涼山州喜德縣植被蓋度與地形因子的空間耦合

李曉靜，張 斌，劉守江，覃發(fā)超，唐 毅

(1.西華師范大學，a.地理科學學院，b.四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測與控制工程實驗室，四川 南充 637009； 2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四○五地質(zhì)隊，成都 611830)

全球氣候變化大背景下，植被對生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)具有重要的意義[1]。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是連接大氣、土壤和水分的“紐帶”，在保持水土、維持氣候、調(diào)節(jié)大氣及整個生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要作用[2]。地形通過對光照、溫度、降水、土壤空間分布[3-4]的影響，調(diào)節(jié)小氣候[5]，間接影響植物生產(chǎn)力[6]和多樣性[7]，成為影響植被空間分布最重要因素之一[8]。受焚風效應和人類活動等因子的共同影響，西南干旱河谷植被退化嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。涼山州喜德縣作為西南干旱河谷地區(qū)生態(tài)較為脆弱的地區(qū)之一，地形與植被的空間耦合研究能夠為區(qū)域生態(tài)治理和政策制定提供理論指導。

近年來，植被與地形的耦合關(guān)系引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。植被的分布受到多種地形因子綜合影響，共同制約。植被對地形因子的響應存在顯著的空間異質(zhì)性。劉梁美子等[9]研究黔桂喀斯特山區(qū)植被的地形效應，發(fā)現(xiàn)NDVI及植被類型隨海拔、坡度、地形起伏度、坡向變化呈現(xiàn)地形分異；韓菡等[10]研究蜂桶寨自然保護區(qū)物種豐富度和多樣性海拔分布時，發(fā)現(xiàn)中海拔的物種豐富度和多樣性較高；新墨西哥北部的雷東多山北坡的森林覆蓋度低于東坡[11]，而在我國干旱半干旱地區(qū)，則得到了相反的結(jié)論，黃土高原延河流域陰坡的植被長勢要好于陽坡[12]，新疆瑪納斯流域陰坡的植被蓋度優(yōu)于陽坡[13]；Wang等[14]研究了中國東部紅土壤地區(qū)植被與地形的復雜關(guān)系，指出表面曲率和坡度是影響植被分布的第一和第二重要的地形因子。可見，研究區(qū)域不同，研究尺度不同，植被對地形因子的響應呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性和差異性。在植被與地形關(guān)聯(lián)性研究方法上，多采用經(jīng)典統(tǒng)計方法，如張靜靜等[15]采用分層統(tǒng)計法，研究了豫西山地植被的地形分異規(guī)律及地形驅(qū)動因子；陳瑤等[16]使用Pearson相關(guān)法，定量化植被與地形的相關(guān)程度，并進行排序；劉宇和傅伯杰[17]使用一元線性趨勢回歸分析法，研究長時間序列下地形與植被蓋度的時空變化關(guān)系；白文龍[18]使用多元線性回歸法，建立植被與驅(qū)動地形因子的回歸模型，揭示植被與驅(qū)動地形因子的定量關(guān)系及各因子影響程度。上述成果不僅豐富了植被與地形耦合關(guān)系研究內(nèi)涵，還為相關(guān)研究提供了堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。

目前，植被與地形因子關(guān)系的相關(guān)研究較多且不斷趨于成熟，但現(xiàn)有研究多從全局的角度描述整體趨勢的平均水平，而關(guān)于植被與地形的局部地理耦合的研究較少。鑒于此，本文以四川省涼山州喜德縣為研究靶區(qū)，重點解決以下問題：一是闡明植被和多地形因子的空間分布模式；二是從全局和局部尺度揭示植被的地形分異規(guī)律。研究結(jié)果能夠為當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護部門開展生態(tài)研究、因地制宜制定生態(tài)保護政策、防災減災等提供支持。

1 研究區(qū)概況

涼山州喜德縣地處四川省西南部，涼山彝族自治州中北部(圖1)，地勢西北高、西南低，面積約2.2×103km2。地形復雜多樣，以中山為主，占總面積的75%。屬低緯度高海拔地區(qū)，最高海拔4431 m，最低海拔1509 m。屬中亞熱帶季風氣候，冬暖干燥，夏涼濕潤，無明顯四季差別，年均氣溫14.1℃，年均降水量1006 mm，年均日照2053 h。最冷月平均氣溫為5.5℃，屬典型的干暖河谷[19]。植被類型以稀樹灌木草叢帶，常綠闊葉林帶，針闊混交林帶和高寒灌叢草甸帶為主。地質(zhì)構(gòu)造復雜，山地高差大，植被退化嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱，山地災害危險度極高[20]。該地區(qū)的氣候及地形、地質(zhì)特征在西南干旱河谷地區(qū)極具共性和典型性。

