陈学林， 文仕知， 杨丽丽， 何功秀， 周 沁， 夏 焱

(中南林业科技大学 林学院， 湖南 长沙 410004)

湖南长株潭(长沙市—株州市—湘潭市)城市群生态绿心区[1]，是该地区极为重要的生态屏障。本文以长株潭绿心区为研究区域，通过对比国内外植被盖度估算方法，最终采用归一化植被指数模型(NDVI)[2]和USLE通用土壤侵蚀方程为主要方法和模型。前人研究证明，NDVI和USLE土壤侵蚀模数具有模型简单，可操作性强，结果可靠，应用性强的特点[3]，结合2018年“湖南省长株潭生态绿心区水土流失动态监测”项目遥感数据，定量分析长株潭绿心区水土流失情况，以期进一步促进绿心区生态环境保护工作的开展。

1 研究区概况

长株潭城市群绿心区地处湖南省中部偏东北地区，是长株潭城市群交汇处的核心地带，位于株洲盆地、湘潭—湘乡盆地、长沙盆地3个盆地之间的边缘高地上，地貌以丘陵为主。大部分地区海拔高度在100～300 m之间(不含湘江)，其中海拔高度120～260 m之间的丘陵接近一半。土壤以红壤为主，保水能力差。整个区域位于25°～30°中低纬地区，属于亚热带季风性气候，年气候变化较大，地区降水分布不均，夏冬季旱涝及降水变化明显。全年平均气温16 ℃，年均降水1 400 mm左右。区域特点明显，森林覆盖率高，植被类型丰富，水文资源充足，长江的重要支流湘江经过绿心区西部、南部。长株潭绿心区总面积达52 287 hm2，其中，长沙30 569.10 hm2，占58.46%；株洲8 235.91 hm2，占15.75%；湘潭13 481.99 hm2，占25.78%[4]。

2 研究方法

2.1 数据来源

本文的数据源自“湖南省长株潭生态绿心区水土流失动态监测”项目，包括：分辨率为6 m的SPOT 7多光谱遥感数据，建立植被覆盖度估算模型；最新1∶10 000地形图，无人机影像，绿心区多年平均年降雨量数据，土地类型(耕地、非耕地等)分布图，中科院资源环境科学数据中心获取的土壤质地空间分布数据等。

2.2 研究方法

植被指数[5]是对地表植被状况进行简单、有效的度量，能够广泛用来定性和定量评价[6]植被覆盖度及其生长活力。全文采用数据处理及分析方法包括：

(1) 归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)，广泛应用于遥感图像的植被研究，包括植被状态、植被空间分布密度，在前人的研究中，普遍认为它是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子[7]。NDVI是指近红外波段(NIR)与红光波段(R)的反射值之差和这两个波段数值之和的比值，红色和近红外波段的差值是对植物量的一种精确衡量，因为植物叶绿素光合作用吸收红光，植物量越多，长势越好，吸收的红光就越多，反射的红外光也越多，所以NDVI对植被有极强的响应能力[8]。计算公式为：

(1)

式中：NDVI为归一化植被指数； NIR为近红外波段；R为红外波段；其值变化范围在[-1,+1]区间内，植被覆盖度越高，其值越趋近于1；如无植被覆盖，则趋近于0。同时，因为NDVI值是波段比值之间的反映，会受到外在因素条件的影响，如气候、遮挡物、影响辐射反馈的干扰情况等。

(2) 植被指数反演长株潭绿心区植被覆盖度。在确定植被指数的基础上，建立盖度反演模型[9]计算研究区域覆盖度。NDVI可以表达为3种不同类型的回归方程，包括线性回归方程、一元二次回归方程、一元三次回归方程。通过对不同模型之间相互拟合，增加模型与指数之间的相关性，减少误差，并利用相应绿心区实地植被覆盖度样点数据分析验证，实现最优模型。

(3) 野外调查和建立遥感解译标识。野外调查和建立野外遥感标识[10]，是水土保持监测与研究的重要方法，可以强化现场实地情况与卫星遥感数据关联，现场验证植被盖度反演和土壤侵蚀结果。主要技术手段包括拍照、无人机航拍、人工实地测算检验等。经技术手段采集，内业处理照片1 000余张，共实现77个有效数据点，土地类型和覆盖类型包括耕地、林地、园地、草地、建设用地等。

