安徽省植被覆蓋度動態變化及其對地形的響應

姚鎮海, 吳丹娃, 褚榮浩, 姚葉青, 何彬方, 黃 勇

(1.安徽省公共氣象服務中心, 安徽 合肥 230031; 2.安徽省氣象科學研究所, 安徽 合肥 230031)

植被是旅游資源的重要組成部分，其釋放出的氧氣或負離子非常利于人體的保健[1]。對植被資源的發掘就是讓“綠水青山”助力安徽旅游經濟的發展，為創建美麗安徽添磚加瓦。植被覆蓋度不僅能表征植被茂盛程度，而且能體現植物光合作用面積多寡，是反映生態系統的重要指標。傳統法通過測得植被垂直投影面積占統計區總面積的百分比給出植被覆蓋度的實測結果。該方法雖然受效率低、監測區域面積的限制，但精度優良，實時性好。使用衛星遙感影像進行植被覆蓋度的估算，相比傳統儀器觀測方法變得更加簡潔、時間連續性好、覆蓋面積廣闊，利于多研究領域應用推廣[2]。除了傳統監測、衛星監測，基于無人機多光譜影像亦可獲取地表植被信息。無人機遙感技術具有作業效率高、靈活性好、空間分辨率優良等優點，非常適宜局地考察監測。但受無人機系統續航能力局限性，其監測范圍和長時間觀測能力難以媲美衛星遙感手段。受葉綠素、細胞結構和含水量等要素影響，植被在可見光到近紅外光譜段呈現典型的光譜曲線，采用不同譜段測量值進行組合，得到植被指數用于表征地面植被生長特征[3-5]。歸一化植被指數(NDVI)對植被綠色信息敏感，對全球或區域植被生長監測有良好的效果。NDVI估算植被覆蓋度則是一種成熟的技術方法[6-8]。已有研究表明：影響植被覆蓋度主要氣候因素有降水、氣溫，隨季節性變化，各氣候區氣候因子的影響程度不同[9-13]。植被覆蓋度具有時空尺度的依賴性，不同時空尺度下呈現明顯差異[14-16]。

安徽省擁有平原、丘陵、山地等豐富的地形地貌。皖北平原多耕地，大別山和皖南山區旅游資源豐富，森林茂盛。雖然前人對安徽省植被指數和氣候要素的關系有過研究，但對于植被覆蓋度與地形之間的關系研究相對較少。對安徽省植被覆蓋度動態變化與地形響應的研究分析，可為安徽省農業種植，或發展相關旅游產業提供精細化的生態學參考依據。因此，本研究基于安徽省2001—2019年的MODIS植被指數數據，計算出植被覆蓋度，結合安徽省土地分類和地形數據，運用統計分析方法研究植被覆蓋度的動態變化與地形因子的相互關系，為安徽省生態建設提供理論支持。

1 研究區概況

安徽省地處長江中下游地區，是暖溫帶與亞熱帶過渡區，受季風氣候影響四季分明，物種多樣，山區森林資源豐富。東鄰江蘇省，南接江西省，東南與浙江省接壤，西邊與河南、湖北省接壤，北邊與河南、山東省相會。位于114°54′—119°27′E和29°41′—34°38′N之間。東西寬、南北長分別約450 km，570 km。作為中國東部地區的農業和旅游大省，安徽省地勢西高東低、南高北低(圖1)。涵蓋平原、丘陵和山地等地貌。其中，皖西坐落著大別山腹地，南部為皖南山區。

圖1 安徽省地形圖

2 數據來源與方法

2.1 數據來源預處理

遙感數據來源于EOS/MODIS衛星數據，數據網址：https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov。其中2001—2019年MOD13Q1歸一化植被指數NDVI產品時間分辨率16 d，空間分辨率500 m×500 m。MCD12 Q1土地分類數據時間分辨率為1 a，空間分辨率500 m×500 m。地理地形數據包括安徽省DEM柵格數據、行政邊界矢量數據。其中DEM高程數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺提供的SRTM3高程數據，分辨率90 m×90 m，重采樣到500 m×500 m。

