北洛河上游流域植被覆蓋度時(shí)空變化及其地形分異特征

陳浩,權(quán)倍平,李占斌,郭晉偉,李偉濤,張曉萍

(1.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,陜西延安 716000;2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,西安 710048;3.延安大學(xué)圖書館,陜西延安 716000;4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌 712100)

植被是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組分[1],具有攔截降雨、削弱雨滴對(duì)地表土壤的打擊力、增加土壤入滲、改善土壤性質(zhì)等多方面作用,是區(qū)域生態(tài)環(huán)境及水土流失評(píng)價(jià)中的主要監(jiān)測指標(biāo)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)常被用于表征研究區(qū)植被覆蓋和植被生長狀況的植被指數(shù)。近年來,諸多學(xué)者基于不同數(shù)據(jù)源的NDVI數(shù)據(jù)對(duì)不同空間尺度上的植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化及其影響因素的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了深入研究[2-3]。研究表明植被覆蓋度變化是自然(氣候和地形等)和人類活動(dòng)因素共同作用的結(jié)果[4]。其中地形通過控制太陽輻射和大氣降水的再分配過程,并在一定程度上影響人類活動(dòng),進(jìn)而對(duì)植被的空間分布格局產(chǎn)生影響[5]。因此,分析并揭示研究區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化及其地形分異特征,對(duì)制定適宜的植被恢復(fù)與保護(hù)對(duì)策具有重要意義。

黃土高原生態(tài)環(huán)境極其脆弱,水土流失異常嚴(yán)重,為改變這種狀況,一系列生態(tài)治理工程相繼在該區(qū)實(shí)施,經(jīng)過多年治理,黃土高原植被覆蓋狀況發(fā)生了極大變化[6],由此引起區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度及黃河輸沙量出現(xiàn)了歷史性劇減[7]。現(xiàn)有研究表明,盡管氣候因子是影響植被覆蓋變化的重要因素,但隨著大規(guī)模植被建設(shè)工程的實(shí)施,黃土高原植被覆蓋對(duì)氣候因子變化的敏感性降低[8],以退耕還林還草工程為主的人類活動(dòng)已成為影響該區(qū)植被覆蓋度變化的主要因素[9]。黃土高原中部的丘陵溝壑區(qū)是區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)尤為顯著的地區(qū)[10],同時(shí)黃土高原陡坡區(qū)植被覆蓋度增速也最為明顯[11-12]。有研究指出黃土丘陵溝壑區(qū)是黃土高原未來植被恢復(fù)潛力較高的地區(qū)之一[13]。流域具有相對(duì)獨(dú)立和完整的地形特征,并且常被用于探究植被覆蓋度演變規(guī)律的典型地貌單元[14-15],因此從流域尺度開展黃土丘陵溝壑區(qū)植被恢復(fù)過程及其在地形上的分異特征,是理解環(huán)境演變下流域生態(tài)水文過程響應(yīng)的重要基礎(chǔ)。

