基于MODIS的北洛河流域植被蓋度變化研究

何亮 呂渡 郭晉偉 雷斯越 賀潔 張曉萍 楊希華

摘?要：為揭示國家實施退耕還林還草政策以來北洛河流域植被蓋度的時空變化特征，采用MODIS反演的2001—2017年植被覆蓋數據，分析了北洛河流域2001—2017年光合植被覆蓋度的時空變化特征。結果表明：①2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3個時段植被蓋度均值分別為60.2%、63.2%和68.5%，植被覆蓋狀況空間差異明顯，3個時段均表現出上游黃土丘陵溝壑區植被蓋度最低、中游土石山林區植被蓋度最高的特征;②2001—2017年北洛河流域植被蓋度整體上表現為上升趨勢，植被蓋度上升面積占比為90.9%，其中顯著上升、上升但不顯著面積占比分別為44.3%、46.6%，黃土丘陵溝壑區、黃土高塬溝壑區、土石山林區植被蓋度年均變率分別為1.18%、0.64%、0.42%;③對全流域植被蓋度顯著提高的主要貢獻地區為黃土丘陵溝壑區，貢獻率為46.3%，主要貢獻縣域志丹縣、吳起縣、富縣、甘泉縣的貢獻率分別為23.1%、20.4%、10.6%、10.2%。

關鍵詞：光合植被蓋度;時空變化特征;貢獻率;北洛河流域

中圖分類號：S771;X171.4?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.014

Abstract：In order to reveal the temporal and spatial variation characteristics of vegetation coverage in the Beiluo River Basin since the implementation of The Grain for Green Project， the spatial and temporal variation characteristics of photosynthetic vegetation coverage in the beiluo river basin from 2001 to 2017 were analyzed with the vegetation cover data retrieved by MODIS.The results show that a） during the three periods of 2001-2006， 2007-2012 and 2013-2017， the average vegetation coverage is 60.2%， 63.2% and 68.5% respectively. The spatial difference of vegetation coverage status is obvious and the three periods all show the characteristics of the lowest vegetation coverage in the gullied rolling loess area of the upper reaches and the highest vegetation coverage in the middle rocky-mountain region; b） in the past 17 years， the vegetation coverage in the whole basin， the gullied rolling loess area， gullied loess plateaus and mountainous region shows a significant increase trend， with the annual variation rate of 0.65%/a， 1.18%/a， 0.64%/a and 0.42%/a respectively. Among the 12 major counties in the basin， the vegetation coverage of Zhidan， Wuqi and Jingbian in the gullied rolling loess area has been increased the most rapidly， with a change range of 1.05 to 1.36%/a， and the change range of Huanglong， Huangling and Heshui in the middle mountainous region is the slowest， with a change range of 0.31 to 0.33%/a; c） the main contribution to the significant increase of vegetation coverage in the whole basin comes from the gullied rolling loess area， with a contribution rate of 46.3%. On the county aspect， the main sources come from Zhidan （23.1%）， Wuqi （20.4%）， Fuxian （10.6%） and Ganquan （10.2%） respectively.

Key words： photosynthetic vegetation coverage; spatiotemporal and variation characteristics; Beiluo River basin; rate of contribution

植被是陸地生態系統的主要組分，深刻影響著區域生物化學循環和物質能量循環[1]，是生物圈發揮系統性生態功能的核心部分[2]。地表植被可降低雨滴動能、削弱洪峰、延緩徑流、增強土壤抗蝕能力、減少水土流失[3-5]。植被蓋度（Fraction of Vegetation Coverage，FVC）不僅用來描述地表植被覆蓋狀況， 也可反映地表植被長勢[6-7]。黃土高原地區生態環境脆弱、土壤侵蝕劇烈[8]，在國家實施大規模的退耕還林（草）政策以來，植被恢復明顯，侵蝕產沙和入黃泥沙量明顯減少[9]。北洛河流域位于黃土高原腹地，地形地貌和植被分帶在黃土高原具有很好的典型性，為了深入研究植被生態系統對氣候和人為兩大要素的響應過程，進一步揭示區域環境狀況的演化與變遷，對北洛河流域植被時空演變狀況進行動態監測和研究具有重要的理論與現實意義[10]。