2 數(shù)據(jù)獲取和處理

本文的遙感影像數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)，數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。基于2018年4月空間分辨率為30 m×30 m Landsat 8的遙感影像數(shù)據(jù)，使用ENVI軟件對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、去異常值等數(shù)據(jù)預處理，并使用像元二分法計算植被蓋度；基于空間分辨率為30 m×30 m的ASTER GDEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，使用ArcGIS軟件進行拼接、裁剪、投影等數(shù)據(jù)預處理，在此計算上提取地形因子。為保證行政邊界像元值的完整性，植被蓋度和地形因子數(shù)據(jù)在行政區(qū)矢量邊界的基礎(chǔ)上緩沖2 km確定研究區(qū)范圍。

3 研究方法

3.1 像元二分法計算植被蓋度

植被蓋度是研究植被生長分布的重要指標，能夠表征植被的茂密程度及光合作用面積的大小。基于Landsat 8的遙感影像，利用像元二分模型計算研究區(qū)的植被覆蓋度。像元二分模型是基于像元的線性加權(quán)方法合成[21]，它認為每個像元的地表光譜信息均由植被和土壤兩種地物反射率組成，植被所占的權(quán)重為植被蓋度(VFC)[22]。計算公式如(1)所示：

(1)

式中：S為遙感傳感器所獲取的光譜信息；Sveg為植被貢獻的光譜信息；Ssoil為土壤貢獻的光譜信息。

改進的像元二分法是利用植被、土壤相應的植被指數(shù)來分別替代對應的光譜反射率。計算公式如(2)所示：

(2)

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)，是利用近紅外波段和可見光紅光波段進行的地物反射率的組合運算，用以增強植被的特性；NDVIveg為純植被像元NDVI值；NDVIsoil分為純裸土像元NDVI值。對于大多數(shù)裸地，NDVIsoil理論上接近于0，但受到多種因素影響，NDVIsoil值隨著空間變化，變化范圍為-0.1～0.2[23]。在前人研究的基礎(chǔ)上[24-25]，結(jié)合研究區(qū)具體實際，選取NDVI數(shù)值最小的5%的區(qū)域的平均值作為NDVIsoil,NDVI數(shù)值最大的5%的區(qū)域作為NDVIveg，VFC的取值范圍為[0，1]，其值越大，植被覆蓋程度越高。

3.2 指標選取及信息提取

地形因子根據(jù)描述尺度分為微觀、宏觀兩類[26]，微觀地形因子能夠量化每個點位地形曲面參數(shù)，如海拔、坡度、坡向、坡向變率等，而宏觀地形因子則側(cè)重分析窗口范圍的地形曲面參數(shù)的量化，如地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度等[27]。本文選取海拔、坡向、坡度、平均曲率、平面曲率、剖面曲率、地形起伏度、地表粗糙度、地表切割深度、坡長因子、坡向變率、坡度變率、高程變異系數(shù)13種地形因子，獲取地形曲面參數(shù)，量化地形因子。使用逐步回歸法去除多重共線性，最終確定7個主導地形因子：海拔、坡度、坡向、坡向變率、地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度。

地形起伏度也稱相對地勢或相對高度，是指一定鄰域范圍內(nèi)最高點與最低點的高差，計算公式如(3)所示：

R=Hmax-Hmin，

(3)

式中：R為地形起伏度，Hmax和Hmin分別表示最高點高程和最低點高程。

地表切割度是指一定鄰域范圍內(nèi)平均高程與最小高程的差值，計算公式如(4)所示：

D=Hmean-Hmin，

(4)

式中：D為地表切割度，Hmean為平均高程，Hmin為最小高程。

地表粗糙度是指一定鄰域范圍內(nèi)地球表面積與其投影面積之比，計算公式如(5)所示：

(5)

式中：secθi為地表粗糙度，SDEM為地表面積，SLEVEL為地表水平投影面積。

在研究區(qū)范圍內(nèi)，以500 m×500 m的格網(wǎng)間距，生成10 542個采樣點。利用植被蓋度與多地形因子空間位置關(guān)聯(lián)性，將植被蓋度和所有地形因子柵格屬性賦值到采樣點上，研究植被與地形地貌之間定性、定量關(guān)系。

