2000~2019年山西省植被覆盖度时空变化特征及地形因素分析

Spatial and temporal variation characteristics of vegetation coverage and analysis of topographic factors in Shanxi Province from 2000 to 2019

摘要

目的 探究山西省植被覆盖度时空变化特征以及地形因子对植被覆盖度的影响，为该地区态环境建设和保护提供依据。 方法 利用年度NDVI数据、DEM影像，运用像元二分模型法、一元线性回归模型并结合空间叠加分析，研究了2000~2019年山西省植被覆盖度在时间和空间上的动态变化及其与地形因子的关系。 结果 山西省植被覆盖度在空间分布上表现出自西北向东南呈现出由低到高再到低的趋势，其中植被覆盖度分布面积较高的有阳泉市、长治市和晋城市等，且2000~2019年植被覆盖度改善的面积要大于退化的面积；2000~2019年山西省植被覆盖度整体呈现上升趋势，增长速率为每年0.196%，由低覆盖、中低覆盖和中覆盖向中高覆盖和高覆盖转变；从地形因素来看，植被覆盖度受坡向的影响较小，但受坡度和高程的影响较大，随着坡度和高程的增加，植被覆盖度呈上升趋势。 结论 2000~2019年植被覆盖度整体表现增加的趋势，植被改善较好。植被覆盖度变化在坡度、高程地形条件下差异显著，在坡向地形条件下差异不明显。

Abstract

Objective The study aimed to explore the temporal and spatial variation characteristics of vegetation coverage in Shanxi Province and the impact of topographic factors on vegetation coverage，providing，laying a basis for the construction and protection of ecological environment by using the favorable terrain in the region. Method Based on the annual NDVI data and DEM images，the temporal and spatial changes of vegetation coverage in Shanxi Province from 2000 to 2019 and its relationship with topographic factors were analyzed by using pixel binary model method，univariate linear regression and spatial superposition analysis. Result The spatial distribution of vegetation coverage in Shanxi Province showed a trend of low-high-low from northwest to Southeast.Of this region，Yangquan City，Changzhi City and Jincheng city had a larger area of vegetation coverage，where the improved area of vegetation coverage was greater than the degraded area from 2000 to 2019.From 2000 to 2019，the vegetation coverage in Shanxi Province showed an overall upward trend，with a growth rate of 0.196%/a，changing from the low coverage，medium-low coverage and medium coverage to the medium-high or high coverage.From the perspective of topographic factors，the vegetation coverage was less affected by slope aspect，but more affected by slope and elevation，and with the increases of slope and elevation，the vegetation coverage showed an upward trend. Conclusion From 2000 to 2019，the vegetation coverage showed an overall increasing trend，and the vegetation was improved greatly. The change of vegetation coverage was significant under different conditions of slope and elevation terrain，but not significant under different slope-direction and terrain conditions.

Graphical abstract

关键词

植被覆盖度 / 时空变化 / 地形因素 / 山西省

Key words

vegetation coverage / spatiotemporal variation / topographical factors / Shanxi Province

Author summay

赵昕，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

植被作为陆地生态系统的重要组成部分，对维持生态系统平衡发挥着重要的作用^［1］。植被覆盖度（fractional vegetation cover，FVC）不仅反映植被群落的生长状况^［2］，也是生态系统恢复效果的重要指标^［3］。FVC是对归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）进行改进而提出的^［4］，是指植被（包括叶、茎、枝）在地面垂直投影面积与研究区域总面积的百分比^［5］，反映了植被的茂盛程度。近百年来，由于人类的干扰，自然植被遭到了严重的破坏，因此对植被进行长期动态监测是目前诸多学者关注和研究的重点问题^［6-8］。动态检测山西省植被覆盖度的时空变化特征，可以为区域植被恢复和生态建设提供理论依据。

地貌可以通过影响太阳光的照射、水分的分布以及有机质的含量直接或者间接地影响植物的生长^［9］。目前，诸多学者对植被覆盖度与地貌元素中的典型地形因子（包括坡度、坡向、高程等）进行了研究，揭示了植被在空间上的生长、变化规律。Wang等^［10］研究发现青藏高原东南部三江源区NDVI值随着海拔高度的增加呈先增大后减小的趋势，但随着坡度和坡向的变化，其变化幅度较小。黄兰鹰等^［11］研究发现，岷江上游植被覆盖度随海拔、坡度的上升，均表现出先升高后降低的趋势。