(4) 利用USLE模型进行长株潭绿心区土壤侵蚀量计算，实现水土流失定量评价。 USLE(universal soil loss equation)是指美国通用土壤流失方程[11]，是国际通用的水土流失评价方法，主要通过多因子计算，综合研究区域的各地形、地类、植被、土壤、水文信息，测定土壤流失量，并结合国家《土壤侵蚀分类分级标准》[12]，确定土壤侵蚀程度分级分类治理。

通用土壤流失方程，表达为：

A=R·K·S·L·C·P

(2)

式中：A为土壤年侵蚀量(t/hm2)；R为降雨侵蚀力因子〔MJ·mm/(hm2·h)〕；K为土壤可蚀性因子〔(t·h)/(MJ·mm)〕；S为坡度因子，无纲量；L为坡长因子，无纲量；C为植被覆盖管理因子，无纲量；P为水土保持措施因子，无纲量。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度回归模型

利用77个植被覆盖样地数据，选取其中52个样点真实数据，通过SPSS 22.0代入相关性分析，通过计算，归一化指数(NDVI)建立3种不同的回归拟合曲线，进行模型的有效性验证和精度验证。即以选取的归一化植被指数为自变量(X)，植被覆盖度为因变量(Y)，进行回归模型拟合，基于NDVI的3种回归曲线方程见表1。

表1 基于NDVI不同形式回归曲线方程

模型验证，检验指标选择较多，本文选取常见的确定系数(R2)、平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和预估精度(P)4个精度评价指标[13]，并利用其他25个未参与模型构建的数据代入曲线方程，将所得植被覆盖度在评价指标中一一反映。其中，确定系数(R2)表示因变量(X)与自变量(Y)之间的拟合程度，如拟合程度越好，R2值越接近1；拟合程度越差，R2越接近0；均方根误差(RMSE)代表着真实值与预测值之间的偏差，反映预测值的精密度，如值越小，则精密度越高；平均绝对误差(MAE)能更好反映预测值误差的实际情况，其值越小，误差越小；预估精度(P)是反映拟合真实值与预测值程度指标，如值越大，拟合程度越好[14]。

结果如表2所示，在确定系数(R2)中，一元三次回归曲线(Y3)为0.832，大于一元二次曲线(Y2)的0.827，大于回归曲线(Y1)的0.795，且最为接近1，说明其拟合程度为三者最佳；在平均绝对误差(MAE)中，一元三次回归曲线(Y3)为0.089 2，小于一元二次曲线(Y2)的0.092 0，小于回归曲线(Y1)的0.096 8，其值最小，说明其存在的误差最小；在均方根误差(RMSE)中，一元三次回归曲线(Y3)为0.116 3，小于一元二次曲线(Y2)，小于回归曲线，其值最小，说明其精度为三者中最高；同理，预估精度(P)中一元三次回归曲线(Y3)88.92%是3个曲线中最大值，拟合程度最佳。

表2 NDVI不同种类回归曲线结果

同时，再进行从一元一次回归曲线到一元三次回归曲线的逐次拟合验证，所得的结果为：

(1) 一次回归：

y=0.956x-0.015，R2=0.779，F=175.920

(2) 二次回归：

y=0.570x2+0.383x+0.040，R2=0.792，F=93.5

(3) 三次回归：

y=0.465x3+0.801x2-0.322x+0.032，R2=0.794，F=61.488

从初始次到一元三次回归曲线之间的变化，确定系数R2表明的拟合程度，仍然较一元二次和初始次更接近1。因此，一元三次回归曲线(Y3)为本研究最优模型(Y=植被覆盖度，X=NDVI)。

植被盖度是影响水土流失的重要因素，利用模型对长株潭绿心区植被盖度反演，从而进一步实现对区域土壤侵蚀与水土流失的具体研究分析。

3.2 绿心区植被盖度分布特征

根据水利部2008年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)，将不同土壤侵蚀等级对应研究区长株潭绿心不同等级植被覆盖度，将绿心区实际覆盖情况进行相应分类。 标准共分为5个等级：覆盖度范围在0～30%为第1级(裸地、低覆盖)，30%～45%为第2级(中低覆盖)，45%～60%为第3级(中覆盖)，60%～75%为第4级(中高覆盖)，75%～100%为第5级(高覆盖)[15]。

