內蒙古卓資縣土地利用與植被覆蓋動態變化

周湘山，孫保平，李錦榮，趙 巖，鐘曉娟，王引乾，馮 磊，邱一丹

（北京林業大學水土保持學院，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083）

水土流失和土地沙化是我國最突出的生態問題。水土流失導致河湖淤積、水災頻繁，土地沙化使風沙災害加劇。日益嚴峻的生態形勢，引起了黨中央和國務院的高度重視，全面實施退耕還林（草）工程成為當前生態建設的重要內容[1-3]。退耕還林（草）是人們通過政策和管理措施改變土地利用/植被覆蓋類型，在區域尺度上進行地表過程調控、維護和改善生態環境的有效切入點，其實質就是通過調整土地利用方式，恢復重建地表自然覆蓋，建立生態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，能夠直觀地反映地表植被的豐度，同時它也是生態系統中一個重要的控制因子，對蒸散、土壤侵蝕、光合作用過程等起著重要的控制作用[6]，是指示生態系統變化的重要指標。基于遙感數據進行大面積、長時間序列的植被覆蓋度計算，對于區域氣候變化研究具有重要意義。

以全國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，較細致地分析卓資縣1999—2007年退耕還林生態建設工程實施以來所取得的實效。

1 研究區概況

卓資縣位于內蒙古自治區烏蘭察布盟西部，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170 d，≥10℃積溫平均為1800℃，無霜期90～110 d；平均降水量為350mm，年蒸發量1 876.9mm，年均濕度為45%，年均風速為2.8m/s，春季大風常形成沙塵暴天氣。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，以灰褐土和栗鈣土為主，土層厚度為10～60m。土壤沙性大，水蝕和風蝕都很嚴重，主要分布在大黑河兩岸的干、支溝地區。

2 研究內容和方法

2.1 TM影像處理及LUCC分類體系建立

TM影像為Landsat-7波段遙感數據，其空間分辨率為25m，共2景遙感影像，1景影像時相為1999年9月7日，另1景影像時相為2007年8月26日。基礎地理信息數據包括1∶25萬卓資縣全要素數字地圖、1∶5萬數字高程模型，這些輔助數據主要用于圖像精校正、輔助分類、綜合制圖和地學分析。地面調查資料用于監督分類訓練樣本和精度驗證。根據不同土地利用類型的光譜反映特征建立解譯標志，采用目視解譯法識別影像的特征屬性，并結合野外資料對影像進行監督分類，得到遙感分類圖，比較各時期土地利用與植被覆蓋變換。

參照1992年中國科學院“八五”重大應用項目“國家資源與環境遙感宏觀調查與動態研究”的土地資源分類系統[7]，根據卓資縣土地利用和植被物候與荒漠化特點，結合大量野外調查，本著實用、簡潔的原則，確定采用2級分類法對研究區進行土地利用/植被覆蓋分類（表1）。

表1 卓資縣土地利用/植被覆蓋分類體系

2.2 植被覆蓋度計算方法

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。

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

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

公式（1）為采用NDVI指數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，即圖像中每個像元的 NDVI值可以看成是有植被覆蓋部分的NDVI與無植被覆蓋部分的NDVI的加權平均，其中有植被覆蓋部分的NDVI的權重即為此像元的植被覆蓋度fc，無植被覆蓋部分的NDVI的權重則為1－fc。其中，NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，即無植被像元的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 結果與分析

3.1 土地利用類型變化

對1999年和2007年的2期TM遙感影像的分類結果（圖1）進行統計，得到了卓資縣的土地利用/植被覆蓋的統計數據（表2、表3）。

表2 卓資縣景觀要素Ⅰ級分類面積統計

表3 卓資縣景觀要素Ⅱ級分類面積統計

由表2、圖2可知，1999年卓資縣的景觀要素Ⅰ級分類的結構是：草地＞林地＞耕地＞未利用地＞居民工礦用地＞水域。在1999年，該區景觀中耕地面積為73434.98 hm2，占該區總面積的23.54%；林地面積79 036.09 hm2，占該區總面積的25.34%；草地面積116 470.94 hm2，占該區總面積37.34%；水域面積6 082.96 hm2，占該區總面積1.95%；居民工礦用地面積7 953.45 hm2，占該區總面積2.55%；未利用地面積28 921.60 hm2，占該區總面積9.27%。從Ⅰ級分類上看，全縣土地利用類型主要以草地為主，林地和耕地次之，整個區域的林草覆蓋度達到62%以上。

