湿热岩溶山区植被覆盖度与地形因子的相关性研究r——以广西红水河流域为例

湿热岩溶山区植被覆盖度与地形因子的相关性研究r——以广
西红水河流域为例
李史干;周慧杰;朱杰;吴燕婷;周强;刘云东;姜宁
【摘要】Based on the data of MODIS Aqua 16d NDVI from 2005 to 2015 and combined with GIS and RS technology, this study monitored the dynamic change of vegetation coverage in Hongshui River Basin's damp hot karst mountainous areas of Guangxi, and obtained the data on the elevation, slope, relief amplitude and other terrain factors of the basin based on the GDEMDEM 30 M resolution digital elevation data, to analyze the relationship between vegetation coverage and terrain factors so as to provide scientific basis for the re-vegetation and ecological construction of the areas. The results showed that the vegetation coverage was up to its maximum in the elevation range from 500-750 m; the vegetation coverage increased and changed sharply in the case of the slop > 6°,while the trend was slower after 2010; and the ratio of each grade vegetation coverage changed gently at the relief amplitude < 0.25, and the high vegetation coverage became significant at the relief amplitude > 0.25.%以广西红水河流域为例,综合运用GIS和RS技术,采集2005、2010和2015年的MODIS Aqua 16 d NDVI合成数据,监测湿热岩溶山区植被覆盖度动态变化.利用GDEMDEM 30 M分辨率数字高程数据,获得广西红水河流域高程、坡度以及地形起伏度等地形因子数据,综合分析植被覆盖度与地形因子的相关性,以期为湿热岩溶山区植被恢复和生态建设提供依据.结果表明:高植被覆盖度在高程为500～750 m的区域达到最大值;当坡度大于6°,高植被覆盖度快速增加,变化趋势显著,而在2010年后趋势变缓
慢;当地形起伏度小于0.25时,各等级植被覆盖度占比差异不大,但当地形起伏度大于0.25,高植被覆盖度成为主体,其他各级植被覆盖度所占面积比例逐渐减小.
【期刊名称】《湖南农业科学》
【年(卷),期】2018(000)001
【总页数】5页(P55-59)
【关键词】植被覆盖度;地形因子;相关性;广西红水河流域
【作者】李史干;周慧杰;朱杰;吴燕婷;周强;刘云东;姜宁
【作者单位】北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西师范学院地理与规划学院,广西南宁 530001;北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西师范学院地理与规划学院,广西南宁 530001;北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西师范学院地理与规划学院,广西南宁530001;北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西师范学院地理与规划学院,广西南宁 530001;北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西师范学院地理与规划学院,广西南宁 530001;北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西师范学院地理与规划学院,广西南宁 530001;北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,广西地表过程与智能模拟重点实验室,广西师范学院地理与规划学院,广西南宁 530001
【正文语种】中文
【中图分类】S17
植被覆盖度是指单位面积内植被地上部分在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比，是衡量地表植被与区域生态环境状况的重要指标[1-2]。

归一化植被指数（NDVI）是反映植被覆盖程度的植被指数之一，其数值的大小可以直接反映地表植被的覆盖情况。

基于MODIS NDVI数据，通过计算植被覆盖度进行区域植被变化监测的技术已经较为成熟[3-5]。

例如：成方妍等[6]通过MODIS NDVI数据，
分析了广西沿海植被的动态变化并探究其变化的主要驱动因素；吴昌广等[7]采用
像元二分模型估算了三峡库区植被覆盖度，并在像元尺度上分析了库区植被覆盖度的时空变化规律及其驱动力。

湿热岩溶山区是我国经济社会发展、资源禀赋与生态环境均比较独特的地域单元，自然资源丰富，但经济发展水平低，生态环境极为脆弱，人地关系矛盾突出。

广西红水河流域是典型的湿热岩溶山区，以该流域为例，基于MODIS NDVI数据，对湿热岩溶山区开展了植被覆盖度时空动态分析，并探究了植被覆盖时空变化与地形因子的相关性，以期为该区域植被生长状况和生态环境保护提供重要的数据支持。

