何遠(yuǎn)梅,姚文俊,張巖,李鎮(zhèn),朱清科

(北京林業(yè)大學(xué),水土保持與荒漠化教育部重點實驗室,100083,北京)

黃土高原地貌獨特,生態(tài)環(huán)境脆弱,地處半干旱半濕潤氣候帶,是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-2]。植被作為影響土壤侵蝕的重要因素之一,對黃土高原產(chǎn)流產(chǎn)沙過程具有重要影響,發(fā)揮了保持水土的作用,同時反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況[3-5]。為了治理水土流失,改善生態(tài)環(huán)境,實現(xiàn)生態(tài)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,1998年以來,實施退耕還林工程,植被恢復(fù)及其效益的研究已成為當(dāng)前研究的熱點問題,對植被恢復(fù)情況進行評估,能夠揭示生態(tài)建設(shè)工程取得的效果,為工程實施提供理論參考和技術(shù)支撐[6-7]。

以往對黃土高原區(qū)植被時空變化研究中大多采用GIMSS/NDVI和SPOT VEGETATION/NDVI數(shù)據(jù)[8-10],其空間分辨率較低,分別為8 km和1 km,且研究多是集中于對整個區(qū)域或是行政區(qū)、流域的分析[10-12]。劉憲鋒等曾經(jīng)用 2000—2009年夏季MODIS13Q1數(shù)據(jù),得出了黃土高原區(qū)植被覆蓋度年際變化曲線及線性趨勢、植被覆蓋度數(shù)量變化及植被覆蓋度空間變化[13]。但是黃土高原區(qū)域跨度大,東部與西部,南部與北部在氣候、植被、土壤、地形等生態(tài)環(huán)境條件方面,均存在較大差異性,因而其植被建設(shè)的策略和植被生長的水熱條件不盡相同;所以對黃土高原水熱條件形成的不同植被覆蓋區(qū)植被變化趨勢和坡耕地按照坡度實施退耕還林政策對黃土高原植被恢復(fù)影響的分析非常重要。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是反映植被所吸收的光合有效輻射比例的一個重要指數(shù),也是目前植被監(jiān)測常用的參數(shù)。因為NDVI能很好地指示植被生長和覆蓋度變化[14],所以NDVI的變化在一定程度上能代表地表植被覆蓋的變化[15-16]。

筆者采用2000—2013年黃土高原地區(qū)的MODIS13Q1數(shù)據(jù)(其數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率(250 m),能較真實地反映地面植被覆蓋情況),研究分析黃土高原區(qū)植被覆蓋的區(qū)域分布特征、年均和夏季的植被覆蓋空間演變趨勢,以及不同坡度、不同植被覆蓋區(qū)域的NDVI變化程度,旨在掌握黃土高原區(qū)植被覆蓋的空間分布特征、不同退耕坡度區(qū)域和不同氣候帶區(qū)域植被恢復(fù)程度,驗證退耕還林(草)工程效果,為區(qū)域生態(tài)恢復(fù)決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

關(guān)于黃土高原的范圍,由于各學(xué)科著眼點不同而有不同的界線,因此黃土高原的面積,出現(xiàn)了30萬km2、43萬km2及64萬km2(包括4.2萬km2的閉流區(qū),其中水土流失面積43萬km2)等提法[17-18]。本研究采用作為地貌單元的黃土高原,面積約43萬km2,具體邊界是日月山、烏鞘嶺以東,太行山東麓深斷裂帶以西(包括豫西黃土丘陵區(qū)),秦嶺、伏牛山以北,長城沿線以南(包括內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾到和林格爾黃土丘陵區(qū)),其地理位置在E 101°～114°、N 34°～41°之間,主要跨甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西等省區(qū),是以黃土地貌為主體的高原[17-18]。 年平均溫度3.6～14.3℃,年降水量150～750 mm,且多集中在7—9月,占全年降水量的60% ～80%,冬季降水一般只占到5%左右。據(jù)中國農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖[19]該區(qū)東南部屬于南溫帶,中部屬于中溫帶,西北部屬于干旱中溫帶。

