岔巴溝流域植被變化特征及其對水沙的影響

吳志勇，侍 恒，何 海，徐征光，李 源，倪用鑫

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003)

近年來，黃河泥沙大幅度減少和黃土高原植被覆蓋大幅度增加引起學術界的普遍關注[1-2]。不同植被覆蓋度可改變下墊面的產流產沙條件，致使流域產匯流機制和水沙關系發生變化，進而對流域徑流量與輸沙量產生影響[3-4]。開展流域植被變化特征與水沙影響研究對有效開展黃土高原流域水土保持工作意義重大。

植被變化的監測一般采用人工實地測量和利用遙感影像計算植被指數兩種方法。人工實地測量法主要有目估法、采樣法、儀器法、模型法等，但人工實地測量只能應用在小區域，無法給出大尺度區域的植被信息。遙感具有大范圍連續觀測和高效獲取數據能力的特點[5]，已成為區域或全球植被覆蓋度估算的有效手段。通過遙感數據計算植被覆蓋度的方法主要有回歸模型法、植被指數法、像元分解模型法等。像元分解模型法中的像元二分模型由于其簡單的形式和原理，得到了廣泛的應用。

陸地衛星(Landsat)系列遙感數據具有長期連續性、全球覆蓋、時空分辨率適中等特點，是植被覆蓋研究中最有效的遙感數據之一[6]。楊旭超等[7]采用該系列數據對呈貢區30年來植被覆蓋度時空變化特征進行了分析；馬娜等[8]基于該系列數據研究了正藍旗生態工程對植被覆蓋度改善的效果。植被變化趨勢的分析通常采用一元線性回歸方法，突變分析一般有M-K突變檢驗、Pettitt突變檢驗等。如，李登科等[9]利用一元線性回歸方法計算陜西省各市植被變化趨勢；張亮等[10]采用M-K突變檢驗分析了長江流域植被覆蓋度突變現象的區域差異；衛宇婷[11]采用Pettitt突變檢驗對陜西省NDVI序列進行突變點識別。

岔巴溝流域位于黃土高原主要產沙區，20世紀70—80年代開展了大量淤地壩等工程建設，取得了較好的水土保持效果[12-14]；1990年以后，淤地壩減水減沙效果進入相對穩定時期[15]。為突出研究植被變化對流域產流產沙的影響，選取1987—2018年共32年陸地衛星遙感數據，利用像元二分法計算植被覆蓋度，結合高分辨率地理空間數據分析植被覆蓋度的時空變化特征，并根據1987年以來的66場洪水數據，探討植被變化對產流產沙的影響。

1 資料和方法

1.1 研究區域概況

岔巴溝流域位于陜西省子洲縣北部，流域平均海拔1 080 m，是黃河中游的無定河流域支流，屬于黃土高原丘陵溝壑區，坡陡溝深[16-17]。多年平均降水量為470 mm，屬干燥少雨的大陸性氣候，年內降雨分配極不均勻，有70%的降水發生在7—9月，且多為降雨強度較大而歷時短暫的暴雨，而暴雨是引起土壤侵蝕的關鍵因子[18]。岔巴溝流域水系、雨量站和水文站分布見圖1。

圖1 岔巴溝流域與站點分布

1.2 數據來源和處理方法

研究選用的遙感數據來自美國地質勘探局(http://glovis.usgs.gov)提供的Landsat5、7、8衛星TM數據，空間分辨率為30 m×30 m。因為5—6月以及7月上旬作物蓋度較小，而非作物植被蓋度同一時期則比較大[19]，遙感影像主要選取5—6月云覆蓋度均小于10%的影像，如果5—6月間影像均不滿足云覆蓋度均小于10%的條件，則選擇7月影像，以降低作物和云量影響。采用輻射校正和大氣校正去除天氣、地理位置等影響。場次降雨、場次徑流和場次泥沙數據來自黃河水利委員會水文局，年限為1987—2017年，其中1987—1991年有14場，1992—1996年有13場，1997—2001年有9場，2002—2006年有15場，2007—2011年有6場，2012—2017年有9場。流域面平均雨量基于13個站點(圖1)資料采用反距離權重法先插值到1 km網格再取平均得到。

