基于遙感影像的和林格爾黃土丘陵區治理成效分析

摘要：黃土丘陵生態環境脆弱、水土流失嚴重，其生態修復與植物景觀營造對于保障區域生態安全、改善流域生態環境、帶動流域生態文明建設具有重要作用。本研究以內蒙古黃土丘陵生態脆弱區為研究對象，應用遙感分析的方法，分析了采取人工植被修復措施后生態修復區治理前后的歸一化植被指數（Normalized difference vegetation index，NDVI）、植被覆蓋度、生態脆弱性指數以及水土保持能力隨修復狀況的動態變化規律。結果表明：采取人工植被恢復措施使得生態系統的自我恢復能力逐漸增強。經過10年的治理，兩個修復區NDVI 0.5的平均面積占比從0.61%增加到34.52%；植被覆蓋度gt;60%的平均面積占比增加了52.46%；微度脆弱區域面積占比平均上升至76.20%，水土保持能力較好的面積平均占比提高到59.07%，生態系統自恢復能力呈變好態勢。研究結果可為我國黃土丘陵區生態修復工作的開展提供科學依據和理論參考。

關鍵詞：生態修復；生態脆弱性；遙感影像；黃土丘陵區

中圖分類號：S283.8文獻標識碼：A文章編號：1007-0435（2023）04-0963-09

Analysis of Restoration Effects in Loess Hilly Region of Horinger

County Based on Remote Sensing

QU Zhi-qiang HAN Guo-dong TIE Ying LI Zhi-guo ZHANG Zi-ting

BAI Lu YANG Zi-qiong SUN Xue-yan

（1. College of Grassland， Resources and Environment， Inner Mongolia Agricultural University， Key Laboratory of Grassland Resources

（IMAU）， Ministry of Education， Hohhot， Inner Mongolia 010011， China; 2. Mengshu Ecological Construction Group Co.， LTD.， Hohhot，

Inner Mongolia 011517， China; 3. Inner Mongolia Hesheng Ecological Science and Technology Research Institute Company Limited，

Hohhot， Inner Mongolia 011517， China）

Abstract：The loess hilly region has a vulnerable ecological environment and serious soil and water erosion. Its ecological restoration and landscape plantation play an important role in the regional ecological security，improving the ecological quality and promoting the construction of ecological civilization. In this study，the ecological vulnerable area of the loess hilly region in Inner Mongolia was taken as the research area. The methods of remote sensing analysis was used to analyze the normalized difference vegetation index （NDVI），vegetation coverage and ecological vulnerability index before and after artificial vegetation restoration，as well as the dynamic changes of soil and water conservation capacity with the restoration status. The results showed that：the restoration measures of artificial vegetation in the study area are gradually conducive to the enhancement of the self-recovery ability of that ecosystem. After 10 years of restoration，the lands with average vegetation cover of NDVI gt;0.5 in the two restoration zones increased from 0.61% to 34.52%. The lands with average vegetation coverage gt;60% increased by 52.46%. The average proportion of weakly vulnerable lands increased to 76.20%，and the proportion of lands with good soil and water conservation capability increased to 59.07%. The self-recovery capacity of ecosystem showed a good trend. The results can provide scientific basis and theoretical reference for ecological restoration in loess hilly region.

Key words：Ecological restoration;Ecological vulnerability;Remote sensing image;Loess hilly region

全球氣候的不斷變化產生了許多生態問題，如生物多樣性的減少，生態災害的頻繁發生［1］，生態環境脆弱［2］等。黃土丘陵區由于天然植被的嚴重破壞及不合理的土地利用成為中國水土流失最嚴重的地區之一［3-5］。生態的退化不僅對經濟與社會的可持續發展產生重大影響，也對當地居民的生存構成了巨大威脅［6-7］。作為實現可持續發展，降低生態退化的關鍵技術，如何合理地恢復、保護和開發生態資源已成為目前國內外生態恢復和重建的重要研究方向。

