近40a河龍間西北片林草植被變化及其驅動力

馬思遠 劉曉燕 董國濤 高云飛

摘要：1999年以來黃河河龍區間西北片入黃沙量減少約94%，分析植被變化及其驅動力對科學認識該區來沙銳減原因具有重要意義。利用遙感調查數據，分析了該區1978-2017年林草植被變化程度和變化過程，并對這一時段植被變化的主要驅動力進行了研究。結果表明：過去40a該區植被一直處于不斷改善的過程中，其中1998-2017年的貢獻接近80%；2016年研究區林草地植被蓋度平均達59.7%、區域林草覆蓋率為48.8%，均約為 1978年的3倍；2000年以前，人類對林草植被的破壞是該區林草覆蓋狀況惡化的決定性因素；近十幾年來，人類對植被的破壞很小，降雨是影響林草植被狀況的關健因素。

關鍵詞：植被；變化；驅動力；河龍區間；黃土高原

中圖分類號：S714.7；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.022

1 研究區概況

黃河河口鎮至龍門區間西北片（簡稱河龍間西北片）屬黃土高原水土流失最嚴重的地區，包括皇甫川、孤山川、窟野河和禿尾河等支流，涉及內蒙古和陜西兩省（區）的準格爾、伊金霍洛、東勝、府谷、神木、佳縣、榆陽等7個縣（旗、區）[1]，總面積19 444km2。受人類活動干擾較少的1954-1979年研究區4條支流把口斷面輸沙量為2.47億t/a，1999年以來人黃沙量急劇減少，較1954-1979年減少94%，引起人們高度關注。

研究區多年平均降水量390mm，其中4-9月降雨量344mm，地表土壤有黃綿土、風積沙、砒砂巖和沙礫石等多種類型，林草植被類型主要為草本植物和灌木。土地利用類型主要為植被蓋度不同的灌草地，耕地面積占總面積的比例只有20%，主要分布在沿黃的黃土丘陵區和河川，其中梯田面積占總面積的比例不足1%[2]。

眾所周知，土壤、地形和植被是決定區域水土流失程度的關鍵下墊面因素，其中植被是最活躍、最容易受人類干擾的因素。有關研究表明，20世紀80年代以來黃土高原地區氣候變化趨勢明顯[3]；植被生長與氣候變化具有密切的相關性，特別是在干旱半干旱地區，水資源是影響生態恢復和生態建設的根本因素[4]；張翀等認為，降水量增加促使黃土高原地區植被改善、干旱程度降低[5]；沈斌等指出，生長季內植被NDVI與同期氣溫和降水量均成高度正相關，時滯尺度為1個月，植被NDVI對月平均氣溫及降水響應最為強烈[6]；植被覆蓋的時空變化與人類活動有密切的關系，它深刻反映了人類活動的過程[7-10]。不過，現有文獻很少聚焦在河龍間西北片，且研究時段大多截至2010年前后，對河龍間西北片植被變化的原因也鮮見深入分析。鑒于研究區耕地不多、土地利用類型主要為灌草地的特點，本文對該區植被變化及其驅動力進行分析，為科學認識人黃泥沙銳減原因提供參考。

2 數據采集與處理

（1）植被數據。植被數據全部來源于衛星遙感影像，利用空間分辨率為30～56m的衛星遙感影像，結合地面樣方調查，提取相關支流1978年、1998年、2016年的土地利用數據和林草地植被蓋度數據[2]。為闡明流域林草植被覆蓋狀況，引入“林草覆蓋率”概念，即林草葉莖正投影面積占易侵蝕區面積的比例，其中“易侵蝕區面積”指流域內剔除地面坡度小于30的河川地、平原區、建設用地、石山區后的山丘區土地面積，主要由不同植被蓋度的林草地（荒草地）、坡耕地和梯田組成，該區域顯然是入河泥沙的主要來源地。

利用衛星遙感影像，得到了研究區1981-2017年的植被歸一化指數（NDVI）。NDVI是遙感影像的近紅外波段和紅外波段反射率的比值，它與植被長勢、生物量、蓋度和葉面積指數等有極強相關性，可以在相當程度上反映植被覆蓋狀況，且有逐年數據、能部分消除輻射條件變化對反演參數的影響[6]。研究采用的各年NDVI值均為年最大值，數據源為第三代GIMMS NDVI數據集（NDV13g，v1.0）。

