基于MODIS的北洛河流域植被蓋度變化研究

何亮 呂渡 郭晉偉 雷斯越 賀潔 張曉萍 楊希華

摘?要：為揭示國(guó)家實(shí)施退耕還林還草政策以來(lái)北洛河流域植被蓋度的時(shí)空變化特征，采用MODIS反演的2001—2017年植被覆蓋數(shù)據(jù)，分析了北洛河流域2001—2017年光合植被覆蓋度的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：①2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3個(gè)時(shí)段植被蓋度均值分別為60.2%、63.2%和68.5%，植被覆蓋狀況空間差異明顯，3個(gè)時(shí)段均表現(xiàn)出上游黃土丘陵溝壑區(qū)植被蓋度最低、中游土石山林區(qū)植被蓋度最高的特征;②2001—2017年北洛河流域植被蓋度整體上表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，植被蓋度上升面積占比為90.9%，其中顯著上升、上升但不顯著面積占比分別為44.3%、46.6%，黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、土石山林區(qū)植被蓋度年均變率分別為1.18%、0.64%、0.42%;③對(duì)全流域植被蓋度顯著提高的主要貢獻(xiàn)地區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)，貢獻(xiàn)率為46.3%，主要貢獻(xiàn)縣域志丹縣、吳起縣、富縣、甘泉縣的貢獻(xiàn)率分別為23.1%、20.4%、10.6%、10.2%。

關(guān)鍵詞：光合植被蓋度;時(shí)空變化特征;貢獻(xiàn)率;北洛河流域

中圖分類(lèi)號(hào)：S771;X171.4?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.014

Abstract：In order to reveal the temporal and spatial variation characteristics of vegetation coverage in the Beiluo River Basin since the implementation of The Grain for Green Project， the spatial and temporal variation characteristics of photosynthetic vegetation coverage in the beiluo river basin from 2001 to 2017 were analyzed with the vegetation cover data retrieved by MODIS.The results show that a） during the three periods of 2001-2006， 2007-2012 and 2013-2017， the average vegetation coverage is 60.2%， 63.2% and 68.5% respectively. The spatial difference of vegetation coverage status is obvious and the three periods all show the characteristics of the lowest vegetation coverage in the gullied rolling loess area of the upper reaches and the highest vegetation coverage in the middle rocky-mountain region; b） in the past 17 years， the vegetation coverage in the whole basin， the gullied rolling loess area， gullied loess plateaus and mountainous region shows a significant increase trend， with the annual variation rate of 0.65%/a， 1.18%/a， 0.64%/a and 0.42%/a respectively. Among the 12 major counties in the basin， the vegetation coverage of Zhidan， Wuqi and Jingbian in the gullied rolling loess area has been increased the most rapidly， with a change range of 1.05 to 1.36%/a， and the change range of Huanglong， Huangling and Heshui in the middle mountainous region is the slowest， with a change range of 0.31 to 0.33%/a; c） the main contribution to the significant increase of vegetation coverage in the whole basin comes from the gullied rolling loess area， with a contribution rate of 46.3%. On the county aspect， the main sources come from Zhidan （23.1%）， Wuqi （20.4%）， Fuxian （10.6%） and Ganquan （10.2%） respectively.

Key words： photosynthetic vegetation coverage; spatiotemporal and variation characteristics; Beiluo River basin; rate of contribution

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組分，深刻影響著區(qū)域生物化學(xué)循環(huán)和物質(zhì)能量循環(huán)[1]，是生物圈發(fā)揮系統(tǒng)性生態(tài)功能的核心部分[2]。地表植被可降低雨滴動(dòng)能、削弱洪峰、延緩徑流、增強(qiáng)土壤抗蝕能力、減少水土流失[3-5]。植被蓋度（Fraction of Vegetation Coverage，F(xiàn)VC）不僅用來(lái)描述地表植被覆蓋狀況， 也可反映地表植被長(zhǎng)勢(shì)[6-7]。黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、土壤侵蝕劇烈[8]，在國(guó)家實(shí)施大規(guī)模的退耕還林（草）政策以來(lái)，植被恢復(fù)明顯，侵蝕產(chǎn)沙和入黃泥沙量明顯減少[9]。北洛河流域位于黃土高原腹地，地形地貌和植被分帶在黃土高原具有很好的典型性，為了深入研究植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候和人為兩大要素的響應(yīng)過(guò)程，進(jìn)一步揭示區(qū)域環(huán)境狀況的演化與變遷，對(duì)北洛河流域植被時(shí)空演變狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和研究具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義[10]。

