2000年以來浐灞河流域不同地貌區(qū)植被變化特征及影響因素研究

楊媛媛 ，佘志鵬，宋進(jìn)喜，朱大為

1. 西安浐灞生態(tài)區(qū)博士后科研工作站，陜西 西安 710024；2. 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127；3. 西安理工大學(xué)/省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；4. 國網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048

森林植被固碳是減緩氣候變化的主要途徑之一，對中國實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要意義（馮源等，2020）。近年來中國開展了大規(guī)模國土綠化行動（許智超等，2011），自中國1999年實(shí)施退耕還林（草）政策后，2000—2017年，中國對全球貢獻(xiàn)了約25%的新增綠化面積，比例居全球首位（Chen et al.，2019）。秦巴山區(qū)作為中國重要的生態(tài)保護(hù)區(qū)，對氣候變化十分敏感。眾多研究發(fā)現(xiàn)（齊貴增等，2021；王治國等，2020），2000年以來秦嶺地區(qū)植被覆蓋呈顯著上升趨勢，且具有“南高北低”的空間特征，其中，鄧晨暉等（2018）研究發(fā)現(xiàn)秦嶺地區(qū)的植被覆蓋對氣溫的響應(yīng)總體上沒有明顯的時滯效應(yīng)，但與降水的響應(yīng)存在顯著的時滯效應(yīng)；人類活動對秦嶺地區(qū)植被變化的影響以正向作用為主，日趨增強(qiáng)；秦嶺地區(qū)植被變化是氣候變化與人類活動共同作用的結(jié)果，影響因子的作用大小依次為人類活動>降水>氣溫>潛在蒸散量。但是，劉憲鋒等（2015）研究發(fā)現(xiàn)2000—2014年秦巴山區(qū)植被覆蓋變化的反向特征強(qiáng)于同向特征，有46.89%的區(qū)域?qū)⒂筛纳妻D(zhuǎn)為退化，僅34.44%的地區(qū)持續(xù)改善；且降水量和海拔高度對植被覆蓋有一定的影響；隨著城市化的推進(jìn)，城市周邊植被覆蓋顯著降低，即自然因素和人類活動共同影響植被恢復(fù)，且人類活動對植被具有雙重作用。

城市河流是自然生態(tài)系統(tǒng)與城市生態(tài)系統(tǒng)共同作用的區(qū)域，其具有自然性和社會性兩種屬性（朱國平等，2006）。2019年9月18日，習(xí)近平總書記關(guān)于黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重要講話，提出了“讓黃河成為造福人民的幸福河”的偉大目標(biāo)。渭河是黃河的重要支流之一，浐灞河又是渭河最大的一級支流，且浐灞河是連接中國秦嶺和黃土高原地區(qū)的生態(tài)敏感區(qū)（馬新萍等，2012），因此浐灞河的植被建設(shè)工作顯得尤為重要，浐灞河兼具森林區(qū)（植被恢復(fù)為主）、農(nóng)田區(qū)（兼具植被恢復(fù)和人類活動）和城市區(qū)（人類活動為主），故本研究以城市河流——浐灞河流域?yàn)檠芯繉ο?，探索同一河流下不同地貌特征對流域植被恢?fù)的影響特征，以期為黃河流域不同地貌區(qū)的植被建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

