2000～2020年平昌縣植被覆蓋度時(shí)空變化特征分析

方建平，魏 榮，楊建勇

(1.四川省平昌縣得勝鎮(zhèn)林業(yè)站，四川 平昌 636400；2.四川省平昌縣林業(yè)局，四川 平昌 636400；3.四川省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610081)

1 引言

植被覆蓋度指植被地面垂直投影面積占區(qū)域總面積的比例，可反映區(qū)域地表植被生長(zhǎng)狀況，其變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況具有重要指示意義[1，2]。而歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)作為植被覆蓋變化研究中最常用的指標(biāo)之一，可綜合反映區(qū)域植被覆蓋度和植被生長(zhǎng)狀況。同時(shí)，NDVI能在較大時(shí)空尺度上反映植被覆蓋信息，是監(jiān)測(cè)區(qū)域植被和生態(tài)環(huán)境變化的最佳指示因子，在植被遙感中應(yīng)用廣泛[3，4]。因此，應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)提取區(qū)域NDVI，研究區(qū)域植被覆蓋度時(shí)空變化，對(duì)地區(qū)科學(xué)規(guī)劃造林綠化空間，精準(zhǔn)提升林草質(zhì)量，推動(dòng)區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義[5，6]。

近年來(lái)，平昌縣先后實(shí)施了退耕還林工程、天然林保護(hù)及后續(xù)生態(tài)工程，開(kāi)展了集體林權(quán)制度改革、森林分類區(qū)劃界定、林業(yè)有害生物防治和森林防火等工作，森林資源的數(shù)量與質(zhì)量都有了較大改善[7，8]。同時(shí)，受近年來(lái)區(qū)域極端天氣頻發(fā)、城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速推進(jìn)、區(qū)域林分結(jié)構(gòu)相對(duì)單一等因素影響，平昌縣局部地區(qū)出現(xiàn)了植被退化現(xiàn)象[9，10]。因此，本文基于平昌縣2000年和2020年Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，提取歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)，并運(yùn)用空間自相關(guān)等方法[11，12]，全面分析2000～2020年平昌縣植被覆蓋度時(shí)空變化特征，以為平昌縣準(zhǔn)確掌握植被覆蓋變化情況，深入實(shí)施林業(yè)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)重大工程，統(tǒng)籌推進(jìn)城鄉(xiāng)綠化，擴(kuò)大退耕還林還草規(guī)模，進(jìn)一步加強(qiáng)森林經(jīng)營(yíng)等提供參考。

2 研究區(qū)概況

平昌縣位于四川省盆地東北邊緣米倉(cāng)山南麓，幅員面積2228.79 km2，地理位置介于東經(jīng)106°50′～107°34′、北緯31°16′～31°52′之間，東鄰萬(wàn)源市、宣漢縣，南接達(dá)州市、渠縣，西臨營(yíng)山縣、儀隴縣，北與通江縣、巴州區(qū)接壤。境內(nèi)有通江、巴河、蒙溪河、磴子河等大小河流67條，屬嘉陵江流域渠江水系。年降水夏多冬少，氣候溫和，四季分明，屬四川盆地中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。森林土壤有紫色土、黃壤、新沖積土等3個(gè)土類，以紫色土和黃壤居多。平昌縣植物資源豐富，種類繁多，屬大巴山馬尾松常綠闊葉林帶植被類型。有杉科、樟科、柏科等50余科160余種，主要樹(shù)種有馬尾松、柏木、榿木、楓楊、刺槐等，灌木以化香、鹽膚木為主，灌叢以馬桑、黃荊、懸鉤子、杜鵑為主，地被物以絲茅、蕨類、苔蘚為主。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)采用平昌縣30m年最大NDVI數(shù)據(jù)，具體以2000和2020年為時(shí)間斷面，基于Google Earth Engine云計(jì)算平臺(tái)，利用全年Landsat5/7/8遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)去云去陰影得到Landsat有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，然后對(duì)每一個(gè)Landsat有效觀測(cè)進(jìn)行NDVI提取[13～15]，并結(jié)合線性插值等方法，最終得到平昌縣境內(nèi)各像元所在位置在一年中的NDVI最大值。該數(shù)據(jù)集空間分辨率為30 m，時(shí)間分辨率為每年。

