周湘山，孫保平，李錦榮，趙 巖，鐘曉娟，王引乾，馮 磊，邱一丹

（北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

水土流失和土地沙化是我國(guó)最突出的生態(tài)問(wèn)題。水土流失導(dǎo)致河湖淤積、水災(zāi)頻繁，土地沙化使風(fēng)沙災(zāi)害加劇。日益嚴(yán)峻的生態(tài)形勢(shì)，引起了黨中央和國(guó)務(wù)院的高度重視，全面實(shí)施退耕還林（草）工程成為當(dāng)前生態(tài)建設(shè)的重要內(nèi)容[1-3]。退耕還林（草）是人們通過(guò)政策和管理措施改變土地利用/植被覆蓋類(lèi)型，在區(qū)域尺度上進(jìn)行地表過(guò)程調(diào)控、維護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的有效切入點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)調(diào)整土地利用方式，恢復(fù)重建地表自然覆蓋，建立生態(tài)安全條件下的土地利用/植被覆蓋格局[4-5]。

植被覆蓋度（Vegetation coverage，VC）是植被重要的生理參數(shù)，能夠直觀地反映地表植被的豐度，同時(shí)它也是生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)重要的控制因子，對(duì)蒸散、土壤侵蝕、光合作用過(guò)程等起著重要的控制作用[6]，是指示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)?；谶b感數(shù)據(jù)進(jìn)行大面積、長(zhǎng)時(shí)間序列的植被覆蓋度計(jì)算，對(duì)于區(qū)域氣候變化研究具有重要意義。

以全國(guó)退耕還林典型縣卓資縣為例，利用TM遙感影像解譯的土地利用狀況和植被覆蓋度，在ARCGIS地理信息系統(tǒng)的支持下，研究退耕還林前后的土地利用和植被覆蓋度的變化，較細(xì)致地分析卓資縣1999—2007年退耕還林生態(tài)建設(shè)工程實(shí)施以來(lái)所取得的實(shí)效。

1 研究區(qū)概況

卓資縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布盟西部，黃土高原北部、大青山南坡，其海拔為1 400～2 206m，屬陰山低山丘陵區(qū)以及剝蝕堆積山澗溝谷及洼地地形，地理位置為北緯40°38′～41°16′，東經(jīng)111°51′～112°56′。全縣土地總面積為312 000 hm2，地貌以黃土丘陵為主，其中，山地109 000 hm2，占土地總面積的34.9%；耕地54 620 hm2，占土地總面積的17.5%；灘川地5 907.67 hm2，占土地總面積的1.89%。丘陵低緩，丘間地形較平坦。卓資縣地處北溫帶，屬典型的干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫2.5℃，1月份平均氣溫-16℃，極端最低氣溫-38.2℃，極端最高氣溫為35.2℃，≥0℃積溫為2 000～2700℃，≥5℃積溫平均為2389℃，持續(xù)170 d，≥10℃積溫平均為1800℃，無(wú)霜期90～110 d；平均降水量為350mm，年蒸發(fā)量1 876.9mm，年均濕度為45%，年均風(fēng)速為2.8m/s，春季大風(fēng)常形成沙塵暴天氣。天然植被主要以半荒漠、荒漠植被為主。全縣土壤主要有灰褐土、栗鈣土和草甸土三大類(lèi)，以灰褐土和栗鈣土為主，土層厚度為10～60m。土壤沙性大，水蝕和風(fēng)蝕都很?chē)?yán)重，主要分布在大黑河兩岸的干、支溝地區(qū)。

2 研究?jī)?nèi)容和方法

2.1 TM影像處理及LUCC分類(lèi)體系建立

TM影像為L(zhǎng)andsat-7波段遙感數(shù)據(jù)，其空間分辨率為25m，共2景遙感影像，1景影像時(shí)相為1999年9月7日，另1景影像時(shí)相為2007年8月26日?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括1∶25萬(wàn)卓資縣全要素?cái)?shù)字地圖、1∶5萬(wàn)數(shù)字高程模型，這些輔助數(shù)據(jù)主要用于圖像精校正、輔助分類(lèi)、綜合制圖和地學(xué)分析。地面調(diào)查資料用于監(jiān)督分類(lèi)訓(xùn)練樣本和精度驗(yàn)證。根據(jù)不同土地利用類(lèi)型的光譜反映特征建立解譯標(biāo)志，采用目視解譯法識(shí)別影像的特征屬性，并結(jié)合野外資料對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，得到遙感分類(lèi)圖，比較各時(shí)期土地利用與植被覆蓋變換。