1 材料与方法
1.1 研究区概况
广西红水河流域位于该省中北部，东经106°14′～110°20′和北纬22°52′～25°27′之间，包括乐业、凌云、天峨、南丹、凤山、巴马、东兰、金城江、大化、都安、马山、忻城、柳江、上林、合山、宾阳、兴宾、象州、武宣、桂平等20个县（市、区），面积51 124.06 km2，地处我国南亚热带向中亚热带过度的中间地带，主
体属于中亚热带季风湿润、半湿润气候区，水热条件丰富，年均温度在16.9～21.0℃之间，年降水量在1 244～1 582 mm之间，地貌类型以岩溶山地为主。

2015年广西红水河流域总人口1 039.91万，占广西总人口的18.78%；地区生产总值达1 773.01亿元，占广西地区的10.74%；人均生产总值为17 049.62元，
农民年人均纯收入8 003.5元，属于欠发达地区。

1.2 数据来源及其预处理
研究采用16 d合成的MODIA NDVI 产品数据，时间序列为2005～2015年，数据格式为EOS-HDF, 空间分辨率为250 m，通过MRT（MODIS Reprojection Tool）软件进行格式和投影转换，再通过研究区边界图掩膜裁剪出广西红水河流
域NDVI数据。

地形因子提取的源数据采用GDEMDEM 30M分辨率数字高程数据，通过异常值处理后的DEM数据提取地形因子。

1.3 植被覆盖度估算与分级
研究采用李苗苗等[8]改进的像元二分线性模型来估算植被覆盖度，其公式为：
式中：FVC是植被覆盖度；NDVI为影像中任意像元的归一化植被指数；NDVIsoil代表裸土的植被指数；NDVIveg为纯植被覆盖下的归一化植被指数。

首先通过公式（2），即近红外波段（NIR）与红波段（R）数值之差和这两个波段数值之和的比值，计算出归一化植被指数NDVI，然后根据两期影像的NDVI值序列，采用0.5%置信度截取NDVI的上下阈值，在置信区间内取最大值和最小值分别近似代替NDVIveg 和 NDVsoil。

式中：NDVI是归一化植被指数，NIR为近红外波段的反射率；R为红光波段的反射率。

1.4 地形因子的提取
利用ARCGIS10.3软件对DEM数据进行异常值处理，再提取出广西红水河流域的高程、坡度、地形起伏度等地形因子。

其中，结合广西红水河流域地形的实际情况，考虑湿热岩溶山区的自然规律和经济活动，将高程分为5级[9]；考虑研究区地形
及其对植被的影响，参考前人研究[10-11]，以6°作为缓坡和斜坡接线的方法，将
坡度划分为5级；该研究在前人研究[12-15]的基础上，通过计算地形起伏度，将地形起伏度划分为5级。

地形分级情况如表1，广西红水河流域高程、坡度、地形起伏度的分级情况如图1所示。

表1 地形因子分级及各等级所占面积百分比等级占比（%）1 ＜250 35.14 ＜2 3.35 ＜0.25 30.62 2 250～500 25.77 2～6 14.88 0.25～0.5 24.24 3 500～750 19.39 6～15 26.41 0.5～1.0 37.26 4 750～1 000 14.62 15～25 24.98 1.0～1.5 7.59 5 ＞1 000 5.08 ＞25 30.39 ＞1.5 0.30高程坡度地形起伏度等级标准（m）占比（%）等级标准（°）占比（%）等级标准（m）
2 结果与分析
2.1 植被覆盖度的空间分布特征
通过式（1）、式（2）分别计算出2005、2010、2015年3个时期的植被覆盖度信息，同时为了更直观地反映研究区植被分布及其变化情况，根据研究区实际情况，以覆盖度10%、30%、45%、60%为界限，将研究区植被覆盖度分成5个植被覆盖度等级区，其中0～10%定义为裸地区，10%～30%为低覆盖区、30%～45%
为中低覆盖区，45%～60%为中覆盖区，60%～100%为高覆盖区，得到广西红水河流域3个时期的植被覆盖度等级分布（图2），并统计各个时期各级植被覆盖度所占的面积百分比（图3）。