3.2.1 植被覆盖度空间分布特征 根据模型计算，覆盖度的空间分布情况如图1所示。越趋近于1则覆盖程度越高，越趋近或等于0则无植被覆盖，如湘江水系默认为0。由图1可以明显看出，湘江沿岸地区即洞井镇与暮云镇南部、昭山乡西部，荷塘乡西北部植被盖度明显较其他地区偏低；白马垄、昭山乡南部、柏加镇及云田乡北部植被覆盖度较区域内其他地区偏高。呈现此空间分布，主要是因为湘江沿岸及附近地区依水而居，人口聚集度较大，适宜开展生产生活及城市建设开发，受人为因素干扰，植被破坏程度较高，而绿心区中部以林地林业为主，植被天然保护程度较好。

图1 植被覆盖度空间分布

3.2.2 不同覆盖等级面积分布特征 将研究区域植被覆盖度等级按面积进行计算，主要分布特征如图2所示。第Ⅴ级(高覆盖度)区域面积在长株潭绿心区总面积中比重最大，占50.87%，为26 598.40 hm2，第Ⅱ级(中低覆盖度)区域面积最小，占区域总面积的8.61%，为4 501.91 hm2。各覆盖面积等级占比顺序为，第Ⅴ级(高覆盖度)占50.87%，第Ⅰ级(低覆盖度)次之，为18.83%，第Ⅳ级(中高覆盖度)，12.54%，第Ⅲ级(中覆盖度)较低，为9.15%，第Ⅱ级(中低覆盖度)面积最少，为8.61%。

图2 不同植被覆盖等级面积比例分布特征

从植被覆盖面积上分析，第一，长株潭绿心区整体植被覆盖度较高，高覆盖度地区面积占总面积一半以上，比重优势明显；二是结合空间特征，除小部分地区外，整体受人为因素扰动程度较低；三是研究区整体地形平坦，高植被覆盖度和地理优势有利于减轻土壤侵蚀强度，便于水土保持措施的开展，良好的植被是实现绿心区保护的重要前提[16]。

消费者的购买能力取决于收入水平及商品价格，同时，购买能力又决定了消费者将选择什么样的商品。因此，当收入增长速度大于酒类产品的价格增长速度时，消费者购买能力增加，就越有可能购买高价格的酒；相反，当酒的价格增速超过消费者收入增速时，消费者的酒类产品购买能力下降，将更倾向于购买价格优惠的酒类。

3.3 绿心区土壤侵蚀因子估算

3.3.1 降雨侵蚀力因子R降雨是水力侵蚀的重要原因，而绿心区处亚热带季风气候，雨季集中，降雨充沛，加强了侵蚀发生。以全国降雨监测站点数据，制成站点图层，加权平均后裁剪研究区域降雨矢量图，依照水利部水土流失监测要求，使用统一土壤侵蚀R因子计算公式，计算研究区R因子空间分布，其范围在6 181.64～6 725.33 〔MJ·mm/(hm2·h)〕之间。降雨R因子区域内分布，呈现绿心区由西南向东北逐渐增加，西低东高，降雨侵蚀力越大，侵蚀强度越大。

3.3.2 土壤可蚀性因子K不同土壤质地和土壤有机质对土壤侵蚀程度产生影响，土壤可蚀性主要体现在对土壤的破坏和搬运。以土壤质地和有机质全国普查数据，包括砂土，粉砂土和黏土，用栅格计算得出，土壤质地越细或越粗，则K值越小，质地越适中，则K值越大。区域内存在明显差异，范围值在[0，0.039](t·h)/(MJ·mm)，总体分布呈西部低，中部高，绿心区西部有湘江水系，值为趋近于0，中部地势相对高，可侵蚀值增大。

3.3.3 坡长坡度因子LS坡长坡度因子LS以DEM高程图为基础计算，同时也是两者叠加作用，是先计算两者后的乘积，范围值在[0.018，18.21]，总体呈现中部高，四周低，与DEM高程数据相吻合。坡度越大，冲刷力越强，坡长越长，增加坡面径流，从而影响土壤侵蚀的发生。