3.2 研究方法

本研究運(yùn)用空間自相關(guān)分析方法[11，12]，具體以全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)來(lái)研究2000～2020年平昌縣植被覆蓋空間變化特征。

(1)全局空間自相關(guān)系數(shù)用表示，是從整體上衡量空間要素之間的相互關(guān)系，其值在[-1，1]之間。大于0表示存在空間正相關(guān)，且越接近1 集聚程度越高；小于0為負(fù)相關(guān)，等于0則表明不存在空間相關(guān)性。全局Moran'sI計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中，n為樣本量，即空間單元的個(gè)數(shù)。xi，xj是空間單元i和j的屬性值，Wij表示空間單元和的鄰近關(guān)系，當(dāng)和為鄰近的空間位置時(shí)，Wij=1；反之，Wij=0。

(2)局部空間自相關(guān)系數(shù)用表示，是從局域尺度研究區(qū)域內(nèi)部某空間單元與周圍鄰近單元的空間差異程度，用來(lái)進(jìn)一步考察區(qū)域內(nèi)局域空間的異質(zhì)性，其值在[-1，1]之間,大于0表示某單元屬性值與周圍鄰近單元的空間差較異小，在空間格局上表現(xiàn)為高—高型集聚或低—低型集聚；小于0表示某單元屬性值與周圍鄰近單元的空間差異較大，在空間格局上表現(xiàn)為高—低型分異或低—高型分異；等于0則表示空間差異性不顯著。局部計(jì)算公式如下：

(2)

式(2)中，xi，xj，Wij含義同式(1)。

4 結(jié)果與分析

4.1 植被覆蓋度總體空間分布特征

2000～2020年(圖1)，平昌縣植被覆蓋度均呈現(xiàn)出東北部、西北部高于中部、南部的空間分布特征。2000年NDVI數(shù)值處于0.1529～0.9953之間，全縣NDVI均值為0.7194；2020年NDVI數(shù)值處于0.1529～0.9953之間，全縣NDVI均值為0.7119。2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度較低的區(qū)域主要在河流沿岸和城鎮(zhèn)等人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的地區(qū)，如沿通江、巴河流域地區(qū)，以及同州街道、江口鎮(zhèn)、金寶鄉(xiāng)等城鎮(zhèn)化水平較高的地區(qū)，植被覆蓋度普遍較低。而鎮(zhèn)龍鎮(zhèn)、筆山鎮(zhèn)、望京鄉(xiāng)、得勝鎮(zhèn)等海拔相對(duì)較高、且人類活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小的地區(qū)，植被覆蓋度普遍較高。

(a)2000年 (b)2020年

4.2 植被覆蓋度差值空間分布特征

運(yùn)用Arcgis10.6軟件柵格計(jì)算器工具對(duì)平昌縣2000和2020年的植被覆蓋度進(jìn)行差值分析，并根據(jù)差值正負(fù)及數(shù)值大小將所得的柵格圖層按明顯改善、中度改善、基本穩(wěn)定、中度退化、明顯退化5個(gè)等級(jí)進(jìn)行重分類，得到2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化面積數(shù)據(jù)(表1)。2000～2020年平昌縣植被覆蓋度整體穩(wěn)定，東北部和西南部有中度改善趨勢(shì)，但中部和西北部有明顯退化趨勢(shì)。從表1可以看出，2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度基本穩(wěn)定區(qū)域占全縣面積的88.22%，明顯改善和中度改善區(qū)域分別占全縣面積的0.14%和3.39%，而中度退化和明顯退化區(qū)域分別占全縣面積的5.75%和2.5%。2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度退化區(qū)域面積大于改善區(qū)域面積，這主要是因?yàn)槟壳捌讲h境內(nèi)現(xiàn)有林分結(jié)構(gòu)單一，質(zhì)量不高。其次，經(jīng)營(yíng)區(qū)內(nèi)樹(shù)種齡組結(jié)構(gòu)不合理，森林生態(tài)功能較差，水土保持及抵御病蟲(chóng)害等防護(hù)能力較弱。同時(shí)，由于部分林地雜灌、刺藤、雜草眾多，林木天然整枝較差，使林木生長(zhǎng)緩慢，成片林分蓄積量低。不過(guò)隨著近年來(lái)平昌縣森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升等項(xiàng)目的實(shí)施，這一現(xiàn)狀正在不斷改善。