浐灞河流域是浐河和灞河兩條的合稱，浐灞河流域位于陜西省西安市東南部，109°00′—109°47′E，33°50′—34°27′N，南依秦嶺山地，北連渭河平原（圖1）。本研究把浐灞河流域劃分為3個區(qū)段，分別為上游山地區(qū)、中游丘陵區(qū)和下游平原區(qū)，其面積分別為1395.54、992.59和300.04 km2，浐灞河流域面積共計(jì)2688.17 m2。浐灞河流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明。降水分布由北向南逐漸增加，趨勢明顯。依據(jù)地貌特征和主要土地利用方式差別，整個浐灞河流域分為3個區(qū)域，分別是上游山地區(qū)、中游丘陵區(qū)以及下游平原區(qū)。上游山地區(qū)為秦嶺山地，土地利用方式以森林為主，降水量最大，多年平均年降水量在830 mm以上；中游丘陵區(qū)的地貌類型為丘陵和黃土塬區(qū)，土地利用類型以耕地為主，多年平均年降水量在710—830 mm之間；下游平原區(qū)地貌類型為川道平原，土地利用以建設(shè)用地為主，多年平均年降水量小于700 mm。根據(jù)灞河馬渡王水文站1970—2020年實(shí)測徑流統(tǒng)計(jì)資料，灞河多年平均流量為 13.93 m3·s?1，年徑流量為 4.41×108m3。受地形、氣溫、濕度、風(fēng)速等影響，蒸發(fā)量由平原向山區(qū)遞減，南北差異明顯，多年平均水面蒸發(fā)量為 776 mm，干旱指數(shù) 1.6。浐灞河流域內(nèi)植被屬暖溫帶針闊葉混交林，原生和次生植被均發(fā)育，以天然次生植被和人工植被為主。

圖1 研究區(qū)概況Figure 1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)采用美國國家航空航天局推出的 MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），時間序列為2000—2020年，時間分辨率為16 d，空間分辨率為 250 m，采用最大值合成法計(jì)算年 NDVI值（Didan，2015）。歸一化植被指數(shù)（NDVI）通過測量近紅外（植被強(qiáng)烈反射）和紅光（植被吸收）之間的差異來量化植被（Li et al.，2021）。NDVI是衡量健康植被的標(biāo)準(zhǔn)化方法，當(dāng)一個地區(qū)植被覆蓋度較高時，其NDVI值也較高，反之當(dāng)植被較少或沒有植被時，NDVI值便低。NDVI被認(rèn)為是植被生長狀況及覆蓋程度的最佳指示因子，是監(jiān)測區(qū)域植被及生態(tài)環(huán)境最有效的指標(biāo)，被廣泛的應(yīng)用在植被變化的相關(guān)研究中（Huang et al.，2019；Bai，2021；李程等，2021；倪銘等，2021）。

數(shù)字高程模型（DEM）來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn），DEM的空間分辨率為30 m。土壤類型圖來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://westdc.westgis.ac.cn），是世界土壤數(shù)據(jù)庫（Harmonized World Soil Database，HWSD）的中國地區(qū)子集。

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國 1?10萬土地利用數(shù)據(jù)庫，本研究采用2000年和2020年2期土地利用數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，分類精度為94%（Liu et al.，2014）。

流域降水量數(shù)據(jù)和徑流量數(shù)據(jù)來自《中華人民共和國水文年鑒》。其中共16個雨量站數(shù)據(jù)，收集到灞河馬渡王水文站1970—2020年的年徑流數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

NDVI值的變異特征采用曼—肯德爾（Mann Kendall，M-K）趨勢分析法進(jìn)行計(jì)算（Hensel et al.，2006），計(jì)算了Mann Kendall的相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。植被恢復(fù)速度采用 Theil Sen斜率值（Theil Sen Slope）計(jì)算（Sen，1968）。上述計(jì)算在TerrSet和ArcGIS Pro等地理信息系統(tǒng)軟件中完成。土壤侵蝕模數(shù)使用修正通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE）計(jì)算（Gao et al.，2021）。采用SPSS 22.0分析數(shù)據(jù)的相關(guān)性、回歸擬合以及進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浐灞流域不同地貌單元年際植被變化特征

統(tǒng)計(jì)浐灞河流域2000—2020年3個地貌單元的NDVI值（圖2），可以看出上游山地區(qū)NDVI值從2000年的0.83增加至2020年的0.91，呈極顯著增加趨勢（P<0.001），中游丘陵區(qū)NDVI從2000年的0.64增加至2020年的0.73，呈緩慢增加趨勢，下游平原區(qū)NDVI從2000年的0.54減少至 2020年的 0.48，呈極顯著減少趨勢（P<0.001）。

