甘肅黃土高原植被覆蓋時空變化及驅動因素

［關鍵詞］甘肅黃土高原；植被覆蓋度；氣候變化；土地利用變化

植被是陸地生態系統的關鍵組成部分，對水土保持、水源涵養、生物多樣性維持和整個生態系統的穩定等方面都具有重要的作用，是影響生態系統功能的關鍵因素[1]。植被退化不僅影響自然景觀還會引發一系列生態環境問題，如土壤養分流失、物種多樣性降低、土地荒漠化和沙化等[2]，因此眾多學者在不同區域、不同尺度上進行過植被變化趨勢研究。植被覆蓋度是指單位面積內植被地上部分（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比，能夠指示植被的茂密程度和植物進行光合作用面積的大小[3]，是評價植被生長狀況和生態環境質量變化的重要指標之一，廣泛應用于植被生長狀況及時空變化研究中。

氣候條件是植被生長過程中的重要影響因素，其中關鍵的兩個因素是降水和溫度，會直接影響植物的光合作用、呼吸作用等生長進程[4-5]，已有研究表明，全球地表溫度上升改變了植被物候變化[6]；同時，植被通過影響陸地與大氣的水熱交換可調節地表溫度，對區域氣候變化也會產生一定影響[7]。與氣候變化不同，土地利用則是通過直接改變生態系統的類型、結構和功能，從而改變植被分布[8]，二者往往同時作用，共同影響植被覆蓋的分布。

甘肅黃土高原是典型的生態脆弱區，位于整個黃土高原的西北部，植被覆蓋低、土質疏松等原因造成水土流失極為嚴重，是黃河主要的泥沙來源地，生態環境問題持續制約著該區域的發展[9]。近幾十年來，該地區城鎮擴張、農業生產等人類活動逐步加劇，氣候條件也有所改變，這些變化都影響了植被的生長發育及分布狀況，因此有必要研究植被覆蓋變化及氣候和人類活動對其造成的影響。因此本文利用2000～2021年的遙感數據和氣象數據，對甘肅黃土高原的植被覆蓋時空變化進行研究，分析氣溫和降水與植被覆蓋變化間的關系，并在此基礎上結合土地利用數據討論人類活動對該地區植被變化的影響。

1. 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

甘肅黃土高原位于我國西北黃土高原的西部[10]，地處黃土高原、青藏高原、蒙新高原和秦巴山地的交匯地帶。該地區山多川少、地形破碎，地勢西高東低，絕大部分土地被黃土覆蓋，黃土厚度一般在10～300 m，水土流失嚴重[11-12]。研究區行政區域上包括了7個市（州）：白銀、蘭州、臨夏、定西、天水、平涼、慶陽，總面積約占全甘肅省面積的24%（圖1）。該地區屬于干旱半干旱大陸性氣候，氣候干旱，年降水量較少，水分供給主要依靠大氣降水，水資源、農牧業生產等對氣候依賴性強[13]。

1.2 數據來源

（1）遙感數據：本研究選用的遙感數據來源于NASA 的MODIS 數據中MOD13A2 級數據產品，研究時段為2000～2021 年的4～10 月，時間分辨率為16 d，空間分辨率為1 km。將各年4～10月的數據文件經過預處理后計算覆蓋率，取平均值作為當年的植被覆蓋數據。

（2）氣象數據：利用甘肅省氣象局提供的2000～2021年研究區內43個氣象站點4～10月的氣溫、降水資料，逐年插值為與植被覆蓋度數據像元大小一致、投影相同的氣象柵格數據。

（3）土地利用數據：以2000年Landsat5/TM、2021年Landsat8/OIL數據以及區域DEM 地形高程數據作為數據源，對甘肅黃土高原土地利用類型分類。將原始影像進行校正、拼接、裁剪、去云等預處理后，根據土地資源及其利用屬性，采用監督分類和人工目視解譯相結合的方法進行分類，結合中國科學院地理科學與資源研究所（http：//www.resdc.cn）中國多時期土地利用/土地覆蓋遙感監測數據庫中2000年與2020年的土地利用數據[14]進行調整和糾正，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。在分類結果上，采用Kappa系數進行精度檢驗，Kappa系數均超過0.80，達到精度要求。

