洞庭湖區植被覆蓋度下降成因分析

韓沁哲，邵佳麗，陳磊士，周 碧

（1.湖南省氣象科學研究所/湖南省防災減災重點實驗室，長沙 410118；2.國家氣象衛星中心，北京 100081）

洞庭湖（28°44′—29°35′N，111°53′—113°05′E）位于湖南省東北部，承接湘、資、沅、澧四水形成沉積型盆地，是兼具蓄洪功能的過水性湖泊，全年水位波動變化較大，呈現“漲水是湖，退水為洲”的動態景觀，建有4個不同級別的自然保護區。洞庭湖區屬于亞熱帶季風濕潤氣候區，光熱充足，有全省最優越的光能資源，土壤以水稻土為主，是全省水稻、油菜、甜橙等農產品種植的最適宜區。2014年7月國務院批復《洞庭湖生態經濟區規劃》，把洞庭湖區定位為中部地區崛起的典型示范區。根據陳強等［1］的研究，洞庭湖區各生態系統類型的健康狀況和基本特征處于較差的狀態。

中國氣象中心提供的植被覆蓋度趨勢率數據顯示，2000—2019年洞庭湖區90.3%的區域植被覆蓋度呈正向變化，年均總增速0.39%，植被覆蓋狀況持續改善，但在益陽市南縣、沅江市，岳陽市華容縣，常德市武陵區、鼎城區、漢壽縣、澧縣，有部分區域植被覆蓋度下降趨勢明顯，而且洞庭湖區植被覆蓋度增速低于全省平均增速（0.51%）。本研究旨在找出洞庭湖區植被覆蓋度增長趨勢率偏低的成因。

雷璇等［2］利用高分辨率衛星數據提取東洞庭湖濕地植被進行格局變化分析；陳燕芬等［3］基于MO?DIS時間序列研究濕地沼澤和植被的面積變化；龍岳紅等［4］基于離散小波多分辨率分析，發現洞庭湖流域植被動態變化特征和降水有密切關系；曾光明等［5］發現東洞庭湖植被與高程及水環境有很大相關性。本研究選擇洞庭湖區湖南省境內部分的岳陽市、益陽市、常德市3個市級行政區作為主要研究區域，以EOS/MODIS、FY-3/MERSI等衛星估測陸地植被覆蓋度和長序列水體面積，再結合中國科學院土地利用分類數據、氣象數據、NPP_VIIRS夜間燈光數據、湖南統計年鑒數據等，分地類定量化地探索氣候因子、人為因素對洞庭湖區不同生態系統植被覆蓋度下降造成的影響，對洞庭湖區生態系統研究具有重要意義。

1 數據與方法

1.1 數據來源

利用MODIS數據計算植被覆蓋度數據，利用FY-3衛星計算洞庭湖水體面積，基于NASA網站共享的美國NPP氣象衛星可見光紅外成像輻射儀VIIRS的DNB微光波段數據計算夜間燈光指數。土地利用分類數據來源于中國科學院土地資源分類系統LUCC土地利用/覆蓋遙感監測分類數據，氣象數據來源于湖南省氣候中心，中國縣級行政區劃矢量數據來源于國家氣象信息中心提供的全國1∶100萬數據庫，歐美黑楊砍伐面積來源于當地自然保護區統計，農業社會經濟統計數據來源于湖南省統計局發布的《湖南統計年鑒》《湖南農村統計年鑒》。

1.2 數據處理

1.2.1 植被覆蓋度數據處理

1）植被覆蓋度計算。以EOS/MODIS、FY-3/MERSI等衛星的歸一化差值植被指數（NDVI）數據作為基礎，計算陸地植被覆蓋度。

式中，Ck為k時段陸地植被覆蓋度；Vk為k時段NDVI；Vsoil為像元顯示為純土壤時的NDVI，根據中國陸地特點設為常數0.05；Vmax為像元顯示為全植被覆蓋下的NDVI，根據中國陸地特點設為常數0.95。