采用遙感技術(shù)估算地表植被蓋度較普遍的方法是依據(jù)傳感器的紅、綠波段計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI），運(yùn)用像元二分模型反演植被蓋度[11-15]。Guerschman等[16]基于MODIS遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)澳大利亞稀樹(shù)草原進(jìn)行光譜測(cè)量并研發(fā)了像元三分模型，確定每個(gè)像元中光合植被覆蓋（PV）、非光合植被覆蓋（NPV）和裸土（BS）的組成比例?；贛ODIS的PV-NPV數(shù)據(jù)集，在森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)、植被生產(chǎn)力估算、物候期變化、水土保持等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價(jià)值[17-19]。王光鎮(zhèn)[20]應(yīng)用像元三分模型估算內(nèi)蒙古錫林郭勒典型草地光合植被蓋度，精度達(dá)91.2%。目前對(duì)北洛河流域植被覆蓋的研究多集中在上游丘陵溝壑區(qū)的植被恢復(fù)狀況[13-14]，對(duì)實(shí)施退耕還林（草）政策后植被覆蓋的最新演變趨勢(shì)及區(qū)域差異分析得還不充分。筆者以北洛河流域2001—2017年MODIS遙感影像衍生的連續(xù)時(shí)間序列的光合植被覆蓋數(shù)據(jù)為基本信息源，分析了該流域植被蓋度的時(shí)空變化特征及區(qū)域差異，以期為黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)及水沙演變研究等提供基礎(chǔ)信息。

1?流域概況

北洛河屬黃河二級(jí)支流，發(fā)源于陜西省定邊縣白于山，流經(jīng)陜西省榆林、延安、銅川、渭南及甘肅省平?jīng)龅?個(gè)地級(jí)市18個(gè)縣（區(qū)），在陜西省大荔縣匯入渭河，流域總面積2.69萬(wàn)km2，干流長(zhǎng)680 km，總落差1 613 m。流域地處暖溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，多年平均降水量514.2 mm，其中5—9月降雨量占全年降水量的76.2%、多以暴雨形式出現(xiàn)。流域地貌類(lèi)型多樣，分為黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、土石山林區(qū)和階地平原區(qū)（如圖1所示）[21]：上游為丘陵溝壑區(qū)，約占流域總面積的26.9%，山高坡陡，土層深厚，多為黃綿土，抗蝕性差，氣候干燥寒冷，多大風(fēng)、多暴雨，風(fēng)蝕、水蝕、重力侵蝕等均很?chē)?yán)重;中游的高塬溝壑區(qū)塬面平整，溝谷重力侵蝕活躍，占流域總面積的23.2%;中游的土石山林區(qū)占流域面積的41.9%，屬落葉闊葉林區(qū)，植被蓋度高，是黃土高原現(xiàn)存較好的天然次生林區(qū)和子午嶺、黃龍山兩大林區(qū)所在地，水土流失輕微;下游為渭河階地平原區(qū)，地面平緩開(kāi)闊，土層較厚，溝道密度小，但邊緣地區(qū)侵蝕比較嚴(yán)重，占流域面積的8.0%，土地利用以農(nóng)地為主，各縣域農(nóng)地面積占比為55%～75%，其地表植被覆蓋受作物生長(zhǎng)節(jié)律影響較大。本文在進(jìn)行區(qū)域分析過(guò)程中，主要針對(duì)北洛河流域丘陵溝壑區(qū)、高塬溝壑區(qū)和土石山林區(qū)進(jìn)行差異分析。

