黃土高原丘陵溝壑區植被覆蓋度變化監測

張舒婷，王曉慧，彭道黎，紀 平，劉 華，凌成星，侯瑞霞

（1.北京林業大學 林學院，北京 100083；2.中國林業科學研究院 資源信息研究所，北京 100091；3.國家林業和草原局 林業遙感與信息技術重點實驗室，北京 100091）

水土流失是黃土高原面臨的嚴峻問題。嚴重的水土流失破壞土地資源，導致土地荒漠化，地表植被大量退化，降低土地生產力[1]。20世紀70年代以來，隨著自上而下大規模的“三北”(西北、華北和東北)防護林工程、退耕還林(草)工程和天然林保護工程等一系列重點生態工程的實施，黃土高原水土流失治理取得了一定成效。人類活動強度減弱，森林灌草面積增加[2]，植被生長狀況良好[3]，植被凈初級生產力呈增加趨勢[4]，生態環境得到較大改善[5]。然而，黃土高原生態環境治理新時期，面臨新的問題。有研究表明：黃土高原林業工程建設接近環境承載潛力，后期合理協調水土資源配置與植被建設是關鍵任務[6]。地形是影響植被分布格局的主導因子，通過地形差異研究植被分布規律，可為制定合理的生態修復和管理對策提供依據。國內外有不少學者進行相關研究，定量分析植被覆蓋狀況與高程、坡度和坡向間的關系，并因地制宜提出造林和管理措施[7?9]。目前黃土高原植被覆蓋度變化研究多以MODIS、NOAA/AVHRR為數據源，從地貌上分析整個黃土高原或者省范圍內的植被覆蓋情況[10?11]，但以相對較高的空間分辨率開展中小尺度的研究對管理經營更有實踐價值[12?13]。陜西省延安市安塞區位于黃河中上游，是黃土高原水土流失嚴重的地區之一，生態環境脆弱，也是“三北”防護林、退耕還林(草)工程實施的重點區域。近年來，安塞區植被覆蓋度有所提高，生態環境得到改善，但是已實施工程的成果鞏固存在隱患，質量效益有待提升。鑒于此，本研究利用安塞區2000年Landsat TM和2017年Landsat OLI影像，結合數字高程模型(DEM)生成的高程、坡度和坡向分析植被覆蓋的變化及分布規律，以期為開展生態工程、提高生態系統穩定性和改善生態系統質量提供支撐。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

安塞區 (36°30′45″～37°19′03″N，108°05′44″～109°26′18″E)位于陜西省北部，延安市北部，地處西北內陸黃土高原腹地，屬典型的黃土高原梁峁丘陵溝壑區。土地總面積2 950 km2(其中90%為坡地[14])，地勢西北高、東南低，海拔為997～1 731 m。地貌類型以黃土梁澗、黃土峁狀丘陵、黃土梁峁丘陵和溝谷階地為主。氣候屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候，年均氣溫8.8 ℃，年均降水量505.3 mm，降水多集中在7?9月，年均蒸發量1 000.0 mm，遠大于降水量，干旱頻發。土壤以黃綿土、綿沙土等黃土性土和灰褐土為主，缺乏有機質和黏粒物質，膠結能力差，抗蝕能力低。因此，研究區水土流失嚴重，水土流失面積比例約97%，屬于強度水土流失區。處于森林草原植被帶向暖溫帶落葉闊葉林帶過渡地帶，植被及森林資源分布南北差異明顯。天然次生林集中分布在南川四鄉，人工林由小葉楊Populussimonii、山杏Armeniacasibirica、刺槐Armeniacasibirica及白榆Ulmuspumila等樹種構成[15]，多分布在北部。

1.2 數據來源

以Landsat衛星影像為數據源，由中國科學院地理空間數據云平臺下載(http://www.gscloud.cn/)2000年的Landsat TM影像和2017年的Landsat OLI影像，遙感影像空間分辨率為30 m，軌道號分別為127/34和127/35。2期影像成像時間均為樹木枝葉繁茂的6月，質量較好，沒有山區積雪、云和霧等影響，而且成像時間相近，避免不同植被生長狀況造成的誤差，有利于開展植被覆蓋度的遙感分析比較。為了開展植被覆蓋度地帶性特征分析，本研究還采用了地面分辨率為30 m的ASTER GDEM V1數字高程產品。

