2000-2020年黃土高原植被覆蓋度時空格局變化分析

王逸男， 孔祥兵， 趙春敬， 姚貴琦， 郭 凱

(1.黃河水利科學(xué)研究院，水利部黃土高原水土保持重點實驗室，鄭州 450003； 2.河南省水土保持監(jiān)測總站，鄭州 450008)

植被是土地覆被的最主要部分，其變化對全球能量循環(huán)及物質(zhì)的生物化學(xué)循環(huán)具有重要的影響。植被與氣候、土壤、地下水、生物量等因素密切相關(guān)，因此，對植被覆蓋的動態(tài)監(jiān)測研究廣泛應(yīng)用于土壤、水土保持、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域。黨的十八大以來，我國對環(huán)境保護(hù)的重視程度達(dá)到了新的高度，提出良好的生態(tài)環(huán)境與民生福祉、人類生存、生產(chǎn)力密不可分，也是展現(xiàn)我國良好形象的發(fā)力點，對生態(tài)環(huán)境的研究提出了新的要求。歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)對綠色植被表現(xiàn)敏感，該指數(shù)常被用來進(jìn)行區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究。李凱等基于像元二分法，利用MODIS數(shù)據(jù)分析了近10年白龍江流域植被覆蓋度變化與滑坡的相關(guān)性；張曉東等利用Landsat影像分析了1989—2014年鹽池縣植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點時空格局關(guān)系；宋敏敏等利用8年MODIS數(shù)據(jù)分析了延河流域的時空演變規(guī)律；康滿萍等利用Landsat數(shù)據(jù)結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析了蘇干湖濕地植被覆蓋度時空變化格局；王建國等使用像元二分法和重心遷移模型分析了2000—2019年新疆植被覆蓋度時空格局及重心變化。以上研究結(jié)果表明，不同地區(qū)植被覆蓋度時空變化特征及驅(qū)動機(jī)制存在明顯差異。黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)，也是我國乃至世界上水土流失最嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)。研究黃土高原的植被變化及其時空格局對分析該地區(qū)水土流失狀況具有重要的戰(zhàn)略意義。本研究基于MODIS數(shù)據(jù)，運用像元二分法、轉(zhuǎn)移矩陣、重心模型等，獲取并分析了黃土高原2000—2020年植被覆蓋信息的時空分布格局和變化規(guī)律，并結(jié)合氣溫、降水、土壤、地形等因素，通過研究分析20年來對黃土高原植被覆蓋度時空格局及影響因素，為未來黃土高原生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展工作提供科學(xué)依據(jù)和決策支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原在中國北方地區(qū)與西北地區(qū)的交界處，它東起太行山，西至烏鞘嶺，南連秦嶺，北抵長城，主要包括山西、陜西、以及甘肅、青海、寧夏、河南等省部分地區(qū)(圖1)。全區(qū)總面積63.5萬km，是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，是我國生態(tài)問題集中體現(xiàn)的地區(qū)，也是我國水土保持和生態(tài)建設(shè)的重點地區(qū)。黃土高原海拔1 000～2 000 m，黃土厚50～80 m，是世界上最大的黃土覆蓋區(qū)。黃土高原礦產(chǎn)豐富，煤、石油、鋁土儲量大。黃土顆粒細(xì)，土質(zhì)松軟，含有豐富的礦物質(zhì)養(yǎng)分，利于耕作，盆地和河谷農(nóng)墾歷史悠久，是中國古代文化的搖籃。黃土高原地區(qū)屬(暖)溫帶(大陸性)季風(fēng)氣候，冬春季受極地干冷氣團(tuán)影響，寒冷干燥多風(fēng)沙；夏秋季受西太平洋副熱帶高壓和印度洋低壓影響，炎熱多暴雨。多年平均降水量466 mm，總的趨勢是從東南向西北遞減，東南部600～700 mm，中部300～400 mm，西北部100～200 mm。以200，400 mm等年降水量線為界，西北部為干旱區(qū)，中部為半干旱區(qū)，東南部為半濕潤區(qū)。由于缺乏植被保護(hù)，在長期流水侵蝕下地面被分割得非常破碎，形成溝壑交錯其間的塬、墚、峁。