參照1992年中國(guó)科學(xué)院“八五”重大應(yīng)用項(xiàng)目“國(guó)家資源與環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動(dòng)態(tài)研究”的土地資源分類(lèi)系統(tǒng)[7]，根據(jù)卓資縣土地利用和植被物候與荒漠化特點(diǎn)，結(jié)合大量野外調(diào)查，本著實(shí)用、簡(jiǎn)潔的原則，確定采用2級(jí)分類(lèi)法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土地利用/植被覆蓋分類(lèi)（表1）。

表1 卓資縣土地利用/植被覆蓋分類(lèi)體系

2.2 植被覆蓋度計(jì)算方法

植被覆蓋度是指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比，即植土比。

本文以植被指數(shù)估算植被覆蓋度，利用歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index），建立歸一化指數(shù)定量估計(jì)植被覆蓋度模型[8-9]。

歸一化指數(shù)定義為近紅外波段NIR（0.7～1.1μm）與紅光波段R（0.4～0.7μm）數(shù)值之差和這2個(gè)波段數(shù)值之和的比值，即NDVI＝。

公式（1）為采用NDVI指數(shù)建立的植被覆蓋度模型，在模型中 NDVIsoil＝NDVImin，NDVIveg＝N DVImax。

公式（1）可被近似為：NDVI＝fc×NDVIveg＋（1－fc）×NDVIsoil，即圖像中每個(gè)像元的 NDVI值可以看成是有植被覆蓋部分的NDVI與無(wú)植被覆蓋部分的NDVI的加權(quán)平均，其中有植被覆蓋部分的NDVI的權(quán)重即為此像元的植被覆蓋度f(wàn)c，無(wú)植被覆蓋部分的NDVI的權(quán)重則為1－fc。其中，NDVIsoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無(wú)植被像元的NDVI值，NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類(lèi)型變化

對(duì)1999年和2007年的2期TM遙感影像的分類(lèi)結(jié)果（圖1）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了卓資縣的土地利用/植被覆蓋的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表2、表3）。

表2 卓資縣景觀要素Ⅰ級(jí)分類(lèi)面積統(tǒng)計(jì)

表3 卓資縣景觀要素Ⅱ級(jí)分類(lèi)面積統(tǒng)計(jì)

由表2、圖2可知，1999年卓資縣的景觀要素Ⅰ級(jí)分類(lèi)的結(jié)構(gòu)是：草地＞林地＞耕地＞未利用地＞居民工礦用地＞水域。在1999年，該區(qū)景觀中耕地面積為73434.98 hm2，占該區(qū)總面積的23.54%；林地面積79 036.09 hm2，占該區(qū)總面積的25.34%；草地面積116 470.94 hm2，占該區(qū)總面積37.34%；水域面積6 082.96 hm2，占該區(qū)總面積1.95%；居民工礦用地面積7 953.45 hm2，占該區(qū)總面積2.55%；未利用地面積28 921.60 hm2，占該區(qū)總面積9.27%。從Ⅰ級(jí)分類(lèi)上看，全縣土地利用類(lèi)型主要以草地為主，林地和耕地次之，整個(gè)區(qū)域的林草覆蓋度達(dá)到62%以上。

2007年卓資縣景觀要素Ⅰ級(jí)分類(lèi)的結(jié)構(gòu)為：草地＞林地＞耕地＞未利用地＞居民工礦用地＞水域。在2007年，該區(qū)景觀中耕地面積為55 089.15 hm2，占該區(qū)總面積的17.66%；林地面積為86 160.27 hm2，占該區(qū)總面積的27.62%；草地面積為125 358.06 hm2，占該區(qū)總面積的40.19%；水域面積為1 422.76 hm2，占該區(qū)總面積的0.46%；居民工礦用地面積為12 336.29 hm2，占該區(qū)總面積的3.96%；未利用地的面積為31 533.49 hm2，占該區(qū)總面積的10.11%。