地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)的北洛河上游流域既是黃河中游粗泥沙的主要策源區(qū)之一,也是全國實(shí)施水土流失綜合治理的重點(diǎn)地區(qū)。流域內(nèi)吳起縣作為全國退耕還林典型縣自1998年率先開始大規(guī)模實(shí)施了封山退耕、植樹種草、舍飼養(yǎng)羊等政策,為該流域植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境改善起到了關(guān)鍵作用。研究顯示,在退耕還林還草工程的影響下,北洛河上游吳起縣所在地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化,植被恢復(fù)效果明顯好于周圍縣域[16-17],吳起縣植被覆蓋度變化呈現(xiàn)出與退耕還林累計(jì)完成面積變化較為一致的趨勢[18]。以往研究較多關(guān)注生態(tài)恢復(fù)背景下北洛河上游流域土壤侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度與河流水沙演變過程的分析及評(píng)價(jià)[19],而有關(guān)退耕還林還草工程實(shí)施前后流域植被覆蓋變化及其與地形因子之間關(guān)系的研究仍較為薄弱。因此,本文選擇黃土丘陵溝壑區(qū)退耕還林植被恢復(fù)較為典型的北洛河上游流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于流域退耕還林還草工程實(shí)施前期(1990年)、初期(2000年)、中期(2010年)和近期(2019年)4期Landsat影像與數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),利用像元二分模型結(jié)合GIS 空間分析方法,分析流域植被覆蓋度時(shí)空變化及其地形分異特征,以期為該區(qū)植被恢復(fù)及生態(tài)水文過程響應(yīng)研究提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北洛河為黃河二級(jí)支流,其上游吳旗水文站控制部分(107°32′40″—108°32′45″E,36°44′53″—37°19′28″N),海拔1 265～1 886 m,總面積3 408 km2(圖1)。流域地貌類型屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū),地貌景觀以黃土梁、峁、澗和河谷等為主。氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,多年(1963—2011年)平均降水量為459.1 mm,汛期降水量占全年的74.5%。降水量在空間上呈現(xiàn)西北少、東南多的分布格局。流域內(nèi)土類分布以黃綿土為主,占總面積的89.3%,其土質(zhì)疏松,抗侵蝕性較差。流域內(nèi)水力侵蝕極為強(qiáng)烈,年均侵蝕模數(shù)7 006 t/(km2·a)。流域?qū)儆谖覈帘３种攸c(diǎn)建設(shè)和退耕還林試點(diǎn)區(qū)域,自1999年實(shí)施退耕還林還草工程以來,林草覆蓋面積明顯增長,形成以落葉闊葉及灌木草叢為主的人工次生植被類型。流域內(nèi)吳起縣植被恢復(fù)效果顯著,截至目前,該縣累計(jì)完成退耕還林面積達(dá)1 631.93 km2,占全縣總面積的43.0%,因此被譽(yù)為“全國退耕還林先進(jìn)縣”。

圖1 北洛河上游流域高程及水系分布Fig.1 Elevation and drainage distribution in the upper reaches of Beiluo River watershed

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究選用的遙感數(shù)據(jù)為1990年、2000年、2010年、2019年4期Landsat影像,下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/),空間分辨率為30 m,軌道編號(hào)為128/34,4期影像數(shù)據(jù)平均云量均低于1%,圖像質(zhì)量良好,成像時(shí)間集中于6月和7月,處于植被生長旺盛期,具有可比擬性,并對(duì)影像數(shù)據(jù)均進(jìn)行前期基本預(yù)處理。DEM 數(shù)據(jù)采用ASTER GDEM V1數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品(分辨率30 m×30 m)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。上述所有數(shù)據(jù)的投影方式均轉(zhuǎn)化為WGS 84坐標(biāo)系的通用橫軸墨卡托投影(UTM),再以流域矢量邊界數(shù)據(jù)裁剪獲得研究區(qū)的最終數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度估算與分級(jí) 歸一化植被指數(shù)的提取方法為:

式中:NDVI為歸一化植被指數(shù);NIR 和R分別為多光譜影像的近紅外波段(0.7～1.1μm)與可見光紅波段(0.4～0.7μm)的反射率。利用李苗苗等[20]建立的基于NDVI估算植被覆蓋度的模型,得到流域植被覆蓋度圖,公式如下:

式中:Fvc為植被覆蓋度(%);NDVI為影像中各像元的NDVI值;NDVIsoil和NDVIveg分別為無植被覆蓋區(qū)域和完全被植被覆蓋區(qū)域像元的NDVI值。為消除圖像噪聲帶來的干擾,本文參考前人的研究[20-21],NDVIsoil和NDVIveg分別取NDVI影像統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)累積頻率為5%和95%的NDVI值,然后根據(jù)公式(2),得到流域植被覆蓋度分布圖。