1.3 影像預處理

在ENVI 5.1軟件支持下對影像進行預處理。對影像進行輻射定標和大氣校正，消除因傳感器、大氣條件、太陽位置和角度等引起的測量值與真實光譜反射率之間的差異。研究區溝壑縱橫，復雜地形下遙感影像受傳感器方位與太陽高度、方位等影響，陰坡接收到的照度較弱，亮度值較低，陽坡接收到的照度較強，亮度值較高。地形校正是復雜地形區遙感影像預處理的重要步驟。本研究應用了SCS+C地形校正[16]，消除地形起伏引起的影像輻射亮度值的變化，使影像更好地反映地物的光譜特征。最后采用相同投影的矢量邊界數據裁剪獲得研究區的遙感影像。

1.4 植被覆蓋度提取

像元二分模型是植被覆蓋度估算中常見的模型之一，其本質是簡單的線性像元分解模型[17]。一般情況下，像元包含的遙感信息與大氣、土壤和植被類型等因素相關。像元二分模型設置了Sveg和Ssoil2個參數，Sveg反映了像元內的植被信息，包括植被結構和種類等，Ssoil反映了包括土壤濕度、亮度、顏色和類型等與土壤相關的像元信息，從而削弱了大氣、植被和土壤等因素對應影像信息的影像，保留了植被覆蓋度信息。像元二分模型簡單而且結果可靠，采用該模型估算植被覆蓋度。歸一化植被指數(INDV)與植被覆蓋度之間存在較好的線性關系，能反映植被生長狀態及植被覆蓋等信息，構建的植被覆蓋度計算公式[18]為：

式(1)中：FC為植被覆蓋度(%)；INDV為歸一化植被指數；INDVmin為無植被覆蓋像元的INDV值；INDVmax為完全被植被所覆蓋的像元的INDV值。根據INDV統計直方圖，以1%確定閾值。

計算出來的植被覆蓋度影像，將大于1的賦值為1，小于0的賦值為0，然后對植被覆蓋度進行分級。根據已有研究[19]，將植被覆蓋度分為5級：低植被覆蓋度(FC＜10%)、較低植被覆蓋度(10%≤FC＜30%)、中等植被覆蓋度(30%≤FC＜50%)、較高植被覆蓋度(50%≤FC＜70%)和高植被覆蓋度(FC≥70%)。

對2000和2017年植被覆蓋度采用差值法獲取植被覆蓋度變化值(D)，設置閾值進行標準化分級，將全區分為7個植被覆蓋度變化等級：D≤?30%為極顯著減少，?30%＜D≤?10%為顯著減少，?10%＜D≤?5%為較顯著減少，?5%＜D≤5%為無顯著變化，5%＜D≤10%為較顯著增加，10%＜D≤30%為顯著增加，D＞30%為極顯著增加。

1.5 地形信息提取

地形是植被分布的重要影響因素。利用ArcGIS軟件從DEM數據中提取海拔、坡度和坡向數據，結合研究區實際情況進行分級，與植被覆蓋度疊加，分析植被覆蓋度在不同地形環境中的分布和變化差異。安塞區海拔為997～1 731 m，將海拔分為6級。結合地形對植物長勢的影響，借鑒水土流失調查中采用8°作為緩坡和斜坡界線的方法[20?21]，將坡度分為6級；依據地球公轉以及太陽入射角，北半球西南坡最干燥，東北坡最潮濕，按濕潤程度由高到低依次為東北向、北向、西北向、東向、西向、東南向、南向、西南向，考慮坡向對植被長勢的影響，將其分為5級[22?23]。地形要素分類情況見表1。

表 1 地形因子分級及面積Table 1 Terrain factor classification and area

2 結果與分析

2.1 2000 和 2017 年植被覆蓋度分布情況

2000和2017年安塞區平均植被覆蓋度分別為24.98%和53.34%，呈明顯上升趨勢(表2)。利用2018年8月研究區內40個樣點測量植被覆蓋度數據進行精度驗證，相關系數為0.729 0，說明估算值與實際值具有一定的相關性。2000年安塞區植被覆蓋度整體低，其中較低植被覆蓋度占57.57%，低植被覆蓋度占18.18%，中等植被覆蓋度占16.34%。較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度均很少，面積分別占4.28%和3.63%。由2000年安塞區植被覆蓋度分級圖(圖1)可見：安塞區植被及森林資源分布南北差異顯著，南部存在高植被覆蓋度的天然次生林，北部植被覆蓋度較低。

表 2 2000 和 2017 年安塞區植被覆蓋度等級統計Table 2 Statistics of vegetation coverage in Ansai District in 2000 and 2017

圖 1 2000和2017年植被覆蓋度分級示意圖Figure 1 Vegetation coverage classification in 2000 and 2017