圖1 黃土高原行政區(qū)邊界

1.2 數(shù)據(jù)來源

MODIS(moderate-resolution imaging spectroradi-ometer)，即中等分辨率成像光譜儀。該數(shù)據(jù)在地表覆蓋變化、自然災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、全球生產(chǎn)力、全球氣候變化等綜合性研究等方面廣泛應(yīng)用。本研究使用的遙感數(shù)據(jù)源為美國地球資源觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)提供的MODIS植被指數(shù)16天合成數(shù)據(jù)(MOD13Q1)，獲取時間為2000—2020年每年6—9月，空間分辨率為250 m，存儲格式為.hdf，共168期影像。通過數(shù)據(jù)提取和最大值合成法生成每月1期共84期植被指數(shù)數(shù)據(jù)。

氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)月值0.5格點數(shù)據(jù)集，時間范圍2000—2020年每年6—9月，通過格式轉(zhuǎn)換、重采樣等，生成每月1期，共84期，250 m氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)各1套。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率30 m，通過鑲嵌、裁剪等，生成黃土高原高程數(shù)據(jù)，通過坡度計算并分級(<3°，3°～7°，7°～15°，15°～25°，>25°，分別稱為平地、平坡地、緩坡地、斜坡地、陡坡地，為了更好分析坡度關(guān)系，陡坡地改為25°～60°，增加級別為>60°，稱為極陡坡地)，得到黃土高原坡度數(shù)據(jù)(圖2)。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院數(shù)據(jù)中心(http://www.csdb.cn/)，空間分辨率為1 km，通過投影、裁剪、重采樣生成黃土高原250 m土壤數(shù)據(jù)(圖3)。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面上的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比，是衡量地表植被狀況的一個重要指標(biāo)。根據(jù)像元中植被覆蓋結(jié)構(gòu)不同，可分為均一像元和混合像元2類。當(dāng)像元完全由植被覆蓋時，其植被覆蓋度為100%(值為1)，為均一像元；如果植被未能覆蓋整個像元，其植被覆蓋度小于1，即該像元為植被與非植被混合構(gòu)成，為混合像元。因此，用0～1數(shù)值范圍作為衡量研究區(qū)域植被覆蓋指標(biāo)，數(shù)值越接近1，表示植被覆蓋程度越接近全覆蓋。

圖2 黃土高原坡度分布

圖3 黃土高原土壤類型分布

植被覆蓋度(FVC)是衡量一個地區(qū)地表植被覆蓋的重要指標(biāo)，與NDVI具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系?；谙裨帜Ｐ停稍贜DVI數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過反演模型計算得到植被覆蓋度，計算公式為：

FVC=(NDVI-NDVI)/(NDVI-NDVI)

(1)

式中：FVC為植被覆蓋度；NDVI為該時期某像元NDVI值；NDVI和NDVI分別為該研究區(qū)內(nèi)所有像元NDVI的最小值和最大值；并以5%～95%作為NDVI值置信區(qū)間對NDVI和NDVI進(jìn)行優(yōu)化處理。

根據(jù)FVC變化情況，將FVC變化趨勢等級劃分為：極顯著好轉(zhuǎn)(變化值>0.5)、顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域(0.5≥變化值>0.3)、變化不顯著區(qū)域(0.3≥變化值>-0.3)、顯著惡化區(qū)域(-0.3≥變化值>-0.5)、極顯著惡化區(qū)域(變化值≤-0.5)5 個等級。在參考已有植被覆蓋度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)植被特點，將研究區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行了如下分級，即低覆蓋(FVC≤0.3)、中低覆蓋(0.30.75)共5個級別。黃土高原2020年植被覆蓋度見圖4。

圖4 黃土高原2020植被覆蓋度分級

2.2 重心遷移模型

通過計算不同時期各級覆蓋度植被的分布重心，可以從空間上描述各級植被覆蓋度隨時間的變化過程和遷移趨勢。第年植被斑塊重心坐標(biāo)及遷移距離為：

(2)

(3)

(4)

式中：、為第年某級植被斑塊重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)(°)；、為第年該級植被第個斑塊的幾何中心坐標(biāo)(°)；為第年該級植被第個斑塊的面積(km)；為第年該級植被的斑塊數(shù)(個)；為遷移距離(°)；Δ、Δ分別為第年該級植被重心的經(jīng)度、緯度變化(°)。

2.3 植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣以圖像像元相互之間面積的轉(zhuǎn)移概率為矩陣中的元素，轉(zhuǎn)移矩陣模型為：

(5)

矩陣中每個元素為植被覆蓋等級轉(zhuǎn)化為等級的轉(zhuǎn)移概率。具有2個特點：各元素非負(fù)；每行元素之和為1。

轉(zhuǎn)移矩陣不但可以定量說明植被覆蓋等級之間的相互轉(zhuǎn)化狀況，而且能夠揭示不同植被覆蓋度之間的轉(zhuǎn)移概率，從而更準(zhǔn)確地了解植被覆蓋的時空變化情況。通過對黃土高原2000年和2020年的植被覆蓋度分級圖進(jìn)行混淆矩陣計算，可得到各級植被覆蓋度之間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系，即植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度年際變化分析