2）植被覆蓋度趨勢率計算。基于2000—2019年洞庭湖區植被覆蓋度柵格圖計算柵格圖像中各像元趨勢率。

式中，Ci為第i年植被覆蓋度；a為截距；b為植被覆蓋度趨勢率；ti為基礎年到第i年的年序。

3）植被覆蓋度年均值和年差值的計算。利用2000年、2005年、2010年、2015年地表分類數據分別統計 2000—2004 年、2005—2009 年、2010—2014年、2015—2019年不同地類的植被覆蓋度均值。

植被覆蓋度下降面積計算，利用中國科學院土地利用/覆蓋遙感監測分類數據的地類shp圖，統計洞庭湖區在該地類范圍內當Cn-Cn-1＜0時累計的像元面積。植被覆蓋度下降程度計算，利用中國科學院土地利用/覆蓋遙感監測分類數據的地類shp圖，計算洞庭湖區在該地類范圍內當Cn-Cn-1＜0時所有此類像元植被覆蓋度的平均值。其中，Cn為第n年全年平均陸地植被覆蓋度；Cn-1為n-1年的全年平均陸地植被覆蓋度。

1.2.2 水體面積計算 以EOS/MODIS、FY-3/MER?SI等衛星數據的紅光波段和近紅外波段計算每月洞庭湖水體面積最大值，再通過全年各月洞庭湖水體面積計算年平均水體面積和最大水體面積。

式中，RRED指紅光波段反射率；RNIR指近紅外波段的反射率；RN/Rth為RNIR與RRED比值對應的閾值，參考閾值為0.7。在白天晴空或薄云天氣條件下，當比值小于等于0.7時判識為水體。

1.2.3 燈光數據處理 根據美國國家海洋與大氣管理局免費發布的NPP_VIIRS長時間序列夜間燈光影像數據集，獲取了2012—2017年DNB影像，去除閃電等異常值，計算得到2012—2017年各縣（市）年合成產品，利用該產品統計夜間燈光指數，以及夜間燈光指數大于1的區域內植被覆蓋度下降情況。

1.2.4 相關系數閾值界定 相關系數絕對值在0～0.3為低度相關，在0.3～0.6為中度相關，大于0.6為高度相關。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度與地類面積變化的關系

洞庭湖區濕地植被主要集中在洞庭湖自然保護區核心區，林地和草地主要分布在洞庭湖區周邊丘陵山地，東南部以油茶林為主，西南部以楠竹林為主，西部以杉木林為主［6］，但面積最大的植被類型為作物植被（水田、旱地），分布在垸區，主要以水稻、油菜、玉米、棉花、水果等作物為主。根據劉紀遠等［7，8］的地表分類結果，利用2000年、2005年、2010年、2015年地表分類數據計算各地類變化。結果表明，2000—2015年林地、水田、旱地、湖泊、草地面積呈減少趨勢，減少趨勢為湖泊＞水田＞林地＞旱地＞草地，其中湖泊在2000—2005年為略增加趨勢，但在2005—2015年為快速減少趨勢，河渠水塘、濕地、人口聚集區面積呈增加趨勢，增速為人口聚集區＞河渠水塘＞濕地（表 1）。

表1 2000—2015年洞庭湖各地類面積占比 （單位：%）

從表1可以看出，各地類變化面積很小，地表分類結果不能體現植被覆蓋度下降的原因。因此，本研究針對洞庭湖區林地、水田、旱地、人口聚集區、濕地、湖泊6種地類，計算2000—2019年植被覆蓋度變化特征。結果表明，6種地類2000—2019年植被覆蓋度均呈增加趨勢，趨勢率為林地＞旱地＞湖泊＞濕地＞水田＞人口聚集區；平均植被覆蓋度為林地＞旱地＞水田＞濕地＞人口聚集區＞湖泊；植被覆蓋度增長趨勢率為負值的面積占該地類自身面積的比重表現為人口聚集區＞水田＞濕地＞湖泊＞旱地＞林地；植被覆蓋度增長趨勢率為負值的面積占全湖趨勢率為負值面積的比重為水田＞人口聚集區＞濕地＞湖泊＞旱地＞林地（表 2）。湯旭光等［9］研究發現，千島湖流域是受人為干擾較大的地域，如河、湖附近的城鎮建設用地、農業用地及其園地，其NDVI明顯低于自然林地，本研究結果說明洞庭湖流域與千島湖流域在該方面特征類似。植被覆蓋度下降區主要集中在水田、人口聚集區和濕地地類，根據陳強等［1］的研究，洞庭湖區人工生態系統的頻繁更新變化使其生產能力和穩定性都低于自然生態系統；而在自然生態系統中，森林生態系統穩定性最高，濕地生態系統穩定性最低，易于受到環境變化和人類干擾的影響，本研究結果與其結論一致。