根據(jù)已有研究成果[22],結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,將計(jì)算得到的Fvc按其大小分為低植被覆蓋度(Fvc＜10%)、中低植被覆蓋度(10%≤Fvc＜30%)、中等植被覆蓋度(30%≤Fvc＜50%)、中高植被覆蓋度(50%≤Fvc＜70%)和高植被覆蓋度(Fvc≥70%)5個(gè)級(jí)別。

1.3.2 植被覆蓋度變化等級(jí)劃分 采用差值法獲得流域植被覆蓋度變化值,公式如下:

式中:ΔFvc為流域植被覆蓋度變化值(%),Fvc,1和Fvc,2分別為流域前后兩個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度(%)。設(shè)置閾值,對(duì)流域植被覆蓋度變化值進(jìn)行等級(jí)劃分。ΔFvc＜-20%為嚴(yán)重退化區(qū);-20%≤ΔFvc＜-5%為輕微退化區(qū);-5%≤ΔFvc＜5%為穩(wěn)定區(qū);5%≤ΔFvc＜20%為輕微改善區(qū);ΔFvc≥20%為強(qiáng)烈改善區(qū)。

1.3.3 植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)移速度與狀態(tài)指數(shù)

采用不同植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)出速度和轉(zhuǎn)入速度反映其動(dòng)態(tài)變化程度,并結(jié)合狀態(tài)指數(shù)探究其變化的趨勢和狀態(tài)[23,14]。公式如下:

式中:Vi,out為t1—t2期間第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)出速度;Vi,in為相應(yīng)的轉(zhuǎn)入速度;t1為統(tǒng)計(jì)初期;t2為統(tǒng)計(jì)末期;Fi,t1為t1時(shí)期第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的面積;Fi,t2為t2時(shí)期第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的面積;Ui為t1—t2期間第i類植被覆蓋度等級(jí)類型未變化的面積;Di為同時(shí)期第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的狀態(tài)指數(shù)。

當(dāng)-1≤Di≤0時(shí),從t1—t2期間第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)入速度大于轉(zhuǎn)出速度,面積增加,處于“擴(kuò)張”狀態(tài);當(dāng)0＜Di≤1時(shí),t1—t2期間第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)入速度小于轉(zhuǎn)出速度,面積減小,處于“縮減”狀態(tài)。Di越接近-1,說明第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)入速度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出速度,面積大幅增加,處于極不平衡狀態(tài);Di越接近1,說明第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)出速度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入速度,面積大幅減小,處于極不平衡狀態(tài);Di越接近0,則存在兩種情況,一種情況是第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)入速度和轉(zhuǎn)出速度都很小,呈現(xiàn)平衡狀態(tài),另一種情況是第i類植被覆蓋度等級(jí)類型的轉(zhuǎn)入速度和轉(zhuǎn)出速度都很大,該植被覆蓋度等級(jí)類型雙向轉(zhuǎn)換明顯,處于高轉(zhuǎn)出和高轉(zhuǎn)入情況下的一種平衡狀態(tài)。

1.3.4 地形因子的提取與分級(jí) 基于研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)提取各地形因子。采用等間距法將研究區(qū)高程分為7個(gè)等級(jí):＜1 300 m,1 300～1 400 m,1 400～1 500 m,1 500～1 600 m,1 600～1 700 m,1 700～1 800 m,＞1 800 m。依據(jù)水土流失常規(guī)調(diào)查中的臨界坡度分級(jí)法,將研究區(qū)坡度分為6級(jí),依次為0°～5°,5°～8°,8°～15°,15°～25°,25°～35°,＞35°。根據(jù)坡向與環(huán)境因子的關(guān)系,將研究區(qū)坡向分為5個(gè)級(jí)別,分別為陰坡(東北,北:337.5°—360°,0°—67.5°)、半陰坡(西北,東:67.5°—112.5°,292.5°—337.5°)、半陽坡(西,東南:112.5°—157.5°,247.5°—292.5°)、陽坡(南,西南:157.5°—247.5°)、平地(0°)[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 北洛河上游流域植被覆蓋度空間分布特征