圖5為黃土高原2000—2020年各年FVC均值和標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計情況。2020年與2000年相比，F(xiàn)VC值從0.39提高到0.61，2000年以來，黃土高原FVC呈上升趨勢，擬合趨勢斜率為7.60×10，為0.80。其中2000—2004年逐年增加；2004—2007基本不變；2007—2010年略有波動，總體增加；2011年有所降低，2012—2014年有明顯增加；2015—2017年有所下降且總體平穩(wěn)；2017年后快速增加。2000—2018年標(biāo)準(zhǔn)差集中在0.62左右，2019—2020年標(biāo)準(zhǔn)差較低，說明區(qū)域內(nèi)FVC值離散程度從2019年起大幅度降低，黃土高原總體植被狀況明顯向好。

圖5 黃土高原2000-2020年植被覆蓋度變化

3.2 植被覆蓋度變化趨勢分析

由圖6可知，2000—2020年黃土高原的植被變化以變化不顯著類型為主，該類型面積比例占到全區(qū)面積的61.98%，其次為顯著好轉(zhuǎn)類型，面積比例占到全區(qū)面積的36.39%。總體上植被改善(顯著好轉(zhuǎn)類型與極顯著好轉(zhuǎn)類型)面積比例達(dá)37.93%，植被惡化(顯著惡化類型與極顯著惡化類型)面積比例僅為0.08%，其中極顯著惡化類型面積比例不足0.01%。

圖6 黃土高原2000-2020植被覆蓋度變化趨勢

3.3 植被覆蓋度等級變化分析

由表1可知，2000—2020年，黃土高原低覆蓋植被面積所占的比例總體上呈下降的趨勢，減少面積為271 627.72 km，降低比例為92.29%；中低覆蓋、中覆蓋、中高覆蓋及高覆蓋植被面積都有所增加，分別為13 210.53，68 245.27，135 411.22，54 760.69 km，增加比例分別為12.79%，82.14%，210.99%，59.47%，中高覆蓋植被面積和比例增加最多；2000—2018年，低覆蓋植被面積所占比例最高，2019—2020年，中高覆蓋植被面積明顯增加，所占比例最高。另外，黃土高原2000—2009年以低覆蓋和中低覆蓋為主，2010—2020年，以中覆蓋及以上等級植被為主。

根據(jù)2000年和2020年2年的植被覆蓋度分布結(jié)果可計算得到轉(zhuǎn)移矩陣，分析轉(zhuǎn)移矩陣可以得到各級植被覆蓋度相互轉(zhuǎn)化的情況。由表2可知，黃土高原2000年低覆蓋植被轉(zhuǎn)出面積為271 972.92 km，轉(zhuǎn)出比例為93.10%，轉(zhuǎn)為2020年中低覆蓋和中覆蓋植被比例為74.68%，轉(zhuǎn)為中高覆蓋和高覆蓋植被比例為18.42%；2020年低覆蓋植被轉(zhuǎn)入面積為516.82 km，占2020年低覆蓋植被面積比例為2.57%，說明2000年以來由中低、中、中高、高覆蓋植被惡化而轉(zhuǎn)為低覆蓋植被的情況較少。2000年黃土高原中低植被覆蓋區(qū)域的轉(zhuǎn)出面積為100 207.86 km，轉(zhuǎn)為更高覆蓋等級植被面積比例為96.57%，其中轉(zhuǎn)出占比最高的為中高覆蓋，比例為56.16%，其次為轉(zhuǎn)出到中覆蓋，占比為26.10%；2020年中低覆蓋等級區(qū)域轉(zhuǎn)入面積為113 323.17 km，主要由2000年低覆蓋植被轉(zhuǎn)化而來，占轉(zhuǎn)入面積比例為98.04%。2000年黃土高原中覆蓋植被的轉(zhuǎn)出面積為70 893.33 km，轉(zhuǎn)為更高覆蓋等級植被面積比例為82.99%；2020年中覆蓋等級區(qū)域轉(zhuǎn)入面積為139 107.83 km，主要為2000年低覆蓋和中低覆蓋植被轉(zhuǎn)化而來，占轉(zhuǎn)入面積比例為96.37%。

