植被生态对气候变化和人类活动的响应——以陕西省榆林能源化工基地为例

张茂省，卢娜

中国地质调查局西安地质调查中心，西安， 710054

内容提要：全球气候变化和人类活动双重作用对生态环境的影响是当今研究的热点问题。本文以国家级榆林能源化工基地为研究区，以MODIS遥感数据为依据，以归一化差值植被指数NDVI为参数，研究了植被生态的时空分布规律，分析了植被生态与降水、地貌、地下水、包气带岩性等自然条件的关系，揭示了人类活动对植被生态正负两方面的影响。研究结果表明，自然条件控制着植被生态的格局，植被生态具有明显的水平分带性，由东南向西北，随着降水量的减少、蒸发量和干燥度的增加，植被状况由好变差；2000年以来区内植被状况总体呈现好转的趋势，其中71.22%的区域好转，28.43% 的区域基本维持不变，0.35%的区域退化。植被生态对气候变化尤其是降水量的年际变化具有敏感的响应，煤炭和地下水资源开采等人类活动对植被生态总体上造成负面影响，退耕还林(草)、限耕禁牧政策的实施是研究区植被生态总体呈现好转趋势的根本原因。

全球气候变化和强烈的人类活动正在深刻地改变着植被生态的状况，深入研究气候变化和人类活动对植被生态的影响对于适应气候变化、规范人类活动、指导生态环境建设具有重要的意义。

全球气候变化是当今研究的热点问题。已在许多地区观测到降水量自1901年以来存在长期趋势。在北美和南美东部、欧洲北部、亚洲北部和中部，观测到降水量显著增加，强降水事件发生的频率有所上升，并与增暖和观测到的大气水汽含量增加相一致。在萨赫勒、地中海、非洲南部、亚洲南部部分地区，已观测到降水量的减少，出现干旱，自1970年代以来，在更大范围地区，尤其是在热带和亚热带，观测到强度更强、持续更长的干旱。

国内外学者针对植被变化进行了广泛研究，研究发现，北半球40°～70°N之间地区归一化差值植被指数有显著增加的趋势(Zhou L M et al.,2001)，且植被对气候变化的响应往往表现出一定的滞后效应(Braswell et al.,1997；Ringrose et al.,2002)。国内研究针对黄河流域较多，研究发现黄河流域植被覆盖近20多年来有增加的趋势(孙睿等，2001；杨胜天等，2002；李春晖和杨志峰，2004；邓朝平等，2006；刘绿柳和肖风劲，2006)；从年际变化看，黄河流域NDVI和降水明显相关(孙睿等，2001；李春晖和杨志峰，2004)，降水对草原的影响最为显著，而对森林和农业灌区的影响较小(孙睿等，2001；刘绿柳和肖风劲，2006)。黄土高原地区自1981年以来植被覆盖波动上升，降水变化是植被覆盖变化的重要原因(周洪建等，2009)，陕北长城沿线风沙区植被覆盖的变化呈现相同的规律，且气候影响因素相同，非气候因素中生态建设和环境保护措施是引起植被明显增加的主要原因(张茂省等，2008)。针对其他地区植被与气候变化的关系也做了大量研究(张学霞等，2004；于小飞等，2006；陈怀亮等，2009；郑有飞等，2009；李明财等，2009)。在人类活动方面研究最为广泛的是地下水的开发对植被变化影响(孙宪春等，2008；杨泽元等，2007；汤梦玲等，2001；陈亚宁和李卫红，2003；郑丹等，2005)，其他人类活动研究较少。

本文选取涉及毛乌素沙地和陕北黄土高原两大地貌单元、生态环境脆弱、矿产资源开发和土地开发利用强烈的国家级榆林能源化工基地为研究区。首先，以MODIS遥感数据为依据，以归一化植被指数NDVI为参数，研究植被覆盖度的空间分布规律及其2000年以来的变化趋势；第二，分析降水量、蒸发量等主要气候因子的空间分布规律，探索植被指数与主要气候因子的关系，并分析了地形地貌、地下水位、土壤、包气带结构等其他自然条件对植被的控制作用；第三，研究矿产资源开发、地下水开发等人类活动，以及退耕还林(草)、禁止放牧、植树造林等生态建设措施对植被覆盖度及其变化的正负两方面影响。

1 研究区概况

陕西省榆林市位于陕西省最北端，地理坐标为东经107°28′～111°15′，北纬36°57′～39°35′。东临黄河与山西相望，西连宁夏、甘肃，北邻内蒙，南接本省延安市(图1)。大体以长城为界，北部为沙漠高原，属风沙滩地地貌，占全市总面积的42%；南部为黄土高原，属黄土丘陵沟壑地貌，占全市总面积的58%。

