蔣 沖 ，王 飛 ，2，穆興民 ，2，李 銳 ，2

植被是連接土壤、大氣和水分的“紐帶”，具有截留降雨、減少雨滴擊濺、減緩地表徑流、增加土壤入滲、保土固土等功能，對減少水土流失起著重要作用[1]。渭河流域地處半干旱半濕潤氣候帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，土質(zhì)疏松，暴雨沖刷強烈，該區(qū)長期以來缺乏植被保護(hù)，水土流失嚴(yán)重。加之人類對土地的不合理利用，特別是陡坡地開墾[2]，使原有地表覆蓋和土壤水分入滲向不良方向發(fā)展，導(dǎo)致水土流失進(jìn)一步加劇。自1999年開始實施的退耕還林（草）等大規(guī)模植被建設(shè)已取得明顯成效，對全國或區(qū)域尺度植被覆蓋時空演變分析已有一些階段性成果[3-10]。但大多都存在范圍過大、尺度過粗和監(jiān)測不及時（多數(shù)研究截止于2007年以前）等問題，缺乏對某個流域或生態(tài)脆弱區(qū)大規(guī)模植被建設(shè)之后植被覆蓋時空演變特征的研究，對植被覆蓋年際變化以及空間分布的研究仍相對薄弱[6-10]。因此，本研究選擇面積廣闊、地理位置特殊、氣候干旱、地形地貌多樣、生態(tài)系統(tǒng)脆弱以及人類活動（退耕還林還草等）效果顯著，而且目前面臨著西部大開發(fā)和環(huán)境保護(hù)雙重矛盾的渭河流域作為研究區(qū)域。該流域及其周邊區(qū)域1999年前后國家推行退耕還林（草）政策，涇河、北洛河上游部分以及周邊區(qū)域陸續(xù)開展了退耕還林還草，封山育林，天然次生林保護(hù)，水源涵養(yǎng)和生態(tài)修復(fù)等工程。在如此復(fù)雜的人類活動和氣候變化效應(yīng)的綜合作用下，該地區(qū)植被覆蓋情況到底發(fā)生了怎樣的變化，變化程度有多大，空間和時間上有哪些差異，這些問題都很有必要回答。本文利用1998-2010年SPOTVGTNDVI數(shù)據(jù)集，對渭河流域退耕前后植被覆蓋的時空演變特征進(jìn)行分析，以期為國家正在開展的渭河重點整理工程和未來生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渭河流域位于東經(jīng)103.5°-110.5°和北緯33.5°-37.5°之間，自西向東流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西三?。ㄗ灾螀^(qū)）13個地區(qū)的84個縣，干流全長818 km，流域面積13.48×105km2，由北洛河、涇河2大支流和渭河干流組成[11]（如圖1）。渭河流域地處干旱地區(qū)與濕潤地區(qū)的過渡地帶，屬大陸季風(fēng)性氣候，流域多年平均降水量572mm，水面蒸發(fā)量660mm-1600mm，平均天然徑流量100.40億m3[11-12]。該地區(qū)地貌特征空間差異較大，北部為黃土高原，南部為秦嶺山區(qū)，地貌主要有黃土丘陵區(qū)、黃土塬區(qū)、土石山區(qū)、黃土階地區(qū)、河谷沖積平原區(qū)等[11]。流域內(nèi)土地利用類型主要有耕地、草地和林地，所占比例分別為28.3%、30.2%和29.4%。近年來，由于降雨量偏少、國民經(jīng)濟耗水量明顯增加、水土保持用水量增加、氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)能力的增加、集雨工程蓄水等因素造成該地區(qū)實測徑流量大幅減少，干旱災(zāi)害頻發(fā)，使得原本緊張的水資源愈顯不足。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的SPOTVGTNDVI數(shù)據(jù)由比利時弗萊芒技術(shù)研究所（http://free.vgt.vito.be/）VEGETATION影像處理中心提供。該數(shù)據(jù)集的時間跨度為1998年4月-2010年12月，空間分辨率為1km，時間分辨率為逐旬，包含每10d合成的四個波段的光譜反射率及最大化的NDVI[13]。數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理，包括大氣校正，輻射校正，幾何校正，真值恢復(fù)等；DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心科學(xué)數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為30 m×30 m[14]；土地利用數(shù)據(jù)來源于國家自然科學(xué)基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”（http://westdc.westgis.ac.cn）的“中國西部1∶10萬土地利用信息系統(tǒng)專題數(shù)據(jù)集”。該數(shù)據(jù)集基于Landsat MSS、TM和ETM遙感數(shù)據(jù)建立了1∶10萬土地利用影像和矢量數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)集將全國分為6個一級類和31個二級類，是目前我國精度最高的土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，已經(jīng)在國家土地資源調(diào)查、水文生態(tài)研究中發(fā)揮重要作用[15]。