圖2 浐灞河流域不同地貌分區(qū)NDVI變化特征Figure 2 NDVI variation characteristics of different geomorphological zone units in the Chanba river basin

浐灞流域典型年份的NDVI如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)上游山地區(qū)的植被明顯好于中游丘陵區(qū)和下游平原區(qū)。同時可以看出，2020年上游山地區(qū)的植被明顯好于2000年。

圖3 浐灞流域典型年份的NDVI圖Figure 3 NDVI map of Chanba river basin in 2000, 2010 and 2020

2.2 不同地貌單元年內(nèi)植被變化特征

使用研究區(qū) 2000—2020年各個獲取日期的NDVI中位數(shù)值，分析浐灞河流域NDVI的年內(nèi)變化特征?？梢钥闯?，上游山地NDVI從3月開始快速增加，6—9月的NDVI均處于較高水平，10月后開始NDVI開始顯著降低。中游丘陵區(qū)NDVI呈現(xiàn)雙峰特征，峰值分別出現(xiàn)在4月和8月，在兩個峰值前后，NDVI增加和降低的速度都較為平緩。下游平原區(qū)的NDVI年內(nèi)分布也有雙峰特征，增加和降低的速度也比較慢，只是其NDVI值進(jìn)一步降低（圖4）。

圖4 浐灞河流域NDVI的年內(nèi)變化特征Figure 4 The characteristics of the annual variation of NDVI in the Chanba River Basin

2.3 不同地貌區(qū)植被恢復(fù)差異

根據(jù)Theil Sen斜率計(jì)算結(jié)果，整個浐灞河流域的植被恢復(fù)速度為0.0019/a。其中，上游山地區(qū)的植被恢復(fù)速度為0.0038/a，中游丘陵區(qū)為0.0009/a，下游平原區(qū)為?0.0038/a，3個地貌區(qū)的植被恢復(fù)速度存在顯著差異（P<0.05）（圖5）。具體來講，上游山地區(qū)90.36%的地區(qū)植被呈增長趨勢，0.12%的地區(qū)呈降低趨勢，9.52%的地區(qū)無顯著變化；中游丘陵區(qū)31.13%的地區(qū)植被呈增長趨勢，19.09%的地區(qū)呈降低趨勢，49.78%的地區(qū)無顯著變化；下游平原區(qū)15.51%的地區(qū)植被呈增長趨勢，43.35%的地區(qū)呈降低趨勢，41.13%的地區(qū)無顯著變化（P<0.05）。

圖5 浐灞河流域植被恢復(fù)趨勢Figure 5 The trends of vegetation restoration in Chanbar river basin

上游山地區(qū)是植被恢復(fù)最快的地區(qū)，在上游山地區(qū)，低山區(qū)的植被恢復(fù)速度為0.0055/a，中山區(qū)的植被恢復(fù)速度為0.0038/a，低山區(qū)的植被恢復(fù)速度高于中山區(qū)，根據(jù)方差分析，低山區(qū)和中山區(qū)的植被恢復(fù)速度呈顯著差異（P<0.05）。由于秦嶺地區(qū)植被的垂直變化明顯（莫申國，2008），所以植被恢復(fù)速度在低山和中山區(qū)的差異顯著。同時上游山地區(qū)坡度組成以陡坡為主，0°—15°的植被恢復(fù)速度為 0.0041/a，15°—25°的植被恢復(fù)速度為0.0040/a，大于25°的植被恢復(fù)速度為0.0035/a，三者之間沒有顯著差異。