图 1 陕西榆林交通位置图Fig. 1 Map of Yulin area, Shaanxi Province

研究区属欧亚大陆温带草原生态系统, 半干旱区旱生的地带性植被控制着区内植被生态的格局，仅在潜水埋深较小的局地存在湿生和中生植物。天然植被分布具有明显的水平分带，由东南向西北，随着降水量的减少、蒸发量和干燥度的增加，植被也相应地从森林草原逐渐向干草原过渡。

森林草原分布在长城以南沙盖黄土丘陵区，具有明显的草原化特征。代表类型有以白沙蒿、柠条、黄蒿为主的植物群落区以及以地椒等为主的植物群落区和以铁杆蒿、黄蒿、羊厌厌为主的植物群落区等等。

长城以北是典型草原的分布区。主要有以沙蓬、沙竹为主的植物群落区以及以黑沙蒿、白沙蒿、牛心卜、臭柏、沙柳为主的植物群落区和以白刺、寸草、芦草、沙柳为主的植物群落区。典型草原区隐域性的植被发达。长城以北的毛乌素沙地腹地由流动沙丘，平缓沙地，半固定、固定沙丘地组成。沙丘间分布着大小不等的湿滩地和干滩地，也夹杂着裸露的黄土硬地。沙地因基质松散，影响地带性植被的发育，形成沙生植被景观。滩地发育着草甸、盐生草甸、沼泽草甸及沼泽化灌丛植被类型。流动沙丘发育以沙米、沙竹为主的植物群落，主要群丛有沙竹群丛、沙米群丛。固定和半固定沙地发育以黑沙蒿、白沙蒿、沙柳等为主的植物群落，主要群丛有黑沙蒿群丛、白沙蒿群丛、沙棘群丛、踏郎群丛、花棒群丛。湖盆盐碱滩地发育以白刺、寸草、沙柳为主的植被群落，主要植物群丛有芦苇群丛、甘草群丛、白刺群丛。

随着飞播造林、人工造林等措施的实行，区内人工植被分布也较广，主要有杨树、旱柳、槐树、杏树、桃树等乔木以及柠条、紫穗槐等灌木。

2 数据与方法

选用NASA全球共享的MODIS—NDVI标准数据集对研究区植被覆盖及演化进行研究。据野外勘查，该地区植被生长旺盛时间为7 ～10月上旬，因此采用了2000～2009年每年第177～288天的数据，共70期。

对70期数据以时间序列数为自变量，以每一个像元点的NDVI值为因变量，点绘曲线。NDVI呈现出上下波动，但总体上还表现出上升、下降或者基本不变的3种趋势。通过最小二乘法对时间序列的NDVI数据进行线性拟合可得到一条趋势线。当线性拟合得到回归方程的斜率为正值(SLOPE>0)时，说明像元表征区域在此10年间植被覆盖度总体处于增大状态(图2a)；当直线斜率为负值(SLOPE<0)时，说明像元表征区域在此10年间植被覆盖度总体处于降低状态(图2b)；当直线斜率接近零(SLOPE≈0)时，说明像元表征区域在此10年间植被覆盖度处于基本没有变化的状态(图2c)。

图 2 陕西榆林10年间植被指数线性回归分析示意图Fig. 2 The diagram of linear regression analysis of NDVI in 10 years in Yulin area, Shaanxi

3 研究结果

3.1 植被生态的空间分布规律

将榆林市2009年第177～288天的7期NDVI数据进行算术平均，基本表征该年秋季的植被覆盖状况，计算结果如图3所示。整体而言，全市大部分区域植被指数均在0.2以上。植被指数小于0.4的区域主要集中在西北风沙滩地区，而植被指数大于0.4的高覆盖区域主要集中在风沙滩地内的靖边县梁镇—东坑一带以及东南部的吴堡、绥德、清涧、子洲、米脂等县。64%的研究区植被指数大于0.4，植被覆盖状况良好。经统计，风沙滩地区植被指数主要在0.17～0.4之间，占整个风沙滩地面积的78%左右；黄土丘陵区植被指数主要在0.27～0.5之间，约占黄土区面积的94%。东部黄土丘陵区植被覆盖状况优于西部风沙滩地区。