3.3 地理加權(quán)回歸模型

地理加權(quán)回歸(GWR)是由Brunsdon等[28]提出的一種局域空間分析方法，該方法是將數(shù)據(jù)的地理位置嵌入到回歸參數(shù)之中，通過局部回歸系數(shù)來評估地形因子與植被蓋度在局部區(qū)域的空間異質(zhì)性。具體模型如(6)所示：

yi=β0(ui,vi)+∑kβk(ui,vi)xik+εi，

(6)

式中：yi是在空間i點上的因變量；xik指自變量；εi指隨機誤差；(ui,vi)指i點的空間位置；k指自變量的個數(shù)；βk指i點上的回歸系數(shù)，β0指在(ui,vi)點的截距。GWR的回歸系數(shù)通過如下計算獲取：

β(ui,vi)=(XTW(ui,vi)X)-1XTW(ui,vi)Y，

(7)

式中：W(ui,vi)為距離權(quán)重矩陣，X為自變量矩陣，XT為自變量矩陣X的轉(zhuǎn)置矩陣，Y為因變量矩陣。Wij為j點對i點的影響，公式如下：

(8)

式中：dij為i、j兩點間距離，h為自定義的帶寬，本研究中使用AICc方法確定最優(yōu)帶寬。

4 結(jié) 果

4.1 植被蓋度空間分布模式

喜德縣植被蓋度的空間分布如圖2所示，可以看出，研究區(qū)整體以中高覆蓋植被為主，低覆蓋植被為輔，植被蓋度在0.4以下的范圍約占研究區(qū)面積的15.29%；在空間上，西北縣界凹側(cè)、西南縣界凹側(cè)植被蓋度較好，而西部和南部植被蓋度較低，孫水河河谷兩側(cè)的低海拔、干暖河谷地帶，由于氣候炎熱少雨，且受人為因素影響較大，植被蓋度也明顯低于其他地區(qū)。為揭示研究區(qū)植被蓋度空間分布模式，本研究使用全局Moran’sI指數(shù)對其進行了初步探索，Moran’sI指數(shù)為0.32(Z=45.67>2.58；P<0.01)，表明植被蓋度分布在空間上表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，即植被蓋度在研究區(qū)范圍內(nèi)呈顯出極強的集聚分布模式。

4.2 地形因子的空間分布特征

各地形因子的空間分布如圖3所示。各地形因子定量表達的地形特征和強弱不同：海拔、地形起伏度、地表切割深度、坡度集聚性明顯，空間差異較大；而地表粗糙度、坡向、坡向變率空間分布較為均勻。綜合來看，研究區(qū)地形地貌在垂直方向上，相對高差巨大，接近3000 m，以中山地形為主，高山為輔；在水平方向上，呈現(xiàn)“西北高，東北低，東南高，西南低”的特征；西北方向的地形起伏較大且集中，各地形因子空間異質(zhì)性明顯。在局部空間上，研究區(qū)西北角的海拔較高，部分區(qū)域突破3500 m，地勢起伏、地表切割深度均較大；研究區(qū)西北縣界凹陷側(cè)海拔也在3000 m以上，沿孫水河兩側(cè)的地形起伏度、地表切割深度較大且集中，地表粗糙度較大值也均集中在此范圍內(nèi)；研究區(qū)正西、正南方向，海拔較低，地勢起伏度不大，地表粗糙度較小；研究區(qū)東南方向，海拔較高，但其他地形因子強度不大。

