陜北地區(qū)退耕還林十年植被恢復(fù)變化分析:以子長縣為例

楊亞娟，劉政鴻

(1.黃河上中游管理局，陜西 西安710021;2.陜西省水土保持局，陜西 西安710004)

黃土高原是中國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，黃土高原的生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境治理是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。1999年起實(shí)施的退耕還林工程成為恢復(fù)植被、改善生態(tài)環(huán)境的重要手段［1］。曹世雄［2］研究表明，陜北地區(qū)1999年到2005年植被覆蓋率呈逐步上升趨勢。

子長縣作為全國退耕還林示范縣，自1999年實(shí)施退耕還林以來植被恢復(fù)狀況明顯好轉(zhuǎn)，林地面積、植被覆蓋度均有明顯提高，獲得了較為明顯的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。本研究利用遙感影像，分析退耕還林實(shí)施以來全縣植被的覆蓋度變化、主要植被變化以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化，旨在為陜北地區(qū)退耕還林成果鞏固及進(jìn)一步提出有針對(duì)性的生態(tài)環(huán)境治理措施提供參考。

1 研究區(qū)概況

子長縣位于陜西省延安市北部，地處黃土高原腹地，清澗河上游，北依橫山，東接子洲、清澗，南連延川、延安市區(qū)，西鄰安塞、靖邊，地理位置為東經(jīng)109°11'58″—110°01'22″、北緯 36°59'30″—37°30'00″，地勢由西北向東南傾斜，海拔930—1562 m，全年平均氣溫9.1℃，年均降水量514 mm。全縣東西長72 km，南北寬55.70 km，面積2405 km2，下轄 13 個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，人口27萬(2010年)。子長縣1999年開始實(shí)施退耕還林，2000年被列為全國退耕還林示范縣。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用了成像時(shí)間分別為2000年6月29日和2010年8月28日的兩景Landsat－7 ETM+遙感影像(127/34)，子長縣行政區(qū)劃圖，1∶30萬的地形圖，2000年和2008年子長縣土地利用現(xiàn)狀圖。

2.2 數(shù)據(jù)處理

借助ArcGIS和ERDAS軟件平臺(tái)對(duì)遙感影像進(jìn)行校正、影像增強(qiáng)、影像融合處理、影像裁剪，并對(duì)遙感影像進(jìn)行反射率轉(zhuǎn)換。植被指數(shù)的計(jì)算需要使用遙感影像的反射率，從影像上直接讀取灰度值進(jìn)行計(jì)算是不嚴(yán)密和不精確的［3］，因此在進(jìn)行計(jì)算前需利用ERDAS的反射率變換模塊對(duì)所進(jìn)行的兩個(gè)波段進(jìn)行反射率變換。

2.3 植被覆蓋度的計(jì)算

植被覆蓋度是地表植被覆蓋情況的直接反映。植被覆蓋度及其變化信息對(duì)于分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［4－5］，其計(jì)算公式為

式中:fv為植被覆蓋度;NDVI為歸一化植被指數(shù);NDVIs為無植被覆蓋像元的NDVI值;NDVIg為植被覆蓋像元的NDVI值。

為便于計(jì)算和顯示，對(duì)公式(1)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性拉伸，即 fv×255。

2.4 植被類型變化提取

借助ERDAS軟件對(duì)2000年和2010年子長縣遙感影像進(jìn)行分類，分類過程參照子長縣2000年和2008年的土地利用現(xiàn)狀圖，從中提取主要植被變化情況。

2.5 區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)計(jì)算

退耕還林工程首要追求的是生態(tài)環(huán)境效益［6－7］，因此引入?yún)^(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)這一指標(biāo)，以定量測度子長縣2000—2010年全縣生態(tài)環(huán)境整體變化情況。區(qū)域生態(tài)環(huán)境指數(shù)是綜合考慮區(qū)域內(nèi)各土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及面積比例，以定量表征某一區(qū)域(縣級(jí)行政單位)生態(tài)環(huán)境的總體質(zhì)量狀況的指標(biāo)［8］，其表達(dá)式為

式中:EVt為該區(qū)域內(nèi)t時(shí)期生態(tài)環(huán)境指數(shù);LUi為該區(qū)域內(nèi)t時(shí)期第i種土地利用類型所具有的面積;Ci為該區(qū)域內(nèi)t時(shí)期第i種土地利用類型的生態(tài)環(huán)境指數(shù);TA為研究區(qū)域總面積;n為區(qū)域內(nèi)所有土地利用類型的數(shù)量。

在對(duì)公式(2)計(jì)算之前，首先要對(duì)各土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境指數(shù)進(jìn)行賦值，也就是得到Ci值。本研究參照李曉文等人［9］的研究方法，基于專家評(píng)分和層次分析對(duì)各個(gè)土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行模糊賦值，結(jié)果見表1。

