相似降水年組下黃土高原植被恢復與土壤水分變化過程與空間特征分析

王蕾欽, 王 飛,, 李朋飛

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

相似降水年組下黃土高原植被恢復與土壤水分變化過程與空間特征分析

王蕾欽1, 王 飛1,2, 李朋飛2

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤水分是黃土高原植被恢復及其可持續性的主導限制因子，為認識退耕還林(草)工程以來大尺度植被恢復與土壤水分關系，以25 km×25 km格點為研究單元，采用1992—2013年逐月降水量、歸一化植被指數(NDVI)和土壤水分指數(SWI)等數據，分析了該區植被恢復與土壤水變化過程及其區域分布特征。結果表明，黃土高原植被和土壤水分變化特征和趨勢不一致，其中大部分區域(70%以上面積)NDVI呈極顯著增加趨勢(p<0.01)，但絕大部分地區(94%面積)的SWI沒有趨勢性變化。為進一步揭示植被和土壤水分變化關系，以格點為單元提取并分析了相似年組(年降水量差小于2%，年差大于或等于5年，逐月降水量相關性大于0.55)，并分析了不同相似年組內NDVI和SWI的變化特征。植被指數與土壤水分變化主要包括兩類：植被指數和土壤水分同時增加與植被指數增加而土壤水分減少。黃土高原植被、土壤水分變化的區域性明顯，在未來生態恢復過程中，需要進一步認識植被恢復對土壤水分的關系，促進黃土高原植被恢復的可持續性。

黃土高原; 植被恢復; 相似降水條件; 植被指數; 土壤水分指數; 遙感

土壤水、大氣水和地表水轉化以及植被水分相互作用，是地表過程研究的核心問題之一，也是認識地表植被格局演變及其可持續性的基礎[1-2]。黃土高原氣候干旱且地下水埋藏較深，土壤水分是植被生長的直接保障。近年來，由于退耕還林(草)項目的實施，黃土高原植被覆蓋快速增加，并對土壤水分補給和數量等特征產生影響。一般而言，植被增加可以增加林冠截留，減少地表徑流，增加土壤水分入滲[3]，但同時由于植被耗水增加會導致土壤干燥化[4-5]，從而制約植被生長，因此科學認識植被恢復和土壤水分變化過程及其相互關系，可為目前生態治理的可持續性提供更多科學參考。同時，由于降水為黃土高原土壤水分的最主要來源，強烈影響著土壤水分的時空變化[6-10]，如果采用相似降水年組分析[11]，可以在認識土壤水分變化過程基礎上，盡可能減少降水因素的影響，從而更客觀認識植被—土壤水分關系。由于土壤水分具有明顯空間分異性[12]，目前地塊和小區等小尺度的觀測結果難以有效反映區域和流域等較大尺度的土壤水分變化，遙感技術反演的土壤水分可以反映綜合下墊面特征，而且時效性強、覆蓋范圍大，可用于分析大尺度和長時段土壤水分和植被覆蓋變化關系。為此，本文利用退耕還林前后的降水數據、遙感反演的植被覆蓋數據以及土壤水分數據，分析了植被覆蓋與土壤水分在研究時段內的變化趨勢，探討了各不同變化趨勢組合中相似降水區域內植被變化對土壤水分的影響。

1 研究區、數據與方法

1.1 研究區概況

黃土高原地區東起太行山，西至日月山，南連秦嶺，北抵陰山，跨山西省、陜西省北部、河南省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區及內蒙古等省區，面積約為64萬km2。該區地處(暖)溫帶大陸性季風氣候區的邊緣，氣候變化敏感，生態環境脆弱，水土流失嚴重。該區年降水量100～900 mm，由東南向西北遞減，多年平均年降水量約418 mm。植被稀疏，草地占主導地位，占黃土高原地區總面積的41.75%[13]。地勢西北高東南低，平均海拔1 621 m，地形復雜[14]，土壤以褐土與黃綿土為主[15]。自1998年起，該區陸續實施退耕還林(草)工程，重點改造易于產生水土流失的坡耕地，通過退耕、造林種草和人工封育等措施[16]，修復脆弱生態環境。自該工程實施以來，黃土高原的自然環境得到極大改善[17]，植被覆蓋率自1999年的31.6%提高至2013年的59.6%[18]，有效減少了黃土高原的土壤侵蝕量和入黃泥沙量[19-22]。