使用MRT (MODIS Reprojection Tools)將MOD13A1 NDVI數據、MCD12 Q1土地分類數據各自拼接，并將其轉換為WGS 84/Albers Equal Area Conic投影結果。采用最大合成法(MVC)將16 d的NDVI數據合成為逐年各月結果[17]。最后使用安徽省矢量邊界裁切得到研究區內的遙感影像。研究表明，平原地區進行坡向提取生成的結果較為隨機，缺乏物理意義，地理分析時需要將其剔除[18]。故依據DEM的空間分辨率，在ArcGIS中將DEM高度大于100 m作為閾值進行掩模，提取掩膜內的數據用于坡向分析。

2.2 植被覆蓋度的計算

基于像元二分模型法計算植被覆蓋度。單個遙感影像的像元由包含植被在內的多種混合地物組成。每個像元的NDVI值理論上可劃分為純植被和土壤合成的混合像元，計算公式如下：

NDVI=NDVIv×Vc+NDVIs×(1-Vc)

(1)

式中：NDVI代表混合像元歸一化植被指數，NDVIv為純植被NDVI值，NDVIs為土壤NDVI值，Vc為混合像元下的植被覆蓋度。其中，NDVIv與NDVIs是獲取植被覆蓋度的兩個關鍵參數。可通過獲取NDVI灰度值分布，基于累計頻率法得到多年逐月NDVIv與NDVIs數值[19-20]。在植被稀疏地區和中國荒漠地區，二分模型估算植被覆蓋度誤差較大，但在中國東南等季風區可以良好適用。由此得植被覆蓋度計算公式：

(2)

2.3 植被覆蓋度隨海拔、坡向變化分析

依據上述計算方法，給出植被覆蓋度多年平均逐月空間分布場與年變化結果。定義春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至翌年2月)，分別計算各季節植被覆蓋度。依據安徽省海拔分布，將DEM劃分為7個區間：200 m以下；200～350，350～500，500～750，750～1 000，1 000～1 250 m和1 250 m以上。統計各海拔區段內植被覆蓋度的平均值，結合各海拔區段內土地類型統計結果，分析植被覆蓋度垂直方向分布特征。使用高度大于100 m的海拔掩膜處理后的DEM數據計算坡向。定義北坡(337.5°～22.5°)、東北坡(22.5°～67.5°)、東坡(67.5°～112.5°)、東南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°)、西南坡(202.5°～247.5°)、西坡(247.5°～292.5°)和西北坡(292.5°～337.5°)這8個坡向。統計各坡向內的植被覆蓋度和土地類型，分析植被覆蓋度水平向分布特征(圖2)。

圖2 植被覆蓋度計算與海拔、坡向分析流程圖

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度月變化特征

圖3為安徽省各月植被覆蓋度空間分布狀況。從圖3可知，全省植被覆蓋度低值區(0.2以下)多為河流、湖泊，表現為條帶狀、塊狀的圖斑。植被覆蓋度季節變化顯著，夏高冬低。1月、10—12月，山區植被覆蓋度高于平原，且差異明顯。2—5月，淮北平原地區高于山區，6月迅速減小。安徽省淮北平原為小麥主產區，冬小麥生長、收割會造成植被覆蓋度的變化。7—9月植被覆蓋度達到最高值，全省大部地區超過0.8，且山區平原差異達到最小，體現出全省范圍夏季植被生長繁茂的特征。安徽省最大的淡水湖巢湖，全年植被覆蓋度呈現低值(低于0.2)，但7—10月西半湖值區介于0.2～0.4之間，比其他湖區偏高，這可能與水體表面的葉綠素成分增多有關。

圖3 安徽省各月植被覆蓋度空間分布特征

3.2 植被覆蓋度的年變化特征

統計全省植被覆蓋度的逐年變化，得到如圖4結果。由圖4可知：2001—2019年全省植被覆蓋度呈現波動上升趨勢。變化范圍在0.72～0.80之間，擬合表達式為y=0.003 9x-7.085 1，R2值高達0.814 8，與時間相關性顯著。近19 a來全省植被覆蓋度以0.003 9/a的變化率上升。

