黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋度變化監(jiān)測

張舒婷，王曉慧，彭道黎，紀(jì) 平，劉 華，凌成星，侯瑞霞

（1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所，北京 100091；3.國家林業(yè)和草原局 林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091）

水土流失是黃土高原面臨的嚴(yán)峻問題。嚴(yán)重的水土流失破壞土地資源，導(dǎo)致土地荒漠化，地表植被大量退化，降低土地生產(chǎn)力[1]。20世紀(jì)70年代以來，隨著自上而下大規(guī)模的“三北”(西北、華北和東北)防護(hù)林工程、退耕還林(草)工程和天然林保護(hù)工程等一系列重點(diǎn)生態(tài)工程的實(shí)施，黃土高原水土流失治理取得了一定成效。人類活動(dòng)強(qiáng)度減弱，森林灌草面積增加[2]，植被生長狀況良好[3]，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力呈增加趨勢[4]，生態(tài)環(huán)境得到較大改善[5]。然而，黃土高原生態(tài)環(huán)境治理新時(shí)期，面臨新的問題。有研究表明：黃土高原林業(yè)工程建設(shè)接近環(huán)境承載潛力，后期合理協(xié)調(diào)水土資源配置與植被建設(shè)是關(guān)鍵任務(wù)[6]。地形是影響植被分布格局的主導(dǎo)因子，通過地形差異研究植被分布規(guī)律，可為制定合理的生態(tài)修復(fù)和管理對(duì)策提供依據(jù)。國內(nèi)外有不少學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，定量分析植被覆蓋狀況與高程、坡度和坡向間的關(guān)系，并因地制宜提出造林和管理措施[7?9]。目前黃土高原植被覆蓋度變化研究多以MODIS、NOAA/AVHRR為數(shù)據(jù)源，從地貌上分析整個(gè)黃土高原或者省范圍內(nèi)的植被覆蓋情況[10?11]，但以相對(duì)較高的空間分辨率開展中小尺度的研究對(duì)管理經(jīng)營更有實(shí)踐價(jià)值[12?13]。陜西省延安市安塞區(qū)位于黃河中上游，是黃土高原水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境脆弱，也是“三北”防護(hù)林、退耕還林(草)工程實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域。近年來，安塞區(qū)植被覆蓋度有所提高，生態(tài)環(huán)境得到改善，但是已實(shí)施工程的成果鞏固存在隱患，質(zhì)量效益有待提升。鑒于此，本研究利用安塞區(qū)2000年Landsat TM和2017年Landsat OLI影像，結(jié)合數(shù)字高程模型(DEM)生成的高程、坡度和坡向分析植被覆蓋的變化及分布規(guī)律，以期為開展生態(tài)工程、提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量提供支撐。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

安塞區(qū) (36°30′45″～37°19′03″N，108°05′44″～109°26′18″E)位于陜西省北部，延安市北部，地處西北內(nèi)陸黃土高原腹地，屬典型的黃土高原梁峁丘陵溝壑區(qū)。土地總面積2 950 km2(其中90%為坡地[14])，地勢西北高、東南低，海拔為997～1 731 m。地貌類型以黃土梁澗、黃土峁?fàn)钋鹆辍ⅫS土梁峁丘陵和溝谷階地為主。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，年均氣溫8.8 ℃，年均降水量505.3 mm，降水多集中在7?9月，年均蒸發(fā)量1 000.0 mm，遠(yuǎn)大于降水量，干旱頻發(fā)。土壤以黃綿土、綿沙土等黃土性土和灰褐土為主，缺乏有機(jī)質(zhì)和黏粒物質(zhì)，膠結(jié)能力差，抗蝕能力低。因此，研究區(qū)水土流失嚴(yán)重，水土流失面積比例約97%，屬于強(qiáng)度水土流失區(qū)。處于森林草原植被帶向暖溫帶落葉闊葉林帶過渡地帶，植被及森林資源分布南北差異明顯。天然次生林集中分布在南川四鄉(xiāng)，人工林由小葉楊Populussimonii、山杏Armeniacasibirica、刺槐Armeniacasibirica及白榆Ulmuspumila等樹種構(gòu)成[15]，多分布在北部。

