山西省五台山地区近30年植被覆盖动态变化及影响因素
任天晨,陈军锋,刘 楠
(太原理工大学 水利科学与工程学院,太原 030024)
植被作为生态系统的核心组成部分,是土壤、水体和大气相互联结的重要枢纽,具有能量交换和物质循环的作用[1]。植被覆盖的改变会导致陆地表层属性的变化,进而影响气候调节和水土保持等,对生态系统的稳定性造成干扰[2]。植被覆盖度(Fractional Vegetation Coverage,FVC)是描述植被生长的重要指标,指植被冠层的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[3]。通过像元二分模型法对植被覆盖度进行提取,能有效改善归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)在反映高植被覆盖信息时容易饱和,低植被覆盖信息难以区分的问题。通过拉伸植被信息的值域,FVC作为植被时空变化的量化指标[4-5],可更为直观地反映植被生长情况和茂密程度。
植被覆盖度的变化主要受到自然因素和人类活动的影响。气候作为最为活跃、最重要的环境因子,决定了植被生长环境,影响着区域植被的覆盖情况,其中气温和降水因子是影响植被覆盖变化的主要因素[6-8]。此外,不同的地貌(海拔、坡向和坡度)通过影响光照、水分分布以及有机质含量等,使植被在各级地形梯度上的生长和演变出现差异性[9]。人类活动对于植被生态又存在着积极和消极的双面影响。城镇的快速发展伴随着的建筑房屋扩建、人口剧增等,导致植被群遭受破坏[10]；
而绿地建设与管理、天然林保护等生态环境保护工程又增加了区域植被覆盖度,提高了区域生态环境质量[11-12]。因此,阐明地形、气候以及人类活动对植被分布和恢复的影响,对于提高区域植被修复效率、加强生态治理水平具有重要作用。
五台山地区作为我国早期建立的自然保护区之一,位于暖温带向中温带、高原向山地、半湿润向半干旱地区过渡的特殊生态交错地带,区内植物资源丰富,是亚洲东部颇具生态学地位的山地植被景观区[13]。相比于平原生态系统,山地生态系统对气候的变化更为敏感,垂直高度和坡度陡缓也存在较大差异,会表现出更加明显的脆弱性和复杂性[14-16]。近年来,对于五台山植被研究,多集中在旅游开发对植被景观干扰[17]、台顶植被类型的分布特征[18]等,单一影响因子的小区域植被研究较为普遍,在对五台山植被生态系统的总体评价上缺乏准确性。有基于此,探究在多因素下大范围内的五台山地区植被覆盖的动态变化,对维持五台山山地生态系统的稳定性具有重要意义。本文基于Landsat逐年遥感数据、气象数据以及土地利用数据,探究1991—2020年五台山地区植被覆盖的时空异质性,深入分析地形、气候及人类活动对植被覆盖的影响,以期为促进五台山地区生态环境评价的准确性以及生态修复政策的有效实施提供科学依据。
五台山地区位于山西省东北部,属太行山系的北端,恒山山系以南,跨山西省忻州市五台县大部分地区、繁峙县和代县部分地区以及原平市小部分地区(38°27′～39°15′N,112°48′～113°55′E),海拔在638～3 061m,其中北台顶为最高峰,高3 061m,土地总面积为4 865km2(图1),五台山主要以季风气候为主,五个台顶附近为高寒气候。区内动植物资源丰富,品种繁多,植被以阔叶混交林、寒温性针叶林、亚高山灌丛、亚高山草甸和高山草甸为主,在北方山地极为少见,国内独有的金莲花(Nymphoidesaurantiacum)、迎红杜鹃(Rhododendronmmucronulatum)在此分布,动物有Ⅰ类保护动物褐马鸡(Crossoptilonmantchricum)以及40多种Ⅱ类保护动物等分布于此[19]。
图1 五台山位置及高程图
2.1 数据来源及处理
研究时间尺度取1991—2020年,影像数据来自美国地质调查局(https://earthexplorer.Usgs.gov/)的Landsat系列遥感数据(条带号:125；
