清水河上游流域植被覆蓋時(shí)空演化特征分析

趙 雨，楊 帆，劉蕊蕊，馬國棟

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省河湖生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，西安 710065)

0 前 言

植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，能夠很好地反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。目前植被覆蓋度主要研究手段是基于遙感監(jiān)測快速、準(zhǔn)確和高效地獲取中高空間分辨率的地表植被覆蓋信息，主要研究方法以植被指數(shù)法[1](歸一化植被指數(shù)NDVI)和像元二分模型法為主。張建香等[2]利用NDVI指數(shù)估算了馬蓮河流域植被覆蓋度，研究了黃土高原1977—2010年近33 a的植被覆蓋變化過程；張春森等[3]通過對(duì)MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)了黃土高原自退耕還林還草工程實(shí)施以來的區(qū)域植被覆蓋變化情況。吳霞等[4]以2000—2015年寧夏回族自治區(qū)NDVI數(shù)據(jù)，分析了寧夏近年來植被覆蓋時(shí)空分布及變化特征。李苗苗[5]基于像元二分法，建立了利用NDVI定量估算植被覆蓋度的模型，并應(yīng)用于密云、官廳水庫植被覆蓋度估算，成功指導(dǎo)了水庫生態(tài)環(huán)境建設(shè)。何蘭[6]、龐家泰[7]等人基于NDVI的像元二分模型在植被覆蓋度估算方面進(jìn)行了較為深入廣泛的研究。

清水河為黃河一級(jí)支流，處于我國典型的黃土高原區(qū)，流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，植被覆蓋較低，生態(tài)環(huán)境脆弱。因此，研究清水河流域植被覆蓋時(shí)空變化，對(duì)流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)保建設(shè)具有較大意義，從而更好支撐清水河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。本文利用ENVI和ArcGIS軟件，基于像元二分法原理，對(duì)固原市原州區(qū)清水河流域2001、2006、2013、2018年的Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋度估算，通過分析原州區(qū)清水河流域植被覆蓋度時(shí)空分布特征，掌握流域植被覆蓋變化趨勢，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供一定參考。

1 研究區(qū)域概況

清水河是寧夏境內(nèi)最大、最長的黃河一級(jí)支流，對(duì)周邊區(qū)域發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。清水河發(fā)源于固原市原州區(qū)開城鎮(zhèn)黑刺溝腦，由南向北縱貫原州區(qū)南部山區(qū)和中部干旱帶的大部分地區(qū)。原州區(qū)段全長80 km，流域面積2 075 km2，東部地區(qū)為黃土丘陵地貌，西、南部區(qū)域皆為六盤山山地，中部與北部區(qū)域?yàn)榍逅雍庸绕皆貏莸孛矎?fù)雜多樣，如圖1所示。長期以來，流域內(nèi)干旱、水土流失和苦水等自然災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境脆弱，流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展受到嚴(yán)重制約。2000年，固原市被列入全國退耕還林示范試點(diǎn)縣，實(shí)施了一系列植樹造林、退耕還林等措施。2013年起，固原市對(duì)生態(tài)移民遷出區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，包括林草生態(tài)修復(fù)和水土保持工程等措施，生態(tài)文明建設(shè)推行到一定高度。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本本文選用2001、2006、2013、2018年初夏、夏季植被生長旺盛的4個(gè)階段的Landsat5 TM和Landsat8 OLI-TIRS陸地衛(wèi)星系列遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，云量小于5%。相關(guān)遙感影像數(shù)據(jù)均在ENVI5.3軟件中進(jìn)行了輻射定標(biāo)、大氣校正及裁剪等預(yù)處理工作。

2.2 植被覆蓋度提取

本研究采用李苗苗[5]于2003年提出的基于NDVI的像元二分法植被覆蓋度遙感監(jiān)測模型。該方法是一種簡捷、可靠、有效的植被覆蓋度計(jì)算方法，其數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