植被恢復措施是目前生態脆弱區治理中應用的最重要的方法［8-9］。衡量生態治理的效果則需要通過對植被動態進行時空尺度的監測來實現。傳統的地面調查方法是基于地面區域尺度，通常選取具有代表性的區域進行野外實地調查，但該方法受調查者的主觀意識影響較強，誤差較大。Wilson等［10］對澳大利亞南部半干旱地區植被變化的評估研究中發現不同地面測量方法都存在著一定局限性。Curran等［11］對地表實測植被蓋度進行研究，發現樣方尺寸對測量結果的影響較大，此外，Curran還提到一些地面測量方法所得到的結果存在很大差異，這使后期的遙感數據說服力和精確度大大的降低。而遙感的方法則可以避免這一問題，不僅能夠使評價的結果更加精確，而且可以快捷、高效地獲取較大尺度范圍區域植被資源信息，并對植被動態進行時空尺度的分析。

內蒙古呼和浩特市和林格爾縣黃土丘陵生態修復工程開展于2013年，該工程設置了兩個圍封區并在保留原始天然植被的基礎上采取不同人工種植造林設計方法進行修復。本文使用遙感數據對和林格爾縣黃土丘陵兩個修復區的生態修復情況進行動態監測，在摸清生態修復進展情況的同時，歸納總結黃土丘陵區生態修復模式，為我國黃土丘陵區的生態恢復工作提供一定的參考。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于內蒙古呼和浩特市和林格爾縣盛樂經濟園區，地理位置介于北緯40°29′00″～40°33′00″，東經111°48′50″～111°52′50″之間。該區域地處和林格爾縣內蒙古高原向黃土高原的過渡邊緣地帶，西北側為土默川平原的邊緣?？傮w地形呈現東高西低、南高北低的態勢，海拔高度為1 016～2 031 m。氣候類型屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫為3.0～7.4℃，無霜期85～150天，年平均降水量在250～535 mm之間，主要集中在6～8月。全年主導風向為西北風，年平均風速2.2 m·s^-1。和林格爾縣黃土丘陵生態修復工程于2013年開展，修復一區和修復二區為在保留原始天然植被基礎上采取不同造林設計類型的兩個修復區，整體都成不規則的長條形，詳見圖1。兩個修復區基本形成了喬草配置、喬灌草配置、灌草配置等造林類型。

修復區內在人工種植同時保留原生的天然植被，整體以人工植被為主，主要有樟子松（Pinus sylvestris）、油松（Pinus tabuliformis）、小葉錦雞兒（Caragana microphylla）、中國沙棘（Hippophae rhamnoides）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、草木樨（Melilotus suaveolens）、紫花苜蓿（Medicago sativa）等，修復一區局部地區還有云杉（Picea asperata）、家榆（Ulmus pumila）、山杏（Prunus ansu）等分布（圖2和圖3）。

對照區則為未經人工種植的天然植被，以黃土丘陵溝壑區典型草原植被為主。優勢植物有克氏針茅（Stipa krylovii）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、冰草（Agropyron cristatum）、二裂委陵菜（Potentilla bifurca）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、羊草（Leymus chinensis）、賴草（Leymus secalinus）、扁蓿豆（Melilotoides ruthenica）、達烏里胡枝子（Lespedeza davurica）等；土壤類型有栗褐土、灰褐土、潮土和風沙土，以栗褐土為主，屬水平地帶性土壤，土壤肥力較低。

1.2數據來源與處理方法

1.2.1衛星影像數據及預處理為觀測研究區自2013年修復以來植被恢復情況，本研究采用該區域2010年（修復前）、2015年（修復前期）、2019年（修復后）3期衛星影像圖，進行歸一化植被指數（Normalized difference vegetation index，NDVI）、植被覆蓋度指數（Fractional vegetation cover，FVC）和生態脆弱性指數（Ecological vulnerability index，EVI）分析。2010年采用Landsat5 TM衛星數據，空間分辨率為30 m。2015年和2019年采用landsat8 OLI_TIRS衛星數據，其空間分辨率融合之后達到15 m。衛星影像從地理空間數據云官網（http：//www.gscloud.cn/home）進行下載，然后利用ENVI 5.1軟件進行預處理。