2007年卓資縣景觀要素Ⅰ級分類的結構為：草地＞林地＞耕地＞未利用地＞居民工礦用地＞水域。在2007年，該區景觀中耕地面積為55 089.15 hm2，占該區總面積的17.66%；林地面積為86 160.27 hm2，占該區總面積的27.62%；草地面積為125 358.06 hm2，占該區總面積的40.19%；水域面積為1 422.76 hm2，占該區總面積的0.46%；居民工礦用地面積為12 336.29 hm2，占該區總面積的3.96%；未利用地的面積為31 533.49 hm2，占該區總面積的10.11%。

從Ⅰ級分類上看，2007年與1999年相比，景觀要素的結構順序沒有發生變化，但各要素類型中，耕地和水域面積呈現減少趨勢，8 a分別減少了5.88，1.49百分點。林地、草地、未利用地和居民工礦用地面積呈現遞增趨勢，8 a分別增加了 2.28，2.85，0.84，1.41 百分點。

從表3、圖3可看出，從1999年卓資縣退耕還林工程啟動以來，到2007年該地區景觀格局發生了顯著變化，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，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，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；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，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，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；高蓋度草地面積基本保持平穩，變化幅度不大。這是因為實行封山禁牧以后，中蓋度草地得到了很好的自然恢復。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，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，主要因為在卓資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，主要由于退耕還林的實施使當地農民的生活經濟有所提高，農村發展速度加快，城鄉建設步伐加快，居民工礦建設及交通用地面積逐步增加。在實施退耕還林工程以來，大面積的退耕還林還草和封山育林育草，到2007年時林草覆蓋度上升到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，對卓資縣的植被覆蓋度分布進行遙感分析，結果如圖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，不能說明不同等級覆蓋度之間的轉移變化情況。

為了弄明白1999—2007年間各個不同覆蓋度等級之間的轉移量，對植被覆蓋度進行轉移矩陣分析（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%的植被覆蓋度轉移，而10%～30%和30%～50%的植被覆蓋度向＜10%的植被覆蓋度轉移較小，表明這一等級的植被覆蓋度向良好的更高覆蓋度的方向發展。10%～30%的植被主要向30%～50%的植被覆蓋度轉移，同時30%～50%覆蓋度的植被也向10%～30%的方向轉移，但面積僅有前者的2/3，說明植被治理大于破壞。30%～50%與50%～70%植被覆蓋度之間互有轉移，這2個覆蓋度之間的轉化處于相對較為平衡狀態。而＞70%的植被覆蓋度，與各覆蓋度之間有轉移，轉移量基本保持平衡，這說明當植被覆蓋度達到一個閾值以后，覆蓋度之間的轉移達到動態平衡，這種動態平衡對維系生態系統的穩定性是相當重要的，是系統進入良性循環的一個重要標志[10-11]。從上述分析可知，卓資縣從實施退耕還林工程后，到2007年植被覆蓋度呈增加趨勢明顯，在該地區植被覆蓋度大于30%的斑塊之間的相互轉移已經達到相對平衡。

植被覆蓋度＞50%的斑塊之間轉移主要是分布在卓資縣的西南部植被覆蓋度高的林地內；＜10%的植被覆蓋度斑塊向其他覆蓋度斑塊之間的轉移主要集中在卓資縣東部區域；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移規律差異明顯。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到很高，在退耕還林工程實施期間保護較好，變化相對穩定。

4 結論

卓資縣退耕還林工程實施以后，地區的整個生態環境得到了改善，從遙感解譯得到土地利用與植被覆蓋圖上對比，退耕還林工程實施前的1999年和退耕后的2007比較，土地利用結構發生明顯改變，耕地面積減少18 345.83 hm2，主要轉化為林地和草地；林地面積在8 a間增加了2.29百分點，其中，以灌木林地的增加為主；草地面積增加2.85百分點，其中，以中蓋度草地的增加為主。8 a間植被覆蓋度發生較明顯變化，＜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%。不同等級的覆蓋度之間各有轉移，總體上＜10%的植被覆蓋度主要向10%～30%和30%～50%的植被覆蓋度等級轉移，10%～30%和30%～50%的植被覆蓋度等級之間的轉移，前者向后者轉移的比例是后者向前者轉移的近1.5倍。30%～50%與50%～70%植被覆蓋度之間互有轉移，轉化處于動態平衡狀態。＞70%的植被覆蓋度，與各覆蓋度之間的轉移量保持平衡，這對于維系生態系統的穩定性是相當重要的，同時標志著卓資縣的生態系統進入良性循環。10%～30%和30%～50%這2個等級的覆蓋度斑塊，在2007年所占面積都較大，共占全縣面積的66.24%，這2個等級的植被覆蓋度，能代表全縣的平均植被覆蓋度等級水平。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到很高，在退耕還林工程實施期間保護較好，變化相對穩定。退耕還林工程在卓資縣的實施，生態效果顯著。

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