中游丘陵區(qū)的主要地貌類型為丘陵和黃土塬，其中丘陵地區(qū)的植被恢復(fù)速度為0.0054/a，而黃土塬地區(qū)的植被恢復(fù)速度為0.0011/a，二者存在顯著差異。與上游山地區(qū)不同的是，在中游丘陵區(qū)0°—15°的植被恢復(fù)速度為?0.0001/a，而大于15°地區(qū)的植被恢復(fù)速度為0.0045/a，二者存在顯著的差異。而在下游平原區(qū)，河流階地與河漫灘地區(qū)植被沒有顯著變化，而平原區(qū)，植被呈現(xiàn)退化趨勢。

2.4 不同地貌區(qū)土地利用差異對植被恢復(fù)影響

根據(jù)2000—2020年土地利用，分析研究區(qū)3個地貌單元 20年來土地利用轉(zhuǎn)移情況，并統(tǒng)計(jì)不同土地利用及轉(zhuǎn)移狀態(tài)下的植被恢復(fù)速度（表1）。上游山地區(qū)土地利用以林地為主，2000—2020年，在土地利用變化中，90.98%由林地轉(zhuǎn)為林地，因此，上游山地區(qū)植被恢復(fù)的主要動力是林地自身植被覆蓋度的提升。在中游丘陵區(qū)，農(nóng)田的植被穩(wěn)定，NDVI變化不大，得益于林地NDVI的增加，這一區(qū)域的NDVI也呈緩慢增加態(tài)勢。城市化是中國平原地區(qū)植被退化的主要因素（Sun et al.，2011），根據(jù)土地利用統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在下游平原區(qū)，部分耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，耕地向建筑用地轉(zhuǎn)化過程中，植被退化明顯，故該分區(qū)的NDVI呈現(xiàn)降低趨勢。

表1 2000—2020年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移及植被恢復(fù)速度Table 1 The land use transfer and the rate of vegetation restoration in the study area from 2000 to 2020

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 植被恢復(fù)與氣象因子的響應(yīng)關(guān)系

由于下游平原區(qū)主要的土地利用為建筑用地且降雨量站點(diǎn)只有1個，本文在此討論上游山地區(qū)和中游丘陵區(qū)植被覆蓋度對年降水量的影響關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)上游山地區(qū)植被覆蓋度與年降水量不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而在中游丘陵區(qū)，植被覆蓋度和年降水量存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.001）。有研究表明，植被對溫度的敏感性高于降水（白紅英，2014；郭鈮等，2008），從本文不同分區(qū)NDVI與年降水量回歸分析（圖6），可以看出，在高植被覆蓋區(qū)，植被變化與年降水量關(guān)系并不密切，而在低植被覆蓋度，植被變化顯著受年降水量影響。

圖6 不同分區(qū)NDVI與年降水量回歸分析Figure 6 Regression analysis of NDVI and annual precipitation in different districts

在全球氣候變化趨勢下，秦嶺地區(qū)的植被可能更為敏感，有研究表明秦嶺以北地區(qū)春季的降水與年NDVI之間顯著相關(guān)，1998—2007年間，秦嶺以北地區(qū)冬季NDVI與溫度相關(guān)系數(shù)較高（孫華等，2009）。在不同物候期，整個秦嶺地區(qū)植被生長始期與3月氣溫之間具有極顯著的相關(guān)關(guān)系，生長末期與9月氣溫之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系（李登科等，2020）。進(jìn)一步將研究區(qū)分為生長季和非生長季兩個時段，分析氣象因子與NDVI的相關(guān)性，其中生長季為5—10月，非生長季為11—4月?？梢钥闯觯瑢τ诮邓?，在中游丘陵區(qū)，生長季NDVI與降水量存在顯著的相關(guān)關(guān)系（P<0.05），而非生長季和上游山地區(qū)，降水量和NDVI沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，但是可以看出，在生長季，降水量和NDVI的相關(guān)性更強(qiáng)。而氣溫與NDVI沒有顯著相關(guān)性，但是在非生長季，氣溫和NDVI相關(guān)性更強(qiáng)一些（表2）。值得注意的是，研究區(qū)的范圍較小，且降水量和氣溫的數(shù)據(jù)處理方法也會對結(jié)果造成顯著影響，上述結(jié)論是否在秦嶺山地具有一般性還需要更多研究。同時，人類活動對秦嶺地區(qū)植被變化的作用日趨增強(qiáng)，在山地以正向作用為主，在平原區(qū)則以負(fù)向作用為主（鄧晨暉等，2018），因此深入研究人類活動對植被的影響。

