1981
—2012年黃土高原植被覆蓋度時(shí)空變化特征

高健健，穆興民,2，孫文義,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

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1981
—2012年黃土高原植被覆蓋度時(shí)空變化特征

高健健1，穆興民1,2，孫文義1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

[摘要]植被覆蓋度是反映植被覆蓋狀況最直接的指標(biāo)?；?981—2012年的MODIS影像，采用像元二分模型反演黃土高原植被覆蓋度，分析了黃土高原各省區(qū)、典型流域及土壤侵蝕類型區(qū)生長(zhǎng)季(5—10月)的植被覆蓋度時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：1981—2012年期間，黃土高原生長(zhǎng)季植被覆蓋度由31%增加到50%，呈顯著上升趨勢(shì)，但各區(qū)域增長(zhǎng)幅度不同。2001年之前，黃土高原植被覆蓋度平均為36%，年際間以小幅波動(dòng)為主；之后，該區(qū)生長(zhǎng)季年平均植被覆蓋度為41%，年際間呈顯著增加趨勢(shì)。按省區(qū)，河南省植被覆蓋度增幅最大，陜西省次之，內(nèi)蒙古、寧夏增幅不明顯且覆蓋度在20%左右波動(dòng)。按典型流域，延河流域增幅最大，窟野河流域增幅最小。按土壤侵蝕類型，水力侵蝕區(qū)植被覆蓋度增長(zhǎng)較快，風(fēng)力侵蝕區(qū)則變化不明顯。按植被覆蓋度構(gòu)成，低覆蓋度面積比例減少，高覆蓋度面積比例增加，其中黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋度增加趨勢(shì)最為明顯，植被恢復(fù)成效顯著。

植被作為地球生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分，在全球物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞過程中有著重要作用，是生態(tài)環(huán)境變化的綜合指示器。植被覆蓋度通常被定義為植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[1-2]，是刻畫地表植被覆蓋的重要參數(shù)，在水文、氣象、生態(tài)等方面的區(qū)域或全球性問題研究中起重要的作用[3-5]。因此，區(qū)域及全球范圍的植被覆蓋度估算對(duì)植被及相關(guān)領(lǐng)域的研究具有十分重要的意義。傳統(tǒng)上，獲得植被覆蓋度的方法主要有地表實(shí)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)兩類[6-7]。地表實(shí)測(cè)耗時(shí)費(fèi)力且難以獲得較大空間上的真實(shí)覆蓋度，同時(shí)植被覆蓋度具有典型的時(shí)空分異特性，因此，利用遙感手段獲取植被覆蓋度為實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和連續(xù)的監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支撐。目前，利用遙感技術(shù)獲得植被覆蓋度的方法主要有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、植被指?shù)法、像元分解模型法等。像元分解模型法中最常用的線性模型是像元二分模型，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是計(jì)算模型簡(jiǎn)單可靠、輸入?yún)?shù)通用易得。文獻(xiàn)[8—10]使用像元分解法對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行了估測(cè)，指出其總體精度可達(dá)70%左右。

植被覆蓋度低是導(dǎo)致黃土高原水土流失嚴(yán)重的主要因素之一。Mu Xingmin等[11-12]研究表明，黃土高原林草植被建設(shè)在防治土壤侵蝕和控制水土流失等方面------------------

起到了重大作用。汪有科等[13]指出，黃土高原雖然絕大部分地區(qū)能人工恢復(fù)植被，但要起到有效的水土保持作用，植被覆蓋度至少要達(dá)到60%；不過也有人認(rèn)為這個(gè)值應(yīng)該為75%。改革開放特別是退耕還林(草)、禁牧等政策措施的推行，已使黃土高原植被狀況發(fā)生了顯著變化。已有研究是在同一空間尺度(某一區(qū)域)或時(shí)間尺度探討植被覆蓋的變化特征，而忽略了植被生長(zhǎng)在不同空間分布和時(shí)間分配上均有較大差異的特點(diǎn)[14]，不利于水土保持工作的分區(qū)指導(dǎo)。本研究從時(shí)間和空間兩個(gè)維度，以黃土高原植被覆蓋度變化為切入點(diǎn)，根據(jù)區(qū)域水土流失類型分區(qū)和典型流域分區(qū)，探討近期植被覆蓋度年際間的時(shí)空變化特征，以期為水土流失治理提供科學(xué)依據(jù)，為水土保持分區(qū)工作提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

