遼河保護區(qū)植被覆蓋度時空動態(tài)變化及驅(qū)動因素

楊春艷，高艷妮，劉學(xué)*，孫倩瑩，王世曦，楊彩云，虞慧怡，賈振宇

1.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 3.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

遼河保護區(qū)于2010年劃定，其對保護遼河干流及河岸帶生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。保護區(qū)內(nèi)植被可以通過削減污染物，提供養(yǎng)分和能量以及調(diào)節(jié)河流微氣候等功能改善河流水質(zhì)和維持水生生物多樣性，具有廊道、緩沖帶和護岸三大功能[1-3]。因此，河岸帶植被退化和恢復(fù)常被用于評價河岸帶生態(tài)狀況，其中植被恢復(fù)也常被視為河岸帶生態(tài)恢復(fù)的主要目的；植被時空動態(tài)變化是反映生態(tài)狀況的重要指標，常用于評估河岸植被和保護河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)情況[4]。

植被覆蓋度(fractional vegetation coverage，F(xiàn)VC)是衡量地表植被狀況的重要指標，影響大氣和地表之間碳、水、能量轉(zhuǎn)化，已廣泛用于反映地區(qū)生態(tài)環(huán)境的整體狀況[5-6]。目前，植被覆蓋度測定主要有實地測量和遙感監(jiān)測，遙感監(jiān)測是運用最為廣泛的測定手段且方法眾多，也是區(qū)域尺度上植被覆蓋度的主要監(jiān)測手段[7-11]。國內(nèi)外學(xué)者借助遙感觀測技術(shù)對區(qū)域植被覆蓋度的時空變化規(guī)律進行研究，并探討了氣溫、降水和人類活動對其的影響[12-14]。如劉憲鋒等[15]通過分析2000—2009年黃土高原地區(qū)植被覆蓋度時空變化，發(fā)現(xiàn)降水與氣溫的增加以及人為修復(fù)植被是該地區(qū)植被覆蓋度增加的主要原因；Jiang等[16]通過研究黃土高原植被覆蓋度，發(fā)現(xiàn)近年來黃土高原生態(tài)環(huán)境狀況得到改善；夏會娟等[17]基于MODIS NDVI(normalized difference vegetation index，歸一化植被指數(shù))分析了遼河保護區(qū)劃定前(2000—2009年)和劃定后(2010—2015年)植被覆蓋時空動態(tài)，發(fā)現(xiàn)河岸帶封育區(qū)內(nèi)的自然恢復(fù)和小型人工濕地建設(shè)促進了NDVI的增加；楊繪婷等[18]運用MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)反演區(qū)域植被覆蓋的空間格局和變化規(guī)律，結(jié)合同期降水量和溫度數(shù)據(jù)，分析了植被的變化對氣候的影響；穆少杰等[19]通過模擬潛在植被指數(shù)和遙感監(jiān)督分類的方法，分析流域植被和潛在植被分布格局，得出植被退化的空間態(tài)勢。人為因素主要是通過改變土地利用土地覆被影響植被覆蓋，如農(nóng)牧耕作和城市建設(shè)等對植被覆蓋產(chǎn)生負面影響，退耕還林還草工程能促進植被恢復(fù)[20-22]。

遼河保護區(qū)劃定后，河道兩側(cè)實行自然封育和退耕還林還草措施，農(nóng)田大幅度轉(zhuǎn)為草地和林地，植被在區(qū)域上呈不同程度的恢復(fù)趨勢，對遼河河岸生態(tài)狀況產(chǎn)生了一定的影響。本研究通過2000—2018年遼河保護區(qū)的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，分析遼河保護區(qū)劃定前(2000—2009年)和劃定后(2011—2018年)植被覆蓋的時空動態(tài)變化，及其對區(qū)域植被恢復(fù)退化的影響；結(jié)合年降水量、年均氣溫、土地利用等數(shù)據(jù)，探討遼河保護區(qū)劃定前和劃定后的植被覆蓋變化驅(qū)動因素，分析遼河保護區(qū)在植被保護方面的成效，以期量化遼河保護區(qū)劃定對植被恢復(fù)和保護的影響。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)

遼河保護區(qū)位于我國東北地區(qū)的西南部(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)，起始于東西遼河交匯處，終于盤錦入海口，總面積為1 869.2 km2。其地處中高緯度，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫自下游平原向上游山區(qū)逐漸降低，氣溫年際變化較大，年均氣溫為4～9 ℃；降水量自西北向東南遞增，多年平均降水量為450～650 mm，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配不均，主要集中在6—9月。遼河保護區(qū)主要包括封育區(qū)(河道兩側(cè)500 m范圍內(nèi))和農(nóng)田耕作區(qū)(河道兩側(cè)500 m范圍外)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