采用遙感技術估算地表植被蓋度較普遍的方法是依據傳感器的紅、綠波段計算歸一化植被指數（NDVI），運用像元二分模型反演植被蓋度[11-15]。Guerschman等[16]基于MODIS遙感影像數據，對澳大利亞稀樹草原進行光譜測量并研發了像元三分模型，確定每個像元中光合植被覆蓋（PV）、非光合植被覆蓋（NPV）和裸土（BS）的組成比例?；贛ODIS的PV-NPV數據集，在森林火險預測、植被生產力估算、物候期變化、水土保持等領域有很好的應用價值[17-19]。王光鎮[20]應用像元三分模型估算內蒙古錫林郭勒典型草地光合植被蓋度，精度達91.2%。目前對北洛河流域植被覆蓋的研究多集中在上游丘陵溝壑區的植被恢復狀況[13-14]，對實施退耕還林（草）政策后植被覆蓋的最新演變趨勢及區域差異分析得還不充分。筆者以北洛河流域2001—2017年MODIS遙感影像衍生的連續時間序列的光合植被覆蓋數據為基本信息源，分析了該流域植被蓋度的時空變化特征及區域差異，以期為黃土高原地區生態環境建設及水沙演變研究等提供基礎信息。

1?流域概況

北洛河屬黃河二級支流，發源于陜西省定邊縣白于山，流經陜西省榆林、延安、銅川、渭南及甘肅省平涼等5個地級市18個縣（區），在陜西省大荔縣匯入渭河，流域總面積2.69萬km2，干流長680 km，總落差1 613 m。流域地處暖溫帶半干旱大陸性氣候區，多年平均降水量514.2 mm，其中5—9月降雨量占全年降水量的76.2%、多以暴雨形式出現。流域地貌類型多樣，分為黃土丘陵溝壑區、黃土高塬溝壑區、土石山林區和階地平原區（如圖1所示）[21]：上游為丘陵溝壑區，約占流域總面積的26.9%，山高坡陡，土層深厚，多為黃綿土，抗蝕性差，氣候干燥寒冷，多大風、多暴雨，風蝕、水蝕、重力侵蝕等均很嚴重;中游的高塬溝壑區塬面平整，溝谷重力侵蝕活躍，占流域總面積的23.2%;中游的土石山林區占流域面積的41.9%，屬落葉闊葉林區，植被蓋度高，是黃土高原現存較好的天然次生林區和子午嶺、黃龍山兩大林區所在地，水土流失輕微;下游為渭河階地平原區，地面平緩開闊，土層較厚，溝道密度小，但邊緣地區侵蝕比較嚴重，占流域面積的8.0%，土地利用以農地為主，各縣域農地面積占比為55%～75%，其地表植被覆蓋受作物生長節律影響較大。本文在進行區域分析過程中，主要針對北洛河流域丘陵溝壑區、高塬溝壑區和土石山林區進行差異分析。

2?數據源及研究方法

2.1?數據源及處理

研究所用主要數據集為MODIS 植被覆蓋數據，該套數據使用線性分離方法和像元三分模型從2001—2017年MODIS產品（MCD43A4，MOD09A1）中衍生[16]，空間分辨率為500 m，將每個像元分為PV、NPV和BS 三種組分，使用近紅外波段（NIR）、紅光波段（Red）、綠光波段（Green）和短波紅外（SWIR）來反演PV、NPV。本文將該數據集中的PV蓋度（fPV）作為分析對象，其估算公式如下：

式中：RNIR為近紅外波段;RGreen為可見光綠光波段;RRed為可見光紅光波段。

根據研究區氣候節律，7—9月是該區域植被生長的旺盛期，因此取7—9月fPV均值進行分析。

2.2?植被蓋度分級

為了便于分析和描述流域植被蓋度的變化，采用等間距分級法[22]，將流域植被蓋度分為5個等級：低（<20%）、中低（20%～40%）、中（40%～60%）、中高（60%～80%），高（>80%）。