圖4 安徽省2001-2019年植被覆蓋度變化

基于MCD12 Q1土地分類數據，統計各類地表類型的植被覆蓋度年變化。受數據空間分辨率和混合像元的影響，我們發現土地分類數據里：多樹草地、稀樹草地在光譜特性與時間變化上類似，無法進一步區分每個子類的詳細特征。為利于統計，區分類別，故將這兩類地物合并為一大類：多樹/稀樹草地，統計名稱定義為“樹草地”(下同)。給出了6類地物：常綠林、落葉林、混交林、樹草地、耕地和城鎮的植被覆蓋度逐年變化(圖5)。其數值從高到低分別為：常綠林>混交林>落葉林>樹草地>耕地>城鎮，這與下墊面植被類型等因素有關。6類地物中，耕地、城鎮、樹草地和常綠林植被覆蓋度上升趨勢顯著，且通過顯著性0.05檢驗。其中耕地年變化趨勢最高，達0.005 5/a，城鎮0.002 8/a，樹草地為0.002 6/a。而常綠林植被覆蓋度年變化趨勢最低，為0.000 5/a。落葉林與混交林年變化趨勢不顯著，且未通過顯著性檢驗。

圖5 安徽省2001-2019年不同地表類型植被覆蓋度變化

3.3 全省植被覆蓋度隨海拔分布

由圖6可知，不同海拔區間內，植被覆蓋度四季差異明顯。夏季呈現高值，冬季為低值。各季節中200 m以下植被覆蓋度達到最低，200～350 m陡然增加，體現出該海拔區間植被覆蓋類型的變化。海拔500～1 250 m植被覆蓋度變化不甚顯著，1 250 m以上則呈輕微下降趨勢。

為進一步探究植被覆蓋度隨海拔變化的原因，分類地表類型像元，給出土地分類空間場[21]，并結合植被覆蓋度多年平均結果，對不同海拔區間內的常綠林、落葉林、混交林、樹草地、耕地、水體和城鎮7類地物進行統計分析(表1)。由表1可知，200 m以下區域耕地面積比例最大，為72.21%，樹草地占18.16%，林地面積比例低至2.8%；200～350 m林地和樹草地面積比例增加，分別達到31.23%和65.62%，結合圖5中各類地物植被覆蓋度數值相互關系可知，林地、樹草地的植被覆蓋度高于耕地。進而解釋了圖6中該區間植被覆蓋度陡然增加的原因。350 m以上地區以林地和樹草地覆蓋為主，隨海拔增加，樹草地、常綠林面積比例呈下降趨勢，落葉林、混交林有一定程度增加趨勢。海拔1 000 m以上，耕地、城鎮和水體基本無面積分布。1 250～1 750 m，落葉林面積比例最高，達到56.1%，混交林面積比例減少至31.49%，常綠林面積比例最低，為0.28%。

圖6 安徽省不同季節植被覆蓋度均值隨高程變化特征

表1 安徽省不同海拔區間內各地表類型面積比例變化

3.4 全省范圍植被覆蓋度隨坡向分布

如圖7所示，各坡向植被覆蓋度四季差異顯著，從高到低排序為：夏季>秋季>春季>冬季，反映安徽省四季植被生長的變化特點。植被覆蓋度夏季最高，各坡向均高于0.9；冬季最低，介于0.75～0.8之間；秋季、春季，則分別位于0.85～0.9，0.8左右變化。隨坡向分布，四季植被覆蓋度呈現峰谷變化特征顯著。北坡為峰值，南坡為谷值。

圖7 安徽省四季植被覆蓋度隨坡向分布特征

為進一步分析植被覆蓋度隨坡向呈峰谷變化原因，統計各坡向的地表類型面積，得到各地表類型面積比例隨坡向變化特征(圖8)。由表1可知，海拔200 m以上，耕地、城鎮累計面積比例過低，分別僅4.32%和0.19%，在圖8中已不便區分。故將耕地和城鎮歸類在一組中。水體為水平面，坡向值無意義，故不納入坡向統計討論中。各坡向混交林、樹草地面積之和比例最高，兩者在各坡向面積比例差異存在變化。而耕地、城鎮面積比例最低，各坡向差異較小。全省南、北坡混交林與樹草地面積和分別為84%，86%。南、北坡的混交林面積比例分別為21%，44%；樹草地面積比例分別為63%，42%。而常綠林、落葉林、城鎮、耕地的面積比例之和不足20%。北坡樹草地、混交林面積比例幾乎各占一半，分別為44%，42%，混交林面積比例(42%)高于南坡(21%)。結合圖5中各類地物植被覆蓋度相互關系可知：混交林植被覆蓋度數值高于樹草地。進而解釋了全省范圍植被覆蓋度北坡大于南坡的原因。