1.2.2歸一化植被指數（NDVI）和植被覆蓋度指數（FVC）計算利用ENVI 5.1軟件的Radiometric Calibration工具，對Landsat系列衛星影像圖進行輻射定標、大氣校正；隨后，利用Band Math工具計算其NDVI值；最后利用ArcGIS 10.7軟件進行裁剪。計算NDVI指數的公式如下所示。

植被覆蓋度指數（FVC）指的是地面上植被冠層和枝條的垂直投影與總面積之比。它是生態系統中評估生態環境質量的重要因素之一，是區域氣候研究和水文生態評估的重要參考。對于植物覆蓋度的測定，特別是對大規模研究區域的植被狀況的監測，通常采用遙感技術進行測量。因此，本文采用李苗苗等［12］在像元二分模型基礎上的研究模型，利用NDVI估算植被覆蓋度，計算公式如下所示。

1.2.3水土保持能力分析首先，從ASF DATA SEARCH官網上下載12.5 m的DEM數據；然后利用ArcGIS 10.7軟件的Extract by mask工具進行裁剪；最后利用Surface工具進行Slope，Hillshade，Aspect等處理，獲得坡度、坡向、坡位等指標。利用Raster Calculator計算水土保持能力［13］，并計算水土保持能力各等級面積。

1.2.4生態脆弱性指數（Environmental vulnerability index，EVI）計算生態環境脆弱性是指在一定時間和空間范圍內，生態系統對外部干擾的敏感性和自我修復能力。計算指標如下所示。

（1）濕度指標（Wet）

纓帽變換的濕度分量、綠度、亮度與生態質量緊密相關［14-15］。濕度分量反映研究區域植被和土壤的水分狀況。所以選用濕度分量代表濕度指標?；贚andat TM和Landsat8 OLI_TIRS反射率影像數據的公式分別為［16-17］：

（2）綠度指標（NDVI）

植被生長狀況是反映一個區域生態環境質量好壞的重要指標。歸一化植被指數（NDVI）的應用最為廣泛，它可反映葉面積指數、生物量和植被覆蓋三者間的關系。所以，NDVI可作為綠度指標。

（3）干度指標（NDSI）

研究區域的城市用地會造成地表的“干化”，對生態環境產生一定的影響，所以選用建筑指數（IBI）來表示［18］；研究區域內，大面積的裸露土地是比較嚴重的生態問題，裸土指數（SI）來表達研究區域土地的裸露狀態［19］。最終干度指標是由建筑指數和裸土指數組成，為NDSI［20］，其計算公式為：

（4）熱度指標（LST）

使用大氣矯正法對Landsat8 OLI_TIRS地表溫度數據進行反演原理：首先估測大氣對地表熱輻射的影響，然后在衛星傳感器所接收的總熱輻射中減去這部分大氣影響，得到地表熱輻射強度，再將其轉換為相應的地表溫度［20］。

①首先打開數據，對第10波段進行輻射定標（Band10的后綴為Thermal），獲得輻射亮度圖像。在ENVI中打開原始數據_MTL.txt，選擇Radiometric Calibration工具，選擇_MTL_Thermal數據，并根據需要選擇spatial subset。

②計算NDVI。

③計算植被覆蓋度（FVC）。

④計算地表比輻射率。

在ENVI軟件的Band Math工具中輸入公式0.004×b1+0.986獲得，其中b1為植被覆蓋度。

⑤計算相同溫度下黑體的輻射亮度值

查詢大氣剖面數據（http：llatmcorr.gsfc.nasa.govl），輸入相關參數可得到大氣剖面信息：大氣在熱紅外波段的透過率（t），大氣向上輻射亮度（Lu），大氣向下輻射亮度（Ld）。公式如下：

⑥反演地表溫度

（5）進行各指標的歸一化：使用ENVI軟件toolbox中的stretch data，將數值范圍設置為［0，1］。

（6）各指標合成Layer Stacking，選擇相應的指標圖像進行波段組合。

（7）主成分分析：使用ENVI classic中的Transforms—Principal Components—Forward PCRotation—Compute New Statistics and Rotate分析主成分。

