内蒙古卓资县土地利用与植被覆盖动态变化

周湘山，孙保平，李锦荣，赵 岩，钟晓娟，王引乾，冯 磊，邱一丹

（北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083）

水土流失和土地沙化是我国最突出的生态问题。水土流失导致河湖淤积、水灾频繁，土地沙化使风沙灾害加剧。日益严峻的生态形势，引起了党中央和国务院的高度重视，全面实施退耕还林（草）工程成为当前生态建设的重要内容[1-3]。退耕还林（草）是人们通过政策和管理措施改变土地利用/植被覆盖类型，在区域尺度上进行地表过程调控、维护和改善生态环境的有效切入点，其实质就是通过调整土地利用方式，恢复重建地表自然覆盖，建立生态安全条件下的土地利用/植被覆盖格局[4-5]。

植被覆盖度（Vegetation coverage，VC）是植被重要的生理参数，能够直观地反映地表植被的丰度，同时它也是生态系统中一个重要的控制因子，对蒸散、土壤侵蚀、光合作用过程等起着重要的控制作用[6]，是指示生态系统变化的重要指标。基于遥感数据进行大面积、长时间序列的植被覆盖度计算，对于区域气候变化研究具有重要意义。

以全国退耕还林典型县卓资县为例，利用TM遥感影像解译的土地利用状况和植被覆盖度，在ARCGIS地理信息系统的支持下，研究退耕还林前后的土地利用和植被覆盖度的变化，较细致地分析卓资县1999—2007年退耕还林生态建设工程实施以来所取得的实效。

1 研究区概况

卓资县位于内蒙古自治区乌兰察布盟西部，黄土高原北部、大青山南坡，其海拔为1 400～2 206m，属阴山低山丘陵区以及剥蚀堆积山涧沟谷及洼地地形，地理位置为北纬40°38′～41°16′，东经111°51′～112°56′。全县土地总面积为312 000 hm2，地貌以黄土丘陵为主，其中，山地109 000 hm2，占土地总面积的34.9%；耕地54 620 hm2，占土地总面积的17.5%；滩川地5 907.67 hm2，占土地总面积的1.89%。丘陵低缓，丘间地形较平坦。卓资县地处北温带，属典型的干旱半干旱大陆性季风气候，年均气温2.5℃，1月份平均气温-16℃，极端最低气温-38.2℃，极端最高气温为35.2℃，≥0℃积温为2 000～2700℃，≥5℃积温平均为2389℃，持续170 d，≥10℃积温平均为1800℃，无霜期90～110 d；平均降水量为350mm，年蒸发量1 876.9mm，年均湿度为45%，年均风速为2.8m/s，春季大风常形成沙尘暴天气。天然植被主要以半荒漠、荒漠植被为主。全县土壤主要有灰褐土、栗钙土和草甸土三大类，以灰褐土和栗钙土为主，土层厚度为10～60m。土壤沙性大，水蚀和风蚀都很严重，主要分布在大黑河两岸的干、支沟地区。

2 研究内容和方法

2.1 TM影像处理及LUCC分类体系建立

TM影像为Landsat-7波段遥感数据，其空间分辨率为25m，共2景遥感影像，1景影像时相为1999年9月7日，另1景影像时相为2007年8月26日。基础地理信息数据包括1∶25万卓资县全要素数字地图、1∶5万数字高程模型，这些辅助数据主要用于图像精校正、辅助分类、综合制图和地学分析。地面调查资料用于监督分类训练样本和精度验证。根据不同土地利用类型的光谱反映特征建立解译标志，采用目视解译法识别影像的特征属性，并结合野外资料对影像进行监督分类，得到遥感分类图，比较各时期土地利用与植被覆盖变换。

参照1992年中国科学院“八五”重大应用项目“国家资源与环境遥感宏观调查与动态研究”的土地资源分类系统[7]，根据卓资县土地利用和植被物候与荒漠化特点，结合大量野外调查，本着实用、简洁的原则，确定采用2级分类法对研究区进行土地利用/植被覆盖分类（表1）。

表1 卓资县土地利用/植被覆盖分类体系

2.2 植被覆盖度计算方法

植被覆盖度是指植被冠层的垂直投影面积与土壤总面积之比，即植土比。

本文以植被指数估算植被覆盖度，利用归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index），建立归一化指数定量估计植被覆盖度模型[8-9]。