2. 研究方法

2.1 植被覆蓋度計算

3. 結果分析

3.1 2000～2021 年甘肅黃土高原植被覆蓋變化的時空特征

以植被生長季全區平均覆蓋度代表當年的植被覆蓋情況，分析甘肅黃土高原2000～2021年植被覆蓋度變化，可以發現該地區植被覆蓋度呈波動上升趨勢，植被改善十分顯著（圖2）。具體來說，中度改善的面積占到了研究區總面積的49.62%，主要分布在白銀南部、蘭州西部及東部、臨夏大部、定西大部、平涼大部和慶陽大部地區。而退化的區域僅占全區面積的0.95%，主要分布在城市周圍（圖3）。

從植被覆蓋度的空間分布上看，呈現出由北向南逐漸增高的特點（圖4a）。由各市州多年平均植被覆蓋度統計可知（圖4b），白銀、蘭州、定西三地的植被覆蓋度較低，其中白銀北部部分地區植被覆蓋度小于10%，占白銀總面積的8.1%。天水平均植被覆蓋最高，為55.13%，且天水東南部植被覆蓋度大于70%，占天水總面積的25.1%（表1）。總體而言，甘肅黃土高原植被覆蓋度在過去的幾年中有所提高，絕大多數區域植被在不斷改善。

3.2 氣溫、降水對植被覆蓋度的影響

在氣候變暖的背景下，甘肅黃土高原2000～2021年植被生長季平均氣溫與降水量均呈增高趨勢，線性增長率分別為0.054 ℃/10 a和35.74 mm/10 a，表現出暖濕化的趨勢（圖5）。研究期間植被生長季氣溫平均值為15.82 ℃，2006年氣溫最高為16.57 ℃，2003年氣溫最低為15.22 ℃；降水平均值為435.79 mm，2003年降水量最多為579.22 mm，2009 年降水量最少為326.64 mm。

2000～2021年，甘肅黃土高原平均氣溫與植被覆蓋度之間的相關系數在-0.82～0.61，均值為-0.15，主要表現為不顯著負相關（圖6）；正相關區域分布在白銀南部及中部部分地區、蘭州西北部、臨夏中南部、定西中南部和天水大部，但正相關關系不顯著，可見甘肅黃土高原地區溫度與植被覆蓋度之間的相關性并不明顯。

降水與植被覆蓋度相關系數在-0.43～0.94，均值為0.47，整體呈正相關關系，相關性自南向北逐漸變高，且呈顯著的相關趨勢（圖7）。極顯著正相關與顯著正相關區域分別占總面積的38.65% 和22.22%（表2），說明甘肅黃土高原地區植被覆蓋度與降水之間的相關性較高，水分條件對植被空間分布的影響較大。

植被覆蓋度受到氣候變化和人類活動等多種因素影響，本文對人類活動中的土地利用方式改變對植被覆蓋度產生的影響進行研究，通過構建土地利用轉移矩陣，分析了2000～2021年甘肅黃土高原地區土地利用類型的變化情況。該地區耕地和草地所占面積最多，22年間耕地面積減少了1412.3 km²，草地面積增加了20.1 km²，林地面積增加了496.9 km²，水域面積基本無變化，建設用地面積增加了858.8 km²，未利用地面積增加了69.9 km²（表3）。