植被覆蓋度計算采用像元二分模型[20]。像元二分模型是一種廣泛采用的植被覆蓋度計算方法，該方法假設一個像元的地表由植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分組成，而遙感傳感器觀測到的光譜信息也由這兩部分線性加權合成，各因子的權重即各自面積在像元中所占的比例，植被覆蓋度就是植被覆蓋部分面積所占的權重。植被覆蓋度Fc計算公式為

Fc=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(1)

式中：S為歸一化植被指數；Ssoil、Sveg分別為歸一化植被指數在累計頻率0.5%和99.5%處的值。為分析不同等級植被覆蓋度的變化，將流域的植被覆蓋度分為裸地[0，10%)、低[10%，30%)、中低[30%，50%)、中[50%，70%)、高(≥70%)5個等級。

流域植被覆蓋度變化率采用一元線性回歸方程的斜率來說明，斜率大于0時說明該像元內植被覆蓋度在某段時間的變化率是增加的，反之則是減少。變化趨勢的顯著性檢驗采用M-K檢驗[21]，其優點是統計測試的樣本不需要服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，被廣泛應用于檢測非正態分布的水文氣象等要素序列的變化趨勢。植被覆蓋度突變點采用Pettitt檢驗方法進行識別，該方法可以識別突變點的位置和數量，還可以判斷其顯著性。

流域面蝕情況是采用30 m陸地衛星遙感數據、土地利用類型數據和坡度數據，并根據SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》生成流域面蝕等級圖。

2 結果分析

2.1 植被變化的時間趨勢

岔巴溝流域植被覆蓋度年際變化情況見圖2。1987—2018年該流域的植被覆蓋度增長趨勢顯著(通過0.01顯著性水平檢驗)，其中2000年的植被覆蓋度最低，2018年的植被覆蓋度最高。從Pettitt檢驗結果(圖3)可知，突變發生在2002年(通過0.01顯著性水平檢驗)，將植被年際變化情況分為兩個階段：①1987—2001年植被覆蓋度保持相對穩定狀態階段；②2002—2018年植被覆蓋度顯著增加階段。

圖2 岔巴溝流域植被覆蓋度年際變化

圖3 岔巴溝流域植被覆蓋度Pettitt突變點檢驗

2.2 植被空間分布的變化趨勢

岔巴溝流域植被空間變化以及不同等級植被覆蓋度面積統計見圖4和圖5。1987—2018年每隔 5～6年輸出一張流域植被覆蓋度圖。1987年植被覆蓋度等級為低覆蓋度和裸地的面積之和占流域面積70.3%，中覆蓋度和高覆蓋度之和則不足10%。1987—2001年不同等級植被覆蓋度面積保持相對穩定態勢，從圖4可以看出1987年、1992年、1997年3年中除溝谷區域植被覆蓋度較高之外，其余區域植被覆蓋度都很低。2002年起裸地和低覆蓋度面積迅速縮小，中覆蓋度面積迅速增大，高覆蓋度面積穩中有升。從圖4可以看到2002年、2008年、2012年中高植被覆蓋度區域開始沿河道向外拓展，到了2018年低覆蓋度和裸地面積之和占全流域面積不足15%，中覆蓋度和高覆蓋度面積之和超過60%。岔巴溝流域植被覆蓋度有轉好的趨勢，高植被覆蓋度網格所占的面積逐漸增加，低植被覆蓋度網格所占的面積則相反。