黃土高原地區(qū)位于N33°43′～41°16′、E100°54′～114°33′之間，包括太行山以西、日月山以東、秦嶺以北、長(zhǎng)城以南的廣大地區(qū)，海拔800～2 000 m，面積約62.4萬km2。黃土高原自南向北縱跨暖溫帶、中溫帶兩個(gè)熱量帶，自東向西橫貫半濕潤(rùn)和半干旱兩個(gè)氣候區(qū)，具有典型的大陸性氣候特征。年降水量從東南的800 mm向西北逐漸降低到200 mm左右，降雨集中在5—10月。年平均氣溫從東南向西北逐漸降低6～14 ℃。無霜期為120～200 d，植物生長(zhǎng)季主要集中在5—10月。植被類型從東南到西北呈帶狀分布，依次為森林植被帶、森林草原植被帶、典型草原植被帶、荒漠草原植被帶、草原化荒漠帶。降雨集中且多暴雨、地形破碎、植被覆蓋度低、人類活動(dòng)劇烈和土地利用不合理等原因，使得該區(qū)水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2植被覆蓋度反演方法

本研究采用1981—1999年的AVHRR數(shù)據(jù)產(chǎn)品和2000—2012年的MODIS月最大合成(Maximum Value Composite，MVC)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD13A3)，空間分辨率均為1 km，并利用黃土高原邊界圖剪取該地區(qū)逐月NDVI的柵格圖像。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何精糾正、輻射校正、大氣校正等預(yù)處理，本研究對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行了Savitzky-Golay濾波，以去除噪聲干擾。

通過對(duì)NDVI月產(chǎn)品數(shù)據(jù)合成，來表征該地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI的變化(以5—10月作為生長(zhǎng)季，表征該區(qū)植被覆蓋度變化的特征)。采用ArcGIS 10.0軟件的柵格計(jì)算器，應(yīng)用像元二分模型計(jì)算所有影像的植被覆蓋度分布情況。對(duì)該區(qū)生長(zhǎng)季覆蓋度進(jìn)行線性回歸分析，其斜率反映該區(qū)植被覆蓋狀況的年際變化趨勢(shì)。

用像元二分模型求算植被覆蓋度的基本公式為

fveg=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中：fveg為植被覆蓋度；NDVI為混合像元的植被指數(shù)值；NDVIveg為純植被像元的植被指數(shù)值；NDVIsoil為純土壤像元的植被指數(shù)值。

本研究參考李苗苗[15]、Gutman[16]等提出的估算方法，提取1981—2012年NDVI最大值圖像，在NDVI頻率累積表上取頻率0.5%的值為NDVIsoil，取頻率99.5%的值為NDVIveg。將計(jì)算得到的植被覆蓋度按表1劃分為5級(jí)，分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，并統(tǒng)計(jì)各級(jí)面積。

表1　植被覆蓋度等級(jí)劃分及對(duì)應(yīng)地表景觀

2結(jié)果與分析

2.1黃土高原植被覆蓋度的變化

黃土高原1981—2012年生長(zhǎng)期植被覆蓋度整體表現(xiàn)為年際間的波動(dòng)性增加和明顯的階段性特征(圖1)。在年際變化過程中，生長(zhǎng)季年平均覆蓋度為37%，其中：1981年最小，為31%；2012年最大，為50%。從1981年到2012年，生長(zhǎng)季植被覆蓋度呈顯著增加趨勢(shì)，以每年0.39%的幅度增加(R2=0.66，P<0.01)。黃土高原1981—2012年植被覆蓋度序列可分為2個(gè)階段：1981—2001年植被覆蓋度較低，平均為36%；2002—2012年植被覆蓋度較高，平均為41%。

圖1　1981—2012年黃土高原生長(zhǎng)季植被覆蓋度

黃土高原地區(qū)1981—2012年生長(zhǎng)季年平均植被覆蓋度空間分布整體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增加的趨勢(shì)(圖2)。其中：植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域主要分布在子午嶺林區(qū)、黃龍山林區(qū)、賀蘭山、毛烏素沙地西部和中東部、鄂爾多斯高原西北部，以及山西呂梁山區(qū)和太行山區(qū)；植被覆蓋度顯著減少的區(qū)域分布在渾善達(dá)克沙地南緣—錫林郭勒高原東南部、寧夏南部、青海西部、甘肅白銀和蘭州一帶。

黃土高原地區(qū)1981—2012年不同等級(jí)植被覆蓋度的變化情況，通過選取1981、1999和2012年3個(gè)年份的生長(zhǎng)季植被覆蓋度變化情況進(jìn)行分段研究。從植被覆蓋度分級(jí)看，1981—2012年黃土高原地區(qū)植被覆蓋整體好轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為低植被覆蓋度面積呈減小趨勢(shì)，高植被覆蓋度面積呈逐漸增加態(tài)勢(shì)(圖2、表2)。其中：高植被覆蓋度(Ⅴ)面積增加最明顯，比例由1.95%增加到23.86%；較高植被覆蓋度(Ⅳ)次之，面積比例由14.22%增加到25.71%； 而較低植被覆蓋度(Ⅱ)面積比例由46.32%減小到20.89%。