2 資料與方法

MODIS13Q1數(shù)據(jù)下載于美國國家宇航局(NASA)的EOS數(shù)據(jù)中心(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html),時間段為2000—2013年,每16 d一景影像,每年約23景,共約320景,空間分辨率為250 m。使用Erdas 9.2軟件,按研究區(qū)邊界進行裁切,采用月內(nèi)兩時相NDVI最大值合成法(MVC)生成各個月NDVI數(shù)據(jù)集。中國農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖來源于1∶1 200萬紙質(zhì)圖[19],經(jīng)過掃描,然后在ArcGIS中矢量化,最后按研究區(qū)邊界進行裁切得到研究區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)劃圖。DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m,利用ArcGIS軟件對其進行拼接、投影轉(zhuǎn)換及研究區(qū)提取等處理,然后計算出研究區(qū)的坡度,并按坡耕地退耕還林實施政策的等級[20]進行坡度分級。

年平均NDVI數(shù)據(jù)是12個月NDVI的平均值,綜合概括性比較好,從而可以更好地體現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋的代表性變化規(guī)律。夏季NDVI是取夏季季度內(nèi)月份NDVI數(shù)據(jù)算術(shù)平均值(季節(jié)劃分按照氣象界慣例夏季為6—8月),夏季植被生長旺盛,可以反映一年中植被生長最好的狀況。多年平均NDVI是2000—2013年NDVI的均值。

多年NDVI空間趨勢分析采用一元線性回歸方法分析,一元線性回歸分析可以模擬每個柵格的變化趨勢,反映不同時期NDVI變化趨勢的空間特征[21-22]。采用一元線性回歸公式在Erdas9.2軟件中建模模擬2000—2013年我國黃土高原區(qū)歸一化植被指數(shù)的空間變化趨勢,其計算公式為

式中:變量i為第1～14年序號;n為所研究時段的累計時間,n=14 a;Xi為第i年的歸一化植被指數(shù);Θslope為歸一化植被指數(shù)的線性斜率,其值分級含義借鑒宋怡等[23]關(guān)于植被指數(shù)退化研究的劃分標(biāo)準(zhǔn)。變化趨勢圖反映2000—2013年歸一化植被指數(shù)的變化情況。

黃土高原區(qū)不同氣候帶NDVI變化趨勢的差異和不同坡度NDVI變化趨勢的差異,是在ArcGIS疊置分析模塊分別將NDVI空間分異分級圖和坡度分級圖與NDVI趨勢圖疊加,最終統(tǒng)計得到不同等級下NDVI變化面積比例。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI空間分異特征

圖1顯示了黃土高原區(qū)2000—2013年間NDVI平均值空間分布情況,可以看出:整個研究區(qū)NDVI值從東南向西北逐漸遞減,呈3條帶性分布,分別是NDVI值＜0.2、≥0.2～0.4、≥0.4,大致對應(yīng)于中國農(nóng)業(yè)氣候分區(qū)的干旱中溫帶、中溫帶、南溫帶3個氣候區(qū),這與黃土高原區(qū)的水熱條件分布基本一致。其中NDVI值范圍在0～0.2的區(qū)域分布在寧夏吳忠市的南部和固原縣的北部、甘肅平?jīng)鍪形鞅辈考疤m州市,占總面積的13%。NDVI值范圍為≥0.2～0.4的區(qū)域面積最大,占黃土高原區(qū)面積的58%;主要位于山西的北部、中部和南部的部分區(qū)域,陜西延安市的北部和榆林市,內(nèi)蒙古呼和浩特市南部及東勝市東南部,寧夏固原縣南部,甘肅西峰市和平?jīng)鍪兄胁?天水市,定西縣及臨夏市。NDVI值范圍在≥0.4～0.6的區(qū)域面積占總面積的25%,主要分布于陜西延安的南部和關(guān)中平原、山西的中部和南部的部分地區(qū)。NDVI≥0.6的區(qū)域占總面積的2.8%,主要分布于陜西關(guān)中平原南部、甘肅天水市的部分地區(qū)。