3.3.4 植被覆盖管理因子C本文基于SPOT7多光谱遥感数据，在前文已验证NDVI归一化植被指数和最优一元三次回归方程基础上，计算植被覆盖度，再将植被覆盖度在ArcGIS上转为栅格，求植被覆盖管理因子，因为C值与植被覆盖度存在明显数学关系，参考蔡崇法等[17]建立的植被覆盖度和C值的公式计算，其值在[0,1]，分辨率为6 m，代表了植被和管理因素对区域的综合作用。

3.3.5 水土保持措施因子P水土保持措施因子P是水土保持措施之下，土壤流失量与对应顺坡耕作条件下的流失量之比，是水土保持措施对土壤流失发生的影响。其值在0～1之间，此因子主要是依据前期土地利用类型斑块进行赋值，支撑项目中水利部对不同地类赋值有明确标准，一般措施程度越强，值越高，可为1，赋值后转换栅格数据计算。

3.4 绿心区土壤侵蚀特征

3.4.1 土壤侵蚀强度空间分布特征 依据 《区域水土流失动态监测技术规定》和水利部《土壤侵蚀分级分类标准》(SL190-2007)，运用遥感和USLE土壤侵蚀模型进行图层栅格乘积计算，得出长株潭绿心区土壤侵蚀量即侵蚀模数[18]。根据不同侵蚀量，确定侵蚀等级，一共6级，包括微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈。本研究区域主要为水力侵蚀地区，标准微度即500 t/(km2·a)以内，属于可允许侵蚀范围内，默认为未发生侵蚀[19]，得到绿心区水土流失总面积及各侵蚀强度面积情况。

长株潭绿心区土壤侵蚀面积为3 654.24 hm2，占绿心区总面积的6.99%。其中，长沙市土壤侵蚀面积2 038.62 hm2，占长沙市总面积的6.67%，占绿心区土壤侵蚀面积的55.79%；株洲市土壤侵蚀面积467.98 hm2，占株洲市总面积的5.68%，占绿心区土壤侵蚀面积的12.81%；湘潭市土壤侵蚀面积1 147.64 hm2，占湘潭市总面积的8.51%，占绿心区土壤侵蚀面积的31.41%。

3.4.2 长株潭各地区土壤侵蚀特征 如表3所示，研究区中度侵蚀面积与所占比重均为最大，为1 279.12 hm2，强烈侵蚀面积次之，为1 037.23 hm2，随后极强烈侵蚀为619.39 hm2，轻度侵蚀为382.42 hm2，剧烈侵蚀面积最小，为336.08 hm2。以中度侵蚀和强烈侵蚀为主，最为严重的极强烈侵蚀和剧烈侵蚀整体面积较小，两者之和比例尚未超过总侵蚀面积30%，说明整体侵蚀强度不大，在可控范围内，同时类似于采矿用地和裸土地等地类，极强烈及以上极端侵蚀状况较少，这与进行土地利用数据(矢量)处理时的情况保持一致，现场土地利用验证亦可证明。

表3 长株潭绿心区土壤侵蚀强度分级面积

同时，对长株潭3市比较分析，湘潭市在前文表明侵蚀比重为三市中最大，长沙市与湘潭市均以中度侵蚀为主，占31.97%和42.26%，是湘潭市土壤侵蚀的主要方面；株洲市虽然整体土壤侵蚀情况较好，但必须注意，极强烈侵蚀为严重侵蚀，所占株洲地区侵蚀总面积的21.94%，大于长沙的19.94%和湘潭的9.61%，须进行水土流失重点预防和治理，防患于未然。

3.4.3 空间分区管制下土壤侵蚀特征 根据《湖南省长株潭绿心区总体规划》(2010-2030)将湖南省长株潭绿心区划分为禁止开发、限制开发和控制建设3个区，其面积分别为 26 368.88,19 955.76,5 962.36 hm2。空间范围内主要分为非耕地、坡耕地和工程建设用地[20]。