2.2 研究方法

利用VGTExtract軟件將下載的SPOTNDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化和范圍提取。在ENVI 4.7軟件中，利用MVC（Maximum Value Composite）算法將每旬和月NDVI值合成為年和月的最大化NDVI，該方法可以消除云、大氣、太陽高度角的部分干擾[4-10]，得到1998-2010年間NDVI年最大化值，表征當(dāng)年植被覆蓋狀況。利用Arc GIS10.0的柵格計算器結(jié)合最小二乘法，對各像元年最大化NDVI與時間做線性回歸分析，以線性擬合斜率反映該像元的變化趨勢（公式1）。

式中變量i為NDVI數(shù)據(jù)的年序號，MNDVI,i表示第i年的最大化合成NDVI值，變化斜率圖則反映了某一時間段內(nèi)該地區(qū)的NDVI的變化趨勢。某像元的趨勢線是這個像元一段時間的NDVI值用一元線性回歸模擬出來的一個總的變化趨勢，Kslope即這條趨勢線的斜率。如果斜率大于零則說明植被狀況趨于好轉(zhuǎn)；斜率小于零則說明植被狀況趨于惡化；斜率的大小反映上升或下降的速率。利用Arc GIS軟件的空間分析功能提取不同坡度范圍和不同土地利用方式下的植被覆蓋變化狀況。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI時空分布特征

NDVI的取值范圍為-1.0-1.0，在植被生長季內(nèi)，定義NDVI像元數(shù)值大于0.55為高植被覆蓋，大于0.35而小于0.55為中等植被覆蓋，小于0.35為低植被覆蓋，比較流域不同時相NDVI的空間分布和變化情況[16]。根據(jù)已經(jīng)定義的高、中、低覆蓋區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，流域內(nèi)部六盤山、子午嶺、秦嶺北麓和關(guān)中盆地一帶各有一條NDVI高值區(qū)，流域西南角靠近渭河源區(qū)部分植被蓋度較高，數(shù)值在0.55以上，中東部子午嶺山系的山川區(qū)林地各縣(如合水、寧縣、正寧等)覆蓋率也較高。中部的黃土塬區(qū)次之，數(shù)值在0.35-0.55之間，包含鎮(zhèn)原、西峰、慶陽一線以下至彬縣、長武、靈臺、旬邑等廣大區(qū)域。渭北黃土高原丘陵區(qū)(環(huán)縣以及華池部分地區(qū))最低，在0.35以下。年內(nèi)NDVI高值區(qū)一般位于夏季的7-8月份，此時植被生長茂盛，覆蓋度較高；NDVI最低值在冬季，此時植被凋謝，覆蓋度最低。

