1986—2020年陜西省植被覆蓋時(shí)空變化特征分析

李楊 呼海濤 趙德懷 周明芳

摘 要 以1986—2020年陜西省植被為研究對(duì)象，基于Landsat系列數(shù)據(jù)（Landsat5/7/8）和MODIS數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸趨勢(shì)分析等方法，分析1986—2020年陜西省植被覆蓋時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：1986—2020年陜西省植被覆蓋度年增長(zhǎng)率為0.29%；1986—1999年陜南地區(qū)植被覆蓋度增長(zhǎng)最快，年增長(zhǎng)率為0.318%，2000—2020年陜北地區(qū)植被覆蓋度增長(zhǎng)最快，年增長(zhǎng)率為0.63%；

1986—1999年，陜西省植被覆蓋度總體呈現(xiàn)上下波動(dòng)趨勢(shì)，其中植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域占比20.56%；2000—2010年，陜西省植被覆蓋度呈現(xiàn)急劇增加趨勢(shì)，植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域占比45.31%；2011—2020年，陜西省植被覆蓋度呈現(xiàn)平穩(wěn)增加趨勢(shì)，植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域占比23.48%。

關(guān)鍵詞 植被覆蓋度；時(shí)空變化；陜西省

中圖分類(lèi)號(hào)：S794.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.06.028

植被對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)之間的物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞影響巨大，植被類(lèi)型和數(shù)量變化間接導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)在水土保持、碳循環(huán)等方面的平衡波動(dòng)，監(jiān)測(cè)植被的變化情況對(duì)于揭示生態(tài)環(huán)境變化、評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量具有重要的意義[1-3]。植被覆蓋度（Fractional Vegetation Coverage，F(xiàn)VC）是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比，是反映植被茂密程度和植物進(jìn)行光合作用面積大小的重要指數(shù)，也是評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要依據(jù)[4-6]。近年來(lái)，遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于地表植被分布狀況、植被覆蓋度變化及植被固碳能力的研究中，是大面積、長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)植被變化的重要手段之一[7]。

陜西省40%的土地位于黃土高原，水土流失嚴(yán)重。近40年來(lái)，陜西省前后啟動(dòng)三北防護(hù)林、退耕還林等一系列水土保持生態(tài)建設(shè)，使得陜西省植被覆蓋狀況總體呈現(xiàn)改善趨勢(shì)[8]。然而，雖然重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)工程在涵養(yǎng)水源、水土保持、改善小氣候等方面發(fā)揮著重要作用，但也面臨著局部植被衰退、造林存活率低、生長(zhǎng)緩慢等諸多問(wèn)題。雖然目前已有學(xué)者利用遙感技術(shù)對(duì)陜西省植被覆蓋狀況進(jìn)行分析研究，但研究重點(diǎn)聚焦于省級(jí)植被覆蓋的時(shí)空變化特征，時(shí)間跨度不大，僅限于對(duì)小尺度時(shí)空范圍內(nèi)植被覆蓋變化的分析，關(guān)于基于大尺度時(shí)空范圍對(duì)陜西省植被覆蓋變化進(jìn)行分析的研究還相對(duì)較少。因此，本文開(kāi)展1986—2020年陜西省植被覆蓋遙感動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，分析陜西省植被覆蓋度時(shí)空變化規(guī)律，以期為科學(xué)評(píng)估區(qū)域生態(tài)建設(shè)成效提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于內(nèi)陸腹地，地理位置105°29′～

111°15′E，31°42′～39°35′N(xiāo)，呈南北凸起、中間凹平的地勢(shì)特征，總面積210 000 km2[9]。陜北、關(guān)中、陜南三大區(qū)域土地利用類(lèi)型存在差異，陜北地區(qū)以耕地、荒漠和草地為主，關(guān)中地區(qū)以耕地、林地為主，而陜南地區(qū)則以林地為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文采用長(zhǎng)時(shí)間序列的多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，基于遙感大數(shù)據(jù)分析方法，在計(jì)算獲得年度最大合成植被指數(shù)的基礎(chǔ)上采用像元二分模型構(gòu)建1986—2020年陜西省植被覆蓋時(shí)間序列數(shù)據(jù)。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)（https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/）共享平臺(tái)，主要包括Landsat系列數(shù)據(jù)（Landsat5/7/8）和MODIS數(shù)據(jù)。在生成系列數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用遙感數(shù)據(jù)處理、地理信息空間統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析方法，分析陜西省植被覆蓋變化，解釋植被覆蓋變化區(qū)域分異規(guī)律。