(1) 禁止开发区。如表4所示，在禁止开发区，长沙市面积为12 987.78 hm2大于湘潭市7 628.92 hm2和株洲5 752.18 hm2，但却发生了占51.18%的总侵蚀面积，侵蚀占比更高，更加显著；3个城市中，长沙非耕地和工程建设用地发生侵蚀比例最大，分别为49.75%和53.52%，湘潭市在坡耕地发生的侵蚀比重最大，为43.19%；长沙市与湘潭市在工程建设用地土壤侵蚀面积更广，为515 hm2和330.60 hm2分别大于两市的非耕地和坡耕地。说明在禁止开发区，侵蚀主要源头在工程建设用地，即便暂未开发，但无保护裸露状态下，也必然侵蚀加重，应加强控制，减少侵蚀发生。

表4 长株潭绿心区禁止开发区土壤侵蚀地类面积及比例

(2) 限制开发区。如表5所示，长沙市限制开发区情况较为突出，总侵蚀面积大，为405.18 hm2，占比51.86%；在非耕地和坡耕地中，侵蚀程度也明显高于株洲和湘潭，分别为72.64%和55.45%；值得注意的是，株洲与湘潭工程建设用地发生侵蚀面积均大于非耕地和坡耕地，为40.6和171.8 hm2，且湘潭工程建设用地所占比例更高，为55.28%，尤其需要加强湘潭市在特定区域的土壤侵蚀治理。

表5 长株潭绿心区限制开发区土壤侵蚀地类面积及比例

(3) 控制建设区。如表6所示，控制建设区整体侵蚀情况与禁止开发区相近，长沙市有58.30%的控制建设区面积，侵蚀发生面积达67.01%，且长沙、湘潭两市均为3种地类侵蚀比重最高的地区，长沙市占非耕地侵蚀比例79.29%，工程建设用地64.68%，湘潭占坡耕地侵蚀48.76%。

表6 长株潭绿心区控制建设区土壤侵蚀地类面积及比例

3种空间区域，长沙和湘潭均侵蚀状况较差，长沙市主要集中在非耕地和工程建设用地发生侵蚀，湘潭市主要集中于坡耕地；同时3种空间范围内，工程建设用地是侵蚀发生共同地类，面积与比例远远高于非耕地和坡耕地。因此，针对不同市域，湘潭市应重点关注坡耕地治理，对坡耕地现场勘查，长沙市应侧重非耕地侵蚀情况。

4 结论与讨论

植被覆盖度、植被覆盖面积是研究区域水土流失的重要部分。本文通过建立与验证植被覆盖度回归模型，确定一元三次回归曲线(Y3)为最优模型(Y=植被覆盖度，X=NDVI)，反演植被覆盖度，计算不同等级植被覆盖面积。长株潭绿心区总面积为52 287 hm2，整体植被状况较好，高覆盖度(75%～100%)面积占绿心区总面积占50.87%，为26 598.40 hm2，中低覆盖度(30%～40%)面积最小，占区域总面积的8.61%，为4 501.91 hm2，高盖度等级面积占比超其他四个等级面积的总和，良好的原生植被能有效削弱侵蚀强度，保持水土；空间上植被覆盖呈现为绿心区西部低，中部、东部高，其西部有湘江水系(默认为0)经过，且人口密度较大，植被受生产生活等人为因素破坏，中东部以林业生产为主，植被较好。

长株潭绿心区总侵蚀面积为3 654.24 hm2，占区域总面积6.99%，湘潭市土壤侵蚀面积占地区总面积8.51%，长沙次之，为6.67%，株洲侵蚀总比例最小，为5.68%。土壤侵蚀结合植被状况，绿心区整体侵蚀状况在可控范围内，地区分布特征显著，侵蚀强度以中度侵蚀和强度侵蚀为主，占绿心区总面积2.45%和1.98%，剧烈侵蚀面积最小为0.64%。长沙市与湘潭市均以中度侵蚀为主，分别占各自地区侵蚀面积31.97%和42.26%。株洲市虽整体侵蚀程度较低，但极强烈侵蚀发生比重为3个城市中最高，21.94%大于长沙市19.94%和湘潭市9.61%。株洲市应加强预防特定程度侵蚀发生，如采石采矿。工程建设用地在不同地市范围和不同空间类型，均为侵蚀面积最大，究其根源，一方面是土地开发建设，造成的必然破坏与水土流失，另一方面，结合实地验证，地类荒弃、停工、无保护措施反而加重侵蚀发生。作为植被破坏和水土流失主要发生地，更应加强施工区域采取治理措施，对绿心区生产建设行为，加大监督执法力度，实现地区生态常青。