山西省地处黄土高原东部，区域内地形起伏大，降水较集中，导致地面植被覆盖度较低^［12］。刘立文等^［13］研究发现，晋城市植被覆盖度在不同地形因子的影响下，高程和坡度相比于坡向对植被覆盖度的影响更为明显，即植被覆盖度随着高程和坡度的增加而增加。陈学兄等^［14］研究发现，太原市植被覆盖度在不同高程、坡度、坡度变率、地形位和地形起伏度上的空间分布差异明显。目前对山西省植被覆盖度的研究多集中在小区域，而采用遥感技术对整个山西省植被覆盖变化的研究较少。山西省从2000年启动退耕还林生态修复工程，2013年进入工程成果巩固阶段，2014年开始了新一轮的退耕还林，退耕还林使山西省的生态环境得到了明显改善^［15］。因此，研究山西省2000年以来植被覆盖度的变化对山西省生态环境恢复与保护具有重要意义。本研究以山西省为研究区域，从资源环境云平台下载了山西省2000~2019年NDVI数据，对山西省FVC进行了估算，研究其时空变化特征，并探讨了高程、坡向和坡度与植被覆盖度的关系，旨在从宏观方面了解山西省植被覆盖状况，对环境保护和生态建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山西省地处黄土高原，位于34°34′~40°44′ N，110°14′~114°33′ E，总面积为15.6万km²，属于典型的温带大陆性季风气候，冬季漫长，寒冷干燥，夏季南长北短，降水集中；春季气候多变，风沙较多；秋季短暂，天气温和。山西省各地年平均气温为10 ℃左右，各地年降水量介于358~621 mm之间，降水主要集中于夏季。山西省地表土质疏松，因此水土流失严重^［16］，目前种植的可有效保持水土流失的植物群落有狼牙刺群落、本氏木兰群落、北京锦鸡儿群落等^［17］。

1.2 数据来源

1.2.1 遥感数据

遥感数据下载于中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/）的中国年度植被指数（NDVI）空间分布数据集，该数据集是基于连续时间序列的SPOT/VEGETATION NDVI卫星遥感数据，采用最大合成法生成的年度NDVI时序数据，其空间分辨率为1 km^［18］。利用山西省省级行政区矢量边界裁剪得到2000~2019年山西省NDVI数据。

1.2.2 地形数据

DEM数据下载于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），所用产品为90 m空间分辨率的SRTM DEM数据。通过Arcgis 10.5软件对山西省DEM数据进行镶嵌、裁剪等处理，对其进行高程、坡向、坡度地形因子的提取，分别生成了高程图、坡向图、坡度图，并采用最近邻法进行重采样使DEM数据与年度NDVI数据的分辨率保持一致。

1.3 研究方法

1.3.1 基于NDVI的像元二分模型法

像元二分法模型假设像元只由植被覆盖的区域与无植被覆盖的区域构成^［19］，本研究在改进后的像元二分模型法基础上利用NDVI来计算山西省植被覆盖度。谢秋霞等^［20］对改进后的像元二分模型作出详细的解释，其计算公式为：

FVC=\frac{NDVI-NDV{I}_{soil}}{NDV{I}_{veg}-NDV{I}_{soil}}（1）

式中：FVC表示植被覆盖度，NDVI_soil 表示没有植被覆盖地区的植被指数或裸土；NDVI_veg 表示完全被植被覆盖地区的植被指数。本研究中，选取置信度为5%附近的累计百分比作为NDVI_soil 值，同样选取置信度为95%附近的累计百分比作为NDV{I}_{veg}值，根据以上估算模型在ENVI5.3中估算山西省2000~2019年植被覆盖度。参考王国帅等^［21］对植被覆盖度的划分，对山西植被覆盖度进行等间距划分，划分标准见表1。

1.3.2 一元线性回归

采用一元线性回归模型分析山西省2000~2019年的植被覆盖度变化，一元线性回归模型能够模拟每个像元的变化趋势，并满足在若干时间节点的长时间内模拟变化趋势需求^［22］。其计算公式为：

slope=\frac{n\times {\displaystyle \sum _{i-\mathrm{1}}^n}i\times NDV{I}_i-\left({\displaystyle \sum _{i-\mathrm{1}}^n}i\right)\left({\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}NDV{I}_i\right)}{n\times {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{i}^{\mathrm{2}}-{\left({\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}i\right)}^{\mathrm{2}}}（2）

