋度有所改善，低覆蓋度區域與高覆蓋度區域比例同步增長，表明“兩湖一庫”地區的植被保護力度加大，但因城市發展的需要，城鎮建設用地快速增長，環境壓力與生態保護矛盾還在持續中(表5)。

表5 1973-2017年貴陽市“兩湖一庫”地區植被覆蓋度年均變化 %

3.3 植被覆蓋度演變驅動力

近40 a來，“兩湖一庫”地區地表植被覆蓋度變化較大，且不同時期的變化速度和方向不盡相同。究其原因，主要是由于以下不同的驅動力因子影響所致：

(1) 1973年國民經濟發展緩慢，經濟增長方式較為單一，人們對土地資源的擾動較小，中覆蓋度和中高覆蓋度占絕對優勢，但由于喀斯特環境脆弱性和水土較缺且匹配較差的客觀條件，導致“兩湖一庫”喀斯特地區高覆蓋度區域面積比例也較少；

(2) 隨著改革開放的深入推進和西部大開發戰略的實施，人們對地表形態和景觀的改變力度加大，從而引起地表植被覆蓋情況發生顯著而復雜的變化；

(3) 經濟活動對地表植被覆蓋的影響集中在中、低覆蓋度面積比例持續建設，主要是由于城鎮發展和基礎設施建設所致，而中高覆蓋度及高覆蓋度面積比例增加，則是因為進入2000年以來，“退耕還林”政策的實施，使得林帶面積不斷增加；

(4) 大氣環境變化，水土流失嚴重，城鎮建設用地快速擴張等均可造成地表植被覆蓋出現退化；

(5) 植被覆蓋度比較穩定的區域主要是質量比較好的耕地和林地，因為這些區域屬于國家政策保護下的地區，而植被覆蓋度退化明顯的區域主要是質量較差的耕地、草地和灌木林地，這些土地基本上用于城鎮建設，少部分由于生態環境脆弱而變成荒草地；

(6) 城市環城林帶建設，政府對于飲用水源地生態環境保力度加大，使得城市周邊部分區域的森林面積增加，城市飲用水源地植被覆蓋度逐步改善。

4 結論與討論

4.1 主要結論

本文主要基于1973，1993，2001，2008和2017年5期的遙感影像資料，運用像元二分模型和植被覆蓋度動態模型等，分析了過去40 a間貴陽市“兩湖一庫”地區植被覆蓋度的演化趨勢和影響因素，主要結論如下：

(1) 低覆蓋度面積比例從1973年的4.25%增加到2017年的16.52%，其原因主要是由于建設用地面積不斷增大和水土流失嚴重造成的，而高覆蓋度面積比例從1973年的9.89%增加到2017年的43.64%，主要是“退耕還林”政策實施后林地面積增加，以及貴陽市城市環城林帶的建設影響；

(2) 由于中植被覆蓋主要表達土地利用類型中的耕地，其次為中覆蓋草地、低覆蓋草地和少數城市園地斑塊，因此中覆蓋度面積比例從1973年的38.05%減少到2017年的14.76%，一定程度上反映出研究區內耕地面積和中覆蓋草地減少的態勢；

(3) 1973—2017年貴陽市“兩湖一庫”地區植被覆蓋整體具有退化的趨勢，主要表現在低覆蓋度面積比例增長明顯，但是地表植被覆蓋越來越集中，人為改善地表植被覆蓋的力度加大；

(4) 經濟建設帶動的城鎮發展和交通建設是研究區地表植被覆蓋度發生演變的主要驅動力；

(5) 2008—2017年期間植被覆蓋度年均變化率明顯高于1973—1993，1993—2001，2001—2008年這3個時段，表明最近10 a貴陽市“兩湖一庫”地區植被覆蓋度變化較為明顯，主要受城鎮建設和生態環境建設雙重影響。

4.2 討 論

通過貴陽市水資源公報，統計查詢2002—2018年“兩湖一庫”區域的各湖庫水質等級(見表6)，從一個較宏觀的角度對比植被覆蓋度的變化與水質等級變化的相互關系，發現隨著時間的推移，公布的水質等級自身并沒有明顯增減或者其他規律，2008年水質等級較低的原因，是總氮和總磷的含量超過正常指標，2011—2015年阿哈湖水質評估的等級為Ⅲ類，主要影響指標為5 d生化需氧量。植被覆蓋度從側面反映了水源地周邊土地利用/覆被變化，土地利用/覆被變化對水質的影響主要是通過非點源污染途徑，因此水質等級的變化過程，不僅與周邊植被覆蓋的變化有關，還與周邊土地利用變化、耕地施肥情況、其他污染物排放等眾多因素有復雜的聯系。

表6 2002-2018年貴陽市“兩湖一庫”地區水質等級

基于遙感和GIS技術對“兩湖一庫”地區植被覆蓋度演變進行研究，能夠客觀反映植被覆蓋的實際情況，也可以直接反映研究區域生態環境演變規律，但是不同遙感尺度計算的植被覆蓋度，所反映出來的演變規律具有一定的差異性，因此多源遙感數據融合在后面的研究當中值得深入探討；其次在收集歷史實測數據的基礎之上，可以進一步研究植被覆蓋與氣候因子、地形因子、土地利用變化、水量水質等因素的相互影響，多因素多視角的深入剖析，有利于掌握飲用水源區域環境變化規律，為保護水安全提出更加針對性的建議。

針對“兩湖一庫”地區建設用地逐漸增加、水土流失和耕地面積進一步減少等問題，首先應從法律責任上進行約束和管理，立法、普法工作積極跟進，強化公眾參與和監督，使得破壞水源地水安全的違法成本更高；其次要提高飲用水源地周邊的生態補償標準，使得周邊居民從保護水源地的行動中得到切實利益，解決耕地減少帶來的生存生活壓力與保護環境的矛盾，更加愿意加入到湖庫水源的保護行動之中；最后，積極保護流域植被，利用有效的生態修復工程措施，從源頭上解決生態系統自我修復和凈化能力，從而保護飲用水源地的水質安全。