地理空间分析综合应用

喀斯特地区植被覆盖度变化及地形与人口效应研究

  • 程东亚 ,
  • 李旭东 *
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  • 贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳 550025
* 李旭东(1969-),男,湖南邵东人,博士,教授,主要从事人口地理与区域发展,应对气候变化与低碳经济研究。E-mail:

程东亚(1994-),男,安徽亳州人,硕士生,主要从事资源利用与低碳发展研究。E-mail:

收稿日期: 2018-10-26

  要求修回日期: 2019-04-20

  网络出版日期: 2019-08-25

基金资助

国家自然科学基金项目(41261039)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。

Vegetation Coverage Change in a Karst Area and Effects of Terrain and Population

  • CHENG Dongya ,
  • LI Xudong *
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  • School of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China
* LI Xudong, E-mail:

Received date: 2018-10-26

  Request revised date: 2019-04-20

  Online published: 2019-08-25

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National Natural Science Foundation of China, No.41261039(41261039)

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摘要

喀斯特山地流域植被变化具有独特性,探究其植被变化特征有利于石漠化治理和退耕还林工程科学实施。本文选取1990-2016年贵州石阡河流域Landsat系列遥感影像,采用像元二分模型和相关分析等方法研究流域植被覆盖度时空变化特征,并探究其变化的地形效应和人口效应。研究表明:① 1990-2016年贵州石阡河流域植被覆盖度总体处于上升趋势,植被恢复取得较好效果;② 1990-2016年贵州石阡河流域植被覆盖度变化的地形效应中,随海拔和坡度上升,植被覆盖度总体处于稳定上升趋势。随坡向变化中,无坡向地区植被覆盖度最低,其他坡向差异不明显;③ 1990-2016年贵州石阡河流域植被覆盖度变化的人口效应中,随人口密度上升,植被覆盖度总体处于下降趋势。研究结果可以为喀斯特地区退耕还林还草和石漠化治理提供科学依据。

本文引用格式

程东亚 , 李旭东 . 喀斯特地区植被覆盖度变化及地形与人口效应研究[J]. 地球信息科学学报, 2019 , 21(8) : 1227 -1239 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2019.180548

Abstract

With increasing ecological protection awareness, vegetation restoration has received growing attention. Southwest China is one of the most concentrated areas of the world's karst. In the recent years, rock desertification control and vegetation protection has made good progress. In karst areas,exploring the characteristics of vegetation change is beneficial to the scientific implementation of rocky desertification control and recoverting farmland to forest. The article selected Landsat imagery, digital elevation model data, and population raster data of the Shiqian River Watershed in Guizhou Province, spanning from 1990 to 2016. The spatiotemporal variation characteristics of the watershed vegetation coverage were calculated by the remote sensing imagery; and we expored the topographic gradient characteristics and population impact characteristics of vegetation coverage change. We found that: (1) From 1990 to 2016, the vegetation coverage of the Shiqian River Watershed increased from 62.67% to 75.21%, and increased rapidly, especially after 2002. (2) With increases in the elevation and slope, the vegetation coverage generally rised steadily. With the change of slope direction, the coverage of flat vegetation became the lowest, while the difference of other slopes was not obvious. In 1990, the vegetation coverage in the flat area was 48.48%; while in 2016, the vegetation coverage in the flat area was 53.88%, but the vegetation coverage of other slopes was significantly higher than the flat land. (3) With the increase of population density, the vegetation coverage generally declinined. yet, when the population density was less than 50 people/km 2 in 1990-2016, the vegetation coverage rised by less than 10%. When the population density reached 400 people/km 2 in 1990-2016, the vegetation coverage increased by 20%. But overall, the higher the population density, the faster the vegetation will recover in the study area. The population density is currently greater than 450 people/km 2, and the vegetation coverage is in a downward trend mainly due to urban construction. Our findings can provide guidance for the vegetation protection and reconverting farmland to forest projects in karst areas, and it is hoped that this study can provide reference for related research.