2.3?植被蓋度變化趨勢分析

將2001—2017年分為2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3個時段。遙感影像分析及空間分析在ArcGIS 10.5軟件平臺上進行，為方便起見，流域地貌類型分區面積及縣域面積均以ArcGIS 10.5計算結果為準。

對單元（像元）植被蓋度時間序列進行一元線性回歸處理，用方程斜率S（即植被蓋度年均變率）反映植被蓋度的變化程度和變化趨勢[23-24]：當S為正數時，表明該柵格的植被蓋度呈上升趨勢，數值越大蓋度上升得越快;當S為負數時，表示該柵格植被蓋度呈下降趨勢，數值越大蓋度下降得越快。其計算公式為

式中：i為研究時段年序號;fPVi為第i年的植被蓋度;n為監測時段年數。

采用t檢驗法逐像元或區域、縣域對植被蓋度時間序列變化趨勢進行顯著性判斷，當顯著性水平P<0.05時認為趨勢顯著、P<0.01時認為趨勢極顯著。

為了更好地評價研究區植被蓋度變化的顯著程度，依據斜率和顯著水平對計算的S進行分級[23]：顯著提高（S>0，P<0.05）、提高但不顯著（S≥0，P≥0.05）、下降但不顯著（S<0，P>0.05）、顯著下降（S<0，P≤0.05）。

2.4?區域植被蓋度變化貢獻率

植被蓋度變化貢獻率（C）反映時段內某一分區對全區植被蓋度變化的貢獻程度，C值為正則對全區植被變化趨勢為正貢獻，C值為負則為負貢獻，其計算公式為

式中：Ci為i分區植被變化對全區的貢獻程度;Si為i分區內植被蓋度在時段內的年變率;Pi為i分區面積占全區面積的比例;Swhole為全區植被蓋度時段內的年均變率。

3?結果與分析

3.1?植被蓋度變化階段及區域差異

北洛河流域3個時段平均植被蓋度分別為60.2%、63.2%和68.5%。對3個時段平均植被蓋度進行分級，其空間分布見圖2，可以看出，研究區植被蓋度等級空間分布差異明顯，3個時段大于80%的高植被蓋度均集中在土石山林區，高塬溝壑區植被以60%～80%的中高蓋度為主。

由表1可知：2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年平均植被蓋度丘陵溝壑區分別為38.9%、46.1%、52.0%，高塬溝壑區分別為64.8%、67.8%和73.5%，土石山林區分別為75.8%、75.7%和81.1%。

上述3個地貌類型區內的12個縣域平均植被蓋度總體上均呈上升趨勢，存在的差異主要表現在：丘陵溝壑區內的4個縣域（靖邊、定邊、吳起、志丹）中，定邊縣3個時段始終最低（低于40%），志丹縣最高（2013—2017年甚至超過60%）;土石山林區和高原溝壑區內的8個縣域（甘泉、富縣、洛川、黃龍、黃陵、宜君、合水、華池）中，華池縣3個時段始終最低（變化范圍為60%～70%），黃陵縣和黃龍縣3個時段均較高（從約80%提高到84%）。

3.2?流域植被蓋度變化趨勢

北洛河流域及3個地貌類型區2001—2017年植被蓋度變化情況見圖3。北洛河流域植被蓋度呈極顯著的上升趨勢，平均變率為0.65%/a。3個地貌類型區植被蓋度均呈顯著上升趨勢：土石山林區波動范圍為70%～80%，年增長速率平均為0.42%，增速相對緩慢，變化平穩;高塬溝壑區波動范圍為60%～75%，年均變率0.64%;丘陵溝壑區波動范圍為33%～50%，增速最快，年均變率為1.18%。

從空間分布上（見圖4和表2）來看：17 a來北洛河流域植被蓋度顯著上升的面積占比為44.3%，其中41.3%分布在丘陵溝壑區、24.5%分布在土石山林區、23.0%分布在高塬溝壑區;植被蓋度上升但不顯著的面積占比為46.6%，其中53.7%分布在土石山林區、18.2%分布在高塬溝壑區、16.2%分布在丘陵溝壑區;植被蓋度降低但不顯著的面積占比為6.6%，主要分布在中游（72.6%）和上游（8.8%）;大約有2.4%的面積植被蓋度顯著降低，主要位于下游河流交匯處。