從Ⅰ級(jí)分類(lèi)上看，2007年與1999年相比，景觀要素的結(jié)構(gòu)順序沒(méi)有發(fā)生變化，但各要素類(lèi)型中，耕地和水域面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，8 a分別減少了5.88，1.49百分點(diǎn)。林地、草地、未利用地和居民工礦用地面積呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，8 a分別增加了 2.28，2.85，0.84，1.41 百分點(diǎn)。

從表3、圖3可看出，從1999年卓資縣退耕還林工程啟動(dòng)以來(lái)，到2007年該地區(qū)景觀格局發(fā)生了顯著變化，耕地面積減少18 345.83 hm2，所占縣域面積比例減少5.88百分點(diǎn)，原因主要是坡度較大的坡耕地減少。林地面積在8 a間增加了2.29百分點(diǎn)，其中，灌木林地面積增加了29 219.91 hm2，所占縣域面積比例增加了9.37百分點(diǎn)；有林地面積減少22 095.73 hm2，所占縣域面積比例減少了7.08百分點(diǎn)，原因是在這期間有人工伐木。草地面積到2007年增加約2.85百分點(diǎn)，其中大部分是中蓋度草地增加，中蓋度草地面積增加8 951.07 hm2，所占縣域面積比例增加了2.87百分點(diǎn)；高蓋度草地面積基本保持平穩(wěn)，變化幅度不大。這是因?yàn)閷?shí)行封山禁牧以后，中蓋度草地得到了很好的自然恢復(fù)。荒草地面積增加2 611.89 hm2，所占縣域面積比例增加了0.84百分點(diǎn)，原因主要是期間有撂荒地。線狀水系面積減少4 660.20 hm2，所占縣域面積比例減少了1.49百分點(diǎn)，主要因?yàn)樵谧抠Y縣的線狀水系中有部分水系面積是草地上的零星小水域，水系面積隨年際降雨量變化較大。2007年居民工礦用地與1999年相比，增加4 382.84 hm2，所占縣域面積比例增加了1.41百分點(diǎn)，主要由于退耕還林的實(shí)施使當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生活經(jīng)濟(jì)有所提高，農(nóng)村發(fā)展速度加快，城鄉(xiāng)建設(shè)步伐加快，居民工礦建設(shè)及交通用地面積逐步增加。在實(shí)施退耕還林工程以來(lái)，大面積的退耕還林還草和封山育林育草，到2007年時(shí)林草覆蓋度上升到67.8%，林草面積一共增加了16 011.31 hm2。

3.2 植被覆蓋變化

基于NDVI指數(shù)，對(duì)卓資縣的植被覆蓋度分布進(jìn)行遙感分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，植被覆蓋度整體有較大提高，特別是卓資縣西部與1999年相比變化更為顯著，卓資縣東部比1999年有所提高。

從表4可以看出，與退耕還林前的1999年相比，低植被覆蓋度的土地面積有一定幅度的減少，而較高植被覆蓋度的土地面積則有一定幅度的增加。2007年植被覆蓋度＜10%的面積與1999年相比，減少12 846.10 hm2，減少量占總面積的4.12%；植被覆蓋度10%～30%的面積變化較小，與1999年相比減少9 040.38 hm2，減少量占總面積的2.90%；植被覆蓋度30%～50%的面積變化較大，與1999年相比增加15 417.66 hm2，增加量占總面積的4.94%；植被覆蓋度50%～70%和＞70%的面積變化一般，增加量分別占到總面積的1.34%和0.74%。變化量只能衡量總體變化情況，不能說(shuō)明不同等級(jí)覆蓋度之間的轉(zhuǎn)移變化情況。

為了弄明白1999—2007年間各個(gè)不同覆蓋度等級(jí)之間的轉(zhuǎn)移量，對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析（表5）。