1 引言

喀斯特是地表独特的地貌类型,主要分布于 地中海沿岸、东亚、东南亚、美国东南部等国家和地 区[1,2]。中国南方是世界喀斯特集中区之一,涉及贵州、广西、云南等8省区,区域内碳酸盐岩出露面积53.26万km2,占比27.36%[3]。喀斯特地表多溶洞[4,5],地下多暗河。易产生地表裸露,不利于植被生长。中国南方喀斯特山区经济欠发达,贫困人口集中。长期以来,由于不合理的种植垦殖活动,植被资源遭到严重破坏。贫瘠的土壤和不合理的人类活动,导致石漠化问题突出,喀斯特生态环境恶化[6,7,8]。近年来,随着喀斯特山区退耕还林还草等植被恢复工程的大规模实施,植被变化正在逐步好转。揭示退耕还林背景下喀斯特地区植被变化特征,对植被保护和石漠化治理具有重要意义。
植被变化研究已成为学术研究的热点[9,10,11],很多学者进行了不同地区的研究,其研究尺度涉及自然和行政区划尺度植被变化[12,13,14,15]等层面。例如,赫英明等[12]对中国植被覆盖度变化特征的研究; 白建军等[13]对陕北植被变化特征的研究;郭伟伟[14]对张家口植被变化特征的研究;翟雅倩等[15]对秦巴山区植被覆盖的研究。当前对植被覆盖长时间和空间研究中,多结合遥感数据[16,17]反演分析,很好地揭示了大范围和高精度植被变化时空规律,生态环境治理和经济社会发展提供了科学参考。随着生态保护意识不断增强,退耕还林工程逐渐深入,对西南山地喀斯特植被变化研究也是近年来的热点[17,18]。很多学者以喀斯特大中尺度为对象,揭示近年来植被变化趋势和空间分布特征。例如,丁文荣[19]对滇东南喀斯地区的研究,研究认为该地区以植被恢复为主,退耕还林对植被恢复具有促进作用,城市化进程则对城镇周边植被产生了破坏。吕妍等[20]对中国西南喀斯特地区的研究认为该地区植被总体处于恢复特征,其植被恢复增加包括退耕还林等多种因素共同推动。刘梁美子等[21]对黔贵喀斯特地区的研究,亦表明区域植被处于增加恢复趋势,但其研究结果认为高海拔地区植被恢复相对较快,低海拔区域植被恢复需要加强。以上研究发现,在大中尺度喀斯特植被研究中,植被总体表现为上升趋势,这种上升趋势得益于退耕还林等工程的实施。在大中尺度研究的同时,县域尺度喀斯特研究也有一定进展,如朱殊慧等[22]基于安龙县分析了不同地形上植被NDVI变化趋势。喀斯特小尺度植被变化研究,不同于大中尺度和县域尺度,小尺度研究涉及更为精细的植物群落、植被恢复治理等方面,如茂兰撂荒地植被恢复[23]、花江不同植被类型下土壤特征[24]等。综合以往研究可知,不管是喀斯特大中尺度研究,还是喀斯特县域尺度研究,都反映了该地区植被优化恢复的现状。但中国西南喀斯特分布广泛,地理背景差异明显。当前研究更多是揭示植被变化的时空特征和植被恢复趋势,关于其恢复和变化趋势在地形特征上又是如何相对较少。同时,以往研究已经说明,喀斯特地区植被变化和石漠化的重要驱动效应是人类活动[25,26,27],但多是定性分析人类活动对植被影响,定量分析需要进一步加强。
因此,本文以贵州石阡河流域(以下简称流域)为研究对象,在探究喀斯特流域植被覆盖时空变化的基础上,进一步揭示植被覆盖变化的地形分异特征,以及定量揭示和阐述人类活动对植被的影响。期望研究结果能为区域经济社会发展和植被生态保护提供科学参考,也可为相关研究提供一定借鉴。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

石阡河是乌江流域南岸重要支流(图1),位于贵州省中东部,主要流经贵州省铜仁市境内。石阡河发源于石阡县白沙镇,河流长度114 km,面积2084 km2 [28]。流域主要经过石阡、思南、印江等县区,其干流经思南河口汇入乌江。流域海拔大致呈东部和南部高,中北部河谷地带较低。流域属于亚热带季风气候,气候温和,降水较为丰沛。流域主要属于碳酸盐广泛分布的喀斯特山区,碳酸盐岩类分布占总面积68%[29]。该区域海拔落差相对较大,2000 km2的范围内海拔差超过1000 m。流域西部、东部、南部部分地区海拔1200 m以上,北部河口注入乌江干流,海拔约350~500 m。流域最高海拔在南部佛顶山山顶1869.3 m,最低位于河口处365 m[29]。流域是乌江流域重要支流,也是乌江中游和下游重要过渡区。该流域人口分布密集与稀疏并存,人类活动集中于中北部,具有山地人口分布的典型特征。流域中北部干流与河谷地带是石阡县城所在地,其周边人口较稠密,交通发达,经济基础较好。石阡河流域南部和东部是高山地区,该地区人口较为稀疏,部分地区人口密度不足100人/km2。近年来,随着退耕还林和石漠化治理,区域植被不断恢复,生态环境好转。
图1 贵州石阡河流域位置和高程