公式(1)中：FVC為植被覆蓋度；NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，取值范圍為-1～1，其中水、云和雪為負(fù)值，裸土、巖石的值近似于0；NDVIsoil為無植被覆蓋像元NDVI值；NDVI為純植被覆蓋像元NDVI值。

實(shí)際上，不同大氣條件、濕度狀況、土壤類型、植被種類、生長季節(jié)等都是影響NDVIsoil和NDVIveg取值的重要因素。由于研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，結(jié)合王愛蕓[8]、楊玲[9]等人經(jīng)驗(yàn)，本次取5%和95%置信度所對(duì)應(yīng)的DN值作為NDVIsoil和NDVIveg值。通過ENVI 5.3進(jìn)行波段計(jì)算，得到Landsat遙感影像NDVI值，其中NDVIsoil和NDVIveg取值情況見表1。

表1 NDVIsoil和NDVIveg取值情況

2.3 劃分標(biāo)準(zhǔn)

按照HJ192-2015《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》及吳霞[4]、李存厚[10]等人研究基礎(chǔ)之上，結(jié)合原州區(qū)實(shí)際情況，將研究區(qū)域植被覆蓋度劃分5級(jí)，Ⅰ級(jí)-高覆蓋度(FVC>0.60)，Ⅱ級(jí)-中覆蓋度(0.45

2.4 分析方法

(1) 轉(zhuǎn)移矩陣

植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣能夠很好地描述一定區(qū)域內(nèi)不同時(shí)相植被覆蓋類型分布總體結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況。在劉瑞等人[11]的研究基礎(chǔ)上，通過建立植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)研究區(qū)域植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行定量分析。將初期t1時(shí)不同植被覆蓋度的面積作為列(Pj)，將末期t2時(shí)不同植被覆蓋度的面積作為行(Pi)，建立植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣，則當(dāng)i≠j時(shí)，Pij表示t1-t2時(shí)段j類植被覆蓋度被轉(zhuǎn)入i類的面積，當(dāng)i=j時(shí)，表示t1-t2時(shí)間段第i種植被覆蓋度保持不變的面積。

(2) 差值分析

為更進(jìn)一步清晰研究區(qū)域不同時(shí)期植被覆蓋生長趨勢的空間格局，采用差值法進(jìn)行分析，即ΔF=F2-F1，其中F1，F(xiàn)2分別為初期和末期時(shí)間植被覆蓋度數(shù)據(jù)，ΔF為差值，取值范圍為(-1，1)。本次將ΔF閾值分為5級(jí)，顯著減少(ΔF<-0.3)，輕微減少(0.3≤ΔF<-0.1)，基本不變(-0.1≤ΔF≤0.1)，輕微增加(0.1<ΔF≤0.3)，顯著增加(ΔF>0.3)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋空間分布特征

利用ENVI5.3和ArcGIS10.7軟件，對(duì)原州區(qū)清水河流域2001、2006、2013、2018年Landsat衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算、分級(jí)(見圖2、表2)。

表2 植被覆蓋度面積

2001年植被覆蓋出現(xiàn)“西南豐、東北缺”的特點(diǎn)，中、高植被主要分布在西、南部六盤山山區(qū)和清水河及主要支流沿岸，占比15.34%；中低植被和低植被主要分布在中部河谷平原和東北部黃土丘陵區(qū)，占比達(dá)到66%；裸地主要集中在原州區(qū)及其主要鎮(zhèn)域等居住區(qū)，占比為18.66%。2001年原州區(qū)清水河流域植被覆蓋整體分布以低、中低植被覆蓋為主，中、高植被覆蓋較少，總體處于較低水平。

2006年區(qū)域北部頭營鎮(zhèn)、三營鎮(zhèn)及黃鐸堡鎮(zhèn)中、高植被覆蓋相對(duì)減少，南部及主要水系流域植被覆蓋增加，占比16.92%；中低植被覆蓋和低植被覆蓋占比70.34%，較2001年提高4.34%；裸地占比12.74%，較2001年減少5.92%，圍繞主要城鎮(zhèn)形成零碎塊狀分布；2006年植被覆蓋整體分布與2001年基本一致，仍以低、中低植被覆蓋為主，中、高植被覆蓋有所增加，但不明顯。