行编号:33；
分辨率:30m),在可获取的影像数据中,挑选云量小于0.5%的7—9月遥感数据(1995年、1998年、1999年、2003年、2015年残缺)。DEM数据,来自NASA(数据来源:http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/),分辨率为30m。气象数据和土地利用数据采用中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn)提供的1980—2015年中国逐年年降水量,年平均气温空间数据集以及1990—2018年的土地利用数据(由于部分年份的数据不可获取,使得2016—2020年间的年降水量和年平均温度的栅格数据残缺,通过向前追加至1980年的信息分析其规律；
2020年的土地利用数据也存在残缺情况,研究中利用1990—2018年数据进行分析)。对数据进行预处理,利用ENVI 5.3对原始数据进行几何校正、辐射定标、大气校正以及按研究区矢量边界进行拼接剪裁。气象数据则需按研究区矢量边界进行掩膜处理,通过重采样得到与遥感影像数据像元大小一致、投影相同的年均气温和年降水量的数据栅格图像。
2.2 研究方法
2.2.1植被覆盖度提取
归一化植被指数(NDVI)用于检测植被生长情况,通常定义为近红外波段(Near Infrared)与红光波段(R)的反射率差值和二者之和的比值,其范围在-1～1之间[20]。植被覆盖度的提取,目前较为常用的方法就是建立植被覆盖度FVC与归一化植被指数NDVI的转换关系,利用像元二分模型法计算。
(1)
式中:NDVIveg为完全被植被覆盖部分,NDVIsoil为完全为裸地或者无植被覆盖的NDVI值。由于本文采用7—9月的遥感数据,此时间段植被较为茂盛,可近似取FVCmax=1,FVCmin=0,由此可得到公式:
(2)
结合研究区25期数据影像的灰度分布,取累计概率5%的NDVI作为区域最小NDVI值,取累计概率95%的NDVI为最大NDVI值进行分析[21-22]。
2.2.2小波分析
时间序列(Times Series)是地球科学研究中经常遇到的问题。在时间序列研究中,时域和频域是常用的两种基本形式。为针对非平稳时间序列中时域和频域的问题,Morlet提出了一种具有时频多分辨功能的小波分析(Wavelet Analysis)方法[23]。该方法能够清晰地揭示隐藏在时间序列中的波动周期以及不同时间尺度的变化趋势,定性评估系统未来发展趋势。
目前,对于小波分析的方法需要使用较为复杂的Matlab,Furfer等工具,在此不再做出详细讨论,详细过程参考王文圣等[23]的方法。由于部分年的Landsat数据无法获取,或受积云面积较大的影响,导致此类年的数据出现残缺,为更好体现研究区植被覆盖的周期波动,通过均值替代法,以邻近年份FVC均值补全残缺年。
2.2.3趋势分析及显著性检验
利用趋势分析法[24-25]对五台山地区30年来植被覆盖度趋势变化进行分析,计算公式如下:
(3)
式中:a为1991—2020年回归趋势斜率,正值表示植被覆盖度呈现上升趋势,反之为下降趋势；
n为回归方程年数；
i为年份；
FVCi为第i年的植被覆盖度值。
趋势显著性采用F检验法[26],计算公式为:
(4)
(5)
(6)
2.2.4地形效应
在评价地形对FVC影响效应时,将变异系数(CV)作为评估指标,本研究主要通过阳坡与阴坡的FVC差异幅度的平均差系数表达[27]：
(7)
式中:MD为阳坡与阴坡FVC均值差；
Mean为各坡向FVC均值,CV值越接近0,表示阴阳坡FVC差异越小；
CV为负值,表示阳坡的FVC小于阴坡,反之,表示阳坡的FVC大于阴坡。
2.2.5偏相关性分析
偏相关性分析能够排除多变量影响,单独分析两变量的相关性。本文以FVC值与年均温度和年降水量的相关系数,计算得到偏相关系数[28],公式如式(8)所示。
(8)
式中:Rxy.z为固定变量z后,变量x和y的偏相关系数；