2?數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1?數(shù)據(jù)源及處理

研究所用主要數(shù)據(jù)集為MODIS 植被覆蓋數(shù)據(jù)，該套數(shù)據(jù)使用線(xiàn)性分離方法和像元三分模型從2001—2017年MODIS產(chǎn)品（MCD43A4，MOD09A1）中衍生[16]，空間分辨率為500 m，將每個(gè)像元分為PV、NPV和BS 三種組分，使用近紅外波段（NIR）、紅光波段（Red）、綠光波段（Green）和短波紅外（SWIR）來(lái)反演PV、NPV。本文將該數(shù)據(jù)集中的PV蓋度（fPV）作為分析對(duì)象，其估算公式如下：

式中：RNIR為近紅外波段;RGreen為可見(jiàn)光綠光波段;RRed為可見(jiàn)光紅光波段。

根據(jù)研究區(qū)氣候節(jié)律，7—9月是該區(qū)域植被生長(zhǎng)的旺盛期，因此取7—9月fPV均值進(jìn)行分析。

2.2?植被蓋度分級(jí)

為了便于分析和描述流域植被蓋度的變化，采用等間距分級(jí)法[22]，將流域植被蓋度分為5個(gè)等級(jí)：低（<20%）、中低（20%～40%）、中（40%～60%）、中高（60%～80%），高（>80%）。

2.3?植被蓋度變化趨勢(shì)分析

將2001—2017年分為2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3個(gè)時(shí)段。遙感影像分析及空間分析在A(yíng)rcGIS 10.5軟件平臺(tái)上進(jìn)行，為方便起見(jiàn)，流域地貌類(lèi)型分區(qū)面積及縣域面積均以ArcGIS 10.5計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。

對(duì)單元（像元）植被蓋度時(shí)間序列進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸處理，用方程斜率S（即植被蓋度年均變率）反映植被蓋度的變化程度和變化趨勢(shì)[23-24]：當(dāng)S為正數(shù)時(shí)，表明該柵格的植被蓋度呈上升趨勢(shì)，數(shù)值越大蓋度上升得越快;當(dāng)S為負(fù)數(shù)時(shí)，表示該柵格植被蓋度呈下降趨勢(shì)，數(shù)值越大蓋度下降得越快。其計(jì)算公式為

式中：i為研究時(shí)段年序號(hào);fPVi為第i年的植被蓋度;n為監(jiān)測(cè)時(shí)段年數(shù)。

采用t檢驗(yàn)法逐像元或區(qū)域、縣域?qū)χ脖簧w度時(shí)間序列變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性判斷，當(dāng)顯著性水平P<0.05時(shí)認(rèn)為趨勢(shì)顯著、P<0.01時(shí)認(rèn)為趨勢(shì)極顯著。

為了更好地評(píng)價(jià)研究區(qū)植被蓋度變化的顯著程度，依據(jù)斜率和顯著水平對(duì)計(jì)算的S進(jìn)行分級(jí)[23]：顯著提高（S>0，P<0.05）、提高但不顯著（S≥0，P≥0.05）、下降但不顯著（S<0，P>0.05）、顯著下降（S<0，P≤0.05）。

2.4?區(qū)域植被蓋度變化貢獻(xiàn)率

植被蓋度變化貢獻(xiàn)率（C）反映時(shí)段內(nèi)某一分區(qū)對(duì)全區(qū)植被蓋度變化的貢獻(xiàn)程度，C值為正則對(duì)全區(qū)植被變化趨勢(shì)為正貢獻(xiàn)，C值為負(fù)則為負(fù)貢獻(xiàn)，其計(jì)算公式為

式中：Ci為i分區(qū)植被變化對(duì)全區(qū)的貢獻(xiàn)程度;Si為i分區(qū)內(nèi)植被蓋度在時(shí)段內(nèi)的年變率;Pi為i分區(qū)面積占全區(qū)面積的比例;Swhole為全區(qū)植被蓋度時(shí)段內(nèi)的年均變率。