表1 黃土高原不同年份各等級植被覆蓋度

2000年黃土高原中高覆蓋植被的轉(zhuǎn)出面積為32 832.21 km，主要轉(zhuǎn)為高覆蓋植被，占比為43.34%，原48.84%的區(qū)域仍為中高覆蓋植被，轉(zhuǎn)為較低等級覆蓋植被比例為7.83%；2020年，中高覆蓋區(qū)域轉(zhuǎn)入面積為168 172.71 km，主要由2000年的低覆蓋、中低覆蓋和中覆蓋植被轉(zhuǎn)化而來，占轉(zhuǎn)入面積比例分別為29.92%，34.54%，29.08%。

2000年高覆蓋植被的轉(zhuǎn)出面積為11 484.34 km，主要轉(zhuǎn)化為2020年的中高覆蓋區(qū)域，占比為11.80%，轉(zhuǎn)為中覆蓋及更低等級覆蓋植被比例為0.67%，87.45%的區(qū)域仍為高覆蓋區(qū)域；2020年高覆蓋區(qū)域中，由2000年的低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋轉(zhuǎn)為而來的比例僅為26.19%。近20年來黃土高原低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋以及中高覆蓋植被向更高覆蓋等級植被轉(zhuǎn)出比例高，大部分區(qū)域植被好轉(zhuǎn)明顯；2000年的高覆蓋區(qū)域植被總體保持了穩(wěn)定。

3.4 植被覆蓋度重心遷移

利用遷移模型，計算出2000年和2020年各級植被覆蓋度的重心坐標(biāo)，并根據(jù)坐標(biāo)繪制出黃土高原各級植被覆蓋度重心遷移圖。由圖7可知，低覆蓋和中低覆蓋植被覆蓋等級區(qū)域主要集中在西北部，而中覆蓋、中高覆蓋和高覆蓋植被覆蓋等級區(qū)域主要集中在東南部，說明黃土高原東南部整體比西北部植被覆蓋狀況要好。具體來看，2000—2020年，低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋、中高覆蓋植被重心均是向西北方向遷移，分別遷移了約161.24，251.13，173.87，107.59 km；而高覆蓋植被重心向東南方向遷移了34.55 km。其中，中低覆蓋植被重心遷移距離最大，高覆蓋植被重心遷移距離最小，從遷移程度分析可知，2000—2020年黃土高原植被覆蓋由低覆蓋、中低覆蓋植被為主逐漸轉(zhuǎn)移為中覆蓋、中高覆蓋植被為主。

3.5 植被覆蓋度影響因素分析

由圖8可知，黃土高原6-9月平均降水量變化趨勢總體與植被覆蓋度變化趨勢基本一致，即2000—2003年、2009—2013年、2015—2020年等時段，隨著月平均降雨量增多，植被總體狀況向好；2004—2006年、2004—2005年等時段，隨著月平均降雨量減少，植被總體狀況變差；2000—2020年，黃土高原植被覆蓋度與月平均降雨量相關(guān)系數(shù)為0.44。由圖9可知，將植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)與降水量變化數(shù)據(jù)疊加進(jìn)行空間分析，相關(guān)性較高區(qū)域集中在東北至西南一帶，相關(guān)系數(shù)0.4以上面積達(dá)到197 230.13 km，相關(guān)系數(shù)超過0.6面積達(dá)到29 036.98 km，對應(yīng)圖6中植被覆蓋顯著好轉(zhuǎn)和極顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域，其他區(qū)域相關(guān)性較低。

表2 黃土高原2000年和2020年植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

圖7 黃土高原各級植被覆蓋重心遷移

2000—2020年黃土高原植被覆蓋度變化與6—9月平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的關(guān)系不明顯，相關(guān)系數(shù)分別為0.05，0.57，0.33。將植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)與氣溫變化數(shù)據(jù)疊加進(jìn)行相關(guān)分析，黃土高原中北部、東部、南部和西部區(qū)域相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)0.4以上面積達(dá)到5 139.92 km，相關(guān)系數(shù)超過0.6面積達(dá)到86.91 km，對應(yīng)圖6中部分顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域和部分變化不顯著區(qū)域。綜合分析黃土高原植被覆蓋變化與氣溫、降水變化的相關(guān)性可知，植被覆蓋顯著好轉(zhuǎn)與極顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)?yīng)植被覆蓋度與氣溫、降水相關(guān)性較高，水熱因素對植被覆蓋變化影響顯著。