3.2 不同土地利用條件下植被的變化趨勢

3.2.1 NDVI的時間變化 通過區(qū)域統(tǒng)計分析（Zonalstatistical）得到不同土地利用類型NDVI的變化情況（表1）。變化趨勢基本相似，整體呈現(xiàn)增加趨勢。林地、耕地和草地3種土地利用類型中植被覆蓋增加最為迅速的二級地類分別為其他林地、中覆蓋度草地和旱地，旱地中NDVI增速排序分別為＞25°的坡地、旱地（平原）和旱地（丘陵）。究其原因，主要是由于該區(qū)退耕還林（草）工程的實施，使得原本由稀疏農(nóng)作物或草地覆蓋的坡耕地、旱地丘陵區(qū)和中低覆蓋度草地被林地或草地所代替。林地和草地較為茂密，植被覆蓋度大，體現(xiàn)在植被指數(shù)上便是NDVI值的增加。另外，近年來部分地區(qū)農(nóng)作物增產(chǎn)顯著也是造成NDVI值有所增加的重要原因。如圖2所示，部分地區(qū)1998年開始示范性地開展退耕還林（草）工程，但未形成規(guī)模，主要以陜北地區(qū)吳旗、安塞等縣為重點區(qū)域。1999年開始大范圍推廣示范區(qū)退耕還林（草）經(jīng)驗?zāi)Ｊ?，范圍遍及陜、甘、寧大部分縣（市），但因林木生長周期較短尚未成林，NDVI值繼續(xù)下降，直至2000年達(dá)到谷底。2000年后退耕措施初見成效，整體情況有所好轉(zhuǎn)，NDVI由2000年的0.245左右躍升至2001年的0.260，并于2002年一度達(dá)到0.290左右，2002至2010年間小幅震蕩上升。

表1 1998-2010年不同土地利用類型區(qū)域年最大化NDVI變化斜率

3.2.2 NDVI的空間變化 利用變化斜率法以年為基本單位分析流域植被變化趨勢，根據(jù)各像元NDVI變化斜率將變化趨勢分為5級：輕微退化（-0.07≤kslope≤-0.004）、基本不變（-0.004≤kslope≤0.003）、輕微改善（0.003≤kslope≤0.01）、中度改善（0.01≤kslope≤0.02）和明顯改善（0.02≤kslope≤0.05）。分析表明，植被覆蓋呈整體改善，局部惡化趨勢。輕微改善、中度改善、明顯改善的區(qū)域所占面積分別為29.35%、26.49%和8.21%，另有6.59%的土地輕微退化。各像元的變化斜率如圖3，流域內(nèi)大部分縣（市）年NDVI變化介于-0.067/a-0.046/a，84個縣（市）中只有西峰、慶陽、鎮(zhèn)原、合水、西吉、張家川、涇源、西安以及渭源縣9個縣（市）變化率出現(xiàn)負(fù)值。斜率變化相對較大的區(qū)域（吳旗、合水、寧縣、正寧、秦安、甘谷、天水等）主要分布在渭河干流及涇河上游、馬蓮河上游、北洛河中游一帶。NDVI變化斜率出現(xiàn)負(fù)值的區(qū)域大多位于渭河中下游、涇河中上游地區(qū)，它們的共同特點是區(qū)位優(yōu)勢好，資源豐富，經(jīng)濟發(fā)展快。

如前文所述，渭河流域土地利用以耕地和草地為主，兩者中所占比重較大的二級地類分別為中覆蓋度草地（占25.44%）、旱地丘陵（23.63%）和平原區(qū)（15.23%），三者相加約占流域總面積的50%，在植被覆蓋變化分析中具有舉足輕重的位置，故將上述3種二級地類單獨加以分析。

如圖4所示，流域西北地區(qū)特別是環(huán)縣、華池一帶中等覆蓋度草地有退化趨勢。該地區(qū)農(nóng)地和草地結(jié)構(gòu)比重很高，由于地處半干旱區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然植被生長都嚴(yán)重依賴自然降雨，降水量的年際波動該地區(qū)植被發(fā)生了不穩(wěn)定變化。