將流域各時(shí)期植被覆蓋度的分布,依據(jù)其劃分等級(jí),得到1990年、2000年、2010年、2019年北洛河上游流域植被覆蓋度等級(jí)分布及其特征(圖2、表1)。4個(gè)時(shí)期流域平均植被覆蓋度分別為16.82%,30.79%,47.57%,57.41%,呈持續(xù)增加趨勢(圖2)。流域植被覆蓋度在空間上呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特征。1990年和2000年,中低及低植被覆蓋主要分布在西北部定邊縣域,中等及以上植被覆蓋主要分布在東南部吳起縣域。相比前兩個(gè)時(shí)期,2010年和2019 年,流域植被覆蓋東南高西北低的空間分布特征較為明顯,中高及高植被覆蓋主要分布在東南部吳起縣域,中等及以下植被覆蓋以西北部定邊縣域?yàn)橹?植被覆蓋度等級(jí)在縣域上呈現(xiàn)出明顯的界線。

表1 北洛河上游流域4個(gè)時(shí)期不同植被覆蓋度特征Table 1 Characteristics of vegetation coverage in four periods of the upper reaches of Beiluo River watershed

圖2 1990年、2000年、2010年和2019年北洛河上游流域植被覆蓋度分布Fig.2 Distribution of vegetation coverage in the upper reaches of Beiluo River watershed in 1990,2000,2010 and 2019

1990—2019年流域植被覆蓋度等級(jí)結(jié)構(gòu)變化顯著(表1),4個(gè)時(shí)期低等級(jí)(中低及低)植被覆蓋度區(qū)域面積占比整體減小(1990 年、2000 年、2010 年、2019年分別為89.85%,47.17%,13.31%,22.27%),高等級(jí)(中高及高)植被覆蓋度區(qū)域面積占比持續(xù)增加(1990年、2000年、2010年、2019年分別為0.97%,6.96%,42.17%,64.18%),而中等級(jí)植被覆蓋度區(qū)域面積占比先提高后降低,總體呈增加趨勢。由此可見,30 a間流域植被覆蓋度持續(xù)增加,以2000年以來植被覆蓋度變化最為顯著,高等級(jí)植被覆蓋度區(qū)域面積占比大幅增加,且主要分布在流域東南部吳起縣域。

2.2 北洛河上游植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化特征

對(duì)流域4期植被覆蓋度分布圖進(jìn)行差值運(yùn)算,得到1990—2019年北洛河上游流域植被覆蓋度空間變化及其演變特征(圖3、表2)。根據(jù)我國退耕還林還草工程實(shí)施進(jìn)展,結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際狀況,將退耕還林還草工程在流域的實(shí)施過程劃分為探索試點(diǎn)期(1990—2000年)、建設(shè)期(2000—2010年)和鞏固期(2010—2019年)3 個(gè)階段。結(jié)果顯示,在探索試點(diǎn)期,流域植被以改善為主(改善區(qū)面積占比為78.3%,穩(wěn)定區(qū)面積占比為15.58%,退化區(qū)面積占比僅為6.12%)。這一時(shí)期由于國家在前期探索的基礎(chǔ)上于1998年開始了退耕還林還草試點(diǎn)工程,流域內(nèi)以吳起縣為代表的縣域短期內(nèi)全面實(shí)施了封山禁牧、植樹種草等措施,使得流域植被覆蓋度整體快速提升。在建設(shè)期,流域植被持續(xù)改善(改善區(qū)面積占比為80.02%,穩(wěn)定區(qū)面積占比為13.63%,退化區(qū)面積占比為6.36%)。這期間國家退耕還林還草工程在試點(diǎn)成功的基礎(chǔ)上全面啟動(dòng),持續(xù)不斷的財(cái)政投入,使得該區(qū)生態(tài)壞境改善與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整得到協(xié)同推進(jìn),流域整體植被生態(tài)質(zhì)量持續(xù)向好。在鞏固期,流域植被總體仍以改善為主(改善區(qū)面積占比為61.43%),但局部地區(qū)退化嚴(yán)重(退化區(qū)面積占比為25.96%),退化植被主要分布在流域西北部。這一時(shí)期隨著退耕還林還草工程任務(wù)的改變,植被退化可能與流域自身的自然條件限制和大面積人工植被建設(shè)有關(guān)。總體來看,1990—2019年30 a間流域植被大幅提升(改善區(qū)面積占比為90.46%,穩(wěn)定區(qū)及退化區(qū)面積占比分別為5.6%和3.95%),以強(qiáng)烈改善為主(面積占比為74.32%),且分布在流域東南部吳起縣域。