Fig. 1 Location and elevation of the Shiqian River Watershed in Guizhou Province

2.2 数据源与预处理

本文采用DEM(Digital Elevation Model,DEM)数据和遥感影像数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)。遥感影像为Landsat卫星系列,所选取遥感影像均为植被生长月份且云量较少日期,Landsat遥感影像时间为1990-2016年,其波段分辨率为30 m,DEM数据分辨率为30 m。人口数据来源于国家地球系统科学数据共享服务平台(http://www.geodata.cn),数据集名称为中国公里网格人口分布数据集,时间为2010年,数据分辨率为1 km。
原始遥感影像进行辐射定标、大气校正等过程剔除云以及气溶胶影响。大气校正后异常值给予相关处理,DN高值和低值分别采用最低值0和最高值10 000。文中流域边界选取DEM数据,采用ArcGIS水文分析模块提取。流域边界可能与实际存在一定偏差,此处不进行更多探究。水文分析提取后,对遥感影像进行剪裁和格式转化等处理,计算NDVI和植被覆盖度。

2.3 研究方法

(1)地形与人口因子提取方法。海拔由DEM数据直接提取,利用ArcGIS将海拔进行重分类,提取不同海拔植被覆盖情况。坡度是最常见的地形因子之一。一般情况下坡度范围0~90°,坡度采用ArcGIS表面分析工具Slope直接提取。ArcGIS计算坡向,以正北方向为起点0°,坡向范围为0~360° [30]。坡向为-1,表示平地或平面,该区域无坡向[30]。坡向数据处理后,将坡向划分不同方位,分别赋值计算。人口因子采用栅格人口数据集求出,采用边界进行剪裁,后重分类计算。
(2)NDVI与植被覆盖度计算方法。归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)能反映植被生长、植被覆盖情况,是检测植被变化的重要指标[31,32,33,34]。NDVI计算原理是利用近红外和可见光红波段进行计算,其公式为[31,32,33,34]
NDVI = NIR - R NIR + R
式中:NIR为近红外波段;R为可见光红波段;NDVI取值范围为[-1,1]。
目前利用遥感影像估算植被覆盖度(Vegetation Coverage, VC)方法已较为成熟,主要基于像元二分模型进行处理,采用以下公式[35,36]进行估算。
VC = NDVI - NDV I min NDV I max - NDV I min
式中:VC为植被覆盖度;NDVImin为裸地或无植被覆盖区数值;NDVImax为完全植被覆盖区数值。此处NDVIminNDVImax取值为下限5%和上限95%。
(3)相关分析(Related Analysis)。为了更加定量阐述人口与植被覆盖变化的关系,本文采用相关分析探究,表达式为[37,38]
R = i = 1 n x i - x ̅ y i - y ̅ i = 1 n x i - x ̅ 2 i = 1 n y i - y ̅ 2
式中:R为相关系数;xiyi变量值;n为样本个数。

3 植被覆盖度时空变化特征

3.1 NDVI与植被覆盖度分阶段特征及趋势

1990-2016年分阶段NDVI呈现大于0.8大幅度上升,小于0.6大幅度下降(表1)。1990年流域NDVI(0.6~0.8)占比58.53%,其次为大于0.8占比23.09%。1990年NDVI(0.4~0.6)占比17.03%,高于后几个研究阶段,一定程度反映该阶段植被覆盖低于其他阶段。1996年NDVI大于0.8上升明显,占比41.08%。2002年NDVI(0.6~0.8)占比60.72%,NDVI大于0.8占比33.05%。2011年NDVI(0.4~0.6)占比提高,达到16.99%。2016年NDVI大于0.8占比提高至61.78%,NDVI小于0.6占比不足10%。
表1 1990-2016年石阡河流域NDVI与植被覆盖度占比变化

Tab. 1 Changes in NDVI and vegetation coverage at different times in Shiqian River Watershed from 1990 to 2016 (%)