（8）首先，利用ArcGIS 10.7軟件對圖像進行腌膜處理；然后使用ArcGIS 10.7軟件的空間分析—重分類進行生態脆弱性的劃分，將研究區的生態脆弱程度按生態脆弱程度分為5個等級，即微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極重度脆弱，最后進行制圖。

2結果與分析

2.1植被覆蓋度分析

本文對2010年、2015年和2019年間3期植被覆蓋度進行對比；通過對研究區植被覆蓋度指數的分析，并將研究區的植被覆蓋度分為0～20%（差）、20%～40%（較差）、40%～60%（較好）、60%～100%（好）4個等級。

由表1、圖4～圖6可知，修復一區在2010—2019年期間，植被覆蓋度差、較差和較好等級區域面積占比分別從2.96%，11.89%和48.28%下降到0.53%，2.47%和9.46%；植被覆蓋度等級為好的區域面積占比從37.75%上升到87.53%。

修復二區在2010—2019年期間，植被覆蓋度差、較差和較好等級區域面積占比分別從27.91%，29.68%和27.68%下降到4.83%，6.18%和19.13%；植被覆蓋度等級為好的區域面積占比從14.73%上升到69.86%。

對照區植被覆蓋度全部集中在20%～30%之間，其中覆蓋度“差”等級面積比從48.05%下降到25.76%，“較好”等級面積比從5.54%上升到21.98%，但整體來說對照區覆蓋度并沒有修復區覆蓋度變化明顯。

從植被覆蓋度年際變化還可看出，與對照區相比，修復一區和二區的植被覆蓋度“好”的區域面積占比最大，且隨著恢復年限的增加快速增加，其他區域面積逐漸減小，且恢復一區的恢復面積明顯高于恢復二區。

從修復區種植樹種來講，從過去10年的植被覆蓋度變化區域分析可知，在修復前期，修復一區和修復二區的不同造林設計類型植被覆蓋度變化不一，修復一區的樟子松+其他類型的區域植被覆蓋度優于其他類型，修復二區的樟子松+檸條錦雞兒類型的區域植被蓋度優于油松+山杏類型區域。但隨著修復時間的延長，不同造林設計類型區域的植被覆蓋度逐漸趨于一致。

2.2水土保持能力分析

本文中采用ArcGIS 10.7軟件進數據行處理，得到了研究區水土保持能力等級，數值越高表明其水土保持能力越強（表2、圖7）。

由表2可知，修復一區和修復二區水土保持能力較差的面積分別占總面積的0.02%，0.12%；水土保持能力差的面積分別占總面積的10.48%，11.57%；水土保持能力好的面積分別占總面積的19.34%，40.33%；水土保持能力較好的面積分別占總面積的70.16%，47.98%。

2.3生態脆弱性指數分析

由表3和圖8可知，修復一區在2010—2019年期間，微度脆弱區域面積占比從0.34%上升至90.98%，呈現直線增長趨勢；在此期間，輕度脆弱區域轉變為微度脆弱區域。修復二區在2010—2019年期間，中度脆弱和重度脆弱區域面積占比從60.59%和32.48%下降到2.60%和0.30%；與此相反的是微度脆弱和輕度脆弱區域面積占比從0.76%和4.90%上升到61.41%和34.94%，呈現增加態勢。

由圖9和圖10可知，2010年，修復一區的整體生態脆弱性主要為輕度，具有一定的自我恢復能力；修復二區主要為中度和重度，并且在研究區內所占面積比例較大，生態環境受到一定的損害，生態環境穩定性較差。2015年經修復后，研究區整體的生態環境狀況有明顯的提高，生態脆弱性變弱，自恢復能力變強。2019年研究區整體的脆弱性呈現向微度脆弱發展趨勢，這表明采取人工種植修復措施、減少人為及放牧活動等生態修復工作對研究區整體生態環境改善起到了非常重要的作用。