1.2 數 據

本研究數據主要包括降水、植被覆蓋及土壤水分數據。降水數據來源于中國氣象科學數據共享服務網提供的1992—2013年黃土高原地區96個氣象站點的降雨月值資料。植被數據包含GIMMSAVHRR(Global Inventory Modeling and Mapping Studies)和SPOTVGT(SPOT Vegetation)2種歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)[23]。AVHRR-NDVI是每半個月(15 d)合成的最大化NDVI數據，空間分辨率為8 km，其下載自國家自然科學基金委員會“中國西部環境與生態科學數據中心”，時間為1992年1月至1998年4月。SPOTVGT S10是由比利時弗萊芒技術研究所影像處理中發布的10日最大化合成數據，空間分辨率1 km，時間為1998年4月至2013年12月。土壤水分數據為土壤濕度指數(Soil Water Index,SWI)，采用歐洲資源衛星(European Remote Sensing Satellite，ERS)搭載的風散射計的遙感信息，通過變化檢測方法，利用TU-Wien 模型反演獲取，SWI來自Essential Climate Variable Soil Moisture(ECV_SM)數據集。該土壤水分數據代表的是0—1 m土層的土壤水分飽和度，單位是%，空間分辨率為25 km，時間分辨率是1 d，本研究選取的時間范圍是1992—2013年。其中，2001—2006年的土壤水分數據因衛星故障等原因缺測不可用。SWI在中國，尤其是黃土高原的適用性已經得到驗證[24-27]。

1.3 方 法

1.3.1 尺度一致化 由于分析數據的空間尺度(分辨率)不同，本研究進行了尺度一致化處理，將NDVI數據重采樣至25 km，其次利用普通克里金方法對月降雨數據插值，得到空間分辨率為25 km的降雨格網數據，使NDVI與降水數據及SWI數據的空間分辨率一致，以更好分析區域尺度現象和過程。

1.3.2 NDVI與SWI的變化趨勢及其組合 本文采用線性回歸分析各像元NDVI與SWI年值在研究時段內的變化趨勢。變化趨勢以線性回歸的斜率表示(式1)。2001—2006年土壤水分數據缺測，故其在趨勢計算中不予考慮。

(1)

式中：i代表年份，i=1時為1992年，i=2時為1993年，i=10時為2007年，以此類推，i=16為2013年；pi為第i年的NDVI或SWI值；S為趨勢線的斜率，其絕對值表示NDVI或SWI的變化速率，絕對值越大表示變化速率越大。S為正值表示降雨呈上升趨勢，負值則為下降趨勢。

對S不為零的像元，采用F檢驗確定變化的顯著性。根據檢驗結果，變化趨勢分為8個等級：極顯著減少(p<0.01)；顯著減少(0.01≤p<0.05)；較顯著減少(0.05≤p<0.1)；減少但不顯著(p≥0.1)；增加但不顯著(p≥0.1)；較顯著增加(0.05≤p<0.1)；顯著增加(0.01≤p<0.05)；極顯著增加(p<0.01)。

1.3.3 相似降水區域選取 相似降水條件包括降水量相似和降水過程相似的確定[11]。降水量相似依據年降水量差異確定。降水過程相似則通過分析降水量相似年組內逐月降水量的相關性確定。降水量相似選取時，相似年組之間須相隔一定年份，且降水量差異須在一定范圍內。本研究中，降水相似區選擇過程如下：選用年差≥5 a；降水量相似采用“年降水總量≤研究格點對應年均降水量的2%”為閾值；在年降水量相似的格點內，進一步選取月降水相關性顯著性小于0.05的格點(相關系數>0.5529)。

1.3.4 NDVI與SWI的交互分析 在完成黃土高原NDVI和SWI變化趨勢組合后，判斷各組合內符合相似降水條件的區域，分析各組合內相似降水區域中NDVI與SWI的特征。

2 結果與分析

2.1 NDVI與SWI的時空分異特征及分區

2.1.1 NDVI及SWI時空分布及變化 黃土高原NDVI由西北向東南遞增(圖1A，C，E)，且自1992—2013年，黃土高原NDVI值持續升高。相比1992年、2013年NDVI平均增長了53%(圖2A)，增加的區域占黃土高原總面積的94%，主要分布于黃土高原絕大部分地區，其中西安以北、銀川以東部分地區最明顯，可達229%；同時，NDVI在部分地區減少，主要分布在黃土高原西南部地區，減少幅度最高達到63.5%。