2017年安塞區植被覆蓋度獲得較大改善，植被覆蓋度總體上較2000年大幅度提升。低和較低植被覆蓋度面積減少，其中低植被覆蓋度面積僅占2.95%。中等、較高和高植被覆蓋度面積分別占27.65%、25.41%和27.47%。由2017年植被覆蓋度分級圖(圖1)可見：安塞區植被覆蓋度呈現由南向北遞減趨勢，北部主要是低和較低植被覆蓋度區域，南部是高植被覆蓋度的天然次生林地帶，河流沿岸和城鎮周邊為較高植被覆蓋度區。

2.2 2000?2017 年植被覆蓋度變化

2000?2017年安塞區植被覆蓋狀況明顯好轉，區域內植被覆蓋度呈現不同程度的增加(圖2)。植被覆蓋度顯著和極顯著增加面積占77.38%，其中極顯著增加比例較大，占44.70%。植被覆蓋度極顯著增加區域分布在安塞區的河流沿岸，植被覆蓋度顯著增加區域主要集中在安塞區的西南部和北部。安塞區有177.83 km2植被覆蓋度較顯著減少，植被覆蓋度無顯著變化區域集中在南部的天然次生林地帶，這些區域植被覆蓋狀況良好，改善空間不大。

圖 2 2000和2017年植被覆蓋度變化分級示意圖Figure 2 Vegetation coverage change classification map in 2000 and 2017

人類活動是植被覆蓋變化的影響因素。1999年以來黃土高原大規模實施的退耕還林(草)、“三北”防護林、天然林保護等一系列重點林業工程是植被覆蓋度增加的重要因素之一。根據《中國林業統計年鑒》獲得安塞區2001?2017年的造林數據(表3)。17 a間，安塞區在退耕還林、天然林保護等林業生態工程的帶動下，完成人工造林1 148.95 km2，飛播造林74.18 km2，封山育林99.53 km2，修復退化林13.34 km2。安塞區始終將人工造林、飛播造林和封山育林三者結合，增加森林植被覆蓋度。2001?2003年造林面積最多，但2004?2006年，由于干旱缺水，大量沙棘Hippophaerhamnoides人工林死亡導致植被覆蓋度明顯下降[24]。封山育林按照自然規律，利用植被自我恢復功能培育森林資源，對迅速恢復和擴大植被意義重大。此外，自2016年起安塞區采用更新改造技術開展退化林修復，以提升森林質量，實現森林可持續經營。

表 3 安塞區造林面積統計Table 3 Statistics of afforestation area in Ansai District

2.3 植被覆蓋度的地形分異特征

2.3.1 植被覆蓋度隨海拔的變化規律 根據不同海拔植被覆蓋度的統計(表4)，2000年安塞區植被覆蓋度隨海拔的增加大致呈降低趨勢，2017年植被覆蓋度隨海拔升高先增加后減少，在海拔1 100～1 200 m內植被覆蓋度最高，較高和高植被覆蓋主要集中在海拔1 100～1 300 m區域。

比較各海拔等級的植被覆蓋度，2000年研究區整體植被覆蓋度低，各海拔等級內，較低植被覆蓋度所占面積比例最大，為49.84%～60.32%；高植被覆蓋面積比例最少，為1.88%～5.44%。2017年海拔＜1 300 m區域，面積比例最大的是高植被覆蓋度；海拔＞1 300 m區域，中等植被覆蓋度面積比例最大；海拔＞1 500 m時，30.10%為較低植被覆蓋度。2000和2017年，各海拔等級間的植被覆蓋度面積隨海拔增加呈先增加后減少的趨勢，拐點海拔區間為1 200～1 400 m(表4)。

表 4 安塞區不同海拔植被覆蓋度的面積變化Table 4 Area of different vegetation coverage at different altitudes in Ansai District

2.3.2 植被覆蓋度隨坡度的變化規律 根據不同坡度植被覆蓋度的統計(表5)，2000年安塞區植被覆蓋度隨坡度增加逐漸增加，增幅很??；2017年植被覆蓋度隨坡度增加先增加后減少，坡度為25°～35°時，植被覆蓋度最大。

表 5 安塞區不同坡度植被覆蓋度的面積Table 5 Area of different vegetation coverage at different slopes in Ansai District

比較各坡度等級的植被覆蓋度，2000年較低植被覆蓋度面積比例最大，為52.90%～63.67%；較高植被覆蓋度面積較少，高植被覆蓋度面積僅占1.97%～3.78%。2017年，坡度＜15°和＞35°區域中，中等植被覆蓋度面積比例最大，在27%左右；坡度15°～25°、25°～35°，高植被覆蓋度面積比例最大，分別為29.04%和30.21%。各植被覆蓋度面積隨海拔增加呈先增加后減少的趨勢，15°～25°坡度的面積最大，但2017年低植被覆蓋度在8°～15°坡度時，面積最大(表5)。