1.2 數(shù)據(jù)來源

以Landsat衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，由中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載(http://www.gscloud.cn/)2000年的Landsat TM影像和2017年的Landsat OLI影像，遙感影像空間分辨率為30 m，軌道號(hào)分別為127/34和127/35。2期影像成像時(shí)間均為樹木枝葉繁茂的6月，質(zhì)量較好，沒有山區(qū)積雪、云和霧等影響，而且成像時(shí)間相近，避免不同植被生長狀況造成的誤差，有利于開展植被覆蓋度的遙感分析比較。為了開展植被覆蓋度地帶性特征分析，本研究還采用了地面分辨率為30 m的ASTER GDEM V1數(shù)字高程產(chǎn)品。

1.3 影像預(yù)處理

在ENVI 5.1軟件支持下對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，消除因傳感器、大氣條件、太陽位置和角度等引起的測量值與真實(shí)光譜反射率之間的差異。研究區(qū)溝壑縱橫，復(fù)雜地形下遙感影像受傳感器方位與太陽高度、方位等影響，陰坡接收到的照度較弱，亮度值較低，陽坡接收到的照度較強(qiáng)，亮度值較高。地形校正是復(fù)雜地形區(qū)遙感影像預(yù)處理的重要步驟。本研究應(yīng)用了SCS+C地形校正[16]，消除地形起伏引起的影像輻射亮度值的變化，使影像更好地反映地物的光譜特征。最后采用相同投影的矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪獲得研究區(qū)的遙感影像。

1.4 植被覆蓋度提取

像元二分模型是植被覆蓋度估算中常見的模型之一，其本質(zhì)是簡單的線性像元分解模型[17]。一般情況下，像元包含的遙感信息與大氣、土壤和植被類型等因素相關(guān)。像元二分模型設(shè)置了Sveg和Ssoil2個(gè)參數(shù)，Sveg反映了像元內(nèi)的植被信息，包括植被結(jié)構(gòu)和種類等，Ssoil反映了包括土壤濕度、亮度、顏色和類型等與土壤相關(guān)的像元信息，從而削弱了大氣、植被和土壤等因素對(duì)應(yīng)影像信息的影像，保留了植被覆蓋度信息。像元二分模型簡單而且結(jié)果可靠，采用該模型估算植被覆蓋度。歸一化植被指數(shù)(INDV)與植被覆蓋度之間存在較好的線性關(guān)系，能反映植被生長狀態(tài)及植被覆蓋等信息，構(gòu)建的植被覆蓋度計(jì)算公式[18]為：

式(1)中：FC為植被覆蓋度(%)；INDV為歸一化植被指數(shù)；INDVmin為無植被覆蓋像元的INDV值；INDVmax為完全被植被所覆蓋的像元的INDV值。根據(jù)INDV統(tǒng)計(jì)直方圖，以1%確定閾值。

計(jì)算出來的植被覆蓋度影像，將大于1的賦值為1，小于0的賦值為0，然后對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)已有研究[19]，將植被覆蓋度分為5級(jí)：低植被覆蓋度(FC＜10%)、較低植被覆蓋度(10%≤FC＜30%)、中等植被覆蓋度(30%≤FC＜50%)、較高植被覆蓋度(50%≤FC＜70%)和高植被覆蓋度(FC≥70%)。

對(duì)2000和2017年植被覆蓋度采用差值法獲取植被覆蓋度變化值(D)，設(shè)置閾值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)，將全區(qū)分為7個(gè)植被覆蓋度變化等級(jí)：D≤?30%為極顯著減少，?30%＜D≤?10%為顯著減少，?10%＜D≤?5%為較顯著減少，?5%＜D≤5%為無顯著變化，5%＜D≤10%為較顯著增加，10%＜D≤30%為顯著增加，D＞30%為極顯著增加。

