陜西省榆林市植被生態(tài)演變及其驅(qū)動機制

馬 鋒, 卓 靜, 何慧娟, 韓姍姍

(1.榆林市氣象局, 陜西 榆林 719099; 2.陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟作物氣象服務(wù)中心,陜西 西安 710016; 3榆林市能源化工氣象服務(wù)重點實驗室, 陜西 榆林 719099)

植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標(biāo)。植被覆蓋度不僅對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化有著重要指示作用[1]，也是生態(tài)、水文和氣候模型中的關(guān)鍵參數(shù)[2]。區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況一般通過植被覆蓋度來評價，植被覆蓋度變化能夠反映植被的生長態(tài)勢及其進行光合作用的強度[3]。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index， NDVI)作為植被覆蓋度和生長狀況的最佳指示因子[4]，在沒有大的人為干擾和自然災(zāi)害的情況下，能較好的代表一個區(qū)域隨溫度和水分變化的植被生長發(fā)育狀況。

榆林市位于陜西省最北部，南部是黃土高原丘陵溝壑區(qū)，北部是毛烏素沙地，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜脆弱，土地可利用性和承載力較差；同時榆林還是陜西省乃至全國的能源化工基地，隨著榆林經(jīng)濟的快速發(fā)展和能源化工基地建設(shè)，能源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境承載力約束的矛盾日益突出。1999年開始，陜西省實施退耕還林等一系列生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工程，恢復(fù)工程如何影響研究區(qū)植被覆蓋已經(jīng)成為學(xué)者們研究的重點領(lǐng)域。涉及到研究區(qū)的已有研究結(jié)果表明，西北五省[5]、黃土高原地區(qū)[6-7]、陜西省[8]和陜北地區(qū)退耕還林區(qū)等[9-11]區(qū)域的植被覆蓋均有明顯改善的趨勢，顯著增加的區(qū)域主要分布在榆林至延安周邊；植被覆蓋度波動上升趨勢反映了氣候因素和人為因素交互作用的結(jié)果，其中降水和溫度對植被恢復(fù)起到了促進作用，以退耕和植樹造林為主的生態(tài)建設(shè)才是導(dǎo)致NDVI變化的主導(dǎo)因素?，F(xiàn)有研究結(jié)果同時還表明：毛烏素沙地植被覆蓋度偏低，南部植被覆蓋度明顯高于北部區(qū)域；植被覆蓋度好轉(zhuǎn)趨勢明顯；沙地南部和東部地區(qū)植被覆蓋度變化速率大于中部和北部地區(qū)。毛烏素沙地增強植被指數(shù)(EVI)年最大值與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈弱負(fù)相關(guān)；EVI年最小值與降水呈強正相關(guān)，與氣溫呈弱正相關(guān)。農(nóng)作物種植面積的增加、大規(guī)模人工造林以及大牲畜規(guī)模的控制等人類活動有助于植被覆蓋度的提高[12-13]。2000—2013年榆林市植被的變化特征表現(xiàn)為NDVI年平均值呈上升趨勢，整體上植被覆蓋情況在逐漸變好。這是由于多年來開展生態(tài)環(huán)境保護的積極效果[14]。