NDVI 1990年 1996年 2002年 2011年 2016年
占比 累计 占比 累计 占比 累计 占比 累计 占比 累计
<0 0.01 0.01 0.10 0.10 0.04 0.04 0.03 0.03 0.12 0.12
0~0.2 0.12 0.13 0.21 0.31 0.22 0.27 0.42 0.44 0.51 0.64
0.2~0.4 1.22 1.35 0.39 0.69 0.46 0.73 2.48 2.93 1.48 2.12
0.4~0.6 17.03 18.38 3.69 4.39 5.51 6.24 16.99 19.91 4.39 6.51
0.6~0.8 58.53 76.91 54.53 58.92 60.72 66.95 47.14 67.05 31.71 38.22
>0.8 23.09 100.00 41.08 100.00 33.05 100.00 32.95 100.00 61.78 100.00
100.00 200.00 100.00 200.00 100.00 200.00 100.00 200.00 100.00 200.00
植被
覆盖度/%
1990年 1996年 2002年 2011年 2016年
占比 累计 占比 累计 占比 累计 占比 累计 占比 累计
<20 9.09 9.09 8.35 8.35 8.32 8.32 9.62 9.62 7.15 7.15
20~40 12.38 21.47 8.05 16.40 9.76 18.08 9.76 19.38 4.47 11.61
40~60 19.57 41.04 15.93 32.33 18.60 36.68 14.03 33.41 9.28 20.89
60~80 26.24 67.28 27.11 59.45 26.65 63.32 20.38 53.79 20.40 41.29
>80 32.72 100.00 40.55 100.00 36.68 100.00 46.21 100.00 58.71 100.00
100.00 200.00 100.00 200.00 100.00 200.00 100.00 200.00 100.00 200.00
1990-2016年流域植被覆盖度大于80%区显著提升,植被覆盖度小于40%区显著下降(表1)。1990年流域植被覆盖度小于40%占比超过20%,植被覆盖度大于80%占比仅32.72%,该时期高植被覆盖区相对较少。1996年流域植被覆盖度大于80%显著提高,占比达40.55%。1996年植被覆盖度20%~40%和40%~60%变化最大,二者占比均下降3%以上。2002年流域植被覆盖度总体处于下降趋势,植被覆盖度大于80%占比降至36.68%,植被覆盖度60%~80%降至26.65%。2011年流域植被覆盖显著提高,植被覆盖度大于80%占比达46.21%。2016年流域植被覆盖度达较高水平,植被覆盖度高值区域占比明显上升。2016年植被覆盖度大于80%占比58.71%,植被覆盖度60%~80%占比20.40%。2016年植被覆盖度大于60%占比超过89%。2016年植被覆盖度小于60%持续下降,植被覆盖度20%以下、20%~40%、40%~60%占比分别为7.15%、4.47%、9.28%。
1990-2016年流域NDVI总体处于上升趋势,期间NDVI提升0.08。由表2可知,1990-2016年NDVI呈升高-降低-升高过程。1990-1996年流域NDVI上升明显,1996-2002年和2002-2011年处下降特征,分别下降0.02、0.04。1990-1996年和2011-2016年NDVI上升明显,分别上升0.06、0.07。1990-2016年流域植被覆盖度由62.67%上升到75.21%,上升较快,特别是2002年以后。1990-2016年植被覆盖度变化增幅来看,2002-2016年植被覆盖度增幅逐渐加大,植被恢复逐渐加快。2002年后流域植被覆盖度上升较快,与退耕还林还草密切相关,有力地推动了喀斯特地区植被恢复。
表2 1990-2016年石阡河流域NDVI和植被覆盖度变化特征

Tab. 2 Characteristics of the NDVI and vegetation coverage in Shiqian River Watershed from 1990 to 2016

年份 NDVI 植被覆盖度/% 时段 NDVI变化 植被覆盖度变化/%
1990 0.70 62.67 1990-1996 0.06 4.85
1996 0.77 67.52 1996-2002 -0.02 -2.00
2002 0.75 65.53 2002-2011 -0.04 2.46
2011 0.71 67.98 2011-2016 0.07 7.23
2016 0.78 75.21 1990-2016 0.08 12.54

3.2 植被覆盖度空间分布特征

1990-2016年流域植被覆盖度呈上升趋势,从西北至东南植被覆盖度递增(图2)。1990年流域西北部和西部植被盖度多在20%以下,植被覆盖度20%~40%分布在(20%以下)周边。1990年植被覆盖度大于80%分布在高山高海拔区,集中在南部和东部。1996年流域植被覆盖度小于20%面积显著减少,植被覆盖变化明显。1990-1996年流域植被覆盖度小于20%区域逐渐提升到20%~40%,尤以西部最明显。2002年植被覆盖度小于20%区空间上大致呈西部减少。2002年东部和东南部高植被覆盖度部分区域降低到40%~60%,植被覆盖度大于80%面积出现减少。2011年流域植被覆盖度大于80%空间分布有扩大趋势,植被覆盖度小于20%也呈现扩大趋势。2011年干流及河流北部汇流区植被退化,呈减少趋势。2016年流域植被盖度大于80%区范围继续扩大,流域东部和南部均是植被高覆盖区。2016年植被覆盖度60%~80%区明显减少,均向大于80%高植被覆盖区转变。2016年石阡河干流植被覆盖度属低值集中区,城市活动强度高对植被生长产生较大影响。2016年石阡河汇流区植被覆盖度偏低,多集中20%以下。1990-2016年植被覆盖空间特征看,北部和中部植被覆盖较低,主要因为:流域西部和北部海拔较低,人口分布相对较多,耕地和城市建设等主要分布在这些地区,直接导致植被覆盖下降。1990-2016年流域这种植被覆盖空间特征虽有变化,但基本格局仍未发生转变。流域南部和东部海拔相对较高,地理环境不利于人口分布,植被覆盖一直处于较高趋势。值得注意的是,流域西部和北部植被覆盖总体处于上升趋势,“人退植进”特征明显。
图2 1990-2016年石阡河流域植被覆盖度空间分布特征

Fig. 2 Spatial distribution characteristics of the vegetation coverage in Shiqian River Watershed from 1990 to 2016