在三峽工程建設的2003年、2006年、2009年3個重要蓄水年間，所有地類的植被覆蓋度變化一致，為2003年減少、2004年增加、2005年減少、2006年增加、2008—2009年持平；但是在非蓄水年的其他年份，湖泊、濕地2個地類的植被覆蓋度變化和其他地類是相反的（圖1）。

表2 2000—2019年洞庭湖不同地類植被覆蓋度分析

圖1 2000—2019年洞庭湖區不同地類植被覆蓋度年差值

2.2 各地類植被覆蓋度下降成因分析

為進一步找到洞庭湖區植被覆蓋度下降成因，本研究主要針對水田、人口聚集區和濕地3種地類的不同特點分別進行干擾因子的計算對比。

2.2.1 水田植被覆蓋度下降成因分析 計算2000—2019年水田地類植被覆蓋度下降面積和下降程度，并與該時間段內洞庭湖區稻谷播種面積、玉米播種面積、糧食產量、稻谷產量、水果產量5個因子的年差值進行相關性分析，探索其農業成因關系。結果表明，水田植被覆蓋度下降面積與糧食產量年差值呈中度負相關，與水果產量年差值呈中度正相關；水田植被覆蓋度下降程度與玉米播種面積年差值呈中度正相關；水田植被覆蓋度年差值與稻谷播種面積年差值、糧食產量年差值、稻谷產量年差值呈中度正相關，與水果產量年差值呈中度負相關（表3）。分析其原因與湖區農業種植結構調整有很大關系。由于近年來稻谷市場不景氣，湖區糧食播種面積持續減少，各鄉鎮種植方向紛紛向效益高的瓜果類種植、稻田養魚蝦等方向傾斜，或者種植玉米等青飼料發展養殖業。

對2000—2019年水田地類植被覆蓋度下降面積和下降程度與氣溫、日照時數、降水量等氣候因子的年差值進行相關性分析，探索其氣候成因。結果表明，水田植被覆蓋度下降面積、下降程度與5—8月降水量、降水量年差值均呈高度或中度負相關（表 4）。

2.2.2 人口聚集區植被覆蓋度下降成因分析 利用NPP_VIIRS數據分縣計算2012—2017年洞庭湖區燈光指數年差值和燈光面積年差值，并把燈光指數大于1的區域作為人口聚集區計算該區域內植被覆蓋度下降像元的面積年差值，再結合2012—2017年湖南省統計年鑒數據中各縣級行政區的地區生產總值、工業主要營業收入、房屋建筑竣工面積的年差值，從植被覆蓋度下降面積以及下降程度2個角度來分析其與城鎮化、經濟快速發展之間的聯系。另外再與2000—2019年氣溫、日照時數、降水量等氣候因子的年差值進行相關性分析，探索其氣候成因。結果表明，燈光指數年差值、地區生產總值年差值與人口聚集區的植被覆蓋度下降面積分別呈高度和中度正相關（表5）；5—8月降水量、降水量年差值與人口聚集區的植被覆蓋度下降面積均呈高度負相關（表 6）。