由图2和图3可以看出，广西红水河流域主要以高植被覆盖度为主，2005、2015和2015年广西红水河流域高植被覆盖度分别占整个流域的59.88%、45.40%、56.56%，高植被覆盖度区主要分布在广西红水河流域西北部，低植被覆盖度区主
要分布在东南部。

这一分布特征，主要是由于广西红河水流域西北部的高程较高、坡度较大、地形起伏大，多为岩溶山区，人类活动范围有限，活动强度小，因此西北部植被覆盖度相对而言较高；而东南部地形起伏度较小、高程较低、坡度较小，多为平地，人类活动范围增大，活动强度大，对植被覆盖度影响较大。

图1 广西红水河流域高程、坡度、地形起伏度各等级的分布
图2 广西红水河流域2005、2010和2015年植被覆盖度各等级分布
图3 广西红水河流域2005、2010和2015年植被覆盖度各等级所占比例
2010年高植被覆盖度区面积较2005年减少14.48个百分点，其他各级植被覆盖度区面积均有所增加，裸地面积增加最少，为0.82个百分点；中低覆盖区面积增
加最多，为5.14个百分点。

与2005年相比，2010年高植被覆盖度区面积的减小，可能是由于这5 a来，广西红水河流域西北部的经济发展，人类活动增强，从而导致了西北部植被覆盖度降低。

2002年，我国全面启动退耕还林工程，而广西红水河流域西北部本来就是岩溶山区，耕地面积较少，退耕还林政策对其影响较小，而东南地区离广西首府南宁以及广东省较近，同时该地区地势平坦，地形起伏较小，城市发展较快，随着人们对城市绿化的要求不断提高，促使东南地区植被覆盖度有所增加。

2012年我国提出生态文明建设，要求树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，走可持续发展道路。

随着政策的推行，广西红水河流域2015年植被覆盖度较2010年植被覆盖度有所增加，高植被覆盖度地区增加了11.16个百分点。

因此，2005、2010和2015年3个时间段，广西红水河流域植被覆盖度的变化总体特征为先降低后增加，东南地区植被覆盖度增加幅度较西北地区更为明显。

2.2 植被覆盖度对地形的响应规律
2.2.1 植被度盖度随高程的变化规律为了更好地研究植被覆盖度与高程的关系，通过ARCGIS软件平台，将高程分为5级，同时与植被覆盖度各等级相叠加，统计
后可得到了每一个高程等级对应每一个植被覆盖度等级所占面积的百分比，结果如图4所示。

2005年植被覆盖度随高程的升高，大致呈现递增的趋势，但趋势变化随高程的增加逐渐平稳，小于750 m时增加幅度较大，大于750 m后增加幅度较小；2010年植被覆盖度随高程的的升高，大致呈先升高再降低最后略微升高的趋
势，在500～750 m达到最大值；2015年植被覆盖度随高程的升高，大致呈先升高再降低的趋势，在500～750 m达到最大值，随后逐渐减小。

由此可见，广西
红水河流域植被覆盖度在高程为500～750 m这一等级时最高。

究其原因，虽然
在海拔较低的区域，地势较为平缓，水热条件优越，但是由于广西红水河流域属湿热岩溶山区，耕地少，人类活动将大部分灌丛和林地转化为耕地或建设用地，从而使植被覆盖度降低。

