岔巴溝流域植被變化特征及其對(duì)水沙的影響

吳志勇，侍 恒，何 海，徐征光，李 源，倪用鑫

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003)

近年來，黃河泥沙大幅度減少和黃土高原植被覆蓋大幅度增加引起學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注[1-2]。不同植被覆蓋度可改變下墊面的產(chǎn)流產(chǎn)沙條件，致使流域產(chǎn)匯流機(jī)制和水沙關(guān)系發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)流域徑流量與輸沙量產(chǎn)生影響[3-4]。開展流域植被變化特征與水沙影響研究對(duì)有效開展黃土高原流域水土保持工作意義重大。

植被變化的監(jiān)測(cè)一般采用人工實(shí)地測(cè)量和利用遙感影像計(jì)算植被指數(shù)兩種方法。人工實(shí)地測(cè)量法主要有目估法、采樣法、儀器法、模型法等，但人工實(shí)地測(cè)量只能應(yīng)用在小區(qū)域，無法給出大尺度區(qū)域的植被信息。遙感具有大范圍連續(xù)觀測(cè)和高效獲取數(shù)據(jù)能力的特點(diǎn)[5]，已成為區(qū)域或全球植被覆蓋度估算的有效手段。通過遙感數(shù)據(jù)計(jì)算植被覆蓋度的方法主要有回歸模型法、植被指數(shù)法、像元分解模型法等。像元分解模型法中的像元二分模型由于其簡單的形式和原理，得到了廣泛的應(yīng)用。

陸地衛(wèi)星(Landsat)系列遙感數(shù)據(jù)具有長期連續(xù)性、全球覆蓋、時(shí)空分辨率適中等特點(diǎn)，是植被覆蓋研究中最有效的遙感數(shù)據(jù)之一[6]。楊旭超等[7]采用該系列數(shù)據(jù)對(duì)呈貢區(qū)30年來植被覆蓋度時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析；馬娜等[8]基于該系列數(shù)據(jù)研究了正藍(lán)旗生態(tài)工程對(duì)植被覆蓋度改善的效果。植被變化趨勢(shì)的分析通常采用一元線性回歸方法，突變分析一般有M-K突變檢驗(yàn)、Pettitt突變檢驗(yàn)等。如，李登科等[9]利用一元線性回歸方法計(jì)算陜西省各市植被變化趨勢(shì)；張亮等[10]采用M-K突變檢驗(yàn)分析了長江流域植被覆蓋度突變現(xiàn)象的區(qū)域差異；衛(wèi)宇婷[11]采用Pettitt突變檢驗(yàn)對(duì)陜西省NDVI序列進(jìn)行突變點(diǎn)識(shí)別。

岔巴溝流域位于黃土高原主要產(chǎn)沙區(qū)，20世紀(jì)70—80年代開展了大量淤地壩等工程建設(shè)，取得了較好的水土保持效果[12-14]；1990年以后，淤地壩減水減沙效果進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期[15]。為突出研究植被變化對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，選取1987—2018年共32年陸地衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用像元二分法計(jì)算植被覆蓋度，結(jié)合高分辨率地理空間數(shù)據(jù)分析植被覆蓋度的時(shí)空變化特征，并根據(jù)1987年以來的66場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù)，探討植被變化對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

岔巴溝流域位于陜西省子洲縣北部，流域平均海拔1 080 m，是黃河中游的無定河流域支流，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，坡陡溝深[16-17]。多年平均降水量為470 mm，屬干燥少雨的大陸性氣候，年內(nèi)降雨分配極不均勻，有70%的降水發(fā)生在7—9月，且多為降雨強(qiáng)度較大而歷時(shí)短暫的暴雨，而暴雨是引起土壤侵蝕的關(guān)鍵因子[18]。岔巴溝流域水系、雨量站和水文站分布見圖1。

圖1 岔巴溝流域與站點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)來源和處理方法

研究選用的遙感數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)勘探局(http://glovis.usgs.gov)提供的Landsat5、7、8衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m×30 m。因?yàn)?—6月以及7月上旬作物蓋度較小，而非作物植被蓋度同一時(shí)期則比較大[19]，遙感影像主要選取5—6月云覆蓋度均小于10%的影像，如果5—6月間影像均不滿足云覆蓋度均小于10%的條件，則選擇7月影像，以降低作物和云量影響。采用輻射校正和大氣校正去除天氣、地理位置等影響。場(chǎng)次降雨、場(chǎng)次徑流和場(chǎng)次泥沙數(shù)據(jù)來自黃河水利委員會(huì)水文局，年限為1987—2017年，其中1987—1991年有14場(chǎng)，1992—1996年有13場(chǎng)，1997—2001年有9場(chǎng)，2002—2006年有15場(chǎng)，2007—2011年有6場(chǎng)，2012—2017年有9場(chǎng)。流域面平均雨量基于13個(gè)站點(diǎn)(圖1)資料采用反距離權(quán)重法先插值到1 km網(wǎng)格再取平均得到。