图 3 陕西榆林市2009年秋季NDVI分布图Fig. 3 The distribution of NDVI mean in Yulin area, Shaanxi，autumn of 2009Ⅰ—风沙地貌区；Ⅱ—黄土地貌区Ⅰ—sandy area；Ⅱ—loess area

3.2 植被生态的演化规律

利用MODIS—NDVI数据计算的研究区内近10年来植被变化趋势(SLOPE值)空间分布情况如图4所示。从图中可以比较直观地看出，植被状态有变好趋势的区域在研究区内占有绝对优势。同时，黄土丘陵地区植被变好趋势优于风沙滩地区。基本维持原状趋势的区域所占比例比较小，略有退化趋势的区域面积很小，基本未发生变化的区域主要分布在榆阳区和神木县的风沙滩地区及定边县的南部山区，而植被状态退化地区主要分布在河谷地带。

整个研究区内2000～2009年NDVI变化趋势数据统计结果在表1列出。统计结果显示：近10年来区内约71%的区域地表植被状况有变好的发展趋势；基本维持不变区域占总面积的28.43%；呈现退化趋势的区域仅占总面积的0.35%。整体而言植被生长发育状况朝变好的趋势发展。

图 4 陕西榆林2000～2009年植被指数变化趋势Fig. 4 The distribution of NDVI trends in Yulin area, Shaanxi，2000～2009 Ⅰ—风沙地貌区；Ⅱ—黄土地貌区Ⅰ—sandy area；Ⅱ—loess area

按表1所列的SLOPE范围标准对风沙滩地区和黄土丘陵区分区进行统计，结果如图5所示。黄土丘陵区82%的区域植被有变好趋势，比西部风沙滩地区大。风沙滩地区植被状态比较稳定的区域与变好的区域约各占49%。两区有退化趋势的区域所占百分比都较小。

图 5 陕西榆林线性回归斜率(SLOPE)分区统计结果Fig. 5 Linear regression slope statistical results in Yulin area, Shaanxi(a) —风沙区；(b)—黄土区(a)—sandy area；(b)—loess area

4 问题和讨论

4.1 自然条件对植被的控制作用

4.1.1 气候条件

区内降水量自东南向西北递减，蒸发量自东南向西北递增，干燥度与降雨量、蒸发量有关，由东南向西北递增(图6)。受气候条件的控制，研究区植被以温带草原植被为主，是整个欧亚草原区的一部分。在研究区内由西北向东南选取4个样本区，各样本区的蒸发量、干燥度及降水量参数见表2，各样本区的植被指数均值见图7。由表2和图7可以看出，随着降雨量的增大，蒸发量和干燥系数的降低，植被指数逐渐增大。

4.1.2 地貌条件

不同地貌类型对应不同的植被指数分布，并表现出明显的规律(图8)。首先，同一地貌类型并非对应一个确定的植被指数，而是从0.1～0.5之间几乎都有分布。其次，不同地貌类型对应的植被指数表现出明显的规律性，以纵轴植被指数比率为例，0.2以上对应的横轴植被指数区间依次是：沙地为0.13～0.25，沙盖黄土为0.15～0.27，滩地为0.24～0.36，河床、漫滩为0.28～0.37，植被的生长状况依次由差变好。再次，沙地和沙盖黄土区植被指数普遍较低，主要集中在0.15～0.27之间，植被指数高的区间所占比重很小；滩地和河漫滩植被指数则明显较高，滩地区主要集中在0.23～0.37之间，河漫滩区总体较高，区间更宽，并且植被指数大于0.35的区间仍占约10%比重。

4.1.3 地下水位

地下水埋深是影响地表生态环境的决定性因素。根据野外调查，当地下水位埋深<1.2m时，植物根系可直接延伸到地下水面附近吸收地下水，水分供给十分充足，植被生长旺盛；但局部地区由于潜水蒸发强烈，地表发生轻微盐渍化，支持喜水耐盐的草本植物的生存。当地下水位埋深为1.2～3.8m时，水分供给充足，植被长势良好，地表不会出现盐渍化。当地下水位埋深为3.8～8.0m时，水分供给不足，植物生长出现胁迫。当地下水位埋深为>8.0m时，水分供给满足不了植被的生长，植物生长很差，随着植被盖度的降低，易导致固定、半固定沙地活化。