归一化指数定义为近红外波段NIR（0.7～1.1μm）与红光波段R（0.4～0.7μm）数值之差和这2个波段数值之和的比值，即NDVI＝。

公式（1）为采用NDVI指数建立的植被覆盖度模型，在模型中 NDVIsoil＝NDVImin，NDVIveg＝N DVImax。

公式（1）可被近似为：NDVI＝fc×NDVIveg＋（1－fc）×NDVIsoil，即图像中每个像元的 NDVI值可以看成是有植被覆盖部分的NDVI与无植被覆盖部分的NDVI的加权平均，其中有植被覆盖部分的NDVI的权重即为此像元的植被覆盖度fc，无植被覆盖部分的NDVI的权重则为1－fc。其中，NDVIsoil为裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，即无植被像元的NDVI值，NDVIveg则代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型变化

对1999年和2007年的2期TM遥感影像的分类结果（图1）进行统计，得到了卓资县的土地利用/植被覆盖的统计数据（表2、表3）。

表2 卓资县景观要素Ⅰ级分类面积统计

表3 卓资县景观要素Ⅱ级分类面积统计

由表2、图2可知，1999年卓资县的景观要素Ⅰ级分类的结构是：草地＞林地＞耕地＞未利用地＞居民工矿用地＞水域。在1999年，该区景观中耕地面积为73434.98 hm2，占该区总面积的23.54%；林地面积79 036.09 hm2，占该区总面积的25.34%；草地面积116 470.94 hm2，占该区总面积37.34%；水域面积6 082.96 hm2，占该区总面积1.95%；居民工矿用地面积7 953.45 hm2，占该区总面积2.55%；未利用地面积28 921.60 hm2，占该区总面积9.27%。从Ⅰ级分类上看，全县土地利用类型主要以草地为主，林地和耕地次之，整个区域的林草覆盖度达到62%以上。

2007年卓资县景观要素Ⅰ级分类的结构为：草地＞林地＞耕地＞未利用地＞居民工矿用地＞水域。在2007年，该区景观中耕地面积为55 089.15 hm2，占该区总面积的17.66%；林地面积为86 160.27 hm2，占该区总面积的27.62%；草地面积为125 358.06 hm2，占该区总面积的40.19%；水域面积为1 422.76 hm2，占该区总面积的0.46%；居民工矿用地面积为12 336.29 hm2，占该区总面积的3.96%；未利用地的面积为31 533.49 hm2，占该区总面积的10.11%。

从Ⅰ级分类上看，2007年与1999年相比，景观要素的结构顺序没有发生变化，但各要素类型中，耕地和水域面积呈现减少趋势，8 a分别减少了5.88，1.49百分点。林地、草地、未利用地和居民工矿用地面积呈现递增趋势，8 a分别增加了 2.28，2.85，0.84，1.41 百分点。

从表3、图3可看出，从1999年卓资县退耕还林工程启动以来，到2007年该地区景观格局发生了显著变化，耕地面积减少18 345.83 hm2，所占县域面积比例减少5.88百分点，原因主要是坡度较大的坡耕地减少。林地面积在8 a间增加了2.29百分点，其中，灌木林地面积增加了29 219.91 hm2，所占县域面积比例增加了9.37百分点；有林地面积减少22 095.73 hm2，所占县域面积比例减少了7.08百分点，原因是在这期间有人工伐木。草地面积到2007年增加约2.85百分点，其中大部分是中盖度草地增加，中盖度草地面积增加8 951.07 hm2，所占县域面积比例增加了2.87百分点；高盖度草地面积基本保持平稳，变化幅度不大。这是因为实行封山禁牧以后，中盖度草地得到了很好的自然恢复。荒草地面积增加2 611.89 hm2，所占县域面积比例增加了0.84百分点，原因主要是期间有撂荒地。线状水系面积减少4 660.20 hm2，所占县域面积比例减少了1.49百分点，主要因为在卓资县的线状水系中有部分水系面积是草地上的零星小水域，水系面积随年际降雨量变化较大。2007年居民工矿用地与1999年相比，增加4 382.84 hm2，所占县域面积比例增加了1.41百分点，主要由于退耕还林的实施使当地农民的生活经济有所提高，农村发展速度加快，城乡建设步伐加快，居民工矿建设及交通用地面积逐步增加。在实施退耕还林工程以来，大面积的退耕还林还草和封山育林育草，到2007年时林草覆盖度上升到67.8%，林草面积一共增加了16 011.31 hm2。