圖8 黃土高原2000-2020年植被覆蓋度與降水量和氣溫變化

黃土高原地形復(fù)雜，不同坡度、土壤成分對植被覆蓋度的影響程度也不同。為揭示地形及土壤分布特征對植被覆蓋度的影響，根據(jù)黃土高原的DEM數(shù)據(jù)生成坡度分級圖，對2020年植被覆蓋度以及2000—2020年植被覆蓋度變化結(jié)果進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，并疊加土壤類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由圖10可知，在各級坡度中，陡坡地植被覆蓋度均值最高，為0.72，其次為斜坡地，為0.68，極陡坡地植被覆蓋度均值最低，為0.45，其次為平地，為0.52，緩坡地和平坡地植被覆蓋度均值為0.61和0.54。植被覆蓋度高的地區(qū)主要集中在緩坡地、斜坡地和陡坡地，均高于0.60。近20年來，平地、平坡地、緩坡地和斜坡地等坡度類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善最為明顯，相應(yīng)類型區(qū)域FVC變化值分別為0.25，0.24，0.23和0.19；陡坡地和極陡坡地等坡度類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善程度最小，相應(yīng)類型區(qū)域FVC變化值分別為0.13和0.02。

在土壤類型方面，淋溶土類型下的植被覆蓋度均值最高，為0.85，其次為半淋溶土和高山土，植被覆蓋度均值分別為0.73和0.67，最低為干旱土和漠土，植被覆蓋度均值為0.39和0.37。近20年來，干旱土、漠土、水成土等土壤類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善最為明顯，相應(yīng)類型區(qū)域FVC變化值分別為0.31，0.30和0.26；淋溶土、半淋溶土和高山土等土壤類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善程度最小，相應(yīng)類型區(qū)域FVC變化值分別為-0.01，0.07，0。

圖9 黃土高原植被覆蓋度與降水量和氣溫相關(guān)系數(shù)

圖10 黃土高原植被覆蓋度與坡度等級和土壤類型關(guān)系

近20年來，國家退耕還林、天然林保護(hù)、生態(tài)安全屏障建設(shè)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等諸多政策實施力度逐漸加大，其結(jié)果對黃土高原地區(qū)植被覆蓋度變化有著重大影響。自2000年以來，國家先后對黃土高原地區(qū)施行了退耕封禁、人工種植、封山禁牧等政策，為該地區(qū)植被恢復(fù)速率加快、植被覆蓋面積增大、覆蓋程度提高起到關(guān)鍵作用。自國家政策頒布實施以來至2015年間，黃土高原地區(qū)共修建淤地壩5萬余座，其中骨干壩數(shù)量達(dá)到5千余座，梯田面積超過4萬km，封禁面積超過3萬km，造林種草面積超過11萬km，水土保持治理總面積超過19萬km(表3)。諸多水土保持工程措施和生物措施的實施為黃土高原植被覆蓋度提高創(chuàng)造了優(yōu)越條件，對該地區(qū)植被覆蓋程度改善發(fā)揮重要作用。

表3 截至2015年黃土高原水土保持措施實施統(tǒng)計

4 結(jié) 論

(1)以2000—2020年MODIS-NDVI作為數(shù)據(jù)源，反演計算得到植被覆蓋度FVC數(shù)據(jù)。自2000年到2020年，黃土高原FVC均值整體呈上升趨勢，植被生長狀況明顯朝著改善的方向發(fā)展；對比2000年和2020年FVC差值結(jié)果，植被改善面積超過37.93%；2010年以來，黃土高原植被覆蓋以中覆蓋及以上等級覆蓋植被為主。

(2)從黃土高原2000年和2020年的植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣和重心遷移分析可知，較低植被覆蓋度向較高植被覆蓋度轉(zhuǎn)移面積較大，體現(xiàn)出了植被覆蓋度逐漸改善的趨勢；東南部植被覆蓋度較高，且高植被覆蓋重心向西北方向遷移。

(3)分析了氣溫、降水、地形、土壤和人為因素與黃土高原植被覆蓋度時空格局變化的關(guān)系。2000—2020年黃土高原植被覆蓋度變化與水熱變化總體趨勢相關(guān)；顯著好轉(zhuǎn)與極顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域與水熱因素相關(guān)性較高；2020年，黃土高原較高植被覆蓋度主要分布在斜坡地與陡坡地等坡度類型區(qū)域，與淋溶土、半淋溶土和高山土等土壤類型區(qū)域；2000年以來，平地、平坡地、緩坡地和斜坡地等坡度類型區(qū)域與干旱土、漠土、水成土等土壤類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善最為明顯；國家政策及水土保持措施實施等人為因素對植被覆蓋度改善有重要作用。