圖2　1981—2012年黃土高原植被覆蓋度空間分布

年份不同覆蓋度等級(jí)面積所占比例(%)ⅠⅡⅢⅣⅤ19817.6146.3229.8814.221.9719992.7139.3433.8518.725.3820125.3220.8924.2025.7123.881981—2012年平均6.3537.0130.0620.256.33

2.2黃土高原各省區(qū)植被覆蓋變化特征

由表3可知，黃土高原各省區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋狀況差異較大，但均呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)。1981—2012年內(nèi)蒙古生長(zhǎng)季平均植被覆蓋度最低，為18%，河南、山西、青海、陜西、甘肅、寧夏分別為內(nèi)蒙古的3.13、2.70、2.68、2.40、1.88、1.21倍。其中：河南生長(zhǎng)季植被覆蓋度上升幅度最大，植被覆蓋度由46%增加到74%；陜西次之，由35%增加到61%；內(nèi)蒙古、寧夏生長(zhǎng)季植被覆蓋度年際間變化不明顯，多在20%上下波動(dòng)。

黃土高原各省區(qū)1981—2012年生長(zhǎng)季植被覆蓋度整體好轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為低植被覆蓋度面積呈減小趨勢(shì)，高植被覆蓋度面積呈逐漸增加態(tài)勢(shì)(表3)。其中：低植被覆蓋度(Ⅰ)變化最明顯的是寧夏，面積比例由14.8%降低到7.8%；高植被覆蓋度(Ⅴ)河南增加最顯著，面積比例由4.8%增加到57.8%，陜西和山西次之，分別由5.1%和2.2%增加到36.5%和37.8%。

表3　黃土高原各省區(qū)不同植被覆蓋度等級(jí)面積所占比例

2.3典型支流植被覆蓋變化特征

黃河中游是黃河泥沙的主要來源區(qū)，以流域尺度選擇黃河中游各典型支流皇甫川、窟野河、無定河、延河、涇河、北洛河、渭河干流等分析1981—2012年各流域生長(zhǎng)季植被覆蓋度年際變化特征，結(jié)果表明，1981—2012年黃河中游各典型支流流域植被覆蓋度的年際變化表現(xiàn)為顯著上升的趨勢(shì)(表4)。其中：延河流域上升幅度最大，由30%增加到63%；窟野河流域上升幅度最小，由14%增加到32%。

黃河中游各典型流域1981—2012年生長(zhǎng)季植被覆蓋度整體好轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為低植被覆蓋度面積減小，高植被覆蓋度面積呈逐漸增加態(tài)勢(shì)(表4)。其中：低植被覆蓋度(Ⅰ)變化最明顯的是無定河流域，面積比例由17.7%降低到3.0%；較低植被覆蓋度(Ⅱ)變化較為顯著的是皇甫川和延河流域，分別由98.7%和61.5%減小到35.5%和0.2%；高植被覆蓋度(Ⅴ)北洛河流域增加最顯著，面積比例由6.5%增加到57.0%，渭河流域次之，面積比例由5.8%增加到44.3%。

表4　黃河中游各典型支流流域不同植被覆蓋度等級(jí)面積比例

2.4不同土壤侵蝕區(qū)植被覆蓋變化特征

黃土高原各侵蝕區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋狀況差異顯著，且覆蓋度基本表現(xiàn)為隨侵蝕強(qiáng)度減弱而增加的趨勢(shì)(圖3、4)。1981—2012年黃土高原各土壤侵蝕區(qū)生長(zhǎng)季年平均覆蓋度表現(xiàn)為水力侵蝕區(qū)>風(fēng)力侵蝕區(qū)。水力侵蝕區(qū)中，劇烈侵蝕區(qū)年平均覆蓋度最低，為28%，極強(qiáng)烈、強(qiáng)烈、中度、輕度、微度侵蝕區(qū)年平均覆蓋度分別是劇烈侵蝕區(qū)的1.05、1.18、1.42、1.61、1.71倍。風(fēng)力侵蝕區(qū)中，劇烈侵蝕區(qū)年平均植被覆蓋度最低，為9%，極強(qiáng)烈、強(qiáng)烈、中度、輕度、微度侵蝕區(qū)年平均覆蓋度分別是劇烈侵蝕區(qū)的1.31、1.42、1.46、1.55、2.36倍。

圖3　黃土高原1981—2012年水力侵蝕區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋度年際變化特征

圖4　黃土高原1981—2012年風(fēng)力侵蝕區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋度年際變化特征

黃土高原各土壤侵蝕區(qū)植被覆蓋狀況整體好轉(zhuǎn)(圖3、4)。水力侵蝕區(qū)中，微度侵蝕區(qū)植被覆蓋度上升幅度最大，由40%增加到63%，年均增長(zhǎng)率為0.53%；強(qiáng)烈侵蝕區(qū)植被覆蓋度上升幅度最小，年均增長(zhǎng)率僅為0.41%。風(fēng)力侵蝕區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋變化相較之，增幅不明顯；中度、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋度則有不同程度的降低，植被退化。