1.5 地形信息提取

地形是植被分布的重要影響因素。利用ArcGIS軟件從DEM數(shù)據(jù)中提取海拔、坡度和坡向數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行分級(jí)，與植被覆蓋度疊加，分析植被覆蓋度在不同地形環(huán)境中的分布和變化差異。安塞區(qū)海拔為997～1 731 m，將海拔分為6級(jí)。結(jié)合地形對(duì)植物長勢的影響，借鑒水土流失調(diào)查中采用8°作為緩坡和斜坡界線的方法[20?21]，將坡度分為6級(jí)；依據(jù)地球公轉(zhuǎn)以及太陽入射角，北半球西南坡最干燥，東北坡最潮濕，按濕潤程度由高到低依次為東北向、北向、西北向、東向、西向、東南向、南向、西南向，考慮坡向?qū)χ脖婚L勢的影響，將其分為5級(jí)[22?23]。地形要素分類情況見表1。

表 1 地形因子分級(jí)及面積Table 1 Terrain factor classification and area

2 結(jié)果與分析

2.1 2000 和 2017 年植被覆蓋度分布情況

2000和2017年安塞區(qū)平均植被覆蓋度分別為24.98%和53.34%，呈明顯上升趨勢(表2)。利用2018年8月研究區(qū)內(nèi)40個(gè)樣點(diǎn)測量植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，相關(guān)系數(shù)為0.729 0，說明估算值與實(shí)際值具有一定的相關(guān)性。2000年安塞區(qū)植被覆蓋度整體低，其中較低植被覆蓋度占57.57%，低植被覆蓋度占18.18%，中等植被覆蓋度占16.34%。較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度均很少，面積分別占4.28%和3.63%。由2000年安塞區(qū)植被覆蓋度分級(jí)圖(圖1)可見：安塞區(qū)植被及森林資源分布南北差異顯著，南部存在高植被覆蓋度的天然次生林，北部植被覆蓋度較低。

表 2 2000 和 2017 年安塞區(qū)植被覆蓋度等級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of vegetation coverage in Ansai District in 2000 and 2017

圖 1 2000和2017年植被覆蓋度分級(jí)示意圖Figure 1 Vegetation coverage classification in 2000 and 2017

2017年安塞區(qū)植被覆蓋度獲得較大改善，植被覆蓋度總體上較2000年大幅度提升。低和較低植被覆蓋度面積減少，其中低植被覆蓋度面積僅占2.95%。中等、較高和高植被覆蓋度面積分別占27.65%、25.41%和27.47%。由2017年植被覆蓋度分級(jí)圖(圖1)可見：安塞區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)由南向北遞減趨勢，北部主要是低和較低植被覆蓋度區(qū)域，南部是高植被覆蓋度的天然次生林地帶，河流沿岸和城鎮(zhèn)周邊為較高植被覆蓋度區(qū)。

2.2 2000?2017 年植被覆蓋度變化

2000?2017年安塞區(qū)植被覆蓋狀況明顯好轉(zhuǎn)，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度呈現(xiàn)不同程度的增加(圖2)。植被覆蓋度顯著和極顯著增加面積占77.38%，其中極顯著增加比例較大，占44.70%。植被覆蓋度極顯著增加區(qū)域分布在安塞區(qū)的河流沿岸，植被覆蓋度顯著增加區(qū)域主要集中在安塞區(qū)的西南部和北部。安塞區(qū)有177.83 km2植被覆蓋度較顯著減少，植被覆蓋度無顯著變化區(qū)域集中在南部的天然次生林地帶，這些區(qū)域植被覆蓋狀況良好，改善空間不大。

圖 2 2000和2017年植被覆蓋度變化分級(jí)示意圖Figure 2 Vegetation coverage change classification map in 2000 and 2017

人類活動(dòng)是植被覆蓋變化的影響因素。1999年以來黃土高原大規(guī)模實(shí)施的退耕還林(草)、“三北”防護(hù)林、天然林保護(hù)等一系列重點(diǎn)林業(yè)工程是植被覆蓋度增加的重要因素之一。根據(jù)《中國林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》獲得安塞區(qū)2001?2017年的造林?jǐn)?shù)據(jù)(表3)。17 a間，安塞區(qū)在退耕還林、天然林保護(hù)等林業(yè)生態(tài)工程的帶動(dòng)下，完成人工造林1 148.95 km2，飛播造林74.18 km2，封山育林99.53 km2，修復(fù)退化林13.34 km2。安塞區(qū)始終將人工造林、飛播造林和封山育林三者結(jié)合，增加森林植被覆蓋度。2001?2003年造林面積最多，但2004?2006年，由于干旱缺水，大量沙棘Hippophaerhamnoides人工林死亡導(dǎo)致植被覆蓋度明顯下降[24]。封山育林按照自然規(guī)律，利用植被自我恢復(fù)功能培育森林資源，對(duì)迅速恢復(fù)和擴(kuò)大植被意義重大。此外，自2016年起安塞區(qū)采用更新改造技術(shù)開展退化林修復(fù)，以提升森林質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營。