2013年西、南部六盤山地區(qū)持續(xù)增綠，植被覆蓋面積不斷擴(kuò)大，并逐漸輻射到中北、部河谷平原地區(qū)，東部黃土丘陵區(qū)植被覆蓋由2006年的以裸地、低植被覆蓋為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾械?、中覆蓋為主，植被覆蓋大幅增加，生態(tài)逐步向好。其中，中、高植被覆蓋占比45.37%，較2006年大幅增加28.45%，中低和低植被覆蓋占比有所下降，為51.75%，較2006年減少18.59%。2013年原州區(qū)清水河流域植被覆蓋有了較大改善，整體生態(tài)格局逐漸凸顯。

2018年清水河流域基本“全域覆綠”，高植被覆蓋占比44.06%，中植被覆蓋占比18.52%，比2013年中、高植被占比增加了10.83%，集中分布于西、南山區(qū)和清水河?xùn)|、北部黃土丘陵區(qū)，植被破碎度降低，連片性增強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到提升。中低和低植被覆蓋主要分布于中部河谷平原，占比26.67%。裸地分布趨于集中，主要分布于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的城區(qū)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)。整體形成以中、高植被覆蓋為主，中低、低覆蓋為輔的生態(tài)格局。

總體而言，清水河流域中、高植被覆蓋逐年增加，低植被覆蓋逐年減少，中低覆蓋處于一個(gè)波動(dòng)狀態(tài)，裸地趨于集中，總體生態(tài)趨勢較好。

3.2 植被覆蓋度空間轉(zhuǎn)移分析

為進(jìn)一步探討研究區(qū)域在時(shí)空維度上不同級(jí)別植被覆蓋轉(zhuǎn)移情況，利用ArcGIS 10.7軟件，對(duì)植被覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行相交分析，建立2001—2006、2006—2013、2013—2018、2001—2018年4個(gè)時(shí)段的植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣(見表3)。

2001—2006年，低等級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入高等級(jí)的面積為530.733 km2，而高等級(jí)轉(zhuǎn)出低等級(jí)的面積為355.60 km2，有1 121.95 km2的范圍植被覆蓋未發(fā)生轉(zhuǎn)移，植被覆蓋呈增長趨勢，中、高植被覆蓋主要來源于低、中低覆蓋轉(zhuǎn)入，2006年達(dá)到339.77 km2，較2001年307.98 km2增加31.79 km2。

2006—2013年，低等級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入高等級(jí)的面積為1 479.79 km2，而高等級(jí)轉(zhuǎn)出低等級(jí)的面積為103.30 km2，有425.19 km2的范圍植被覆蓋未發(fā)生轉(zhuǎn)移，植被覆蓋顯著增長，中、高植被覆蓋主要來源于低、中低覆蓋轉(zhuǎn)入，以低覆蓋為主，中、高覆蓋達(dá)到911.33 km2，是2016年的2.7倍。

2013—2018年，低等級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入高等級(jí)的面積為835.66 km2，而高等級(jí)轉(zhuǎn)出低等級(jí)的面積為521.80 km2，有650.82 km2的范圍植被覆蓋未轉(zhuǎn)移。中、高植被覆蓋增長37.9%，達(dá)到1 256.64 km2，主要來源于低、中低覆蓋轉(zhuǎn)入。

18 a間，低等級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)入高等級(jí)的面積為1 384.66 km2，而高等級(jí)轉(zhuǎn)出低等級(jí)的面積為234.06 km2，有396.98 km2的范圍植被覆蓋未發(fā)生轉(zhuǎn)移。中、高覆蓋由2001年的304.98 km2增加到2018年的1 256.64 km2，增長了4.1倍，以低、中低覆蓋轉(zhuǎn)入為主，其中低覆蓋轉(zhuǎn)入666.52 km2，中低覆蓋轉(zhuǎn)入179.79 km2。圖3直觀地顯示了原州區(qū)清水河流域2001—2018年植被覆蓋轉(zhuǎn)移情況，中、高植被覆蓋呈快速增長趨勢。到2018年，整個(gè)清水河流域植被覆蓋整體處于較高水平，生態(tài)環(huán)境得到較大改善。