表2 北洛河上游流域植被覆蓋度空間變化統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of vegetation coverage changes in the upper reaches of Beiluo River watershed

圖3 1990-2019年北洛河上游流域植被覆蓋度變化分級(jí)Fig.3 Classification of vegetation coverage changes in the upper reaches of Beiluo River watershed from 1990 to 2019

研究期間,流域各等級(jí)植被覆蓋度類型的轉(zhuǎn)移速度及狀態(tài)指數(shù)見表3,1990—2019年,轉(zhuǎn)入速度最高的等級(jí)為高覆蓋度(9.13),其次為中高覆蓋度(1.17),而轉(zhuǎn)出速度最高的等級(jí)為低覆蓋度(0.05),其次為中低覆蓋度(0.04);與此同時(shí),中等、中高及高覆蓋度等級(jí)的狀態(tài)指數(shù)均為負(fù)值,表明這些等級(jí)的植被覆蓋度面積隨時(shí)間演替呈擴(kuò)大態(tài)勢,且擴(kuò)大態(tài)勢最明顯的等級(jí)為高覆蓋度;低及中低覆蓋度等級(jí)的狀態(tài)指數(shù)大于0,說明該等級(jí)下的植被覆蓋度面積隨時(shí)間演替呈縮小態(tài)勢,并以低覆蓋度等級(jí)面積的縮小態(tài)勢較為明顯。

表3 北洛河上游流域1990-2019年各等級(jí)植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移速度及狀態(tài)指數(shù)Table 3 Conversion rate and state index of vegetation coverage in the upper reaches of Beiluo River watershed from 1990 to 2019

2.3 北洛河上游流域植被覆蓋度的地形因子分異特征

2.3.1 北洛河上游植被覆蓋度隨高程的變化特征高程在一定程度上反映人類活動(dòng)的干擾程度,并通過影響區(qū)域水熱條件,進(jìn)而影響植被生長。由表4可以看出,流域92.66%的面積集中分布在1 400～1 700 m 高程帶。總體上,植被覆蓋度隨高程的升高呈降低趨勢。1990年,植被覆蓋度隨著高程的升高不斷降低,最高值出現(xiàn)在低于1 300 m 的高程帶;而在2000年、2010年、2019年,植被覆蓋度隨高程的上升呈先升高后降低的特征,最高值出現(xiàn)在1 300～1 500 m 的高程帶。這是因?yàn)榱饔騼?nèi)高程較低的地區(qū),水熱條件較好,植被易于生長,而高程相對(duì)較高的區(qū)域,氣候較為干燥,植被生長條件較差,因此植被覆蓋隨高程升高而降低。但隨著城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張,2000年以來,低海拔區(qū)域呈現(xiàn)較低的植被覆蓋度。

表4 1990-2019年北洛河上游流域不同高程植被覆蓋度Table 4 Vegetation coverage at different elevations in the upper reaches of Beiluo River watershed from 1990 to 2019