綜合分析現(xiàn)有研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的研究工作大多數(shù)集中在黃土高原和全省這些大范圍區(qū)域，缺少最新的專門針對陜西北部榆林市的專項植被生態(tài)恢復(fù)的專題研究，現(xiàn)有研究成果不能滿足該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)工程成效評估，不能為相關(guān)政府決定提供詳細(xì)的支撐數(shù)據(jù)。因此，本文利用MODIS衛(wèi)星植被指數(shù)產(chǎn)品，采用像元二分模型從NDVI反演植被覆蓋度，分析2000—2018年陜西北部生態(tài)脆弱區(qū)榆林市的植被生態(tài)變化情況，同時詳細(xì)分析了榆林市所轄區(qū)縣和南北不同區(qū)域的植被覆蓋度演化規(guī)律，并從自然和人類活動兩方面研究植被生態(tài)的驅(qū)動機制，對退耕還林和防沙治沙等生態(tài)建設(shè)工程的作用進行客觀評價，為政府后續(xù)資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)榆林市位于陜西省最北部，西鄰甘肅、寧夏，北連內(nèi)蒙古，東隔黃河與山西相望，南與陜西省延安市接壤，下轄2區(qū)(榆陽、橫山)、1市(神木)和9縣(見圖1)。地理位置北緯36°57′—39°35′，東經(jīng)107°28′—111°15′，總面積約為4.40×104km2，約占陜西省21%。地貌大體以長城為分界線，北部風(fēng)沙草灘區(qū)，占總面積的42%，南部黃土丘陵溝壑區(qū)，占總面積的58%，風(fēng)蝕沙化和水土流失嚴(yán)重，是全國土地荒漠化和沙化危害嚴(yán)重地區(qū)之一。研究區(qū)屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，氣溫四季明顯，年降水量400 mm左右，氣象災(zāi)害較多，每年都有不同程度的干旱、暴雨、冰雹、大風(fēng)、沙塵和高溫等災(zāi)害發(fā)生，立地條件較差，水土流失嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)來源主要有3大類：觀測資料、遙感圖像和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)主要來源于氣象部門各氣象站觀測數(shù)據(jù)，包括榆林市12個國家氣象站2000—2018年年降水量和年均氣溫數(shù)據(jù)，主要用于氣候背景分析及其與植被變化的相關(guān)性研究。遙感數(shù)據(jù)采用美國NASA LP DAAC 2000—2018年MODIS衛(wèi)星250 m分辨率晴空資料16 d合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，主要用于植被生態(tài)演化規(guī)律分析。統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用的是榆林市退耕還林等生態(tài)恢復(fù)工程實施數(shù)據(jù)，來源于榆林市林草局，用于植被生態(tài)變化驅(qū)動機制分析研究。

圖1 研究區(qū)地理位置

2.2 研究方法

本文采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)進行植被覆蓋度遙感估算，結(jié)合混合像元分解模型的像元二分法，構(gòu)建定量估算植被覆蓋度模型，分析榆林市植被覆蓋度時空變化特征。

利用最大值合成法對各年NDVI進行最大值合成，來客觀反映一年中植被生長的最好狀況?；旌舷裨腘DVI是兩部分植被指數(shù)值的加權(quán)平均和，權(quán)重為各部分在像元中的面積比例，表達(dá)式[8]為：

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

(1)

式中：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;C為植被覆蓋度。變換可得NDVIsoil變化范圍一般在-0.1～0.2之間，代表著純土壤像元的最小值，它應(yīng)該是不隨時間改變。NDVIveg代表著純植被像元的最大值，理論值為1。在應(yīng)用中，多數(shù)研究采用研究區(qū)域NDVI最大值和最小值，即NDVIveg=NDVImax，NDVIsoil=NDVImin。

按照李登科等人的研究成果，將研究區(qū)的植被覆蓋度分為11級，fveg=0%定義為無植被，其余每間隔10%分一級。把植被覆蓋度定義為3個等級，即低覆蓋度0%～30%，中覆蓋度30%～60%，高覆蓋度60%～100%。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時空變化分析

研究區(qū)2000—2018年植被覆蓋度在波動中呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(p<0.001。見表1，圖2)，平均每年增加速率1.47%/a。2018年全市植被覆蓋度46.1%，創(chuàng)21世紀(jì)以來最高值，較2000年增加34%，較2017年增加5.5%。近19 a全市植被覆蓋度平均值29.7%，有8 a高于平均值，主要集中在2009—2013，2016—2018年兩個時段。2014年和2015年植被覆蓋度出現(xiàn)低值區(qū)，主要原因為這兩個年份年降雨量的大幅減少。