表4 1999，2007年植被覆蓋面積及其所占比例

表5 卓資縣1999—2007年植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣

從表5可以看出，＜10%的植被覆蓋度主要向10%～30%和30～50%的植被覆蓋度轉(zhuǎn)移，而10%～30%和30%～50%的植被覆蓋度向＜10%的植被覆蓋度轉(zhuǎn)移較小，表明這一等級(jí)的植被覆蓋度向良好的更高覆蓋度的方向發(fā)展。10%～30%的植被主要向30%～50%的植被覆蓋度轉(zhuǎn)移，同時(shí)30%～50%覆蓋度的植被也向10%～30%的方向轉(zhuǎn)移，但面積僅有前者的2/3，說(shuō)明植被治理大于破壞。30%～50%與50%～70%植被覆蓋度之間互有轉(zhuǎn)移，這2個(gè)覆蓋度之間的轉(zhuǎn)化處于相對(duì)較為平衡狀態(tài)。而＞70%的植被覆蓋度，與各覆蓋度之間有轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移量基本保持平衡，這說(shuō)明當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到一個(gè)閾值以后，覆蓋度之間的轉(zhuǎn)移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這種動(dòng)態(tài)平衡對(duì)維系生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是相當(dāng)重要的，是系統(tǒng)進(jìn)入良性循環(huán)的一個(gè)重要標(biāo)志[10-11]。從上述分析可知，卓資縣從實(shí)施退耕還林工程后，到2007年植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)明顯，在該地區(qū)植被覆蓋度大于30%的斑塊之間的相互轉(zhuǎn)移已經(jīng)達(dá)到相對(duì)平衡。

植被覆蓋度＞50%的斑塊之間轉(zhuǎn)移主要是分布在卓資縣的西南部植被覆蓋度高的林地內(nèi)；＜10%的植被覆蓋度斑塊向其他覆蓋度斑塊之間的轉(zhuǎn)移主要集中在卓資縣東部區(qū)域；10%～30%和30%～50%的斑塊在2007年所占比例都較大，在卓資縣以30%這一覆蓋度為分界線，不同覆蓋度的分布及其轉(zhuǎn)移規(guī)律差異明顯。卓資縣西南部植被覆蓋度提高較為明顯，西北部有林地植被覆蓋度在退耕前就達(dá)到很高，在退耕還林工程實(shí)施期間保護(hù)較好，變化相對(duì)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

卓資縣退耕還林工程實(shí)施以后，地區(qū)的整個(gè)生態(tài)環(huán)境得到了改善，從遙感解譯得到土地利用與植被覆蓋圖上對(duì)比，退耕還林工程實(shí)施前的1999年和退耕后的2007比較，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，耕地面積減少18 345.83 hm2，主要轉(zhuǎn)化為林地和草地；林地面積在8 a間增加了2.29百分點(diǎn)，其中，以灌木林地的增加為主；草地面積增加2.85百分點(diǎn)，其中，以中蓋度草地的增加為主。8 a間植被覆蓋度發(fā)生較明顯變化，＜10%的植被覆蓋度與1999年相比較，減少23.39%，植被覆蓋度30%～50%，50%～70%和植被覆蓋度＞70%與1999年相比增幅較大，分別增加22.82%，11.51%和11.21%。不同等級(jí)的覆蓋度之間各有轉(zhuǎn)移，總體上＜10%的植被覆蓋度主要向10%～30%和30%～50%的植被覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)移，10%～30%和30%～50%的植被覆蓋度等級(jí)之間的轉(zhuǎn)移，前者向后者轉(zhuǎn)移的比例是后者向前者轉(zhuǎn)移的近1.5倍。30%～50%與50%～70%植被覆蓋度之間互有轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)化處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。＞70%的植被覆蓋度，與各覆蓋度之間的轉(zhuǎn)移量保持平衡，這對(duì)于維系生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是相當(dāng)重要的，同時(shí)標(biāo)志著卓資縣的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入良性循環(huán)。10%～30%和30%～50%這2個(gè)等級(jí)的覆蓋度斑塊，在2007年所占面積都較大，共占全縣面積的66.24%，這2個(gè)等級(jí)的植被覆蓋度，能代表全縣的平均植被覆蓋度等級(jí)水平。卓資縣西南部植被覆蓋度提高較為明顯；西北部有林地植被覆蓋度在退耕前就達(dá)到很高，在退耕還林工程實(shí)施期間保護(hù)較好，變化相對(duì)穩(wěn)定。退耕還林工程在卓資縣的實(shí)施，生態(tài)效果顯著。

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