圖8 安徽省各地表類型面積比例隨坡向變化特征

定義東南、西南、南坡向為南向山區，東北、西北、北坡向為北向山區，逐年統計北向、南向山區植被覆蓋度差異，給出變化結果(圖9)。由圖9可知，2001—2019年南北向山區四季植被覆蓋度差異值均呈現波動下降趨勢，介于0.004～0.025之間變化。其中春、秋季南、北向山區植被覆蓋度逐年差異呈現高值，且彼此接近；冬季次之；夏季南、北向山區植被覆蓋度逐年差異達到最低。

圖9 安徽省南、北向山區植被覆蓋度差異逐年變化特征

計算南、北向山區植被覆蓋度差異值的多年平均，得到統計結果：北向、南向山區植被覆蓋度差異在夏季達到最低，僅0.009 3；秋季達到最高，達到0.014 2。春冬季分別為0.013 9，0.012 5。

4 討論及結論

4.1 討 論

(1) 植被覆蓋度隨時間變化。安徽省1月、10—12月，山區植被覆蓋度高于平原地區，差異明顯。2—5月，淮北平原地區植被覆蓋度呈現高值，6月迅速減小，反映作物(小麥)種植、收割對下墊面植被覆蓋度的影響。7—9月植被覆蓋度達到最高值，全省范圍差異最小，體現全省夏季植被生長繁茂的特征。夏秋季巢湖西半湖數值比其他湖區偏高，上述水華地區靠近合肥市，城市化帶來的排放，會促使水體富營養化。而該時間段內氣候特性利于滋生藍藻，藍藻中的葉綠素使得水體植被覆蓋度數值增高[22]。李晟銘等[23]也提到巢湖西北部水體夏秋季節易產生藍藻，是水華大爆發的核心區。由于植被特征的差異，不同地表類型植被覆蓋度從高到低分別為：常綠林>混交林>落葉林>樹草地>耕地>城鎮。各地表類型的植被覆蓋度變化略有差異，但整體來看。安徽省植被覆蓋度還是以年變化率0.003 9/a的速度呈逐年波動上升趨勢，側面說明安徽省重視生態建設，采取積極的植樹造林措施帶來的積極影響。

(2) 植被覆蓋度隨海拔變化。不同海拔區間內，植被覆蓋度四季差異明顯，受下墊面植被影響顯著。海拔200 m以下地表類型以耕地為主，林地面積最小，植被覆蓋度呈現最低值；200～350 m林地和樹草地面積比例增加，導致該區間植被覆蓋度上升明顯；350～1 000 m之間處于丘陵地區，下墊面植被類型豐富，以林地、樹草地為主，植被覆蓋度變化不明顯；1 250 m以上，落葉林面積比例最高，混交林、常綠林面積比例進一步減小，該區間內植被覆蓋度呈下降趨勢[24]，很好體現出下墊面植被類型的變化。綜上可知，垂直方向上，安徽省植被呈現耕地、常綠林、混交林、落葉林、樹草地的地帶性分布特征，使得植被覆蓋度呈現特征性的變化規律。