表1 研究區(qū)及各區(qū)縣植被覆蓋度及其與時間相關(guān)性分析

圖2 2000-2018年研究區(qū)植被覆蓋度變化

附圖13—14(見封3)是研究區(qū)2000年與2018年植被覆蓋度的空間分布圖，從圖中可以看出，2000年榆林市植被覆蓋度整體較低，絕大多數(shù)地區(qū)數(shù)值集中在0%～20%這一區(qū)間；2018年植被覆蓋度整體大幅提高，全市范圍內(nèi)黃色區(qū)域顯著減小，綠色區(qū)域明顯增大，植被覆蓋度基本集中在50%～60%這一區(qū)間；南部黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋度增加較北部風(fēng)沙草灘區(qū)明顯。

詳細(xì)分析研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)，可以看出(見表1)：2000—2018年研究區(qū)所轄兩區(qū)一市九縣的植被覆蓋度均呈持續(xù)極顯著增加趨勢。2000年除綏德和米脂兩縣植被覆蓋度大于20%，其余各區(qū)縣均小于20%，其中橫山區(qū)及榆陽區(qū)甚至小于10%。2018年植被覆蓋度除榆陽區(qū)小于40%以外，其余各區(qū)縣均大于40%，米脂縣更是超過了60%。19 a間所轄各區(qū)縣中，吳堡縣增加最大，由11.4%增加至57.6%，增加了46.3%；佳縣次之，從12.4%增加至57.4%，增加了45%。就增加幅度而言，橫山區(qū)增加幅度最大，增幅高達(dá)754.4%，吳堡縣次之，增幅為406.4%。

北部風(fēng)沙草灘區(qū)是中國4大沙地——毛烏素沙地南緣地帶，該區(qū)域位于中國北方半干旱區(qū)的農(nóng)牧交錯帶，處于森林—草原—荒漠的生態(tài)應(yīng)力帶上，是中國重要的生態(tài)屏障區(qū)，其生態(tài)環(huán)境具有較強的敏感性和脆弱性[14]。研究結(jié)果表明(見圖3)，2000—2018年該區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(p<0.001)，2018年植被覆蓋度達(dá)38.03%，較2000年增加28.04%，年平均增加1.17%/a，增長較快的區(qū)域集中在定邊、靖邊、橫山及神木等市縣。

南部黃土丘陵溝壑區(qū)，風(fēng)蝕沙化和水土流失嚴(yán)重，是全國土地荒漠化和沙化危害嚴(yán)重地區(qū)之一，也是退耕還林等生態(tài)恢復(fù)工程實施的重點區(qū)域。研究結(jié)果表明(見圖4)：2000—2018年該區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(p<0.001)，2018年植被覆蓋度51.55%，較2000年增加38.10%，年平均增加1.66%/a，高于北部風(fēng)沙草灘區(qū)的增速，增加區(qū)域主要集中在黃河沿岸吳堡、佳縣、綏德和米脂等縣。

圖3 風(fēng)沙草灘區(qū)植被覆蓋度數(shù)據(jù)

圖4 黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋度數(shù)據(jù)

3.2 驅(qū)動機制分析

3.2.1 自然因素的影響分析 氣候要素是影響植被在地表分布的重要因素，分析氣候要素對植被覆蓋度時空分布格局變化的驅(qū)動作用，對預(yù)測未來情景下的植被覆蓋度具有重要意義[15]。本文將年降水量和年均氣溫作為主要氣候要素，分析其對植被覆蓋度時空格局變化的驅(qū)動作用。

根據(jù)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示(見圖5—6，表2)：2000—2018年研究區(qū)年降水量呈現(xiàn)很顯著上升趨勢，年降水量從294.7 mm增加至526.9 mm，增加232.2 mm，增幅78.8%，年均增速10.70 mm/a；研究時段內(nèi)多年年均降水量為456.1 mm，高于30 a平均值(404.4 mm)；2017年降水量最多，為637.1 mm。年降水量和植被覆蓋度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.725。研究區(qū)年均氣溫呈現(xiàn)不顯著增加趨勢，年均溫度增加0.3 ℃，增幅2.8%，年均增速0.11 ℃/a。研究時段內(nèi)多年平均氣溫為10.1 ℃，其中2001，2002，2006，2007，2013，2015—2018年9 a的年均氣溫高于平均值；2006年和2015年最高，為10.7 ℃，2012年最低，僅為9.2 ℃。年均氣溫與植被覆蓋度也呈現(xiàn)正相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)僅為0.027，未通過顯著性檢驗。