空間分布上，蘭州新區及周邊區域可以看到明顯的城鎮建設用地擴張，侵占了原本的耕地和草地，但在部分地區林地分布面積有所增多（圖8）。結合研究期間甘肅黃土高原植被變化趨勢（圖3）及土地利用變化特征來看，總體上植被改善趨勢顯著，改善區域以耕地轉為林草地為主。不同地類上的植被變化趨勢表明，耕地、林地和草地是植被改善和明顯改善區域所占面積最大的地類，而建設用地是植被呈退化趨勢面積占比最大的地類（表4），這是城市建設范圍不斷擴張導致的，城市建設用地范圍內植被退化較多。

4. 討論

2000～2021年，甘肅黃土高原地區氣候變化趨勢較為明顯，植被生長季平均氣溫和降水量均呈增高趨勢。植被覆蓋度與氣候因子之間相關性分析表明，降水與植被覆蓋度相關性顯著，而氣溫與覆蓋度相關性不高，這與很多學者的研究結果一致[18-20]。可見在甘肅黃土高原地區，植被生長受降雨影響較大，水分條件對植被空間分布起主導作用。

氣候變化和人類活動共同影響植被覆蓋變化，近22年來甘肅黃土高原土地利用類型中耕地、草地和建設用地流轉最為頻繁。城市土地開發建設使部分區域植被覆蓋度明顯下降，但生態工程的實施，總體上改善了全區植被覆蓋，彌補了城市擴展的負面影響，但城鎮地區的植被覆蓋降低，可能會導致熱島效應、城市內澇等問題，還需在城市尺度上做進一步的調查研究。利用2021年土地利用分類結果，統計不同土地利用類型上植被與氣候因子各相關顯著性等級所占面積（表5），可見降水與植被變化在不同地類上仍然表現出正相關性，草地的生長較多依賴降水，與降水之間呈顯著相關的面積最多，耕地中呈不顯著正相關的面積最多，這應該與農業灌溉有關，農作物生長不完全依賴降水，導致相關性不顯著，林地與降水之間的正相關關系不顯著可能與近些年的人為植被建設工程有關，人工植被中人類活動起主導作用，自然因素影響較小。甘肅黃土高原地區溫度在不同地類上與植被生長間主要表現為負相關關系，但顯著性不高，說明溫度在甘肅黃土高原地區并不是植被生長的主導因子，但溫度上升會加速地表水分蒸發，造成氣候干旱，影響植被的生長發育，具體的影響過程還需要進行專門研究。

綜上，2000～2021年甘肅黃土高原氣候和土地利用變化都對植被覆蓋度產生了影響，降水對植被生長具有促進作用，溫度則具有一定的抑制作用，人類活動通過改變土地利用方式促進了植被覆蓋度的提高，起到一定的正面效應。

5. 結論

通過分析甘肅黃土高原植被的時空變化及驅動因素，可以得出以下結論：

（1）甘肅黃土高原平均植被覆蓋度自北向南逐漸遞增，植被覆蓋在2000～2021年間持續提高，總體呈現改善趨勢，部分地區因城市建設發展需要，城市周圍土地利用方式轉變，植被覆蓋度有所下降。

（2）植被生長季平均氣溫與降水量均呈增高趨勢， 平均氣溫與植被覆蓋度的相關系數均值為-0.15，總體表現為不顯著負相關關系；降水量與植被覆蓋度相關系數均值為0.47，呈較顯著的正相關趨勢。

（3） 2000～2021年甘肅黃土高原地區土地利用類型流轉中，耕地轉出面積最大，林地、草地及建設用地轉入最多。受到農業生產、城市建設、生態保護工程等各方面影響，植被增加和減少的區域相互交錯，但總體上植被改善趨勢顯著，改善區域以耕地轉為林草地為主，而城市建設用地范圍內植被則退化較多。

因此，甘肅黃土高原植被變化受氣候和人類活動雙重影響，大部分區域植被覆蓋度持續增加，且與降水表現出較好相關性，同時農業生產、生態建設、城鎮擴張等人類活動也對植被覆蓋產生了一定的影響。今后的研究將對氣候因素與人類活動對植被產生的不同影響加以區分，并著眼于氣候與人類活動對植被影響過程和機制的探索。