(3) 植被覆蓋度隨坡向變化。各坡向四季植被覆蓋度從高到低分別為：夏季>秋季>春季>冬季。植被覆蓋度隨坡向呈顯著峰谷變化特征。姚鎮海等[25]對全國月平均植被指數空間分布特征分析表明：植被指數隨坡向呈現“雙峰雙谷”變化特征，東南、西北坡為峰值，西南、東北坡為谷值異。與本次研究結果在時間上分布特征有類似之處，但空間分布特征存在差異。這是由于全國尺度下，植被分布更能體現出中國季風氣候的風向變化宏觀特征[26]。安徽省位于華東地區，全年水熱差異比全國范圍更小，受氣候地理地形等因素影響，植被分布差異比全國更低，因而人為活動對植被覆蓋的影響相會比季風氣候影響更明顯[27]。安徽省四季植被覆蓋度北坡呈現峰值，南坡谷值。徐京京等[28]、桃等[29]、魏建瑛等[30]研究表明，南向山區為向陽面，適宜人類農事生產種植混交林經濟灌木。筆者實地考察發現，安徽省山區的經濟作物主要為茶葉和竹林。在此過程中導致地表植被類型演變，亦可能是造成南坡覆蓋度低于北坡的人為因素之一。

(4) 南、北向山區植被覆蓋度差異。南向、北向山區植被覆蓋度差異在夏季達到最低，秋季達到最高。造成這種差異的原因如下：①安徽地處長江中下游地帶，屬于亞熱帶季風氣候和溫帶季風氣候交界地帶，夏季受梅雨風帶的移動，全省降水隨坡向分布不均。相比降水量，NDVI與氣溫線性正相關性更高，而降水與NDVI存在非線性正相關性，且年際關系呈現弱相關[31]。氣溫對安徽省植被覆蓋影響更加顯著，起著主導作用。②屈非凡等[32]及姚鎮海[33]對月平均氣溫分布式模擬研究結果表明，夏季中國東部地區南、北坡向氣溫差異達到最低，春、秋季差異則增大。這是造成夏季南、北坡向植被覆蓋度差異小于春、秋季的原因。

本次研究主要討論了安徽省植被覆蓋的動態變化與地形因子的相互關系，由于安徽省山區具有地形復雜、植被種類繁多等特點，需結合高分辨率遙感資料和現場勘測資料，研究山區、鄉鎮等小尺度下的生態資源分布規律。展望未來，安徽省一方面需進一步做好植樹造林、退耕還林、城市污水治理等生態保護工作。另一方面，采用高分辨率衛星遙感數據，并結合便攜式氣象站、負離子監測儀，甚至無人機多光譜遙感等現場勘查資料，開展山區生態資源普查技術的研究，為我省旅游資源的開發利用提供科學依據，讓“綠水青山”更好地造福于人們美好生活。

4.2 結 論

(1) 2001—2019年安徽省植被覆蓋度呈逐年波動上升趨勢。植被覆蓋度季節變化顯著。1月、10—12月，山區植被覆蓋度高于平原。2—5月，淮北平原地區的植被覆蓋度高于山區，6月迅速減小。7—9月全省植被覆蓋度達到高值，大部地區植被覆蓋度高于0.8，空間差異最小，體現夏季全省植被繁茂的特征。

(2) 不同海拔區間內，植被覆蓋度呈夏高冬低的特點。海拔200 m以下平原地區以耕地為主，植被覆蓋度呈現最低值，春、夏、秋、冬四季分別達0.73，0.79，0.68，0.58；200～350 m林地和樹草地面積比例增加，植被覆蓋度陡然增加；500～1 250 m以林地和樹草地覆蓋為主，植被覆蓋度變化不甚顯著；1 250 m以上呈下降趨勢。

(3) 安徽全省四季植被覆蓋度從高到低依次為：夏季>秋季>春季>冬季。山區各坡向混交林和樹草地面積之和比例最高(>80%)。全省南、北坡的混交林面積比例分別為：21%，44%，樹草地面積比例分別為63%，42%。四季植被覆蓋度隨坡向呈現峰谷變化特征顯著，北坡、南坡為分別為峰值、谷值。夏季南、北向山區植被覆蓋度差異最低(0.009 3)；秋季最高(0.014 2)；春、冬季分別為0.013 9，0.012 5。

(4) 2001—2019年全省南、北向山區四季植被覆蓋度差異值呈波動下降趨勢，介于0.004～0.025之間變化。南、北向山區逐年植被覆蓋度差異在春、秋季呈現高值，且彼此接近，冬季次之，夏季南、北向山區逐年植被覆蓋度差異達到低值。