4.3 植被蓋度與地形因子的耦合關(guān)系

4.3.1 植被蓋度隨地形的全局分異規(guī)律

表1為地形因子與植被均值統(tǒng)計表。從微觀地形因子來看，高程上以3000 m為界，小于3000 m，植被蓋度隨著海拔的上升而增大，大于3000 m，植被蓋度隨著海拔的上升而減小，在2500～3000 m植被蓋度達到最大，而在河谷的低海拔范圍，植被蓋度較低，這與秦嶺地區(qū)植被的高程分異規(guī)律(以1800 m海拔為界，NDVI隨著海拔的上升先增大后減小[29])相似，但不同地理環(huán)境下，適合聚落植被生長所需要的最適宜水熱條件不同，植被峰值海拔不同。坡向上，各坡向植被覆蓋差異不大，但是偏北向的植被長勢要略好于偏南坡，南坡、東南坡植被蓋度達到最低值0.59，在北坡達到植被蓋度最高值0.71，可見陰坡的生長環(huán)境相較陽坡更適應植被的生長，植被在坡向上的分異規(guī)律正好與湯巧英等[12]、位宏等[13]研究結(jié)果一致。坡度上，隨著坡度的增加，植被蓋度平緩遞增，這與Flores等[30]研究結(jié)果相似。坡向變率上，隨著坡向變率的增大，植被蓋度變化平穩(wěn)，先緩慢減小，而后增大。從宏觀地形因子來看，隨著地表切割深度、地表粗糙度的增大，植被蓋度呈上升趨勢，地形起伏度達300 m后，植被蓋度略有下降。總體上，植被受多種地形因子共同作用，植被對不同地形因子的響應呈現(xiàn)不同的規(guī)律性。但是，這種全局分異并不能表達出植被受地形影響的局部空間異質(zhì)性，因此有必要使用地理加權(quán)回歸方法來識別這種空間異質(zhì)性。

表1 地形因子與植被蓋度統(tǒng)計

4.3.2 植被蓋度受地形因子影響的局部空間異質(zhì)性

在進行地理加權(quán)回歸之前，首先對參與地理加權(quán)回歸的多元地形因子進行標準化處理，使各地形因子的回歸系數(shù)具有可比性。地理加權(quán)回歸模型樣本量為10 542，擬合優(yōu)度達0.27，且各地形因子回歸系數(shù)通過了Moran’sI指數(shù)的非平穩(wěn)性檢驗(Moran’sI>0，逼近1；Z>2.58；P<0.01)，說明地理加權(quán)回歸結(jié)果在空間上呈正相關(guān)，聚集顯著。將地理加權(quán)回歸結(jié)果按照統(tǒng)一的分級標準進行符號化(圖4)，通過回歸系數(shù)的大小來度量地形因子對植被的作用強弱。由圖4可以看出，植被蓋度對各地形因子的響應整體上存在顯著差異，說明海拔、地表粗糙度、地形起伏度、地表切割深度對植被蓋度的影響強度大于坡度、坡向、坡向變率，這與前述結(jié)果基本一致。

在研究區(qū)局部，植被蓋度受地形因子影響的類型和強度并不相同。在研究區(qū)西北部，植被蓋度主要受海拔、地表粗糙度的影響(顯著負相關(guān)，回歸系數(shù)達到-0.8～-0.6)，其次受地表切割度的影響也較為明顯(正相關(guān)，回歸系數(shù)達到0.4～0.6)，而受坡度、坡向、坡向變率的影響較為微弱。在研究區(qū)南部，植被蓋度與地表粗糙度、海拔呈極顯著的負相關(guān)，回歸系數(shù)達到-1.0～-0.8，與地形起伏度呈負相關(guān)，與地表切割深度呈高度正相關(guān)，回歸系數(shù)達到1.0～1.2，坡度、坡向、坡向變率對植被蓋度影響微弱。在研究區(qū)的西北縣界凹側(cè)方向，植被蓋度主要受到地形起伏度影響(顯著正相關(guān))，受其他地形因子影響較弱。