式中：i为研究期间的第i年，n为研究时段，NDVI为第i年的NDVI值，slope为每个像元NDVI变化趋势斜率，用于反映变化趋势。当slope>0时，说明NDVI在这20 a间呈现缓慢增加的趋势；当slope=0时，说明NDVI在这20 a间没有变化；当slope<0时，说明NDVI在这20 a间呈现减少的趋势。

1.3.3 空间叠加分析

将2000年、2009年、2019年的植被覆盖度图层分别与高程、坡向、坡度图层两两叠加，应用Arcgis10.5中的空间分析功能，研究植被覆盖度与单一地形要素的关系，以此来研究地形因子对山西省植被覆盖度的影响。

2 结果与分析

2.1 山西省植被覆盖度时空变化特征

2.1.1 植被覆盖度随空间的变化特征

由山西省2000~2019年植被覆盖度空间分布图（图1）可知，该地区FVC整体上呈现由西北向东南先降低后升高再降低的趋势。其中，中覆盖、中高覆盖和高覆盖地区位于山西省东部、东南部以及吕梁市以东地区，主要包括阳泉市、长治市、晋城市，而低覆盖、中低覆盖地区位于山西省西北部、西部地区以及中部地区，包括大同市、朔州市、吕梁市以西地区、临汾市、忻州市、太原市等部分地区，主要是因为山西省东部、东南部、吕梁市以东地区属于高山区，受人类活动的影响较小，致使其植被覆盖度较高。在2000年，山西省西部地区以及西北部地区大面积区域均表现为低覆盖、中低覆盖，而在2019年，山西省西部地区以及西北部地区大面积区域均呈现出中覆盖、中高覆盖和高覆盖，低覆盖和中低覆盖大面积减少。全省23.64%的面积植被覆盖度无明显变化，植被覆盖退化所占的面积比例为22.52%，植被覆盖改善所占的面积比例为53.84%，说明研究区植被覆盖度总体上呈现缓慢增加的趋势。

2.1.2 植被覆盖度随时间变化的特征

图2是利用山西省矢量边界掩膜统计得到的FVC均值，并绘制了2000~2019年FVC均值的时间变化趋势。结果显示，2000~2019年山西省FVC呈现波动增长趋势，以每年0.196%的速率增加。近20 a来FVC均值在53.06%~59.61%之间波动，平均为55.96%，表明山西省平均FVC处于中等偏高的水平。其中，山西省FVC均值在2002年达到最小值，为53.06%，在2014年达到最大值，为59.61%，近20 a间呈现连续的“先减少后增加”的小幅度变化趋势。从不同时段来看，2000~2001年FVC呈现下降的趋势，下降了2.10%，而2001~2004年FVC呈现增加的趋势，增加了4.33%；2004~2010年呈现先减少后增加的小幅度变化趋势；2010~2014年FVC呈现增加的趋势，增加了4.91%；2014~2019年FVC呈现降低-升高-降低的趋势。由此可以看出，山西省植被覆盖度在整体增加的同时还呈现波动性。

由图3可知，2000~2019年山西省以中高覆盖与高覆盖等级交错为主，中低覆盖和中覆盖面积呈现波动增加趋势，低覆盖面积比例有不同程度的减少。低覆盖植被面积比例在12.04%~18.05%之间波动，在2001年其面积比例达到最大18.05%，2018年达到最小12.04%，总体而言低覆盖植被面积呈现波动降低的趋势；中低覆盖面积比例在12.04%~18.54%之间波动，在2008年其面积比例达到最大18.54%，2014年达到最小12.04%，其变化趋势大致可以分为3个阶段：2000~2008年呈现波动上升趋势，2008~2014年呈现波动下降趋势，2014~2019年呈现波动增加趋势。因此，整体而言，2000~2019年中低覆盖植被面积呈现上升趋势；中覆盖面积比例在18.33%~23.46%之间波动，中高覆盖面积比例在21.30%~26.79%之间波动；高覆盖面积比例在21.97%~29.09%之间波动，波动幅度较大，在2004年、2014年、2018年出现峰值，最大值出现在2004年，为29.09%。总体来看，山西省植被覆盖度呈现增加趋势，生态环境趋于改善。