如圖5所示，涇河流域中部的西峰、慶陽、鎮(zhèn)原及其周邊縣（市）植被也呈現(xiàn)出輕微退化。該地區(qū)特別是西峰、正寧一帶為慶陽市轄區(qū)，前者探明為石油儲量豐富的石油城，后者以煤炭資源和小手工藝品制作而著名，屬于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟強縣。由于城市化發(fā)展和人口增加對植被地區(qū)的占用，使得植被覆蓋出現(xiàn)退化是可以預(yù)料的結(jié)果。

如圖6所示，渭河中下游西安等旱地平原區(qū)的NDVI值有下降趨勢。西安位于渭河下游，鄰近關(guān)中平原寶雞城市群，該地區(qū)工業(yè)在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)中比例較高，城市的發(fā)展擴張侵占農(nóng)田從而導(dǎo)致植被覆蓋下降是可以預(yù)料的結(jié)果。另外，年NDVI變化斜率為正，但斜率相對較小的地區(qū)位于涇河中游，如崇信、涇川等縣的廣大區(qū)域，這一地區(qū)俗稱隴東糧倉，是我國農(nóng)業(yè)起源最早的地區(qū)之一，從20世紀(jì)60年代開始就形成了以農(nóng)業(yè)為本的糧食生產(chǎn)格局，因此認(rèn)為穩(wěn)定的糧食生產(chǎn)使得這一地區(qū)NDVI變化幅度小，農(nóng)業(yè)增產(chǎn)是導(dǎo)致NDVI變化斜率為正值的主要因素。

3.3 坡地植被的時空變化

根據(jù)前人研究結(jié)果，將研究區(qū)坡度劃分為0°-6°、6°-15°、15°-25°和＞25°共 4 個等級。坡度為 0°-6°的平緩地水土流失微弱，最適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；坡度為6°-15°的緩坡地，水土流失加重，但仍可作為農(nóng)業(yè)用地，可修筑梯田防止水土流失；坡度為15°-25°的土地，不適宜于耕作，需要改善其植被覆蓋狀況，以減少水土流失；坡度＞25°的土地土壤侵蝕極強烈，水土流失嚴(yán)重，土壤貧瘠，為亟需實施退耕還林（草）的區(qū)域[3,8-9]。利用Arc GIS的區(qū)域統(tǒng)計分析功能提取各坡度范圍年NDVI最大化值，并進(jìn)行全區(qū)平均，以代表不同坡度范圍植被覆蓋總體變化趨勢（表2）。結(jié)果顯示，各坡度等級植被覆蓋總體狀況均有較明顯的好轉(zhuǎn)趨勢，其中以0°-6°和6°-15°坡地植被恢復(fù)態(tài)勢最為明顯，其線性斜率分別為0.0077和0.0064（P＜0.05），其次為 15°-25°坡地和＞25°的陡坡地，斜率均為0.0056（P＜0.05）。

表2 不同坡度區(qū)域平均年最大NDVI變化斜率

坡度大于15°的坡地主要分布在丘陵溝壑區(qū)、秦嶺北麓、涇河中上游、北洛河中上游地區(qū)（圖略），由于NDVI數(shù)據(jù)的空間分辨率較粗加之流域內(nèi)陡坡地具有空間分布較為破碎分散的特點，并沒有體現(xiàn)出較為明顯的恢復(fù)或退化趨勢；小于15°的坡地中，絕大部分NDVI與時間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。位于丘陵溝壑區(qū)的吳旗等縣坡地植被恢復(fù)趨勢最為明顯，涇河中游、北洛河中上游以及渭河上游（靠近葫蘆河）等地區(qū)也有明顯好轉(zhuǎn)趨勢。流域整體與小于15°的坡地植被覆蓋呈現(xiàn)出的變化規(guī)律基本類似，退耕后坡地植被恢復(fù)態(tài)勢明顯，尤其是水土流失劇烈的丘陵溝壑區(qū)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）渭河流域六盤山、子午嶺、秦嶺北麓和關(guān)中盆地一帶各有一條NDVI高值區(qū)。西南部渭河源區(qū)通渭、漳縣、武山三縣部分地區(qū)的植被覆蓋較好，中東部子午嶺山系的山川區(qū)林地各縣覆蓋率也較高，流域中部的黃土塬區(qū)次之，黃土高原丘陵區(qū)最低。