3討論

本文采用遙感分析手段通過對人工種植修復及排除外界因素干擾后的內蒙古呼和浩特市和林格爾縣黃土丘陵區時空變化特征評價，揭示了被破壞的生態環境修復和向良性循環系統發展的可行性。結果表明，2010年—2019年隨著人工種植和研究區修復管控，區域生態環境得到極大地改善，十年間修復區NDVI值均呈上升趨勢，植被覆蓋度在修復措施下也呈現上升趨勢，且不同造林設計類型也會導致植被覆蓋度變化不一，相較于對照區，修復區植被蓋度變化更為明顯，覆蓋度較好的區域面積逐年增大，較差的區域面積逐年降低?；謴鸵粎^比恢復二區具有更高的水土保持能力。這可能是因為修復一區的植被覆蓋度大于修復二區，且修復二區內的溝壑錯綜復雜，區域內坡度總體大于修復一區造成的。

利用遙感技術進行資源環境信息的獲取、處理和動態分析已逐漸成為研究生態環境脆弱性的一個重要方向［21］。廖偉等人基于RS和GIS技術分析了1990—2007年丹江口庫區生態脆弱性的時間分布模式，研究表明該區域生態脆弱性指數從5.96降至5.56，庫區生態環境整體狀況有所好轉［22］。陳佳等同樣運用RS與GIS空間技術，定量分析了榆林市社會——生態系統脆弱性的空間演變規律，研究表明，2000—2011年，中等程度的脆弱性占主導地位，高度和中度脆弱性地區的面積減少，低脆弱性地區的空間分布向南部轉移［23］。本文研究表明2010—2019年，和林格爾縣的生態恢復區中，微度和輕度脆弱的比例在增加，而中度和重度脆弱的比例在減少，修復區整體生態脆弱性指數降低，生態系統自恢復能力呈現轉好態勢，與上述兩項研究所得生態脆弱性指數降低、面積減少的結果基本一致。荊玉平等人運用遙感與GIS技術，研究發現內蒙古自治區奈曼旗1976—2000年平均生態脆弱性指數由0.744 5增加至0.780 3，整體脆弱性仍處于較高水平［24］，與本研究結果存在差異，這可能與人為因素和自然環境因素有關。奈曼旗地表沙質土廣布，沙源豐富，水土保持能力差，自然條件在時間和空間上都存在著顯著易變性，且脆弱區生態基本處于自修復狀態，缺少人工修復的干預。而和林格爾生態脆弱區在保留原始天然植被的同時以人工植被修復為主，搭配種植了存活率較高的鄉土植物，并且在工程實施后通過減少周邊牧戶人為干擾，從而降低了土地利用強度，有利于植被恢復，這也與閆曉紅、曾凡江等人［25-26］認為的圍封對退化草地的修復具有重要意義的研究結果一致。

4結論

通過對呼和浩特市和林格爾縣黃土丘陵生態脆弱區采用人工植被修復措施后的修復效果進行分析表明：經過近10年的植被修復，修復區植被覆蓋度和水土保持能力都有明顯提高，且修復一區的植被覆蓋度和水土保持能力明顯高于修復二區；修復區微度脆弱區面積逐漸上升，占主導地位，生態脆弱性呈現變弱的趨勢，生態恢復能力逐漸增強。因此，對被破壞的生態環境采取人工種植和管控的修復工作，能夠使生態系統向更加穩定更加良性的循環方向發展。建議在開展生態修復工程中，盡可能保留當地原生天然物種，加強修復區的管控，防止外來因素的干擾，同時在修復過程中也要注意不同造林類型對植被蓋度變化的影響。

參考文獻

［1］DEMIRKESEN A C，EVRENDILEK F. Compositing climate change vulnerability of a Mediterranean region using spatiotemporally dynamic proxies for ecological and socioeconomic impacts and stabilities［J］. Environmental Monitoring amp; Assessment，2017，189（1）：29

［2］OKEY T A，AGBAYANI S，ALIDINA H M. Mapping ecological vulnerability to recent climate change in Canada's Pacific marine ecosystems［J］. Ocean amp; Coastal Management，2015，106（3）：35-48