植被覆蓋度計(jì)算采用像元二分模型[20]。像元二分模型是一種廣泛采用的植被覆蓋度計(jì)算方法，該方法假設(shè)一個(gè)像元的地表由植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分組成，而遙感傳感器觀測(cè)到的光譜信息也由這兩部分線性加權(quán)合成，各因子的權(quán)重即各自面積在像元中所占的比例，植被覆蓋度就是植被覆蓋部分面積所占的權(quán)重。植被覆蓋度Fc計(jì)算公式為

Fc=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(1)

式中：S為歸一化植被指數(shù)；Ssoil、Sveg分別為歸一化植被指數(shù)在累計(jì)頻率0.5%和99.5%處的值。為分析不同等級(jí)植被覆蓋度的變化，將流域的植被覆蓋度分為裸地[0，10%)、低[10%，30%)、中低[30%，50%)、中[50%，70%)、高(≥70%)5個(gè)等級(jí)。

流域植被覆蓋度變化率采用一元線性回歸方程的斜率來說明，斜率大于0時(shí)說明該像元內(nèi)植被覆蓋度在某段時(shí)間的變化率是增加的，反之則是減少。變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)采用M-K檢驗(yàn)[21]，其優(yōu)點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)測(cè)試的樣本不需要服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)非正態(tài)分布的水文氣象等要素序列的變化趨勢(shì)。植被覆蓋度突變點(diǎn)采用Pettitt檢驗(yàn)方法進(jìn)行識(shí)別，該方法可以識(shí)別突變點(diǎn)的位置和數(shù)量，還可以判斷其顯著性。

流域面蝕情況是采用30 m陸地衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)，并根據(jù)SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》生成流域面蝕等級(jí)圖。

2 結(jié)果分析

2.1 植被變化的時(shí)間趨勢(shì)

岔巴溝流域植被覆蓋度年際變化情況見圖2。1987—2018年該流域的植被覆蓋度增長趨勢(shì)顯著(通過0.01顯著性水平檢驗(yàn))，其中2000年的植被覆蓋度最低，2018年的植被覆蓋度最高。從Pettitt檢驗(yàn)結(jié)果(圖3)可知，突變發(fā)生在2002年(通過0.01顯著性水平檢驗(yàn))，將植被年際變化情況分為兩個(gè)階段：①1987—2001年植被覆蓋度保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)階段；②2002—2018年植被覆蓋度顯著增加階段。

圖2 岔巴溝流域植被覆蓋度年際變化

圖3 岔巴溝流域植被覆蓋度Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)

2.2 植被空間分布的變化趨勢(shì)

岔巴溝流域植被空間變化以及不同等級(jí)植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)見圖4和圖5。1987—2018年每隔 5～6年輸出一張流域植被覆蓋度圖。1987年植被覆蓋度等級(jí)為低覆蓋度和裸地的面積之和占流域面積70.3%，中覆蓋度和高覆蓋度之和則不足10%。1987—2001年不同等級(jí)植被覆蓋度面積保持相對(duì)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，從圖4可以看出1987年、1992年、1997年3年中除溝谷區(qū)域植被覆蓋度較高之外，其余區(qū)域植被覆蓋度都很低。2002年起裸地和低覆蓋度面積迅速縮小，中覆蓋度面積迅速增大，高覆蓋度面積穩(wěn)中有升。從圖4可以看到2002年、2008年、2012年中高植被覆蓋度區(qū)域開始沿河道向外拓展，到了2018年低覆蓋度和裸地面積之和占全流域面積不足15%，中覆蓋度和高覆蓋度面積之和超過60%。岔巴溝流域植被覆蓋度有轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)，高植被覆蓋度網(wǎng)格所占的面積逐漸增加，低植被覆蓋度網(wǎng)格所占的面積則相反。

(a) 1987年

(b) 1992年

(c) 1997年

(d) 2002年

(e) 2008年

(f) 2012年

(g) 2018年

圖4 岔巴溝流域植被覆蓋度空間變化

圖5 岔巴溝流域不同等級(jí)植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)