2.2 地形因子与植被覆盖度的关系分析

利用Arcgis10.5软件将DEM数据裁剪后进行高程、坡向、坡度的分析，将高程、坡向、坡度重分类，参考已有研究^［23-24］并结合山西省地形实际情况，得到山西省高程、坡向、坡度的分级专题图（图4）。高程分级为0~500、500~1 000、1 000~1 500、1 500~2 000、>2 000 m；坡向分级为无坡向（-1）、阴坡（315°~45°）、半阴坡（45°~135°）、阳坡（135°~225°）、半阳坡（225°~315°）；坡度分级为0°~6°、6°~15°、15°~25°、25°~35°和>35°。将研究区高程、坡向、坡度的分级图分别与2000年、2009年和2019年地表植被覆盖度进行空间叠加分析，统计分析不同高程、不同坡向以及不同坡度对植被覆盖度的影响。

2.2.1 坡度与山西省植被覆盖的关系

将坡度和2000年、2009年以及2019年植被覆盖度进行空间叠加，绘制了植被覆盖面积随坡度变化的累加图（图5）。结果表明，随着坡度的升高，研究区植被覆盖面积总体上呈现先降低后升高的趋势。低覆盖植被面积随着坡度的增加而降低，而高覆盖植被面积随着坡度的增加而增加。这是因为工农业发展、城市建设等人类活动影响了植被的生长，在坡度小的地方影响大，植被覆盖度较低；在坡度较大的区域，受人类活动影响较小，因此植被覆盖度较高。

当坡度为0°~6°时，2000年和2009年主要的植被覆盖度等级是中覆盖和中高覆盖，其面积比分别为47.79%和50.22%，2019年主要的植被覆盖度等级为中低覆盖、中覆盖和中高覆盖，其面积比为69.75%。坡度为6°~15°时，2000年主要的植被覆盖度等级是中高覆盖和高覆盖，面积比为50.42%，而2009年和2019年主要的植被覆盖度是中覆盖、中高覆盖和高覆盖，其面积比分别为76.31%和74.97%。坡度为15°~25°、25°~35°和>35°时，2000年、2009年和2019年主要以高覆盖植被面积为主，其面积比均达到了50%以上。

因此，坡度因素对山西省植被覆盖度的分布影响较大，坡度较高的地方主要以高覆盖植被为主，而坡度较低的地方主要是以中低覆盖、中覆盖、中高覆盖为主，且2000~2019年植被覆盖度总体来说呈现上升的趋势，这与上文中植被覆盖变化分析得到的结果一致。

2.2.2 坡向与山西省植被覆盖度的关系

将坡向数据分别与2000年、2009年以及2019年植被覆盖度进行空间叠加，不同植被覆盖度面积在不同坡向类型上的面积比如图6所示。结果表明，平坡类型中，植被覆盖区面积主要以低覆盖为主，2000年、2009年和2019年低覆盖植被占比分别为28.38%、33.89%和42.83%，可能是由于平坡类型区城市化水平较高，所以植被覆盖度较低；不同等级植被覆盖度在其他4种坡向类型中没有太大差别，说明植被覆盖度受坡向的影响较小。

2.2.3 高程与山西省植被覆盖度的关系

通过GIS软件将高程与2000年、2009年和2019年植被覆盖度进行空间叠加分析，得到的结果如图7所示。植被覆盖度随高程增加总体呈现上升趋势。在高程为0~500 m时，2000年、2009年植被覆盖度分布面积比最大的是中覆盖，其次是中高覆盖，两者所占面积比之和超过了50%，而2019年植被覆盖度主要以低覆盖和中覆盖为主，两者所占面积比为51%。

在高程为500~1 000 m时，2000年植被覆盖度分布面积比最大的是中高覆盖，其次为低覆盖和高覆盖，三者所占面积比之和为70.05%，2009年植被覆盖度主要以中覆盖和中高覆盖为主，两者所占面积比为50.76%，2019年植被覆盖度主要以低覆盖、中低覆盖和中覆盖为主，所占面积比之和超过了70%。在高程为1 000~1 500 m时，2000年、2009年和2019年植被覆盖度分布面积比最大的是中覆盖、中高覆盖和高覆盖，三者所占面积比均超过了60%以上。在高程为1 500~2 000 m和>2 000 m时，植被覆盖度面积比最大的是高植被覆盖区，在2000年、2009年和2019年所占面积比分别为90%、77%、77%。