3.2 NDVI變化趨勢的空間差異性

黃土高原區(qū)2000—2013年年均NDVI和夏季NDVI變化趨勢見圖2和表1。從表1可以看出,黃土高原區(qū)年均NDVI增加區(qū)域占總面積的88%,減少區(qū)域占總面積的4.12%,基本不變的區(qū)域占總面積的7.45%,而夏季NDVI增加區(qū)域占總面積的90%,減少區(qū)域占總面積的4.69%,基本不變的區(qū)域占總面積的4.49%,都表明2000—2013年,黃土高原區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)增加的趨勢。年均NDVI呈現(xiàn)中度改善區(qū)域最大,輕度改善區(qū)域次之,共計超過76%。圖2顯示,黃土高原區(qū)年均植被覆蓋明顯改善的區(qū)域主要在黃土高原中部,包括山西省離石縣西南部和臨汾市的西北部、陜西省延安市的北部和榆林市的東南部以及甘肅天水市的部分地區(qū),約占12%;中度改善和輕微改善的區(qū)域占據(jù)了研究區(qū)的大部分區(qū)域;植被覆蓋基本不變的區(qū)域主要分布于甘肅平?jīng)鍪械奈鞅辈?輕度退化的區(qū)域主要分布于渭河下游周邊、北洛河下游周邊、汾河的周邊等。夏季NDVI表現(xiàn)出明顯改善區(qū)域最大,約為50%(表1),從東北—西南呈長條狀分布;減少區(qū)域零星分布于渭河下游周邊(圖2)。總之,在近14年黃土高原區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)增加的趨勢,夏季比年均更明顯。

表1 黃土高原2000—2013年年均NDVI和夏季NDVI變化趨勢結(jié)果Tab.1 Results of trend of year's mean NDVI and summer NDVI in Loess Plateau during 2000—2013 %

圖1 黃土髙原區(qū)的2000—2013年均NDVI的空間分異圖Fig.1 Average annual NDVI in Loess Plateau during 2000—2013

圖2 黃土高原2000—2013年年均及夏季NDVI的變化趨勢圖(變化級別含義見表1)Fig.2 Trend of year's mean NDVI and summer NDVI in Loess Plateau during 2000—2013

3.3 不同氣候帶NDVI變化趨勢的差異

前文研究結(jié)果表明NDVI值＜0.2、≥0.2～0.4和≥0.4的區(qū)域大致對應(yīng)于中國農(nóng)業(yè)氣候分區(qū)的干旱中溫帶、中溫帶和南溫帶。由于中國農(nóng)業(yè)氣候分區(qū)圖比例尺較小,不能精確反映黃土高原的水熱條件,所以通過分析NDVI均值＜0.2、≥0.2～0.4和≥0.4的3個區(qū)域2000—2013年NDVI變化趨勢來反映相應(yīng)氣候帶NDVI變化趨勢,如圖3所示。從圖3(a)可以看出,各NDVI等級區(qū)域年均植被覆蓋改善的面積占各自總面積的比例都超過了70%,以中度改善和輕微改善為主,各NDVI等級區(qū)域植被退化面積的比例都小于5%。其中:2000—2013年NDVI均值范圍在0.2～0.4之間的區(qū)域改善面積比例超過了其總面積的92%左右,且中度改善的面積比例最大,表明該區(qū)域植被總體處于中度改善的趨勢;2000—2013年 NDVI均值在0～0.2、≥0.4～0.6和≥0.6的區(qū)域植被覆蓋以輕微改善為主,輕微改善的面積分別占各自整體的57.05%、44.72%、60.31%。圖3(b)表明NDVI均值在0～0.2的區(qū)域夏季植被覆蓋以中度改善和輕微改善為主,NDVI范圍在0.2～0.4區(qū)域夏季植被覆蓋呈明顯改善趨勢,NDVI均值≥0.6的區(qū)域夏季植被覆蓋以輕微改善或基本不變?yōu)橹??？傊?各NDVI等級區(qū)域年均和夏季植被覆蓋都呈增加趨勢,且≥0.2～0.4的區(qū)域最明顯。NDVI多年平均值為≥0.4～0.6和≥0.6的區(qū)域都處于南溫帶,水熱條件比較好;但是≥0.6的區(qū)域植被覆蓋情況已經(jīng)相當(dāng)好了,恢復(fù)的空間不大,因而植被覆蓋恢復(fù)最不明顯。≥0.4～0.6的區(qū)域,植被恢復(fù)的空間較大,但是這部分區(qū)域在黃土高原區(qū)的東南部,退耕還林的力度相對小;0～0.2的區(qū)域大多分布在黃土高原的西北部,處于干旱中溫帶,水熱條件差,植被恢復(fù)起來較困難,因而,≥0.2～0.4的區(qū)域相對于這2個區(qū)域植被覆蓋恢復(fù)更明顯。

圖3 黃土高原不同NDVI等級區(qū)域的NDVI變化面積比例Fig.3 Percentage of NDVI variation area from different NDVI grades in Loess Plateau