1.3 方法

1.3.1 植被覆蓋度

基于像元二分模型對(duì)研究區(qū)域植被覆蓋度（FVC）進(jìn)行計(jì)算，采用的數(shù)據(jù)主要包括Landsat系列數(shù)據(jù)（Landsat5/7/8）和MODIS數(shù)據(jù)[10]。FVC計(jì)算公式為

（1）

式中：INDV為植被指數(shù)；INDVs為純裸土像元的植被指數(shù)；INDVv為純植被像元或高植被覆蓋度區(qū)域的植被指數(shù)。根據(jù)像元二分模型的定義，INDVs和INDVv采用研究區(qū)域植被指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果5%和95%處的值，低于純裸土像元值的用INDVs替代，高于純植被像元值的用INDVv替代。

將陜西省植被覆蓋度分為5個(gè)等級(jí)，即低植被覆蓋（FVC≤10%）、中低植被覆蓋（10%＜FVC≤30%）、中植被覆蓋（30%＜FVC≤50%）、中高植被覆蓋（50%＜FVC≤70%）和高植被覆蓋（FVC＞70%）5類(lèi)。

1.3.2 一元線性回歸趨勢(shì)分析法

利用一元線性回歸趨勢(shì)分析法，用最小二乘法逐像元擬合研究區(qū)域年均INDV的斜率，基于像元尺度分析陜西省1986—2020年植被覆蓋度的空間變化趨勢(shì)[11]。其公式為

y=ax+b（2）

（3）

式（2）（3）中：x代表年份，從1986為起始年開(kāi)始，i值分別為1，2，…，35；n代表從1986—2020年的總年份，xi表示時(shí)間段內(nèi)的第i年，yi表示第i年的均值INDV；x是xi的平均值；y為區(qū)域逐年INDV均值；y為全時(shí)段INDV總均值；b為常數(shù)，a為增加或減少的速率，a＞0表明該時(shí)間段內(nèi)區(qū)域植被呈增加趨勢(shì)，

a＜0表明該時(shí)間段內(nèi)區(qū)域植被呈下降趨勢(shì)，a=0表明該時(shí)間段內(nèi)區(qū)域植被沒(méi)有變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 陜西省植被覆蓋時(shí)間變化特征

以年為尺度，統(tǒng)計(jì)分析1986—2020年陜西省植被覆蓋度變化情況（見(jiàn)圖1）?？芍?986—2020年陜西省植被覆蓋度為38%～67%，總體呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，年增長(zhǎng)率為0.29%，2020年是陜西省植被覆蓋度峰值。2000年是陜西省植被覆蓋度增長(zhǎng)趨勢(shì)分界線，1986—1999年陜西省植被覆蓋度呈上下波動(dòng)變化趨勢(shì)，2000—2020年陜西省植被覆蓋度總體上呈急劇增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2 陜北、關(guān)中、陜南地區(qū)植被覆蓋時(shí)間變化特征

以年為尺度，統(tǒng)計(jì)分析1986—2020年陜北、關(guān)中、陜南地區(qū)植被覆蓋度變化情況（見(jiàn)圖2、圖3）。1986—1999年陜北地區(qū)植被覆蓋度呈穩(wěn)定增長(zhǎng)狀態(tài)，年增長(zhǎng)率為0.227%；關(guān)中地區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)波動(dòng)明顯，1991年植被覆蓋度開(kāi)始明顯下降，1997年植被覆蓋度緩慢增加，年增長(zhǎng)率為0.118%；陜南地區(qū)植被覆蓋度呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，年增長(zhǎng)率為0.318%。