圖6(a)為1987—2018年岔巴溝流域植被覆蓋度變化率，岔巴溝流域植被大體呈現(xiàn)增長或者維持態(tài)勢(shì)，少數(shù)區(qū)域植被覆蓋度呈減少趨勢(shì)。植被覆蓋增長較大(≥1%)區(qū)域占流域面積30.9%，略微增加(0.1%～1%)區(qū)域占比48.2%，增長區(qū)域總計(jì)占比79.1%，主要集中在沿溝分布的丘陵溝壑地區(qū)；植被減少較大區(qū)域(<-1%)占流域面積2.7%，略微減少(-1%～-0.1%)區(qū)域占比11.8%，減少區(qū)域總計(jì)占比14.5%。圖6(b)為植被覆蓋度變化率顯著性檢驗(yàn)，其中減少趨勢(shì)顯著(通過0.01顯著水平檢驗(yàn))區(qū)域和減少趨勢(shì)明顯(通過0.05顯著水平檢驗(yàn))總計(jì)占比3.8%，不通過顯著性檢驗(yàn)區(qū)域占比21.9%，增加趨勢(shì)顯著(通過0.01顯著水平檢驗(yàn))區(qū)域和增加趨勢(shì)明顯(通過0.05顯著水平檢驗(yàn))區(qū)域總計(jì)占比74.3%。增長趨勢(shì)明顯及顯著區(qū)域和植被覆蓋增長較大區(qū)域大致相同，而減少趨勢(shì)明顯及顯著區(qū)域卻明顯少于植被覆蓋度變化率減少區(qū)域，這說明大部分減少區(qū)域植被覆蓋度的變化具有較大的偶然性，并不是一種穩(wěn)定的演變。

(a) 植被覆蓋度變化率

(b) 顯著性檢驗(yàn)

坡度是影響流域侵蝕的重要因素，探討在不同坡度上的植被變化具有重要意義。圖7為1987—2018年岔巴溝流域植被變化與坡度關(guān)系。就覆蓋度而言，在坡度較小區(qū)(<10°)，多年平均植被覆蓋度較小，且隨著坡度增加植被覆蓋度出現(xiàn)緩慢減?。辉谄露戎械葏^(qū)(10°～25°)，多年平均植被覆蓋度接近最?。辉谄露容^大區(qū)(≥25°)，多年平均植被覆蓋度較大。就增長率而言，植被覆蓋度增長率隨坡度增加而增加。參考耕地坡度標(biāo)準(zhǔn)，將25°以下作為緩坡，25°以上作為陡坡，陡坡多年平均植被覆蓋度和變化率都是大于緩坡的。坡度制約著人類活動(dòng)的強(qiáng)度和頻率，陡坡區(qū)域人類破壞性活動(dòng)較少，而建設(shè)性活動(dòng)如退耕還林較多[22]，陡坡植被總體生存狀況和恢復(fù)狀況都要優(yōu)于緩坡區(qū)域。

圖7 1987—2018年岔巴溝流域植被變化與坡度關(guān)系

3 討 論

3.1 植被覆蓋度的變化原因

在自然條件下，降水是影響植被變化的主要?dú)夂蛞蜃?，與植被覆蓋呈較大正相關(guān)關(guān)系[23]。圖8為岔巴溝流域多年平均降水量與植被覆蓋度的關(guān)系。從圖8可以看出，1987—2001年間植被覆蓋度和降水的相關(guān)系數(shù)為0.41，而2002—2017年間兩者相關(guān)系數(shù)為0.29，兩個(gè)時(shí)期降水均對(duì)植被生長有一定促進(jìn)作用。雖然兩個(gè)時(shí)期都沒有通過顯著性檢驗(yàn)，但第一時(shí)期相關(guān)系數(shù)明顯大于第二時(shí)期，這表明在2002年以后降水量對(duì)于植被變化的影響小于2002年以前。盡管如此，2008、2009年以及2015、2016年較少的降水量使得植被覆蓋度回落，這說明降水量過少是植被生長的限制因素。

圖8 岔巴溝流域多年平均降水量與植被覆蓋度關(guān)系

2002年以后，影響植被覆蓋度增長的主要因子發(fā)生變化。張寶慶等[24]認(rèn)為在1999年之后黃土高原地區(qū)植被覆蓋對(duì)氣候等自然因子相關(guān)性變差，植被增長主因是大規(guī)模植被建設(shè)。20世紀(jì)90年代末，全國開始推行退耕還林工程，1999起子洲縣總退耕還林面積為262.1 km2[25]，直接促進(jìn)了岔巴溝流域植被的大幅增長。退耕還林5年以后土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)顯著增加，10年以上土壤碳、氮和速效養(yǎng)分會(huì)顯著增加，退耕還林后當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)會(huì)更有利于植被生長[26]。此外大量農(nóng)牧民外出務(wù)工，減少了對(duì)植被的干擾和破壞，也為植被自然修復(fù)創(chuàng)造了良好環(huán)境[27]。岔巴溝流域退耕還林時(shí)間是1999年，但植被覆蓋度突變點(diǎn)時(shí)間發(fā)生在2002年，突變時(shí)間相比退耕時(shí)間略有滯后，主要原因?yàn)?000年、2001年連續(xù)兩年降水量較少，以及早期退耕還林中存在植被建設(shè)布局和模式的科學(xué)性不足等問題共同導(dǎo)致造林成活率低[28]。