(a) 1987年

(b) 1992年

(c) 1997年

(d) 2002年

(e) 2008年

(f) 2012年

(g) 2018年

圖4 岔巴溝流域植被覆蓋度空間變化

圖5 岔巴溝流域不同等級植被覆蓋度面積統計

圖6(a)為1987—2018年岔巴溝流域植被覆蓋度變化率，岔巴溝流域植被大體呈現增長或者維持態勢，少數區域植被覆蓋度呈減少趨勢。植被覆蓋增長較大(≥1%)區域占流域面積30.9%，略微增加(0.1%～1%)區域占比48.2%，增長區域總計占比79.1%，主要集中在沿溝分布的丘陵溝壑地區；植被減少較大區域(<-1%)占流域面積2.7%，略微減少(-1%～-0.1%)區域占比11.8%，減少區域總計占比14.5%。圖6(b)為植被覆蓋度變化率顯著性檢驗，其中減少趨勢顯著(通過0.01顯著水平檢驗)區域和減少趨勢明顯(通過0.05顯著水平檢驗)總計占比3.8%，不通過顯著性檢驗區域占比21.9%，增加趨勢顯著(通過0.01顯著水平檢驗)區域和增加趨勢明顯(通過0.05顯著水平檢驗)區域總計占比74.3%。增長趨勢明顯及顯著區域和植被覆蓋增長較大區域大致相同，而減少趨勢明顯及顯著區域卻明顯少于植被覆蓋度變化率減少區域，這說明大部分減少區域植被覆蓋度的變化具有較大的偶然性，并不是一種穩定的演變。

(a) 植被覆蓋度變化率

(b) 顯著性檢驗

坡度是影響流域侵蝕的重要因素，探討在不同坡度上的植被變化具有重要意義。圖7為1987—2018年岔巴溝流域植被變化與坡度關系。就覆蓋度而言，在坡度較小區(<10°)，多年平均植被覆蓋度較小，且隨著坡度增加植被覆蓋度出現緩慢減小；在坡度中等區(10°～25°)，多年平均植被覆蓋度接近最小；在坡度較大區(≥25°)，多年平均植被覆蓋度較大。就增長率而言，植被覆蓋度增長率隨坡度增加而增加。參考耕地坡度標準，將25°以下作為緩坡，25°以上作為陡坡，陡坡多年平均植被覆蓋度和變化率都是大于緩坡的。坡度制約著人類活動的強度和頻率，陡坡區域人類破壞性活動較少，而建設性活動如退耕還林較多[22]，陡坡植被總體生存狀況和恢復狀況都要優于緩坡區域。

圖7 1987—2018年岔巴溝流域植被變化與坡度關系

3 討 論

3.1 植被覆蓋度的變化原因

在自然條件下，降水是影響植被變化的主要氣候因子，與植被覆蓋呈較大正相關關系[23]。圖8為岔巴溝流域多年平均降水量與植被覆蓋度的關系。從圖8可以看出，1987—2001年間植被覆蓋度和降水的相關系數為0.41，而2002—2017年間兩者相關系數為0.29，兩個時期降水均對植被生長有一定促進作用。雖然兩個時期都沒有通過顯著性檢驗，但第一時期相關系數明顯大于第二時期，這表明在2002年以后降水量對于植被變化的影響小于2002年以前。盡管如此，2008、2009年以及2015、2016年較少的降水量使得植被覆蓋度回落，這說明降水量過少是植被生長的限制因素。

圖8 岔巴溝流域多年平均降水量與植被覆蓋度關系

2002年以后，影響植被覆蓋度增長的主要因子發生變化。張寶慶等[24]認為在1999年之后黃土高原地區植被覆蓋對氣候等自然因子相關性變差，植被增長主因是大規模植被建設。20世紀90年代末，全國開始推行退耕還林工程，1999起子洲縣總退耕還林面積為262.1 km2[25]，直接促進了岔巴溝流域植被的大幅增長。退耕還林5年以后土壤有機質會顯著增加，10年以上土壤碳、氮和速效養分會顯著增加，退耕還林后當地生態系統會更有利于植被生長[26]。此外大量農牧民外出務工，減少了對植被的干擾和破壞，也為植被自然修復創造了良好環境[27]。岔巴溝流域退耕還林時間是1999年，但植被覆蓋度突變點時間發生在2002年，突變時間相比退耕時間略有滯后，主要原因為2000年、2001年連續兩年降水量較少，以及早期退耕還林中存在植被建設布局和模式的科學性不足等問題共同導致造林成活率低[28]。