SWI的空間分布特征與NDVI相似，也由西北向東南升高(圖1B，D，F)。較1992年、2000年黃土高原大部分地區的SWI降低，導致SWI均值也下降。2013年黃土高原SWI均值高于2000年，且大部分地區的SWI上升。總體而言，1992—2013年黃土高原SWI均值變化不大，僅2.5%(圖2B)。增長的區域占黃土高原總面積的65.5%，主要分布在黃土高原西北部分地區及東部的部分區域，其中銀川以東及以南地區、鄭州東部及太原東部增加明顯，其中增加最多的區域可達36.1%。SWI下降的區域占黃土高原總面積的27.2%，主要分布于蘭州以西，西寧周圍大部及西安以北。

圖1黃土高原NDVI及SWI的空間分布與變化特征

2.1.2 NDVI與SWI變化趨勢 NDVI呈極顯著增加的區域最大，占黃土高原總面積的69.6%(表1)，分布于黃土高原大部分地區(圖3)。NDVI較顯著增加和顯著增加的區域各占黃土高原總面積的3.7%和8.1%，主要位于黃土高原的西部銀川周圍以及蘭州以北地區。NDVI未發生顯著增加或減少的區域占黃土高原總面積的15%，主要集中于蘭州以西。NDVI極顯著減少的區域位于西寧以東，呼和浩特以北的地區，占黃土高原總面積的1.8%。NDVI呈現較顯著減少和顯著減少趨勢的區域占黃土高原總面積的1.1%和0.7%，主要位于蘭州西北部。

研究時段內SWI未發生顯著變化的區域占黃土高原總面積的93.6%(表1)，其中非顯著增加的區域占62.27%，廣泛分布于黃土高原南部與北部(圖3)。非顯著下降的區域占31.29%，主要位于黃土高原中部，即蘭州以東、銀川以北、西安以北及太原、鄭州周圍。SWI極顯著增加的區域僅占0.8%，主要位于黃土高原西南部西寧附近。SWI顯著增加的區域分布在西寧附近與黃土高原北部部分區域，占黃土高原總面積的4%。較顯著增加的區域占1.6%，零散分布于黃土高原中部、北部和南部。研究時段內不存在SWI極顯著減少、顯著減少及較顯著減少的區域。

圖2 1992-2013年間NDVI與SWI變化幅度

表1和圖3的中的NDVI和SWI增減變化趨勢空間組合共有30個類型(表2)，其中面積超過黃土高原2%的類型有9個(R2，R4，R5，R7，R8，R11，R15，R16及R29)。R4和R5中NDVI極顯著增加的面積較大，分別為25.69，15.13萬km2，占黃土高原面積的41.4%和24.3%，其中R4主要分布在黃土高原南緣和北部的丘陵區與風沙區，R5主要分布在中部丘陵區和晉中南土石山區與汾河谷地。

2.2 相似降水選取

研究時段內，共有76個年組存在相似降雨區域(表3)，其中，1993—2009年組中滿足相似降雨條件的面積最大，占黃土高原總面積的12.3%；1997—2007年組中滿足相似降雨條件的面積最小，僅有0.25萬km2，占黃土高原總面積的0.4%。將不同年組按照年差5，6，7，…，21 a分類，其中年差為21 a的年組最少，只有1992—2013年一組；年差為13，14，15 a時，組數最多，為7組。

2.3 相似降水條件下植被—土壤水分的關系

各年組相似降水區域NDVI與SWI基本特征值(最大值、最小值、平均值)統計見表3。相似降雨條件下NDVI與SWI的變化主要包括NDVI與SWI同時增加及NDVI增加SWI減少兩種情況。在R2，R8，R11，R154個區域中，NDVI與SWI同時增加。R2主要位于西寧周邊地區與黃土高原西北部地區，其中NDVI與SWI同時增加的點數占各年組內滿足相似降雨條件總點數的88.3%。R8主要分布于蘭州東部與北部、銀川北部、太原西部與南部地區，在R8中NDVI與SWI一并增長的點數占總點數的47.9%。R11和R15相對集中于銀川與蘭州周邊地區，NDVI與SWI同時增長的點數分別占總點數的42.7%和34.6%。

