退耕還林工程背景下延安植被覆蓋時空變化及其對氣候的響應

林隆超，王曉飛，劉延平，劉志超，王文波

(延安市氣象局,陜西延安 716000)

退耕還林(草)工程是中國政府針對1997年黃河流域的嚴重干旱、1998年長江流域的毀滅性洪災等一系列環境災難和環境退化的深刻反思后的積極響應[1]。延安地處黃土高原，為我國半干旱半濕潤過渡帶，對氣候變化[2]和人為干擾[3]較為敏感。1999年實施退耕還林工程以來，至2020年底延安實施退耕還林面積71.8萬hm2，占到全市國土總面積的19.4%，全省的27%。延安林業用地面積占國土面積的78%，森林覆蓋率達到53.07%，成為陜西省“一葉肺”[4]。延安植被覆蓋變化受到社會公眾和科學界的廣泛關注。國內許多學者分析了延安植被覆蓋度明顯提升，植被恢復固定和濕潤了地表土壤，減少了大風對土壤的侵蝕[5-8]。楊致遠通過分析延安植被變化在凈化大氣環境、涵養水源、保育土壤、林木積累營養物質和固碳釋氧等5個生態服務功能，得出延安市退耕還林工程年生態效益總價值量為173.10億元[9]。國內學者也分析了黃河流域、陜西等較大范圍的生態植被對氣候變化響應，有研究發現陜西一些區域植被覆蓋經歷了改善之后開始出現了退化現象[10]。分析退耕還林后延安植被覆蓋變化動態[11-12]，區分引起植被變化的氣候和人類活動主要因素及其規律，對保持退耕還林成果，建設山青水秀的綠色延安是十分必要的。

本文基于 2000—2020 年MOD13Q1 數據、氣象數據，利用像元二分法估算延安21 a間的植被覆蓋度變化，通過統計學方法分析其時空變化特征和氣候對其的影響，跟蹤評估植被覆蓋變化情況及其對氣候變化的響應，為延安生態建設提供參考。

1 材料和方法

研究用到的氣象數據為2000—2020年延安12個縣區的逐月降水量、平均溫度和日照時數，由所在縣氣象站提供，并通過求和、求平均得出夏季(6—8月)和年數據。由于黃陵縣數據不全，在文中沒有進行氣候響應研究。遙感數據包括EOS/MODIS衛星MOD13Q1植被指數16 d合成產品數據，采用最大值合成法得出年植被指數(NDVI，用INDV表示)，遙感數據來源于 NASA的Land Processes DAAC數據分發中心，數據空間分辨率為250 m。延安市行政區邊界矢量數據采用陜西省測繪地理信息局 1∶50 000陜西省基礎地理信息數據。

1.1 植被覆蓋度的計算

植被覆蓋度(F)是一種基于歸一化植被指數反映植被蓋度信息的指標，能夠在一定程度上彌補歸一化植被指數對于低覆蓋度植被難以區分、而對高覆蓋度植被易于飽和的不足，從而有效地拉伸了植被信息的值域?；谙裨帜Ｐ偷幕旌舷裨ㄓ嬎阒脖桓采w度F的基本公式[13]為:

F= (INDV-INDV1) / (INDV2-INDV1)。

(1)

式中，INDV1代表純土壤覆蓋像元INDV的最小值，INDV2代表純植被覆蓋像元INDV的最大值。本文提取2000—2020年INDV最大值圖像，在INDV頻率累積表上取頻率為5%的INDV為INDV1，取頻率為95%的INDV值為INDV2。

1.2 變化趨勢分析和相關分析

本研究利用線性傾向估計進行植被覆蓋度F的時間趨勢分析，采用相關系數的統計檢驗方法進行顯著性變化趨勢檢驗。相關分析是研究現象之間是否存在某種依存關系，并對具有依存關系的現象探討其相關方向以及相關程度，偏相關分析是在消除其他因子影響的前提下計算兩個變量之間的相關性。本研究利用SPSS軟件計算F與降水、氣溫、日照的偏相關系數，顯著性檢驗采用t檢驗完成。