3.3 植被覆盖度时段变化特征

1990-2016年流域植被覆盖度变化总体呈显著上升趋势(图3)(变化:0~10%轻微上升;大于10%显著上升;-10%~0轻微下降;小于-10%显著下降)。1990-1996年西部植被覆盖度空间分布多为显著上升,偏东部显著下降和轻微下降明显。1996-2002年流域植被覆盖显著下降范围多,显著上升分布范围少。1996-2002年流域中部显著下降明显,仅东部和南部存在小范围上升区。2002-2011年流域植被覆盖度以显著上升区为主,显著下降区分布集中。2002-2011年流域植被覆盖度显著上升区集中在偏西部和西北部,显著下降与显著上升区域交错分布。2002-2011年南部和东北部处于轻微下降趋势。2011-2016年流域植被覆盖度显著上升区域主要分布在西部,轻微下降区分布在偏东部、南部高海拔山区。1990-2016年整阶段看,流域植被覆盖度总体处于显著上升,植被覆盖度显著下降区主要分布在石阡县城周边至北部河口处。从1990-2016年植被覆盖度变化特征来看,1990-1996年、1996-2002年、2011-2016年西部和北部植被覆盖度上升较快,特别是2011-2016年上升较快,这主要原因在于退耕还林还草在人口密集区最明显,该区域是退耕还林还草重要区。一般来说,当人口密集区耕地归还为林地和草地时,植被恢复明显。流域西部呈该特点也是此原因。流域植被覆盖度上升同时,部分区域存在下降。特别是中部河流干流附近和北部,主要在于城市建设和交通建设导致植被覆盖下降。
图3 1990-2016年石阡河流域植被覆盖度时段变化空间分布特征

Fig. 3 Spatial distribution characteristics of the vegetation cover change at different periods in Shiqian River Watershed during 1990-2016

1990-1996年流域植被覆盖度增加区占比60.95%,减少区占比仅39.05%(表3)。1990-1996年处于显著减少区占比13.88%,显著增加区占比32.98%,植被覆盖处于好转趋势。1996-2002年流域植被覆盖度下降区占比58.33%,上升区占比41.67%,期间处于植被退化阶段。1996-2002年显著减少区占比24.77%,显著增加区占比17.10%,显著减少远高于显著增加。2002-2011年流域植被恢复良好,植被处于上升阶段占比56.99%,下降区域占比不足45%。2002-2011年显著上升区占比最高32.77%,其他类型占比在20%~25%。2011-2016年植被覆盖度处于显著上升区占比继续扩大,占比达到60.91%。2011-2016年植被覆盖度处于显著下降区占比仅10.00%,处于研究期间较好水平。1990-2016年整阶段变化趋势,显著增加区占比58.40%,轻微增加区占比16.83%,累积增加75%以上。1990-2016年植被覆盖度显著下降区占比17.43%,轻度下降占比7.34%,累积减少不足25%。总体来看,1990-2016年4个阶段中,增加区占比50%以上3个阶段,植被恢复取得较好效果。
表3 1990-2016年不同时段石阡河流域植被覆盖度变化

Tab. 3 Changes in vegetation coverage in Shiqian River Watershed at different periods from 1990 to 2016 (%)

1990-1996年 1996-2002年 2002-2011年 2011-2016年 1990-2016年
显著减少区占比 13.88 24.77 20.03 10.00 17.43
轻微减少区占比 25.17 33.57 22.98 29.08 7.34
轻微增加区占比 27.97 24.57 24.22 27.29 16.83
显著增加区占比 32.98 17.10 32.77 33.63 58.40
减少区占比合计 39.05 58.33 43.01 39.09 24.77
增加区占比合计 60.95 41.67 56.99 60.91 75.23

4 植被覆盖度变化的地形效应

4.1 植被覆盖度变化的海拔效应

随着海拔上升,流域植被覆盖度呈上升趋势(图4)。1990年流域各海拔植被覆盖度明显低于2016年。流域海拔小于500 m,植被覆盖度在40%以下。海拔达650~800 m,植被覆盖度迅速提升到60%左右。海拔1100~1250 m,植被覆盖度逐渐提高至80%左右。海拔达1250 m以上时,植被覆盖度逐渐稳定在80%以上。无论是1990年还是2016年,当海拔到达1250 m以上,植被覆盖度累积曲线逐渐平稳,呈缓慢且稳定增加趋势。1990-2016年各海拔植被覆盖度变化趋势上,海拔小于500 m植被覆盖度增加8%左右,500~650 m植被覆盖度增加最高。1990-2016年海拔650~1250 m,植被覆盖度增加稳定12%左右。海拔大于1250 m,流域植被覆盖度增加处于持续下降趋势,海拔达1700 m时植被覆盖度增加已趋向0%左右。因此,流域退耕还林和退耕还草效果最明显应在1250 m以下。随海拔上升,流域植被覆盖度总体处于上升趋势,上升趋势逐渐放缓。这种变化特征主要由于流域海拔较低区主要位于中北部,中北部正处于石阡县城周边和河谷地带。河谷地带和县城周边城市建设和农业垦殖强度较大,一定程度破坏植被生长,植被覆盖度较低。高海拔区主要位于南部及东部,地区交通不便,人类活动较弱,植被覆盖相对较高。植被覆盖度上升最高区主要位于中低海拔区,主要受退耕还林影响。低海拔地区耕地较多,退耕还林还草效果明显高于高海拔地区。
图4 1990-2016年石阡河流域植被覆盖度变化的海拔效应