3.2 植被覆盖变化

基于NDVI指数，对卓资县的植被覆盖度分布进行遥感分析，结果如图4所示。

从图4可以看出，植被覆盖度整体有较大提高，特别是卓资县西部与1999年相比变化更为显著，卓资县东部比1999年有所提高。

从表4可以看出，与退耕还林前的1999年相比，低植被覆盖度的土地面积有一定幅度的减少，而较高植被覆盖度的土地面积则有一定幅度的增加。2007年植被覆盖度＜10%的面积与1999年相比，减少12 846.10 hm2，减少量占总面积的4.12%；植被覆盖度10%～30%的面积变化较小，与1999年相比减少9 040.38 hm2，减少量占总面积的2.90%；植被覆盖度30%～50%的面积变化较大，与1999年相比增加15 417.66 hm2，增加量占总面积的4.94%；植被覆盖度50%～70%和＞70%的面积变化一般，增加量分别占到总面积的1.34%和0.74%。变化量只能衡量总体变化情况，不能说明不同等级覆盖度之间的转移变化情况。

为了弄明白1999—2007年间各个不同覆盖度等级之间的转移量，对植被覆盖度进行转移矩阵分析（表5）。

表4 1999，2007年植被覆盖面积及其所占比例

表5 卓资县1999—2007年植被覆盖度面积转移矩阵

从表5可以看出，＜10%的植被覆盖度主要向10%～30%和30～50%的植被覆盖度转移，而10%～30%和30%～50%的植被覆盖度向＜10%的植被覆盖度转移较小，表明这一等级的植被覆盖度向良好的更高覆盖度的方向发展。10%～30%的植被主要向30%～50%的植被覆盖度转移，同时30%～50%覆盖度的植被也向10%～30%的方向转移，但面积仅有前者的2/3，说明植被治理大于破坏。30%～50%与50%～70%植被覆盖度之间互有转移，这2个覆盖度之间的转化处于相对较为平衡状态。而＞70%的植被覆盖度，与各覆盖度之间有转移，转移量基本保持平衡，这说明当植被覆盖度达到一个阈值以后，覆盖度之间的转移达到动态平衡，这种动态平衡对维系生态系统的稳定性是相当重要的，是系统进入良性循环的一个重要标志[10-11]。从上述分析可知，卓资县从实施退耕还林工程后，到2007年植被覆盖度呈增加趋势明显，在该地区植被覆盖度大于30%的斑块之间的相互转移已经达到相对平衡。

植被覆盖度＞50%的斑块之间转移主要是分布在卓资县的西南部植被覆盖度高的林地内；＜10%的植被覆盖度斑块向其他覆盖度斑块之间的转移主要集中在卓资县东部区域；10%～30%和30%～50%的斑块在2007年所占比例都较大，在卓资县以30%这一覆盖度为分界线，不同覆盖度的分布及其转移规律差异明显。卓资县西南部植被覆盖度提高较为明显，西北部有林地植被覆盖度在退耕前就达到很高，在退耕还林工程实施期间保护较好，变化相对稳定。

4 结论

卓资县退耕还林工程实施以后，地区的整个生态环境得到了改善，从遥感解译得到土地利用与植被覆盖图上对比，退耕还林工程实施前的1999年和退耕后的2007比较，土地利用结构发生明显改变，耕地面积减少18 345.83 hm2，主要转化为林地和草地；林地面积在8 a间增加了2.29百分点，其中，以灌木林地的增加为主；草地面积增加2.85百分点，其中，以中盖度草地的增加为主。8 a间植被覆盖度发生较明显变化，＜10%的植被覆盖度与1999年相比较，减少23.39%，植被覆盖度30%～50%，50%～70%和植被覆盖度＞70%与1999年相比增幅较大，分别增加22.82%，11.51%和11.21%。不同等级的覆盖度之间各有转移，总体上＜10%的植被覆盖度主要向10%～30%和30%～50%的植被覆盖度等级转移，10%～30%和30%～50%的植被覆盖度等级之间的转移，前者向后者转移的比例是后者向前者转移的近1.5倍。30%～50%与50%～70%植被覆盖度之间互有转移，转化处于动态平衡状态。＞70%的植被覆盖度，与各覆盖度之间的转移量保持平衡，这对于维系生态系统的稳定性是相当重要的，同时标志着卓资县的生态系统进入良性循环。10%～30%和30%～50%这2个等级的覆盖度斑块，在2007年所占面积都较大，共占全县面积的66.24%，这2个等级的植被覆盖度，能代表全县的平均植被覆盖度等级水平。卓资县西南部植被覆盖度提高较为明显；西北部有林地植被覆盖度在退耕前就达到很高，在退耕还林工程实施期间保护较好，变化相对稳定。退耕还林工程在卓资县的实施，生态效果显著。

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