统计不同潜水埋深区间与植被指数NDVI之间的关系，结果表明，不同潜水埋深区间分别对应不同的植被指数分布，并表现出明显的关系(图9)。首先，同一潜水埋深区间内并非对应一个确定的植被指数，而是从0.1～0.5之间几乎都有分布。其次，不同潜水埋深区间对应的植被指数表现出明显的规律性，以0.2以上的植被指数比率为例，对应的植被指数区间依次是：1.2～3.8m区间为0.13～0.24，大于8m区间为0.15～0.27，3.8～8m区间为0.17～0.26，0～0.2m区间为0.24～0.32，1.2～3.8m区间为0.24～0.36，植被的生长状况依次由差变好。再次，0.2～1.2m区间植被指数高，主要集中在0.20～0.35之间，植被指数低的区间所占比重很小；大于1.2m的几个埋深区间对应的植被指数则明显较低，多小于0.25，小于0.2m区间对应的植被指数总体较高，区间较宽，但植被指数小于0.20的区间仍占约20%比重。

图 6 陕西榆林主要气候因子空间分布Fig. 6 The distribution of main climate factors in Yulin area, Shaanxi

4.1.4 包气带岩性及岩性结构

包气带岩性决定着土壤基质吸力和毛细上升高度，区内毛细上升高度一般在0.8～1.20m之间，最大可达1.50m左右。土壤基质决定土壤持水度和地下水毛细上升高度，从而通过土壤含水量和含盐量影响到植被生存状况。

图 7 陕西榆林不同气候参数区植被指数分布Fig. 7 The distribution of NDVI in different climate parameter regions in Yulin area, Shaanxi

区内包气带岩性结构可归纳为4种类型：单层黄土结构、上部为风积沙下部为黄土结构、上部为风积沙下部为萨拉乌苏组结构以及粘性土与沙互层结构。单层黄土结构表现为侏罗系基底—中更新统黄土—上更新统黄土的地质结构，这种包气带岩性结构和地貌类型不利于大气降水入渗与涵养，植被长势较差。上部为风积沙下部为黄土结构表现为在侏罗系基底上沉积了中更新统黄土—全新统风积沙，这种结构有利于大气降水的入渗和上层滞水的形成，植被长势良好。上部为风积沙下部为萨拉乌苏组结构表现为在侏罗系基底上沉积了中更新统黄土—上更新统萨拉乌苏组冲湖积层—全新统风积沙，这种地质结构极易接受大气降水的补给和涵养，植被长势良好。粘性土与沙互层结构分布于河谷、湖群高平原、滩地，这种地质结构易接受大气降水的补给和涵养，地下水位埋深浅，以喜水的草本植物和沙生植物沙柳灌丛为主，植被长势旺盛。

图 8 陕西榆林不同地貌类型对应的植被指数分布曲线Fig. 8 The distribution of NDVI for different physiognomy in Yulin area, Shaanxi

图 9 陕西榆林不同潜水埋深对应的植被指数分布曲线Fig. 9 The distribution of NDVI for different groundwater depth in Yulin area, Shaanxi

4.2 植被生态对气候变化和人类活动的响应

4.2.1 气候变化的植被生态响应

图 10 陕西榆林靖边县(a)和横山县(b)降水量年际变化曲线Fig. 10 The precipitation interannual variation curve in Jingbian Country(a) and Hengshan Country(b), Yulin area, Shaanxi

图 11 陕西榆林韩家峁地区降水量及植被指数变化曲线Fig. 11 The variation curve of precipitation and NDVI in Hanjiamao, Yulin area, Shaanxi

研究区内降水是影响植被的最主要气候因子，因此主要分析降水变化的植被生态响应。近年来榆林市降水量呈平稳波动状态，总体呈略微上升趋势(图10)。图11为韩家峁水文站年降水量的变化及该地区植被指数的变化曲线。1999～2002年，降水量呈上升趋势，植被指数也随之呈现增大趋势；2002年以后降水量略下降，并呈现小幅波动，植被指数随着降水量的波动也出现小幅波动，与降水量的变化趋势一致。说明植被对降水量具有明显的响应，随着降水量的变化，植被指数也发生相应的变化。

4.2.2 采煤对植被生态的影响

以大柳塔煤炭开采区和相邻的条件相近的非开采区(位置见图4)进行对比，研究采煤对植被生态环境的影响程度。2000年以来，无论是煤炭开采区还是非开采区，植被覆盖状况总体上以好转的趋势为主，仅少部分呈现退化的趋势。尽管在大柳塔矿区植被覆盖总体上也呈现好转的趋势，但与未开采的对比区相比，其植被生态好转的区域所占的比例明显较小，而植被生态变差的区域所占的比例明显较大，说明矿区煤炭资源的开采对植被生态造成负面影响。