Rxy,Rxz,Ryz分别为x与y,x与z,y与z的相关系数。
3.1 植被覆盖时间变化特征
图2(a)为五台山全区及不同县市区域的FVC值历年变化情况,分析表明:1991—2020年五台山全区FVC值在总体上呈现增加趋势,线性倾向性为0.40%/10a。历年的FVC值在0.493～0.684之间,最低出现在1993年,于2019年达到高峰,多年FVC均值为0.597。同时,各县市区域FVC值均表现为逐渐上升趋势,其中五台县区域多年FVC均值最高,为0.626,且有较好的FVC增速(0.52%/10a)；
代县(0.574)和繁峙县(0.569)区域多年FVC均值相差不大,繁峙县区域FVC增速与其他县市相比表现较差,仅为0.14%/10a；
原平市区域多年FVC均值最低(0.420),但FVC增速远超其他县,达0.90%/10a。
(a)FVC均值变化
根据时间因子和尺度因子建立小波方差图,由图2(b)可知,五台山全区历年FVC值的变化存在3个比较明显的峰值,分别对应9,12,21a的时间尺度。其中,21a时间尺度为第一高频波动周期,也是五台山全区植被变化的主要周期,此外第二主周期为12a时间尺度,第三主周期为9a时间尺度。在整个时间段中,主要由以上3个周期的波动对五台山全区FVC的变化趋势进行控制。
3.2 植被覆盖空间格局及变化特征
为消除极端年份的植被覆盖变异较大的影响,选择FVC逐像元均值来反映研究区植被覆盖的分布情况,并将FVC值分为5个等级:Ⅴ级(0～0.35),Ⅳ级(0.35～0.5),Ⅲ级(0.5～0.65),Ⅱ级(0.65～0.8),Ⅰ级(0.8～1)。具体情况如图3、表1所示。
表1 五台山地区植被覆盖度空间格局特征表
图3 五台山地区植被覆盖的空间分布
五台山地区植被覆盖的分布格局整体上呈现“西低东高”的空间分布。其中Ⅴ级主要位于研究区东部、北部边缘地带和五台县西南部,总比例为18.9%,稀疏耕地、建筑用地以及水域分布比例较高,此类地区的气温较高(7.3℃),降水较少(515mm),海拔和坡度较低；
Ⅳ级总比例最小,为16.2%,除林地比例较小外,其他地类均有一定分布；
Ⅲ级区域总比例为19.5%,地形和气候指标均较为适中；
Ⅱ级(21.2%)和Ⅰ级(24.3%)区域集中在五台县东部、代县和繁峙县以南地区,多为林地和草地,平均海拔分别为1 642.2m和1 758.7m,坡度为23.6°和25.7°。此外,该类地区的环境相对潮湿寒冷,气温较低,降水量较高。
用Matlab软件编程实现研究区影像的逐像元变化趋势及显著性检验,并根据实际情况将趋势斜率划分为:严重退化(a≤-0.015)；
轻微退化(-0.015基本不变(-0.003轻微改善(0.003明显改善(a>0.015)。由图4(a)可知,五台山地区植被覆盖整体以改善为主,改善区约占55.63%,远大于退化区(17.82%)。其中,明显改善区占比17.58%,集中在原平市和五台县西部；
轻微改善面积占比最大,为38.05%；
基本不变区占比26.55%,该类地区多为高大型密林,不易受外界因素干扰；
轻微退化区占比14.65%,主要集中于研究区东部；
严重退化区占比3.17%,主要位于五台山各县市中的人类建筑群及采矿地区。从趋势显著性来看(图4(b)),60.74%的研究区通过了显著水平为0.05的检验,其中明显改善的区域占显著区的82.42%,显著退化区为17.58%。
(a)变化趋势
3.3 地形效应
3.3.1海拔-坡向效应
将坡向分为阴坡(315°～45°)、半阴坡(45°～135°)、半阳坡(135°～225°)、阳坡(225°～315°)4个坡向。结合表2可知,在海拔≤2 400m区域,五台县各坡向的FVC值均高于其他县市对应坡向的FVC值,最高值位于海拔2 000～2 400m的阴坡,为0.863。繁峙县在不同海拔内各坡向上的FVC值均表现出阴坡>阳坡>半阴坡>半阳坡。与五台县、繁峙县不同的是,代县和原平市各坡向的FVC峰值出现在海拔1 600～2 000m内,各县FVC最低值则表现一致,均位于海拔<1 200m内。