因此，2019年与2000年、2009年相比，高程为0~1 000 m和>2 000 m时，中高覆盖和高覆盖植被面积比呈现下降趋势；高程为1 000~2 000 m时，中高覆盖和高覆盖植被面积比呈现上升趋势。

3 讨论

从空间看，2000~2019年山西省植被覆盖度整体呈现增加趋势，在空间分布上又表现为沿西北向东南方向先下降后上升又下降的趋势，这与张文强等^［26］和张彦彬等^［27］的结果基本一致。山西省西北地区的植被覆盖度较东南地区的低，这可能与当地的煤矿开采有关^［28］，而山西省西南部的植被覆盖度以2013年较高，西南部的运城市十年九旱，但在2013年发生了暴雨，2013年植被覆盖度较高可能与当年的洪涝有关^［29］。从时间分布上看，2001~2004年FVC呈现上升的趋势，主要是因为当时我国开始大力推行退耕还林工程，山西省于2001年正式全面响应，而2004~2014年FVC呈现波动增加的趋势，主要是因为2009~2013年政府进一步提出了要巩固退耕还林成果，并在2014年又开始了第二轮全国退耕还林工程，这在一定程度上加快了山西省FVC的增长^［30］。在坡度方面看，植被覆盖度随坡度升高而增加，这与陈学兄等^［14］在太原市的研究结果一致，这可能是因为坡度较高的地方，人类活动较少，植被受人类活动的影响较小。坡向对植被覆盖度的影响主要体现在对平坡的影响，从2000~2019年，平坡的植被覆盖度面积退化严重，其他类型区域无太大差别，这与李磊等^［31］对黔中水利枢纽工程区的植被覆盖度与地形因子的关系结果一致，其中的原因有待进一步的探讨。

高程影响植被的生长和分布，因而不同高程上的植被覆盖度存在差异^［32］。植被覆盖度随高程增加总体呈现上升趋势，这与银朵朵等^［33］对温带大陆性半干旱季风气候区植被覆盖度的研究结果基本一致。2019年与2000年、2009年相比，当高程>2 000 m时，中高覆盖和高覆盖植被面积比呈现缓慢下降的趋势，这可能是因为2000年以来，人口密度的增加使植被遭到了破坏，导致植被覆盖度下降^［34］，具体原因有待深入研究。

因此，植被覆盖度在很大程度上受到地形因素的影响，在未来对山西省进行生态保护时，要充分考虑地形因素。本次对山西省植被覆盖度的研究存在着一定的局限性，在分析植被覆盖度与地形之间的关系时，只进行了2000年、2009年以及2019年的研究，未进行逐年研究。在对植被覆盖度的影响因子进行分析时，因山西省相对较大，对数据的获取和处理方面存在一定的限制，只分析了地形因子，今后应深入研究气候因子和人类活动对植被覆盖度的影响。

4 结论

1） 从空间上来看，2000~2019年山西省FVC呈现出由西北-东南方向先降低后升高再降低的趋势，其中，植被覆盖度排名前3位的地级市有阳泉市、长治市和晋城市；植被覆盖度较低的有大同市、朔州市和吕梁市。近20 a FVC退化所占的面积比为22.52%，改善的面积比为53.84%，改善的植被覆盖度面积远大于退化的面积。山西省东部、东南部及吕梁市以东地区以中覆盖、中高覆盖和高覆盖植被为主，而山西西北部、西部以及中部部分地区以低覆盖和中低覆盖植被为主，从2000~2019年，中覆盖、中高覆盖和高覆盖表现出不同程度的增加。

2） 从时间上来看，2000~2019年山西省FVC呈现波动增长的趋势，在53.06%~59.61%之间波动，且以中高覆盖与高覆盖植被交错为主，中低覆盖和中覆盖表现波动增加趋势，低覆盖植被有不同程度的减少，表明山西省生态环境在向一个好的方向发展。

3） 通过对植被覆盖度与高程、坡向和坡度进行空间叠加分析，植被覆盖度面积随着坡度的升高呈现出先降低后升高的趋势，2000年和2009年在坡度为25°~35°时，植被覆盖度面积达到最大值，而2019年在坡度>35°时达到最大值；坡向对植被覆盖度的影响较小，影响较大的是在平坡区中，低覆盖植被面积逐年增加，在2019年达到了42.83%；植被覆盖度面积随高程增加总体呈现上升趋势。

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基金资助

呼图壁县西沟煤矿天然林保护生态影响专题报告编制(3010010270)