表1 2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化面積

4.3 植被覆蓋度變化相關(guān)性分析

為進(jìn)一步明晰平昌縣2000～2020年植被覆蓋度變化的空間特征，運(yùn)用 ArcGIS10.6軟件，在 2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化圖的基礎(chǔ)上創(chuàng)建30m的漁網(wǎng)，再以表格進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)后，進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析，得到2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化的Moran's I指數(shù)數(shù)值為0.18，同時(shí)Z值為正，且P值顯示全局空間自相關(guān)分析通過(guò)了顯著性水平0.001的檢驗(yàn)，說(shuō)明2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化整體格局呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，且植被覆蓋度變化表現(xiàn)出顯著的空間集聚分布態(tài)勢(shì)。

全局空間自相關(guān)僅從整體上分析了2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化的空間特征，但無(wú)法從局部精準(zhǔn)測(cè)度區(qū)域內(nèi)部的空間相關(guān)性。因此，使用ArcGIS10.6 軟件局部空間自相關(guān)分析工具，得到2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部值，并最終得到2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部空間自相關(guān)各類型面積數(shù)據(jù)(表2)。結(jié)果顯示，2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部空間自相關(guān)“不顯著”區(qū)域占全縣面積的81.7%，“高—高集聚型”和“高—低分異型”區(qū)域分別占全縣面積的7.82%和2.75%，“低—高分異型”和“低—低集聚型”區(qū)域分別占全縣面積的2.46%和5.27%。其中，平昌縣東北部和西南部表現(xiàn)出明顯的“高—高集聚型”空間格局，而中部和西北部表現(xiàn)明顯的“低—低集聚型”空間格局。

表2 2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部空間自相關(guān)各類型面積

5 結(jié)論與討論

本研究以平昌縣為研究對(duì)象，選取2000年和2020年Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，提取歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)，并運(yùn)用空間自相關(guān)等方法，全面分析了平昌縣2000～2020年植被覆蓋度時(shí)空變化特征。主要結(jié)論如下。

(1)2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度總體水平較高，且呈現(xiàn)出東北部、西北部高于中部、南部的空間分布特征。2000和2020年全縣NDVI均值分別為0.7194和0.7119。植被覆蓋度較低的區(qū)域主要在河流沿岸和城鎮(zhèn)等人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的地區(qū)，而植被覆蓋度較高的區(qū)域則主要分布在海拔相對(duì)較高，且人類活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小的地區(qū)。

(2)2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度整體穩(wěn)定，東北部和西南部有中度改善趨勢(shì)，而中部和西北部有明顯退化趨勢(shì)。2000～2020 年，平昌縣植被覆蓋度明顯改善、中度改善、基本不變、中度退化、明顯退化區(qū)域分別占全縣面積的0.14%、3.39%、88.22%、5.75%、2.5%。2000～2020 年，由于平昌縣境內(nèi)林分結(jié)構(gòu)、齡組結(jié)構(gòu)、樹(shù)種組成等比較單一，部分區(qū)域植被覆蓋出現(xiàn)退化趨勢(shì)。

(3)2000～2020年，平昌縣植被覆蓋度變化整體格局呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，且植被覆蓋度變化表現(xiàn)出顯著的空間集聚分布態(tài)勢(shì)。2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化全局空間自相關(guān)分析顯示，Moran's I指數(shù)數(shù)值為0.18，Z值為正，且P值通過(guò)了顯著性水平0.001的檢驗(yàn)。2000～2020年平昌縣植被覆蓋度變化局部空間自相關(guān)分析表明，平昌縣植被覆蓋度變化東北部和西南部呈“高—高集聚型”空間格局，而中部和西北部呈“低—低集聚型”空間格局。

本研究基于Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，從時(shí)間尺度和空間尺度研究了平昌縣2000～2020年植被覆蓋度時(shí)空變化特征，并結(jié)合平昌縣實(shí)際情況，初步分析了影響其植被覆蓋變化的自然、人為等因素，但區(qū)域植被覆蓋變化是一個(gè)多因素復(fù)合影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如氣候因子、地理因子、人類活動(dòng)強(qiáng)度等，因此，在以后的研究中還需進(jìn)一步對(duì)平昌縣植被覆蓋度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空特征的分析和多影響因子的探討。