表2 氣象因子與NDVI的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 2 Pearson correlation coefficient of meteorological factors and NDVI

3.1.2 植被恢復(fù)對水沙過程影響

植被恢復(fù)對流域水沙過程產(chǎn)沙深遠(yuǎn)影響，特別是地形復(fù)雜的山地，植被與水沙過程的影響更加復(fù)雜（Gao et al.，2019）。Xu et al.（2018）對中國主要河流分析后認(rèn)為植被恢復(fù)并沒有減少徑流，但是卻降低了河流的輸沙量，Wang et al.（2016）認(rèn)為，2000年以來黃河輸沙量的減沙，一半貢獻(xiàn)在于植被覆蓋度的增加。根據(jù)灞河馬渡王水文站實(shí)測的徑流量數(shù)據(jù)和計(jì)算的研究區(qū)上游山地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，分別與 NDVI和年降水量進(jìn)行回歸分析，公式為：

式中：

Q——徑流系數(shù)，mm；

V——NDVI值；

P——年降水量，mm；

M——土壤侵蝕模數(shù)，t·hm?2·a?1。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，植被對徑流量的影響較小，貢獻(xiàn)為 8.2%，而年降水量對徑流量的貢獻(xiàn)為90.8%。對土壤侵蝕模數(shù)而言，植被對土壤侵蝕的貢獻(xiàn)為?33.9%，而年降水量對土壤侵蝕的貢獻(xiàn)為79.3%?？梢姡阱焙恿饔?，植被對徑流量的影響較小，而對土壤侵蝕模數(shù)影響較大。

3.2 結(jié)論

本研究取得的主要結(jié)論有：

（1）浐灞河流域上游山地區(qū)、中游丘陵區(qū)以及下游平原區(qū)的年際植被變化差別較為顯著，上游山地區(qū)呈極顯著增加趨勢，中游丘陵區(qū)呈緩慢增加趨勢，下游平原區(qū)呈極顯著減少趨勢。在年內(nèi)分布上，上游山地區(qū)NDVI在6—9月處于較高水平。中游丘陵區(qū)和下游平原區(qū) NDVI的年內(nèi)分布呈現(xiàn)雙峰特征。

（2）整個浐灞河流域的植被恢復(fù)速度為0.0019/a，上游山地區(qū)、中游丘陵區(qū)以及下游平原區(qū)的植被恢復(fù)速度存在顯著差異（P<0.05），其中上游山地區(qū)的植被恢復(fù)速度為0.0038/a，中游丘陵區(qū)為0.0009/a，下游平原區(qū)為?0.0038/a。

（3）在上游山地區(qū)中，海拔對植被恢復(fù)速度具有顯著影響（P<0.05），低山區(qū)的植被恢復(fù)速度高于中山區(qū)的植被恢復(fù)速度。在中游地區(qū)，不同坡度下的植被恢復(fù)存在顯著差異。

（4）上游山地區(qū)植被恢復(fù)的主要動力是林地自身植被覆蓋度的提升，中游丘陵區(qū)植被較為穩(wěn)定，部分林地覆蓋度的提升是這一區(qū)域植被覆蓋度提升的主要原因，而下游平原區(qū)耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地是植被退化的主要原因。

（5）年降水量對上游山地區(qū)的植被覆蓋度影響不顯著，但是年降水量對中游丘陵區(qū)的植被覆蓋度具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.001）。在浐灞河流域，植被恢復(fù)對徑流量的影響較小，而對土壤侵蝕模數(shù)影響較大。