（2）1999年大范圍退耕以來，NDVI值先降后升，于2000年達(dá)到谷底，于2002年一度達(dá)到0.290左右，2002至2010年間小幅震蕩上升?？臻g分布上，植被覆蓋呈整體改善，局部惡化趨勢。輕微改善、中度改善、明顯改善的區(qū)域所占面積分別為29.35%、26.49%和8.21%，另有6.59%的土地輕微退化。84個縣（市）中只有9個縣（市）變化率出現(xiàn)負(fù)值，斜率變化相對較大的區(qū)域主要分布在渭河干流及涇河上游、馬蓮河上游、北洛河中游一帶。NDVI變化斜率出現(xiàn)負(fù)值的區(qū)域大多位于渭河中下游、涇河中上游地區(qū)。

（3）各坡度范圍植被覆蓋狀況均有較明顯的好轉(zhuǎn)趨勢，其中以0°-6°和6°-15°坡地植被恢復(fù)態(tài)勢最為明顯，其線性斜率分別為 0.0077 和 0.0064（P＜0.05），其次為 15°-25°坡地和＞25°的陡坡地，斜率均為 0.0056（P＜0.05）。空間分布上，坡度大于15°的坡地主要分布在丘陵溝壑區(qū)、秦嶺北麓、涇河中上游、北洛河中上游地區(qū)。大于15°的坡地植被覆蓋并沒有體現(xiàn)出較為明顯的恢復(fù)或退化的趨勢；小于15°的坡地中，絕大部分NDVI與時間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。位于丘陵溝壑區(qū)的吳旗等縣坡地植被恢復(fù)趨勢最為明顯，涇河中游、北洛河中上游以及渭河上游（靠近葫蘆河）等地區(qū)也有明顯好轉(zhuǎn)趨勢。

4.2 討論

本文研究了近13年渭河流域植被覆蓋狀況的時空演變特征，發(fā)現(xiàn)涇河流域中部的西峰、慶陽、鎮(zhèn)原及其周邊縣（市）植被輕微退化，渭河中下游西安等平原區(qū)的NDVI值有下降趨勢，上述分析與劉志紅[5]、孫艷萍[6]、劉詠梅[7]、李登科[9]和張寶慶[10]等人在相近區(qū)域的研究結(jié)果非常一致。造成該區(qū)植被覆蓋變化的原因包括兩方面，分別為氣候變化和人類活動。首先，全球氣候變化早已成為不爭的事實，但氣候變化對于生態(tài)環(huán)境的影響是一個相當(dāng)漫長的過程，在近13年時間里，該地區(qū)降水和氣溫等氣候要素變化并不明顯[17]，如此之小的變化不應(yīng)該也不可能造成NDVI如此顯著的變化；另一方面，近13年來該區(qū)退耕還林（草）、水源涵養(yǎng)工程等生態(tài)環(huán)境建設(shè)成效顯著[5-10,16]，城市化進(jìn)程也不斷加快[17]，上述兩點原因的共同作用使得該區(qū)植被覆蓋發(fā)生了明顯變化，這一結(jié)論與其他學(xué)者的研究結(jié)論[5-10,16]非常一致，也由此可以得出，大規(guī)模的植被建設(shè)和城市化建設(shè)才是造成地區(qū)植被覆蓋產(chǎn)生較大變化的主導(dǎo)因素。盡管本研究取得了一些有意義的結(jié)論，但還存在以下幾點不足。其一，本研究在數(shù)據(jù)處理過程中為了做到不同數(shù)據(jù)在相同分辨率條件下進(jìn)行分析，對DEM重采樣至1km分辨率，其結(jié)果可能低估了地面起伏狀況和坡度變化范圍，從而對分析結(jié)果造成影響；其二，研究僅僅分析了不同土地利用類型和坡度對NDVI的影響，而并未就坡向、地表起伏等其他要素進(jìn)行分析，考慮的因素還不夠全面。因此，有關(guān)該區(qū)在退耕還林（草）背景下植被覆蓋時空變化的研究還有必要進(jìn)一步深入。