［3］吳旭，牛耀彬，荀夢瑤，等. 黃土丘陵區優勢造林樹種水分來源對季節性干旱的響應［J］. 生態學報，2022，42（10）：4101-4112

［4］LAVOREL S，FLANNIGAN M D，LAMBIN E F，et al. Vulnerability of land systems to fire：Interactions among humans，climate，the atmosphere，and ecosystems［J］. Mitigation amp; Adaptation Strategies for Global Change，2007，12（1）：33-53

［5］程積民，萬惠娥，胡相明. 黃土丘陵區植被恢復重建模式與演替過程研究［J］. 草地學報，2005，13（4）：324-327，333

［6］劉國華，傅伯杰，陳利頂，等. 中國生態退化的主要類型、特征及分布［J］. 生態學報，2000，20（1）：13-19

［7］張云芝，胡云鋒，韓月琪，等. 全球主要生態退化區和研究熱點區的空間分布與演變［J］. 生態學報，2021，41（19）：7599-7613

［8］張海月. 毛烏素沙地生態修復評價［D］. 北京：北京林業大學，2020：1-7

［9］張文軍，周啟星，魏巍. 克隆植物修復退化生態系統的機制［J］. 草地學報，2016，24（3）：485-490

［10］WILSON A D，ABRAHAM N A，BARRATT R，et al. Evaluation of methods of assessing vegetation change in the semi-arid range-lands of southern Australia［J］. Australian Rangeland Journal，1987（9）：5-13

［11］CURRAN P J，WILLIAMSON H D. Sample size for ground and remotely sensed data［J］. Remote Sensing of Environment，1986（20）：31-41

［12］李苗苗，吳炳方，顏長珍，等. 密云水庫上游植被覆蓋度的遙感估算［J］. 資源科學，2004，26（4）：153-159

［13］宮晨，吳文瑾，段怡如，等. 基于遙感RMMF模型的喀斯特地區水土保持功能評價［J］. 生態學報，2022，42（11）：4389-4400

［14］李芳芳，賈永紅. 一種基于TM影像的濕地信息提取方法及其變化檢測［J］. 測繪科學，2008，33（2）：147-149

［15］汪燕，董張玉. 基于纓帽變換影像融合的遙感影像植被信息提取［J］. 地理空間信息，2013，11（4）：85-86，89，187

［16］BAIG M H A，ZHANG L，SHUAI T，et al. Derivation of a tasseled cap transformation based on Landsat 8 at-satellite reflectance［J］. Remote Sensing Letters，2014，5（5）：423-431

［17］CRIST E P. A TM Tasseled Cap equivalent transformation for reflectance factor data ［J］. Remote Sensing of Environment，1985，17（3）：301-306

［18］XU H. A new index for delineating built-up land features in satellite imagery［J］. International Journal of Remote Sensing，2008，29（14）：4269-4276

［19］ROY P S，RIKIMARU A，MIYATAKE S. Tropical forest cover density mapping［J］. Tropical Ecology，2002，43（1）：39-47

［20］徐涵秋. 城市遙感生態指數的創建及其應用［J］. 生態學報，2013，33（24）：7853-7862

［21］張學玲，余文波，蔡海生，等. 區域生態環境脆弱性評價方法研究綜述［J］. 生態學報，2018，38（16）：5970-5981

［22］廖煒，李璐，吳宜進，等. 丹江口庫區土地利用變化與生態環境脆弱性評價［J］. 自然資源學報，2011，26（11）：1879-1889

［23］陳佳，楊新軍，尹莎，等. 基于VSD框架的半干旱地區社會—生態系統脆弱性演化與模擬［J］. 地理學報，2016，71（7）：1172-1188

［24］荊玉平，張樹文，李穎. 奈曼旗生態脆弱性及空間分異特征［J］. 干旱地區農業研究，2008，26（2）：159-164

［25］閆曉紅，伊風艷，邢旗，等. 我國退化草地修復技術研究進展［J］. 安徽農業科學，2020，48（7）：30-34

［26］曾凡江，張文軍，劉國軍，等. 中國典型沙漠區主要優勢植被的穩定修復途徑與可持續經營技術［J］. 中國科學院院刊，2020，35（6）：709-716

（責任編輯 閔芝智）