植被覆蓋度數(shù)據(jù)基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)和Landsat TMOLI影像，通過融合生成了30 m NDVI數(shù)據(jù)集，采用國際通用的最大值合成方法(maximum value composite syntheses，MVC)獲取年NDVI數(shù)據(jù)，以減少云和物候循環(huán)的影響，利用像元二分法求得植被覆蓋度。計算公式如下：

FVC=(NDVI-NDVIs)(NDVIv-NDVIs)×100%

式中：FVC為植被覆蓋度，%；NDVIs為研究區(qū)裸土NDVI，取經(jīng)驗值0.05；NDVIv為研究區(qū)植被NDVI像元最大值，取經(jīng)驗值0.95。

其他數(shù)據(jù)主要包括遼河保護區(qū)邊界、遼河保護區(qū)2010—2018年土地利用以及長時間序列的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，遼河保護區(qū)邊界來自于遼河管委會；遼河保護區(qū)2010—2018年土地利用數(shù)據(jù)是基于2010—2018年0.5～2 m無偏移Google earth高清影像，采用面向?qū)ο蠓诸惙ê腿藱C交互解譯的方法提取的；長時間序列的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于遼河水文年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋度變化

分別取遼河保護區(qū)劃定前和劃定后植被覆蓋度的多年平均值代表研究區(qū)的植被覆蓋狀況，將植被覆蓋度分為低(FVC<10%)、較低(10%≤FVC<30%)、中(30%≤FVC<70%)、較高(70%≤FVC<90%)和高(FVC≥90%)5類，分析遼河保護區(qū)劃定前后植被覆蓋度空間分布的差異，并采用斜率趨勢分析法分析植被覆蓋度變化的長期趨勢。計算公式如下：

(1)

式中：S為植被覆蓋度增長斜率，%a；j為某個年份。利用t檢驗對植被覆蓋度增長斜率進行顯著性檢驗，根據(jù)t檢驗結(jié)果，將變化趨勢分為明顯增加(S>0,P≤0.01)、略微增加(S>0,P≤0.05)、基本不變(S=0或P>0.05)、略微降低(S<0,P≤0.05)、明顯降低(S<0,P≤0.01)5類。

1.3.2植被恢復(fù)與退化

將2000—2009年的植被覆蓋度作為生態(tài)本底，以2010年為基準年，評估遼河保護區(qū)劃定后(2011—2018年)植被覆蓋度變化情況；參考GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標》[23]，采用植被覆蓋度變化率對植被退化/恢復(fù)進行分級，將植被恢復(fù)/退化類型劃分為基本不變、輕度退化、中度退化、重度退化、略微恢復(fù)、中度恢復(fù)和明顯恢復(fù)7個等級(表1)。

1.3.3驅(qū)動因素

選取年均氣溫、年降水量等因素分析研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度與氣候因素的相關(guān)性，選取合適的氣象參數(shù)，建立FVC和氣候因素間的回歸方程，并采用殘差分析法分析人類活動對植被覆蓋度的影響[24]。計算公式如下：

ε=FVC實際-FVC模擬

(2)

FVC模擬=α×pre+β×tem

(3)

式中：ε為殘差，表示人類活動對植被覆蓋度的貢獻量，%；FVC實際為實際植被覆蓋度，%；FVC模擬為氣象模擬植被覆蓋度，%；pre為年降水量；tem為年均氣溫；α、β為系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 植被覆蓋度時空動態(tài)變化

2000—2018年遼河保護區(qū)植被覆蓋度空間分布見圖1。從圖1可以看出，遼河保護區(qū)植被覆蓋度平均值為56.49%，高植被覆蓋度區(qū)域主要分布在下游河段和上游河段；中植被覆蓋度區(qū)域主要分布在中游河段；低植被覆蓋度區(qū)域主要分布在河道附近，常年受到河水頻繁淹沒，尤其是6—9月豐水期河流水量較大，河道附近的植被部分被淹沒，從而降低了地表植被覆蓋度[25-26]。從圖1和表2可以看出，2000—2018年，有78.81%的區(qū)域植被覆蓋度基本不變；13.65%的區(qū)域呈降低趨勢，明顯降低的面積約為84.67 km2，主要分布在中游河段，屬于河流兩岸的河流潮間帶；7.54%的區(qū)域呈增加趨勢，有55.52 km2的區(qū)域植被覆蓋度明顯增加，主要分布在遼河入海口岸邊帶和上游河段。