2.3.2 北洛河上游流域植被覆蓋度隨坡度的變化特征 坡度通過改變物質(zhì)能量流動(dòng)的方向和方式來影響植被覆蓋狀況。由表5可知,流域93.18%的面積主要分布在5°～35°坡度帶。隨著坡度的升高,流域植被覆蓋度逐漸增加,最低值出現(xiàn)在0°～5°的坡度帶,最高值出現(xiàn)在高于35°的坡度帶。這主要是因?yàn)榈貏葺^緩的地區(qū)人類活動(dòng)干擾影響大,植被覆蓋度較差,相反,坡度越陡的區(qū)域,人類活動(dòng)干擾受限,植被覆蓋度相對(duì)增加。從不同坡度帶植被覆蓋度變化來看,＞25°的坡度帶是植被覆蓋度增幅最為顯著的區(qū)域,1990—2019年30 a間該坡度帶植被覆蓋度增幅為48.4%～49.9%。

表5 1990-2019年北洛河上游流域不同坡度植被覆蓋度Table 5 Vegetation coverage at different slopes in the upper reaches of Beiluo River watershed from 1990 to 2019

2.3.3 北洛河上游流域植被覆蓋度隨坡向的變化特征 坡向主要通過光照影響水分及熱量條件進(jìn)而改變植被的生長狀況。由表6可以看出,流域內(nèi)99.63%的面積為陰坡、半陰坡、半陽坡、陽坡,且其面積占比相近。植被覆蓋度隨坡向遵循陰坡＞半陰坡＞平地＞半陽坡＞陽坡的分布規(guī)律。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是坡向通過影響水熱組合條件為植被生長提供了不同的生長環(huán)境,陰坡與陽坡有著不同的水熱條件。同緯度條件下,由于陰坡接受的太陽輻射總量小于陽坡,故其水分條件較好,因此植被覆蓋度隨坡向的變化呈現(xiàn)出一定的差異性,表現(xiàn)為陰坡植被覆蓋度最高,其次為半陰坡,平地和半陽坡隨后,陽坡的植被覆蓋度最低。

表6 1990-2019年北洛河上游流域不同坡向植被覆蓋度Table 6 Vegetation coverage at different aspects in the upper reaches of Beiluo River watershed from 1990 to 2019

3 討論

研究結(jié)果顯示,1990 年、2000 年、2010 年、2019年北洛河上游流域平均植被覆蓋度分別為16.82%,30.79%,47.57%,57.41%,可以看出,植被覆蓋度從退耕還林還草工程實(shí)施前(1990年)的16.82%增長至近期(2019年)的57.41%,呈持續(xù)增長趨勢,增幅為241.32%,與此同時(shí),退耕還林還草工程實(shí)施以后高等級(jí)植被覆蓋度面積占比大幅增加,表明退耕還林還草工程的實(shí)施極大地改善了流域植被覆蓋狀況。這與郭永強(qiáng)[9]和趙安周[25]等的研究結(jié)果一致,其研究表明,與退耕還林還草工程實(shí)施前相比,退耕還林還草工程實(shí)施后黃土高原年均植被覆蓋度增速顯著,植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域主要位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)生態(tài)工程重點(diǎn)建設(shè)的地區(qū)。本研究區(qū)植被覆蓋度在空間上呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特征,且這種分布特征在2000年以后更為突顯。究其原因,一方面,黃土高原植被覆蓋度的空間分布與降水量顯著相關(guān),北洛河上游流域地處半干旱氣候區(qū),多年平均降水量約410 mm[17],水分條件是制約黃土高原植被生長極為重要的影響因素[26],研究區(qū)降水量從東南向西北逐漸遞減,降水量的變化會(huì)影響土壤水分狀況,進(jìn)而導(dǎo)致植被生長狀況發(fā)生改變,因此降水量的空間分布在一定程度上決定了研究區(qū)植被覆蓋度的空間分布。另一方面,退耕還林還草工程實(shí)施強(qiáng)度是影響該區(qū)植被覆蓋度空間差異的主要因素。吳起縣1998年率先開始實(shí)施封山退耕、植樹種草等政策,1999年全年一次性退耕面積達(dá)1 036.67 km2,占全縣總面積的27.35%,是全國封得最早、退得最快、退耕面積最大的縣份[27]。退耕政策反映出人類活動(dòng)對(duì)土地利用的影響程度,這一時(shí)期該縣的土地利用程度綜合指數(shù)變化幅度尤為顯著[16],呈現(xiàn)出與周圍縣域鮮明的差異,因此2000年以后,流域東南部以吳起縣為代表的區(qū)域植被覆蓋度明顯高于西北部。