1.3 圖像差值法

圖像差值法為反映研究區植被動態變化，利用差值法計算不同時期影像之間的植被覆蓋變化ΔFg(公式2)，差值大于0表示植被覆蓋增加，小于0表示植被覆蓋減少。

ΔFg=F2-F1。

(2)

式中，F1和F2分別為前后兩個不同時期植被覆蓋度等級。

2 結果與討論

2.1 退耕還林工程以來植被覆蓋度變化特征

2.1.1 植被覆蓋度年際變化 延安市2000—2020年植被覆蓋度變化范圍為46.1%～81.3%，平均為66.1%，最小為2000年的46.1%，最大為2017年的81.3%(圖1)。植被覆蓋度變化用Logistic曲線模擬，呈現波動增加趨勢，分別在2011、2012、2015、2019年植被覆蓋度表現出較差年景。2002年和2013年植被覆蓋度出現了明顯的跳躍式增長，2002年增加了10個百分點，2013年增加了11個百分點，植被覆蓋度達到74%，首次突破70%大關。2002年植被覆蓋度的跳躍式增長，說明退耕還林工程效益初步顯現；而2013年植被覆蓋度再次出現大的跳躍式增長，可能與2013年延安市降水異常偏多、氣溫整體偏高有關。

圖1 2000—2020年延安市植被覆蓋度年際變化

進一步分析各縣區植被覆蓋度年際變化情況，發現各縣區植被覆蓋度年際變化具有明顯的地域差異性(圖2)。各縣區植被覆蓋度最小值均出現在2000年左右，植被覆蓋度最大值除吳起、安塞出現在2018年，黃龍出現在2016年外，其余各縣區均出現在2017年。從圖2可以看出：吳起、志丹、子長、安塞、延川、延長植被覆蓋度經過快速增加，達到最高值后在高位波動；其余6個縣區植被覆蓋度經過緩慢增加，達到最高值后在高位波動，說明這6個縣區植被覆蓋度已經達到環境資源所容許的高度；2002年和2013年大部分縣區植被覆蓋度出現了明顯的跳躍式增長。

圖2 2000—2020年延安市各縣區植被覆蓋度年際變化

2.1.2 植被覆蓋度的空間分布 從2000—2020年年平均植被覆蓋度的空間分布(圖3a)，可以看出延安市植被覆蓋度總體呈現從南到北遞減的趨勢。植被覆蓋度高低懸殊，高值區位于延安南部甘泉、富縣、黃陵、宜川、黃龍林區，年平均植被覆蓋度在 73.9%～84.4%之間；延安北部吳起、志丹、子長、安塞、延川等年平均植被覆蓋度較小，在50.3%～58.0%之間，特別是吳起、安塞、子長北部邊界處和延川黃河沿線，植被覆蓋度在30%～40%之間，有較大的提升空間。

進一步根據植被覆蓋度圖像差值(圖3b),可以看出退耕還林工程實施以來，延安市植被覆蓋度明顯提升，提升幅度最大區域為吳起南部、志丹北部、安塞中部、延川中部及子長大部，增長值在50%以上。在甘泉、富縣、黃陵、洛川、黃龍林區等原先植被覆蓋度高的區域提升幅度最小。整體上，延安北部提升幅度在30%以上，中南部為0～30%，少數地區因城市建設影響植被覆蓋度減小。

圖3 2000—2020年平均植被覆蓋度和圖像差值空間分布(審圖號為GS(2019)1822)

2.2 植被覆蓋度對氣候因子的響應

2.2.1 植被覆蓋度對降水的響應 2013年為延安市研究期內降水量最多年份，平均降水量767.8 mm，與歷年同期比較偏多260.5 mm，特別是7月出現持續較長時間的降水天氣過程，各縣區月降水量256.2～613.4 mm，是歷年同期降水量的2～6倍，有11站降水超過歷史同期極值(圖4、表1)。2013年吳起、志丹、子長、安塞、延川、延長、洛川的植被覆蓋度較上年增長超過了10%，其中子長最多為23.3%，降水量除洛川、黃龍略偏多外其余縣區均異常偏多，特別是6—8月降水量偏多1.7～4.7倍，植被覆蓋度在2013年也出現了跳躍式增長，說明充足的降水有利于植被的迅速生長。植被覆蓋度受降水影響較大是由于延安所處的氣候帶所決定的，降水是植被生長的主要限制因子。