表2 各县市在不同海拔和坡向上的植被覆盖度
由表3看出,五台县在海拔≤2 400m区域的CV值均呈现出较大负偏离现象,其中海拔≤1 200m内的坡向对FVC影响最大,CV值为-13.2%；
而在海拔>2 400m时,出现较大正偏离现象(6.1%),阳坡FVC值大于阴坡FVC值。繁峙县和代县的阴阳坡差异相对较小,繁峙县的CV最大值出现在海拔1 600～2 000m内,为-3.1%；
代县则存在两个峰值,分别位于海拔1 200～1 600m内(-3.4%)和海拔>2 400m内(-4.1%)。原平市在海拔1 200～1 600m内出现该市最大负偏离,CV值为-5.4%。
表3 各县市不同海拔植被覆盖度的CV
3.3.2坡度-坡向效应
结合表4可知,五台县阴坡、半阴坡以及半阳坡的FVC值均随坡度增加而增大,但阳坡的FVC值在坡度>35°时出现下降情况。繁峙县在坡度≤15°时,FVC值在不同坡向的差异不大,其坡度坡向效应并不明显；
当坡度>15°时,阴坡和阳坡的FVC值大于半阴坡和半阳坡。代县和原平市不同坡向的FVC值均随坡度的增加而增大,且各坡向的FVC值差异变大,其坡度坡向效应也逐渐明显。结合表5可知,五台县、代县和原平市随坡度的增加,CV值负偏离程度越大,最高值均位于坡度>35°内,分别为-15.6%,-3.2%和-6.0%。繁峙县在坡度≤15°时,阳坡FVC值略大于阴坡FVC值；
当坡度>15°时,开始出现负偏离现象,CV最大值为-4.6%。
表4 各县市在不同坡度和坡向上的植被覆盖度
表5 各县市不同坡度植被覆盖度的CV
3.4 气象因素
由图5可知,1980—2015年间,五台山地区年均温度和年降雨量都呈现逐渐上升趋势,增长率分别为3.9℃/10a和82mm/10a,其中,年降水量的波动较大(R2=0.009 7)。另外,从FVC值与年均温和年降水量的偏相关性空间上分析(图6),温度与FVC值关系以正相关为主,占总面积的73.30%。全区偏相关系数均值为0.14,其中,原平市的正相关系数均值最高,为0.28；
五台县和代县其次,分别为0.17和0.20；
繁峙县最低,仅为0.033(图6(a))。降水与FVC值的关系也已正相关为主,占总面积的61.46%,全区偏相关系数均值为0.05,繁峙县的正相关系数均值最高,为0.16,其次是原平市和代县,分别为0.05和 0.09,而五台县的偏相关系数均值表现为负相关,为-0.009(图6(b))。
图5 1980-2015年五台山地区年均气温、年降水量变化
(a)温度
3.5 人类活动
3.5.1土地利用特征
土地分类信息能很好地反映人类活动对植被覆盖的影响(表6)。1990—2018年间,整体上,五台山地区林地和建设用地的面积呈现增加趋势,草地、耕地和未利用地呈现减少趋势,水域基本不变。1990—2018年间,耕地面积净下降了82.0km2,减少率为11.8%；
林地面积净增加了208.4km2,增加率为16.4%；
草地净下降了224.9km2,减少率为8.0%；
建设用地面积净增加98.57km2,增加率达183%；
未利用地总面积占比最小,面积减少率为6.8%。
表6 五台山地区土地利用变化情况
综合上述结论分析,由于“三北”防护林建设和太行山绿化工程等国家级林地政策的实施,五台山地区林地资源恢复较好。建设用地虽然面积占比较小,但增加率较高,也须警惕经济建设活动对植被环境的干扰。
3.5.2矿区和景区植被变化状况
五台山地区矿产资源丰富,含有铁矿、金矿和铝矿等多个采矿区。通过对比五台山地区各处采矿地的植被覆盖趋势情况(图7)发现,在代县和繁峙县行政交界处的山羊坪—板峪、五台县南部的白家庄以及天和一带的采矿区,植被覆盖退化最为严重。研究发现,在五台山的采矿活动中,由于风力、水力等影响,粉尘、废水和矿渣重金属会在土壤中发生迁移和富集,对周边的土壤环境造成污染,而土壤遭受污染,势必会影响生态环境的健康和稳定,引起植被退化和水土流失[29]。