3討論

植被覆蓋度測(cè)量的傳統(tǒng)方法為地面測(cè)量，但由于野外條件限制，難以滿足范圍大、時(shí)效性強(qiáng)的植被覆蓋度提取的需求，而遙感技術(shù)為大區(qū)域植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了可能。利用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度，模型具普適性，通用于植被覆蓋度計(jì)算[17]，與直接利用NDVI反映植被覆蓋狀況相比，該方法更能夠削弱大氣、土壤與植被類型等的影響，尤其是對(duì)于植被覆蓋稀疏、土壤反射輻射影響大的干旱半干旱地區(qū)更適合，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感觀測(cè)也更準(zhǔn)確可靠[9-10]。但由于某些條件的限制，如遙感影像的分辨率、地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精度、植物群落垂直方向上的異質(zhì)性等因素影響，具體像元的覆蓋度值與地面觀測(cè)值存在誤差，因此植被覆蓋度遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果不能完全替代地面調(diào)查結(jié)果，提高模型精度也成為該方法廣泛應(yīng)用中值得探討的問題。

1981—2012年黃土高原地區(qū)的生長(zhǎng)季植被覆蓋度呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。影響生長(zhǎng)季植被覆蓋度年際變化的主要因素可歸納為兩大類：氣候和人為因素。植被覆蓋度與氣候因素，尤其是溫度和降水量有著較密切的關(guān)系。相關(guān)研究表明，在黃土高原地區(qū)，溫度主要調(diào)節(jié)植被年內(nèi)生長(zhǎng)節(jié)律，與植被覆蓋度的年際變化相關(guān)性較小，對(duì)植被覆蓋度的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)不大；而降水與植被覆蓋度的年際變化有著很好的正相關(guān)關(guān)系[18-19]。近年來，陜北地區(qū)存在降水減少的趨勢(shì)，植被覆蓋度不降反升，這反映出降水對(duì)植被覆蓋度的上升沒有起到主導(dǎo)作用。在人為因素中，1999年以來，退耕還林(草)等生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施，成效顯著，對(duì)該時(shí)期植被覆蓋度的上升有著重要影響。因此，在該區(qū)總體處于暖干化趨勢(shì)[20]，氣候因素不利于植被覆蓋度增長(zhǎng)的情況下，人類生態(tài)建設(shè)工程是植被覆蓋度顯著增加的主導(dǎo)因素，生態(tài)恢復(fù)和重建對(duì)于區(qū)域植被恢復(fù)具有顯著效果[21]。

本研究通過遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)黃土高原區(qū)域性植被覆蓋度的宏觀時(shí)空變異進(jìn)行了定量分析，可以作為驗(yàn)證區(qū)域尺度生態(tài)恢復(fù)重建措施有效性的一種方法。但是，植被覆蓋度變化的空間差異性、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和環(huán)境效應(yīng)仍有待進(jìn)一步深入研究，以更充分地揭示區(qū)域植被時(shí)空變化的內(nèi)在機(jī)制。

4結(jié)論

本研究根據(jù)黃土高原植被覆蓋度時(shí)空變化，按不同空間尺度分析，得到以下基本結(jié)論：

(1)黃土高原1981—2012年生長(zhǎng)季平均植被覆蓋度空間分布表現(xiàn)為從東南向西北逐漸遞減的趨勢(shì)。其中，低植被覆蓋度面積比例減少，高植被覆蓋度面積比例增加，黃土高原丘陵溝壑區(qū)增加趨勢(shì)最為明顯，植被恢復(fù)成效顯著。

(2)1981—2012年黃土高原各省區(qū)、典型支流和土壤侵蝕類型及強(qiáng)度分區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋度呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)。大規(guī)模植被建設(shè)開始前，黃土高原植被覆蓋度以小幅波動(dòng)為主，個(gè)別地區(qū)有所好轉(zhuǎn)，但大部分區(qū)域無顯著變化，2001年以后各分區(qū)生長(zhǎng)季年平均植被覆蓋度增加顯著。

(3)黃土高原各分區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋變化明顯，這與1999年以來陜北退耕還林(草)政策的實(shí)施有著密切關(guān)系。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

[中圖分類號(hào)]TP79

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)07-0052-05

[基金項(xiàng)目]中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-04-03)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271295)

[作者簡(jiǎn)介]高健健(1990—)，女，陜西榆林市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗帘３峙c荒漠化防治；通信作者穆興民(1961—)，男，陜西華陰市人，研究員，博士，主要從事水土保持生態(tài)水文研究工作。

[收稿日期]2015-05-21

[關(guān)鍵詞]植被覆蓋度；像元二分模型；時(shí)空變化；黃土高原