3?結(jié)果與分析

3.1?植被蓋度變化階段及區(qū)域差異

北洛河流域3個(gè)時(shí)段平均植被蓋度分別為60.2%、63.2%和68.5%。對(duì)3個(gè)時(shí)段平均植被蓋度進(jìn)行分級(jí)，其空間分布見(jiàn)圖2，可以看出，研究區(qū)植被蓋度等級(jí)空間分布差異明顯，3個(gè)時(shí)段大于80%的高植被蓋度均集中在土石山林區(qū)，高塬溝壑區(qū)植被以60%～80%的中高蓋度為主。

由表1可知：2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年平均植被蓋度丘陵溝壑區(qū)分別為38.9%、46.1%、52.0%，高塬溝壑區(qū)分別為64.8%、67.8%和73.5%，土石山林區(qū)分別為75.8%、75.7%和81.1%。

上述3個(gè)地貌類(lèi)型區(qū)內(nèi)的12個(gè)縣域平均植被蓋度總體上均呈上升趨勢(shì)，存在的差異主要表現(xiàn)在：丘陵溝壑區(qū)內(nèi)的4個(gè)縣域（靖邊、定邊、吳起、志丹）中，定邊縣3個(gè)時(shí)段始終最低（低于40%），志丹縣最高（2013—2017年甚至超過(guò)60%）;土石山林區(qū)和高原溝壑區(qū)內(nèi)的8個(gè)縣域（甘泉、富縣、洛川、黃龍、黃陵、宜君、合水、華池）中，華池縣3個(gè)時(shí)段始終最低（變化范圍為60%～70%），黃陵縣和黃龍縣3個(gè)時(shí)段均較高（從約80%提高到84%）。

3.2?流域植被蓋度變化趨勢(shì)

北洛河流域及3個(gè)地貌類(lèi)型區(qū)2001—2017年植被蓋度變化情況見(jiàn)圖3。北洛河流域植被蓋度呈極顯著的上升趨勢(shì)，平均變率為0.65%/a。3個(gè)地貌類(lèi)型區(qū)植被蓋度均呈顯著上升趨勢(shì)：土石山林區(qū)波動(dòng)范圍為70%～80%，年增長(zhǎng)速率平均為0.42%，增速相對(duì)緩慢，變化平穩(wěn);高塬溝壑區(qū)波動(dòng)范圍為60%～75%，年均變率0.64%;丘陵溝壑區(qū)波動(dòng)范圍為33%～50%，增速最快，年均變率為1.18%。

從空間分布上（見(jiàn)圖4和表2）來(lái)看：17 a來(lái)北洛河流域植被蓋度顯著上升的面積占比為44.3%，其中41.3%分布在丘陵溝壑區(qū)、24.5%分布在土石山林區(qū)、23.0%分布在高塬溝壑區(qū);植被蓋度上升但不顯著的面積占比為46.6%，其中53.7%分布在土石山林區(qū)、18.2%分布在高塬溝壑區(qū)、16.2%分布在丘陵溝壑區(qū);植被蓋度降低但不顯著的面積占比為6.6%，主要分布在中游（72.6%）和上游（8.8%）;大約有2.4%的面積植被蓋度顯著降低，主要位于下游河流交匯處。

對(duì)流域內(nèi)主要縣域植被覆蓋不同變化趨勢(shì)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：丘陵溝壑區(qū)植被顯著增加面積中約91.9%分布在吳起和志丹兩縣（分別為46.0%、45.9%），土石山林區(qū)和高塬溝壑區(qū)植被顯著增加面積中約66.9%分布在甘泉縣和富縣;丘陵溝壑區(qū)植被增加但不顯著的面積分布在定邊縣（39.2%）、吳起縣（38.9%）和志丹縣（21.4%），土石山林區(qū)和高塬溝壑區(qū)植被增加但不顯著的面積中71.8%分布在富縣和黃陵縣。