3.4 不同坡度NDVI變化趨勢的差異

依據(jù)退耕還林政策的規(guī)定,≥25°的陡坡耕地必須無條件地退耕,15°～25°的陡坡耕地有選擇的退耕[20],此外,李銳[24]建議黃土高原生態(tài)建設(shè)要根據(jù)不同坡度分不同時間段逐漸實現(xiàn)退耕還林;所以,分析不同坡度下植被恢復(fù)程度就顯得十分必要。黃土高原區(qū)坡度分級見圖 4,共分為 5級[25]:＜6°、≥6°～15°、≥15°～25°、≥25°～35°、≥35°,其對應(yīng)的面積占研究區(qū)總面積的比例分別是22%、36%、26% 、12% 、4% 。

圖4 黃土高原坡度分級圖Fig.4 Different slope grades in Loess Plateau

不同坡度等級下NDVI變化的情況見圖5,表明:各坡度等級年均和夏季植被覆蓋改善區(qū)域的面積比例都超過了各自整體的80%,年均以中度改善和輕微改善為主,而夏季以明顯改善和中度改善為主。坡度在0°～6°的區(qū)域,年均植被覆蓋基本不變和退化面積比例接近20%,夏季也超過10%,可能的原因是該地區(qū)有荒漠、荒漠草地、河流分布,其NDVI大部分呈現(xiàn)基本不變甚至退化的趨勢;坡度在≥6°～15°之間的年均和夏季植被覆蓋改善區(qū)的比例分別是89.39%和91.56%,退化區(qū)域的比例分別是3.95%和4.58%;坡度在≥15°～25°之間的年均和夏季植被覆蓋改善區(qū)域的比例高于其他等級,都為93%左右,退化區(qū)域的比例小于其他等級,分別是1.73%和3.21%;≥25°～35°的坡度范圍內(nèi)年均和夏季植被覆蓋改善區(qū)面積的比例次之,都達90%;坡度≥35°的區(qū)域,年均植被覆蓋以輕微改善為主,而夏季以明顯改善為主,且年均植被覆蓋、夏季植被覆蓋基本不變和退化的面積比例都接近20%。綜上所述,≥15°～25°坡耕地退耕還林取得了明顯的植被恢復(fù)效果。

圖5 黃土高原不同坡度的NDVI變化程度的面積比例Fig.5 Percentage of NDVI variation area from different slope grades in Loess Plateau

4 結(jié)論

1)2000—2013年黃土高原區(qū)的NDVI均值從東南向西北逐漸遞減,明顯的呈3條帶狀:＜0.2、≥0.2～0.4、≥0.4,大致對應(yīng)于中國農(nóng)業(yè)氣候分區(qū)的干旱中溫帶、中溫帶、南溫帶3個氣候區(qū)。

2)2000—2013年黃土高原區(qū)年均NDVI和夏季NDVI都呈現(xiàn)增加的趨勢,黃土高原區(qū)年均NDVI增加區(qū)域占總面積的88.42%,夏季NDVI增加區(qū)域占總面積的90%。年均NDVI中度改善和輕微改善的區(qū)域占據(jù)了研究區(qū)的大部分區(qū)域,面積比例高達76%;黃土高原區(qū)年均植被覆蓋明顯改善的區(qū)域約占12%,主要在黃土高原中部的陜北地區(qū)和山西西部。夏季黃土高原NDVI明顯改善區(qū)域的面積比例約為50%,從東北—西南呈長條狀分布。總之,在近14年黃土高原區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)增加的趨勢,夏季比年均更明顯。

3)黃土高原區(qū)2000—2013年NDVI均值范圍在≥0.2～0.4之間(大致相當(dāng)于中溫帶)的區(qū)域年均植被覆蓋以中度改善為主,夏季明顯改善;2000—2013年NDVI均值在0～0.2(大致相當(dāng)于干旱中溫帶)、≥0.4～0.6和≥0.6(大致相當(dāng)于南溫帶)的區(qū)域年均植被覆蓋以輕微改善為主,夏季植被覆蓋以中度改善和輕微改善為主。表明2000—2013年NDVI均值范圍在0.2～0.4的區(qū)域,即中溫帶退耕還林植被恢復(fù)效果明顯。

4)黃土高原區(qū)各坡度等級年均和夏季植被覆蓋改善區(qū)域的面積比例都超過了各自整體的80%,年均植被覆蓋以中度改善和輕微改善為主,夏季以明顯改善和中度改善為主。坡度在≥15°～25°的區(qū)域改善區(qū)域的面積比例最高,坡度為≥25°～35°的區(qū)域次之,充分說明坡耕地退耕還林取得了明顯的植被恢復(fù)效果。