圖3 研究時段內NDVI(A)和SWI(B)變化趨勢的空間分布

注：極顯著上升: +++；極顯著下降：---；顯著上升：++；顯著下降：--；較顯著上升：+；較顯著下降：-；非顯著上升：0+；非顯著下降: 0-。

表3 NDVI與SWI趨勢組合下相似降水選取結果及相似降水區域內NDVI與SWI的基本特征

NDVI增加而SWI減少的情況主要出現在R4，R5，R7和R16內。R5主要集中在西安以北及太原與鄭州附近，其中NDVI增加SWI減少的點數占各年組內滿足相似降雨條件總點數的比例最高，為61%。R4主要分布于銀川以東、呼和浩特以南及西安周邊地區，在R4中NDVI增加SWI減少的點數所占比例為51.8%；R7分布較為分散，主要在黃土高原中部和北部地區，NDVI增加SWI減少的點數占總點數的42.5%；R16主要位于蘭州以東和銀川東北部區域，其中NDVI增加SWI減少的點數占總點數的37.6%。

研究時段內黃土高原也存在NDVI下降的區域。如，R29中NDVI減少的點數占總點數的61.9%，其中SWI增加的部分占28.3%，SWI減少的部分占33.6%。其他組合區域也會出現少量NDVI減少的情況(表3)。

3 討 論

在研究時段內，黃土高原土壤水分呈現出先降低后增加的態勢，2000年土壤水分含量低于1992年，也低于2013年其主要原因是該區植被覆蓋生長年限對土壤水有重要影響。例如，在黃土高原退耕還林中大量種植的刺槐，隨著其生長年限的增加，剖面土壤水分變化存在拐點(15 a)，在刺槐生長的前15 a，其所在地區的土壤水狀況惡化，而在拐點以后，土壤水分會恢復。不同植被類型下，土壤水分拐點出現的時間不同[4]。

作為陸地水循環的重要組成部分，土壤水分受氣候、植被、地形及土壤理化性質等影響，使黃土高原植被恢復與土壤水分的關系呈現出復雜的態勢。即，NDVI與SWI同時增加、NDVI增加SWI減少、NDVI減少SWI增加、NDVI與SWI同時減少4種情況(表3)。其具體原因分析如下：導致NDVI與SWI同時增加的原因主要有以下三點：首先，NDVI與SWI同時增加的地區，主要位于未進行大面積退耕還林的青海省、河套平原及關中平原等地(圖3)。這些地區的植被建設主要以自然恢復為主。植被建設既能增加降水下滲以補充土壤水分，也可加大植被蒸騰，土壤水分的上升或下降關鍵在于兩者的平衡[28]。而天然林相比人工林，能更好的保持這種平衡，起到涵養土壤水源的作用。同時，已有研究表明，黃土區天然植被在生長良好時所在地區的土壤水要明顯高于人工林[29]。其次，關中平原及河套平原有大量農田，這些地區NDVI與SWI同時增加也可能因為農牧業灌溉，其在一定程度上補給土壤水分[30]。再次，土地復墾措施也與土壤水分增加有一定關系。黃土高原煤礦資源豐富，長期開采破壞原生生態環境，引起嚴重的水土流失[31]。九十年代初期這些礦區開始土地復墾，改善土壤結構與質量以保持水土。雖然土地復墾后植被覆蓋上升不可避免地消耗土壤水分，但上述因素共同作用使土壤水分條件改善[27]。

NDVI增加而SWI減少出現的原因可能如下：土壤水資源具有非地帶性分異，即在相似的土壤水資源帶中，坡度等地形因素也會導致土壤水分的局地分異。穆興民[2]研究表明，由于降雨的再分配及不同坡位的大氣蒸發力作用，與坡底相比，坡面較具有較低的土壤水分含量，因此坡面土壤更趨干旱。加之，黃土高原的退耕還林主要集中于坡耕地上，且已處于飽和狀態[32]。大規模的退耕還林草中所種植植被不僅快速消耗土壤水分，而且耗水量常高于當地降水量[4,5]，進一步加劇坡面土壤干旱。在黃土高原已有研究發現植被覆蓋對土壤水分的減少作用。例如，王云強[4]發現在黃土高原，降水量無明顯變化時植被覆蓋增加會減少表層土壤水分。穆興民[29]等認為土壤干層是目前區域人工植被生態系統不穩定性的體現，黃土高原營造的人工林尚不能達到涵養水源的功能。若退耕還林草面積繼續擴大，加之已種植植被的生長，土壤水分需求量不斷上升，將導致黃土高原土壤水分虧缺越來越嚴重，進而影響植被生長發育[33-34]。此外，也有研究發現[35]，黃土高原近幾十年來，氣溫呈上升趨勢，其中在退耕還林集中區域，如陜北、寧夏東南部及甘肅東部等地區，氣溫上升尤為明顯。氣溫升高會加劇土壤水分蒸發，導致土壤干燥化。然而，尚未有研究討論退耕還林與氣候變暖對土壤干燥化貢獻程度。