綜合分析以上結(jié)果，可以看出：在研究時段內(nèi)，研究區(qū)的整體氣候條件表現(xiàn)為暖濕化，對于植被生長和植被恢復(fù)呈現(xiàn)利好趨勢，這一分析結(jié)論與現(xiàn)有研究結(jié)果[16]一致。

表2 氣象條件與時間和植被覆蓋度的相關(guān)性分析

圖5 2000-2018年研究區(qū)年平均降水量變化

圖6 2000-2018年研究區(qū)年均氣溫變化

3.2.2 人類活動的影響分析 退耕還林主要是把山高坡陡、水土流失嚴(yán)重、土地貧瘠、產(chǎn)量低的坡耕地實施退耕，而把土地平緩、土質(zhì)肥沃的留作耕地。根據(jù)榆林市林草局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：1999年陜西榆林市開始實施退耕還林工程試點，2002年開始大面積實施退耕還林，截止2018年各級政府共完成全市退耕地還林223 966.7 hm2，宜林荒山荒地造林348 013.3 hm2，封山育林8 446.7 hm2。工程實施范圍涉及12個市區(qū)(縣)，166個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(辦事處)，2 925個行政村，3.9萬戶，130萬人，退耕還林工程實施區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了有效治理。

2003年，榆林市被列為毛烏素沙地防沙治沙綜合示范區(qū)，各級政府啟動實施了防沙治沙綜合示范區(qū)建設(shè)工程。16 a的時間里，研究區(qū)以加快區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善為目標(biāo)，在所轄兩區(qū)、一市和9縣范圍內(nèi)開展防風(fēng)治沙建設(shè)[17]，截至2018年營造防風(fēng)固沙林、水土保持林、經(jīng)濟林7 426.6 hm2，造林成活率、保存率均超過85%。通過防沙治沙示范區(qū)工程建設(shè)，使境內(nèi)沙區(qū)573 333 hm2流沙全部得到治理。第五次荒漠化和沙化監(jiān)測結(jié)果顯示：研究區(qū)沙化土地治理率93.24%，荒漠化土地面積比1999年減少314 666.6 hm2。沙區(qū)流沙全部得到固定和半固定，實現(xiàn)了區(qū)域性的荒漠化逆轉(zhuǎn)。因此，退耕還林和防沙治沙等生態(tài)工程的實施是2000年以來研究區(qū)植被覆蓋度顯著增加的主導(dǎo)因素。

4 結(jié) 論

(1) 2000—2018年研究區(qū)整體植被覆蓋度波動中呈現(xiàn)極顯著增加趨勢，平均每年增加速率1.47%；南部黃土高原丘陵溝壑區(qū)和北部風(fēng)沙草灘區(qū)植被覆蓋度均呈現(xiàn)極顯著增加趨勢，南部年均增速高于北部地區(qū)。各區(qū)縣植被覆蓋度吳堡縣增加最大，增加了46.3%；佳縣次之，增加了45%。

(2) 2000—2018年榆林市年降水量呈現(xiàn)很顯著增加趨勢，而氣溫增加不明顯，整體氣候表現(xiàn)為暖濕化，有利于植被的恢復(fù)和生長。年降水量與植被覆蓋度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，年均氣溫與植被覆蓋度顯著性不明顯。

(3) 生態(tài)恢復(fù)工程是榆林市植被生態(tài)改善的主要驅(qū)動機制，氣候條件起到了促進作用。實施退耕還林和防沙治沙示范工程以來，榆林市林木保存面積達(dá)到1 498 666 hm2，林木覆蓋率提升到34.8%，沙化土地治理率達(dá)93.24%，土地沙化和水土流失明顯減輕。