圖1 2000—2018年遼河保護區(qū)植被覆蓋度空間變化Fig.1 Spatial change distribution of FVC in Liaohe Conservation Area in 2000-2018

表2 遼河保護區(qū)植被覆蓋度變化等級面積及占比

2000—2018年遼河保護區(qū)植被覆蓋度隨時間變化見圖2。

圖2 遼河保護區(qū)植被覆蓋度隨時間變化Fig.2 Temporal change of FVC in Liaohe Conservation Area

從圖2可以看出，2000—2018年遼河保護區(qū)植被覆蓋度整體增長斜率為0.002 6%/a，呈略微增加趨勢。2000—2009年植被覆蓋度呈增加趨勢，增長斜率為0.67%/a；2011—2018年呈波動平穩(wěn)趨勢，增長斜率為-0.27%/a。遼河保護區(qū)劃定前、劃定后植被覆蓋度平均值分別為56.88%、56.07%。

遼河保護區(qū)劃定前后植被覆蓋度空間分布變化見圖3。從表2和圖3可以看出，遼河保護區(qū)劃定前，有33.20%的區(qū)域植被覆蓋度呈增加趨勢，明顯增加的區(qū)域面積為264.12 km2，集中分布在下游和上游河段；有7.61%的區(qū)域植被覆蓋度呈降低趨勢，明顯降低的區(qū)域面積為52.90 km2，分布離散。相對于保護區(qū)劃定前，

圖3 遼河保護區(qū)成立前、后植被覆蓋度空間分布變化Fig.3 Spatial change of FVC before and after the establishment of Liaohe Conservation Area

保護區(qū)劃定后植被覆蓋度有

下降的趨勢，下降面積占比為27.21%，其中有331.04 km2的區(qū)域呈明顯降低趨勢，上、中、下游河段均有集中分布，出現(xiàn)了區(qū)域連片降低的趨勢。尤其是遼河保護區(qū)入海口河段陸地區(qū)域植被覆蓋度下降明顯；而植被覆蓋度增加的區(qū)域約占遼河保護區(qū)的13.70%，有131.22 km2的面積呈明顯增加趨勢。

2.2 植被恢復(fù)退化情況

基于植被覆蓋度的植被恢復(fù)/退化程度見表3。從表3可以看出，遼河保護區(qū)劃定以來，植被退化面積占比呈先降低后增加的趨勢，尤其是2015—2018年植被覆蓋度退化面積較基準年大。植被恢復(fù)面積占比呈先增加后降低的趨勢，2014年植被恢復(fù)面積占比最大。從遼河保護區(qū)劃定后植被恢復(fù)/退化面積變化來看，植被恢復(fù)主要出現(xiàn)在2013年，恢復(fù)面積比退化面積約增加6.54 km2；其他年份植被恢復(fù)面積均小于植被退化面積，尤其是2015—2018年植被退化情況較嚴重。總的來看，2012—2014年植被得到了一定的恢復(fù)，恢復(fù)面積和退化面積基本持平，但2015—2018年植被又出現(xiàn)退化情況。

表3 遼河保護區(qū)植被恢復(fù)/退化面積占比

2.3 驅(qū)動因素

根據(jù)年降水量、年均氣溫和植被覆蓋度數(shù)據(jù)分布特點，年降水量在不同區(qū)間對植被覆蓋度的影響不同，當年降水量小于600 mm時，其與植被覆蓋度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.93(P<0.05)，R2為0.870 6，即植被覆蓋度隨著年降水量的增加而增大；當年降水量大于600 mm時，其與植被覆蓋度存在顯著的負相關(guān)關(guān)系，R2為0.772 5，即植被覆蓋度隨著年降水量的增加而降低〔圖4(a)〕；年均氣溫與植被覆蓋度沒有顯著相關(guān)關(guān)系〔圖4(b)〕。Rodriguez等[27-28]的研究也表明，在干旱、半干旱地區(qū)植被生長的限制性因子主要與水分有關(guān)。遼河保護區(qū)植被覆蓋度與年降水量、年均氣溫間之所以呈現(xiàn)出這樣的關(guān)系，主要是由于遼河保護區(qū)內(nèi)年均氣溫差異小，而年降水量的時空差異比較明顯；另外，遼河保護區(qū)是河濱保護帶，年降水量增加會直接導(dǎo)致遼河河道水位上漲，使得河道兩岸的部分草本濕地被淹沒，從而降低了植被覆蓋度，這就導(dǎo)致年降水量達到一定程度植被覆蓋度出現(xiàn)降低的趨勢。為進一步提高模型精度和準確度，在模擬植被覆蓋度的過程中，研究同時考慮年降水量、年均氣溫2個因子，并基于分段函數(shù)，以年降水量為自變量、年均氣溫為協(xié)變量，做偏相關(guān)回歸，回歸方程及相關(guān)參數(shù)見表4。

