榆林市植被固沙作用年內(nèi)變化情況研究

魏磊 張參輝

關(guān)鍵詞：風蝕；植被；固沙量；榆林市

風蝕對我國土地資源的危害僅次于水蝕，是西北干旱地區(qū)面臨的主要生態(tài)威脅之一。地表植被可通過減緩近地面風速而發(fā)揮防風固沙作用、有效防治風蝕［１］。前人對風蝕的定量研究多采用風洞試驗與野外樣點觀測相結(jié)合的方法［２－６］，所得結(jié)果可反映一時一地的風蝕情況，但無法體現(xiàn)較大范圍風蝕與植被保護土壤的時空變化情況，而基于遙感技術(shù)手段可對較大范圍的植被與風蝕情況進行周期性監(jiān)測與評估。

榆林市位于陜西省最北部，總土地面積為４３５７８ｋｍ２，地處我國北方農(nóng)牧交錯帶中段、毛烏素沙地南緣、黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過渡區(qū)，屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，長期受干旱、風沙、水土流失等災(zāi)害的影響，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。西北部府谷縣、神木市（原神木縣）、榆陽區(qū)（原榆陽縣）、橫山區(qū)（原橫山縣）、靖邊縣、定邊縣屬風沙區(qū)和丘陵溝壑區(qū)與風沙區(qū)過渡帶，習慣稱“北部六縣”；東南部佳縣、米脂縣、子洲縣、綏德縣、吳堡縣、清澗縣屬黃土丘陵溝壑區(qū)，習慣稱“南部六縣”。榆林市作為黃河中游水土流失重點治理區(qū)之一和“三北”防護林建設(shè)重點區(qū)域之一，幾十年來開展了堅持不懈的“北治沙、南治土”生態(tài)建設(shè)，取得了“人進沙退”顯著成效，成為土壤風蝕研究的熱點區(qū)域。筆者基于２０１２年遙感影像數(shù)據(jù)對榆林市植被防風固沙效果的年內(nèi)時空變化情況進行了分析，以期為全面評估植被防風固沙效應(yīng)的動態(tài)變化情況及相關(guān)研究等提供參考。

１研究方法

１．１數(shù)據(jù)準備

本研究所用歸一化植被指數(shù)ＮＤＶＩ（用于推算植被覆蓋度）為源于地理空間數(shù)據(jù)云（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｓｃｌｏｕｄ．ｃｎ）的ＭＯＤＩＳ遙感影像ＭＯＤ１３Ａ３產(chǎn)品２０１２年的月均合成數(shù)據(jù)，其空間分辨率為１ｋｍ。地形數(shù)據(jù)取自地理空間數(shù)據(jù)云空間分辨率為３０ｍ的ＤＥＭ數(shù)據(jù)集，為了與植被覆蓋度數(shù)據(jù)相匹配，將其轉(zhuǎn)換為坡度后重采樣至１ｋｍ分辨率；土壤類型數(shù)據(jù)源于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心（ｈｔｔｐ：／／ｄａｔａ．ｔｐｄｃ．ａｃ．ｃｎ／ｚｈ－ｈａｎｓ）提供的１∶１００萬土壤類型柵格數(shù)據(jù)集，空間分辨率為１ｋｍ；氣象數(shù)據(jù)取自國家氣象信息中心（中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心），采用Ｋｒｉｇｉｎｇ空間插值法將其插值為１ｋｍ分辨率的柵格數(shù)據(jù)（各類數(shù)據(jù)均選?。玻埃保材暝缕骄鶖?shù)據(jù)，與ＮＤＶＩ數(shù)據(jù)的時間一致）。

１．２植被固沙量估算

用風蝕模型估算的有無植被的風蝕量推算植被的固沙量。土壤風蝕模型與水蝕模型相比估算精度相對較低，國外學者開發(fā)的風蝕模型如ＷＥＱ模型、ＷＥＰＳ模型等［８－９］難以在國內(nèi)直接使用，而國內(nèi)學者董治寶［１０］根據(jù)榆林市神木縣（屬本文研究區(qū)）風蝕情況建立的風蝕預(yù)報方程適用于陜北地區(qū)年與月時間尺度的風蝕量估算，因此本研究采用該模型進行土壤風蝕量估算，其公式如下：

在具體計算中，各格柵單元Ｖ與Ｈ依據(jù)氣象數(shù)據(jù)插值得到，ｄ依據(jù)土壤屬性數(shù)據(jù)得到，θ依據(jù)ＤＥＭ數(shù)據(jù)通過ＡｒｃＧＩＳ軟件平臺計算得出，ＳＤＲ與Ｆ采用原公式取值（ＳＤＲ＝１００％，Ｆ＝０．９Ｎ／ｃｍ２）。無植被（即裸地，ＶＣＲ＝０）和有植被柵格的逐月風蝕量之差即為該柵格的逐月植被固沙量，據(jù)此可根據(jù)榆林市行政區(qū)劃計算各縣（區(qū)、市）逐月單位面積植被固沙量。