研究時段內，由于退耕還林工程的實施黃土高原絕大部分地區的植被得到恢復，但也存在一些地區植被覆蓋下降的情況。但總體來講，NDVI減少的區域占比較少且分布較為零散，不具有區域特征，現有資料不能很好地解釋這些變化原因，有待繼續搜集資料后做進一步研究。

利用遙感方法研究黃土高原植被恢復對土壤水分影響已有先例[13,27]。然而，這些研究并未剔除降雨的影響，導致其對植被覆蓋變化和土壤水分特征之間關系的描述具有較大不確定性。本研究首次在植被恢復與土壤水關系研究中引入相似降水概念，排除降水的影響，提高了研究結果的可靠性，是對已有研究的進一步深化。

黃土高原土壤質地較為均一，以黃綿土為主(面積占比為31.72%)，但也存在其他類型土壤，如褐土、紅黏土、風沙土等[36]。土壤質地差異影響著土壤水分的空間分布。如，研究表明田間持水量隨著土壤容重的增加而增加[37]。本文未考慮土壤質地對土壤水分空間分布的影響。另外，本文未考慮地形因素(如坡度、坡向等)對土壤水分分布的影響。因此，未來研究需考慮更多影響因子以便進一步理清植被恢復對土壤水分的影響。此外，由于2001—2006年土壤水分數據缺測，其在趨勢性分析中未予考慮，這難免影響研究結果的精度。因此，后續研究可進一步拓展數據源、完善數據序列，以便更加全面評估黃土高原植被恢復對土壤水分的影響。

4 結 論

本文利用退耕還林前后的降水數據與遙感反演的植被覆蓋數據及土壤水分數據，分析了植被覆蓋與土壤水分在研究時段內相似降水條件下的變化趨勢。結果表明研究時段內黃土高原大部分地區植被覆蓋呈極顯著增加趨勢，而絕大部分的土壤水分未發生顯著變化。相似降水區域植被覆蓋與土壤水分變化主要變現為植被覆蓋與土壤水分同時增加及植被覆蓋增加土壤水分減少兩種情況，且土壤水分減少的區域分布廣泛。黃土高原植被、土壤水分變化的區域性明顯，在未來生態恢復過程中，需要進一步認識植被恢復對土壤水分的關系，促進黃土高原植被恢復的可持續性。

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RelationshipsBetweenVegetationRestorationandSoilMoistureontheLoessPlateau

WANG Leiqin1, WANG Fei1,2, LI Pengfei2

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

On the Loess Plateau, soil moisture is one of the major factors impacting the sustainability of vegetation restoration. In this study, we used datasets on precipitation, vegetation cover and soil moisture content to investigate the changing trends and regional variabilities of vegetation cover and soil moisture across the Loess Plateau between 1992 and 2013 at a 25 km scale. The results showed that: (1) vegetation cover for most areas of the Loess Plateau experienced a significant increasing trend, while soil moisture for majority parts of the plateau underwent an insignificant change; (2) under the similar precipitation condition, there were mainly two types of vegetation cover-soil moisture changes, which were increased vegetation coverage and soil moisture and increased vegetation coverage and decreased soil moisture. Regional variabilities of changes in vegetation cover and soil moisture were large, further studies were desirable to understand the relationship between vegetation restoration and soil moisture changes, and therefore to improve the sustainability of vegetation restoration on the Loess Plateau.

Loess Plateau； vegetation restoration； similar precipitation condition； NDVI； SWI； remote sensing

S152.7

A

1005-3409(2017)06-0179-07

2017-01-05

2017-01-19

中國科學院西部之光人才培養計劃聯合學者項目“黃土高原侵蝕坡地退耕還林草綜合評價與可持續對策研究”(院[2013]165);國家重點研發計劃“黃土高原水土流失治理與生態產業協同發展技術集成與模式”(2016YFC0501707);科技基礎性工作專項黃土高原生態系統與環境變化考察課題(2014FY210120)

王蕾欽(1989—),女,甘肅白銀人,碩士研究生,研究方向:水土保持生態效益評價。E-mail:leiq@nwafu.edu.cn

王飛(1971—),男,陜西戶縣人,研究員,碩士生導師，主要研究方向:水土保持環境效應評價與流域管理。E-mail:wafe@ms.iswc.ac.cn