圖4 年降水量、年均氣溫與遼河保護區(qū)植被覆蓋度相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis between precipitation,temperature and FVC in Liaohe Conservation Area

表4 基于年降水量、氣溫模擬遼河保護區(qū)植被覆蓋度相關(guān)參數(shù)

根據(jù)植被覆蓋度實際值和模擬值，研究遼河保護區(qū)植被覆蓋度受人類活動的影響，結(jié)果見圖5。由圖5(a)可見，2000—2018年人類活動對植被覆蓋度的貢獻率平均約占0.41%，遼河保護區(qū)劃定后人類活動對植被覆蓋度的貢獻率平均增至1.12%，增加了0.71個百分點。由圖5(b)可見，2012—2014年人類活動對植被覆蓋度的影響為正向，尤其是2014年人類活動對植被覆蓋度貢獻率達最大，為8.42%。人類活動對植被覆蓋度的影響主要通過改變土地利用類型及方式來實現(xiàn)[19-21]，根據(jù)遼河保護區(qū)2010—2018年土地利用數(shù)據(jù)，耕地大面積退耕，草地和河濱濕地大面積增加，在一定程度上促進了植被恢復(fù)，使遼河保護區(qū)各類土地利用面積發(fā)生了變化，在一定程度上影響了區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度。如2015—2018年草地面積減少了5 149 km2，河流、湖泊、水庫等水面面積增加了約3 400 km2，河濱濕地面積增加了約6 700 km2。根據(jù)遼河干流六間房多年年平均徑流量實測數(shù)據(jù)，遼河流域年徑流量由2000—2009年的12.48億m3增至2011—2018年的29.37億m3，增加了16.89億m3，這也直接導(dǎo)致了河道水量增加，并使得河道兩側(cè)低洼地段的草地被淹沒。由此可見，雖然人類活動干擾減弱對遼河保護區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)有促進作用，但是降水量的增加在一定程度上弱化了植被恢復(fù)成效，甚至產(chǎn)生了負面效應(yīng)。

圖5 遼河保護區(qū)人類活動對植被覆蓋度的影響Fig.5 Influence of human activities on FVC in Liaohe Conservation Area

3 結(jié)論

(1)2000—2018年遼河保護區(qū)植被覆蓋度整體呈略微增加趨勢，其增加斜率為0.002 6%/a。植被覆蓋度增加主要發(fā)生在2000—2009年，其增加斜率為0.67%/a；而2011—2018年植被覆蓋度呈波動減少趨勢，其變化斜率為-0.27%/a。

(2)從植被覆蓋度空間分布來看，低植被覆蓋度區(qū)域主要分布在河道附近，較高植被覆蓋度區(qū)域主要分布在河道兩側(cè)的農(nóng)田區(qū)域。2000—2018年，植被覆蓋度降低的區(qū)域主要分布在河道兩側(cè)的河岸帶，尤其是地勢較低洼的河段兩側(cè)；2000—2009年，植被覆蓋度出現(xiàn)了區(qū)域性增加趨勢，主要分布在河道兩側(cè)的農(nóng)田、林地；2011—2018年植被覆蓋度出現(xiàn)了區(qū)域性變差趨勢，主要分布在地勢較低洼的河段兩側(cè)。相對于基準年(2010年)，遼河保護區(qū)植被在2012—2014年呈現(xiàn)出輕微的恢復(fù)趨勢，但2015—2018年又出現(xiàn)了退化趨勢。

(3)年降水量、年均氣溫與植被覆蓋度相關(guān)分析顯示，年均氣溫與植被覆蓋度沒有顯著相關(guān)關(guān)系，年降水量在不同區(qū)間對植被覆蓋度的影響不同。基于年降水量和年均氣溫數(shù)據(jù)分段函數(shù)模擬了植被覆蓋度，通過與實際植被覆蓋度對比發(fā)現(xiàn)，遼河保護區(qū)劃定后(2011—2018年)人類活動對植被覆蓋度的貢獻率增至1.12%，尤其是2014年，人類活動對植被恢復(fù)的作用明顯。