(a)采矿区实地高清图及其植被变化趋势和五台山核心旅游区植被变化趋势
对核心旅游区植被覆盖的变化趋势进行分析。五台山核心旅游区的植被覆盖退化区域达30.7%,其中旅游区西侧植被的衰退最严重,各台顶上和台顶内也存在不同程度衰退。西台顶和南台顶之间的西门为景区主要出入口,交通路线复杂,相关旅游产业聚集,景区内更是各种塔寺庙景点林立,部分景点游客探访次数频繁,为游客多景点流动的核心节点[30],人为活动表现强烈,使部分区域植被的正常生长难以为继。
五台山地区植被覆盖度整体均值为0.597,大面积林地和草地使得植被覆盖总体表现较好,但在不同地形区间的植被覆盖表现存在差异,在海拔1 200m以下,由于人类活动频繁等影响对地表植被的破坏较大,FVC值表现较差。海拔1 200～2 400m存有落叶阔叶林、寒温性针叶林等水源涵养林,该类区域的土质疏松,水、养分充足,人类活动减少,植被覆盖变得较高。而海拔2 400m以上,进入高海拔台顶区,树木逐渐变得矮小,出现零星的“树岛”现象[31],植被覆盖度又出现下降。从坡度方面来看,可明显看出高坡度地区的植被覆盖度普遍为高值,在植被生长中可能容易达到饱和[32],植被改善程度有限,因此选取中低坡度地区来开展植被修复工作更为合适。而在不同海拔、坡度的各坡向上,各县市CV值多呈现负偏离,表明研究区阴坡的植被覆盖表现更好,相比于阳坡,阴坡的太阳辐射低,有利于水分保持,环境更为潮湿,促进了植被的生长。
五台山地区作为滹沱河支流清水河、峪口河和滤泗河等诸多河流发源地,区内年均气温和年降水量呈现上升趋势,这可能使得河流径流量增加,对区内植被的生长也存在一定的促进作用,尤其是植被覆盖的显著改善区与温度的偏相关系数正值区两者重合度较高,表明五台山大部分地区的植被改善可能受温度上升的影响较大。
五台山地区草地资源较好,但面积出现下降趋势。草地资源的减少不排除部分转变为林地,但也存在人为活动引发的破坏。高燕珍等[33]对五台山各地类的生态足迹和承载力研究发现,草地的生态压力最高,农业生产、放牧等人为活动成为了主要的生态压力因子。因此,五台山地区在推动和实施林地修复政策的同时,也需通过合理放牧,控制农业生产规模等,对草地资源进行保护。同时,鉴于景区和矿区的植被现状,也需对其人类活动强度进行控制,强化各项植被恢复和水土保持工作,实现五台山山地植被生态的可持续发展。
1)研究区FVC值总体上呈现增加趋势,线性倾向性为0.40%/10a,多年FVC均值为0.597；
五台县多年FVC均值最高,原平市多年FVC均值最低,但FVC增速远超其他县；
五台山地区主要存在 9,12,21a共3个主要变化周期控制整个时域中FVC的变化特征。
2)研究区植被覆盖整体呈现“西低东高”的空间分布格局；
五台山地区植被覆盖整体以改善为主,改善区约占55.63%,远大于退化区(17.82%)；
其中面积占比60.74%的研究区通过了显著水平为0.05的检验。
3)五台县在海拔低于1 200m内的坡向对FVC影响最大,CV值为-13.2%；
繁峙县的FVC值表现出阴坡>阳坡>半阴坡>半阳坡；
代县各坡向的FVC在海拔1 600～2 000m达到最大值；
在海拔1 200～1 600m,原平市出现最大负偏离。五台县除阳坡外,其余各坡向FVC值均随坡度增加而增大；
代县和原平市CV值随坡度的增加,负偏离程度越大；
繁峙县在坡度小于15°时FVC值在不同坡度、坡向的差异较小,其坡度坡向效应并不明显；
当坡度大于15°时,开始出现负偏离现象。
4)1980—2015年间,五台山地区年均温度和年降雨量均呈现上升趋势,FVC值与温度(0.14)和降水(0.05)的偏相关性均以正相关为主。
5)近30年，五台山地区林地和建设用地的面积均出现增加,而耕地和草地的面积存在不同程度减少。全区的林地资源恢复较好,但人类活跃区仍然存在植被衰退问题。
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