5 討 論

5.1 地形因子影響植被蓋度的復雜性

植被蓋度受到逐點特性的海拔、坡向、坡度等微觀地形因子的影響。喜德縣植被蓋度在高程上的分異規(guī)律表明，植被蓋度隨著海拔的上升先增大，達到臨界海拔后降低，這與國內(nèi)眾多研究的分異規(guī)律相似，但是臨界峰值存在差異，如瑪納斯河流域地區(qū)，植被蓋度在2100 m出現(xiàn)峰值[13]，而黔桂喀斯特地區(qū)，在海拔400 m出現(xiàn)峰值[31]。喜德縣植被在陰坡的生長情況好于陽坡，與羅君等[32]在云南干熱河谷沖溝區(qū)植被對微地形的響應結(jié)論相似，但張梅玲和徐睿擇[33]在中國東南濕潤區(qū)定南縣的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植被蓋度在陰坡和陽坡近似，均大于半陰坡和半陽坡，這表明，在干旱地區(qū)，植被對水分的需求更為迫切，陽坡溫度高、蒸發(fā)強、濕度低，不利于植物的生長；而在濕潤地區(qū)，坡向引起的濕度變化對植被生長影響不大。喜德縣植被蓋度隨著坡度的增加而增大，與胡玉福等[34]在安寧河流域所得結(jié)論相似，這主要是因為低坡度地區(qū)植被受人為干預嚴重，人類活動的影響具有不確定性。植被蓋度隨著坡向變率的增大，先緩慢減小而后急劇增大，這表明植被的生長對坡向的急劇變化體現(xiàn)了較強的適應能力，與侯兆疆等[35]的研究結(jié)果相似，即坡向變率越大，在此過渡區(qū)域的群落組成越復雜。植被蓋度同時受到地形起伏度、地表切割度、地表粗糙度等宏觀地形因子的影響，歷史研究中宏觀地形與植被耦合關(guān)系相關(guān)研究較少，喜德縣植被蓋度隨著宏觀地形因子變化分異主要表現(xiàn)為隨著地形起伏度、地表切割度、地表粗糙度的增大，植被蓋度呈現(xiàn)遞增的趨勢。由于低地形起伏、切割、粗糙度區(qū)域人口較為集中，受人類活動影響，植被蓋度偏低。而高地形起伏、切割、粗糙度區(qū)域植被蓋度反而越高，一方面是因為植被受毀林開荒、放牧等人類活動影響較小，另一方面，可能由于此區(qū)域內(nèi)的植被類型對于地形特征、水熱條件存在較強的適宜能力。宏觀地形因子與植被的作用過程較為復雜，后期有待進一步深入研究。

5.2 植被影響因子的多元性及生態(tài)改良的迫切性

研究區(qū)內(nèi)，植被整體良好，但是仍有超過15%區(qū)域植被蓋度偏低。孫水河貫穿全縣，河谷地帶植被蓋度低，雨季降雨集中，水土流失劇烈，洪水、泥石流等地質(zhì)災害頻發(fā)[36]。縣域西北方向植被覆蓋較低，可能是因為海拔過高，溫度較低，土壤理化性質(zhì)減弱，不適宜植被的生長。孫水河流域植被蓋度偏低，這證實了關(guān)于全球氣候與植被生產(chǎn)關(guān)系規(guī)律的研究[37]，即光合作用的強度隨著溫度的升高先增大，超過最適溫度后，光合作用減弱，呼吸作用增強，植被物質(zhì)積累減少。研究區(qū)部分范圍受“焚風效應”的影響，低濕高溫，不適宜植被的物質(zhì)積累，導致植被蓋度偏低，且低海拔地區(qū)人類活動劇烈，這是造成植被蓋度偏低的另一重要原因，與Yin等[38]的研究結(jié)論相似。

植被的生長狀況和空間格局不僅受地形因子的影響，還受溫度、降水、土壤、人類活動、地質(zhì)災害等因子的共同作用。丁文榮[39]分析近60年西南干旱河谷氣候狀況，發(fā)現(xiàn)氣溫呈上升趨勢，降雨量呈微弱下降趨勢，氣候演變對植被正常生長提出了挑戰(zhàn)；段剛[40]認為降水量是影響西雙版納自然植被凈第一性生產(chǎn)力變化的主要驅(qū)動因子；李揚[41]研究植被與土壤空間分異規(guī)律發(fā)現(xiàn)，植被多樣性、豐富度、覆蓋度與土壤粉粒和黏粒呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；李輝霞等[42]研究三江源植被生長對氣候變化、人類活動的響應，發(fā)現(xiàn)人類活動可在短期內(nèi)可提高植被變化速率；劉守江等[43]監(jiān)測滑坡后近10年龍門山銀廠溝植被恢復情況，發(fā)現(xiàn)植被恢復良好，因未受到較大人工干擾，受災地區(qū)物種多樣性較周圍未受災地區(qū)更加豐富。可見，不同研究范圍，植被受不同驅(qū)動因子影響，呈現(xiàn)出顯著的差異性。本文主要研究地形與植被的耦合關(guān)系，忽略了其他生物要素和非生物要素的作用，后續(xù)如果能夠綜合考慮溫度、降水、土壤、地形、人類活動、地質(zhì)災害等因子的影響，量化各要素與植被的耦合程度，研究結(jié)果將會對區(qū)域生態(tài)評價和管理更具科學性和指導性。