图 12 陕西榆林敏感性分区图Fig. 12 Zoning map of sensitivity in Yulin area, Shaanxi

图 13 陕西榆林秃尾河源区植被指数分布Fig. 13 The distribution of NDVI in source area of Tuwei River, Yulin area, Shaanxi(a) 2009年；(b) 2002年 (a) AD 2009；(b) AD 2002

采煤对植被生态的影响程度可以通过与对比区的差值来量化。分别统计大柳塔矿区与对比区植被变化状况的面积及其所占的百分比，计算二者的差值，得到量化的统计结果(表3)。计算结果可以解释为，由于煤炭资源开采导致植被生态明显恶化和轻度恶化的面积分别较非采区多0.65%和17.51%，使得植被生态本应好转的区域少18.42%。

4.2.3 地下水开采对植被生态的影响

根据植被指数与地下水关系的研究方法(张茂省等，2008)，依据植被生态对地下水位变化的敏感性将全区划分为非敏感区和敏感区。敏感区根据敏感程度可进一步划分为一级敏感区、二级敏感区、三级敏感区(图12)。非敏感区为潜水埋深大于8.0m的沙地沙梁和黄土丘陵区，植被生长基本与地下水无关，主要靠降水维持，开采地下水一般不会引起植被生态退化。一级敏感区为水位埋深小于1.2m的区域，该区植被根系可以充分吸取地下水，地下水位下降可以产生植物群落向旱生群落演替，多样性减少。但该区也是盐碱化土地分布区，地下水位下降使盐碱化土地的植被生态条件好转。因此，开采地下水对该区植被生态条件的影响具有正、负生态效应。二级敏感区为水位埋深1.2～3.8m的区域，地下水位下降将使湿生和中生植物长势受到抑制，生态环境向旱生植物方向变化。三级敏感区为水位埋深3.8～8.0m的区域，植物生长对地下水的依赖程度比较弱，但是在包气带没有粘性土夹层的区域，地下水位下降可以产生土壤含水量在旱季不能得到保障的问题，使植物群落向旱生群落演替，该区开采地下水将引起局部植被由中生植物群落演替为旱生植物群落。

4.2.4 生态环境建设的植被生态响应

在发展经济的同时，榆林市重视生态恢复和建设，从1999年开始开展大规模的治沙治土、造林绿化、改善生态的活动，生态环境建设取得了显著成效，林草覆盖率有了显著提高。以秃尾河源头地区为例，该地区自2002年开始进行植树治沙工程，到2009年已取得明显效果，共治理沙地近20万亩，植被覆盖率45%左右(图13)。其中13(a)为该地区2009年植被指数分布情况，13(b)为2002年植被指数分布情况。各植被指数区间所占面积比例统计见表4。由图表中可以看到，2002年到2009年间，植被指数<0.2的面积明显减少，说明裸地或植被覆盖极低的面积大量减少，而植被指数较高的面积有所增加。

在大柳塔矿区，由于人工绿化等使得植被生态明显好转的区域较非采区多了0.26%(表3)。

5 结论

(1)研究区整体上植被覆盖状况较好，64%的区域植被指数大于0.4。东部黄土丘陵区植被覆盖状况优于西部风沙滩地区；近10年来研究区内约71%的区域地表植被状况有变好的发展趋势，约28.43%的面积维持不变，有退化趋势的区域面积仅占0.33%。整体而言植被生长发育状况朝变好的趋势发展。

(2)气候条件控制了区内植被的主要类型，且随着降雨量的增大、蒸发量和干燥系数的降低，植被指数逐渐增大。而地貌类型、地下水位埋深、土壤类型、包气带结构等条件控制了局部的植被类型分布。气候变化直接影响植被生态的变化，尤其是植被指数对降水量的年际变化具有敏感的响应，植被指数与降水量的变化趋势一致。说明植被对降水具有明显的响应，降水量增大或减小，植被覆盖相应的变好或变差。

(3)煤炭和地下水资源开采等人类活动对植被生态总体上造成负面影响，在不同敏感区资源开采对植被生态的影响程度不同。在非敏感区对地表植被生态造成影响甚微；在一级敏感区对植被生态具有正、负效应；在二级敏感区使植被向旱生植物方向变化；在三级敏感区使局部中生植物向旱生植物演替。

(4)退耕还林(草)、禁止放牧、植树造林等生态建设措施对植被的恢复有显著的效果。1999年以来，榆林市裸地或植被覆盖极低的面积大量减少，而植被指数较高的面积明显增加。