圖4 2000—2020年延安市降水量的年際變化和歷年平均降水量

表1 2013年延安市及各縣區6—8月降水量、年降水量及植被覆蓋度增加率

由表2可看出，6—8月延安市降水量與植被覆蓋度呈顯著正相關(r=0.467，P<0.05)；各縣區表現為：安塞、寶塔、富縣、甘泉、延長、宜川、志丹6—8月降水量與植被覆蓋度呈顯著正相關，其余5縣為不顯著正相關。延安市年降水量和植被覆蓋度呈不顯著正相關(r=0.36，P>0.05)，寶塔、富縣、志丹呈顯著正相關，其他縣區為不顯著正相關。可以看出，6—8月降水量比年降水量與植被覆蓋度的相關性更高。

表2 2000—2020年延安市植被覆蓋度與各縣區的年降水量、6—8月降水量、年平均氣溫及日照的相關系數

2.2.2 植被覆蓋度對氣溫變化的響應 對于整個延安市，植被覆蓋度和年平均氣溫呈不顯著正相關關系(r=0.012，P>0.05)(表2)。各縣區植被覆蓋度和氣溫表現出正、負相關關系，正相關的有7個縣區，負相關的有5個縣區，但是僅寶塔區通過P<0.01的顯著性檢驗，其余各縣區均未通過顯著性檢驗。

2.2.3 植被覆蓋度對日照的響應 延安市植被覆蓋度和日照呈不顯著負相關關系(r=-0.274，P>0.05)(表2)。各縣區植被覆蓋度和日照表現出正、負相關關系，正相關的有4個縣區，負相關的有8個縣區，其中富縣通過P<0.01顯著性檢驗，洛川、延川通過P<0.05顯著性檢驗，其余各縣區均未通過顯著性檢驗。

綜上可知，植被覆蓋度與6—8月延安市降水量呈顯著正相關，與年降水量和年平均氣溫、日照相關不顯著。延安市位于黃土高原中部，植物所需水分主要依賴于降水，因此降水是影響此地區植被覆蓋變化的重要自然因素。

3 結論

(1)2000—2020延安市植被覆蓋度呈現波動式增加趨勢，在2017年達到最大值后在高位波動，在實行退耕還林工程建設3 a的2002年植被覆蓋度跳躍增長，說明封山禁牧政策取得了成效。2013年植被覆蓋度再次跳躍增長，首次突破70%大關，與當年6—8月降水量明顯偏多相關，說明充足的降水量對植被恢復是十分有利的。

(2)植被覆蓋度在空間分布上呈現從南到北遞減的趨勢。植被覆蓋度高低懸殊，高值區位于延安南部甘泉、富縣、黃陵、宜川、黃龍林區，年平均植被覆蓋度在 73.9%～84.4%；低值區位于延安北部吳起、志丹、子長、安塞、延川等黃土高原丘陵溝壑區腹地，年平均植被覆蓋度在50.3% ～58.0%。

(3)2020年與2000年相比，延安北部植被覆蓋度提升30%以上，中南部為0～30%，提升幅度最大在吳起南部、志丹北部、安塞中部、子長大部以及延川中部，增加了50%以上。吳起、安塞、子長北部邊界處和延川黃河沿線，植被覆蓋度在30%～40%之間，需引起重視，采取措施改變。

(4)降水量的年際變化對植被覆蓋度產生影響，尤其是6—8月的降水量是影響黃土高原植被覆蓋度的主要原因。植被覆蓋度與氣溫、日照的正、負相關區域在全市交替分布，少數縣區通過了P=0.05顯著性水平檢驗。延安降水變率大，降水分布不均，干旱常有發生，這些都對生態恢復和維持有較大影響，需要持續研究與重點關注。