表3 2000—2019年水田的植被覆蓋度下降與農業統計數據的相關系數

表4 2000—2019年水田的植被覆蓋度下降與氣候因子的相關系數

表5 2012—2017年人口聚集區的植被覆蓋度下降與經濟、城鎮化進程和燈光指數的相關系數

表6 2000—2019年人口聚集區的植被覆蓋度下降與氣候因子的相關系數

2.2.3 洲灘濕地植被覆蓋度下降成因分析 計算2000—2019年洲灘濕地植被覆蓋度下降面積和下降程度，并與該時間段內洞庭湖年平均水體面積、洞庭湖年最大水體面積、溫度、日照時數、降水量的年差值及人為因素6個因子進行性關性分析，探索其成因關系。由于人類盲目開墾，大面積種植楊樹、蘆葦等人為干擾，會導致物種生物多樣性下降、地力衰退、土壤旱化、地下水位降低［10］，為了恢復洞庭湖濕地的生態功能，湖南省自2017年7月開始全面清理洞庭湖自然保護區核心區內的歐美黑楊，因此人為因素主要考慮歐美黑楊砍伐面積的影響。

由表7可知，洞庭湖水體面積減小、氣溫上升、日照時間增多會造成洲灘濕地植被覆蓋度下降面積增加；各因子對洲灘濕地植被覆蓋度下降面積的影響為年平均水體面積＞年平均氣溫＞日照時數＞最大水體面積＞年降水量＞楊樹砍伐面積；楊樹砍伐面積與植被覆蓋度下降面積呈中度負相關（表7）。洞庭湖水體面積減小以及氣候變化的影響，容易造成大范圍洲灘濕地植被覆蓋度下降。如2006年洞庭湖水體面積為2000—2019年最小值，造成洲灘濕地植被覆蓋度下降面積達87%（2000—2019年下降面積第二大值）；2004年洞庭湖區日照時數達2000—2019年第二大值，造成洲灘濕地植被覆蓋度下降面積達89%（2000—2019年下降面積最大值）。

洞庭湖水體面積增加、日照時數減少、降水量增加、氣溫下降會造成洲灘濕地植被覆蓋度下降程度增加；各因子對洲灘濕地植被覆蓋度下降程度的影響為年平均水體面積＞最大水體面積＞日照時數＞年降水量＞年平均氣溫；楊樹砍伐面積與植被覆蓋度下降程度無關（表7）。根據曾光明等［11］的研究，濕地植被在夏季易于被淹沒，使NDVI下降，因此該區域的植被覆蓋度與水體面積變化關系密切，當水位超過24 m以上部分濕地植被被水淹沒，造成植被覆蓋度下降。

洲灘濕地植被覆蓋度下降面積和下降程度相關系數為-0.699，呈負相關，兩者變化的氣候驅動因子是相反的；洲灘濕地植被覆蓋度下降面積與氣候變化、水體面積變化都有關系，而下降程度與水體面積變化關系更為密切。該結論使圖1的情況得到合理解釋，三峽蓄水期間的豐水年，上游來水被截留，洞庭湖水體面積并沒有像往年那樣增加，使得洲灘植被未被湖水淹沒而使植被覆蓋度下降，失去了水體面積變化影響的洲灘濕地，植被覆蓋度變化與其他地類變化趨同。

表7 2000—2019年洲灘濕地的植被覆蓋度下降與不同因子的相關系數

3 結論

洞庭湖區2000—2019年植被覆蓋度下降區域主要集中在水田、人口聚集區和濕地地類。水田地類植被覆蓋度下降的主導氣候影響因子是5—8月降水量；人為因素主要是湖區農業種植結構調整，導致水田地類植被覆蓋度的下降。人口聚集區植被覆蓋度下降的主導氣候影響因子也是5—8月降水量；人為因素主要是地區生產總值、燈光指數，人口聚集、經濟快速發展等。洲灘濕地植被覆蓋度下降面積與溫度、日照時數、降水量3個氣候因子以及水體面積變換都有密切聯系；下降程度與水體面積變化關系更密切，但三峽蓄水會減輕這種影響；楊樹砍伐會對洲灘濕地植被覆蓋度下降面積產生影響。