（2）氣象數據。降雨數據主要源自黃河水文年鑒，個別氣象數據源自國家氣象科學數據共享服務平臺，氣溫數據全部源自國家氣象科學數據共享服務平臺。

（3）社會經濟數據。利用1981-2016年《陜西區域統計年鑒》《榆林統計年鑒》《中國縣（市）社會經濟統計年鑒》《中國分縣農村經濟統計概要》和《神木縣國民經濟和社會發展統計公報》等，結合實地問卷調查，得到研究區國內生產總值（GDP）、總人口、農業人口和耕地面積等數據。

3 植被的時空變化分析

基于遙感影像提取的研究區3個典型年份的林草地植被蓋度和林草覆蓋率見表1。由表1可知，無論是林草地植被蓋度還是流域的林草覆蓋率，2016年的數值都達到1978年的3倍左右。1978年，研究區林草地植被蓋度平均為20.0%，其中蓋度≤30%的低蓋度林草地面積占比高達90%；而在2016年，林草地植被蓋度平均為59.7%，其中蓋度≤30%的低蓋度林草地面積占比只有1%、蓋度≥50%的高蓋度林草地面積占比約為78%。

圖1為研究區1978年、2016年林草覆蓋率空間格局，可以看出，1978年研究區林草覆蓋率大都不足20%，其中窟野河中部和禿尾河上中游的風沙區甚至不足10%，而2016年大部分地區的林草覆蓋率為40%～60%，只有降雨和土壤條件均較差的西北部、耕地面積占比大的禿尾河下游仍不足40%。事實上，禿尾河下游2016年林草地的植被蓋度已超過60%，有些區域林草覆蓋率不足40%的原因主要是耕地面積較大、林草地面積的占比較小。

由表1可知，近40 a研究區林草覆蓋狀況的巨大改善主要發生在1998年以后，前20a（1978-1998年）的改善幅度僅占1/4，這與1981-2017年研究區NDVI的變化過程（見圖2）大體一致。由圖2可以看出，研究區植被一直處于不斷改善過程中，但2005年以前改善幅度不大，2006年以后改善幅度較大。土地利用情況分析表明[2]，研究區耕地不多，林草地面積占比20世紀70年代末為70%、2016年約為82%。因此，圖2揭示的1981-2017年NDVI變化情況可以大體反映研究區林草植被覆蓋變化情況。

研究區1978年以來的植被覆蓋變化過程可大體劃分成3個階段：一是1978-1985年，二是1986-2005年，三是2006-2017年。顯然，1986-2005年是植被的緩慢改善期，2006年以來是快速改善期。

4 近年來植被改善的原因分析

降雨和氣溫是影響植被生長的關鍵氣候因素，在植被生長發育的關鍵期，降雨越多、氣溫越高植被生長越茂盛（相應的NDVI值越大）。在氣溫低、降雨少的河龍間西北片，4-9月降雨對植被生長發育非常重要[4]。由圖3可以看出：研究區4-9月降雨1981-1996年略偏枯，1997-2011年偏枯，2012-2016年明顯偏豐；4-9月平均氣溫與降雨變化有所不同，20世紀后半期研究區氣溫一直處于緩慢上升狀態，其中1998-2016年氣溫較70年代以前偏高2.1℃；2012年以來的降雨和氣溫條件均有利于研究區植被生長。有關研究結果表明，水熱條件有利于植被生長是近年來黃土高原植被改善的主要原因[11]。值得注意的是，降雨明顯偏枯的2006-2011年恰恰是研究區植被覆蓋狀況快速改善的時期（見圖2），這說明2006年以來除降雨因素外，還有其他因素促使植被覆蓋狀況大幅改善。

研究區1981-2017年不同時段NDVI與4-9月降雨量的關系見圖4。由圖4可以看出，1981年以來NDVI與4-9月降雨量關系線的斜率越來越大，其中：NDVI與1981-1995年降雨量幾乎無關，表明該時段降雨對植被的促生作用基本上被人類對植被的破壞所抵消，擴耕、過度放牧和砍伐等人類活動是該時段植被覆蓋狀況惡化的決定性因素；2006年以來NDVI與4-9月降雨量之間成顯著正相關，相關系數高達0.77，表明該時期人類對植被的破壞活動很少，降雨條件是影響植被覆蓋狀況的關鍵因素。