表 3 安塞區(qū)造林面積統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of afforestation area in Ansai District

2.3 植被覆蓋度的地形分異特征

2.3.1 植被覆蓋度隨海拔的變化規(guī)律 根據(jù)不同海拔植被覆蓋度的統(tǒng)計(jì)(表4)，2000年安塞區(qū)植被覆蓋度隨海拔的增加大致呈降低趨勢，2017年植被覆蓋度隨海拔升高先增加后減少，在海拔1 100～1 200 m內(nèi)植被覆蓋度最高，較高和高植被覆蓋主要集中在海拔1 100～1 300 m區(qū)域。

比較各海拔等級(jí)的植被覆蓋度，2000年研究區(qū)整體植被覆蓋度低，各海拔等級(jí)內(nèi)，較低植被覆蓋度所占面積比例最大，為49.84%～60.32%；高植被覆蓋面積比例最少，為1.88%～5.44%。2017年海拔＜1 300 m區(qū)域，面積比例最大的是高植被覆蓋度；海拔＞1 300 m區(qū)域，中等植被覆蓋度面積比例最大；海拔＞1 500 m時(shí)，30.10%為較低植被覆蓋度。2000和2017年，各海拔等級(jí)間的植被覆蓋度面積隨海拔增加呈先增加后減少的趨勢，拐點(diǎn)海拔區(qū)間為1 200～1 400 m(表4)。

表 4 安塞區(qū)不同海拔植被覆蓋度的面積變化Table 4 Area of different vegetation coverage at different altitudes in Ansai District

2.3.2 植被覆蓋度隨坡度的變化規(guī)律 根據(jù)不同坡度植被覆蓋度的統(tǒng)計(jì)(表5)，2000年安塞區(qū)植被覆蓋度隨坡度增加逐漸增加，增幅很??；2017年植被覆蓋度隨坡度增加先增加后減少，坡度為25°～35°時(shí)，植被覆蓋度最大。

表 5 安塞區(qū)不同坡度植被覆蓋度的面積Table 5 Area of different vegetation coverage at different slopes in Ansai District

比較各坡度等級(jí)的植被覆蓋度，2000年較低植被覆蓋度面積比例最大，為52.90%～63.67%；較高植被覆蓋度面積較少，高植被覆蓋度面積僅占1.97%～3.78%。2017年，坡度＜15°和＞35°區(qū)域中，中等植被覆蓋度面積比例最大，在27%左右；坡度15°～25°、25°～35°，高植被覆蓋度面積比例最大，分別為29.04%和30.21%。各植被覆蓋度面積隨海拔增加呈先增加后減少的趨勢，15°～25°坡度的面積最大，但2017年低植被覆蓋度在8°～15°坡度時(shí)，面積最大(表5)。

2.3.3 植被覆蓋度隨坡向的變化規(guī)律 根據(jù)不同坡向植被覆蓋度的統(tǒng)計(jì)(表6)，安塞區(qū)植被覆蓋度由高到低依次為陰坡、半陰坡、半陽坡、平地和陽坡。分析各坡向等級(jí)內(nèi)的植被覆蓋度，2000年各坡向內(nèi)，較低植被覆蓋度面積比例為50%以上，但2017年，平地、陰坡和半陰坡中以高植被覆蓋度為主要類型，面積比例分別為28.84%、34.8%和30.78%；半陽坡、陽坡以中等植被覆蓋度為主要類型，面積比例分別為32.63%和29.54%。說明陰坡、半陰坡植被覆蓋改善優(yōu)于陰坡、半陰坡。2000年，陰坡植被長勢好，面積大，但較低植被覆蓋度在陽坡面積為477.43 km2，大于陰坡的390.71 km2。2017年，低和高植被覆蓋度在陰坡面積最大，較低、中等和高植被覆蓋度在陽坡面積最大。