3.2 植被覆蓋度變化的影響

植被覆蓋度的大幅增加改變了下墊面的構成，進而對流域產流特性產生影響。選取1987—2017年66場洪水建立植被覆蓋度突變前后的降水-徑流關系(圖9)。可見突變前后差異較為明顯，突變前后平均徑流系數分別為0.13和0.10，突變后相同降水條件下徑流顯著小于突變前。相同降水量下，突變后徑流為突變前的84.2%，說明植被覆蓋度的增加減少了流域產流。

圖9 1987—2017年岔巴溝流域降水量與徑流的關系

植被通過截留雨水、減少產流與流速和提高土壤抗蝕性與抗沖性減少流域面蝕。根據植被覆蓋度、坡度分布情況以及土地利用類型繪制1987—2018年每隔5～6年面蝕等級圖(圖10)。從圖10可以看出，1987—2018年，面蝕程度和范圍都有大幅度的削減。其中1987—1997年整體侵蝕情況變化不大，強烈及以上面蝕程度面積一直保持全流域面積70.0%以上，微度面蝕不足5.0%。2002—2012年強烈及以上面蝕程度面積不斷減少，從2002年的58.2%減少到2012年的47.0%，微度面蝕則從2002年的6.2%增長到2012年的7.2%。2018年流域侵蝕狀況進一步好轉，其中強烈及以上面蝕程度面積僅占27.3%，微度面蝕則增長到14.9%。岔巴溝流域植被覆蓋度變化以及退耕還林政策的實施深刻影響了流域面蝕，面蝕程度的變化則會進一步影響流域產沙。

(a) 1987年

(b) 1992年

(c) 1997年

(d) 2002年

(e) 2008年

(f) 2012年

(g) 2018年

圖10 岔巴溝流域面蝕等級

建立植被覆蓋度突變前后的徑流深-單場洪水輸沙量關系(圖11)。可見植被覆蓋度突變前后輸沙量差異明顯，相同徑流量下，突變后單場洪水輸沙量遠小于突變前。從輸沙總量來看，突變后的30場洪水中有5場洪水輸沙量不超過1萬t，突變前則沒有；從含沙量來看，突變前后平均含沙量分別為 433 kg/m3和159 kg/m3，突變后平均含沙量為突變前的36.7%，特別是2007年以后的15場洪水，平均含沙量僅為21.4 kg/m3。相比植被覆蓋度增加的減水效果，其減沙效果更為顯著。

圖11 岔巴溝流域徑流深與輸沙量的關系

4 結 論

a. 1987—2018年岔巴溝流域植被覆蓋度增長明顯，從1987年的24.7%增長到2018年的53.2%。變化主因是流域大規模植被建設活動的實施，其次降雨多寡也對植被生長具有重要影響。由于2000、2001年降水量過少以及早期退耕還林經驗不足等原因，植被覆蓋度的突變時間發生在2002年，相比退耕還林開始實施時間具有一定的滯后性。

b. 岔巴溝流域79.1%區域植被覆蓋度呈現增長趨勢，且陡坡區的增長率大于緩坡。2002年以后中高覆蓋度區域面積比例顯著提升，從1987年中高覆蓋度區域面積占流域面積不足10%到2018年超過60%。植被覆蓋增長區域占流域面積79.1%，主要集中丘陵溝壑地區。這種變化改變了流域面蝕格局、影響流域產流產沙特性。

c. 植被覆蓋度的增加，減少了岔巴溝流域產流和產沙。植被覆蓋度的增加顯著減少了研究流域面蝕等級，強烈及以上面蝕程度面積從1987年占流域面積的70.5%到2018年僅占27.3%，微度面蝕面積從1987年4.1%到2018年14.9%。2002年后，岔巴溝流域產流和產沙減少趨勢明顯，輸沙量的減少情勢比徑流更顯著。