２結(jié)果分析

２．１計算結(jié)果

榆林市各縣（區(qū)、市）逐月單位面積植被固沙量計算結(jié)果見表１。

２．２植被固沙量年內(nèi)變化情況分析

由表１可知，榆林市各縣（區(qū)、市）單位面積植被固沙量年內(nèi)變化非常劇烈，其中３—６月單位面積植被固沙量顯著大于其他月份的（占全年的９０％左右），其原因是：３—６月為一年中風速和風蝕強度較高的時期，該時期快速恢復(fù)生長的植被發(fā)揮了較大的防風固沙作用，而植被覆蓋度較高的７—１０月因風速相對較低、降雨量較大等而風蝕強度較低、植被固沙量相對較?。ǖ脖粚λg應(yīng)具有較大控制作用，其不屬本文研究內(nèi)容），其他月份風速和風蝕強度較高但植被因覆蓋度的季節(jié)性降低而固沙量較小。

把全市植被固沙量與潛在風蝕量的比值稱為風蝕控制比，其年內(nèi)逐月變化情況見圖１。由圖１可知，風蝕控制比年內(nèi)呈以９月為峰值（約６０％）、６—８月快速提高、９—１１月快速下降的態(tài)勢，而單位面積植被固沙量較大的３—６月風蝕控制比并不高，原因是風蝕控制比與植被的生長狀況及風蝕強度有關(guān)，植被固沙量較大的季節(jié)風蝕量可能較大，植被固沙量較小的季節(jié)風蝕量可能較小，即在風蝕強度較低的季節(jié)或區(qū)域，植被即使覆蓋度較高也無法體現(xiàn)出防風固沙功能，反之，在風蝕強度較高的季節(jié)或區(qū)域，植被即使覆蓋度不高也能體現(xiàn)出明顯的防風固沙功能。

２．３植被固沙量空間差異情況分析

為了直觀表示單位面積植被年固沙量空間分布情況，采用ＡｒｃＧＩＳ軟件制作了榆林市單位面積植被年固沙量空間分布圖，見圖２。由表１、圖２可知，榆林市單位面積植被固沙量空間差異顯著，即風沙區(qū)與黃土丘陵溝壑區(qū)這兩大地貌單元單位面積植被固沙量分異明顯，黃土丘陵溝壑區(qū)單位面積植被固沙量明顯高于風沙區(qū)的。以縣（區(qū)、市）為單元計算的單位面積植被年固沙量為６３７５～１５３７１ｔ／ｋｍ２（最大值約為最小值的２．４倍），南部六縣單位面積植被年固沙量明顯大于北部六縣的，其原因是：南部六縣（屬黃土丘陵溝壑區(qū)）植被生長的立地條件相對較好、植被覆蓋度相對較高，地勢較低、地表起伏較大、地面風速相對較低，土壤抗蝕性較沙漠的大；而北部六縣（屬風沙區(qū)和丘陵溝壑區(qū)與風沙區(qū)過渡帶）地勢較高、植被生長的立地條件相對較差、植被覆蓋度相對較低，地表起伏相對較小、地面風速相對較高，沙地抗蝕性較黃土的小，尤其定邊縣、榆陽區(qū)北部、神木市西部因沙漠面積較大、流動沙丘較多、植被覆蓋度較低而單位面積植被固沙量較小。

如前所述，３—６月是單位面積植被固沙量最顯著的時段，因此制作了這４個月單位面積植被固沙量空間分布圖（見圖３）。可以看出：這４個月單位面積植被固沙量均呈現(xiàn)東部高于西部、南部高于北部的空間格局，但各月份的高值區(qū)有所不同，３月高值區(qū)較分散，４月高值區(qū)在南部，５月高值區(qū)在東部，６月高值區(qū)在東南部，體現(xiàn)了季節(jié)改變過程中水熱條件變化對植被生長和風蝕的雙重影響，也表明黃土丘陵溝壑區(qū)植被固沙能力對季節(jié)變化較為敏感。

２．４討論

近年來，關(guān)于黃土高原植被的保土效果研究多側(cè)重于減輕水蝕的作用［１１－１３］，本研究對榆林市植被的固沙效果按分辨率為１ｋｍ的柵格進行了逐月估算，體現(xiàn)了植被固沙作用在年內(nèi)的變化情況和較大尺度的空間差異情況，期望為有關(guān)研究提供參考。需要指出，由于風蝕及植被防風固沙影響因素復(fù)雜，本研究在風蝕量估算時主要依據(jù)有關(guān)文獻中的公式，對有關(guān)因素的處理缺乏深入研究，如沒有考慮熱力因素，事實上熱力因素的變化會導(dǎo)致下墊面的改變和風蝕起沙過程的變化，冬季部分土壤被積雪覆蓋或結(jié)冰后土壤風蝕量很小，此外，空氣相對濕度和土壤含水量與風蝕的定量關(guān)系尚不明確，現(xiàn)實中風速是不斷變化的，采用平均風速勢必存在較大誤差等，因此所得植被固沙量估算結(jié)果僅供參考，不能直接表示起沙、揚塵的精確數(shù)量。

３結(jié)論

榆林市以縣（區(qū)、市）為單元計算的單位面積植被年固沙量為６３７５～１５３７１ｔ／ｋｍ２，其時空分布差異顯著，在時間上單位面積植被年固沙量約９０％分布在３—６月，在空間上南部六縣黃土丘陵溝壑區(qū)單位面積植被年固沙量明顯大于北部六縣風沙區(qū)的；季節(jié)變化對風蝕、植被生長及其防風固沙作用有明顯影響，黃土丘陵溝壑區(qū)植被防風固沙作用對季節(jié)變化較為敏感。