2.3.3 植被覆蓋度隨坡向的變化規律 根據不同坡向植被覆蓋度的統計(表6)，安塞區植被覆蓋度由高到低依次為陰坡、半陰坡、半陽坡、平地和陽坡。分析各坡向等級內的植被覆蓋度，2000年各坡向內，較低植被覆蓋度面積比例為50%以上，但2017年，平地、陰坡和半陰坡中以高植被覆蓋度為主要類型，面積比例分別為28.84%、34.8%和30.78%；半陽坡、陽坡以中等植被覆蓋度為主要類型，面積比例分別為32.63%和29.54%。說明陰坡、半陰坡植被覆蓋改善優于陰坡、半陰坡。2000年，陰坡植被長勢好，面積大，但較低植被覆蓋度在陽坡面積為477.43 km2，大于陰坡的390.71 km2。2017年，低和高植被覆蓋度在陰坡面積最大，較低、中等和高植被覆蓋度在陽坡面積最大。

表 6 安塞區不同坡向植被覆蓋度的面積Table 6 Area of different vegetation coverage in each slope direction in Ansai District

3 討論

地形控制了太陽輻射和降水的空間再分配過程，一定程度上制約了植被的生長和空間分布，尤其是在地形復雜的山區。黃土高原地域廣闊、地形復雜，由于地理本底(如水熱條件)和社會經濟因素(如土地利用類型)的影響，不同地形類型區域的植被格局不同。

海拔通過影響溫度、濕度等資源的再分配，以及人類活動頻率影響植被覆蓋率。安塞區海拔＜1 100 m的區域，地勢平坦、水熱條件好，人工造林以及自然植被恢復的成活率高，所以植被覆蓋度很快得到提高。隨海拔升高，氣溫降低，海拔1 400 m以上主要為丘陵溝壑分布區，溝壑縱橫，植被稀疏，侵蝕劇烈，土壤保水能力差，有機質少，給人工造林和植被自然恢復增加了難度，植被覆蓋度增幅受限。

坡度影響地表的物質流動和能量循環，一般坡度越大的地區，積溫越少，投影面積相同條件下降水量越小，土層持水性能也越差。研究表明：15°～35°坡度內，土壤有機質含量最高，蓄水條件好，是植被覆蓋的穩定區域；而坡度＜5°時，人類活動在平坦土地上較為頻繁，對植被覆蓋有一定影響[25]。安塞區堅持實施坡度＞25°以上的坡耕地先退耕還林，所以15°～35°坡度范圍內，植被恢復好，以高植被覆蓋度為主；坡度＜15°區域人類活動頻繁，耕地面積大，使得植被覆蓋度較低，以中等植被覆蓋度為主；坡度＞35°區域，植被生長受水熱條件限制，所以中等植被覆蓋度面積比例最大。

坡向影響坡面接受的太陽輻射以及地表與風向的夾角，從而影響光、熱、水、土等因子的分配[26]。安塞區處于干旱半干旱區域，陰坡日照少、溫度低，蒸發量較少，土壤保持相對較高的濕度，所以各坡向植被覆蓋度由高到低依次為陰坡、半陰坡、半陽坡和陽坡。2017年平地、陰坡和半陰坡以高植被覆蓋度為主，半陽坡、陽坡的中等植被覆蓋度面積比例最大，符合此規律。近年來，安塞區重視重點區域的荒坡治理，采取承包造林的方式，陽坡栽植側柏Platycladusorientalis，陰坡栽植油松Pinustabuliformis的思路，選用營養缽苗木造林，局部區域治理成效顯著。安塞區內陰坡、半陰坡和半陽坡面積相近，但2017年較低、中等和高植被覆蓋度在陽坡面積最大，說明近年來，人工造林使得陽坡的植被在較低、中等和高植被覆蓋度上的改善程度大于其他坡向[27]。

4 結論

安塞區是黃土高原生態環境治理的重點區域，植被覆蓋度從2000年的24.98%增長到2017年的53.34%，河流沿岸植被顯著增加，整體植被呈改善趨勢。地形是影響植被覆蓋度時空動態變化的重要自然因子。安塞區內，坡度25°以上區域治理重點是保持水土，應根據山地肥力引種沙棘、苜蓿Medicago、紫穗槐Amorphafruticosa等根系發達的植物。海拔1 300～1 400 m、坡度15°～25°的區域占整個研究區面積比例的35%以上，這些區域應采取不同林業工程的實施模式，適地適樹、因地制宜，才能加快實現黃土高原大綠化進程。