表 6 安塞區(qū)不同坡向植被覆蓋度的面積Table 6 Area of different vegetation coverage in each slope direction in Ansai District

3 討論

地形控制了太陽輻射和降水的空間再分配過程，一定程度上制約了植被的生長和空間分布，尤其是在地形復(fù)雜的山區(qū)。黃土高原地域廣闊、地形復(fù)雜，由于地理本底(如水熱條件)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素(如土地利用類型)的影響，不同地形類型區(qū)域的植被格局不同。

海拔通過影響溫度、濕度等資源的再分配，以及人類活動(dòng)頻率影響植被覆蓋率。安塞區(qū)海拔＜1 100 m的區(qū)域，地勢平坦、水熱條件好，人工造林以及自然植被恢復(fù)的成活率高，所以植被覆蓋度很快得到提高。隨海拔升高，氣溫降低，海拔1 400 m以上主要為丘陵溝壑分布區(qū)，溝壑縱橫，植被稀疏，侵蝕劇烈，土壤保水能力差，有機(jī)質(zhì)少，給人工造林和植被自然恢復(fù)增加了難度，植被覆蓋度增幅受限。

坡度影響地表的物質(zhì)流動(dòng)和能量循環(huán)，一般坡度越大的地區(qū)，積溫越少，投影面積相同條件下降水量越小，土層持水性能也越差。研究表明：15°～35°坡度內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，蓄水條件好，是植被覆蓋的穩(wěn)定區(qū)域；而坡度＜5°時(shí)，人類活動(dòng)在平坦土地上較為頻繁，對(duì)植被覆蓋有一定影響[25]。安塞區(qū)堅(jiān)持實(shí)施坡度＞25°以上的坡耕地先退耕還林，所以15°～35°坡度范圍內(nèi)，植被恢復(fù)好，以高植被覆蓋度為主；坡度＜15°區(qū)域人類活動(dòng)頻繁，耕地面積大，使得植被覆蓋度較低，以中等植被覆蓋度為主；坡度＞35°區(qū)域，植被生長受水熱條件限制，所以中等植被覆蓋度面積比例最大。

坡向影響坡面接受的太陽輻射以及地表與風(fēng)向的夾角，從而影響光、熱、水、土等因子的分配[26]。安塞區(qū)處于干旱半干旱區(qū)域，陰坡日照少、溫度低，蒸發(fā)量較少，土壤保持相對(duì)較高的濕度，所以各坡向植被覆蓋度由高到低依次為陰坡、半陰坡、半陽坡和陽坡。2017年平地、陰坡和半陰坡以高植被覆蓋度為主，半陽坡、陽坡的中等植被覆蓋度面積比例最大，符合此規(guī)律。近年來，安塞區(qū)重視重點(diǎn)區(qū)域的荒坡治理，采取承包造林的方式，陽坡栽植側(cè)柏Platycladusorientalis，陰坡栽植油松Pinustabuliformis的思路，選用營養(yǎng)缽苗木造林，局部區(qū)域治理成效顯著。安塞區(qū)內(nèi)陰坡、半陰坡和半陽坡面積相近，但2017年較低、中等和高植被覆蓋度在陽坡面積最大，說明近年來，人工造林使得陽坡的植被在較低、中等和高植被覆蓋度上的改善程度大于其他坡向[27]。

4 結(jié)論

安塞區(qū)是黃土高原生態(tài)環(huán)境治理的重點(diǎn)區(qū)域，植被覆蓋度從2000年的24.98%增長到2017年的53.34%，河流沿岸植被顯著增加，整體植被呈改善趨勢。地形是影響植被覆蓋度時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的重要自然因子。安塞區(qū)內(nèi)，坡度25°以上區(qū)域治理重點(diǎn)是保持水土，應(yīng)根據(jù)山地肥力引種沙棘、苜蓿Medicago、紫穗槐Amorphafruticosa等根系發(fā)達(dá)的植物。海拔1 300～1 400 m、坡度15°～25°的區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)面積比例的35%以上，這些區(qū)域應(yīng)采取不同林業(yè)工程的實(shí)施模式，適地適樹、因地制宜，才能加快實(shí)現(xiàn)黃土高原大綠化進(jìn)程。