Fig. 4 Elevation effect on the vegetation coverage change in Shiqian River Watershed from 1990 to 2016

4.2 植被覆盖度变化的坡度效应

随坡度增加,流域植被覆盖度趋于上升,累积曲线趋于平稳(图5)。1990年流域植被覆盖度由小于5°的50%左右提升到大于45°的70%以上。2016年流域植被覆盖度由小于5°的55%左右上升到大于45°的85%左右。随坡度上升,流域植被覆盖度基本处于稳定上升趋势,当坡度达35°以上,植被覆盖度上升趋于稳定。1990-2016年流域植被覆盖度增加随坡度上升,呈现先上升后下降特征。坡度20°以下,流域植被覆盖度增加处于快速上升趋势。坡度达20~25°,植被覆盖度增加则处于缓慢下降趋势。1990-2016年当坡度达35°以上,流域植被覆盖度变化逐渐稳定在12%左右。随坡度增加,流域植被覆盖度处于上升趋势。一般认为,坡度越低越有利于耕地开垦和农业种植,特别是低坡度适宜人口活动。流域低坡度区是经济活动和人口活动较多区,不利于植被上升。随坡度上升,经济活动和人口活动逐渐处于下降趋势,间接促进植被覆盖度上升。石阡河流域植被覆盖度上升存在明显转折,大约在坡度25°附近。坡度25°后人类活动逐渐减弱,植被增加逐渐稳定。坡度越高,植被增长越慢,可能是自然因素导致。坡度较高地区,本身植被覆盖较高,人口较少,虽退耕还林还草实施,但改善效果明显低于低坡度区。
图5 1990-2016年石阡河流域植被覆盖度变化的坡度效应

Fig. 5 Slope effect on the vegetation coverage change in Shiqian River Watershed from 1990 to 2016

4.3 植被覆盖度变化的坡向效应

由于该地区为山地流域,其平地较少,故将平地也视为坡向进行研究,称为无坡向地区。不同坡向植被覆盖度变化趋势基本稳定,无坡向地区植被覆盖度最低(图6)。1990年流域无坡向地区植被覆盖度48.48%,2016年无坡向地区植被覆盖度53.88%,期间提升5.40%。1990年除无坡向地区外,各坡向植被覆盖度均在60%以上,最高北坡64.07%。2016年流域植被覆盖度最高东坡76.65%,其余坡向(除无坡向地区外)均70%以上。从变化特征来看,东坡和东南坡植被覆盖度上升最高,分别为14.40%、14.16%。1990-2016年其他坡向(除无坡向地区外)植被覆盖度也处于显著上升,均在10%以上。无坡向地区植被覆盖度低且上升较少,主要在于无坡向地区有利于人类生产活动开展,对植被影响大。坡向对植被覆盖具有一定影响,最明显是阴阳坡向变化。一般认为,阴坡阳光较少,不利于植被生长。阳坡阳光照充足,对植被生长有利。流域各坡向变化中,平地植被覆盖度最差,主要在于平地多为人类活动区,城市、居民点、交通建设往往都是选择地形平坦区,必然导致植被覆盖下降。虽流域阳坡植被覆盖度略高于阴坡,但总体差异较小,说明坡向虽对植被覆盖有影响,但不是决定性和关键性因素。
图6 1990-2016年石阡河流域植被覆盖度变化的坡向效应

Fig. 6 Aspect effect on the vegetation cover change in Shiqian River Watershed from 1990 to 2016

5 植被覆盖度变化的人口效应

5.1 石阡河流域人口分布特征

为更深入揭示流域植被覆盖变化的人口效应,首先分析流域人口分布基本特征(图7)。流域人口空间分布特征显示,人口密度大致呈东部和南部稀疏,西部和北部稠密。流域南部人口密度多在50 人/km2以下,中部人口密度相对较高,人口密度多在250人/km2以上,少部分区域人口密度350人/km2。人口统计特征来看,高度密度区是人口重要的承载基础。人口密度大于450人/km2国土占比1.55%,但人口数量占比仅14.94%(表4)。流域人口密度100~350人/km2总体均衡,从侧面反映区域人口分布集中程度低。流域人口稀疏区(小于50人/km2)面积较大,占比32.11%,但人口数量占比2.54%,主要在南部和东部。
图7 2010年石阡河流域人口空间分布特征