而随着海拔的逐渐增加，人类活动干扰降低，植被覆盖度会逐渐增加到一个峰值，而后，随着海拔的进一步升高，地势变陡，水热条件相对较差，因此植被覆盖度又会逐渐降低。

2.2.2 植被覆盖度随坡度变化规律研究将坡度分为5个等级，将6°作为缓坡和斜
坡的分界线，通过ARCGIS软件对其各等级植被覆盖度情况进行统计，结果如图5所示。

在坡度小于2°时，各等级植被覆盖度差异不大，植被覆盖等级以裸地、低
植被覆盖度为主，随着时间的变化，裸地和低植被覆盖度所占面积比例增加；当坡度在2°～6°时，各等级植被覆盖度同样差异不大，随着时间的变化，各等级植被
覆盖度同样变化不大；当坡度大于6°，各级坡度范围内植被覆盖度以高植被覆盖
度为主，随着坡度的增加，高植被覆盖度所占面积增加，坡度范围达到15°～25°时，变化最为剧烈。

分析其原因，由于广西红水河流域属于湿热岩溶山区，平地较少，大部分坡度平缓区域受人类活动影响致使大面积林、灌地被开垦为耕地，因此当坡度小于6°时，各级坡度数据显示其以裸地和低植被覆盖度为主，但随着时间
的推移，退耕还林和封山育林政策的逐渐落实，植被覆盖度均有所提高；当坡度大于6°之后，人类活动对其影响逐渐降低，随着坡度的增加植被覆盖度越来越高，
回归正常趋势。

2.2.3 植被覆盖度随地形起伏度变化规律地形起伏度是描述某一区域地貌地形变化的指标之一，其数值的大小在一定程度上可以反映该地区的地貌形态。

将研究区地形起伏度分为5级，统计各等级植被覆盖度变化情况，结果如图6所示。

整体而
言，在各等级中高植被覆盖度所占面积始终占较大比例，地形起伏超过0.25后，高植被覆盖度成为主体，其他各级植被覆盖度所占面积比例逐渐减小。

2005～2015年，随着时间的变化，高植被覆盖度所占面积有所下降，但高植被覆盖度仍然是主体，其面积远远大于其他植被覆盖度等级所占面积。

分析其原因，广西红水河流域以岩溶地貌为主，峰丛峰林丰富，平地较少，从而导致高植被覆盖度在各级地形起伏度所占面积较大，并随着地形起伏度的增加，植被覆盖度也逐渐增加，而在地形起伏度较小地区，地势平坦，大多为人类活动强烈区域，因此植被覆盖度较低，高植被覆盖度所占面积比例虽然不小，但裸地和低植被覆盖度区域之和的面积远远大于高植被度盖度区域。

3 结论
图4 广西红水河流域2005、2010和2015年各级高程范围内植被覆盖度的变化图5 广西红水河流域2005、2010和2015年各级坡度范围内植被覆盖度的变化图6 广西红水河流域2005、2010和2015年各级地形起伏度范围内植被覆盖度的变化
在广西红水河流域中，高程、坡度、地形起伏度和植被覆盖度之间，并不是单一的正比关系，各级植被覆盖度与地形因子的变化也并非是单一的变化趋势，期间往往都会有一个临界点。

如高程与植被覆盖度的关系，高植被覆盖度在海拔500～750 m的区间达到最大值；坡度与植被覆盖度关系中，当坡度大于6°，高植被覆盖度快速增加，变化趋势显著，而后变缓慢；而在地形起伏度与植被覆盖度关系中，临界值为0.25，当地形起伏度小于0.25时，各等级植被覆盖度占比差异不大，但当地形起伏度大于0.25，高植被覆盖度成为主体，其他各级植被覆盖度所占面积比例逐渐减小。

不同植被覆盖度下各地形因子的作用程度各不相同。

同时，研究区各地形因子对植被覆盖度的影响并不是独立的，各地形因子之间还存在着相互联系和相互制约，它
们对植被覆盖度的影响是一个复杂的综合过程。

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