[1] 孫紅雨,王長耀,牛錚,等.中國植被覆蓋變化及其與氣候因子的關(guān)系——基于NOAA時間序列數(shù)據(jù)[J].遙感學(xué)報,1998,2(3):204-210.

[2] 唐克麗,張科利.渭河流域人為加速侵蝕與全球變化[J].水土保持學(xué)報，1992,6(2):88-96.

[3] Xin Zhongbao,Xu Jiongxin,Zheng Wei.Spatiotemporal variations of vegetation cover on the Chinese Loess Plateau(1981-2006):Impacts of climate changes and human activities[J].Science in China(Series D:Earth Sciences),2008,51(1):67-78.

[4] 張翀,任志遠(yuǎn).黃土高原地區(qū)植被覆蓋變化的時空差異及未來趨勢[J].資源科學(xué),2011,33(11):2143-2150.

[5] 劉志紅,郭偉玲,楊勤科,等.近20年黃土高原不同地貌類型區(qū)植被覆蓋變化及原因分析[J].中國水土保持科學(xué),2011,9(1):16-23.

[6] 孫艷萍,張曉萍,徐金鵬,等.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶植被覆蓋時空演變分析[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報,2012,40(2):143-150，156.

[7] 劉詠梅,李京忠,夏露.黃土高原植被覆蓋變化動態(tài)分析[J].西北大學(xué)學(xué)報,2011,41(6):1054-1058.

[8] 周洪建,王靜愛,岳耀杰,等.人類活動對植被退化/恢復(fù)影響的空間格局——以陜西省為例[J].生態(tài)學(xué)報,2009,29(9):4848-4856.

[9] 李登科,卓靜,孫智輝.基于RS和GIS的退耕還林生態(tài)建設(shè)工程成效監(jiān)測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(12):120-127.

[10] 張寶慶,吳普特,趙西寧.近30 a黃土高原植被覆蓋時空演變監(jiān)測與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(4):287－293.

[11]渭河流域近期重點治理規(guī)劃編制組.渭河流域近期重點治理規(guī)劃[R].北京:中華人民共和國水利部,2003.

[12] 張鈺嫻,王飛,穆興民.地理環(huán)境要素與渭河流域水沙關(guān)系的定量研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報,2009,37(01):61-65.

[13] 宋怡,馬明國.基于SPOTVEGETATION數(shù)據(jù)的中國西北植被覆蓋變化分析[J].中國沙漠,2007,27(1):89-93.

[14] Jarvis A,Rubiano J,Nelson A,et al.Practical use of SRTM data in thetropics-Comparisonswithdigital elevationmodelsgenerated from cartographic data[R].Cali,CO:Centro Internacional de Agricultura Tropical(CIAT),2004.

[15] 冉有華,李新,盧玲.四種常用的全球1 km土地覆蓋數(shù)據(jù)中國區(qū)域的精度評價[J].冰川凍土,2010,31(3):490-500.

[16] 陳操操,謝高地,甄霖,等.涇河流域植被覆蓋動態(tài)變化特征及其與降雨的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(3):925-937.

[17] 焦彩強,王飛,穆興民,等.渭河流域氣候變化與區(qū)域分異特征[J].水土保持通報,2010,30(5):27-32.