3.3 植被生長趨勢分析

將清水河流域后一時(shí)期與前一時(shí)期植被覆蓋數(shù)據(jù)相減、分級(jí)，得到植被覆蓋生長趨勢數(shù)據(jù)，詳見表4，圖4和圖5分別為植被覆蓋生長變化分布及趨勢。

表4 不同時(shí)段植被覆蓋生長趨勢數(shù)據(jù)

2001—2006年，植被覆蓋生長趨勢較為穩(wěn)定，如圖4(a)所示。其中保持基本不變的區(qū)域面積達(dá)到1 334.72 km2，占比66.46%，分布較為均衡；植被減少面積為61.41 km2，占比3.06%，分布于主要水系沿岸。

2006—2013年期間，植被覆蓋生長以增加為主，如圖4(b)所示。其中輕微增加1 226.98 km2，占比61.1%，顯著增加415.93 km2，占比20.71%，西、南六盤山區(qū)及東部黃土丘陵區(qū)植被覆蓋大范圍增加，而中、北部河谷平原區(qū)增長相對(duì)較為緩慢。

2013—2018年，植被覆蓋增加達(dá)到1 607.03 km2，占比高達(dá)80.02%，清水河流域植被覆蓋呈進(jìn)一步高速增長趨勢，主要以中北部河谷平原及東部黃土丘陵區(qū)迅速增長為主，而西、南六盤山區(qū)增長放緩，如圖4(c)所示。

2001—2018年，植被覆蓋整體以增長為主，基本全域增綠，植被覆蓋減少主要集中在重要城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)域，如圖4(d)所示。18 a間，植被覆蓋增長面積為1 875.47 km2，占總面積的93.38%，其中顯著增長1 648.07 km2，占82.6%，表明清水河流域生態(tài)建設(shè)取得了長足進(jìn)步。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) 原州區(qū)清水河流域中、高植被覆蓋逐年增加，低植被覆蓋逐年減少，生態(tài)趨勢較好。2006年以前，原州區(qū)清水河流域植被覆蓋整體分布以低、中低植被覆蓋為主，中、高植被覆蓋較少，總體處于較低水平；2013年以后植被覆蓋明顯快速增長，2018年達(dá)到較高水平，以中、高植被覆蓋為主。

(2) 2001—2018年間，植被覆蓋高速增長，基本全域增綠，清水河以中部河谷平原、東黃土丘陵區(qū)及西部六盤山區(qū)增長最為明顯，南部山區(qū)相對(duì)較緩；植被覆蓋減少主要集中在重要城鎮(zhèn)和主要水系兩岸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域?？傮w而言，植被覆蓋破碎度降低，連片性增強(qiáng)，而裸地更趨于集中，生態(tài)發(fā)展格局趨于合理。

(3) 隨著生態(tài)文明意識(shí)的不斷提高，以及退耕還林、生態(tài)造林和水土保持工程等一系列生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，清水河流域植被覆蓋態(tài)勢良好，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到改善與提升，生態(tài)文明建設(shè)持續(xù)向好發(fā)展，基本構(gòu)筑了一個(gè)健康、安全、綠色的生態(tài)格局，為清水河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.2 建 議

針對(duì)黃河上游流域生態(tài)保護(hù)問題，應(yīng)以生態(tài)文明思想為引領(lǐng)，強(qiáng)化政策導(dǎo)向，科學(xué)規(guī)劃，通過山水林田湖草沙生態(tài)修復(fù)，加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)。通過實(shí)施一批重大工程，如水土保持建設(shè)、退耕還林、水源涵養(yǎng)工程等，改善流域生態(tài)質(zhì)量狀況，促進(jìn)黃河上游流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展。