Fig. 7 Spatial distribution characteristics of the population in Shiqian River Watershed in 2010

表4 人口分布特征统计

Tab. 4 Statistics of the population distribution

人口密度
/(人/km2
平均人口密度
/(人/km2
国土面积
/km2
国土面积占比
/%
国土面积累计占比
/%
人口数量
/万人
人口数量占比
/%
人口数量累计占比
/%
<50 11.54 678.03 32.11 32.11 0.79 2.54 2.54
50~100 76.24 336.53 15.94 48.05 2.58 8.32 10.86
100~150 125.79 303.77 14.39 62.44 3.85 12.39 23.24
150~200 174.85 217.41 10.30 72.73 3.83 12.32 35.57
200~250 224.35 208.47 9.87 82.60 4.71 15.16 50.73
250~300 277.24 145.93 6.91 89.52 4.08 13.12 63.85
300~350 322.55 120.12 5.69 95.20 3.90 12.56 76.41
350~400 373.43 45.67 2.16 97.37 1.72 5.53 81.94
400~450 421.74 22.83 1.08 98.45 0.97 3.12 85.06
>450 1406.61 32.76 1.55 100.00 4.64 14.94 100.00
2111.51 100.00 200.00 31.07 100.00 200.00

5.2 植被覆盖度变化的人口效应

1990-2016年随人口密度上升,流域植被覆盖度呈下降趋势(图8)。相关分析显示,人口密度与植被覆盖度呈显著负相关,1990年和2016年相关系数分别为-0.969、-0.950(表5)。说明人口密度上升,植被覆盖度呈现下降趋势。1990年流域人口密度小于50人/km2区,植被覆盖度近80%。1990年人口密度大于400人/km2时,植被覆盖度已不足40%。2016年流域植被覆盖度在不同人口密度范围内均呈明显提升,仅人口密度大于450人/km2出现下降。从图8中可以看出,流域人口密度较低区正好处于植被覆盖度较高区,说明人口密度影响植被,特别是流域中北部影响明显。1990-2016年流域植被覆盖度变化上,大致随人口密度上升,植被覆盖度变化呈上升趋势。1990-2016年人口密度小于50人/km2时,植被覆盖度上升不足10%。1990-2016年人口密度达400人/km2,植被覆盖度上升已达20%。人口密度大于450人/km2,植被覆盖度下降趋势。出现以上变化特点可能是:① 人口密度较低的南部本身植被破坏不严重,植被生长受人类活动干预弱。与城市和人口密集活动的中北部相比,尽管退耕还林还草等工程实施,但植被覆盖度增加不明显,即一系列造林和育林工程对这部分区域影响有限;② 人口密度较高地区,多是人类活动和城市活动集中区,本身植被覆盖较低、建筑密度大。近年来实施城市绿化和造林工程主要集中该区域及周边,植被覆盖度增加明显;③ 人口较稠密地区,如城市和城镇等,人工建筑密度大,该区域实行绿化难度较大,效果不明显,可能会出现小幅度降低趋势。
图8 1990-2016年石阡河流域人口密度与植被覆盖度及变化关系

Fig. 8 Relationship between the population density and vegetation coverage and change in Shiqian River Watershed from 1990 to 2016

表5 1990-2016年石阡河流域人口密度与植被覆盖度相关系数

Tab. 5 Correlation coefficient between the population density and vegetation coverage from 1990 to 2016

人口密度 1990年
植被覆盖度
2016年
植被覆盖度
1990-2016年
植被覆盖度变化
人口密度 Pearson 相关性 1.000 -0.969** -0.950** -0.034
显著性 (双尾) - 0.000 0.000 0.925
1990年
植被覆盖度
Pearson 相关性 -0.969** 1.000 0.873** -0.182
显著性 (双尾) 0.000 - 0.001 0.615
2016年
植被覆盖度
Pearson 相关性 -0.950** 0.873** 1.000 0.321
显著性 (双尾) 0.000 0.001 - 0.366
1990-2016年
植被覆盖度变化
Pearson 相关性 -0.034 -0.182 0.321 1.000
显著性 (双尾) 0.925 0.615 0.366 -