對流域內主要縣域植被覆蓋不同變化趨勢面積進行統計：丘陵溝壑區植被顯著增加面積中約91.9%分布在吳起和志丹兩縣（分別為46.0%、45.9%），土石山林區和高塬溝壑區植被顯著增加面積中約66.9%分布在甘泉縣和富縣;丘陵溝壑區植被增加但不顯著的面積分布在定邊縣（39.2%）、吳起縣（38.9%）和志丹縣（21.4%），土石山林區和高塬溝壑區植被增加但不顯著的面積中71.8%分布在富縣和黃陵縣。

3.3?流域植被蓋度變化貢獻分析

2001—2017年北洛河流域3個地貌類型區和主要縣域植被蓋度變率與對流域植被蓋度變化的貢獻率見表3。由表3可知植被蓋度年均變率丘陵溝壑區最大、土石山林區較小，主要縣域中，志丹年均上升幅度最大（1.36%），其次為靖邊、吳起（分別為1.21%、1.05%），年均變幅較小的有黃龍、黃陵和合水（分別為0.33%、0.33%、0.31%）。

全流域植被蓋度顯著上升，丘陵溝壑區的貢獻最大，貢獻率為46.3%;土石山林區和高塬溝壑區的貢獻次之，貢獻率分別為25.3%和21.7%。主要縣域中，志丹、吳起對流域植被增加貢獻較大，貢獻率分別為23.1%、20.4%;其次為富縣和甘泉縣，貢獻率分別為10.6%和10.2%;合水縣、靖邊縣的貢獻較低，貢獻率分別為1.8%、1.7%。

3.4?植被蓋度變化原因初步分析

植被蓋度變化幅度與縣域退耕還林（還草）政策的貫徹實施情況密切相關，同時受所在氣候帶降水量多少影響。北洛河流域各地貌類型區植被蓋度差異明顯，上游的黃土丘陵溝壑區與中游的黃土高塬溝壑區和土石山林區分屬2個不同的植被帶[25]，具有不同的氣候條件、下墊面條件和人為影響因素，中游地區有大面積的林區[26]是植被蓋度較高的主要原因。各縣的植被變化趨勢差異明顯，以位于上游的吳起縣為例，作為“全國退耕還林第一縣”，吳起縣自1999年國家實施退耕還林（草）政策以來，大力實施退耕還林、封山禁牧，使植被蓋度明顯提高，而同處上游的定邊縣植被蓋度較低且增長較緩慢，由此可見人為政策因素對區域植被蓋度有重要影響，這與陳妮等[13]和閆瑞等[14]的研究結果相吻合，說明國家實施的退耕還林（草）政策成效卓著。但是，由于缺少研究區內的土地利用數據，因此各類型區和各縣域植被蓋度變化的主要驅動力尚待進一步研究。

4?結?論

（1）北洛河流域植被蓋度在2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3個時段平均分別為60.2%、63.2%和68.5%，空間上均呈現土石山林區>高塬溝壑區>丘陵溝壑區。

（2）2001—2017年，北洛河流域植被蓋度整體上表現為顯著上升趨勢，植被蓋度上升面積占比為90.9%，其中顯著上升、上升但不顯著面積占比分別為44.3%、46.6%。黃土丘陵溝壑區、黃土高塬溝壑區、土石山林區植被蓋度年均變率分別為1.18%、0.64%、0.42%。主要縣域中，志丹、靖邊和吳起植被蓋度年均變率較大，分別為1.36%、1.21%和1.05%;年均變率較小的有黃龍、黃陵和合水，分別為0.33%、0.33%和0.31%。

（3）對全流域植被蓋度顯著提高的主要貢獻地區為丘陵溝壑區，貢獻率為46.3%，主要貢獻縣域志丹縣、吳起縣、富縣、甘泉縣的貢獻率分別為23.1%、20.4%、10.6%、10.2%。

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【責任編輯?張智民】