3.2 植被覆蓋度變化的影響

植被覆蓋度的大幅增加改變了下墊面的構(gòu)成，進(jìn)而對(duì)流域產(chǎn)流特性產(chǎn)生影響。選取1987—2017年66場(chǎng)洪水建立植被覆蓋度突變前后的降水-徑流關(guān)系(圖9)?？梢娡蛔兦昂蟛町愝^為明顯，突變前后平均徑流系數(shù)分別為0.13和0.10，突變后相同降水條件下徑流顯著小于突變前。相同降水量下，突變后徑流為突變前的84.2%，說明植被覆蓋度的增加減少了流域產(chǎn)流。

圖9 1987—2017年岔巴溝流域降水量與徑流的關(guān)系

植被通過截留雨水、減少產(chǎn)流與流速和提高土壤抗蝕性與抗沖性減少流域面蝕。根據(jù)植被覆蓋度、坡度分布情況以及土地利用類型繪制1987—2018年每隔5～6年面蝕等級(jí)圖(圖10)。從圖10可以看出，1987—2018年，面蝕程度和范圍都有大幅度的削減。其中1987—1997年整體侵蝕情況變化不大，強(qiáng)烈及以上面蝕程度面積一直保持全流域面積70.0%以上，微度面蝕不足5.0%。2002—2012年強(qiáng)烈及以上面蝕程度面積不斷減少，從2002年的58.2%減少到2012年的47.0%，微度面蝕則從2002年的6.2%增長到2012年的7.2%。2018年流域侵蝕狀況進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，其中強(qiáng)烈及以上面蝕程度面積僅占27.3%，微度面蝕則增長到14.9%。岔巴溝流域植被覆蓋度變化以及退耕還林政策的實(shí)施深刻影響了流域面蝕，面蝕程度的變化則會(huì)進(jìn)一步影響流域產(chǎn)沙。

(a) 1987年

(b) 1992年

(c) 1997年

(d) 2002年

(e) 2008年

(f) 2012年

(g) 2018年

圖10 岔巴溝流域面蝕等級(jí)

建立植被覆蓋度突變前后的徑流深-單場(chǎng)洪水輸沙量關(guān)系(圖11)?？梢娭脖桓采w度突變前后輸沙量差異明顯，相同徑流量下，突變后單場(chǎng)洪水輸沙量遠(yuǎn)小于突變前。從輸沙總量來看，突變后的30場(chǎng)洪水中有5場(chǎng)洪水輸沙量不超過1萬t，突變前則沒有；從含沙量來看，突變前后平均含沙量分別為 433 kg/m3和159 kg/m3，突變后平均含沙量為突變前的36.7%，特別是2007年以后的15場(chǎng)洪水，平均含沙量僅為21.4 kg/m3。相比植被覆蓋度增加的減水效果，其減沙效果更為顯著。

圖11 岔巴溝流域徑流深與輸沙量的關(guān)系

4 結(jié) 論

a. 1987—2018年岔巴溝流域植被覆蓋度增長明顯，從1987年的24.7%增長到2018年的53.2%。變化主因是流域大規(guī)模植被建設(shè)活動(dòng)的實(shí)施，其次降雨多寡也對(duì)植被生長具有重要影響。由于2000、2001年降水量過少以及早期退耕還林經(jīng)驗(yàn)不足等原因，植被覆蓋度的突變時(shí)間發(fā)生在2002年，相比退耕還林開始實(shí)施時(shí)間具有一定的滯后性。

b. 岔巴溝流域79.1%區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，且陡坡區(qū)的增長率大于緩坡。2002年以后中高覆蓋度區(qū)域面積比例顯著提升，從1987年中高覆蓋度區(qū)域面積占流域面積不足10%到2018年超過60%。植被覆蓋增長區(qū)域占流域面積79.1%，主要集中丘陵溝壑地區(qū)。這種變化改變了流域面蝕格局、影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特性。

c. 植被覆蓋度的增加，減少了岔巴溝流域產(chǎn)流和產(chǎn)沙。植被覆蓋度的增加顯著減少了研究流域面蝕等級(jí)，強(qiáng)烈及以上面蝕程度面積從1987年占流域面積的70.5%到2018年僅占27.3%，微度面蝕面積從1987年4.1%到2018年14.9%。2002年后，岔巴溝流域產(chǎn)流和產(chǎn)沙減少趨勢(shì)明顯，輸沙量的減少情勢(shì)比徑流更顯著。