3.3?流域植被蓋度變化貢獻(xiàn)分析

2001—2017年北洛河流域3個(gè)地貌類(lèi)型區(qū)和主要縣域植被蓋度變率與對(duì)流域植被蓋度變化的貢獻(xiàn)率見(jiàn)表3。由表3可知植被蓋度年均變率丘陵溝壑區(qū)最大、土石山林區(qū)較小，主要縣域中，志丹年均上升幅度最大（1.36%），其次為靖邊、吳起（分別為1.21%、1.05%），年均變幅較小的有黃龍、黃陵和合水（分別為0.33%、0.33%、0.31%）。

全流域植被蓋度顯著上升，丘陵溝壑區(qū)的貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為46.3%;土石山林區(qū)和高塬溝壑區(qū)的貢獻(xiàn)次之，貢獻(xiàn)率分別為25.3%和21.7%。主要縣域中，志丹、吳起對(duì)流域植被增加貢獻(xiàn)較大，貢獻(xiàn)率分別為23.1%、20.4%;其次為富縣和甘泉縣，貢獻(xiàn)率分別為10.6%和10.2%;合水縣、靖邊縣的貢獻(xiàn)較低，貢獻(xiàn)率分別為1.8%、1.7%。

3.4?植被蓋度變化原因初步分析

植被蓋度變化幅度與縣域退耕還林（還草）政策的貫徹實(shí)施情況密切相關(guān)，同時(shí)受所在氣候帶降水量多少影響。北洛河流域各地貌類(lèi)型區(qū)植被蓋度差異明顯，上游的黃土丘陵溝壑區(qū)與中游的黃土高塬溝壑區(qū)和土石山林區(qū)分屬2個(gè)不同的植被帶[25]，具有不同的氣候條件、下墊面條件和人為影響因素，中游地區(qū)有大面積的林區(qū)[26]是植被蓋度較高的主要原因。各縣的植被變化趨勢(shì)差異明顯，以位于上游的吳起縣為例，作為“全國(guó)退耕還林第一縣”，吳起縣自1999年國(guó)家實(shí)施退耕還林（草）政策以來(lái)，大力實(shí)施退耕還林、封山禁牧，使植被蓋度明顯提高，而同處上游的定邊縣植被蓋度較低且增長(zhǎng)較緩慢，由此可見(jiàn)人為政策因素對(duì)區(qū)域植被蓋度有重要影響，這與陳妮等[13]和閆瑞等[14]的研究結(jié)果相吻合，說(shuō)明國(guó)家實(shí)施的退耕還林（草）政策成效卓著。但是，由于缺少研究區(qū)內(nèi)的土地利用數(shù)據(jù)，因此各類(lèi)型區(qū)和各縣域植被蓋度變化的主要驅(qū)動(dòng)力尚待進(jìn)一步研究。

4?結(jié)?論

（1）北洛河流域植被蓋度在2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3個(gè)時(shí)段平均分別為60.2%、63.2%和68.5%，空間上均呈現(xiàn)土石山林區(qū)>高塬溝壑區(qū)>丘陵溝壑區(qū)。

（2）2001—2017年，北洛河流域植被蓋度整體上表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，植被蓋度上升面積占比為90.9%，其中顯著上升、上升但不顯著面積占比分別為44.3%、46.6%。黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、土石山林區(qū)植被蓋度年均變率分別為1.18%、0.64%、0.42%。主要縣域中，志丹、靖邊和吳起植被蓋度年均變率較大，分別為1.36%、1.21%和1.05%;年均變率較小的有黃龍、黃陵和合水，分別為0.33%、0.33%和0.31%。

（3）對(duì)全流域植被蓋度顯著提高的主要貢獻(xiàn)地區(qū)為丘陵溝壑區(qū)，貢獻(xiàn)率為46.3%，主要貢獻(xiàn)縣域志丹縣、吳起縣、富縣、甘泉縣的貢獻(xiàn)率分別為23.1%、20.4%、10.6%、10.2%。

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