1990—2019年,流域植被覆蓋度整體明顯改善,相比于退耕還林探索試點(diǎn)期和建設(shè)期而言,退耕還林鞏固期,流域局部地區(qū)植被退化嚴(yán)重(退化區(qū)面積占比為25.96%),退化植被大面積分布在西北部定邊縣。這與劉逸濱等[28]的研究結(jié)果一致。導(dǎo)致植被退化的因素是多方面的。首先,流域東南部地勢較低,水熱條件相對(duì)較好,因此東南部植被恢復(fù)效果較好,而西北部大多為北洛河水源發(fā)源區(qū)、山高坡陡、降水量減少,溫度降低,植被恢復(fù)效果較差甚至出現(xiàn)退化。其次,自退耕還林還草試點(diǎn)工程啟動(dòng)以來,持續(xù)高強(qiáng)度的人力物力投入很大程度上削弱了氣候因素對(duì)植被的不利影響,而在之后的鞏固期,退耕還林的主要任務(wù)是造林地養(yǎng)護(hù)管理及小面積補(bǔ)植補(bǔ)造工作,因此鞏固期,西北部較差的水熱條件不利于人工植被的生長發(fā)育,導(dǎo)致該區(qū)植被出現(xiàn)退化。此外,流域植被退化可能與大面積人工植被建設(shè)有關(guān)。已有研究指出,在氣候變暖的趨勢下,黃土高原大規(guī)模植被建設(shè)引起區(qū)域蒸散耗水增加,加劇了土壤干燥化程度,導(dǎo)致人工植被生長到一定時(shí)間開始退化[29]。因此,今后對(duì)于植被的恢復(fù)與重建需加強(qiáng)前期實(shí)施方案的合理性論證,如植被類型、種植密度及規(guī)模等需根據(jù)相應(yīng)的區(qū)域蒸散耗水特征和土壤水分植被承載力來確定,以應(yīng)對(duì)未來氣候變化對(duì)區(qū)域植被建設(shè)的威脅,從而提高植被生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

地形通過改變生境要素影響植被的生長及演替。流域植被覆蓋度隨地形因子的變化呈現(xiàn)出明顯的分異特征,這與前人的研究結(jié)果相似[14-15]。值得注意的是,研究區(qū)植被覆蓋度隨著高程的升高呈降低趨勢,但自2000年以來,水熱條件相對(duì)較好的低海拔地區(qū)呈現(xiàn)出較低的植被覆蓋度。這是由于低海拔地區(qū)往往是城市建設(shè)用地的集中分布區(qū),在1998年流域開始實(shí)施退耕還林還草工程以來,隨著農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)遷移,導(dǎo)致流域內(nèi)城市建設(shè)用地面積呈擴(kuò)張趨勢,并且主要分布在地勢較低的高程帶[17],因此低海拔區(qū)域呈現(xiàn)出較低的植被覆蓋度。此外,2000 年以來,15°以上的坡度帶是流域植被覆蓋度增幅明顯的區(qū)域,并以25°以上坡度帶的增幅最顯著。主要原因是退耕還林政策的實(shí)施將坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱植莸?以減輕水土流失,坡度作為退耕政策執(zhí)行的首要標(biāo)準(zhǔn),即25°以上的陡坡耕地應(yīng)退盡退,同時(shí)也將15°～25°的坡耕地納入其中,因此在退耕還林還草工程實(shí)施以后,15°以上的坡度帶植被覆蓋度大幅增加,尤其以25°以上坡度帶的增幅最為顯著。由此可見,退耕還林工程引起的土地利用變化是流域植被覆蓋度變化的主要驅(qū)動(dòng)方式,實(shí)施退耕政策使得流域陡坡耕地轉(zhuǎn)化為林草地,從而導(dǎo)致陡坡區(qū)植被覆蓋度增幅顯著,這與劉宇[11]和張寶慶[12]等對(duì)黃土高原植被覆蓋度變化的地形分異特征研究結(jié)果一致。研究顯示,北洛河上游流域未來植被覆蓋度仍有9.2%的提升幅度[30],由于該流域植被分區(qū)處于典型草原帶,因此,未來該區(qū)域植被恢復(fù)除了在水分條件較好的微地形植樹造林外,需重點(diǎn)考慮以低耗水的鄉(xiāng)土灌草種為主的自然恢復(fù)方式。