由圖3可知，2000—2020年陜北、關(guān)中、陜南地區(qū)植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速率不同。陜北地區(qū)以2009年為節(jié)點(diǎn)，2009年之前植被覆蓋度增長(zhǎng)較快，2009年之后有所波動(dòng)，但基本呈上升趨勢(shì)；關(guān)中地區(qū)植被覆蓋度波動(dòng)相對(duì)較大，2007年之前呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，年增長(zhǎng)率為0.45%，2007年之后植被覆蓋度以年均0.18%的速率下降；陜南地區(qū)植被覆蓋度基本呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)?？傮w上，2000—2020年陜北地區(qū)植被覆蓋度增長(zhǎng)最快，年增長(zhǎng)率為0.63%。

2.3 陜西省植被覆蓋空間變化特征

1986—1999年，陜西省植被覆蓋度總體呈現(xiàn)上下波動(dòng)趨勢(shì)，其中植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域占比20.56%，主要分布在安康市、商洛市和渭南市等地；植被覆蓋度輕度增加的區(qū)域則在陜西省廣泛分布；植被覆蓋度減少的區(qū)域占比48.93%，植被覆蓋度顯著減少的區(qū)域占比16.32%，主要分布在西安市、寶雞市及延安市南部。

2000—2010年，陜西省植被覆蓋度呈現(xiàn)急劇增加趨勢(shì)，植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域占比45.31%，以延川縣、延長(zhǎng)縣、吳堡縣及清澗縣為代表，這些地區(qū)都是退耕還林等生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。

2011—2020年，陜西省植被覆蓋度呈現(xiàn)平穩(wěn)增加趨勢(shì)，植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域占比23.48%，以安塞區(qū)和府谷縣為代表。但關(guān)中和陜南地區(qū)部分城市植被呈現(xiàn)明顯的退化趨勢(shì)，其中以興平市植被覆蓋度下降最快。

3 結(jié)論與討論

總體上，1986—2020年陜西省植被覆蓋度年增長(zhǎng)率為0.29%。1986—1999年陜南地區(qū)植被覆蓋度增長(zhǎng)最快，年增長(zhǎng)率為0.318%，2000—2020年陜北地區(qū)植被覆蓋度增長(zhǎng)最快，年增長(zhǎng)率為0.63%。1986—1999年，陜西省植被覆蓋度增加的區(qū)域占比為50.07%，顯著增加的區(qū)域占比為20.56%；2000—2010年，陜西省植被呈現(xiàn)急劇改善的趨勢(shì)，其中延安市植被覆蓋度增長(zhǎng)最快；2011—2020年，陜西省植被呈現(xiàn)平穩(wěn)改善的趨勢(shì)，但部分區(qū)域有明顯退化趨勢(shì)，其中以興平市植被覆蓋度下降最快。

截至2018年，陜西省累積退耕還林面積

2 689 000 hm2，其中退耕地還林面積1 241 000 hm2，封山育林面積160 000 hm2，生態(tài)環(huán)境顯著改善。從植被覆蓋度均值來(lái)看，陜南地區(qū)＞關(guān)中地區(qū)＞陜北地區(qū)，但陜北地區(qū)植被覆蓋度增長(zhǎng)最快。原因可能是陜南地區(qū)位于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均降水量700～1 200 mm，

水熱條件充足，受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，有利于植被生長(zhǎng)；關(guān)中地區(qū)耕地分布廣泛，受農(nóng)作物生長(zhǎng)和城市不斷擴(kuò)張的影響很大；陜北地區(qū)近年來(lái)受人為退耕還林、防風(fēng)固沙、封山育林等生態(tài)工程影響，植被覆蓋度呈顯著上升趨勢(shì)。因此，政府未來(lái)要重視陜西省空間的合理規(guī)劃，因地制宜建設(shè)生態(tài)工程。

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（責(zé)任編輯：劉寧寧）