表1 土地利用類型及生態(tài)環(huán)境指數(shù)賦值

3 結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度變化分析

參考土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)中對(duì)植被蓋度分級(jí)的方法，并結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，將植被蓋度進(jìn)行密度分割:像元灰度值在191～250間為優(yōu)等蓋度，156～190為良等蓋度，139～155為中等蓋度，129～138為差等蓋度，128以下為劣等蓋度。根據(jù)上述分級(jí)方法進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

表2 子長縣2000年和2010年植被蓋度對(duì)比

從表2可看出，2000—2010年間子長縣境內(nèi)植被蓋度發(fā)生了明顯變化:2000年子長縣全境39.78%為劣等蓋度，41.52%為差等蓋度，劣等和差等蓋度面積超過總面積的80%，中等蓋度只占16.24%;到2010年，劣等和差等蓋度面積占總面積的比例不到11%，中等蓋度較2000年增加了近1倍，蓋度面積變化最大的為良等蓋度，由2000年的2.30%增加到51.30%。整體來看，10年間子長縣植被蓋度由劣等和差等向中等和良等轉(zhuǎn)變。

變化量只能整體衡量變化情況。無法說明各個(gè)變量之間的變化情況，為了定量描述各蓋度級(jí)別的轉(zhuǎn)移狀況，運(yùn)用ArcGIS的空間分析模塊對(duì)兩期蓋度圖進(jìn)行運(yùn)算，得到2000—2010年各個(gè)植被蓋度等級(jí)的面積轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果見表3。由表3可知:劣等蓋度輸出明顯，轉(zhuǎn)出915.64 km2，占總面積的38.07%，主要轉(zhuǎn)出為中等和良等;差等蓋度轉(zhuǎn)出 916.08 km2，占總面積的38.09%，同樣主要轉(zhuǎn)出為中等和良等。這說明在2000—2010年間子長縣全境植被覆蓋有明顯的好轉(zhuǎn)，植被覆蓋狀況由之前的劣等和差等轉(zhuǎn)為中等和良等蓋度，表明退耕還林的實(shí)施對(duì)子長縣植被恢復(fù)起到了顯著效果。

表3 2000—2010年各植被蓋度等級(jí)面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 植被類型變化分析

通過對(duì)遙感影像分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到子長縣2000年和2010年各個(gè)土地利用類型的面積及其占總面積比例、變化值，見表4。從表4看出:2000—2010年間子長縣各土地利用類型變化最大的為林地，其面積大幅度增長，由 252.50 km2增加到 823.11 km2，增加570.61 km2;草地面積減少幅度最大，由占總面積的69.40%減少到48.28%，這是因?yàn)?000年的草地面積統(tǒng)計(jì)中，多數(shù)為低等蓋度的草地，隨著退耕還林的實(shí)施，低等蓋度的草地被改造，大部分轉(zhuǎn)向林地和高蓋度的草地，所以總草地面積有所下降;耕地面積變化較小。

3.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析

通過公式(2)計(jì)算得到子長縣2000年和2010年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分別為0.4484和0.5012，10年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)上升了0.0528，說明退耕還林的實(shí)施對(duì)于子長縣生態(tài)環(huán)境的整體質(zhì)量起到了改善作用，退耕還林的生態(tài)效益基本達(dá)到。

表4 子長縣2000—2010年主要植被面積變化

4 結(jié)論

通過分析子長縣植被恢復(fù)情況，得到以下結(jié)論:

(1)2000年到2010年子長縣植被恢復(fù)效果顯著。2000年植被蓋度中的劣等和差等蓋度面積占全縣總面積的81.31%，到2010年植被蓋度中的劣等和差等蓋度面積占總面積的10.88%，劣等和差等蓋度面積大幅度減少。

(2)植被類型變化差異較大，林地面積比例從10.50%上升到34.22%，草地面積比例從69.40%減少到48.28%，耕地面積比例從16.35%減少到13.74%。

(3)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)10年間上升了0.0528，退耕還林對(duì)子長縣生態(tài)環(huán)境的整體改善效果顯著。

本研究主要使用兩景ETM+遙感數(shù)據(jù)分析了子長縣2000—2010年的植被恢復(fù)狀況，由于所用遙感數(shù)據(jù)分辨率的限制，因此本研究只解譯了一級(jí)土地利用類型變化。在今后的研究中，若采用更高分辨率的遙感影像，將可以更加準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)植被恢復(fù)動(dòng)態(tài)，對(duì)進(jìn)一步深入分析植被恢復(fù)狀況有很大幫助。

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