本研究基于多時(shí)相遙感影像,結(jié)合數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),從流域視角分析探討了退耕還林還草工程實(shí)施背景下黃土丘陵溝壑區(qū)流域植被覆蓋度時(shí)空變化及其地形分異特征,研究結(jié)果可為該地區(qū)植被監(jiān)測與保護(hù)提供科學(xué)參考。但本文還存在一些不足之處,首先,在植被覆蓋度計(jì)算上,本研究采用NDVI值結(jié)合像元二分模型進(jìn)行了研究區(qū)植被覆蓋度的估算,盡管該模型在實(shí)踐中應(yīng)用廣泛,但對(duì)于模型中NDVIsoil和NDVIveg的取值大多根據(jù)NDVI值的頻率累計(jì)分布確定,缺乏對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多源遙感數(shù)據(jù)集的互相驗(yàn)證,或?qū)Σ煌旌舷裨Ｐ凸浪憔鹊膶?duì)比與評(píng)價(jià)。另外,本文未能引入氣象數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等對(duì)植被覆蓋度時(shí)間變化及空間分異的主導(dǎo)因素進(jìn)行定量分析,如何分離量化不同影響因素對(duì)植被覆蓋度變化的作用需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

(1)流域植被覆蓋度在空間上呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特征。1990—2019年流域植被覆蓋度從退耕還林還草工程實(shí)施前(1990年)的16.82%增加到近期(2019年)的57.41%,呈持續(xù)增加趨勢,尤其退耕還林還草工程實(shí)施以后高等級(jí)植被覆蓋度面積占比大幅提升,1990年、2000年、2010年、2019年高等級(jí)植被覆蓋度面積占比分別為0.97%,6.96%,42.17%,64.18%。

(2)在退耕還林還草工程實(shí)施的各個(gè)時(shí)期,流域植被覆蓋度總體持續(xù)改善,西北局部地區(qū)出現(xiàn)退化,流域東南部較西北部改善程度顯著。研究期間流域植被覆蓋度結(jié)構(gòu)明顯改善,中高及高植被覆蓋度的面積以轉(zhuǎn)入為主,中低及低植被覆蓋度的面積以轉(zhuǎn)出為主,中等及以上等級(jí)植被覆蓋度面積隨著時(shí)間演替呈擴(kuò)大態(tài)勢,以高植被覆蓋度面積擴(kuò)張態(tài)勢最為明顯。

(3)流域植被覆蓋度在地形上存在明顯的分異特征。植被覆蓋度隨著高程的增加呈減小趨勢。植被覆蓋度與坡度呈正相關(guān),即坡度越陡,植被覆蓋度越大,植被覆蓋度隨坡向遵循陰坡＞半陰坡＞平地＞半陽坡＞陽坡的分布規(guī)律。2000年以來,退耕還林還草工程的實(shí)施使得流域25°以上陡坡區(qū)植被覆蓋度增幅顯著,同時(shí)低海拔區(qū)出現(xiàn)植被覆蓋度下降趨勢。