注:**表示在置信度(双测)为0.01时,相关性显著。

6 结论与讨论

6.1 结论

本文利用1990-2016年贵州石阡河流域Landsat系列遥感影像,探究喀斯特山地流域植被覆盖度时空变化特征。结合遥感影像分析流域植被覆盖度变化的地形效应与人口效应,初步得出以下研究成果:
(1)1990-2016年贵州石阡河流域植被覆盖度总体处于上升趋势,植被恢复取得较好效果。1990-2016年贵州石阡河流域NDVI和植被覆盖度总体处于上升趋势,空间分布大致呈现从西向东递增特点,中北部植被覆盖度相对较低。1990-2016年贵州石阡河流域植被覆盖度总体处于上升趋势,上升区占比75.23%,下降区占比24.77%,表明区域植被恢复较好。
(2)1990-2016年贵州石阡河流域植被覆盖度变化的地形效应中,随海拔和坡度上升,植被覆盖度总体处于稳定上升趋势。随坡向变化中,无坡向地区植被覆盖度最低,其他坡向差异不明显。1990-2016年当海拔达到1250 m,贵州石阡河流域植被覆盖度累积曲线稳定放缓,海拔500~650 m植被覆盖度上升最多。1990-2016年随坡度上升,贵州石阡河流域植被覆盖度逐渐上升,坡度15~25 °植被覆盖度上升最多。
(3)1990-2016年贵州石阡河流域植被覆盖度变化的人口效应中,随人口密度上升,植被覆盖度总体处于下降趋势。1990-2016年随人口密度上升,虽然植被覆盖度总体处于下降趋势,但是植被覆盖度总体增加幅度(除人口密度大于450人/km2外)大致呈上升趋势。

6.2 讨论

文章利用Landsat系列遥感影像探究喀斯特地区植被覆盖度变化特征及其地形和人口效应,其变化特征均具有一定规律性。该植被变化与其他区域既有相似,又有差异。1990-2016年石阡河流域植被覆盖总体处于上升趋势,结果与丁文荣[19]的研究趋势一致。2001-2010年滇东南喀斯特植被上升区达到70.03%,下降区29.97%[19]。近年来,不仅是喀斯特地区植被处于恢复趋势,其他地区[39,40]植被也处于不同程度好转。流域2002年以后(特别是2011年后)植被恢复逐渐加快,表明喀斯特地区退耕还林等工程取得较好成果,区域生态环境逐渐好转。今后需进一步提高喀斯特地区植被覆盖,促进生态环境持续优化。刘梁美子等[21]研究发现,黔桂喀斯特山区随海拔上升,NDVI峰值位于400~600 m[21],这种结果与本文并不一致。该研究[21]中NDVI随坡度和坡向变化不明显,本研究坡向(除无坡向地区外)植被覆盖变化也并不明显,其结果具有相似性。但本研究中随坡度上升,植被覆盖度却呈上升趋势。由于刘梁美子等[21]探究植被变化基于NDVI,而本文基于像元二分模型后的植被覆盖度,是数据差异导致,还是确有不同需要进一步考虑。人口是影响植被的重要驱动因素之一[25,26,27],以往研究多是定性说明植被恢复受人类影响明显。本文定量研究中发现:人口密度上升,植被覆盖处于下降趋势,植被恢复却处于增加趋势。本研究中人口密度450人/km2以上(主要是人口稠密城镇区)植被恢复处于下降趋势,正如文献[19]所阐述的结果,城镇化(城市扩张)对城镇周边植被产生破坏。
1990-2016年流域植被覆盖度处于上升趋势,说明期间植被覆好转趋势。但期间植被覆盖度阶段变化不一致。1996-2002年流域植被覆盖度属明显下降阶段,主要与以下种因素有关:① 人类活动可能是植被覆盖度下降的重要原因。植被覆盖度变化与人类活动密切相关。县城附近植被覆盖度较低,周边植被下降明显都是人类活动影响的表现;② 生态保护与退耕还林等意识有待进一步提高。我国退耕还林和退耕还草工程在2000年左右开始,2002年退耕还林和退耕还草尚未大规模实施,植被恢复有限,甚至出现下降退化趋势。近几年生态保护重视程度逐渐加深,植被恢复较快也是此背景影响。期间,流域植被覆盖度提高,有利于石漠化治理,会促进生态环境改善。今后石阡河流域应该继续加强植被恢复,特别是偏中北部植被恢复。
本文研究了1990-2016年贵州石阡河流域植被覆盖变化特征,其结果基本可反映植被覆盖度总体变化趋势,说明植被逐渐转好。本文可以为退耕还林、退耕还草等工程实施提供科学参考,也可为石漠化治理提供科学依据。文章测度植被覆盖度变化中,主要依据阶段特征,年限多4~9年,虽可反映植被变化趋势,时间连续性缺乏,长时期变化规律认知不足。地形效应变化过程中,石阡河流域最高海拔不足2000 m,换到更高海拔这种地形效应规律是否产生不同特征值得进一步研究。因此,本文尚有以下问题值得进一步深入研究:① 采用连续变化遥感影像,探究石阡河流域植被覆盖度变化特征。② 当海拔达到1900 m甚至更高的喀斯特山地流域,植被覆盖度变化地形效应是否发生新规律。
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