以神木縣為典型，分析NDVI和人均GDP的變化過程，見圖5。2004年以前，神木縣人均GDP雖然一直在增加但增幅不大，2004-2011年快速增加，2011年以來基本穩定，NDVI值與人均GDP相呼應，在2006年以后增幅較大。這樣的良好呼應關系，揭示了以煤炭產業為主的經濟拉動促使越來越多的農民進城或進礦務工，進而使人類對植被的干擾破壞越來越少、植被自然修復的環境越來越好。

為證明上述推論的合理性，2017年上半年對研究區陜西省境內的神木、府谷和佳縣等地進行了社會調查，結果見表2。由表2可以看出，目前三縣農民有80%左右外出務工，留守在農村的基本上是60歲以上的老人。當地村民說，這樣的外出務工狀況已經持續10多a。實際務農人口減少，使很多耕地撂荒，牛羊數量大幅減少，很多村甚至不再養殖。

表2反映的情況在研究區內蒙古境內更為突出，2003年以來在農牧民進城務工的同時，內蒙古相關旗（區）還實施了生態移民，因而現在不少村莊幾乎無人居住。

綜上分析認為，研究區近年來植被的大幅改善，主要原因是大量農牧民外出務工，減少了對植被的干擾和破壞，為植被自然修復創造了良好環境。此外，4-9月降雨偏豐也為近年植被恢復提供了有利條件。

5 結論

（1）20世紀70年代末以來，河龍間西北片林草植被不斷改善，到2016年林草地植被蓋度已由20.0%提高到59.7%，林草覆蓋率由14.0%提高到48.8%。2005年以前，該區植被改善程度不大，林草植被大幅改善主要發生在2006年以來。

（2）20世紀90年代及其以前，降雨對林草植被的促生作用基本上被人類破壞所抵消，人類的擴耕、過度放牧和砍伐等活動是該區植被覆蓋狀況惡化的決定性因素。近十幾年來，80%的農村人口進城、進礦務工，大幅減少了對土地的干擾和破壞，進而使降雨成為改善植被覆蓋狀況的關鍵因素。

參考文獻：

[1]黃河上中游管理局.黃河流域水土保持圖集[M].北京：地震出版社，2012；92-93.

[2]劉曉燕.黃河近年水沙銳減成因[M].北京：科學出版社，2016：99-113，361-362.

[3]劉憲鋒，任志遠.西北地區植被覆蓋變化及其與氣候因子的關系[J].中國農業科學，2012，45（10）：1954-1963.

[4]吳麗麗，任志遠，張翀.陜北地區植被指數對水熱條件變化的響應及其時滯分析[J].中國農業氣象，2014，35（1）：103-108.

[5]張翀，任志遠，李小燕.黃土高原植被對氣溫和降水的響應[J].中國農業科學，2012，45（20）：4205-4215.

[6]沈斌，房世波，余衛國，等.NDVI與氣候因子關系在不同時間尺度上的結果差異[J].遙感學報，2016，20（3）；481-490.

[7]易浪，任志遠，張種，等.黃土高原植被覆蓋變化與氣候和人類活動的關系[J].資源科學，2014，36（1）：166-174.

[8]信忠保，許炯心，鄭偉.氣候變化和人類活動對黃土高原植被覆蓋變化的影響[J].中國科學，2007，37（11）：1504-1514.

[9]徐小任，徐勇.黃土高原地區人類活動強度時空變化分析[J].地理研究，2017，36（4）：661-672.

[10]ZHAO J，YANG Y，ZI-IAO Q，et al.Effects of EcologicalRestoration Projects on Changes in Land Cover：A caseStudy on the Loess Plateau in China[J].ScientificReports，2017，7：44496.

[11]張翀，任志遠，韋振鋒.近12年來黃土高原植被覆蓋對年內水熱條件的響應[J].資源科學，2013，35（10）：2017-2023.